不同形态烟碱的释放和生理效应差异研究进展.pdf

2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期 JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY Vol.38 No.4 Aug.2023收稿日期:2022-12-30;修回日期:2023-03-20;出版日期:2023-08-15基金项目:中国烟草总公司重大专项项目(110202101018(XX-04),110202001007(XX-03);国家烟草质量监督检验中心烟草控制框架公约科技项目(552018AQ0090)作者简介:韩书磊(1983),男,河南省许昌市人,北京生命科技研究院/国家烟草质量监督检验中心正高级工程师,博士,主要研究方向为烟草化学生物学。E-mail:hsl1983 通信作者:胡清源(1965),男,江苏省南京市人,北京生命科技研究院/国家烟草质量监督检验中心研究员,博士,主要研究方向为烟草化学生物学。E-mail:huqy1965 韩书磊,张浩,陈欢,等.不同形态烟碱的释放和生理效应差异研究进展J.轻工学报,2023,38(4):69-76.HAN S L,ZHANG H,CHEN H,et al.Progress in the release and physiological effects of different forms of nico-tineJ.Journal of Light Industry,2023,38(4):69-76.DOI:10.12187/2023.04.009不同形态烟碱的释放和生理效应差异研究进展 韩书磊1,2,3,张浩1,2,3,陈欢1,2,3,侯宏卫1,2,3,胡清源1,2,31.北京生命科技研究院,北京 102200;2.烟草生物学效应重点实验室,河南 郑州 450001;3.国家烟草质量监督检验中心,河南 郑州 450001摘要:烟草及烟草制品中存在不同形态的烟碱,其含量的差异对烟草制品有较大影响。在概述烟碱形态的基础上,着重对不同形态烟碱在释放量和生理效应等方面的差异进行综述,指出:由于理化性质差异,烟草制品中的游离烟碱更易释放到气溶胶中;感官特性方面,游离烟碱的刺激性更高,烟碱盐相对更柔和;吸收率方面,由于存在多种给药方式,不同形态烟碱的吸收率存在差异;毒性方面,总体上游离烟碱毒性小于烟碱盐,但烟碱盐的毒性因酸根离子的种类而异;致瘾性方面,烟碱盐的致瘾性可能高于游离烟碱,且可能因酸根离子的种类而异。未来应对游离烟碱和烟碱盐的吸收率、毒性、致瘾性等生理效应的差异及潜在机制进行深入探究,以更好地指导烟碱盐在烟草制品中的应用。关键词:烟碱盐;游离烟碱;质子化烟碱;释放量;生理效应中图分类号:TS41+3 文献标识码:A 文章编号:2096-1553(2023)04-0069-080 引言烟碱(C10H14N2,3-(1-甲基-吡咯烷基)-吡啶)是烟草中非常重要且含量最高的一种生物碱,一般占烟草生物碱总量的 95%以上,是烟草制品重要的品质要素和标签1-2。在烟草制品中,烟碱存在游离态和质子化态两种形态,烟碱形态对烟草制品的感官特性、吸收效率等生理效应具有显著影响,也是影响消费者使用烟草制品的重要因素3。常规卷烟通过在加工和生产过程中加入氨或其他碱性物质(如 K2CO3)调节 pH 值,进而调节卷烟烟气的烟碱形态、感官特性及其他生理效应4,而电子烟等新型烟草制品则直接通过调节烟碱的添加形式改变烟碱形态。在电子烟问世初期,所添加的烟碱主要是游离烟 碱(纯 烟 碱),其 质 量 分 数 一 般 不 高 于2%5-7,近年来,以 JUUL 为代表的电子烟产品逐渐采用烟碱苯甲酸盐等烟碱盐代替游离烟碱,降低了产品的刺激性,提升了感官体验,且烟碱含量远高于其他电子烟产品,一般为 3%5%或更高8-10。从常规卷烟到电子烟等新型烟草制品,烟碱形态的调96 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期控引发了产品革命,并深刻影响着烟草科学的发展方向。