靜電紡絲技術制備料香包埋材料及其性能研究

摘要： 本研究針對加熱卷煙濾嘴料香揮發性強、有效釋放率低的問題，利用殼聚糖和聚己內酯通過靜電紡絲和加熱混合包埋技術，成功制備了新型料香包埋材料. 通過紅外光譜、熱重分析和氣相色譜等測試，評估了該材料的結構、留著率、釋放性能及穩定性. 結果表明，該材料對薄荷醇的負載率高達59. 72%，常溫留著率達78. 58%，抽吸時的釋放率超過85%，在14 d 穩定性測試中，薄荷醇留存率較晶體形態提高15%. 細胞實驗進一步驗證了其高生物相容性和低濃度依賴性的優勢. 這一研究為提升加熱卷煙濾嘴的香料釋放效率和感官品質提供了新策略.

關鍵詞： 加熱卷煙； 料香； 靜電紡絲； 薄荷醇； 釋放率

中圖分類號： TS452 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 045002

1 引言

加熱卷煙是通過低溫（200～400 ℃）加熱煙草而不使其燃燒，使煙草煙氣成分蒸發或裂解揮發的新型煙草制品［1］. 由于缺乏燃燒，這種方式生成的煙氣物質種類和含量比傳統煙草少，需添加料香以豐富香氣和提升感官體驗［2，3］. 常用的加香方式主要有煙絲加香、濾嘴加香、卷煙紙加香和包裝材料加香等. 濾嘴加香與傳統煙絲加香相比，可以減少煙絲和濾嘴等對料香的截留，同時帶給消費者新奇的抽吸感受［4-6］. 王心田等［7］穩定制備出聚乙二醇基質的咖啡香凝膠珠，具有較好的緩釋性能及穩定性. 凝膠加香保香能力較好，方便生產運輸存儲. 但凝膠加香易導致釋香不完全，且易造成凝膠在濾棒中偏移. 王猛等［8］采用低溫流化床造粒法將春黃菊、玫瑰、羅漢果、迷迭香、香葉天竺葵和麥冬香料等植物粉末按一定比例制備了復合香料顆粒豐富香氣并增加煙氣細膩感，改善抽吸品質. 但顆粒加香易不穩定，可能脫落進入主流煙氣影響感官. 現有方法難以同時滿足良好的熱穩定性、優秀的固香釋香能力以及抽吸不受溫度變化影響等方面［9］. 因此，開發一種具有良好的常溫留著率以及抽吸過程的釋放能力的濾嘴料香包埋材料，對提高加熱卷煙感官品質和降低生產成本具有指導意義［10］.

靜電紡絲技術利用高壓靜電的拉伸使聚合物溶液或熔融液形成噴射細流并從噴絲孔噴射而形成聚合物超細纖維，制得的超細纖維材料具有比表面積大、孔隙率高、長徑比大、纖維精細程度與均一性高、吸附活性大等優點，在仿生材料、催化、儲能、過濾等領域得到廣泛的應用［11-13］. 但是將靜電紡制備超細纖維技術應用在煙草行業濾嘴材料中料香，尚未見相關報道. 薄荷香型卷煙是加熱卷煙中最常見的產品類型之一［14，15］. 但薄荷香型特征的煙用香精均為易揮發性物質，在加工和使用過程中容易揮發，失去其特征香氣，不能很好地運用到煙用輔料中［16， 17］.

因此針對上述問題，本研究將殼聚糖（CS）、聚己內酯（PCL）材料通過靜電紡絲工藝制備空白膜材料，選取薄荷醇為代表性料香，加熱混合包埋得到一種新型濾嘴包埋材料. 通過紅外光譜、熱重分析和氣相色譜對材料的結構進行表征并探究持留率、釋放特性以及不同時間溫度下的穩定性，并通過人正常肝細胞系（L02）細胞對于材料的安全性進行考察，為開發新型濾嘴料香包埋材料提供基礎.

2 實驗部分

2. 1 實驗試劑與儀器

殼聚糖（CS，脫乙酰度≥75%）、聚氧化乙烯（PEO，MW 約1 000 000）、薄荷醇（純度99. 5%）、冰乙酸（分析純）購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚己內酯（PCL，MW 約80 000）購自上海麥克林生化科技有限公司；無水乙醇（分析純）購自成都科隆化學品有限公司；純水（去離子水）實驗室自制；MTT（純度≥98%）購自天津希恩思生化科技有限公；DMEM 培養基（高糖）購自賽默飛世爾科技有限公司；L02 細胞系由四川大學生物治療國家重點實驗室提供.

