功能性氨基酸離子液體的制備及卷煙應(yīng)用評價

董 露，孫學(xué)輝，王紅霞，郭 閣，楊 松，駱 震，孫培健，潘立寧，趙 冰*，聶 聰*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號 450000

氰化氫（HCN）和巴豆醛是卷煙主流煙氣中兩種代表性有害成分，出現(xiàn)在多個煙氣有害成分名單中［1-2］，因此降低其釋放量對降低吸煙者健康風(fēng)險及煙草行業(yè)未來發(fā)展具有重要意義。目前，國內(nèi)外研究人員在降低煙氣中HCN 和巴豆醛釋放量方面開展了大量工作，開發(fā)了卷煙配方、輔助材料、濾棒添加劑等方面的減害技術(shù)。其中，濾棒添加劑是目前研究最多的一類減害技術(shù)［3-9］，主要通過在濾嘴中添加具有特殊吸附性能的功能材料來實現(xiàn)，如活性炭［3-4］、分子篩［5］、多孔淀粉［6］、殼聚糖及其衍生物［7］等。現(xiàn)有材料多針對單一有害成分，而在卷煙危害性控制中常需同時降低多種有害成分，多個材料同時應(yīng)用于卷煙時會受到添加方式、應(yīng)用成本等限制，影響濾嘴添加劑的應(yīng)用。

離子液體是指在低溫(＜100 ℃)下呈液態(tài)的鹽，也稱為低溫熔融鹽，一般由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子所組成，具有液態(tài)溫度范圍寬、蒸汽壓接近于零、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、極性可調(diào)、溶解性好等優(yōu)良特性［10］。目前，離子液體在新型磁性材料、納微結(jié)構(gòu)功能材料、潤滑材料、航空航天推進(jìn)劑，甚至食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域均展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景［10-14］。氨基酸離子液體（Amino acid ionic liquids，AAILs）是以天然氨基酸分子作為陰離子或陽離子源合成的一類離子液體。除了具有離子液體的優(yōu)良特性外，AAILs 同時具有氨基酸的生物降解性［13］，已經(jīng)成為二氧化碳捕獲、肽合成和手性催化、有機(jī)合成、可降解材料等方面的研究熱點［15-17］。近年來，有研究將離子液體用于煙氣有害成分的吸附。如銀董紅等［18］制備了硅膠表面負(fù)載離子液體功能化的硫醇，添加于卷煙濾棒后可降低煙氣中的重金屬和焦油釋放量；張展等［19］開發(fā)了二氧化硅固載膽堿-賴氨酸離子液體的顆粒材料，并利用該材料降低卷煙煙氣HCN 和巴豆醛的釋放量。為進(jìn)一步探索離子液體在降低卷煙煙氣有害成分方面的潛在應(yīng)用，本研究中以同時降低煙氣HCN 和巴豆醛的釋放量為目標(biāo)，從兩種有害成分的化學(xué)特性入手，選用氫氧化四丁基銨（Tetrabutyl ammonium hydroxide，TBAH）為陽離子來源，20 種氨基酸為陰離子來源，制備了富含氨基功能基的四丁基銨-氨基酸離子液體（Tetrabutyl ammonium-amino acid ionic liquids，TBAILs），表征了材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了材料制備條件，并評價材料在卷煙中的應(yīng)用效果，旨在為開發(fā)可同時降低煙氣中HCN 和巴豆醛釋放量的卷煙減害功能材料提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

“黃金葉”（小黃金）規(guī)格卷煙的配方葉絲由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

甘氨酸（Gly，AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）、苯丙氨酸（Phe）、天冬酰胺（Asn）、組氨酸（His）、丙氨酸（Ala）、精氨酸（Arg）、天冬氨酸（Asp）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）、脯氨酸（Pro）、色氨酸（Trp）、谷氨酸（Glu）、賴氨酸（Lys）、酪氨酸（Tyr）、谷氨酰胺（Gln）、半胱氨酸（Cys）（AR，阿拉丁試劑有限公司）；氫氧化四丁基銨（TBAH，0.8 mol/L 水溶液）（上海麥克林生化科技有限公司）。

