專利名稱：一種新型選擇性降害濾嘴材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種卷煙降害濾嘴材料，具體涉及一種新型選擇性降害濾嘴材料及其 制備方法
背景技術(shù)：
隨著《煙草控制框架公約》的簽訂，卷煙主流煙氣中焦油、C0、HCN等有害成分倍受 關(guān)注，研發(fā)優(yōu)質(zhì)安全的低危害卷煙已成為國際卷煙的發(fā)展方向。其中，具有降害功能的新型 濾嘴材料已經(jīng)是各個(gè)卷煙企業(yè)突破的重點(diǎn)，成為卷煙工作者研究的熱點(diǎn)。血紅蛋白因其與CO、HCN等有害物質(zhì)的高結(jié)合難解離的特性，成為降害研究的重 點(diǎn)。John C.Stavridis教授對(duì)血紅蛋白降低卷煙煙氣中有害成分進(jìn)行研究；張愛華將血 紅素加入到濾嘴中，進(jìn)行降焦降害的研究；深圳卷煙廠選用希臘黃金濾嘴公司開發(fā)的復(fù)合 濾嘴，進(jìn)一步制成卷煙進(jìn)行研究。然而，在這些研究中，血紅蛋白直接由濾嘴吸附或者由活 性炭吸附后，再添加于濾嘴當(dāng)中，這樣就無法確保血紅蛋白的活性，也就無法確保其降害效 果。并且，含活性炭的濾嘴，給烤煙型卷煙香氣造成負(fù)面的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種新型選擇性降害濾嘴材料，并將該材料應(yīng) 用于煙草降焦減害。該材料可以降低煙氣有害物質(zhì)，其中，CO和HCN選擇性的大幅降低，而 對(duì)卷煙評(píng)吸品質(zhì)影響較小。本發(fā)明還提供一種新型選擇性降害濾嘴材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣是咸的它是包載了血紅蛋白的納米水凝膠顆粒材料， 其中血紅蛋白的質(zhì)量百分比為5% —70%。其中所述納米水凝膠顆粒材料優(yōu)選化學(xué)式為以下結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物 其中!！ = 14，111=28。本發(fā)明的制備方法，它包括以下步驟合成反應(yīng)方程式為 1)將聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯、甲基丙烯酸、交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯 溶于乙腈中，再加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后將反應(yīng)產(chǎn)物分離固體雜質(zhì) 后，冷凍干燥制得納米介孔水凝膠顆粒材料；2)將血紅蛋白溶于酸性緩沖溶液中，加入納米介孔水凝膠顆粒，經(jīng)振蕩、離心分 離，得上清液冷凍干燥，得到水凝膠血紅蛋白納米濾嘴材料。其中所述參加反應(yīng)的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯和甲基丙烯酸以及交聯(lián)劑四乙二 醇-雙甲基丙烯酸酯重量比例為2 4 1。其中所述酸性緩沖液為磷酸緩沖溶液，濃度為lOymol/L.其中所述的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯分子量為2000。反應(yīng)溫度為70-80°C，反應(yīng)時(shí)間為1-5小時(shí)。本發(fā)明的水凝膠具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)和生物相容性，與其他載體相比，納米 介孔水凝膠與被固定在其中的藥物或生物活性分子的相互作用極其微小，可使被固定的物 質(zhì)長時(shí)間的保持活性。本發(fā)明制備方法的第一步中合成條件溫和，設(shè)備簡單，操作方便，可 以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)；第二步中，血紅蛋白固定在第一步合成的水凝膠顆粒中，條件 溫和，可以確保血紅蛋白的活性，并且可以長期保存。同時(shí)避免現(xiàn)有血紅蛋白吸附在活性炭 上，應(yīng)用于濾嘴中，給烤煙型卷煙帶來的香氣損失。這種新型濾嘴材料在確保卷煙品質(zhì)的前 提下，降害降焦效果顯著，具有較廣闊的應(yīng)用前景。納米水凝膠顆粒(PNH)的表征1.紅外光譜分析采用紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜，方法是固體樣品和KBr粉末混研壓片后直 接進(jìn)行測試，掃描次數(shù)為256次，分辨率為2CHT1。