Исследование корреляционной зависимости между свободным никотином и основными элементами химического состава табачного сырья

Д.т.н. Моисеев И.В., к.т.н. Подкопаев Д.О., Лёзный В.В., Приходько Р.П., Симдянова Т.П., к.т.н. Мойсеяк М.Б., Кириллов Д. Д.

Химический состав табачного сырья, в том числе количество свободного и связанного никотина, во многом определяется особенностями почвенно-климатических условий, агрокультурой и агротехникой, а так же особенностями ферментации табака.Ферментация табака представляет собой сложный биохимический, физико-химический и термодинамический процесс, в результате которого табачное сырьё приобретает необходимые товарные особенности, используемые табачной индустрией для создания требуемого вкусоароматического профиля табачных изделий.

Никотин синтезируется в корнях табачного растения, причём в молодой части корня, ткань которой состоит в основном из эмбриональных клеток ( первичная меристема) и клеток, находящихся в стадии растяжения. Кроме того, в определённых условиях никотин в слабой степени может синтезироваться в камбиальной ткани надземной части растения [1]. Наиболее сильное влияние на накопление никотина оказывает влажность почвы ( чем больше полива и дождей , тем меньше никотина при прочих равных условиях), химический состав почвы и, в первую очередь, наличие в ней усвояемых форм азота, а так же - вершкование и пасынкование.

Никотин в табаке находится в виде солей органических кислот, преимущественно – яблочной и лимонной. В зоне тления курительного изделия (т.е. во время курения сигареты, сигариллы, сигары, самокрутки и т.д. ) соли никотина подвергаются термической диссоциации с переходом продуктов диссоциации в парообразное состояние. За зоной тления высокая температура сохраняется на очень малом расстоянии и лишь на этом участке диссоциированный никотин находится в парообразном состоянии. При дальнейшем движении основной струи в сигарете (сигарилле, сигаре) температура дыма снижается и основание-никотин, связываясь с летучими кислотами дыма, вновь превращается в солеобразную (соли органических кислот) форму и переходит в твёрдо-жидкую фазу дыма[1].

Выделяют следующие основные состояния никотина при различных уровнях значений рН: 1) при pH< 3.0 - полностью протонированный никотин, - два связанных H+ иона, 2) при рН = 4-8, - один связанный H+ ион, который также называется “связанный” никотин; 3) при pH>8, - полностью депротонированный никотин, также называемый летучим или “свободным” никотином [2].

Целью работы является исследование возможности установления зависимостей между относительным содержанием свободного никотина в табаке и основными элементами химического состава табачного сырья как различных агротипов, так и отличающихся спецификой послеуборочной сушки и ферментации.

Ферментативные изменения в процессе послеуборочной обработки осуществляются энзимами – особыми органическими катализаторами химических процессов, имеющими коллоидную структуру и являющимися , как правило, либо белковыми веществами, либо производными белков. Имеют место быть также ограниченное количество особых ферментов небелкового происхождения. Энзимы являются катализаторами процессов распада (гидролиз) и синтеза, при этом количество активных энзимов определяется типом послеуборочной технологии сушки табака, среди которой выделяют основные:

- FC (Fire-cured) - огневая сушка табака в амбарах или камерах под воздействием тепла и дыма от печей без открытого пламени. В зависимости от количества дыма табак может быть полностью высушенным, наполовину высушенным и недосушенным;

- FCV (Flue-cured Virginia) - трубоогневая сушка Вирджинии и сходных с ней табаков в амбарах или камерах с принудительным подогревом в трубах без контакта носителя тепла (дыма или пара) с табаком. Такая сушка фиксирует цвет табаков, в то же время сохраняя содержание белков, азота и сахаров;

- SC (Sun-cured) - солнечная сушка посредством подвешивания листьев под солнцем. Обычно таким образом высушивается ориентальский и полуориентальский типы табачного сырья;

- AC (Air-cured) - процесс естественной воздушной сушки, применяемый к большинству сигарных и другим табакам, включая Берлей и Мэриленд. Собранные листья подвешиваются для сушки свободно друг от друга в помещениях под крышей с организованной системой естественной вентиляции, в основном, без искусственного подогрева, хотя может применяться небольшой подогрев для снижения негативного воздействия очень влажных погодных условий. Внутри данной группы табаков различают:

- DAC (Dark air-cured tobacco) - тёмный табак воздушной сушки, в основном, это сигарные табаки;

- LAC ( Light air-cured tobacco) - светлые табаки лёгкой воздушной сушки Берлей и Мэриленд;

- DFC (Dark fire-cured tobacco) - тёмный табак огневой сушки: табаки Virginia, Kentucky и Tennessee, которые подвешиваются над древесным дымом для сушки на разную продолжительность времени в зависимости от требований к качеству;

- DVAC (Dark Virginia air-cured) – тёмная Виржиния воздушной сушки,- в настоящее время это обычно табак воздушной сушки, используемая для тонкорезанных трубочных блендов.

