卷煙煙氣中自由基清除的研究進(jìn)展

王繼蓮，張 琦，王 毅，馬永凱，季秀玲，魏云林，*

(1.昆明理工大學(xué)生物工程技術(shù)研究中心，云南昆明650224; 2.紅塔(煙草)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南玉溪653100)

卷煙煙氣中自由基清除的研究進(jìn)展

王繼蓮1，張 琦1，王 毅2，馬永凱2，季秀玲1，魏云林1，*

(1.昆明理工大學(xué)生物工程技術(shù)研究中心，云南昆明650224; 2.紅塔(煙草)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南玉溪653100)

自由基是卷煙煙氣中主要的一類有害物質(zhì)，對人體有很大的毒害作用。本文介紹了煙氣中自由基的一些基本情況及其對人體的危害，并進(jìn)一步對國內(nèi)外煙氣中自由基清除劑的種類、作用機(jī)理及應(yīng)用研究情況進(jìn)行了綜述。

煙氣，ESR，自由基，自由基清除劑

自由基，化學(xué)上也稱為“游離基”，是含有未成對電子的原子、分子或原子團(tuán)，這些物質(zhì)由于具有未成對的自旋電子，因此易與其它物質(zhì)發(fā)生得失電子的氧化還原等反應(yīng)而形成穩(wěn)定的物質(zhì)。其強(qiáng)氧化性可損害機(jī)體的組織和細(xì)胞，進(jìn)而引起慢性疾病及衰老效應(yīng)。煙草中含有大量活性很高的自由基，每吸入一口煙氣約產(chǎn)生1×1016個自由基［1］。這些自由基可以直接或間接攻擊、損傷細(xì)胞和酶等物質(zhì)，還會使DNA產(chǎn)生突變，結(jié)果在體內(nèi)激活和產(chǎn)生大量活性更高、毒性更大的其它自由基，從而導(dǎo)致多種病變［2］。因此研究煙草自由基的性質(zhì)，開發(fā)高效無毒的自由基清除劑，對于降低卷煙吸食危害、緩解吸煙與健康之間的矛盾具有十分重要的意義。目前國內(nèi)和國外很多人對降低卷煙煙氣中的自由基展開了研究，并取得了一定進(jìn)展。本文對自由基的一些基本研究情況，對人體的危害，以及煙氣中自由基清除方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 自由基的概述

自由基多半是從有關(guān)的穩(wěn)定化合物發(fā)生熱均裂而生產(chǎn)的。煙草的化學(xué)成分中，除含有大量的有機(jī)化合物外，還含有無機(jī)化合物、放射性同位素。在煙草加工制成卷煙的過程中，因加香、保潤、助燃、防霉等的需要，又要添加若干化學(xué)物質(zhì);另外卷煙燃吸時產(chǎn)生高溫。因此卷煙燃燒過程中不僅具有產(chǎn)生自由基的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時還具有產(chǎn)生自由基所需的客觀條件［3］。

Lyons等首先用電子自旋共振(ESR)技術(shù)在卷煙中檢測到了自由基。隨后有許多這方面的研究報道，一般都是采用ESR或者ESR－自旋捕獲技術(shù)來研究卷煙粒相物和氣相物中存在的自由基。研究表明煙氣中的自由基一般分為兩類［4］:一部分存在于卷煙焦油中，稱為固相自由基，主要是醌/半醌(Q/QH)和稠環(huán)芳烴自由基(PAH)，還有少部分的石炭墨和磷自由基。這類自由基分子量較大，性質(zhì)比較穩(wěn)定，壽命較長，很容易氧化成氧自由基，可用ESR技術(shù)直接觀察到。第二類是氣相自由基或不穩(wěn)定自由基，主要是烷類(R)和烷氧(RO)自由基等瞬時不穩(wěn)定自由基。這類自由基性質(zhì)異常活潑，穩(wěn)定性差，不能用ESR直接觀察，必須將它們用自旋捕集技術(shù)捕獲后轉(zhuǎn)化成比較穩(wěn)定的、能用ESR檢測的自旋化合物。其產(chǎn)生主要是因為煙絲的不完全燃燒、蒸餾和熱裂、光解、一系列的氧化還原過程，無法用過濾嘴將其濾除。