并依據(jù)IR圖譜中相關(guān)峰的位置及峰形的 分析，確定樣品的結(jié)構(gòu)。從紅外譜圖可以看出1717. 23cm"1處為羧酸C = 0的伸縮振動(dòng)峰；在1111. 26cm"1 處為PEG C-0-C的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；在3410. 48cm-1處為羥基的特征吸收峰；而在 1633cm-1附近的C = C的伸縮振動(dòng)峰消失，表明發(fā)生共聚合反應(yīng)，生成預(yù)期結(jié)構(gòu)的共聚物。2.掃描電鏡分析將樣品用無水乙醇分散，經(jīng)超聲加強(qiáng)分散后，取數(shù)滴滴于載玻片上，待乙醇揮發(fā)， 載玻片進(jìn)行噴金，然后用掃描電鏡觀察，并于合適區(qū)域拍攝納米粒形態(tài)照片，依照片分析納 米粒粒徑及粒徑分布。3.透射電鏡分析樣品分散在去離子水中，超聲加強(qiáng)分散效果，用滴管取數(shù)滴滴于銅網(wǎng)上，滴加磷鎢 酸稀溶液染色，吸附約30秒，用濾紙將多余液體吸走，于室溫下晾干。然后用透射電鏡觀 察，并于合適區(qū)域拍攝納米粒形態(tài)照片，依照片分析納米粒粒徑及粒徑分布。4.激光粒度儀分析
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采用激光粒度儀來測定粒徑及粒徑分布。測試溫度25°C ；散射角度90° ；掃描 波長678nm。每次測試一分鐘，反復(fù)測試三次，取三次測試平均值作為最終測試結(jié)果。從SEM照片可以清楚的看出，PNH粒子基本呈球形。從TEM照片可以看出球狀PNH 粒子具有中空內(nèi)腔。這樣的結(jié)構(gòu)使其具有包載血紅蛋白的能力。并且圖4表明，PNH分布 較窄，粒徑在300nm左右。同時(shí)在圖中也存在粒徑200nm以下的納米介孔粒，這是因?yàn)樵谡?餾沉淀聚合法制備過程中后期核的形成，沒有更多的單體能使之聚合增長，最終形成了粒 徑較小的納米介孔球，這與激光粒度儀測得的粒徑呈雙峰分布相一致。PNH的平均粒徑在 290nm左右，粒徑分布指數(shù)0. 296。這個(gè)結(jié)果與TEM測試得到的結(jié)果是一致的。水凝膠納米介孔顆粒(PNH)的安全性分析采用人的成纖維細(xì)胞與生物材料進(jìn)行共培養(yǎng)，同時(shí)作空白試驗(yàn)，考察此材料對(duì)細(xì) 胞的生物學(xué)活性的影響規(guī)律。具體實(shí)驗(yàn)方法如下(1)人皮膚成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)從人體真皮層分離獲得成纖維細(xì)胞，并進(jìn)行傳代 培養(yǎng)，培養(yǎng)基為10% NBS的DMEM，構(gòu)建人工真皮的細(xì)胞采用第9_14代人皮膚成纖維。(2)實(shí)驗(yàn)材料的預(yù)處理和浸出液的制備納米高分子生物材料裝瓶進(jìn)行常規(guī)高溫 消毒處理。消毒后分別浸泡于含10% NBS的DMEM培養(yǎng)基中，同時(shí)取一份10% NBS的DMEM 培養(yǎng)基作為空白對(duì)照，將上述樣品放入37°C培養(yǎng)箱中靜置24h后，保存于4°C的冰箱。(3)細(xì)胞懸液的制備方瓶中培養(yǎng)的人成纖維細(xì)胞經(jīng)0.25%胰酶消化后，采用 10% NBS的DMEM培養(yǎng)基配制成一定細(xì)胞密度的細(xì)胞懸液。(4)實(shí)驗(yàn)材料浸出液實(shí)驗(yàn)a.實(shí)驗(yàn)步驟用上述制得生物材料浸出液以及空白樣，分別在24孔板內(nèi)進(jìn)行浸出 液細(xì)胞培養(yǎng)，每孔內(nèi)加入lmL的溶液，以1 1的體積比分別加入浸出液和細(xì)胞懸液。每樣 品取三個(gè)孔進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。b.細(xì)胞量的檢測分別于24h、72h、144h培養(yǎng)時(shí)間間隔取樣，使用MTT法測試孔內(nèi) 細(xì)胞線粒體脫氫酶活性，獲得相對(duì)細(xì)胞量。從MTT的測試結(jié)果可以看出，PNH浸出液培養(yǎng)細(xì)胞的吸光值與空白對(duì)照相近，證實(shí) 所制備的水凝膠納米介孔顆粒PNH對(duì)人體是安全的。