Как тёмные, так и светлые табаки воздушной сушки, в основном, слабо- щелочные или нейтральные. Это в некоторой степени зависит от момента сбора урожая; чем лист менее зрелый, тем больше в нём щёлочности. Табаки АС так же богаты азотом и после сушки обладают незначительным или ничтожным содержанием сахаров. Полифенолы в них, практически, полностью окислены.

Для проведения исследования были использованы образцы табачного сырья различных видов сушки. Товарная кодификация образцов, страна их происхождения и год урожая представлены в таблице 1. Для исследования использовались образцы табака естественной складской влажности 11-12%( е/в) и предварительно высушенные при температуре 40 оС в течение 3 дней до уровня влажности 7-8% (п/в).

Табл. 1. Товарные образцы табачного сырья, используемого для исследований.

Табл. 1. Товарные образцы табачного сырья, используемого для исследований.

Наименование образца

Страна происхождения

Год урожая

Тип сушки

Табаки естественной влажности (е/в)

1

Mata Fina FL2, е/в

Бразилия

2013

DAC

2

BCF, е/в

США

2013

LAC

3

FCV B4KF, е/в

США

2013

FCV трубо-огневая

4

FCV BO2, е/в

Бразилия

2014

FCV трубо-огневая

5

Picadura ,е/в

Никарагуа

2012

DAC

6

Criollo La Vega, е/в

Доминиканская республика

2012

DAC

7

OR KR1, е/в

Болгария

2009

SC -солнечная

8

FCV 33FT, е/в

Кения

2013

FCV трубо-огневая

9

MBMT/HS, е/в

Малави

2014

LAC

10

Ориентал АВ, е/в

Болгария

2013

SC - солнечная

Предварительно высушенные табаки (п/в)

1

Matafina FL2, п/в

Бразилия

2013

DAC

2

MB2RT/HS, п/в

Малави

2014

LАС

3

Connecticut UA, 4 п/в

Эквадор

2013

DAC

4

BCF, п/в

США

2013

LАС

5

VBN/FIK 3 Teng M1, п/в

Индонезия

2011

DAC

6

Pennsyvania Capa Clara, п/в

США

2013

DAC

7

FCV B3F, п/в

Бразилия

2014

FCV трубо-огневая

8

Kedu п/в

Индонезия

2012

DAC

9

FCV NB20, п/в

Индия

2014

FCV трубо-огневая

10

MBMT/HS, п/в

Малави

2014

LAC

11

FCV B10, п/в

Бразилия

2011

FCV трубо-огневая

12

BO2-A, п/в

Бразилия

2014

FCV трубо-огневая

13

Picadura, п/в

Никарагуа

2012

DAC

14

FCV C2R, п/в

Бразилия

2011

FCV трубо-огневая

15

B4KF, п/в

США

2013

FCV трубо-огневая

16

FCV Bright, п/в

Франция

2008

FCV трубо-огневая

17

Criollo la Vega, п/в

Доминиканская республика

2012

DAC

18

FCV 33FT, п/в

Кения

2013

FCV трубо-огневая

Используемые методы исследования

Определение содержания углеводов и сахаров проводилось с помощью метода Бертрана. Метод Бертрана основан на способности моносахаридов восстанавливать феллингову жидкость (смесь щелочного раствора сегнетовой соли и сернокислой меди). При этом моносахариды окисляются до соответствующих кислот, а окись меди восстанавливается до закиси меди, которая выпадает в осадок красно-бурого цвета. Количество меди эквивалентно количеству углеводов и сахаров. Исследования проводились с использованием спектрофотометра СФ-46А.

Содержание белков проведено путём определения разности валового и небелкового азота фотоколометрическим методом с использованием реакции индофенольной зелени (по методике Цинао), при котором ион аммония окисляется хлором до хлорамина, образуя с салицилатом натрия окрашенное индофенольное соединение с максимум светопоглощения около 655 нм. Исследования проводились с использованием спектрофотометра СФ-46А.

При выполнении измерений по определению общего никотина в табачном сырье, использовался спектрофотометрический метод. Методика определения никотина основана на перегонке измельчённой пробы табака с водяным паром в сильном щелочном растворе, после чего проводится спектрофотометрическое измерение содержания алкалоидов в пересчёте на никотин. Исследования проводились с использованием спектрофотометра СФ-46А.

Содержание смолы в табачном сырье определялось по методике прогнозирования сухого конденсата в табачном дыме. Методика основана на использовании уравнений регрессий, устанавливающих взаимосвязь количества пиролизата, получающегося при пиролизе табака и содержания сухого конденсата в дыме курительных изделий изготовленных из этого табака.

Измерение pH табака проводилось потенциометрическим методом. Метод основан на зависимости разности потенциалов, которая возникает в потенциометрической ячейке между основным и вспомогательным электродами. При измерении рН табака в табачном сырье использовался прибор «Иономер И-500».

Для определения хлора использовался метод прямой ионометрии. Метод основан на экстракции хлоридов из табачного сырья 1% раствором алюмокалиевых квасцов с использованием прибора «Иономер И-500».

Измерения калия в табаке выполнялись методом, основанным на экстракции калия из табачного сырья 0,25М раствором ацетата натрия. При измерении содержания калия в табачном сырье использовался прибор «Иономер И-500».

