茶多酚/β-環(huán)糊精復(fù)合材料的合成條件對(duì)降低卷煙主流煙氣TSNAs的影響

李朝建，莊亞?wèn)|，廖惠云，沈曉晨，劉獻(xiàn)軍，曹 毅

江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，南京市夢(mèng)都路28號(hào) 210019

亞硝胺因含—N—N=O官能團(tuán)而有強(qiáng)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(fā)之間的關(guān)系［1］，國(guó)內(nèi)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(huán)糊精（β-CD）是由7個(gè)葡萄糖分子以α-1,4-糖苷鍵相連而成的大環(huán)化合物，腔內(nèi)疏水、腔外親水的“錐筒形”特殊結(jié)構(gòu)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(tuán)形成包合物。Wang等［6］的研究表明，環(huán)糊精能選擇性吸附亞硝胺形成主客體復(fù)合物，其中亞硝胺的烷基從環(huán)糊精較大的開(kāi)口端進(jìn)入空腔發(fā)生包合，—N—N=O官能團(tuán)上的氧與主體分子的—OH基團(tuán)以氫鍵結(jié)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(qiáng)的抗氧化活性和自由基清除能力。其多酚結(jié)構(gòu)的反應(yīng)活性大，很容易受環(huán)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(lèi)的芳香基團(tuán)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(huán)糊精復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合材料）用于降低卷煙煙氣中的TSNAs，目前相關(guān)的研究尚未見(jiàn)報(bào)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(zhǎng)1 cm，內(nèi)徑7.7 mm，外徑9.5 mm，自制）。

茶多酚（≥98%，南京澤朗醫(yī)藥科技有限公司）；β-環(huán)糊精（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，使用前經(jīng)兩次重結(jié)晶）；無(wú)水乙醇（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(shí)驗(yàn)室自制）。

標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)物：d4-NNN,d4-NNK,d4-NAB和d4-NAT（>98%，加拿大TRC公司）。

KQ-500DE型數(shù)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(xiàn)型吸煙機(jī)、DT綜合測(cè)試臺(tái)（德國(guó)Borgwaldt KC公司）；API 3200型三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜，配有電噴霧離子源（Turbo IonSpray）（美國(guó)AB公司）；Agilent 1100高效液相色譜（配備二極管陣檢測(cè)器DAD，美國(guó)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(guó)Millipore公司）；ASAP 2020比表面積測(cè)試儀（美國(guó)麥克儀器公司）。

1.2 方法

1.2.1 復(fù)合材料的制備

稱(chēng)取1.0 gβ-CD溶于14 mL超純水中，攪拌加熱至60℃溶解；稱(chēng)取1.0 g茶多酚溶于14 mL無(wú)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(hù)、在60℃下避光攪拌2~5 h；產(chǎn)物冷卻至室溫后于4℃冷藏24 h，抽濾，并用少量水和無(wú)水乙醇洗滌，低溫干燥6 h，研碎得茶多酚/β-CD復(fù)合材料［8-9］。

1.2.2 復(fù)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(shù)：電子束加速電壓5 kV，放大倍率見(jiàn)圖像標(biāo)尺。

1.2.3 復(fù)合材料的比表面積測(cè)定

N2吸附－脫附實(shí)驗(yàn)在Micromeritics ASAP2020物理吸附儀上進(jìn)行。樣品在100℃下脫氣約4 h，然后在液氮溫度（－196℃）下進(jìn)行吸附，BET法測(cè)算樣品的比表面積，t-plot方法計(jì)算微孔面積。

1.2.4 復(fù)合材料降TSNAs效果驗(yàn)證

準(zhǔn)確稱(chēng)取10 mg茶多酚/β-CD復(fù)合材料，按照以下方法制備復(fù)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(fù)合材料，在玻璃管的另一端插入成品卷煙制成復(fù)合濾嘴的實(shí)驗(yàn)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(hào)成品卷煙作為對(duì)照樣煙。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的SEM形貌表征

β-CD原料、茶多酚原料、復(fù)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(fù)合材料卷煙主流煙氣TPM及TSNAs檢測(cè)結(jié)果