2 自由基的危害性

煙氣中的自由基大多是對人體有害的。對粒相自由基而言，占主體的醌/半醌自由基可直接與細(xì)胞的DNA結(jié)合導(dǎo)致細(xì)胞轉(zhuǎn)化，還可發(fā)生自身氧化反應(yīng)，生成一系列活性氧自由基，如超氧陰離子自由基、羥基自由基等，這些活性氧自由基均可攻擊細(xì)胞，引起細(xì)胞膜的損傷，從而導(dǎo)致疾病。而氣相自由基的反應(yīng)很強(qiáng)，可以直接進(jìn)攻α1－抗蛋白酶，并使其氨基氧化，失去活性，從而導(dǎo)致人體內(nèi)蛋白酶－抗蛋白酶系統(tǒng)失衡，造成肺部損傷。氣相自由基還可間接造成生物膜流動性改變，從而喪失正常的生理功能。更為嚴(yán)重的是，氣相自由基還可以間接攻擊細(xì)胞，通過激活肺組織內(nèi)的中性粒細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)泡中的酶引發(fā)“爆炸性”的連鎖鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放大量的活性氧自由基，反復(fù)攻擊人體細(xì)胞［5－7］。

3 自由基清除劑的研究進(jìn)展

自由基極具破壞性，能造成生物分子、細(xì)胞器官、組織的損傷。許多病如動脈粥樣硬化、阿爾茨海默病、帕金森病和腫瘤等的發(fā)生與轉(zhuǎn)移，機(jī)體的衰老等都與自由基有關(guān)。國內(nèi)外有很多人做了自由基降低的研究。

目前，清除卷煙煙氣中自由基的主要方法是向煙絲和濾嘴中加入自由基清除劑。自由基清除劑多為抗氧化劑，主要通過清除作用降低活潑自由基中間體濃度，降低自由基連鎖反應(yīng)中擴(kuò)展階段的效率來控制自由基的生成。也有些抗氧化劑是通過抑制自由基引發(fā)劑(如Fe2+，Cu2+)的產(chǎn)生而起作用的。目前所用的清除劑主要有天然植物類抗氧化劑、氨基酸、酶及維生素類、微量元素及一些天然礦物質(zhì)、多孔無機(jī)材料等。

3.1 天然植物類抗氧化劑

天然植物類抗氧化劑具有來源廣、抗氧化活性好、與機(jī)體親和力強(qiáng)和安全性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、保健和化妝品等領(lǐng)域。其含有的原花色素、兒茶素、維生素C等的結(jié)構(gòu)單元都是黃酮類化合物。黃酮是具有酚羥基的一類還原性化合物，在復(fù)雜反應(yīng)體系中，由于其自身被氧化而具有清除自由基和抗氧化能力。其作用機(jī)理是與O2－反應(yīng)阻止自由基的引發(fā)，與金屬離子螯合阻止OH－的生成，與ROO－反應(yīng)阻斷脂質(zhì)過氧化。

徐迎波等［8］向卷煙中添加銀杏酮、茶多酚、丹參酮等生物活性物質(zhì)可以降低卷煙煙氣中自由基達(dá)20%以上。胡啟秀［9］研究表明復(fù)合植物提取物清除自由基效果較好。戴亞［10］從天然植物中提取多種酮、酚類及其衍生物可顯著降低卷煙煙氣中的自由基。宋旭艷［11］發(fā)現(xiàn)葡萄多酚(PT)、蘋果多酚(PG)、茶多酚(CY)可選擇性降低卷煙煙氣中的自由基。王勇［12］測定了黑沙蒿中黃酮類化合物清除羥基自由基的能力。金勁松［13］用槐米浸膏與金針花浸膏混合物較強(qiáng)地清除OH－和O2－自由基降低卷煙產(chǎn)品的自由基含量。除了向煙絲中添加自由基清除劑，還有一種方法是在卷煙過濾嘴中添加自由基清除劑。姚二民［14］將綠茶制成茶葉濾嘴與卷煙對接可以有選擇地減少煙氣中的自由基。毛紹春等［15］向濾嘴中添加松樹皮提取物，較好地清除卷煙氣相、粒相及總自由基。Hersh等［16］將綠茶或葡萄籽提取物加入煙草或濾嘴中，可以降低煙氣中自由基產(chǎn)生的危害。此外，也有少數(shù)研究使用合成抗氧化劑，如Aldo等［17］就使用了常用的合成抗氧化劑BHA和BHT。雖然天然植物類抗氧化劑具有還原能力強(qiáng)等優(yōu)點，但是也存在著自氧化失活快、保存時間短等限制性因素，真正投入生產(chǎn)、應(yīng)用的并不多。