氣相色譜儀（GC，Agilent7890B，Agilent， 美國）；掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7500F，Olympus，日本）；熱重分析儀（Mettler TGA2，Mettler ，瑞士）；電熱鼓風干燥箱（DHG-9240A，上海鴻都電子科技有限公司）超聲波清洗儀；（SB-5200D，寧波新芝生物科技股份有限公司）；靜電紡絲機（實驗室自主搭建）.

2. 2 濾嘴包埋料香材料的制備

2. 2. 1 包埋基材選擇

靜電紡絲技術的應用依賴于易揮發性溶劑以及高分子材料. 然而，溶劑的低溫揮發性特征往往伴隨著潛在的毒性，將包埋料香應用于加熱卷煙的煙支濾嘴處時，需要選擇具有較高生物安全性的溶劑和高分子材料. 殼聚糖（CS）是一種生物相容性好、可作抑菌、藥物緩釋的天然高分子材料，結合無毒的高分子有機聚合物聚己內酯以及揮發性強但對人體無毒害的酸性物質乙酸，通過前期實驗準備探索出殼聚糖與聚己內酯比例為2∶30，90% 的乙醇水為溶劑，得到滿足料香釋放需求的材料.

2. 2. 2 靜電紡絲空白膜制備

稱量0. 2 g 的CS和3. 0 g 的PCL 溶解于10 mL 的（乙酸∶水=9∶1）混合溶劑中，磁攪一段時間（約24 h，轉速為400～500 r/min）后獲得紡絲液，超聲處理5～10 min 以除去氣泡，得到CS/PCL 混紡膜的紡絲原液.

取用一支20 mL 容量的注射器，吸取5 mL 以上的紡絲液，把醫用注射器固定在靜電紡絲機的推進泵上推注速度2. 0～2. 4 mL/h，調節針頭與接收板之間的距離10～14 cm，高壓電源的陽極與針頭端相連，電源的陰極與接收板端相連，電壓26 kV，溫度35～45 ℃，濕度10%～40%，并在接收盤上鋪上錫箔紙或離型紙，使得材料得以接收.

2. 2. 3 加熱混合包埋

在密封壓力容器中，加入用等重量30 mg 的薄荷醇和空白靜電紡絲膜，溫度為55 ℃，加熱時間為30 min.

2. 3 紅外與熱重分析

傅里葉變換紅外光譜：室溫下，適量樣品與溴化鉀混合壓制成透明薄片，收集4000～400 cm?1范圍內的紅外光譜數據，分辨率為4 cm?1，掃描次數為64 次.

熱重分析：每次測試取約15 mg 固體粉末于熱天平坩堝中，設置溫度掃描模式程序，初始溫度為30 ℃，結束溫度為800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氣體氛圍為氮氣50 mL/min.

2. 4 氣相色譜條件及薄荷醇標曲建立

研究采用美國Agilent7890B 氣相色譜法（GC）對薄荷醇進行定量分析，使用KB-624 色譜柱（60 m×0. 32 mm）；使用火焰離子化檢測器（Flame Ionization Detector，FID），并設置檢測器的離子化器溫度為220 ℃，檢測器溫度為250 ℃；載氣為氮氣，1. 7 mL/min；吹氣為氮氣30 mL/min；氫氣30 mL/min，空氣400 mL/min；進樣方式：分流進樣，分流比10∶1；進樣量1 μL；初始溫度為60 ℃，保持3 min；程序升溫：以20 ℃/min 的速率由60 ℃升至200 ℃，保持10 min；使用恒定壓力模式進行分析.

標準梯度溶液的制備：準確稱取純薄荷醇200 mg，精確至0. 01 mg，置于5 mL 容量瓶中，用GC 級無水乙醇稀釋定容并混勻，得到濃度為40 mg/mL 的薄荷醇標準溶液母液. 置于4 ℃條件下密封保存，分別移取6. 25、25. 00、62. 50、100. 00 和125. 00 μL 標準溶液母液置于5 個5 mL 干凈容量瓶中，再分別加入GC級無水乙醇于各容量瓶中定容，得到5 級標準梯度溶液，現配現用. 標準梯度溶液的濃度為：0. 05、0. 20、0. 50、0. 80 和1. 00 mg/mL.

