蛋白质水解反应，对生物体有重要意义

　 第三章 烟草含氮化合物

　烟草中含氮化合物有蛋白质、游离氨基酸、生物碱、叶绿素、硝酸盐和其它含氮杂环化合物等。含氮化合物不仅影响烟叶特性，决定经济产量，对烟草的评吸质量和吸烟者的健康也有重要影响。

　烟草植株从土壤中吸收的铵盐或硝酸盐，在烟草根系和绿叶中还原成氨，再经同化作用形成各种氨基酸和蛋白质等有机含氮化合物。烟株在生长过程中碳、氮代谢之间相互关联，以维持代谢平衡。而酶是代谢的钥匙，酶又是表现高度特异性的蛋白质，正是由于酶的专一催化作用，各种代谢才能沿着一定的途径进行下去，形成许多种化合物，其中构成生命最基本的物质为蛋白质、核酸、糖类和脂类。糖类和脂类往往是与蛋白质结合成为糖蛋白或脂蛋白表现各种生物功能。细胞质、细胞核都含有蛋白质，生物膜的主要成分是磷脂和蛋白质，某些维生素、激素等含氮化合物也是烟株生理生化过程所必需而对生长发育起调控作用。由此可见，蛋白质是烟草生命活动的基础物质之一。因此，我们对于蛋白质及密切相关的含氮化合物应该有基本的了解。

　第一节 烟草氨基酸

　在烟草体内除了组成蛋白质的氨基酸外，还有一些以游离状态存在的氨基酸，它们不参与蛋白质的组成。这类氨基酸称为非蛋白氨基酸。组成蛋白质的氨基酸可用于构建蛋白质，或参与代谢作用。非蛋白氨基酸是烟草化学防御机制中的有效物质。

　一、氨基酸的结构和性质

　分子中含氨基的羧酸，叫氨基酸。在氨基酸的结构中至少含有一个碱性的氨基（-NH2）和酸性的羧基（-COOH）。烟草蛋白质水解后得到的氨基酸，绝大多数都是α-氨基酸，即在羧基邻位α-碳原子上有一个氨基。其结构可用如下通式表示。

　R为烃基，R不同，就有不同的氨基酸。而在氨基酸分子中，除氨基和羧基外，有的还含有羟基、巯基等。

　氨基酸大都是无色结晶固体。除胱氨酸及酪氨酸外，它们都可溶于水；除脯氨酸及半胱氨酸外，一般都难溶于有机溶剂。不同的溶解度可用于分离烟草有关的氨基酸。除甘氨酸之外，氨基酸都有旋光性。氨基酸的旋光性有左旋的，也有右旋的，但以左旋的比较多。

　氨基酸分子中同时含有酸性的羧基和碱性的氨基，具有酸碱的两性性质，与酸或碱作用都能生成盐。调节某种氨基酸溶液的pH至不导电时，这时溶液中的pH即为这种氨基酸的等电点。等电点习惯上以符号pI表示。各种氨基酸在等电点时其溶解度为最小，即氨基基酸在其等电点时最易沉淀。根据这一原理，对于一个含有多种氨基酸的混合液，可分步调节其pH到某一氨基酸的等电点，从而使该氨基酸沉淀，以达到分离的目的。

　在调制期间，烟叶中的蛋白质部分降解生成游离氨基酸，游离氨基酸发生互变作用，脱羧氧化脱氨或脱羧脱氨，引起羰基化合物增加。

　在烟叶调制、陈化和燃吸期间均可发生氨基酸酶促和非酶棕色化反应，反应速度一般随温度升高而加快。但也受其它因素制约。

　二、烟草中的氨基酸

　（一）种类

　就烟草中普通氨基酸而言，与其它高等植物小麦、玉米、豌豆等相比种类大致相近的有20多种。除此之外，由于氨基酸在烟叶调制、陈化等过程中参与许多复杂的化学反应，因此，在烟草中还发现许多不常见的氨基酸。如α- 丙氨酸、β- 丙氨酸、D–丙氨酰基 - D-丙氨酸、α-氨基丁酸、γ- 氨基丁酸、吖叮啶- 2 - 羧酸、α- L– 谷氨酰基- L–谷氨酸、谷胱甘肽、高胱氨酸、高丝氨酸、6 – 羟基犬尿氨酸、1 – 甲基组氨酸、S – 氧化蛋氨酸、哌可酸、降亮氨酸、吡咯烷- 2–乙酸、苯基丙氨酸、氨基乙磺酸等 。

　（二）存在状态

　鲜烟叶和调制过程中有多种氨基酸呈游离态，调制、陈化以后，部分氨基酸与糖或多酚类物质形成复杂化合物而存在于烟叶中。鲜烟叶中主要的游离氨基酸是天冬氨酸，谷氨酸、脯氨酸和亮氨酸，其总和占游离氨基酸总量的65%~75%。

　（三）分布特点

　1．不同烟草品种氨基酸含量不同 烤烟若干游离氨基酸总量较白肋烟低，而脯氨酸和天冬酰胺含量较多。白肋烟天冬酰胺和天冬氨酸含量显著地高（见表3－1），这体现了白肋烟的特点。

　表3－1 不同品种调制烟叶中若干游离氨基酸的分析

　氨基酸 烤烟（mg/g(mg/g) 天冬氨酸 0.13 7.84 苏氨酸 0.04 0.43 丝氨酸 0.06 0.17 天冬酰胺 1.12 10.30 谷氨酸 0.10 1.78 谷酰胺 0.82 0.38 脯氨酸 4.11 0.45 甘氨酸 0.02 0.14 丙氨酸 0.32 0.35 缬氨酸 0.06 微量 异亮氨酸 － 0.06 0.10 酪氨酸 0.68 0.84 苯丙氨酸 0.24 0.50 赖氨酸 0.03 0.33 组氨酸 0.11 0.45 精氨酸 － 0.26 － 0.50 7.84 24.88 注：引自闫克玉. 烟草化学. 郑州：郑州大学出版社，2002.