Анализ продуктов горения и веществ, содержащихся в дыме, а так же в барботажной жидкости, был проведён с помощью ГХ-МС на приборе Shimadzu GCMS QP-2010Ultra.

Разделение проводилось на колонке SLB-5 MS. Все вещества в пробе были выделены в виде отдельных хроматографических пиков. Полученные масс-спектры индивидуальных веществ были распознаны автоматически с применением базы данных WILLEY 7.0.

Полученные экспериментальные результаты были обработаны с помощью математических методов анализа данных

Корреляционный анализ

Для нахождения зависимостей между отдельными величинами были найдены линейные коэффициенты корреляции. Вычисления осуществлялись посредством пакета анализа данных Microsoft Excel.

Кластерный анализ

Для группировки различных характеристик табака был применён кластерный анализ. Кластерный анализ проводили с помощью программного обеспечения Statistica10. Объединение характеристик в кластеры было произведено с помощью иерархических методов кластеризации: расстояние «ближайшего соседа», расстояние «дальнего соседа», невзвешенного попарного среднего, взвешенного попарного среднего, невзвешенного центроидного метода, взвешенного центроидного метода, метода Варда. В качестве меры расстояния между кластерами было выбрано Евклидово расстояние.

Реактивы
Чистота всех использованных в работе реактивов была не менее 98%.

Пробоподготовка

Навеска табака массой 1 г помещена в стальную трубку. В обратный конец трубки был помещён сигаретный фильтр из ацетатного волокна. Для экспериментов использовались стандартные отрезки длиной 21 мм моноацетатной фильтропалочки со следующими параметрами: длина – 126 мм.; диаметр - 7,65+/- 0,03 мм.; сопротивление просасыванию - 360+/-30 мм.вд.мт.; жёсткость - 6,52 мм.; вес - 0,647+/-0,05 г; влажность, не более – 8 %; высокопористая фицелла – 12000 СU.
Расстояние между фильтром и табаком составляло 3 см. Обратный конец фильтра соединён с барботажной установкой. Барботажная установка заполнена 20 мл ацетона. Прокуривание образцов табака длилось 10-15 минут. После прокуривания фильтры помещены в герметичную пробирку и сохранены для дальнейшей экстракции. Ацетон из барботажной установки доведён до объёма 20 мл (компенсация потерь на улетучивание). Пробы из барботера отправлены на анализ. Фильтры промыты трижды ацетоном при ультразвуковом воздействии в течении 5 минут. Объём полученного промывного раствора доведён до 10 мл. Полученный раствор разбавлен ацетоном еще в 2 раза. Все готовые к анализу растворы убраны на хранение при -20 оС. Таким образом, количество ацетона для фильтров и в барботере равно 20 мл. Перед проведением анализа растворы нагревались до комнатной температуры и подвергались центрифугированию для осаждения твёрдых частиц.

Результаты и обсуждение

В ходе исследования были использованы табаки 2 типов: с естественной влажностью и предварительно высушенные при температуре 40 оС в течение 3 дней. Табаки естественной влажности достаточно плохо горели и для поддержания горения приходилось применять дополнительный нагрев газовой горелкой. Предварительно высушенные табаки горели хорошо и дополнительный нагрев не применялся. Именно это различие по влажности при горении табака вероятнее всего отразилось на содержании никотина в барботажной жидкости и на фильтрах, а также на летучести никотина. Данные о содержании общего никотина и его летучести представлены в таблице 2.

Табл. 2 Cодержание никотина в исследуемых образцах табачного сырья

Ботанический сорт

Страна происхождения

Год урожая

Тип сушки

Содержание никотина в мг/г табака

Летучий никотин,

(%%)

Табаки естественной влажности (е/в)

1

Mata Fina FL2, е/в

Бразилия

2013

DAC

3,0

70,6

2

BCF, е/в

США

2013

LAC

7,9

35,2

3

FCV B4KF, е/в

США

2013

FCV

10,6

56,2

4

FCV BO2, е/в

Бразилия

2014

FCV

2,5

39,3

5

Picadura, е/в

Никарагуа

2012

DAC

3,8

70,7

6

Criollo La Vega, е/в

Доминиканская республика

2012

DAC

4,0

60,0

7

OR KR1, е/в

Болгария

2009

SC

4,0

19,5

8

FCV 33FT, е/в

Кения

2013

FCV

6,3

8,5

9

MBMT/HS, е/в

Малави

2014

LAC

4,8

13,0

10

Ориентал АВ, е/в

Болгария

2013

SC

2,2

67,3

Предварительно высушенные табаки (п/в)