表1PNH在不同培養(yǎng)時(shí)間的吸光值及活細(xì)胞相對(duì)百分含量 注相對(duì)百分含量=樣品的吸光值/空白對(duì)照的吸光值血紅蛋白含量的測定用紫外-可見分光光度計(jì)測量血紅蛋白在Soret區(qū)的特征紫外吸收(A4J，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算上清液中血紅蛋白的含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定取6支試管，按順序分別加入樣品、水和試劑，即用1. Omg/mL的 標(biāo)準(zhǔn)血紅蛋白溶液給各試管分別加入0. 01,0. 02,0. 04,0. 06,0. 08,0. lmL，然后用無離子 水補(bǔ)充到5mL，混合均勻。取0. lmL待測樣品加入空白試管中，用無離子水補(bǔ)充到5mL，混合均勻后，即可開 始用比色皿，在分光光度計(jì)上測定待測樣品在405nm處的光吸收值。空白為5mL H20。由上 述標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)測出的待測樣品的光吸收值，即可查出待測樣品的血紅蛋白含量。水凝膠固定化血紅蛋白納米介孔濾嘴材料(HINH)包載量和包載率的測定包載量的測定稱取一定質(zhì)量的HINH，加入5mL水，用分光光度計(jì)測光吸收值A(chǔ)4Q5， 結(jié)合血紅蛋白的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算包載量(LC% w/w)。
JIPII中血紅蛋白的質(zhì)量 包載量(LC%W/W) = - 乂 100%
Hl_的質(zhì)量用5mL水溶解離心分離的沉淀物質(zhì)，用分光光度計(jì)測光吸收值A(chǔ)4(15，結(jié)合血紅蛋白 的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算包載率(EE% )。 選用不同理論包載量的血紅蛋白經(jīng)固定后所形成的HINH的實(shí)際包載量(LC% )、 包載率(EE%)、粒徑列于表2。從表2可以看出PNH可以成功包載血紅蛋白形成水凝膠固 定化血紅蛋白納米介孔顆粒HINH，隨著PNH中血紅蛋白包載量的增加，HINH的粒徑增加。 隨著理論包載量增加，即參與包載的血紅蛋白量增加，但實(shí)際包載量有限，所以包載率逐漸 降低。表2HINH的性質(zhì) HINH濾嘴材料的降害分析采用GB/T5606. 5-1996，YC/T29 30-1996，YC/T156 157-2001 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法 分別檢測卷煙煙氣的總粒相物、焦油、水分、煙堿、CO、抽吸口數(shù)等指標(biāo)。采用比色法檢測卷煙煙氣的氫氰酸含量。
包載不同量血紅蛋白的水凝膠納米介孔濾嘴材料經(jīng)制粒處理后，制作為HINH復(fù) 合濾嘴。在卷煙葉組配方和其它輔料不變的情況下，將HINH復(fù)合濾嘴與相同規(guī)格的空白 醋纖濾嘴制作成卷煙，檢測卷煙煙氣的總粒相物(TPM)、焦油、水分、煙堿、CO、HCN等煙氣指 標(biāo)，結(jié)果列于表4。表3HINH復(fù)合濾嘴的降害性能 檢測結(jié)果顯示，在卷煙配方和其他輔料不變的情況下，相對(duì)空白對(duì)照卷煙，水凝膠 固定化血紅蛋白納米介孔濾嘴材料(HINH)可以降低焦油、煙堿、⑶和HCN含量。并且隨著血 紅蛋白包載量的增加，這些有害成分的降低率逐漸增加。其中，總粒相物降低0. 52-1. 81mg, 降低率2. 77-9. 63%;焦油降低0. 6-1. 6mg，降低率3. 95-10. 5%;煙堿降低0. 02-0. llmg，降 低率 1. 67-9. 17% ；CO 降低 3. 1-6. 7mg,降低率 20. 12-58. 77% ；HCN 降低 9-38 u g,降低率 7. 96-41. 76%。CO和HCN的降低幅度明顯大于焦油和煙堿的降低幅度；但是對(duì)總粒相物和 水分基本沒影響。這說明HINH濾嘴材料具有優(yōu)良的選擇性降低CO和HCN的性能。HINH濾嘴材料的卷煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià)按(GB/T16447-1996煙草及煙草制品調(diào)節(jié)與測試的大氣環(huán)境)調(diào)節(jié)卷煙樣品含水率，委托湖北省煙草產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站組織湖北省評(píng)煙委員，按(GB5606. 4-1996卷煙感 官技術(shù)要求)的規(guī)定，進(jìn)行評(píng)吸。評(píng)吸結(jié)果見表5。結(jié)果表明，固定血紅蛋白的HINH復(fù)合濾 嘴和空白醋纖復(fù)合濾嘴的評(píng)吸得分基本接近，總體質(zhì)量水平和產(chǎn)品風(fēng)格無明顯差異。相對(duì) 而言，HINH濾嘴卷煙香氣略淡，但是口感變好，余味舒適干凈。表4HINH復(fù)合濾嘴的卷煙評(píng)吸結(jié)果 說明書附圖

