茶多酚/β-環糊精復合材料的合成條件對降低卷煙主流煙氣TSNAs的影響

李朝建，莊亞東，廖惠云，沈曉晨，劉獻軍，曹 毅

江蘇中煙工業有限責任公司技術研發中心，南京市夢都路28號 210019

亞硝胺因含—N—N=O官能團而有強致突變性，盡管煙草特有亞硝胺（TSNAs）在烤煙型卷煙主流煙氣中的含量很少，但鑒于其與腫瘤誘發之間的關系［1］，國內外在降低主流煙氣TSNAs方面做了大量工作，如低TSNAs含量煙草品種選育［2］，在濾嘴中添加沸石［3］、生物活性材料［4］，改性碳纖維［5］等。β-環糊精（β-CD）是由7個葡萄糖分子以α-1,4-糖苷鍵相連而成的大環化合物，腔內疏水、腔外親水的“錐筒形”特殊結構賦予β-CD以范德華力、疏水作用和氫鍵等作用力，能與一些客體分子或其疏水性基團形成包合物。Wang等［6］的研究表明，環糊精能選擇性吸附亞硝胺形成主客體復合物，其中亞硝胺的烷基從環糊精較大的開口端進入空腔發生包合，—N—N=O官能團上的氧與主體分子的—OH基團以氫鍵結合，有效阻止了亞硝胺的脫附。茶多酚（tea polyphenol）是茶葉中最主要的活性成分，具有很強的抗氧化活性和自由基清除能力。其多酚結構的反應活性大，很容易受環境溫度、紫外光和氧化劑等因素影響而降低抗氧化活性［7］。多酚類的芳香基團能嵌入β-CD的疏水性空腔被β-CD包合［7］。為此，嘗試將茶多酚/β-環糊精復合材料（以下簡稱復合材料）用于降低卷煙煙氣中的TSNAs，目前相關的研究尚未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

市售某品牌卷煙；玻璃管（長1 cm，內徑7.7 mm，外徑9.5 mm，自制）。

茶多酚（≥98%，南京澤朗醫藥科技有限公司）；β-環糊精（AR，國藥集團化學試劑有限公司，使用前經兩次重結晶）；無水乙醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；乙酸銨（色譜純，瑞士Fluka公司）；超純水（電阻率18.2 MΩ·cm,實驗室自制）。

標準品：N-亞硝基降煙堿（NNN）、N-亞硝基新煙堿（NAT）、N-亞硝基假木賊堿（NAB）和4-（甲基亞硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）（>98%，加拿大TRC公司）。

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

KQ-500DE型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；ZNCL-S智能恒溫磁力攪拌器（江東精密儀器有限公司）；AL-204-IC電子天平（感量0.0001 g,Mettler Toledo公司）；LM5直線型吸煙機、DT綜合測試臺（德國Borgwaldt KC公司）；API 3200型三重四極桿串聯質譜，配有電噴霧離子源（Turbo IonSpray）（美國AB公司）；Agilent 1100高效液相色譜（配備二極管陣檢測器DAD，美國Agilent公司）；PhenomTMProX掃描電子顯微鏡（荷蘭Phenom-World公司）；Milli-Q超純水儀（美國Millipore公司）；ASAP 2020比表面積測試儀（美國麥克儀器公司）。

1.2 方法

1.2.1 復合材料的制備

稱取1.0 gβ-CD溶于14 mL超純水中，攪拌加熱至60℃溶解；稱取1.0 g茶多酚溶于14 mL無水乙醇中；將茶多酚溶液滴入β-CD的水溶液中；混合物通N2保護、在60℃下避光攪拌2~5 h；產物冷卻至室溫后于4℃冷藏24 h，抽濾，并用少量水和無水乙醇洗滌，低溫干燥6 h，研碎得茶多酚/β-CD復合材料［8-9］。

1.2.2 復合材料的SEM形貌表征

采用PhenomTM掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝樣品的表面形貌特征，操作參數：電子束加速電壓5 kV，放大倍率見圖像標尺。

1.2.3 復合材料的比表面積測定

N2吸附－脫附實驗在Micromeritics ASAP2020物理吸附儀上進行。樣品在100℃下脫氣約4 h，然后在液氮溫度（－196℃）下進行吸附，BET法測算樣品的比表面積，t-plot方法計算微孔面積。

1.2.4 復合材料降TSNAs效果驗證

準確稱取10 mg茶多酚/β-CD復合材料，按照以下方法制備復合濾嘴：在玻璃管的一端裝入6 mm醋纖嘴棒，然后填入10 mg復合材料，在玻璃管的另一端插入成品卷煙制成復合濾嘴的實驗樣煙。在玻璃管的一端裝入8 mm醋纖嘴棒，在玻璃管的另一端插入同牌號成品卷煙作為對照樣煙。