1

Matafina FL2, п/в

Бразилия

2013

DAC

6,2

71,3

2

MB2RT/HS, п/в

Малави

2014

LAC

14,0

21,0

3

Connecticut UA 4, п/в

Эквадор

2013

DAC

8,5

96,5

4

BCF, п/в

США

2013

LAC

16,0

96,3

5

VBN/FIK 3 Teng M1, п/в

Индонезия

2011

DAC

6,5

86,4

6

Pennsyvania Capa Clara, п/в

США

2013

DAC

15,3

54,4

7

FCV B3F, п/в

Бразилия

2014

FCV

14,5

67,1

8

Kedu, п/в

Индонезия

2012

DAC

8,5

86,2

9

FCV NB20, п/в

Индия

2014

FCV

12,5

80,4

10

MBMT/HS, п/в

Малави

2014

LAC

7,7

89,8

11

FCV B10, п/в

Бразилия

2011

FCV

17,9

86,1

12

BO2-A, п/в

Бразилия

2014

FCV

19,0

98,0

13

Picadura, п/в

Никарагуа

2012

DAC

11,4

96,8

14

FCV C2R, п/в

Бразилия

2011

FCV

14,9

75,4

15

B4KF, п/в

США

2013

FCV

21,4

91,8

16

FCV Bright, п/в

Франция

2008

FCV

6,5

94,6

17

Criollo la Vega, п/в

Доминиканская республика

2012

DAC

12,5

92,6

18

FCV 33FT, п/в

Кения

2013

FCV

8,9

42,6


Из таблицы 2 видно, что предварительно высушенные табаки при курении выдают больше никотина в табачный дым и данный никотин в существенно меньшей степени оседает на фильтрах, при этом - в основном переходит в барботер. Этот факт можно объяснить более высокой температурой горения, при которой происходит сильная и более быстрая деструкция клеточной структуры листьев табака и как результат – более эффективное высвобождение никотина за счёт, вероятно, гидролиза солей никотина при взаимодействии с парами воды[1], присутствующими в окружающей среде и участвующими в образовании основной струи дыма непосредственно в зоне пиролиза. Кроме того, более высокая температура дыма препятствует процессу конденсации никотина на простом ацетатном фильтре.

Так же из табл. 2 следует, что для DAC-табаков характерен уровень летучего никотина – от 50% до 96%, для LAC – 13-96%, для FСV-табаков диапазон по летучему никотину составляет 8,5-98%, для ориенталов – от 19 до 67%, причём относительный уровень летучего никотина не зависит от общего содержания никотина в табаке. При этом¸ необходимо отметить, что в случае разделение табаков по группам на табаки естественной влажности и табаки предварительно высушенные, то данные по летучему никотину резко изменяются - самый высокий летучий никотин будет характерен для табаков группы FCV – 67,1-98,0 %

Табаки естественной влажности (е/в):Табаки п/в:

DAC – 60,0-70,6% DAC – 54,4-96,8%

LAC – 13,0-35,2% LAC – 21,0 – 96,3%

FCV – 8,5-56,2% FCV – 67,1 – 98,0%

SC – 19,5- 67,3% SC – н/д

Более низкий уровень летучего (свободного) никотина для отдельных образцов FCV- и SC- табаков может быть связан со значительным и доминирующим содержанием доли глюкозы в общем составе сахаров, поскольку при горении глюкоза уменьшает в дыме содержание летучих азотистых соединений, а также с более кислым уровнем рН табака – 4,49- 5,21, поскольку увеличение уровня рН до 6,0 -7,0 резко повышает выход свободного никотина при горении. Аналогично снижать содержание летучих азотистых веществ в дыме могут такие органические кислоты, как лимонная, яблочная, щавелевая [1].

В таблице 3 представлена информация о физико-химических характеристиках табака и табачного дыма.

Табл. 3. Результаты исследования химического состава образцов табачного сырья

Ботанический сорт

Смола, мг/сиг

Пиролизат, мг/г

Никотин, %

Углеводы, %

Сахара, %

Белки, %

Хлор %

Калий %

РН

рН дыма

Табаки естественной влажности (е/в)

1

Mata Fina FL2, е/в

15,9

98

1,63

1,33

0

15

1,66

3,88

7,24

4,31

2

BCF, е/в

26,6

139

3,28

14,5

12,24

7,13

0,24

2,29

5,17

-

3

FCV B4KF, е/в

29,1

161

3,36

7,47

5,4

8,88

0,6

3,71

4,74

4,23

4

FCV BO2, е/в

26,8

150

3,5

11,63

9,24

7,94

0,28

2,51

5,0

4,16

5

Picadura, е/в

14,4

91

2,27

1,85

0,77

10,63

1,26

3,54

7,04

4,2

6

Criollo La Vega, е/в

16,3

100

1,57

9,00

1,07

12,44

1,48

4,17

6,19

4,54

7

OR KR1, е/в

17,9

108

0,99

18,5

15,50

7,81

0,27

1,7

4,49

4,17

8

FCV 33FT,е/в

15,9

98

2,23

15,0

12,39

6,06

0,32

2,39

5,23

4,16

9

MBMT/HS, е/в

14,9

93

1,36

1,9

0

11,31

0,4

7,57

5,01

4,2

10

Ориентал АВ, е/в

18,2

109

0,52

15,5

12,53

8,5

0,22

1,7

4,92

4,23

Предварительно высушенные табаки (п/в)