3.2 氨基酸，酶及維生素類

植物蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸與多糖、酚類化合物等形成的復(fù)合物具有生物親和力大、活性強(qiáng)的優(yōu)點，也已成為醫(yī)藥、保健品等領(lǐng)域的研究重點。這些生物物質(zhì)易被氧化脫氫發(fā)生轉(zhuǎn)化，在此轉(zhuǎn)化過程中會消耗H2O2，從而阻止羥基自由基等氧自由基的產(chǎn)生。如半胱氨酸［18］、硒代甲硫氨酸和 L－蛋氨酸［19－20］等。約安尼斯·斯塔夫里迪斯等［21］用血紅蛋白等生物物質(zhì)制備的濾嘴可截留90%的自由基。馬小龍［22］制備的固定化過氧化氫酶多孔淀粉，Hersh等［23］向濾嘴中加入酶催化劑和SOD都可清除H2O2，從而防止生成羥基自由基。雖然這些酶或蛋白的活性很強(qiáng)，但是離體提取較為困難，生物活性很容易喪失，因此規(guī)?；a(chǎn)尚存在許多技術(shù)障礙。

一些維生素既是食品營養(yǎng)素，又可作為抗氧化劑。主要有維生素E［24］、維生素C［25］及維生素A的前體β－胡蘿卜素［26］。它們分別通過中斷脂類過氧化的連鎖反應(yīng)，逐級給出電子轉(zhuǎn)變成半脫氫抗壞血酸和脫氫抗壞血酸，抑制活性氧的生成等達(dá)到清除O2－、OH－、ROO－等自由基的作用。維生素類能有效地清除自由基，但容易氧化導(dǎo)致功能下降，且在儲存和運(yùn)輸過程中易使產(chǎn)品顏色變深，限制了其應(yīng)用。

3.3 微量元素

許多微量元素多是自由基清除酶的活化劑，參與酶代謝，也起到清除自由基的作用。其抗氧化機(jī)制主要是通過對酶的影響來實現(xiàn)的，使有毒的過氧化物轉(zhuǎn)化為無毒的羥基化合物，也能終止自由基引起的脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，防止過渡金屬Fe2+、Cu2+催化H2O2形成OH－。

王艷麗［27］在煙絲中添加殼聚糖亞鐵配合物來降低自由基。Youjin Zhang［28］在濾嘴材料中摻雜金屬Cu、Pd等降低了卷煙煙氣的危害性。Tabakova［29］和Jansson［30］在卷煙中加入金屬Au和Co3O4降低卷煙主流煙氣中的自由基。日本［31］發(fā)明了一種含有原卟啉亞鐵化合物的濾嘴，可以有效去除煙氣中的自由基。雖然微量元素清除自由基效果較好，但由于價格等諸多因素，限制了微量元素的廣泛使用。

3.4 天然礦物質(zhì)

天然藥物礦石質(zhì)地疏松、多微孔、吸附性能好且含有少量以過渡金屬離子形式存在的化合物如三氧化二鐵等，可參加化學(xué)吸附作用。在農(nóng)、牧、漁業(yè)和水質(zhì)凈化、去除毒性物等功能上有大量潛在應(yīng)用價值，是一種很好的自由基吸附劑。Cvetkovic［32］和吳軍［33］等的研究表明含沸石的復(fù)合濾嘴可選擇性清除煙氣中的自由基。鄭崇輝等［34］和孫賢軍［35］發(fā)現(xiàn)含水滑石和電氣石的復(fù)合材料明顯降低了煙氣中的自由基。但由于天然礦物質(zhì)存在資源不足、有效成分低等問題，真正投入生產(chǎn)、應(yīng)用的并不多。

3.5 多孔無機(jī)材料

無機(jī)材料具有孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、對低濃度/痕量物質(zhì)的高效吸附等優(yōu)點成為卷煙降害領(lǐng)域的研究熱點。按照孔徑大小，多孔材料可分為:微孔、介孔和大孔材料。大孔材料孔徑尺寸一般大于50nm，在煙氣選擇性的吸附及催化等方面沒有優(yōu)勢。而無機(jī)微孔、介孔材料孔徑較為適中，對煙氣具有選擇性的吸附及特殊的催化作用［36－37］。美國煙草行業(yè)早在20世紀(jì)50年代就開始對活性炭微孔材料作為吸附劑進(jìn)行了研究和應(yīng)用，在濾嘴中添加了活性炭吸附劑的卷煙在國外市場得到快速發(fā)展。但無機(jī)材料在清除自由基的同時還會產(chǎn)生一定的異味，影響卷煙的燃吸品質(zhì)。