　2．不同氮用量烟草中氨基酸含量不同 史宏志等（1997）研究了不同施氮量对烤烟叶片氨基酸含量的影响，结果表明，烟叶总氨基酸含量随施氮量的增加明显增加。在同一施氮水平上，增加有机氮比例，总氨基酸含量下降。韩锦峰等（1992）研究表明，随氮用量的增加，烟株根系中氨基酸总量升高，各种游离氨基酸含量则有增有减，有的变化不大，而与烟碱合成有关的4种氨基酸含量比对照都有大幅度提高。

　3．烟株不同根际pH叶片中氨基酸含量不同 陈建军等（1996）研究烟株不同根际pH（pH5.5~8.5）对烤烟叶片氨基酸的影响，结果表明，随根际pH升高，叶片脯氨基的含量增加直至pH8.0，而后下降，苯丙氨酸和苏氨酸的变化无规律性，丝氨酸含量呈降低趋势。亮氨酸、缬氨酸和酪氨酸的含量变化呈单峰曲线，峰值在pH6.5处；丙氨酸的含量变化为双峰曲线，峰值分别在pH6.5和pH7.5处。与合成烟碱有关的天冬氨酸、组氨酸、异亮氨酸、胱氨酸、谷氨酸、精氨酸和赖氨酸7种氨基酸，其中有6种在pH6.5处理的叶片中含量最高。说明烟草氨基酸的代谢与根际pH的关系复杂。

　4．烟草叶片不同发育过程氨基酸含量不同 符云鹏等（1998）对烤烟叶片不同发育过程中氨基酸含量的变化进行研究，结果表明,同一部位烟叶的总氨基酸含量随叶龄的增长而下降，烟叶达工艺成熟时，中、上部烟叶总氨基酸下降至最低，下部烟叶在叶龄60d时下降至最低，烟叶工艺成熟时又有所升高。但同一部位的烟叶总氨基酸含量在不同发育阶段下降的幅度不同（表3－2）。随叶片发育，游离氨基酸含量与总氨基酸含量变化规律有所不同。下部烟叶在叶龄40d之前，随叶龄增长游离氨基酸含量大幅度下降；40~50d其含量有所上升，50d之后的60d下降至最低，到工艺成熟时又有所升高。中、上部烟叶在30d之前，随叶龄增长游离氨基酸含量下降，30~40d有所升高，40d之后又开始下降，到烟叶成熟时游离氨基酸降至最低（表3－3）。上述研究结果可能与不同部位烟叶氮代谢的强弱及蛋白质含量的高低有关。

　3－2 烟草叶片发育过程中总氨基酸含量的变化（%）

　（符云鹏等，1998）

　部 位 叶龄（d） 适熟 烤后 10 20 30 40 50 60 下 24.59 18.80 16.22 11.47 8.68 6.32 7.28 － 23.20 21.92 17.22 14.98 9.71 6.01 4.69 5.92 上 23.72 23.45 21.95 15.45 9.59 7.38 5.26 7.22

　3－3mg/g）

　（符云鹏等，1998）

　部位 叶龄（d） 适熟 烤后 10 20 30 40 50 60 下 28.71 18.41 17.77 8.62 15.94 4.38 7.03 － 24.23 18.19 11.21 15.00 14.10 8.38 4.86 6.89 上 28.29 21.73 17.58 22.33 12.89 10.78 6.39 7.78 5．不同成熟度烟叶氨基酸含量不同 在烟叶成熟过程中，同一部位烟叶随着成熟度的增加，总游离氨基酸，α－氨基酸含量下降，达到工艺成熟前后又开始上升，与Amadori化合物有关的氨基酸总和也随着成熟度的增加发生有规律的“V”型变化。

　6．不同调制阶段烟叶氨基酸的含量不同 烤烟烘烤过程中，从鲜叶到干筋期，总游离氨基酸含量逐渐增加，尤其以变黄中期最为明显，从干筋期后各种氨基酸均降低。白肋烟在调过程中，氨基酸增加的时间与蛋白质迅速水解的时间相吻合，蛋白质水解完成氨基酸停止增加。当蛋白质停止水解，烟叶呈最大变黄时，总游离氨基酸开始下降。在烟叶调制过程中各种氨基酸的变化差异很大，一些氨基酸减少，另一些氨基酸则增加，最终导致调制过程中氨基酸总量的增加。

　7．发酵或陈化过程烟叶氨基酸含量的变化 经发酵或陈化的烟叶，氨基酸含量大为减少，但有利于烟叶香味的物质种类明显增加。

　第二节 烟草蛋白质

　由于世界人口不断增加，许多地区的人民均有营养不足现象，因此，如何在经济的原则下生产大量可食性蛋白是目前发展的主要方向。随着对蛋白质研究的不断深入，人们逐渐认识到叶蛋白质是世界天然产物中最重要而丰富的蛋白质资源。我国开发利用烟草叶蛋白质的研究起步较晚，但进展较快，烟草蛋白质可能成为人类新的食物来源，而烟叶蛋白质很少有助于烟气的抽吸质量，可能是烟气中有害物质的前体物。因此，研究烟草蛋白质对于烟草蛋白质的开发利用和提高烟草及其制品的质量具有重要意义。