圖1 納米介孔水凝膠顆粒PNH的紅外譜2 納米介孔水凝膠顆粒PNH的SEM照片圖3 納米介孔水凝膠顆粒PNH的TEM照片圖4 納米介孔水凝膠顆粒PNH粒徑及其分布圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一部描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1本發(fā)明是將血紅蛋白包載在納米水凝膠顆粒材料中，血紅蛋白的質(zhì)量百分比為 5%。納米水凝膠顆粒材料的化學(xué)式為以下結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物 其中！！ = 14，111=28。本發(fā)明的制備方法包括以下步驟合成反應(yīng)方程式為 1)將聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯、甲基丙烯酸、交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯按重量比例為2 4 1溶于乙腈中，再加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后將 反應(yīng)產(chǎn)物分離固體雜質(zhì)后，冷凍干燥制得納米介孔水凝膠顆粒材料；2)將血紅蛋白溶于酸性緩沖溶液中，加入納米介孔水凝膠顆粒，經(jīng)振蕩、離心分 離，得上清液冷凍干燥，得到水凝膠血紅蛋白納米濾嘴材料。其中所述酸性緩沖液為磷酸緩 沖溶液，濃度為lOymol/L.中所述的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯分子量為2000。反應(yīng)溫度為 70-80°C，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)。實(shí)施例2 本發(fā)明是將血紅蛋白包載在納米水凝膠顆粒材料中，血紅蛋白的質(zhì)量百分比為 10%。納米水凝膠顆粒材料與實(shí)施例1相同。制備方法包括以下步驟1)將重量比例為2:4:1的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯(PEGMA)和甲基丙烯酸 (MAA)以及交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯(TEGDMA)溶于乙腈中，通氮?dú)庖耘懦w系中 的空氣，加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)，繼續(xù)通氮?dú)猓?0°C水浴恒溫下反應(yīng)3小時(shí)。所得 反應(yīng)液過濾，濾液冷卻后裝入透析袋，放在蒸餾水中進(jìn)行透析，以除去未反應(yīng)的單體、低聚 物和殘留引發(fā)劑。透析后液體冷凍干燥，制得納米水凝膠顆粒材料。2)稱取血紅蛋白溶于磷酸緩沖溶液中，加入納米介孔水凝膠顆粒，用恒溫振蕩器 振蕩8小時(shí)；離心分離(30min，3000rpm)后，將所得上清液冷凍干燥，得到水凝膠固定化血 紅蛋白納米介孔濾嘴材料(HINH)，冷凍干燥后收集密封保存。實(shí)施例3 本發(fā)明是將血紅蛋白包載在納米水凝膠顆粒材料中，血紅蛋白的質(zhì)量百分比為 50%。納米水凝膠顆粒材料與實(shí)施例1相同。制備方法包括以下步驟1)將重量比例為2 4 1的分子量為2000的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯 (PEGMA)，和甲基丙烯酸(MAA)以及交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯(TEGDMA)溶于乙腈 中，通氮?dú)?0分鐘以排除體系中的空氣，加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)，繼續(xù)通氮?dú)?分 鐘，80°C溫度水浴下攪拌反應(yīng)5小時(shí)。所得反應(yīng)液過濾，冷卻后裝入截取分子量12000的透 析袋，放在蒸餾水中進(jìn)行透析72小時(shí)，以除去未反應(yīng)的單體、低聚物和殘留引發(fā)劑。透析后 液體冷凍干燥，收集備用水凝膠顆粒。2)稱取血紅蛋白溶于一定離子強(qiáng)度的磷酸緩沖溶液中，配成lOymol/L濃度的 溶液；加入適量納米介孔水凝膠顆粒，在一定溫度下用恒溫振蕩器振蕩8小時(shí)；離心分離 (30min,3000rpm)后，將所得上清液冷凍干燥，得到水凝膠固定化血紅蛋白納米介孔濾嘴材 料(HINH)，冷凍干燥后收集密封保存。