4 展望

在煙草工業(yè)領(lǐng)域，研究自由基的最直接目的是降低自由基在卷煙煙氣中的含量，減少卷煙煙氣對消費(fèi)者的危害，保護(hù)消費(fèi)者的身體健康。雖然國內(nèi)在煙草主管部門的組織推動以及專業(yè)研究所的努力下，已經(jīng)取得多項創(chuàng)新成果，但現(xiàn)有的清除劑清除自由基的效率都較低，雖然有報道稱茶多酚等生物物質(zhì)能截留20%的煙氣自由基，但也較大地改變了卷煙的吸味。目前市場上已有一些低自由基的卷煙產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品還不是卷煙產(chǎn)品的主流，有些產(chǎn)品還不能被廣大消費(fèi)者接受。因此還有待進(jìn)一步開展低自由基卷煙產(chǎn)品的研究，開發(fā)出既能保持卷煙的吸味，又能高效選擇性地降低煙氣中自由基的清除劑。

大多數(shù)自由基的壽命都非常短，常以毫秒或微秒記，目前常用的ESR法很難檢測到這些存在時間很短的自由基，有待于建立一種新的檢測方法。對煙氣中自由基的研究尚只停留在對自由基的清除效果等方面，需進(jìn)一步加強(qiáng)對清除劑的反應(yīng)機(jī)理、作用條件和損傷的分子機(jī)理的研究，并在此基礎(chǔ)上研究出無毒副作用的自由基清除劑，建立適應(yīng)現(xiàn)代卷煙工藝技術(shù)條件的自由基清除劑的添加方法。

［1］趙保路.氧自由基和天然抗氧化劑［M］.北京:科學(xué)出版社，1999:123－126.

［2］趙保路.吸煙、自由基和癌［J］.自然雜志，1989(12):453－456.

［3］Davis D L，Mark T，Nielsen.Tobacco—production，chemistry and technology［M］.Bering:Chemical Industry Press，2003:230－234.

［4］David M，Mafini D.Genotoxlcity of tobacco smoke and tobacco smoke condensate:A review［J］.Mutation Research，2004，567: 447－474.

［5］Pryor WA.Cigarete smoke and the involvement of free radicalreactions in chemical carcinogenesis［J］.British Jounnal of Cancer，1987，55:19－23.

［6］Frei B，F(xiàn)orte TM，Ames BN，et a1.Gas phase oxidants of cigarete smoke induce lipid peroxidation and changes in lipoprotein properties in human blood plasma［J］.Journal of Biochemistry，1996，277:133－138.

［7］Huang MY，Peng JH，Zhang SM，et a1.Microwave leaching of titanium－rich material purlficationstudies［C］.The 12th National Symposium on the Appficationof Microwave Energy Collection， 2005:135－137.

［8］徐迎波，徐華軍，縱坤，等.生物活性物質(zhì)降害效果研究［C］.中國煙草學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2006:257－259.

［9］胡啟秀，方智勇，成濤，等.利用植物提取物降低卷煙主流煙氣中的自由基［J］.中國煙草學(xué)報，2006，12(3):22－26.

［10］戴亞，汪長國，朱立軍，等.一種復(fù)合生化制劑在在卷煙減害中的應(yīng)用［J］.煙草工藝，2008(5):5－8.

［11］宋旭艷，尤慶亮，羅誠浩，等.新型選擇性減害濾棒的研制［J］.煙草科技，2008(12):14－18.

［12］王勇，慶偉霞，楊玉霞，等.天然黃酮類化合物清除羥基自由基的活性研究［J］.化學(xué)研究，2010，21(6):57－59.

［13］金勁松，文俊，劉通訊，等.槐米、金針花浸膏的抗氧化活性及其對卷煙危害性的影響［J］.煙草科技，2009(7):38－42.

［14］姚二民，張峻松，毛多斌，等.茶質(zhì)紙一醋纖二復(fù)合濾嘴在卷煙中的應(yīng)用［J］.煙草科技，2008(8):49－52.

［15］毛紹春，李竹英，李聰，等.植物取物降低香煙煙氣自由基的應(yīng)用研究［J］.毒理學(xué)雜志，2008，22(1):40－42.

［16］Hersh T，Hersh H.Glutathione，green tea，grape seed extract to neutralize tobacco free radicals:US Patent，6470894［P］.2002－08－29.