　一．蛋白质的结构和性质

　根据蛋白质水解后生成各种α－氨基酸这一事实，可知蛋白质分子中的氨基酸是通过肽键或称酰胺键连接起来的。肽键的形成可以看做是氨基酸与氨基酸之间彼此通过羧基和氨基脱水缩合而成的。蛋白质结构的基本形式就是由数目很多的各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽长链。多肽链可用下式表示：

　氨基末端 羧基末端

　（N－端） （C－端）

　多肽长链上α－碳原子上仍连有游离羧基的末端氨基酸称为C－端氨基酸，仍连有游离氨基的末端氨基酸称为N－端氨基酸。

　因为蛋白质是由多肽构成的。习惯上常将相对分子质量较大而构象复杂的多肽称为蛋白质，相对分子质量较小而构象简单的称为多肽，但实际上并没有很严格的界限。

　每种蛋白质都有其特定的空间结构。蛋白质分子中不同氨基酸按一定顺序排列而形成的多肽链，称为蛋白质的一级结构。由于氨基酸的侧链不同，当它们互相连接时，就使烟草不同蛋白质具有不同的化学性质和多种多样的二级和三级结构。烟草蛋白质还有更复杂的四级结构。

　蛋白质分子中含有不少可电离基团，如羧基、氨基、酚羟基及咪唑基等。这些可电离基团有些是酸性的，有些是碱性的。因此，蛋白质与氨基酸一样呈两性反应，亦各有其等电点（pI）。在等电点时蛋白质的溶解性最小。这一性质可用于蛋白质和酶的分离提纯。

　蛋白质可以被酸、碱和蛋白酶催化水解，使蛋白质分子断裂，水解成相对分子质量大小不等的肽段和氨基酸。烟叶在衰老和调制过程中，蛋白质的水解是在蛋白酶和肽酶的作用下进行的。蛋白质的水解反应，对烟草生物体有重要意义。烟草衰老组织的蛋白质水解成氨基酸后，被运输至新生组织，作为合成烟草蛋白质所需的原料。烟叶在调制过程中高温对各种酶的抑制作用更加直接和彻底，水分对各种酶的促进作用更为密切。因此，调制过程中通过对温、湿度的控制，可使烟叶蛋白质的水解达适宜程度。

　烟草蛋白质不仅可与水分、脂类、糖类、离子、金属结合，从而影响烟叶调制过程中物质变化及脱水干燥，它还可与酚类、色素等物质结合，影响烟叶的调制质量。

　二、烟草中的蛋白质

　（一）种类

　烟草叶片中的蛋白质，分为可溶性蛋白质和不溶性蛋白质。前者以其相对分子质量的大小为基础又可分为两类：沉降系数为18S的称为蛋白质组分Ⅰ，即FⅠ组分；沉降系数为4~6S的称为蛋白质组分Ⅱ，即FⅡ组分。在烟草的叶蛋白质总体中，一般在烟叶生长初期可溶性和不溶性蛋白质约各占一半。可溶性蛋白质中的一半左右是单独的叶绿体蛋白质名为核酮糖-1，5二磷酸羧化酶/加氧酶（fractionⅠ protein，fractionⅡ protein，即FⅡ蛋白），见表3－4。

　表3－4 烟叶中可溶蛋白的含量（g/kg鲜重）

　（郭培国等，2000）

　 FⅠ蛋白 FⅡ蛋白 可溶蛋白 蛋白含量 7.65±0.55 8.33±0.68 15.98±1.08 注：平均数±SD（n=5）

　在所用温室培植的幼株中（移植后6周），对烟草属4个种的分析，组分－ Ⅰ蛋白质与叶绿素之比为8~10mg组分－Ⅰ蛋白质比1mg叶绿素（表3－5）。这些烟叶中约含同量的组分－Ⅱ蛋白质。当然组分－ Ⅰ和组分－Ⅱ蛋白质含量之比会因其生长发育阶段而变化。

　表3－5 烟草属4个种烟叶的叶绿素*和组分—Ⅰ蛋白质含量

　（Kung, S. D.等，1980）

　种名 叶绿素（mg） 组分－Ⅰ 蛋白质（mg） 组分－Ⅰ蛋白质（mg） 鲜叶重量（g） 鲜叶重量（g） 叶绿素（mg） N.ta bacum 0.74 6.4 8.6 N.gossei 0.94 7.8 8.3 N.excelsior 0.55 5.5 10.3 N.suaveolens 0.94 9.9 10.5 *4~6次试验的平均值

　（二）存在状态

　烟草中蛋白质以纯蛋白质（仅含氨基酸）和复合蛋白质两种状态而存在，复合蛋白质是纯蛋白质与非蛋白质成分（油脂、核酸、色素、酚类等）结合而成。后者是烟株生理代谢不可缺少的。

　（三）烟草中蛋白质含量变化及影响因素

　烟草幼苗期蛋白质含量很高，可达干物质重的26%~29%，四片真叶期为最高，达干物重的29.52%。正常情况下大田期随生长发育烟草蛋白质含量逐渐下降，到现蕾期后蛋白质含量下降到一定程度不再下降，打顶之后蛋白质含量又有所下降。上述烟草生长过程中蛋白质含量的变化并不是蛋白质的绝对量增减，而是受碳、氮代谢的制约，导致蛋白质相对含量的增减。烟草叶片成熟的前期，FⅠ和FⅡ两组分的含量相近，在叶片接近成熟时，FⅠ发生降解，FⅠ和FⅡ的比例发生变化。烤烟经过调制，一般蛋白质由成熟鲜烟叶含量的12%~15%，降至8%左右，蛋白质水解主要在变黄期进行，定色期也有少量水解。总之，烟草中蛋白质含量还受烟草类型、环境条件、栽培、施肥及调制工艺措施等因素的影响，其实质是与不同条件下的碳、氮代谢关系密切。