SM450-PC107 直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean 公司）；Tensor-27 傅里葉紅外光譜儀、AVIII HD 600核磁共振儀（瑞士Bruker 公司）；STA 449F3 熱重分析儀（德國Netzsch 公司）；Vario EL 元素分析儀（德國Elementar 公司）；濾嘴添加劑減害性能模擬評價裝置［20］；AA3 型連續(xù)流動分析儀（德國Bran+Luebbe 公司）；Agilent 1100 高效液相色譜分析儀（美國Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 TBAILs 的制備與表征

采用酸堿中和一步法制備TBAILs，反應(yīng)方程式如圖1 所示。首先將不同種類的氨基酸分別加入到0.8 mol/L TBAH 水溶液中（TBAH 與氨基酸的物質(zhì)的量的比為1∶1.05），在室溫下攪拌反應(yīng)12 h。反應(yīng)后水溶液在水浴55 ℃條件下真空旋蒸除去水，于60 ℃真空干燥48 h。向產(chǎn)物中加入混合溶劑［乙腈∶甲醇=9∶1（體積比）］并攪拌6 h，以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min 后取出上層清液，以除去過量的氨基酸。將上清液在45 ℃下真空旋蒸除去溶劑，60 ℃真空干燥48 h，即得TBAILs。

圖1 TBAH 和氨基酸的反應(yīng)方程式Fig.1 Reaction scheme between TBAH and amino acids

采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、核磁共振譜（1H NMR）、元素分析（EA）技術(shù)和熱重分析（TG）技術(shù)分別對TBAILs 的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征。選定FT-IR 波數(shù)范圍為4 000 ～600 cm-1；采用氘代水為核磁共振溶劑；熱重分析的升溫速率為5 ℃/min，溫度范圍為25 ～500 ℃。

1.2.2 功能材料吸附性能模擬評價

用移液槍移取250 μL 0.8 mol/L TBAILs 滴加到10 mm 紙濾嘴中，保證功能材料浸潤紙濾嘴而不滲出（每個紙濾嘴含功能材料0.2 mmol）。將濾嘴置于40 ℃烘箱中烘12 h 后，在溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的條件下平衡48 h。利用濾嘴添加劑減害性能模擬評價裝置［20］，評價材料對煙氣HCN 和巴豆醛的吸附性能。

1.2.3 涂布紙-醋纖復(fù)合棒和卷煙制作

選擇吸附性能較佳的TBAILs 以涂布紙-醋纖二元復(fù)合濾棒的方式進(jìn)行卷煙應(yīng)用實驗。

涂布紙：將TBAILs 配制成一定濃度的涂布液，采用凹版印刷技術(shù)均勻涂布于紙濾棒用紙的表面，經(jīng)干燥、分切后得到涂布有液體功能材料的嘴棒紙。

濾棒：將上述嘴棒紙制成紙質(zhì)基棒，與醋纖基棒復(fù)合后得到涂布紙-醋纖二元復(fù)合濾棒，同時在相同生產(chǎn)條件下制作未涂布功能材料的涂布紙-醋纖二元復(fù)合對照濾棒。濾棒規(guī)格：圓周24.1 mm、壓降2 700 Pa、長度100 mm（100/4，15 mm 紙段+10 mm 普通醋纖段）。

卷煙：選擇“黃金葉”（小黃金）規(guī)格卷煙的葉組配方，接裝上述制備的復(fù)合濾棒，在同一卷接機(jī)上卷制以保證制得填絲量一致的實驗卷煙和對照卷煙。

1.2.4 卷煙煙氣成分分析

將卷接好的卷煙置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的條件下平衡48 h，經(jīng)質(zhì)量（平均質(zhì)量±15 mg）及吸阻（平均吸阻±30 Pa）分選，挑出符合實驗標(biāo)準(zhǔn)的卷煙。參照國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［21-29］分析卷煙主流煙氣中常規(guī)成分、CO、HCN、NNK、氨、B［a］P、苯酚和巴豆醛等的釋放量。

