利用生物活性材料降低卷烟主流烟气关键有害成分含量的研究

摘要

烟草消费所导致的健康问题日益突出，低焦油、低危害卷烟已经成为国际烟草行业主要发展方向。本论文系统研究了烟用普通醋酸纤维滤嘴及二醋酸纤维丝束的生产工艺，以生物活性材料过氧化氢酶和谷胱甘肽为代表性改性添加剂，制备能够显著降低卷烟主流烟气关键有害成分含量的改性滤嘴和醋酸纤维丝束，并对其作用机理进行深入研究，主要研究内容及结果如下： (1)设计并制作了一套单通道模拟吸烟及主流烟气收集装置； (2)建立了使用薄层层析一毛细管气相色谱(TLC-GC/PID)同时定性、定量分析卷烟主流烟气中16种多环芳烃的测定方法： (3)建立了使用高效液相色谱一串联质谱(HPLC-MS/MS)同时定性、定量分析主流烟气中四种烟草特有亚硝胺的测定方法： (4)完善了以2-叔丁基硝酮(PBN)的苯溶液为自旋捕捉剂溶液，使用电子顺磁共振一电子自旋捕集技术(EPR-Spintrap)定性定量分析卷烟主流烟气中气相自由基含量的烟气自由基分析方法： (5)系统研究了普通醋纤滤嘴生产工艺，确定在丝束的开松上胶过程中以干粉喷雾的方式将滤嘴改性添加剂加入滤嘴体系的改性方案； (6)系统研究了烟用二醋酸纤维丝束的生产工艺，确定在丝束上油过程中，利用含添加剂上油乳液将可溶性改性添加剂均匀添加到烟用二醋酸纤维单丝表面的丝束改性方案； (7)以固定化过氧化氢酶为代表性改性添加剂，制备了能够选择性降低卷烟主流烟气中气相自由基含量的改性滤嘴。结果表明，含有约10mg/支固定化过氧化氢酶微粒的改性滤嘴中能使卷烟主流烟气中气相自由基含量下降38.84％，并且对卷烟常规指标(吸阻、水分和烟气烟碱量)没有明显影响；使用自制模拟吸烟装置，结合非常规模拟吸烟方案，发现主流烟气中总粒相物对改性滤嘴的降自由基作用具有明显促进作用；通过进一步试验证实改性滤嘴中的固定化过氧化氢酶主要是在有过氧化物存在的条件下，迅速催化降解主流烟气中的氮氧化物，破坏气相自由基反应链，从而有效降低卷烟主流烟气中气相自由基的含量； (8)以还原型谷胱甘肽为代表性改性添加剂，制备了能够选择性降低卷烟主流烟气中气相自由基、烟草特有亚硝胺和酚类化合物含量的改性醋酸纤维丝束。结果表明，含添加剂油剂对醋酸纤维丝束的上油性能、机械加工性能及其物理性能没有显著影响；对改性醋纤丝束的应用实验结果表明，改性醋纤表面的还原型谷胱甘肽有效含量低至0.32mg/g(换算至滤嘴添加量约0.032mg/支)时，仍然能显著降低卷烟主流烟气中气相自由基、烟草特有亚硝胺和酚类物质含量，其中气相自由基含量同比下降25.07％，TSNAs总量同比下降21.52％(其中NNK和NNN的降幅分别达到32.14％和28.04％)，总酚同比下降16.54％；并且由于改性醋纤滤嘴能有效降低烟气中的酚类化合物，因而降低了烟气的刺激性，使卷烟烟气口感更加柔和； (9)分别使用MDA-TBA方法和Ames波动试验，从卷烟主流烟气的氧化损伤作用和烟气冷凝物致突变性，评价改性滤嘴对卷烟安全性的影响。结果表明，含有活性添加剂的改性醋纤滤嘴能够显著降低卷烟烟气的生物毒性，通过在滤嘴中添加固定化过氧化氢酶或谷胱甘肽对主流烟气及其气相成分的急性氧化损伤作用的抑制效率分别为43.57％、41.65％和38.57％、39.32％；使主流烟气直接和间接致突变能力分别下降41.94％和11.54％和32.35％和55.56％。 综上所述，本文以过氧化氢酶和谷胱甘肽为代表性生物活性材料，通过对卷烟滤嘴和烟用二醋酸纤维的相关改性，有效降低了卷烟主流烟气中气相自由基和烟草特有亚硝胺等关键有害成分的含量，提高了卷烟安全性。本研究对于开发低危害卷烟产品具有重要应用价值，对于烟用醋酸纤维丝束及滤嘴的进一步改性和提高具有较好的理论和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1卷烟烟气中的主要有害成分