由圖1可知，β-CD原料呈塊狀，沒(méi)有規(guī)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(fù)合材料為四邊形薄片狀結(jié)構(gòu)，與β-CD和茶多酚原料在形貌上有很大的差別，這說(shuō)明β-CD和茶多酚發(fā)生復(fù)合后在顆粒形貌上發(fā)生了變化。

2.2 復(fù)合材料合成條件對(duì)降低卷煙主流煙氣TSNAs的影響

2.2.1 原料配比

不同原 料 質(zhì) 量比（Mβ-CD?M茶多酚=1?0.25,1?0.5,1?1）在N2保護(hù)下60℃恒溫?cái)嚢? h制備的復(fù)合材料、β-CD原料及茶多酚原料裝填的復(fù)合濾嘴卷煙主流煙氣TPM及TSNAs釋放量（兩次平行檢測(cè)的平均值）見(jiàn)表1，與對(duì)照樣相比TPM及TSNAs的降低率見(jiàn)圖2。

圖2 不同原料質(zhì)量比制備的復(fù)合材料對(duì)TPM和TSNAs的降低率

由表1可見(jiàn)，β-CD對(duì)NNK有一定的選擇吸附性，相對(duì)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(jì)算，NNK單位濕焦油降低率為5.41%。復(fù)合材料對(duì)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(nèi)，增大茶多酚的比例有利于提高復(fù)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(duì)TPM有降低作用，但對(duì)TSNAs沒(méi)有降低效果，且對(duì)NNN和NNK的降低率呈現(xiàn)負(fù)值，這說(shuō)明與空白樣相比，濾嘴中添加10 mg茶多酚原料對(duì)NNN和NNK的吸附效果小于2 mm醋纖濾嘴的吸附效果。單獨(dú)使用β-CD對(duì)降低TPM及TSNAs均不理想；復(fù)合材料對(duì)TPM及TSNAs有很好的降低作用，且降低效果隨著反應(yīng)原料茶多酚比例的增加而增大。當(dāng)Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1時(shí)，合成的復(fù)合材料添加量為10 mg制備的復(fù)合濾嘴卷煙對(duì)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(xù)提高原料中茶多酚的比例會(huì)使原料成本大幅提高，不利于工業(yè)使用，因此適宜的原料比為 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1。

2.2.2 反應(yīng)溶劑體積比

確定 Mβ-CD∶M茶多酚=1∶1，改變反應(yīng)溶液水與無(wú)水乙醇的體積比，N2保護(hù)下恒溫60℃反應(yīng)5 h制備的復(fù)合材料對(duì)主流煙氣TPM及TSNAs的降低率（兩次平行檢測(cè)的平均值）見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，加大無(wú)水乙醇的量并沒(méi)有增加材料對(duì)TPM及TSNAs的降低率。當(dāng)水:乙醇=2?1（體積比）時(shí)，沒(méi)有固體反應(yīng)物生成，說(shuō)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(fù)合材料對(duì)TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間

確定 Mβ-CD?M茶多酚=1∶1，水∶乙醇=1∶1（體積比），N2保護(hù)，恒溫60℃，不同反應(yīng)時(shí)間制備的復(fù)合材料裝填的復(fù)合濾嘴卷煙主流煙氣TPM及TSNAs的釋放量（兩次平行檢測(cè)的平均值）見(jiàn)表3，與對(duì)照樣相比TPM及TSNAs降低率見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，復(fù)合材料對(duì)TPM及TSNAs的降低率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由2 h增加到3 h時(shí)，復(fù)合材料對(duì)NNK和NAT的降低率迅速提高，對(duì)TPM,NNN和NAB的降低率增加緩慢；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由3 h增加到4 h時(shí)，復(fù)合材料對(duì)NNK的降低率變緩，對(duì)其他幾種物質(zhì)的降低率均快速提高；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由4 h增加到5 h時(shí)，復(fù)合材料對(duì)TPM,NNN和NNK的降低幅度放緩，尤其對(duì)NNN及NNK的降低率僅分別增加3.68%和4.04%。由此可知繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間并不會(huì)有效提高復(fù)合材料對(duì)NNK的降低率。另外，從表3可知，反應(yīng)2,3和4 h制備的復(fù)合材料對(duì)NNK有一定的選擇吸附性，相對(duì)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(jì)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(shuō)明相對(duì)于單位濕焦油而言NNK的吸附降低效果越好。由此可知，復(fù)合材料對(duì)NNK有很好的去除作用。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到5 h時(shí)，復(fù)合材料對(duì)NNK的降低率與TPM相當(dāng)。綜上可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，制備的復(fù)合材料不僅對(duì)TSNAs有強(qiáng)吸附效果，添加量為10 mg制備的復(fù)合濾嘴卷煙對(duì)NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分別為57.72%,68.79%,55.26%和42.42%，而且對(duì)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(yīng)時(shí)間為4 h。