1.2.5 卷煙感官質(zhì)量評價

采用GB 5606.4—2005［30］規(guī)定的感官技術(shù)要求，組織7 位具有行業(yè)卷煙感官評價資質(zhì)的人員對實驗卷煙和對照卷煙進(jìn)行感官質(zhì)量評價。

1.2.6 功能材料性能穩(wěn)定性評價

將涂布功能材料的實驗卷煙及對照卷煙均置于室溫避光條件下，放置3 個月后，分析主流煙氣主要有害成分釋放量，考察功能材料減害性能的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 TBAILs 的制備與表征

以TBAH 為陽離子，以20 種天然氨基酸為陰離子，通過酸堿中和反應(yīng)一步法制備了TBAILs 產(chǎn)物，為無色或淺黃色透明液體。以四丁基銨-甘氨酸離子液體（［N4444］［Gly］）、四丁基銨-蘇氨酸離子液體（［N4444］［Thr］）、四丁基銨-絲氨酸離子液體（［N4444］［Ser］）、四丁基銨-組氨酸離子液體（［N4444］［His］）4 種TBAILs 為例，對結(jié)構(gòu)表征和熱穩(wěn)定性的結(jié)果進(jìn)行說明。

4 種TBAILs 及對應(yīng)氨基酸的紅外光譜圖見圖2。可知，4 種氨基酸在3 200～2 500 cm-1均出現(xiàn)一個寬的吸收帶，是羧基中羥基和羰基之間締合產(chǎn)生的特征吸收峰；2 140～2 080 cm-1處的弱吸收峰是氨基酸中氨基與羧基之間相互作用的綜合峰。這兩處特征峰在反應(yīng)生成TBAILs 后消失；同時，TBAILs 在2 961 cm-1、2 876 cm-1處出現(xiàn)了丁基中甲基的不對稱和對稱伸縮振動吸收峰，進(jìn)一步印證了氨基酸離子液體的生成。

4 種TBAILs 的1H NMR 譜結(jié)果見表1。經(jīng)解析和歸屬，確定了不同H 原子的化學(xué)位移。

4 種TBAILs 的元素分析結(jié)果如表2 所示。可見，實測的氨基酸離子液體C、H、O、N 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理論值基本一致。上述FT-IR、1H NMR 和元素分析的結(jié)果證實了TBAILs 的合成。

4 種TBAILs 的熱失重如圖3 所示，可知，其起始分解溫度在158 ～180 ℃之間，在150 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。而卷煙抽吸時濾嘴段的溫度一般低于70 ℃［31］，4 種TBAILs 在卷煙濾嘴中應(yīng)用時，不會發(fā)生熱分解。

圖2 4 種離子液體和對應(yīng)氨基酸的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of 4 TBAILs and corresponding amino acids

表1 4 種TBAILs 的1H NMR 譜解析Tab.1 Results of1H NMR analysis of 4 TBAILs

表2 4 種TBAILs 的元素分析結(jié)果①Tab.2 Data of elemental analysis of 4 TBAILs （%）

圖3 4 種TBAILs 的熱重和微分熱重曲線Fig.3 TG and DTG curves of 4 TBAILs

2.2 TBAILs 對巴豆醛及HCN 的吸附性能

利用減害性能模擬評價裝置考察20 種TBAILs 對卷煙煙氣中HCN 和巴豆醛吸附性能的結(jié)果見表3。可以看出，在添加量為0.20 mmol/支時，20 種TBAILs 對煙氣中HCN 具有顯著的吸附效果，HCN 釋放量降低率在80.2%～98.9%之間；巴豆醛釋放量降低率在21.8%～77.9%之間，其中13 種TBAILs 對巴豆醛的降低率超過60%；尤其是［N4444］［Gly］、［N4444］［Ser］、［N4444］［His］、［N4444］［Thr］等對HCN 和巴豆醛同時具有較高的吸附效果（HCN，＞95%；巴豆醛，＞65%）。可見TBAILs 對煙氣中HCN 和巴豆醛具有顯著的吸附性能。