［17］Aldo，Stefano G.Cigarette filters and the like:WO，9610929［P］.1996－04－18.

［18］劉建福，尹大鋒，譚新良，等.低焦油、低自由基、富硒烤煙型卷煙的研制［J］.中國煙草學(xué)報，2001(3):11－14.

［19］Hersh T，Hersh R.Smoking tobacco products containing antioxidants:US Patent，6138683［P］.2000－10－31.

［20］Hersh T.Intra－oral antioxidant preparations:US Patent，5906811［P］.1999－05－25.

［21］約安尼斯·斯塔夫里迪斯，喬治·德里康斯坦丁諾斯.利用生物物質(zhì)從香煙煙氣中除去有害的氧化劑和致癌的揮發(fā)性亞硝基化合物:中國，1133550［P］.1996－10－16.

［22］馬曉龍，宋敏峰，張杰，等.固定化過氧化氫酶多孔淀粉制備功能性醋酸纖維絲束的研究［J］.煙草科技，2009(10): 5－11.

［23］Hersh T，Hersh R.Antioxidants to neutralize tobacco free radicals:US Patent，6415798［P］.2002－07－09.

［24］Russo J D.Tobacco products with dry powdered vitamin:EUS Patent，6079418［P］.2000－06－27.

［25］趙保路，彼得·羅德沃爾德，李京農(nóng).一種有效清除卷煙煙氣中自由基的卷煙濾嘴及其制備方法:中國，1348725［P］. 2002－05－15.

［26］徐運(yùn)杰，方熱軍.維生素與自由基［J］.畜牧與飼料科學(xué)，2007(5):36－38.

［27］王艷麗.4種中草藥有效成分和殼聚糖亞鐵配合物在卷煙中的應(yīng)用［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［28］Youjin Zhang，Qixiu Hu，Biao Hu，et a1.Characterization and application of a new kind of mesoporous composite［J］.Materials Chemistry and Physics，2006，96:16－21.

［29］TabakovaT，BoeeuzziF，ManzoliM，eta1.Oxideased materials:New sources，novel phases，new applications［J］.Studies in Surface Science and Catalysis，2005，155:493－496.

［30］Jansson J，Palmqvist A，F(xiàn)ridell E.On the catalytic activity of Co3O4in low－temperature oxidation［J］.Journal of Catalysis， 2001，211(2)，387－397.

［31］Kabushiki K.Advance kaihatsu kenkyujo:Tobacco Smoke Filter:US，4414988［P］.

［32］Cvetkovic N，Adnadjevic B，Nikolic M.Catalytic reduction of NO and NO content in tobacco smoke［J］.Contribution of Tobacco Research，2002，20(1):43－48.

［33］吳軍.沸石對主流煙氣中揮發(fā)性亞硝胺及NO的吸附去除［J］.化工時刊，2006，20(7):36－41.

［34］鄭崇輝，王君，孫煒巖，等.一種新型功能材料—二維層狀磁性鋅鋁水滑石的制備及表征［J］.化工新型材料，2006，34 (11):22－25.

［35］孫賢軍，鐘科軍，朱效群，等.電氣石復(fù)合材料在卷煙減害降焦中的應(yīng)用［J］.中國造紙，2010，29(3):17－19.

［36］Peter Brantona，F(xiàn)erdi Schuth.The effect of carbon pore structure on the adsorption of cigarette smoke vapour phase compounds［J］.Carbon，2009，47:1005－1011.

［37］劉少民，雍國平，金鐘秀.介孔材料選擇性降低卷煙煙氣中苯并(a)芘的研究［J］.中國煙草學(xué)報，2006，12(4):20－24.

Research progress on elimination of free radicals in cigarette smoke

WANG Ji－lian1，ZHANG Qi1，WANG Yi2，MA Yong－kai2，JI Xiu－ling1，WEI Yun－lin1，*
(1.Biotechnology Research Center，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224，China; 2.Technology Center，Yuxi Hongta Group，Yuxi 653100，China)

Free radicals are major toxic components of cigarette smoke，which are very harmful to human health.In this paper，not only free radicals and their harmfulness to human health were introduced，but also the variety of free radical scavengers and the research progress of their reaction mechanisms and applications were reviewed.

cigarette smok;ESR;free radicals;free radicals scavenger

TS41+1

A

1002－0306(2012)10－0358－04

2011－06－17 *通訊聯(lián)系人

王繼蓮(1986－)，女，碩士，研究方向:煙草微生物學(xué)。

云南省中煙工業(yè)公司項目(2008YL06)。