　（四）可溶性蛋白质的成分及其可能用途

　来自烟草属4个种的每一种重结晶组分－Ⅰ蛋白质和用水－丙酮洗涤过的组分－Ⅱ蛋白质，两者均用蒸馏水洗涤两次并冷冻干燥成为不含盐的粉末。取一部分用1mL恒沸点的HCl（5.7moL/L）在真空条件下于100℃水解20h。在Techincon TSM氨基酸分析仪上进行分析。

　组分－Ⅰ和组分－Ⅱ蛋白质的氨基酸成分如表3－6所示。表中显示组分－Ⅱ蛋白质的氨基酸组成与组分－Ⅰ蛋白质非常相似。这些相应的氨基酸成分与联合国粮农组织（FAO）的参比蛋白质相比较（表3－7），表明组分－Ⅰ和组分－Ⅱ蛋白质有全部必需的氨基酸，且事实上每种氨基酸都较多。所报道的烟草和其他21个植物种中56个组分－Ⅱ蛋白质中差不多每种必需氨基酸的百分率都在其范围内。这些可溶性烟草蛋白质的氨基酸含量可能估计得低了，因为氧化形式的蛋氨酸没有包括在内。

　表3－6 结晶的组分－Ⅰ蛋白质和经洗涤的组分－Ⅱ蛋白质的氨基酸成分①

　（Kung,S.D.等，1980）

　氨基酸 组分－Ⅰ蛋白质

　（结晶）

　制备批次 未经分步分离的叶蛋白质

　（酸沉淀物）

　制备批次 1 2 3 4 平均 1 2 3 4 平均 天冬氨酸 8.7 9.3 9.3 8.9 9.05 9.5 9.6 9.5 8.4 9.25 苏氨酸 5.4 5.6 5.1 4.8 5.23 4.8 5.2 5.1 4.5 4.90 丝氨酸 3.2 3.2 3.7 2.2 3.08 3.8 4.1 5.2 3.6 4.18 谷氨酸 11.3 11.8 11.3 11.5 11.48 11.0 11.0 10.8 10.8 10.9 脯氨酸 4.8 5.3 4.8 5.5 5.10 4.7 4.5 4.7 4.9 4.70 甘氨酸 9.9 10.2 10.9 10.1 10.28 11.1 10.9 10.6 11.2 10.95 丙氨酸 9.2 9.4 9.6 9.3 9.38 9.5 9.4 9.6 9.7 9.55 缬氨酸 7.8 8.0 8.2 8.0 8.00 8.1 8.0 8.2 8.4 8.18 蛋氨酸② 1.5 0.8 1.0 1.4 1.18 1.2 － 1.2 1.6 1.33 4.5 4.3 4.6 4.6 4.50 5.0 5.2 4.9 5.3 5.10 亮氨酸 8.9 8.8 8.7 9.2 8.90 9.0 9.5 8.6 9.1 9.05 酪氨酸 5.1 4.2 3.4 5.0 4.43 3.6 3.8 2.7 3.5 3.40 苯丙氨酸 4.5 3.7 3.9 4.2 4.08 4.0 4.5 3.7 3.9 4.03 赖氨酸 5.8 6.0 6.3 6.0 6.03 6.3 6.3 7.0 6.8 6.60 组氨酸 2.7 2.9 2.6 3.0 2.80 2.5 2.6 2.3 2.3 2.43 精氨酸 6.9 6.4 6.4 6.4 6.53 6.0 5.9 5.9 6.1 5.98 注：①色氨酸除外，以100g回收氨基酸中的胺基质量(g)表示，四次不同制备物的测定

　②蛋氨酸直接从正常的水解液中测定

　重结晶的组分－Ⅰ蛋白质基本上是纯粹的，除来自含硫氨基酸中的硫外不含其他矿物质。烟叶的组分－Ⅱ蛋白质不能被结晶，因为它是几种不同蛋白质的混合物。但是它可以被丙酮萃取和水洗所提纯，不含其他色素、酚类等杂质。可能尚有极少量的糖类作为次要的杂质存在。

　表3－7 烟草组分－Ⅰ蛋白质、烟草和其他植物未经分步分离的蛋白质

　以及FAO暂行规定蛋白质中必需氨基酸含量的比较①

　（Kung, S. D.等,1980）

　 烟叶组分－Ⅰ蛋白质 烟叶组分－Ⅱ蛋白质 FAO③ 烟草 21个植物种中② 异亮氨酸 4.5 5.1 4.5~5.5 4.2 亮氨酸 8.9 9.1 8.8~10.2 4.8 赖氨酸 6.0 6.6 5.6~7.3 4.2 蛋氨酸 1.2 1.3 1.6~2.6 2.2 苯丙氨酸 4.1 4.0 5.5~6.8 2.8 苏氨酸 5.2 4.9 4.7~5.8 2.8 色氨酸 1.5 1.5 1.2~2.3 1.4 酪氨酸 4.4 3.4 3.7~4.9 2.8 缬氨酸 8.0 8.2 5.9~6.9 4.2 注：①以100g回收氨基酸中的胺基的质量（g）表示