1

Matafina FL2, п/в

15,9

98

1,58

2,00

0,39

15,44

0,15

5,74

7,22

5,74

2

MB2RT/HS, п/в

14,2

90

3,4

1,90

0

12,13

0,32

4,89

5,80

4,81

3

Connecticut UA, 4 п/в

12,5

82

1,28

0,91

0

10,38

0,23

6,15

5,92

4,57

4

BCF , п/в

26,6

139

3,78

14,5

12,24

7,13

0,48

4,89

6,21

5,21

5

VBN/FIK 3 Teng M1, п/в

14,9

93

0,98

0,8

0

15,44

0,6

7,23

6,35

4,66

6

Pennsyvania Capa Clara, п/в

16,5

101

2,82

1,85

0,25

10,25

0,6

8,69

6,55

5,06

7

FCV B3F, п/в

21,6

125

3,14

17

13,74

6,5

0,36

3,08

5,25

5,03

8

Kedu , п/в

12,3

81

1,28

2,63

0,0

6,88

0,55

5,12

6,9

4,85

9

FCV NB20, п/в

19,5

115

2,82

12,39

11,00

6,0

0,74

3,01

4,84

5,22

10

MBMT/HS, п/в

14,9

93

1,36

1,90

0,0

11,31

0,36

8,69

7,02

5,09

11

FCV B10, п/в

22,6

130

3,17

14,0

11,53

6,25

0,43

3,54

5,28

4,81

12

BO2-A, п/в

26,8

150

3,23

11,63

9,24

7,94

0,34

3,31

5,18

5,16

13

Picadura, п/в

14,4

91

1,89

1,85

0,77

10,63

0,81

6,3

7,16

5,62

14

FCV C2R, п/в

14,9

93

2,4

7,39

5,87

7,19

0,43

4,56

5,52

4,79

15

B4KF, п/в

29,1

161

3,36

7,47

5,40

8,88

0,81

4,36

5,00

4,91

16

FCV Bright, п/в

14,0

89

1,13

23,0

18,50

5,88

0,78

3,46

5,3

5,09

17

Criollo la Vega, п/в

15,9

98

1,58

2,00

0,39

15,44

0,15

5,74

7,22

5,74

18

FCV 33FT, п/в

15,9

98

1,66

15,0

12,39

6,06

0,14

3,31

5,26

5,14


Необходимо отметить , что для сырья с водородным показателем pH более 7,0 ( образцы - Mata Fina FL2, е/в; Picadura, е/в; MBMT/HS, п/в; Criollo la Vega, п/в) в летучую форму всегда переходит более 70% никотина, содержащегося в табачном сырье; для табаков FCV с уровнем рН = 4,84-5,2 ( B4KF, BO2, NB2O) в летучую форму переходит 80,4- 98,0 %. Возможно данный факт обусловлен изначально высоким содержанием смолы и никотина ( смола – 26,8 -29,1 мг\г; никотин 2,82 – 3,36 %) у этой группы табаков.

Необходимо так же заметить, что в общем случае в дыме табаков воздушной сушки аминокислот по числу и уровню содержится больше, чем в FCV –табаках . Это поясняется изначально бо́льшим содержанием белков и аминокислот в DAC-табаках. Кроме того, только небольшая часть собственно никотина может окисляться при курении до конечных продуктов окисления - CO2, H2O, N2. Из бо́льшей части никотина при курении образуются промежуточные летучие продукты окисления , в основном , азотистые, которые переходят в дым вместе с неизменённым никотином[1]. Помимо никотина и аммиака в состав азотистых веществ дыма входят продукты разрушения других табачных алкалоидов, а так же азотсодержащие продукты пиролиза белков и аминокислот.

В таблице 4 приведен корреляционный анализ для всех образцов табака и всех характеристик. Как видно из таблицы 4 наибольшая отрицательная корреляция наблюдается между такими характеристиками как углеводы, сахара, белки, калий и рН.

Табл. 4 . Результаты корреляционного анализа компонент химического состава исследуемых образцов табачного сырья

Смола мг/сиг

Пиролизат мг/г

Никотин %

Углеводы%

Сахара%

Белки %

Хлор %

Калий %

РН

рН дыма

% летучего никотина

Смола мг/сиг

1,00

Пиролизат мг/г

1,00

1,00

Никотин %

0,74

0,73

1,00

Углеводы%

0,40

0,39

0,16

1,00

Сахара%

0,42

0,41

0,20

0,98

1,00

Белки %

-0,35

-0,34

-0,35

-0,76

-0,78

1,00

Хлор %

-0,11

-0,10

-0,05

-0,21

-0,29

0,25

1,00

Калий %

-0,40

-0,41

-0,20

-0,74

-0,74

0,55

0,01

1,00

РН

-0,51

-0,53

-0,28

-0,70

-0,71

0,66

0,33

0,59

1,00

рН дыма

-0,13

-0,14

0,03

-0,15

-0,14

0,17

-0,17

0,40

0,45

1,00

% летучего никотина

0,02

0,03

-0,05

-0,16

-0,15

0,11

0,20

0,26

0,42

0,59

1,00


На рисунке 1 приведены результаты кластерного анализа для различных характеристик табака.