參 照 GB/T 16447—2004［10］的 方 法 將 卷 煙 在 溫 度(22±1)℃ 、相 對 濕 度(60±3)%條 件 下 平 衡 48 h，經Borgwaldt-kc綜合測試臺挑選質量（平均值±0.02）g和吸阻（平均值±50）Pa的煙支進行實驗。參照YQ/T 17—2012［11］的方法測定卷煙主流煙氣TSNAs的釋放量。

2 結果與討論

2.1 復合材料的SEM形貌表征

β-CD原料、茶多酚原料、復合材料的SEM圖如圖1所示。

表1 加入不同原料配比制備的復合材料卷煙主流煙氣TPM及TSNAs檢測結果

由圖1可知，β-CD原料呈塊狀，沒有規則的大小和形狀；茶多酚原料為球形，直徑在10~50μm之間；制備的復合材料為四邊形薄片狀結構，與β-CD和茶多酚原料在形貌上有很大的差別，這說明β-CD和茶多酚發生復合后在顆粒形貌上發生了變化。

2.2 復合材料合成條件對降低卷煙主流煙氣TSNAs的影響

2.2.1 原料配比

不同原 料 質 量比（Mβ-CD?M茶多酚=1?0.25,1?0.5,1?1）在N2保護下60℃恒溫攪拌5 h制備的復合材料、β-CD原料及茶多酚原料裝填的復合濾嘴卷煙主流煙氣TPM及TSNAs釋放量（兩次平行檢測的平均值）見表1，與對照樣相比TPM及TSNAs的降低率見圖2。

圖2 不同原料質量比制備的復合材料對TPM和TSNAs的降低率

由表1可見，β-CD對NNK有一定的選擇吸附性，相對于TPM降低率，NNK選擇性降低率為3.76%；按照單位濕焦油NNK釋放量計算，NNK單位濕焦油降低率為5.41%。復合材料對TPM及NNK有很好的降低作用，在 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶0.25~1∶1 的范圍內，增大茶多酚的比例有利于提高復合材料降低TPM和NNK的能力。從圖2可以看出，雖然茶多酚原料對TPM有降低作用，但對TSNAs沒有降低效果，且對NNN和NNK的降低率呈現負值，這說明與空白樣相比，濾嘴中添加10 mg茶多酚原料對NNN和NNK的吸附效果小于2 mm醋纖濾嘴的吸附效果。單獨使用β-CD對降低TPM及TSNAs均不理想；復合材料對TPM及TSNAs有很好的降低作用，且降低效果隨著反應原料茶多酚比例的增加而增大。當Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1時，合成的復合材料添加量為10 mg制備的復合濾嘴卷煙對TPM,NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分別為72.93%,61.40%,72.83%,69.05%和53.33%。如果再繼續提高原料中茶多酚的比例會使原料成本大幅提高，不利于工業使用，因此適宜的原料比為 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1。

2.2.2 反應溶劑體積比

確定 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1，改變反應溶液水與無水乙醇的體積比，N2保護下恒溫60℃反應5 h制備的復合材料對主流煙氣TPM及TSNAs的降低率（兩次平行檢測的平均值）見表2。由表2可見，加大無水乙醇的量并沒有增加材料對TPM及TSNAs的降低率。當水:乙醇=2?1（體積比）時，沒有固體反應物生成，說明適宜的溶劑比例為水∶乙醇=1∶1（體積比）。

表2 不同溶劑體積比制備的復合材料對TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.2.3 反應時間

確定 Mβ-CD?M茶多酚=1∶1，水∶乙醇=1∶1（體積比），N2保護，恒溫60℃，不同反應時間制備的復合材料裝填的復合濾嘴卷煙主流煙氣TPM及TSNAs的釋放量（兩次平行檢測的平均值）見表3，與對照樣相比TPM及TSNAs降低率見圖3。由圖3可見，復合材料對TPM及TSNAs的降低率隨反應時間的延長而增加。當反應時間由2 h增加到3 h時，復合材料對NNK和NAT的降低率迅速提高，對TPM,NNN和NAB的降低率增加緩慢；當反應時間由3 h增加到4 h時，復合材料對NNK的降低率變緩，對其他幾種物質的降低率均快速提高；當反應時間由4 h增加到5 h時，復合材料對TPM,NNN和NNK的降低幅度放緩，尤其對NNN及NNK的降低率僅分別增加3.68%和4.04%。由此可知繼續延長反應時間并不會有效提高復合材料對NNK的降低率。另外，從表3可知，反應2,3和4 h制備的復合材料對NNK有一定的選擇吸附性，相對于TPM降低率，NNK選擇性降低率分別為8.18%,18.55%和6.10%；按照單位濕焦油NNK釋放量計算，NNK單位濕焦油降低率分別為13.51%,32.43%和16.22%。NNK單位濕焦油降低率越大，說明相對于單位濕焦油而言NNK的吸附降低效果越好。由此可知，復合材料對NNK有很好的去除作用。當反應時間達到5 h時，復合材料對NNK的降低率與TPM相當。綜上可知，當反應時間為4 h時，制備的復合材料不僅對TSNAs有強吸附效果，添加量為10 mg制備的復合濾嘴卷煙對NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分別為57.72%,68.79%,55.26%和42.42%，而且對NNK還有較好的選擇吸附性，NNK單位濕焦油降低率為16.22%，因此適宜的反應時間為4 h。