2. 5 濾嘴包埋材料釋放特性研究

分別稱取約5 mg 樣品于5 mL 離心管或25 mL 廣口瓶中，在對應溫度為25、40、55 和70 ℃的鼓風式烘箱中處理5 min，控溫精度±1 ℃，溫度均勻度±1 ℃ ，加入1 mL GC 級無水乙醇，用F6/10 手持式高速勻漿機以10 000 r/min 的速率攪拌5 min 得到溶液或混懸液，然后用1 mL 一次性無菌注射器吸取0. 5 mL 溶液或混懸液，過0. 22 μm 一次性油性濾膜過濾后打入安培瓶中.按照2. 4 節的氣相色譜條件經行測試分析. 薄荷醇負載率Zi、留存率Ai 以及釋放率Bi 通過以下公式進行計算.

其中，mi 為樣品通過各種條件處理后破碎提取的薄荷醇質量，mtotal 為包埋材料總質量，Z 為未經過溫度處理的薄荷醇負載率.

2. 6 包埋材料穩定性考察

稱量對應不同比例的混合包埋材料1 mg 左右，記錄其具體質量，將其放置于5 mL 離心管中，將離心管蓋敞開，分別放置于4 ℃和25 ℃恒溫箱，于不同時間點取出，加入GC 級無水乙醇1 mL，用F6/10 手持式高速勻漿機以10 000 r/min 的速率攪拌5 min 得到溶液或混懸液，然后用1 mL 一次性無菌注射器吸取0. 5 mL 溶液或混懸液，過0. 22 μm 濾膜，進行氣相色譜測試其薄荷醇含量.

2. 7 細胞培養

人正常肝細胞系（L02）細胞由四川大學生物治療國家重點實驗室贈送；培養基采用高糖DMEM 培養基并補充10% FBS、100 μmol/mL 青霉素和100 μg/mL 鏈霉素. 細胞在37 ℃ 、含5%CO2、濕度為95% 的培養箱中培養. 每2 d 更換1次培養基.

2. 8 細胞活性檢測

使用PCL+CS 空白膜以及負載薄荷醇的PCL+CS 膜的浸出液來檢測包埋材料的毒性大小，實驗采用的是L02 人正常肝細胞系細胞. 稱取對應當量膜材料在紫外線下滅菌1 h，加入DMEM培養液在5 mL 的離心管中，超聲15 min 并于37 ℃下培養24 h，過濾膜.

采用MTT 法測定粒子對細胞活性的影響，將細胞以5000 個/孔接種于96 孔板中，置于培養箱中孵育24 h. 移除培養基，向人正常肝細胞系（L02）細胞中加入含有不同濃度薄荷醇、2∶30 包埋材料、2∶30 空白材料（未包埋薄荷醇）對應當量浸取液，薄荷醇當量濃度為0、25、50、100、200 和400 μmol/L，包埋材料為對應其中包埋的薄荷醇當量為0、25、50、100、200 和400 μmol/L，空白材料濃度為對應包埋材料量減去薄荷醇量. 每個濃度設置5 個復孔. 置于37 ℃、含5% CO2 培養箱中孵育48 h. 每孔加入200 μL 含MTT（0. 5 mg/mL）的培養基溶液，繼續孵育4 h，除去上清，每孔加入150 μL DMSO，待紫色的甲臜結晶完全溶解，于酶標儀上測定甲臜570 nm 處的吸光度. 以不加任何材料和藥物的樣品作為陰性對照組，以只含有培養基無細胞為空白對照組，細胞活性計算公式為：細胞活性=（實驗組A570 nm?空白組A570 nm）/（對照組A570 nm?空白組A570 nm）.