1.1.1主流烟气中的PAHs

1.1.2主流烟气中的N-亚硝胺

1.1.3主流烟气中的自由基

1.2卷烟降焦减害研究进展

1.2.1卷烟烟气分析技术

1.2.2降焦减害技术的发展

1.3立题背景与意义

1.4课题研究思路、研究目标及主要研究内容

1.4.1研究思路

1.4.2研究目标

1.4.3研究内容

第二章卷烟烟气中关键有害成分分析方法的建立与完善

2.1引言

2.2模拟吸烟装置的设计与研究

2.2.1模拟吸烟装置的设计

2.2.2模拟吸烟装置的评价

2.2.3结果与讨论

2.3 TLC-GC/PID方法测定卷烟主流烟气多种PAHs含量

2.3.1材料与方法

2.3.2结果与讨论

2.4 HPLC-MS/MS方法测定卷烟主流烟气四种TSNAs含量

2.4.1材料与方法

2.4.2结果与讨论

2.5 EPR-Spin trap方法定性定量分析卷烟气相自由基

2.5.1材料与方法

2.5.2结果与讨论

2.6本章小结

第三章烟用二醋酸纤维和滤嘴的改性研究

3.1引言

3.2醋纤滤嘴的改性研究

3.2.1普通醋纤丝束成型制棒工艺概述

3.2.2材料与方法

3.2.3结果与讨论

3.3烟用二醋酸纤维的改性研究

3.3.1二醋酸纤维丝束生产工艺概述

3.3.2材料与方法

3.3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章利用过氧化氢酶降低卷烟气相自由基含量的研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1壳聚糖固定化过氧化氢酶的制备

4.2.2滤棒及卷烟的制备

4.2.3交联固定化结构的红外表征

4.2.4过氧化氢酶活测定

4.2.5试制滤棒物理性能分析

4.2.6试制卷烟烟气分析

4.3结果与讨论

4.3.1交联固定化对过氧化氢酶的影响

4.3.2试制滤棒物理性能评价

4.3.3试制卷烟常规烟气分析

4.3.4固定化过氧化氢酶对主流烟气TSNAs含量的影响

4.3.5固定化过氧化氢酶对气相自由基含量的影响

4.3.6固定化过氧化氢酶对主流烟气氮氧化物含量的影响

4.3.7滤嘴中过氧化氢酶降自由基作用机理研究

4.4本章小结

第五章谷胱甘肽在功能型烟用二醋酸纤维丝束中的应用研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1主要仪器、试剂及材料

5.2.2改性醋纤丝束的制备

5.2.3改性醋纤丝束物理性能评价

5.2.4改性醋纤表面GSH有效含量测定

5.2.5接烟及烟气分析

5.3结果与讨论

5.3.1乳液中谷胱甘肽添加量的确定

5.3.2谷胱甘肽对改性醋纤丝束物理性能的影响

5.3.3改性醋纤形态分析

5.3.4改性醋纤表面GSH有效含量分析

5.3.5改性醋纤对卷烟烟气常规指标的影响

5.3.6改性醋纤对卷烟气相自由基含量的影响

5.3.7改性醋纤对主流烟气氮氧化物含量的影响

5.3.8改性醋纤对主流烟气TSNAs含量的影响

5.3.9改性醋纤对主流烟气酚类化合物含量的影响

5.3.10改性醋纤对卷烟感官品质的影响

5.4本章小结

第六章卷烟烟气安全性的毒理学评价

6.1引言

6.2材料与方法

6.2.1主要仪器与试剂

6.2.2卷烟烟气的MDA-TBA试验

6.2.3烟气冷凝物的Ames波动试验

6.3结果与讨论

6.3.1卷烟烟气氧化损伤作用评价

6.3.2卷烟烟气冷凝物致突变性评价

6.4本章小结

结论与展望

论文创新点

致谢

参考文献

附录：与博士学位论文相关学术成果