　②从21个植物种制成的56个未经分步分离的叶蛋白质分析中氨基酸的含量范围

　③1965年暂行规定的推荐值

　烟草组分－Ⅰ蛋白质、鸡蛋蛋白质和牛奶蛋白质的必需氨基酸成分是相似的（表3－8）。

　表3－8 烟草组分－Ⅰ蛋白质、一些主要作物的蛋白质

　以及牛奶、人奶和鸡蛋蛋白质的必需氨基酸①

　（Kung, S. D.等，1980）

　 烟草组分-Ⅰ蛋白质 大豆 稻米 小麦 玉米 鸡蛋 人奶 牛奶 异亮氨酸 4.5 5.8 4.0 4.0 6.4 6.8 6.4 6.4 亮氨酸 8.9 7.6 8.2 7.0 15.0 9.0 8.9 9.9 赖氨酸 6.0 6.6 3.2 2.7 2.3 6.3 6.3 7.8 蛋氨酸 1.2 1.1 3.0 2.5 3.1 3.1 2.2 2.4 苯丙氨酸 4.1 4.8 5.0 5.1 5.0 6.0 4.6 4.9 苏氨酸 5.2 3.9 3.8 3.3 3.7 5.0 4.6 4.6 色氨酸 1.5 1.2 1.3 1.2 0.6 1.7 1.6 1.4 酪氨酸 4.4 3.2 5.7 4.0 6.0 4.4 5.5 5.1 缬氨酸 8.0 5.2 6.2 4.3 5.3 7.4 6.6 6.9 注：①以100g回收氨基酸中的胺基质量(g)来表示

　高纯度的FⅠ蛋白不含任何其他成分的污染，完全具有制药的潜势，在临床应用上，它适合于肾功能失调和手术后的病人使用，能促使病人早日康复。另外，烟叶中的蛋白是含硒的蛋白质，它能消除动物体内的自由基，防护红细胞溶血，保护动物免于化学性肝损伤，降低血清中丙二醛的含量等功用。所以FⅠ蛋白既是人们消耗的高级营养和保健食品添加剂，又是一种有效的药品。此外，烟叶的FⅡ蛋白，亦有较高的营养品质，它是一种很好的动物饲料添加剂。

　烟叶中的蛋白质对卷烟的品质几乎没有什么贡献，相反，它是卷烟中很多对人们有害成分的前体。如喹啉是FⅠ蛋白的主要氧化产物，一些氨基酸如谷氨酸、色氨酸和赖氨酸在高温燃烧时，同样会产生一些对人体不利的诱变因子。根据烟叶均质化调制（HLC）理论，在烟叶调制之前提取出烟叶中的可溶蛋白，可降低烟叶中的蛋白质含量，有利于生产较安全的卷烟产品。同时亦可大量获得高营养品质的FⅠ蛋白。

　第三节 烟草氨、酰胺、胺类

　一、氨

　（一）氨的性质

　氨是碱性有刺激性的无色气体，沸点－33.42℃。氨气从烟草中挥发会强烈地刺激人的黏膜而引起中毒。从烟草中蒸馏出的氨易溶于水，氨的水溶液即是氨水。在氨一水体系中是NH3与水以氢键相联结的水合物NH3·H2O。

　（二）烟草中的氨

　蛋白质和氨基酸分解代谢产生氨。烟草在生长发育过程中，烟株积累的氨是比较低的，多量的氨会产生氨害，但在干旱、高温等逆境使烟株体内游离氨增多。调制过程中由于蛋白质的水解，氨基酸的氧化分解，使烟叶中氨的含量逐渐增加。调制初期产生的氨用于合成酰胺而储藏，随着调制过程的进行，烟叶失去生命活力，各种形式的含氮 化合物如蛋白质、氨基酸、酰胺、胺类最终的氧化分解均产生氨，烟叶中氨的浓度极大地增加，迅速增加的氨在烟叶中固定下来。调制期间虽有氨的损失，但是氨的浓度持续增加，说明氨在烟叶中的保留大于挥发作用。调制结束烟叶中氨的含量：烤烟约为0.019%，白肋烟约为0.159%，马里兰烟约为0.130%，香料烟约为0.105%。在以后的陈化、发酵等加工过程中烟叶内的氨将不断产生，也不断挥发散失。

　二、酰胺

　（一）酰胺的结构和性质

　羧酸分子中的羧基上除去羟基后所剩余的基团称为酰基。酰胺是酰基和氨基结合而成的化合物。其结构可用下列通式表示：

　伯酰胺 仲酰胺 叔酰胺

　酰胺几乎全部都是有良好结晶的固体，有固定的熔点。除甲酰胺外，其他酰胺都具有较高的熔点和沸点。5个以下碳原子的酰胺均可溶于水，芳香族酰胺仅微溶于水或难溶于水。

　酰胺是一类呈中性或接近中性的化合物。无论在碱性溶液中或酸性溶液中，水解反应都能进行到底。在碱性溶液中的水解反应进行得更快一些。酸性水解，生成羧酸和铵盐。碱性水解生成羧酸盐和氨（或胺）。酰胺发生分子内部的脱水反应而生成相应的腈。

　（二）烟草中的酰胺

　在烟草生长发育过程中，谷氨酰胺和天冬酰胺是主要的酰胺类化合物，它们是氨在烟株体内的储藏形式。烟气中的酰胺类化合物是中性含氮化合物的一种。烟气中鉴定出的C2~C3脂肪酰胺占粒相物质的0.12%~0.37%，是在燃吸期间生成的，未燃吸的烟叶中从未发现这样多的酰胺。这些酰胺是烟叶燃吸期间硝酸盐产生的中间体氨和甘氨酸衍生的。燃吸期间，烟气中的腈可能部分水解生成酰胺，或者酰胺脱水生成腈。