3 結果與討論

3. 1 濾嘴料香包埋材料紅外與熱重表征

通過靜電紡絲工藝制備的空白膜與材料殼聚糖（CS）、聚己內酯（PCL）的紅外對比圖如圖1a 所示. 從圖中可知，在波數1500～1750 cm?1 之間空白膜的特征峰與殼聚糖和聚己內酯存在差異，可能是由C=O 鍵的伸縮振動引起的；在波數3500～3750 cm?1 之間空白膜出現與殼聚糖相同的特征峰，而聚己內酯的特征峰在3500 cm?1以下，可能是由結構中的處于游離態的羥基引起的；在波數1000～1500 cm?1 之間，空白濾嘴材料的吸收峰與殼聚糖的吸收峰基本一致. 由此可見，殼聚糖和聚己內酯的特征峰在空白膜的紅外譜圖中均有所體現，表明空白膜的結構與殼聚糖和聚己內酯的結構相似. 而CS∶PCL 為2∶30 的靜電紡絲空白膜、薄荷醇與包埋薄荷醇的2∶30 濾嘴料香包埋材料的紅外圖如圖1b 所示. 可以觀察到，空白膜與包埋薄荷醇的紡絲膜的紅外譜圖之間的差異較小. 包埋薄荷醇的紡絲膜的紅外譜圖在波數2750～3000 cm?1 之間出現與空白膜不同的特征峰，是薄荷醇結構中甲基的伸縮振動引起的吸收峰. 在波數1000～1250 cm?1之間的不同于空白膜的特征峰是由薄荷醇中C-O 鍵伸縮振動引起的吸收峰. 綜合紅外光譜圖，可以初步確定成功將薄荷醇包埋到紡絲纖維膜中.

分別對薄荷醇、殼聚糖、聚己內酯、濾嘴材料和加熱混合包埋薄荷醇后的濾嘴材料進行檢測，各樣品的熱重分析圖如圖2 所示. 從圖中可以觀察到薄荷醇本身具有較低的分解揮發溫度，在大約100 ℃左右開始迅速揮發分解. 殼聚糖分解溫度在320 ℃左右；聚己內酯分解溫度在350 ℃前后；2∶30 的空白膜分解溫度與聚己內酯類似，且加熱混合包埋了薄荷醇的濾嘴材料表現出較高的包埋率，約為50% 左右，并且略微提高了薄荷醇的釋放溫度.

3. 2 薄荷醇氣相色譜標準曲線

配置標準梯度溶液的濃度分別為0. 05、0. 20、0. 50、0. 80 和1. 00 mg/mL. 通過2. 4 節給出的氣相色譜條件進行測試，將測試所得結果繪制薄荷醇的標準曲線如圖3 所示. 所得線性方程為：Y=1. 39C ? 7. 1912，R2=0. 9981，說明薄荷醇在50～1000 μg/mL 線性關系良好.

3. 3 濾嘴包埋材料釋放特性結果

對加熱混合包埋薄荷醇后的濾嘴材料在各溫度下處理后的數據，采用2. 4 節建立的氣相色譜分析（QC）方法進行分析，數據列于表1.

對于加熱混合包埋薄荷醇后的濾嘴材料在各個溫度（40、55 和70 ℃）下處理后的載量，與空白組（常溫處理）進行對比，考察了濾嘴材料在各個溫度的留著率和釋放率，具體數據列于表1 中. 由表1 可見，薄荷醇的留存率為59. 72%，表明該材料超高的薄荷醇負載率，通過提高溫度處理，在40 ℃時薄荷醇的釋放率為22. 42%，此時薄荷醇從紡絲纖維中釋放較少，滿足濾嘴材料在低溫區域的高留著率（78. 58%）要求；隨后，將溫度繼續提高至55 ℃和70 ℃，薄荷醇在濾嘴材料中的釋放率顯著增加，分別達到85. 45% 與91. 37%，材料滿足卷煙在抽吸階段低溫區的高釋放率要求.

