茶多酚/β-环糊精复合材料的合成条件对降低卷烟主流烟气TSNAs的影响

李朝建，庄亚东，廖惠云，沈晓晨，刘献军，曹 毅

江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心，南京市梦都路28号 210019

亚硝胺因含—N—N=O官能团而有强致突变性，尽管烟草特有亚硝胺（TSNAs）在烤烟型卷烟主流烟气中的含量很少，但鉴于其与肿瘤诱发之间的关系［1］，国内外在降低主流烟气TSNAs方面做了大量工作，如低TSNAs含量烟草品种选育［2］，在滤嘴中添加沸石［3］、生物活性材料［4］，改性碳纤维［5］等。β-环糊精（β-CD）是由7个葡萄糖分子以α-1,4-糖苷键相连而成的大环化合物，腔内疏水、腔外亲水的“锥筒形”特殊结构赋予β-CD以范德华力、疏水作用和氢键等作用力，能与一些客体分子或其疏水性基团形成包合物。Wang等［6］的研究表明，环糊精能选择性吸附亚硝胺形成主客体复合物，其中亚硝胺的烷基从环糊精较大的开口端进入空腔发生包合，—N—N=O官能团上的氧与主体分子的—OH基团以氢键结合，有效阻止了亚硝胺的脱附。茶多酚（tea polyphenol）是茶叶中最主要的活性成分，具有很强的抗氧化活性和自由基清除能力。其多酚结构的反应活性大，很容易受环境温度、紫外光和氧化剂等因素影响而降低抗氧化活性［7］。多酚类的芳香基团能嵌入β-CD的疏水性空腔被β-CD包合［7］。为此，尝试将茶多酚/β-环糊精复合材料（以下简称复合材料）用于降低卷烟烟气中的TSNAs，目前相关的研究尚未见报道。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

市售某品牌卷烟；玻璃管（长1 cm，内径7.7 mm，外径9.5 mm，自制）。

茶多酚（≥98%，南京泽朗医药科技有限公司）；β-环糊精（AR，国药集团化学试剂有限公司，使用前经两次重结晶）；无水乙醇（AR，国药集团化学试剂有限公司）；乙酸铵（色谱纯，瑞士Fluka公司）；超纯水（电阻率18.2 MΩ·cm,实验室自制）。

标准品：N-亚硝基降烟碱（NNN）、N-亚硝基新烟碱（NAT）、N-亚硝基假木贼碱（NAB）和4-（甲基亚硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）（>98%，加拿大TRC公司）。

内标物：d4-NNN,d4-NNK,d4-NAB和d4-NAT（>98%，加拿大TRC公司）。

KQ-500DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；ZNCL-S智能恒温磁力搅拌器（江东精密仪器有限公司）；AL-204-IC电子天平（感量0.0001 g,Mettler Toledo公司）；LM5直线型吸烟机、DT综合测试台（德国Borgwaldt KC公司）；API 3200型三重四极杆串联质谱，配有电喷雾离子源（Turbo IonSpray）（美国AB公司）；Agilent 1100高效液相色谱（配备二极管阵检测器DAD，美国Agilent公司）；PhenomTMProX扫描电子显微镜（荷兰Phenom-World公司）；Milli-Q超纯水仪（美国Millipore公司）；ASAP 2020比表面积测试仪（美国麦克仪器公司）。

1.2 方法

1.2.1 复合材料的制备

称取1.0 gβ-CD溶于14 mL超纯水中，搅拌加热至60℃溶解；称取1.0 g茶多酚溶于14 mL无水乙醇中；将茶多酚溶液滴入β-CD的水溶液中；混合物通N2保护、在60℃下避光搅拌2~5 h；产物冷却至室温后于4℃冷藏24 h，抽滤，并用少量水和无水乙醇洗涤，低温干燥6 h，研碎得茶多酚/β-CD复合材料［8-9］。

1.2.2 复合材料的SEM形貌表征

采用PhenomTM扫描电子显微镜（SEM）拍摄样品的表面形貌特征，操作参数：电子束加速电压5 kV，放大倍率见图像标尺。

1.2.3 复合材料的比表面积测定

N2吸附－脱附实验在Micromeritics ASAP2020物理吸附仪上进行。样品在100℃下脱气约4 h，然后在液氮温度（－196℃）下进行吸附，BET法测算样品的比表面积，t-plot方法计算微孔面积。

1.2.4 复合材料降TSNAs效果验证

准确称取10 mg茶多酚/β-CD复合材料，按照以下方法制备复合滤嘴：在玻璃管的一端装入6 mm醋纤嘴棒，然后填入10 mg复合材料，在玻璃管的另一端插入成品卷烟制成复合滤嘴的实验样烟。在玻璃管的一端装入8 mm醋纤嘴棒，在玻璃管的另一端插入同牌号成品卷烟作为对照样烟。