表3 加入不同反應(yīng)時(shí)間制備的復(fù)合材料卷煙主流煙氣TPM及TSNAs檢測(cè)結(jié)果

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間制備的復(fù)合材料對(duì)TPM及TSNAs的降低率

2.3 復(fù)合材料的穩(wěn)定性

將復(fù)合材料于室溫、閉光、密封條件下儲(chǔ)存，考察存放1個(gè)月和3個(gè)月后的復(fù)合材料對(duì)主流煙氣TPM及TSNAs的降低率，結(jié)果見(jiàn)表4（兩次平行檢測(cè)的平均值）。由表4可知，儲(chǔ)存1個(gè)月后的復(fù)合材料對(duì)TPM和TSNAs降低率的波動(dòng)值≤1.73%，儲(chǔ)存3個(gè)月后的復(fù)合材料對(duì)TPM和TSNAs降低率的波動(dòng)值≤5.21%。由此可見(jiàn)，復(fù)合材料在閉光、密封的條件下儲(chǔ)存比較穩(wěn)定。

表4 不同存放期復(fù)合材料對(duì)主流煙氣TPM和TSNAs的降低率 （%）

2.4 復(fù)合材料吸附機(jī)理分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下增大茶多酚的比例、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間均有利于復(fù)合材料降低TSNAs性能的提高。由圖1可見(jiàn)，復(fù)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(duì)β-CD原料和復(fù)合材料進(jìn)行比表面積測(cè)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(fù)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(fù)合材料相對(duì)于β-CD原料而言，一方面復(fù)合材料的比表面積增加，其吸附性能得到提高；另一方面，復(fù)合材料的四邊形薄片狀結(jié)構(gòu)加大了顆粒之間的距離，片與片之間會(huì)形成細(xì)小的空隙，使得復(fù)合材料的微孔面積增加，有利于對(duì)卷煙煙氣的物理吸附。由此可知，β-CD與茶多酚復(fù)合后材料結(jié)構(gòu)的改變?cè)黾恿藢?duì)TSNAs的吸附能力。

由圖3可以看出，復(fù)合材料對(duì)NNN,NNK,NAT和NAB的吸附效果是不同的，對(duì)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(jié)構(gòu)有關(guān)。β-CD 空腔內(nèi)徑為 6.0~6.5 ?［12］，TSNAs分子中吡啶環(huán)的直徑約為5.0?［13］，因此吡啶環(huán)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(wěn)定的包合物［6］。NNK分子端基吡啶環(huán)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(huán)糊精的空腔內(nèi)；另外，亞硝氨基又能與復(fù)合材料的—OH基團(tuán)以氫鍵結(jié)合，因此復(fù)合材料對(duì)NNK有很好的吸附作用。而NNN分子端基吡啶環(huán)的3位碳與N-亞硝基吡咯烷相連，對(duì)NNN分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［14］發(fā)現(xiàn)，其中的吡啶環(huán)是平面構(gòu)象，帶有亞硝基的吡咯烷環(huán)不能像一般五元環(huán)的椅式構(gòu)象那樣彎曲，可近似看成平面構(gòu)象；并且兩個(gè)環(huán)所在的平面幾乎是垂直的。由NNN的分子結(jié)構(gòu)可知，其空間位阻較NNK大。同理，NAT和NAB分子端基吡啶環(huán)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(huán)糊精的空腔吸附NNN,NAT和NAB的能力較NNK弱?？梢?jiàn)，復(fù)合材料對(duì)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(huán)境因素影響發(fā)生氧化反應(yīng)生成鄰苯醌，并經(jīng)鄰苯醌形成聯(lián)苯酚醌［15］，破壞了其多酚結(jié)構(gòu)，因此對(duì)TSNAs沒(méi)有降低作用。茶多酚與β-CD復(fù)合后能提高茶多酚抗氧化能力［16］，使茶多酚可通過(guò)酚羥基與TSNAs的C=O和N=O鍵形成氫鍵［17］來(lái)降低煙氣中TSNAs的含量。