Рис. 1 Результаты кластерного анализа для различных химических параметров табачного сырья

Как видно из рисунка 1, наиболее взаимосвязанными являются такие параметры как: рН дыма, pH сырья, калий и белки; хлор и никотин; сахара и углеводы. Кластерный анализ физико-химических параметров исследуемого сырья выделяет три взаимосвязанные группы, которые с некоторой степенью условности можно разделить следующим образом: 1) безусловная группа “дыма” – летучий никотин и пиролизат, т.е. собственно только то, что образуется во время пиролиза табака и курения; однозначная связь летучего никотина и пиролизата видимо отражает тот факт, что пиролизат по сути является самым комплексным по сравнению с отдельными химическими элементами продуктом горения табака, который интегрально включает в себя все вещества, образующиеся при пиролитическом разрушении белков, алколоидов, смол, кислот, фенолов, карбонильных веществ и т.д.; 2) карбонильные и ароматические вещества (сахара, углеводы, смола) , наличие которых обусловлено в основном ботаническим сортотипом табака, климатическими условиями его произрастания, а так же ферментативными трансформациями в результате технологии сушки; 3) минеральные вещества( калий, хлор), всегда сопровождающие агротехнологию в виде удобрений [3] , азотистые соединения( белки, аминокислоты, никотин), характеризующиеся влиянием сортотипа и внешними условиями выращивания, а так же водородный показатель дыма и сырья, которые связаны подгруппой с калием. Концентрация солей калия является регулятором горючести табака, компенсируя избыток почвенных хлоридов. Кластерная связь водородных показателей дыма и сырья с калием вероятно отражает факт эффективности сгорания при курении кислых продуктов табачного сырья, в том числе кислых продуктов, непосредственно образующихся во время курения.

В целом результаты кластерного анализа рис. 1 подтверждают общие положения современной концепции фитохимического цикла роста растений вообще и табачного растения в частности: метаболический баланс углерод-азот является следствием непрерывных трансформаций , основанных на цикле трикарбоновых кислот Кребса.

В цикле Кребса[ 4] двуокись углерода ассимилируется посредством фотосинтеза в табачных листьях, в то время как хлор , калий, неорганический азот ( соль азотной кислоты или аммиак) ассимилируется через корни табачного растения. Почвенные соли азотной кислоты преобразуются в аммиак, который используется в цикле Кребса для образования аминокислот, служащих азотной базой для образования и трансформации множества азотсодержащих веществ, в первую очередь, белков и никотина.

Для DAC- и LAC- табаков характерно обильное образование белков, аминокислот и никотина. Для SC- табаков, выращивание которых осуществляется с ограниченными добавками азотных удобрений и воды, происходит накопление солей уксусной кислоты, участвующих в цикле Кребса в результате биосинтеза терпеноидов посредством мелавоновой кислоты, а так же более эффективная выработка углеводородов, “ароматичеcких” кислот и смол за счёт азотных компонентов.

FСV –табаки являются промежуточными , поскольку их фитохимия в процессе цикла растения уравновешивается умеренным поступлением азота, который уменьшается , как только растение достигает зрелости [ 5 ]. В DAC- и LAC- табаках углеводороды практически разрушаются посредством метаболизма живых клеток во время ферментации, в то время как уровень азотистых оснований значительно выше , чем для SC – и FCV – табаков, которые обладают значительным количеством редуцирующих сахаров , а так же малым количеством белков и азота в отличие от DAC- и LAC- сырья [ 6 ] . Этот факт подтверждается результатами корреляционного анализа, приведёнными в табл. 5.

На рисунке 2 приведены результаты кластерного анализа для различных образцов табака с целью объединения их в группы по их характеристикам.

Рис. 2. Результаты кластерного анализа для различных образцов табака с целью объединения их в группы по их химическим характеристикам.


В целом, проводя кластерный анализ по всем исследуемым образцам, можно условно по визуальному принципу выделить 4 группы табаков, причём внутри каждой группы выделенные “пары” или “тройки” первого (корневого) уровня корреляции могут характеризоваться достаточно близкими значениями отдельных химических параметров:

1) Группа ориенталов, ароматичных FСV, табаков LAC – ( слева направо “по корням” диаграммы - от ОR KR1 до MB2RT/HS), характеризующаяся сравнительно высоким уровнем смол ( от 15 мг/г до 29,1) и пиролизата, уровнем углеводов и сахаров выше среднего ( от 11 %), уровнем белков ниже среднего ( менее 11%), а так же водородным показателем в диапазоне 4,49-5,8; при этом в этой группе так же находятся табаки MBMT/HS, MB2RT/HS, для которых в отличие от табаков группы FCV и LAC характерен низкий уровень содержания углеводов – 1,9% и высокий уровень рН до 7,0;

2) Cмешанная группа табаков FCV-, SC-, LAC и DAC – сушки с диапазоном pH=5,18 – 6,55 (образцы от BO2-A до PennsylvaniaCapa Clara)

В группе характерно выделяется группа табаков на первом корневом уровне от FCV BO2-A до BCF, которая объединяется по высокому уровню смол, никотина, углеводов и сахаров, низкому содержанию белков и уровню рН от 4,84 до 5,28.