参 照 GB/T 16447—2004［10］的 方 法 将 卷 烟 在 温 度(22±1)℃ 、相 对 湿 度(60±3)%条 件 下 平 衡 48 h，经Borgwaldt-kc综合测试台挑选质量（平均值±0.02）g和吸阻（平均值±50）Pa的烟支进行实验。参照YQ/T 17—2012［11］的方法测定卷烟主流烟气TSNAs的释放量。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的SEM形貌表征

β-CD原料、茶多酚原料、复合材料的SEM图如图1所示。

表1 加入不同原料配比制备的复合材料卷烟主流烟气TPM及TSNAs检测结果

由图1可知，β-CD原料呈块状，没有规则的大小和形状；茶多酚原料为球形，直径在10~50μm之间；制备的复合材料为四边形薄片状结构，与β-CD和茶多酚原料在形貌上有很大的差别，这说明β-CD和茶多酚发生复合后在颗粒形貌上发生了变化。

2.2 复合材料合成条件对降低卷烟主流烟气TSNAs的影响

2.2.1 原料配比

不同原 料 质 量比（Mβ-CD׃M茶多酚=1׃0.25,1׃0.5,1׃1）在N2保护下60℃恒温搅拌5 h制备的复合材料、β-CD原料及茶多酚原料装填的复合滤嘴卷烟主流烟气TPM及TSNAs释放量（两次平行检测的平均值）见表1，与对照样相比TPM及TSNAs的降低率见图2。

图2 不同原料质量比制备的复合材料对TPM和TSNAs的降低率

由表1可见，β-CD对NNK有一定的选择吸附性，相对于TPM降低率，NNK选择性降低率为3.76%；按照单位湿焦油NNK释放量计算，NNK单位湿焦油降低率为5.41%。复合材料对TPM及NNK有很好的降低作用，在 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶0.25~1∶1 的范围内，增大茶多酚的比例有利于提高复合材料降低TPM和NNK的能力。从图2可以看出，虽然茶多酚原料对TPM有降低作用，但对TSNAs没有降低效果，且对NNN和NNK的降低率呈现负值，这说明与空白样相比，滤嘴中添加10 mg茶多酚原料对NNN和NNK的吸附效果小于2 mm醋纤滤嘴的吸附效果。单独使用β-CD对降低TPM及TSNAs均不理想；复合材料对TPM及TSNAs有很好的降低作用，且降低效果随着反应原料茶多酚比例的增加而增大。当Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1时，合成的复合材料添加量为10 mg制备的复合滤嘴卷烟对TPM,NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分别为72.93%,61.40%,72.83%,69.05%和53.33%。如果再继续提高原料中茶多酚的比例会使原料成本大幅提高，不利于工业使用，因此适宜的原料比为 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1。

2.2.2 反应溶剂体积比

确定 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1，改变反应溶液水与无水乙醇的体积比，N2保护下恒温60℃反应5 h制备的复合材料对主流烟气TPM及TSNAs的降低率（两次平行检测的平均值）见表2。由表2可见，加大无水乙醇的量并没有增加材料对TPM及TSNAs的降低率。当水:乙醇=2׃1（体积比）时，没有固体反应物生成，说明适宜的溶剂比例为水∶乙醇=1∶1（体积比）。

表2 不同溶剂体积比制备的复合材料对TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.2.3 反应时间

确定 Mβ-CD׃M茶多酚=1∶1，水∶乙醇=1∶1（体积比），N2保护，恒温60℃，不同反应时间制备的复合材料装填的复合滤嘴卷烟主流烟气TPM及TSNAs的释放量（两次平行检测的平均值）见表3，与对照样相比TPM及TSNAs降低率见图3。由图3可见，复合材料对TPM及TSNAs的降低率随反应时间的延长而增加。当反应时间由2 h增加到3 h时，复合材料对NNK和NAT的降低率迅速提高，对TPM,NNN和NAB的降低率增加缓慢；当反应时间由3 h增加到4 h时，复合材料对NNK的降低率变缓，对其他几种物质的降低率均快速提高；当反应时间由4 h增加到5 h时，复合材料对TPM,NNN和NNK的降低幅度放缓，尤其对NNN及NNK的降低率仅分别增加3.68%和4.04%。由此可知继续延长反应时间并不会有效提高复合材料对NNK的降低率。另外，从表3可知，反应2,3和4 h制备的复合材料对NNK有一定的选择吸附性，相对于TPM降低率，NNK选择性降低率分别为8.18%,18.55%和6.10%；按照单位湿焦油NNK释放量计算，NNK单位湿焦油降低率分别为13.51%,32.43%和16.22%。NNK单位湿焦油降低率越大，说明相对于单位湿焦油而言NNK的吸附降低效果越好。由此可知，复合材料对NNK有很好的去除作用。当反应时间达到5 h时，复合材料对NNK的降低率与TPM相当。综上可知，当反应时间为4 h时，制备的复合材料不仅对TSNAs有强吸附效果，添加量为10 mg制备的复合滤嘴卷烟对NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分别为57.72%,68.79%,55.26%和42.42%，而且对NNK还有较好的选择吸附性，NNK单位湿焦油降低率为16.22%，因此适宜的反应时间为4 h。