　烟叶中的马来酰胺和琥珀酰胺是烟草打顶后使用的化学抑芽剂马来酰肼的降解产物。

　三、胺类

　（一）胺的结构和性质

　胺是氨的烃基衍生物，可视为氨分子中的一个或多个氢原子被烃基取代后的产物。按照胺分子中氮原子上烃基数目的多少，胺又可分为伯胺、仲胺和叔胺，其结构如下：

　伯胺 仲胺 叔胺

　根据氮原子上所连烃基的不同，胺又可分为脂肪胺和芳香胺。

　低级的脂肪胺易挥发如甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺在常温下为气体，丙胺以上为液体，高级脂肪胺为固体。低级胺有氨的气味或有特殊腥臭味。低级胺有较好的水溶性，但随着相对分子质量的增加，在水中的溶解度迅速减小。

　芳胺是无色高沸点的液体，或者是低熔点的固体，具有令人不愉快的特殊气味，毒性较大。

　脂肪族胺和芳香族胺均类似于氨而显示碱性，脂肪族胺的碱性比氨强，芳香族胺的碱性比氨弱得多。

　胺能和酸成盐，胺的无机酸盐是无臭固体，易溶于水和乙醇。胺盐 遇强碱又能释放出游离胺。利用此性质，可将不溶于水的胺与其它有机物分离。

　烟草胺类尤其仲胺与亚硝酸作用生成N－亚硝基胺可能是一类引起癌变的物质。

　胺比较容易被氧化，芳香胺放置时就能因氧化而带有黄至红甚至黑色。

　（二）烟草中的胺类化合物

　烟叶中的脂肪胺是在调制期间烟叶中的蛋白质、氨基酸通过氧化分解或高温裂解产生的。吸烟时，一部分脂肪胺直接转移到烟气中，烟草在燃吸时发生的热解也产生胺类，烟碱和其他生物碱也可能是低级脂肪胺的来源，因为烟碱的缓和氧化能产生氨、甲胺和其他一些化合物。脂肪胺很容易与亚硝酸盐或氮的氧化物作用生成相应的亚硝胺。尤其是仲胺和叔胺对具有致癌活性的亚硝胺的生成有一定作用。大多数芳香胺都是在烟气中发现的，而且都与苯胺有关。

　N－取代芳香胺可能是N－亚硝胺的前体。不过，目前烟草和烟气中尚未发现这种特有的亚硝胺。由于N－亚硝基二苯胺没有致癌活性，所以人们对苯基烷基亚硝胺是否有致癌活性的问题非常感兴趣。

　此外，烟叶中的蛋白质、氨基酸也可能是芳香胺的前体，燃吸热解也可能产生芳香胺，但与脂肪胺不同的是，芳香胺不是由烟碱热解产生的。

　第四节 烟草其他含氮化合物

　一、硝基化合物

　烃分子中的氢原子被硝基取代后的衍生物，称为硝基化合物。根据硝基连接的碳原子的不同，又可分为伯、仲、叔硝基化合物。其结构如下：

　硝基甲烷 2－硝基丙烷 2－硝基－2－甲基丙烷

　（伯硝基化合物） （仲硝基化合物） （叔硝基化合物）

　脂肪族硝基化合物是无色而具有香味的液体，难溶于水，易溶于醇和醚。芳香族硝基化合物是淡黄色固体或油状液体，具有苦杏仁气味，有毒性。

　硝基化合物最重要的化学性质之一是还原反应。在酸性条件下，苯胺是最后产物。

　硝基化合物在自然界几乎不存在。烟草中硝酸盐是燃吸过程中产生硝基化合物的直接来源，烟草中天然存在的碱金属硝酸盐在卷烟燃烧区分解为各种氮的氧化物，这些氧化物与有机基团反应产生硝基化合物。烟气中检测到的硝基化合物见表3－9。

　表3－9烟气中的硝基化合物

　硝基烷类 含量(μg/支) 硝基苯类 含量(μg/支) 硝基酚类 含量(μg/支) 硝基甲烷 523 4－硝基异丙基苯 5 2－硝基酚 35 硝基乙烷 1080 硝基苯 25 2－硝基－3－甲酚 30 2－硝基丙烷 1080 2－硝基甲苯 21 2－硝基－4－甲酚 90 1－硝基丙烷 728 3－硝基甲苯 10 硝基－二羟基苯酚 80 1－硝基正丁烷 713 4－硝基酚 20 1－硝基正戊烷 215 4－硝基儿茶酚 200 注：引自李汉超，王淑娴. 烟草·烟气化学及分析. 郑州：河南科学技术出版社，1991.

　在硝酸盐含量高的卷烟烟气中发现了4－硝基儿茶酚，一些人认为它是由烟气捕集材料中的儿茶酚硝基化产生的，然而精细分析证实，新生的烟气中确实有少量的4－硝基儿茶酚和其他硝基酚存在。