表3 加入不同反應時間制備的復合材料卷煙主流煙氣TPM及TSNAs檢測結果

圖3 不同反應時間制備的復合材料對TPM及TSNAs的降低率

2.3 復合材料的穩定性

將復合材料于室溫、閉光、密封條件下儲存，考察存放1個月和3個月后的復合材料對主流煙氣TPM及TSNAs的降低率，結果見表4（兩次平行檢測的平均值）。由表4可知，儲存1個月后的復合材料對TPM和TSNAs降低率的波動值≤1.73%，儲存3個月后的復合材料對TPM和TSNAs降低率的波動值≤5.21%。由此可見，復合材料在閉光、密封的條件下儲存比較穩定。

表4 不同存放期復合材料對主流煙氣TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.4 復合材料吸附機理分析

由實驗結果分析可知，在氮氣保護下增大茶多酚的比例、延長反應時間均有利于復合材料降低TSNAs性能的提高。由圖1可見，復合材料與β-CD及茶多酚原料在顆粒形貌及大小上有較大差別。對β-CD原料和復合材料進行比表面積測定，β-CD的比表面積為0.2204 m2/g，t-plot微孔面積為1.7426 m2/g；復合材料比表面積為2.3875 m2/g，t-plot微孔面積為2.5761 m2/g。由此可知，復合材料相對于β-CD原料而言，一方面復合材料的比表面積增加，其吸附性能得到提高；另一方面，復合材料的四邊形薄片狀結構加大了顆粒之間的距離，片與片之間會形成細小的空隙，使得復合材料的微孔面積增加，有利于對卷煙煙氣的物理吸附。由此可知，β-CD與茶多酚復合后材料結構的改變增加了對TSNAs的吸附能力。

由圖3可以看出，復合材料對NNN,NNK,NAT和NAB的吸附效果是不同的，對NNK的吸附作用高于其他3種亞硝胺，這與該4種TSNAs的分子結構有關。β-CD 空腔內徑為 6.0~6.5 ?［12］，TSNAs分子中吡啶環的直徑約為5.0?［13］，因此吡啶環與β-CD空腔有很好的空間匹配性。研究表明，β-CD與亞硝胺能形成穩定的包合物［6］。NNK分子端基吡啶環的3位碳與4-甲基亞硝氨基丁醛的醛基相連，由于空間位阻小使得NNK的吡啶基能很好地被吸附在環糊精的空腔內；另外，亞硝氨基又能與復合材料的—OH基團以氫鍵結合，因此復合材料對NNK有很好的吸附作用。而NNN分子端基吡啶環的3位碳與N-亞硝基吡咯烷相連，對NNN分子結構進行優化［14］發現，其中的吡啶環是平面構象，帶有亞硝基的吡咯烷環不能像一般五元環的椅式構象那樣彎曲，可近似看成平面構象；并且兩個環所在的平面幾乎是垂直的。由NNN的分子結構可知，其空間位阻較NNK大。同理，NAT和NAB分子端基吡啶環的3位碳分別與N-亞硝基四氫吡啶和N-亞硝基哌啶相連，NAT和NAB的空間位阻也較NNK大，因此環糊精的空腔吸附NNN,NAT和NAB的能力較NNK弱?？梢?，復合材料對TSNAs的吸附也受客體分子的空間位阻、氫鍵作用等多種因素的影響。

此外，茶多酚原料由于很容易受環境因素影響發生氧化反應生成鄰苯醌，并經鄰苯醌形成聯苯酚醌［15］，破壞了其多酚結構，因此對TSNAs沒有降低作用。茶多酚與β-CD復合后能提高茶多酚抗氧化能力［16］，使茶多酚可通過酚羥基與TSNAs的C=O和N=O鍵形成氫鍵［17］來降低煙氣中TSNAs的含量。

由以上分析可知，復合材料對主流煙氣中TSNAs的降低效果是由于材料表面形貌發生變化以及茶多酚與β-CD協同作用的結果。

3 結論

①茶多酚/β-CD復合材料的最佳制備條件為：Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1，水∶乙醇=1∶1（體積比），N2保護下恒溫60℃反應4 h。在此條件下制備的復合材料為四方形薄片。②復合材料對TPM和TSNAs具有良好的去除能力，對NNK有一定的選擇性降低效果。③當濾嘴中添加量為10 mg時，復合材料對NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分別為57.72%,68.79%,55.26%和42.42%。④復合材料對TSNAs的降低作用是由于材料表面形貌發生變化以及茶多酚與β-CD協同作用的結果。

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