烟碱形态的变化影响烟草制品的烟碱释放量,且不同形态烟碱在感官特性、吸收效率、毒性、致瘾性等方面都具有一定差异,这引起了业界对不同形态烟碱差异性的广泛关注,但该领域鲜有相关综述报道11。鉴于此,本文拟对国内外烟碱形态的相关文献进行梳理,归纳探讨不同形态烟碱在烟草制品中的释放量及其生理效应的差异性,旨在为不同形态烟碱的相关应用研究提供参考。1 烟碱形态概述烟碱是一种弱二级碱,结构中包含一个吡啶环和一个吡咯环,两个环上的氮均能与质子结合,形成质子化烟碱。烟碱两个可电离部分的电离常数会影响其基本的物理化学和生物学性质12,标准条件下,吡啶环上的氮电离常数为 3.15,吡咯环上的氮电离常数为 7.8713,因此烟碱存在游离(非质子化)、单质子化和双质子化 3 种形态(见图 1)。图 1 烟碱各形态的转化Fig.1 Transformation of various nicotine forms 烟碱形态与所处环境的 pH 值密切相关14。由于烟草制品的 pH 值一般达不到产生双质子化烟碱的条件,因此在烟草及烟草制品中烟碱的存在形态主要有两种,即游离态和单质子化态,单质子化烟碱由于结合不同的酸根离子而产生不同的烟碱盐。不论在常规卷烟还是在电子烟等新型烟草制品中,烟碱形态都与 pH 值有紧密关系,游离烟碱比例会随着 pH 值的升高而增加。在卷烟中,烟气 pH 值是反映卷烟品质的一种指标,综合反映卷烟烟气的化学组成和化学平衡15。烟气中不同形态烟碱的含量和比例随 pH 值的变化而变化,游离烟碱的含量随着烟草或烟气碱性的增强而增加16-18。G.P.Morie19提出通过酸碱平衡理论,根据 pH 值计算游离烟碱比例的思路。研究发现,只有当 pH 值6.0 时,烟碱才能以游离态存在;当 pH 值7.4 时,游离烟碱比例(fb)上升至 30%;当 pH 值7.8 时,fb为 50%左右13。但烟气是一个复杂的系统,不能完全用经典的平衡理论解释烟碱的存在形态,关于烟气 pH 值的测定,目前尚无统一标准20,且烟气粒相物的 pH 值可能更高,烟气中可能存在更大比例的游离烟碱21。在电子烟烟液中,烟碱形态也与 pH 值密切相关。A.El-Hellani 等22研究发现,当 pH 值为 5.16时,烟液的 fb为 2.5%,而当 pH 值为 9.66 时,fb则为 97.7%。在电子烟烟液中添加酒石酸会显著降低烟液 pH 值,当烟液中的烟碱全部为酒石酸烟碱盐时,电子烟烟液的 pH 值约为 4.1023。韩敬美等24研究了电子烟烟液 pH 值与游离烟碱含量之间的关系,发现烟液的 fb会随着 pH 值的增加而增加,因此可通过调节烟液 pH 值来调节游离烟碱在总烟碱中的占比。2 不同形态烟碱释放量差异由于不同形态烟碱的挥发性和热稳定性存在差异,烟碱在烟草制品中的释放量也存在一定差异。游离烟碱和烟碱盐释放温度不同,不同种类的烟碱盐释放温度也不同,而同一种酸产生的烟碱盐,由于酸根与烟碱的比例不同,也会对烟碱的释放温度产生影响25。与烟碱盐相比,游离烟碱具有更高的挥发性,可同时存在于气相和粒相中,而烟碱盐只存在于粒相中21。烟碱在较低温度下就可挥发到气溶胶中,而烟碱羧酸盐则需通过去质子化、羧酸盐阴离子分解和歧化 3 种机制才能将烟碱释放到气溶胶中26-27。烟碱和烟碱盐的热重结果表明:烟碱的释放温度在 150 左右,酒石酸烟碱盐中烟碱的释放温度在 220 左右,将烟碱转化成烟碱盐可有效提高烟草制品中烟碱释放的稳定性25,28。S.Talih 等29探究了电子烟中烟碱和烟碱盐含量比例对烟碱释放量的影响,发现烟液中游离烟碱含量越高,则气溶胶中游离烟碱释放量越高。V.V.Gholap 等30探究了电子烟气溶胶中游离烟碱释放量的影响因素,发现烟液中烟碱形态是影响气溶胶中游离烟碱释放量的主要因素之一,烟液中游离烟碱含量越高,气溶胶中游离烟碱释放量越高。