3. 4 濾嘴料香包埋材料穩定性結果

將不同溫度和時間點下，2∶30 包埋材料及薄荷醇的薄荷醇留存率匯總，繪制柱狀對比圖如圖4所示. 薄荷醇晶體與2∶30 包埋材料在4 ℃下的不同時間點的留存率極其相似，差異性不大，2∶30 包埋材料留存率從98. 56% 下降至75. 43%，薄荷醇晶體從95. 44% 降至76. 64%. 這表明在4 ℃條件下，材料具有較高的穩定性，薄荷醇的釋放速度相對較慢. 2∶30 包埋材料的薄荷醇留存率變化趨勢相對平緩. 在14 d 的觀察期內，留存率從98. 56%下降至75. 43%. 隨著溫度升高到25 ℃，材料的薄荷醇留存率的下降率明顯比4 ℃時更大，但薄荷醇釋放速率逐漸減緩. 在短時間內，2∶30 包埋材料的留存率要小于薄荷醇晶體，但在14 d 時，薄荷醇的留存率要更高. 其原因可能為薄荷醇晶體的升華速率要小于2∶30 包埋材料表面弱吸附的薄荷醇釋放速率，但會大于包埋材料中深層次包埋的薄荷醇釋放速率. 這說明長期存儲2∶30 包埋材料有著更優的穩定性能.

3. 5 細胞毒性實驗結果

根據吸光值，按照細胞活性公式計算細胞抑制率. 薄荷醇、2∶30 包埋材料、2∶30 空白材料（未包埋薄荷醇）對人的正常肝細胞系（L02）的影響如圖5 所示. 分析可知，3 種材料對人的正常肝細胞系（L02）細胞毒性的影響均較小，甚至在濃度提升至薄荷醇當量400 μg/mL 時，三者還均具有80%以上的細胞活性，說明2∶30 包埋材料，具有一定的生物安全性.

對于薄荷醇而言，在濃度0～200 μg/mL 區間，人正常肝細胞系（L02）細胞活性基本在95% 以上，升高至400 μg/mL 高濃度時，活性才降低至85%左右. 對于2∶30 空白材料（未包埋薄荷醇），在薄荷醇當量濃度0～100 μg/mL 時，人正常肝細胞系（L02）細胞活性在97% 以上，隨著材料濃度進一步增大至200 μg/mL 與400 μg/mL 時，細胞活性下降為89. 26% 與81. 07%，雖然略有下降，但仍然提供了極高的安全性. 對于2∶30 包埋材料，由于薄荷醇與空白材料的疊加作用，人正常肝細胞系（L02）細胞活性略比二者材料的細胞存活率低. 在薄荷醇當量濃度0～50 μg/mL 時，細胞活性在90% 以上；在薄荷醇當量濃度達到100 μg/mL，再往上增加時可以發現，人正常肝細胞系（L02）細胞活性均在83% 以上，并且隨著濃度的增加，細胞活性略微有所上升；在薄荷醇當量濃度達到400 μg/mL 的高濃度時，反而2∶30 包埋材料要高于薄荷醇以及2∶30 空白材料.

綜上所述，低溫區2∶30 包埋材料，材料本身具有較高的生物相容性，在包埋薄荷醇以后，細胞活性由于薄荷醇與材料的雙重疊加作用略有下降，但仍具有83% 以上的活性. 隨著濃度的升高，細胞毒性并未出現濃度依賴性，且在高濃度下，包埋材料有著降低薄荷醇損傷的作用.

4 結論

本研究通過靜電紡絲技術包埋薄荷醇，成功地制備了一種在常溫下具有良好的留存率，且在低溫抽吸階段表現出較好的釋放特性的濾嘴料香包埋材料，成功提升了薄荷香料在濾嘴材料中的釋放效果. 研究結果表明，該材料成功實現了對薄荷醇香料的高達59. 72% 的負載率，且在常溫區（40 ℃ 以下）的留存率高達78. 58%. 在低溫區（55～70 ℃）的抽吸過程中，薄荷醇的釋放效果超過85%，為加熱卷煙濾嘴料香包埋材料生產提供了一種可行的技術途徑. 此外，長時間的敞開穩定性研究結果表明，該材料的留存率比薄荷醇晶體高15%. 細胞實驗結果顯示，該新型濾嘴包埋材料具有高生物相容性，對人正常肝細胞系（L02）的細胞毒性影響較小，顯示了其一定的生物安全性. 本研究為開發新型濾嘴料香包埋材料提供了基礎，為煙草行業提供了降低生產成本、提高產品品質的新思路.

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（責任編輯： 于白茹）

基金項目： 中國煙草總公司重大科技項目“加熱卷煙專用料香及其遞送調控技術開發”（110202101068（XX-13））; 云南省新型煙草產品創新團隊（202305AS350005）; 云南中煙青年科技人才托舉計劃（滇煙工人[2021]293 號）