В этой же группе отдельно выделяется пара табаков, которая на первом корневом уровне сильно отличается по отношению друг к другу содержанием никотина – Ориентал АВ и Бразилия FCV B3F( 0,52 %/3,14 %) , но совпадает по уровню летучего никотина, содержанию смол, углеводов, белков и уровню рН.

Для пары табаков из этой же группы FCV B4KF/ Criollo La Vega – критерием объединения в группу является уровень летучего никотина

91,8 %/92,6 %, для всех остальных химических параметров базис для формального объединения отсутствует.

3) Группа DAC ( Picadura, Mata Fina FL2)

4) Смешанная группа DAC-, LAC – табаков(от малавийского MBMT/ HS – до эквадорского UA4) ,

На рисунке 3 представлены результаты ГХ-МС анализа продуктов горения и веществ, содержащихся в дыме. В результате анализа хроматограммы можно отметить, что в барботажной жидкости содержится значительно большее количество различных веществ, чем на фильтре. Это отражено на рисунке 3.

Рис. 3. Хроматограмы, отображающие содержание химических веществ в барботажной жидкости и осаждённых на фильтре


Данный факт свидетельствует о том, что по сути обычный моноацетатный сигаретный фильтр задерживает незначительное количество летучих веществ дыма. При этом, основные выводы о содержании тех или иных веществ-компонентов дыма желательно делать при анализе образцов барботажных жидкостей или анализируя компоненты боковой струи дыма, образующейся при курении табачного изделия.

На рисунке 4 в качестве примера представлены хроматограммы для различных образцов табака из различных групп.

Рис. 4 Хроматограммы экстрактов дыма различных образцов табака из различных групп.



Из рисунка 4 следует, что различие сортотипов табака, способов его обработки и влажности практически не влияют на качественный состав дыма, который достаточно идентичен по характерному наличию компонент.

Анализ хроматограмм и масс-спектров по всем образцам табака позволяет сделать вывод что наиболее распространенными являются следующие компоненты (табл. 5):

Табл. 5. Наиболее характерные компоненты для всех образцов табака.

Компонент

Время удерживания, мин.

толуол

5,45

2-амино-4-метил-оксазол

6,2

диацетоновый спирт

8,37

лимонен

15,14

1.2-диацетин

24,7

никотин

25,01

неофитадиен

32,08

Рассмотрим данные компоненты:

- Толуол – продукт перегонки смол, фактически является бензоидным ароматическим углеводородом. Смолы в табаке могут составлять от 2 до 17 %. Количественный состав веществ, входящих в смоляной комплекс у различных табаков идентичен и состоит из фракций углеводородов парафинового ряда, а так же высокомолекулярных соединений терпенового ряда, спиртов, кетонов[ 7 ];

-диацетоновый спирт – кетоспирт, образующийся при конденсации молекул ацетона в присутствии следов щёлочи; ацетон – простейший представитель насыщенных кетонов, содержащийся в табаке[ 1];

- лимонен – углеводород группы терпенов;

-1.2- диацетин ( Е1517) – результат взаимодействия уксусной кислоты, преобладающей в составе летучего дыма и глицерина; может использоваться в качестве влагоудерживающего агента (запрещён к использованию в США, ЕС, Австралии, Новой Зеландии);

- неофитадиен – относится к группе терпеновых соединений, присутствующих в табаке в количестве 0,06-0,1% сухой массы;

- собственно никотин – основной алколоид табака, его наличие и на фильтре, и в барботажной жидкости подтверждает факт его присутствия как в газовой фазе, так и твёрдо-жидкой фазе основной струи дыма при курении.

Как было отмечено выше, несмотря на различие сортов табака, способов его обработки и влажности, качественный состав дыма примерно одинаковый. Этот факт подтверждается хроматограммами, представленными на рисунке 5, где представлены хроматограммы образцов Берлеев воздушной сушки. При этом также видно, что предварительно высушенные образцы дают хроматограммы с более интенсивными пиками.

Рис. 5. Хроматограммы образцов Берлея воздушной сушки.



Таким образом, различие между образцами заключается в количестве и соотношении мажорных компонентов и наличии минорных компонентов.

Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:

  • В общем случае, между содержанием никотина во всех исследуемых типах табачного сырья и свободным никотином в главной струе дыма при курении данных образцов не выявлена прямая связь, которую можно было бы формализовать математической зависимостью. Предположительно, такую зависимость возможно установить для конкретного сортотипа табака, выращиваемого в конкретной почвенно-климатической зоне при соответствующем исследовании данного предположения на основе предметных статистических данных;

2. Между содержанием свободного никотина и химическими параметрами табачного сырья так же не выявлена прямая связь, которую можно было бы описать математической зависимостью. Возможно данный факт допустимо объяснить отсутствием при проведении исследований необходимого количества образцов конкретных товарных сортотипов табака , выращенных в течение ряда лет в единой почвенно-климатической зоне и позволяющих корректно обобщить соответствующие статистические данные;

3.Наиболее тесная связь летучего никотина с пиролизатом (рис.1) обусловлена видимо тем фактом, что пиролизат в общем случае является более сложным с т.з. химии продуктом нежели отдельные химические компоненты табака, поскольку пиролизат характеризуется многократными процессами рекомбинаций соединений, возникающих за счёт процессов поликонденсаций и дистилляций;