　烟气中的硝基化合物与烟草中的硝酸盐含量密切相关，研究发现，富含硝酸盐烟草的烟气中硝基化合物含量高，稠环芳烃含量低。

　二、腈和异腈

　腈是氢氰酸（HCN）的烃基衍生物，通式为R—CN，官能团—CN叫做氰基。因为氰基本身含有一个碳原子，所以氢氰酸可以看做是腈类物质的第一个同系物。其结构式如下：

　HCN CH3－CN CH2=CH－CN C6H5－CN

　氢氰酸 乙腈 丙烯腈 苯甲腈

　腈类化合物除氢氰酸外，都是稳定的中性物质，并且不似氢氰酸那样剧毒。较低级的腈是可溶于水的液体。

　腈的最重要的化学性质是水解反应和还原反应。在酸或碱溶液中水解时，腈转变成相应的羧酸。如：

　腈可以被还原成相应的伯胺，也可以在催化剂存在下直接氢化还原。

　异腈（Ｒ—ＮＣ）是腈的同分异构体。异腈的结构式写作。异腈不如腈稳定，长时间加热时，异腈即转变成腈。异腈是具有难闻的臭味和很大毒性的液体，在水中溶解度较小。

　烟草中的腈类化合物很少有人研究，主要研究的是烟气中的腈类化合物。烟气中的腈类化合物主要有氰化氢（HCN），其次是乙腈（CH3-CN）、丙腈（CH3-CH2-CN）、丁腈（CH3-CH2-CH2-CN）、丙烯腈（CH2=CH-CN）。此外，在烟气的冷凝物中已鉴定出了芳香腈。

　硝酸盐是烟气中腈类的前身。烟草蛋白质也是烟气中腈类的重要来源。甘氨酸热解形成氰化氢要比丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸多。

　其他含氮化合物如吡咯烷、脯氨酸脱羧产生的吡咯烷，在热解过程中产生的氰化氢也较多。多氨基的酸类同样产生较高量的HCN，特别是在900~1000℃的时候。

　用14C标记的葡萄糖或蔗糖的卷烟燃吸后发现烟气中含有标记的乙腈，说明燃吸期间糖类或其降解产物与含氮化合物发生了反应。

　萘腈和苯腈类化合物是赖氨酸、亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、丁二酸酰肼和N，N－二甲基－十二烷胺的热解产物。

　三、含氮农药

　烟草生产中使用的含氮抑芽剂、除草剂、杀虫剂农药如MH（马来酰肼）、二硝基苯胺类、氯化烟酰（吡虫啉）、硫代烟碱类（阿克泰）、酰胺类、硫代氨基甲酸类、尿素类、喹啉类等，也是烟草和烟气中含氮化合物的来源之一。一些研究表明，它们除以其原来形式残留在烟叶中外，还可降解（酶解或热解）生成许多新产物，如氨、胺类、酰胺类、吡啶类、吡咯类、喹啉类等。因此，这些人工使用的含氮制剂对烟草和烟气的化学成分、生物活性及香气吃味品质都有一定影响，有待深入研究。

　第五节 主要含氮化合物对烟质的影响

　一、氨基酸对烟质的影响

　氨基酸既是合成蛋白质的原料，又是蛋白质降解的产物，不仅参与烟株碳、氮代谢，从而影响烟株内含氮化合物和其它化学物质的形成，而且与烟叶调制、陈化、燃吸过程所发生的复杂生物化学变化关系密切。因此氨基酸对烟质的影响也相当复杂，影响的结果最终可以从烟叶色泽、香味和抽吸感觉反映出来。

　成熟烤烟约含4%~7%的总氨基酸及其中的0.4%~0.7%游离氨基酸，调制后其含量均有较大量增加。氨基酸不仅是烟叶香气前体物的间接前体，也可在调制过程中直接转化为挥发性羰基化合物。Probhu（1984）应用同位素示踪方法证明游离氨基酸可转化形成醛、酮类物质。已知苯丙氨酸是烟叶重要香气物质苯甲醇、苯乙醇的前体物。史宏志（1995）将烟叶氨基酸的含量与最终评吸分值进行相关分析，结果表明，烟叶氨基酸的含量与香吃味品质有一定关系。总氨基酸的含量与香气量和劲头得分有正相关关系，与香气质、刺激性和杂气3项分值呈负相关关系。相关分析还表明与香气质、香气量、劲头、杂气和刺激性呈正、负相关的氨基酸种类不同。这说明通过各种技术措施，改变烟叶氨基酸的种类和组成，对于改善烟叶品质还具有一定潜力。

　1．氨基酸在酸、碱、酶的作用下，特别是烟叶燃烧过程中，分解产生氨。氨的挥发是烟气刺激性的来源之一，氨的浓度增大会产生一种恶臭气味，白肋烟的特殊气味就是因其含有大量的蛋白质和氨基酸所致。

　2．氨基酸在酶的作用下生成黑色素，使烟叶的颜色加深，这叫做酶引起的棕色化反应。例如酪氨酸在酪氨酸酶的作用下生成黑色素的反应，多巴醌和吲哚醌是重要的中间体。酪氨酸酶一般也称为多酚氧化酶，存在于烟叶中，在有氧的条件下，酪氨酸、二羟基苯丙氨酸、邻苯二酚（儿茶酚）、儿茶酸、绿原酸等单酚或多酚类，被多酚氧化酶氧化，从而发生酶棕色化反应。

　3．氨基酸的氨基与羰基共存，没有酶的参与，也发生氨基－羰基反应，即美拉德反应（Maillard compound）。反应的结果也生成黑色物质，使烟叶的颜色加深，称为非酶棕色化反应。此反应是在中性和微酸性条件下进行的，反应速度与温湿度和烟叶水分有很大关系。美拉德反应有代表性的中间产物是比氨基酸少一个碳原子的醛和烯醇胺，它们经环化可以生成吡嗪类化合物，还能生成吡啶类和吡咯类等含氮杂环化合物，这些物质一般都具有与烟草香味协调的香味，并增加烟气的丰满度。