表3 20 種TBAILs 降低卷煙煙氣HCN 和巴豆醛的性能①Tab.3 Performance of 20 TBAILs in reducing HCN and crotonaldehyde releases in cigarette smoke

推測TBAILs 對HCN 和巴豆醛的吸附機(jī)制主要是TBAILs 中的氨基與目標(biāo)成分間存在化學(xué)吸附作用，即氨基與HCN 的酸堿反應(yīng)及與巴豆醛生成Schiff 堿的反應(yīng)。為進(jìn)一步觀察氨基的作用，選擇與甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸對應(yīng)的不含氨基的有機(jī)酸，即乙酸、丙酸、苯丙酸、丁二酸為陰離子，在同樣條件制備了4 種離子液體，對比評價了其對煙氣中HCN 和巴豆醛的吸附性能。結(jié)果（圖4）表明，TBAILs 對巴豆醛的吸附性能明顯優(yōu)于對應(yīng)的羧酸離子液體，對HCN 的吸附性能略高于對應(yīng)的羧酸離子液體，說明TBAILs 中的氨基與目標(biāo)成分間存在化學(xué)吸附作用，是影響離子液體降低有害成分的重要因素。同時，水溶性的TBAILs 與煙氣中HCN 和巴豆醛有一定相容性，在一定程度上促進(jìn)了化學(xué)吸附作用。此外，不同氨基酸分子結(jié)構(gòu)中R 基團(tuán)的大小（空間位阻）及性質(zhì)對巴豆醛的吸附性能亦有影響。一般地，R 基團(tuán)較小，巴豆醛降低率較大，如R 基碳數(shù)小于3 的甘氨酸、絲氨酸、半胱氨酸型離子液體對巴豆醛的降低率＞70%；而R 基中有吲哚基的色氨酸和R 基為長鏈的精氨酸對應(yīng)的四丁基銨型離子液體對巴豆醛的吸附性能較差。

圖4 氨基對HCN 和巴豆醛降低性能的影響Fig.4 Effects of amino group on HCN and crotonaldehyde reduction

以［N4444］［Gly］、［N4444］［Thr］、［N4444］［Ser］和［N4444］［His］為例，考察了TBAILs 的添加量對HCN和巴豆醛吸附性能的影響，添加量范圍為0.06 ～0.36 mmol/支。結(jié)果（圖5）表明，4種氨基酸離子液體的添加量從0.06 mmol/支增至0.12 mmol/支，HCN 和巴豆醛降低率升高；繼續(xù)增大添加量至0.36 mmol/支，HCN 和巴豆醛的降低率基本趨于穩(wěn)定。

圖5 TBAILs 添加量對HCN 和巴豆醛降低率的影響Fig.5 Amount of TBAILs on reduction rates of HCN and crotonaldehyde

2.3 TBAILs 卷煙應(yīng)用效果評價

選擇對HCN 和巴豆醛同時具有顯著降低效果的［N4444］［Thr］進(jìn)行卷煙應(yīng)用研究。其中，1#和2#卷煙樣品中［N4444］［Thr］的添加量分別為10.3 和20.4 mg/支。分析了卷煙主流煙氣常規(guī)成分、7 種代表性有害成分以及揮發(fā)性羰基化合物釋放量的變化，對卷煙感官質(zhì)量進(jìn)行了對比評吸，考察了材料在卷煙中應(yīng)用性能的穩(wěn)定性。

樣品卷煙的物理參數(shù)見表4。可見，添加［N4444］［Thr］的實驗卷煙煙支質(zhì)量高于對照卷煙，而煙支開式吸阻、濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率、圓周等參數(shù)基本一致。

表4 卷煙樣品煙支物理參數(shù)①Tab.4 Physical parameters of cigarette samples

卷煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量如表5 所示。實驗卷煙主流煙氣中總粒相物、CO、焦油、煙堿等常規(guī)成分釋放量與對照卷煙基本一致。