表3 加入不同反应时间制备的复合材料卷烟主流烟气TPM及TSNAs检测结果

图3 不同反应时间制备的复合材料对TPM及TSNAs的降低率

2.3 复合材料的稳定性

将复合材料于室温、闭光、密封条件下储存，考察存放1个月和3个月后的复合材料对主流烟气TPM及TSNAs的降低率，结果见表4（两次平行检测的平均值）。由表4可知，储存1个月后的复合材料对TPM和TSNAs降低率的波动值≤1.73%，储存3个月后的复合材料对TPM和TSNAs降低率的波动值≤5.21%。由此可见，复合材料在闭光、密封的条件下储存比较稳定。

表4 不同存放期复合材料对主流烟气TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.4 复合材料吸附机理分析

由实验结果分析可知，在氮气保护下增大茶多酚的比例、延长反应时间均有利于复合材料降低TSNAs性能的提高。由图1可见，复合材料与β-CD及茶多酚原料在颗粒形貌及大小上有较大差别。对β-CD原料和复合材料进行比表面积测定，β-CD的比表面积为0.2204 m2/g，t-plot微孔面积为1.7426 m2/g；复合材料比表面积为2.3875 m2/g，t-plot微孔面积为2.5761 m2/g。由此可知，复合材料相对于β-CD原料而言，一方面复合材料的比表面积增加，其吸附性能得到提高；另一方面，复合材料的四边形薄片状结构加大了颗粒之间的距离，片与片之间会形成细小的空隙，使得复合材料的微孔面积增加，有利于对卷烟烟气的物理吸附。由此可知，β-CD与茶多酚复合后材料结构的改变增加了对TSNAs的吸附能力。

由图3可以看出，复合材料对NNN,NNK,NAT和NAB的吸附效果是不同的，对NNK的吸附作用高于其他3种亚硝胺，这与该4种TSNAs的分子结构有关。β-CD 空腔内径为 6.0~6.5 Å［12］，TSNAs分子中吡啶环的直径约为5.0Å［13］，因此吡啶环与β-CD空腔有很好的空间匹配性。研究表明，β-CD与亚硝胺能形成稳定的包合物［6］。NNK分子端基吡啶环的3位碳与4-甲基亚硝氨基丁醛的醛基相连，由于空间位阻小使得NNK的吡啶基能很好地被吸附在环糊精的空腔内；另外，亚硝氨基又能与复合材料的—OH基团以氢键结合，因此复合材料对NNK有很好的吸附作用。而NNN分子端基吡啶环的3位碳与N-亚硝基吡咯烷相连，对NNN分子结构进行优化［14］发现，其中的吡啶环是平面构象，带有亚硝基的吡咯烷环不能像一般五元环的椅式构象那样弯曲，可近似看成平面构象；并且两个环所在的平面几乎是垂直的。由NNN的分子结构可知，其空间位阻较NNK大。同理，NAT和NAB分子端基吡啶环的3位碳分别与N-亚硝基四氢吡啶和N-亚硝基哌啶相连，NAT和NAB的空间位阻也较NNK大，因此环糊精的空腔吸附NNN,NAT和NAB的能力较NNK弱。可见，复合材料对TSNAs的吸附也受客体分子的空间位阻、氢键作用等多种因素的影响。

此外，茶多酚原料由于很容易受环境因素影响发生氧化反应生成邻苯醌，并经邻苯醌形成联苯酚醌［15］，破坏了其多酚结构，因此对TSNAs没有降低作用。茶多酚与β-CD复合后能提高茶多酚抗氧化能力［16］，使茶多酚可通过酚羟基与TSNAs的C=O和N=O键形成氢键［17］来降低烟气中TSNAs的含量。

由以上分析可知，复合材料对主流烟气中TSNAs的降低效果是由于材料表面形貌发生变化以及茶多酚与β-CD协同作用的结果。

3 结论

①茶多酚/β-CD复合材料的最佳制备条件为：Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1，水∶乙醇=1∶1（体积比），N2保护下恒温60℃反应4 h。在此条件下制备的复合材料为四方形薄片。②复合材料对TPM和TSNAs具有良好的去除能力，对NNK有一定的选择性降低效果。③当滤嘴中添加量为10 mg时，复合材料对NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分别为57.72%,68.79%,55.26%和42.42%。④复合材料对TSNAs的降低作用是由于材料表面形貌发生变化以及茶多酚与β-CD协同作用的结果。

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