實(shí)施例4 本發(fā)明是將血紅蛋白包載在納米水凝膠顆粒材料中，血紅蛋白的質(zhì)量百分比為 70%。納米水凝膠顆粒材料與實(shí)施例1相同。制備方法包括以下步驟1)將重量比例為2 4 1的分子量為2000的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯 (PEGMA)，和甲基丙烯酸(MAA)以及交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯(TEGDMA)溶于乙腈 中，通氮?dú)?0分鐘以排除體系中的空氣，加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)，繼續(xù)通氮?dú)?分鐘，80°C溫度水浴下攪拌反應(yīng)4小時(shí)。所得反應(yīng)液過濾，冷卻后裝入截取分子量12000的透 析袋，放在蒸餾水中進(jìn)行透析72小時(shí)，以除去未反應(yīng)的單體、低聚物和殘留引發(fā)劑。透析后 液體冷凍干燥，收集備用水凝膠顆粒。 2)稱取血紅蛋白溶于一定離子強(qiáng)度的磷酸緩沖溶液中，配成lOymol/L濃度的 溶液；加入適量納米介孔水凝膠顆粒，在一定溫度下用恒溫振蕩器振蕩8小時(shí)；離心分離 (30min,3000rpm)后，將所得上清液冷凍干燥，得到水凝膠固定化血紅蛋白納米介孔濾嘴材 料(HINH)，冷凍干燥后收集密封保存。
權(quán)利要求
一種新型選擇性降害濾嘴材料，它是包載了血紅蛋白的納米水凝膠顆粒材料，其中血紅蛋白的質(zhì)量百分比為5％--70％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型選擇性降害濾嘴材料，其中所述納米水凝膠顆粒材料的 化學(xué)式為 其中 η = 14，m = 28。
3.一種新型選擇性降害濾嘴材料的制備方法，它包括以下步驟1)將聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯、甲基丙烯酸、四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯溶于乙腈中， 再加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后將反應(yīng)產(chǎn)物分離固體雜質(zhì)后，冷凍干燥 制得納米介孔水凝膠顆粒材料；2)將血紅蛋白溶于酸性緩沖溶液中，加入納米介孔水凝膠顆粒，經(jīng)振蕩、離心分離，得 上清液冷凍干燥，得到水凝膠血紅蛋白納米濾嘴材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種新型選擇性降害濾嘴材料的制備方法，其中所述參加反應(yīng) 的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯和甲基丙烯酸以及交聯(lián)劑四乙二醇-雙甲基丙烯酸酯重量比 例為2:4:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種新型選擇性降害濾嘴材料的制備方法，其中所述酸性緩沖 液為磷酸緩沖溶液，濃度為lOymol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種新型選擇性降害濾嘴材料的制備方法，其中所述的聚乙二 醇單甲醚丙烯酸酯分子量為2000。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型選擇性降害濾嘴材料，它是包載了血紅蛋白的納米水凝膠顆粒材料，其中血紅蛋白的質(zhì)量百分比為5％-70％。納米水凝膠顆粒材料的化學(xué)式為其中n＝14，m＝28。本發(fā)明具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)和生物相容性，與其他載體相比，納米介孔水凝膠與被固定在其中的藥物或生物活性分子的相互作用極其微小，可使被固定的物質(zhì)長時(shí)間的保持活性。它可以降低煙氣有害物質(zhì)，其中CO和HCN選擇性的大幅降低，而對(duì)卷煙評(píng)吸品質(zhì)影響較小。
文檔編號(hào)A24D3/02GK101849709SQ20091006139
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者司輝, 王娜, 董世良 申請(qǐng)人:湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司;武漢市黃鶴樓科技園有限公司