表5 卷煙樣品主流煙氣常規(guī)成分釋放量Tab.5 Deliveries of conventional chemical components in mainstream cigarette smoke under ISO smoking regime

卷煙主流煙氣有害成分釋放量結(jié)果見表6 和表7。可以看出，與對照卷煙相比，［N4444］［Thr］的添加量為10.3 mg/支時，主流煙氣中HCN 和巴豆醛的釋放量分別降低50.8%和27.7%；添加量為20.4 mg/支時，HCN 和巴豆醛的釋放量分別降低81.4%和39.9%；CO、NNK、NH3、B［a］P 和苯酚5 種成分釋放量無明顯變化，卷煙危害性評價指數(shù)（H）分別降低0.8 和1.0。此外，［N4444］［Thr］對甲醛、乙醛等揮發(fā)性羰基物也有不同程度的降低作用，在20.4 mg/支添加量下，甲醛、乙醛、揮發(fā)性羰基化合物總量分別降低59.5%、41.2%和36.6%。表明［N4444］［Thr］以涂布紙-醋纖二元復(fù)合濾棒的形式應(yīng)用于卷煙，能夠同時顯著降低煙氣中HCN和巴豆醛等有害成分的釋放量。

卷煙感官質(zhì)量評吸結(jié)果如表8 所示。可知，與對照卷煙相比，［N4444］［Thr］添加量為10.3 mg/支時，1#卷煙樣品煙氣刺激略有增加，總體感官質(zhì)量未發(fā)生明顯變化；而添加量為20.4 mg/支時，2#卷煙樣品香氣質(zhì)和香氣量均明顯下降，刺激明顯增加，協(xié)調(diào)變差，感官質(zhì)量明顯下降，這可能是高添加量下材料對煙氣特定組分吸附量過大所致。因此，在保證卷煙感官質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能地降低離子液體的添加量。

表6 卷煙樣品主流煙氣7 種有害成分的釋放量Tab.6 Deliveries of 7 harmful components in mainstream cigarette smoke under ISO smoking regime

表7 卷煙樣品主流煙氣8 種揮發(fā)性羰基化合物釋放量Tab.7 Deliveries of 8 volatile carbonyl compounds in mainstream cigarette smoke under ISO smoking regime (μg·支-1)

表8 卷煙樣品感官質(zhì)量評價結(jié)果Tab.8 Results of sensory quality evaluation of cigarette samples （分）

為考察［N4444］［Thr］在卷煙應(yīng)用中性能的穩(wěn)定性，將1#實驗卷煙及對照卷煙均放置3 個月后，再分析主流煙氣常規(guī)化學(xué)成分和有害成分釋放量，結(jié)果見表9。可以看出，放置3 個月后，實驗卷煙主流煙氣中焦油和7 種有害成分的釋放量無明顯變化，HCN 和巴豆醛的降低率分別穩(wěn)定在50%和25%以上。說明四丁基銨-蘇氨酸離子液體在卷煙中應(yīng)用的穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

①通過酸堿中和法合成了20 種四丁基銨-氨基酸離子液體（TBAILs），F(xiàn)T-IR、1H NMR 等結(jié)構(gòu)表征結(jié)果證實了TBAILs 的結(jié)構(gòu)，TG 結(jié)果表明TBAILs 在150 ℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。②減害性能模擬評價實驗結(jié)果表明，在添加量為0.2 mmol/支時，20種TBAILs對HCN降低率均大于80%，有13 種TBAILs 對巴豆醛釋放量降低率＞60%。③將性能較佳的［N4444］［Thr］以涂布紙-醋纖二元復(fù)合濾棒形式應(yīng)用于卷煙，與對照卷煙相比，在10 mg/支添加量下，HCN 和巴豆醛釋放量分別降低50.8%和27.7%，焦油和感官質(zhì)量基本無變化；在20 mg/支添加量下，HCN 和巴豆醛釋放量分別降低81.4%和39.9%，卷煙感官質(zhì)量明顯下降。卷煙樣品放置3 月后材料的減害性能保持穩(wěn)定。