由以上分析可知，復(fù)合材料對(duì)主流煙氣中TSNAs的降低效果是由于材料表面形貌發(fā)生變化以及茶多酚與β-CD協(xié)同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

①茶多酚/β-CD復(fù)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(hù)下恒溫60℃反應(yīng)4 h。在此條件下制備的復(fù)合材料為四方形薄片。②復(fù)合材料對(duì)TPM和TSNAs具有良好的去除能力，對(duì)NNK有一定的選擇性降低效果。③當(dāng)濾嘴中添加量為10 mg時(shí)，復(fù)合材料對(duì)NNN,NNK,NAT和NAB的降低率分別為57.72%,68.79%,55.26%和42.42%。④復(fù)合材料對(duì)TSNAs的降低作用是由于材料表面形貌發(fā)生變化以及茶多酚與β-CD協(xié)同作用的結(jié)果。

［1］ 繆應(yīng)菊，劉維涓，王亞明.沸石分子篩降低卷煙煙氣中亞硝胺的研究進(jìn)展［J］.化工科技市場(chǎng)，2007，30（7）：6-9.

［2］ 何其芳.94份煙草材料的遺傳多樣性和主要品質(zhì)成分的分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［3］ Ma Lili，Shen Bin，Zhu Jianhua.Investigation on catalytic decomposition of N-nitrosamines over zeolites［J］.Chinese Journal of Catalysis，2000，21（2）：138-142.

［4］ 陸新.利用生物活性材料降低卷煙主流煙氣關(guān)鍵有害成分含量的研究［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2008.

［5］ 銀董紅，金勇，劉建福，等.一種降低卷煙煙氣中亞硝胺和酚類(lèi)物質(zhì)的卷煙濾嘴及其制備方法：中國(guó)，101015394［P］.2007-08-15.

［6］ Wang Ying，Zhou Shilu，Xia Jiarong.Trapping and degradation of volatile nitrosamines on cyclodextrin and zeolites［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2004，75（3）：247-254.

［7］ 梁靖，陳留記，楊賢強(qiáng).茶多酚的絡(luò)合作用研究進(jìn)展［J］.茶葉，2003，29（2）：72-74.

［8］ 關(guān)幸枚，郭媛媛，尹娟娟.兒茶素與β-環(huán)糊精包合作用的光譜學(xué)研究［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2009，35（4）：52-55.

［9］ 李彥軍，毛跟年，馬小燕.大豆異黃酮苷元β-環(huán)糊精微膠囊的制備和鑒定［J］.食品工業(yè)科技，2009，30（6）：183-185.

［10］ GB/T 16447—2004 煙草及煙草制品 調(diào)節(jié)和測(cè)試的大氣環(huán)境［S］.

［11］ YQ/T 17—2012 卷煙 主流煙氣總粒相物中煙草特有N-亞硝胺的測(cè)定 高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用法［S］.

［12］ 童林薈.環(huán)糊精化學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［13］ 王積濤，胡青眉，張寶申，等.有機(jī)化學(xué)［M］.天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，1997.

［14］ 周仕祿，周春芳，朱建華，等.N′-亞硝基去甲煙堿在沸石分子篩上的程序升溫表面反應(yīng)［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2003，61（3）：376-381.

［15］ 張建勇，江和源，崔宏春，等.氧氣對(duì)茶多酚化學(xué)氧化合成茶黃素的影響［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37（4）：58-63

［16］ 歐陽(yáng)玉祝，石愛(ài)華，陳小東.茶多酚-β-環(huán)糊精包絡(luò)物抗氧化性研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33（8）：52-54.

［17］ 梁靖，陳留記，楊賢強(qiáng).茶多酚的絡(luò)合作用研究進(jìn)展［J］.茶葉，2003，29（2）：72-74.