4.Результаты кластерного анализа (рис.1) для различных химических параметров табачного сырья дополнительно подтверждают, что в зоне горения за счёт высокой температуры (850-1000 оС) поступающего кислорода недостаточно для эффективно полного сгорания табака. Благодаря этому в зоне горения образуются, в основном, низкомолекулярные продукты типа СО2 и Н2О без видимого дыма. Собственно табачный дым возникает за счёт сухой дистилляции при более низких температурах в зоне тления, где собственно благодаря пиросинтезу образуется значительная часть летучих веществ, изначально отсутствующих в табачном сырье [ 7 ] . Основой для возникновения этих летучих веществ являются органические и минеральные вещества табака. Продукты дистилляции и пиросинтеза быстро конденсируются в виде аэрозольных частиц сразу за зоной тления. Центрами образования таких частиц могут служить свободные радикалы, а так же вещества, обладающие необходимым зарядом. Такие аэрозольные частицы являются центрами притяжения паров летучих соединений, газов и в целом формируют газовую среду дыма, спектр химических соединений которой очень широк по сравнению с химическим составом собственно сырья. Именно этим фактом можно объяснить более широкий спектр химических соединений в барботажной жидкости по сравнению с экстрагированными соединениями из ацетатного фильтра;

5.В общем случае, для DAC-табаков по сравнению с FCV - и SC – сырьём характерно при курении выделение бо́льшего количества летучего никотина в струю дыма, что обусловлено существенным изменением состава органического вещества во время послеуборочной сушки. Наличие растворимых углеводов в FCV - и SC – табаках снижает содержание летучих оснований, представленных в основном никотином и аммиаком, а так же увеличивает количество летучих кислот, что обуславливает, в свою очередь, дополнительный сдвиг реакции дыма в кислую струю. Однако для высоконикотинозных и смолистых FCV – табаков данная тенденция может не подтверждаться. Строго говоря, для подтверждения данного тезиса так же требуются дополнительные исследования на статистически обоснованной выборке конкретного сортотипа табака, выращиваемого в конкретной почвенно-климатической зоне;

6.Большое влияние на переход никотина в летучую фазу оказывает влажность табака. Для предварительно высушенных табаков до влажности 7-8 % эффективность образования летучего никотина увеличивается при уменьшении влажности по сравнению с табаками, исходная влажность которых составляет 11-12%. Этот факт более характерен для FCV- табаков по сравнению с DAC .

В заключение хотелось бы отметить так же, что на переход никотина в дым при курении будет так же влиять интенсивность и курительный профиль затяжки курильщика. Никотин-основание в отличие от солей никотина особенно при высоких температурах быстро разрушается. Интенсивность (“ агрессивность”) затяжки , в первую очередь, будет влиять на скорость окислительных деструкций никотина под действием поступающего при затяжке кислорода. Энергичность затяжки влияет на скорость прохождения дыма через очень короткую зону тления, за которой диссоциированный никотин находится в парообразном состоянии. При дальнейшем движении основной струи дыма по курительному изделию температура дыма снижается и никотин- основание , связываясь с летучими кислотами дыма вновь превращается в солеобразную форму и переходит в твёрдо-жидкую фазу дыма. Чем активнее затяжка, тем быстрее никотин проходит зону тления и тем с большей эффективностью летучий никотин будет достигать и оказывать физиологическое воздействие на потребителя.

Литература:

1. М.Ф. Машковцев. Химия табака, изд. “ Пищевая промышленность”, Москва, 1971 г., 271с.

2. И.В. Моисеев , Подкопаев Д.О., Лёзный В.В., Приходько Р.П.,
Радчинская Т.А. Что нужно знать о никотине адептам вейпинга и электронных сигарет. TobaccoРевю, №4(85), октябрь 2017, с. 30-36

3. И.П. Леонов, А.Г. Петренко, Г.М. Псарев. Пособие для табаководов, изд.” Высшая школа”, Москва, 1968 г., 176 с.

4 . Tso, T . C,, PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY OF TOBACCO PLANTS / ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ ТАБАЧНОГО РАСТЕНИЯ, Dowden, Hutchinson and Ross, In ., Stroudsburg, Pa ., 1972, and references therein .

5. Dawson, R . F .,Chemistry and Biochemistry of Green Tobacco / Химия и биохимия зеленого табака, IND . ENG . CHEM . 44, 266-70 (1952)

6. John C . Leffingwell. NITROGEN COMPONENTS OF LEAF AND THEIR RELATIONSHIP TO SMOKING QUALITY AND AROMA, Leaf Composition and Physical Properties in Relation to Smoking Quality and Aroma, RECENT ADVANCES IN TOBACCO SCIENCE V. 2, The 30th Tobacco Chemists' Research Conference 1976.

7. И.И.Татарченко, И.Г.Мохначёв, Г.И. Касьянов. Химия субтропических и пищевкусовых продуктов.-M.: Издательский центр “ Академия”, 2003.- 256 c. ISBN 5-7695-1226-1