07 韩书磊,等:不同形态烟碱的释放和生理效应差异研究进展各会杰等31探究了相同质量浓度的不同类型烟碱盐溶液雾化后,产生的气溶胶中烟碱释放量,发现当烟液中烟碱质量浓度为 3 mg/mL 时,平均抽吸 50口,气溶胶中不同烟碱盐产生的烟碱释放量为酒石酸烟碱盐 0.21 mg,苹果酸烟碱盐 0.23 mg,水杨酸烟碱盐 0.33 mg,苯甲酸烟碱盐 0.44 mg。以上研究表明,不同形态烟碱对烟草制品总烟碱释放量有一定影响,对烟气和气溶胶中烟碱/烟碱盐比例有较大影响,且这些影响与烟碱盐种类有关。3 不同形态烟碱生理效应差异 烟草及烟草制品中不同形态烟碱含量和比例的不同会对其生理效应产生影响,目前对游离烟碱和烟碱盐生理效应差异的研究主要集中在感官特性、吸收率、毒性、致瘾性等几个方面。3.1 烟碱形态对感官特性的影响在常规卷烟和电子烟中同时存在游离烟碱和质子化烟碱,不同形态烟碱的感官特性有较明显的差异。有研究32表明,相比于质子化烟碱,游离烟碱具有更强的喉部刺激感。早期研究多集中在烟碱形态对卷烟烟气劲头的影响上。陈建潭等33对卷烟烟气粒相物 pH 值、游离烟碱含量与卷烟劲头的关系进行了研究,发现烟气总烟碱含量与游离烟碱含量和烟气劲头无明显相关性,而烟气劲头与烟气中游离烟碱含量呈正相关关系。王明锋等34研究了卷烟烟气中总烟碱和游离烟碱含量对感官舒适性的影响,发现总烟碱含量与感官舒适性无明显相关性,而游离烟碱含量与感官舒适性高度负相关。彭斌等35研究发现,钾盐使用不当会对感官品质产生一定影响,随着 K2CO3添加量的增加,烟气总烟碱量逐渐降低,游离烟碱在总烟碱中的占比逐渐升高,卷烟劲头逐渐增大,说明卷烟劲头与烟气中游离烟碱在总烟碱中的占比更为相关。杨蕾等36对烟丝、烟气成分与卷烟烟气柔和性进行关联分析,发现游离烟碱含量是影响卷烟烟气柔和性的主要因素之一,其含量越高,烟气劲头越大,对喉部的冲击感越强、柔和性越差。以上研究表明,烟碱形态对烟草制品感官品质有重要影响,游离烟碱含量是影响烟气劲头的主要因素,而总烟碱含量的影响则相对较小。随着电子烟的发展,对电子烟中不同形态烟碱感官特性差异的研究逐渐增多。赵国玲等23对添加游离烟碱和酒石酸烟碱盐电子烟的感官品质进行了对比研究,发现与游离烟碱样品相比,酒石酸烟碱盐样品烟气的成团性较好,余味干净,烟碱气息较弱,刺激性较低。A.M.Leventhal 等37采用随机、双盲人群实验,比较了添加游离烟碱和烟碱盐电子烟的吸引力和感官体验,发现添加烟碱盐电子烟的总体吸引力更高,其具有更好的平滑度和甜味,苦味和刺激性得以减轻,抽吸感官体验也得到改善。综上所述,烟草制品的感官特性与烟碱形态及其含量有着密切的关系。烟草及烟草制品中游离烟碱含量高会增强烟气击喉感和刺激性,而烟碱成盐后(质子化态)会降低其刺激性。烟草中含有大量的有机酸,因此上调以烟草为原料的卷烟制品 pH值,可提高游离烟碱比例,增强烟气劲头;而在电子烟中,烟碱盐可降低游离烟碱的刺激性,进而提高电子烟的烟碱浓度,使其产生的血浆烟碱浓度与常规卷烟相似,提升体验感。3.2 烟碱形态对吸收率的影响根据药物吸收的 pH 分配假说,任何药物分子都很容易以游离态穿透生物膜(除血脑屏障等特殊屏障外)38。应用氨和其他碱性物质添加技术就是通过提高烟草烟气 pH 值来增加吸烟者烟碱的吸收率39,但目前不同形态烟碱在体内的吸收率尚无定论。为了探究烟碱形态对烟碱吸收率的影响,许多研究人员进行了体外40-42和体内43-49研究。3.2.1体外研究 在体外研究方面,2016 年,M.Takano 等40开展了大鼠原代培养肺泡上皮细胞对烟碱吸收的体外研究,发现细胞外 pH 值对烟碱的吸收有显著影响,当 pH 值为 58 时,细胞外 pH值越高,细胞对烟碱的吸收率越高。同年,Y.Tage等41的研究也涉及胞外 pH 值对人肺泡上皮细胞A549 细胞系吸收烟碱的影响,发现 A549 细胞系的烟碱吸收对胞外 pH 值的变化不敏感,在 6.4、7.4和 8.4 这 3 个不同 pH 值条件下,仅发现 pH 值为7.4 比 pH 值为 6.4 时细胞烟碱吸收率有显著升高。次年,M