　以上酶促和非酶促棕色化反应在烟叶调制和发酵或陈化过程中均可发生。在烟叶调制过程中对这两种棕色化反应的要求不同，烟叶调制过程中要求酶促棕色化反应恰当而不激烈地进行，使烟叶向有利于质量和产量提高的方向发展。酶促棕色化反应激烈进行的过程是烟叶变褐的过程，这将严重影响调制后烟叶的质量和产量。非酶促棕色化反应缓慢而较持续地进行，对于烟叶质量的提高是有利的。因此，在调制过程中，对这两种棕色化反应的条件控制是不同的，这正是提高烟叶调制质量的巧妙之处。烟叶发酵，陈化过程的非酶促棕色化反应是以高等级烟叶为基础的，越是高等级烟叶，通过发酵、陈化，质量提高越明显。另外，与形成烟碱和酚类化合物有关的氨基酸，还可通过影响其形成和含量间接影响烟叶品质。

　二、蛋白质对烟质的影响

　蛋白质是随着烟草的生长发育逐渐积累的，作为可食性蛋白质资源的开发利用，烟草蛋白质有其积极作用，而对于烟叶吸食质量的影响则需另当别论。成熟采收烟叶，调制过程中随着变黄程度的提高，蛋白质含量显著减少，当变黄达到要求时蛋白质水解趋于停止。这是因为鲜烟叶中叶绿素蛋白质要占蛋白质总量的一半左右，调制过程中蛋白质的减少大部分属于叶绿素蛋白质，这就客观地决定了调制后烟叶的蛋白质含量仍然相当于鲜烟叶蛋白质含量的一半左右，而蛋白质在发酵，陈化过程的变化也是微弱的。叶片过大，叶脉粗，叶色深绿，不易落黄成熟的烟叶蛋白质含量过大，干物质积累少，且调制后往往易出现黑糟烟叶，这是因为蛋白质含量过大的烟叶，多酚氧化酶活性也高，调制过程酶促褐变极易激烈进行引起的。

　调制后烟叶蛋白质含量高，如烤烟蛋白质含量超过15%，则烟气强度过大，香气和吃味变差，产生辛辣味，苦味和刺激性。并且蛋白质含量高燃吸时会产生一种如同燃烧羽毛的蛋白质臭味。蛋白质含量过低，抽吸时平淡无味，吃味和香气也变差。同时烟叶的蛋白质含量往往与糖含量呈负相关。无论高氮低糖，还是低氮高糖都将使美德拉德反应不能很好地进行。因此，烟叶中含有适量的蛋白质，能够赋予烟草充足的香气和丰满的吃味强度，平衡糖过多或过少而产生的烟味平淡或强度过大。

　三、氨、酰胺、胺类对烟质的影响

　氨对烟质的影响是容易理解的，烟叶中氨的绝对含量虽不大，而它对吸食质量所产生的影响却是很大的。氨具有挥发性，吸烟时受热挥发，氨几乎全部进入烟气中。烟气中含游离态氨过高，产生刺激性和辛辣味，引起吸烟者喉部出现收缩作用，吃味强度大，引起呛咳，口腔和鼻腔有辛辣和难受的感觉，而且产生恶臭味，令人不愉快。氨的浓度大，强烈刺激人的黏膜而中毒，如口腔、喉部、肺部的黏膜，甚至刺激眼睛而流泪。但是一般认为，氨与其他含氮化合物参与了烟气吃味劲头的形成，烟气中碱性有70%~80%是由氨产生的，因此氨对于调节烟气中质子化/游离态烟碱的比例有重要作用。氨含量愈高，刺激性愈强；氨含量过低，会造成烟气劲头不足，丰满度不够。由此可见，烟气中含适量的氨是必要的，特别是对于糖类和有机酸较多的烟草，烟气酸度较大，氨的存在就可以弥补烟气的碱度不足，增加吃味强度，使吸烟者感到烟气既醇和又丰满厚实。

　酰胺是氨基酸进一步与氨结合的化合物，所以被看做是氨基酸的衍生物。酰胺作为氨基的“中转站”在烟草生长发育的代谢过程中起着重要作用，调制后的烟叶中酰胺含量往往超过氨基酸的含量。酰胺对烟质的影响与氨基酸相同，而且比氨基酸的影响大。因为酰胺在一定条件下可以发生氨基转移，生成新的氨基酸和新的酰胺，继续脱氨则生成α－酮酸和氨。在烟草燃烧时，有些酰胺如谷氨酰胺和天冬酰胺被彻底氧化，每分子酰胺放出两个氨，氨直接挥发进入烟气中，可见酰胺对烟质的影响也与氨相似。另外，一些酰胺类对烟叶的香味也有一定的影响。

　据报道，烟叶中的胺类物质是在调制、发酵等加工过程中产生的，且主要是在发酵过程中产生的。一方面是α－氨基酸在降解过程中伴随着脱羧反应而产生相应的胺或二胺。另一方面是氨的氢原子被小分子脂肪烃取代而产生简单的胺类。胺类对烟质的影响与氨是相似的，这是因为胺可以看做氨的衍生物，其结构与氨极相似，都具有挥发性，刺激性与氨相似而略小于氨，碱性与氨相似而略大于氨，并都有臭味。芳香胺的氧化对烟叶颜色的影响也不容忽视。

　含氮农药尤其含氮剧毒农药的使用时有发生，对烟质的影响应引起高度重视。

　思考题

　1．利用氨基酸的哪些性质可以对氨基酸进行分离鉴定？

　2．影响烟草氨基酸含量的因素有哪些？

　3．影响烟草氨、酰胺、胺类产生的因素有哪些？

　4．简述氨、酰胺、胺类对烟质的影响？

　5．试述氨基酸对烟质的影响？

　6．试述蛋白质对烟质的影响？

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