一种自香烟烟雾中选择性地除去致癌物质与有毒化合物的滤嘴

摘要

本发明提供一种与香烟、雪茄及烟斗等产品搭配使用的滤嘴,该滤嘴可以选择性地自通过其中的香烟烟雾中吸取有毒化合物、致癌物质及多环芳香族化合物,而让大多数低分子量的化合物,特别是尼古丁通过。

说明书

本发明提供一种香烟滤嘴，尤其指一种可自香烟烟雾中选择性地除去致癌物质与有毒化合物的滤嘴。

人类基于许多理由抽烟，因为抽烟已经被视为一种英雄的作为以及用来要酷的表现。对某特定的人群而言，抽烟可以疏解紧张的压力以及排除寂寞。然而香因的烟雾包含有会使人上瘾的化合物“尼古丁(nicotine)”。对抽烟的人而言，一旦对抽烟上瘾之后将很难戒除，即使抽烟者很清楚认知抽烟有害人体健康。

香烟的烟雾对人体健康的危害主要是因为烟雾之中存在着如多环芳香族化合物之类会促使癌细胞生长的化学物质，而多环芳香族化合物主要成因是来自于烟草不完全燃烧。此外多环芳香族化合物不但对抽烟者的身体造成危害，也对身处于抽烟者附近的人群造成危害，即所谓的二手烟危害。而且香烟的烟雾更含有一种毒性极强的化合物“氰化物”，对抽烟者以吸二手烟的人的身体造成相当不利的危害。

香烟工业已经试着在香烟之中加入滤嘴来吸取多环芳香族化合物及氰化物，以减轻这类化合物所引起的问题，而传统上这些滤嘴主要是由多孔性的物质所制成。滤嘴虽可以有效地从烟草的烟雾中除去部分的有毒化合物，但还是有大量的有毒物质通过滤嘴而危害抽烟者。因此如何增进香烟滤嘴在除去有毒化合物及致癌物质的效率已成为烟草工业所关注的重点，而且将滤嘴改进成不会影响尼古丁含量及口感以鼓励抽烟者使用将是未来努力的目标。

附图的简单说明

图1为本发明的滤嘴安置于一香烟中的示意图。

图2为本发明的滤嘴安置于一烟嘴中的示意图。图示的符号说明10  香烟               12  圆柱体14  前端               16  末端20   烟草                    25   滤嘴35   滤嘴                    50   烟嘴54   前端                    55   管状体56   中央端                  58   缩小点60   开口                    65   开口100  香烟                    116  末端120  烟草                    125  滤嘴

                         发明概述

本发明的主要目的在于提供一种滤嘴，该滤嘴可自香烟烟雾中选择性地除去多环芳香族化合物及氰化物，而让香烟烟雾中大部分的尼古丁及有助于提升口感的分子通过，因此抽烟者受到这类危险物质危害的机会将减少，而且将乐于使用本发明的滤嘴来抽烟。

本发明提供一种使用聚氨酯(聚亚胺酯)发泡材料制成的滤嘴从而自香烟烟雾中选择性地除去多环芳香族化合物及氰化物，该滤嘴包含一具有一前端及一末端的管状体，该管状体是由一中密度(middle-density)的多孔性聚氨酯发泡材料(cellular polyurethane foam)所制成，且该发泡材料已经一预定的前处理(pre-treating)程序以增加其与该多环芳香族化合物及该氰化物的键结能力。当本发明的滤嘴与传统滤嘴合并使用时，可以除去通过的烟草烟雾中至少60％的多环芳香族化合物及氰化物，而让香烟烟雾中大约75％的尼古丁(nicotine)通过。

本发明的聚氨酯发泡滤嘴可以并入现行的香烟制作程序中以代替传统滤嘴。利用本发明的聚氨酯发泡材料制成的滤嘴具有大约2立方厘米(公分)未压缩的体积，可以自通过的香烟烟雾中吸取至少74％的多环芳香族化合物及氰化物，而让香烟烟雾中大约75％的尼古丁(nicotine)于通过。此外以具有大约相同体积的聚氨酯发泡材料制成的滤嘴来完全替代传统的滤嘴则可以自通过其中的香烟烟雾中吸取至少90％的多环芳香族化合物。

本发明的另一优点是提供了一改进的滤嘴从而自香烟烟雾中除去致癌物质及有毒化合物。本发明的滤嘴包含有经过一预定的前处理(pre-treating)的聚氨酯发泡材料，该前处理可以增加其与该多环芳香族化合物及该氰化物的键结能力。每一立方厘米经过前处理且未压缩的聚氨酯发泡材料制成的滤嘴可以自通过的香烟烟雾中吸取至少30～45％的多环芳香族化合物，而让香烟烟雾中大约88％的尼古丁通过。此外本发明的滤嘴可以安置于香烟、雪茄或是烟斗之中。

本发明的另一优点在于提供了一种已经前处理(pre-treating)过的多孔性聚氨酯发泡材料制成的滤嘴。当香烟烟雾通过该滤嘴时，每二立方厘米的未压缩的多孔性聚氨酯发泡材料可以吸取通过其中的香烟烟雾中超过60％的2-甲基萘(2-methylnaphthalene)、苊(Acenaphthylene)、二氢苊(Acenaphthene)、二苯并呋喃(dibenzofuran)、芴(Fluorene)、菲(Phenanthrene)、蒽(Anthracene)、咔唑(carbazole)、荧蒽(fluoranthene)、苯并(a)蒽(Benzo(a)anthracene)、芘(Pyrene)以及(Chrysene)。

本发明亦提供了一种制造香烟的方法。该方法是先提供一中密度的多孔性聚氨酯发泡材料，然对该多孔性聚氨酯发泡材料进行前处理(pre-treating)程序以增加其与多环芳香族化合物的键结能力，再将该前处理过的多孔性聚氨酯发泡材料形成于一圆柱体中以及将该圆柱体合并于一香烟中以作为该香烟的滤嘴，当该香烟被点燃时并被吸烟者抽吸时，香烟烟雾将先通过该滤嘴再到达该吸烟者。

发明的详细说明

请参考图1，图1为本发明的滤嘴35安置于一香烟10中的示意图。香烟10包含有一前端14及一末端16以及一由纸卷成的圆柱体12，且圆柱体12包住烟草20。香烟10的末端16包含有以多孔性材料制成的传统滤嘴25及本发明的滤嘴35。

聚氨酯发泡材料已经被美国环保署用来自空气中吸取多环芳香族化合物、多氯联苯(polychlorinated biphenyls)、二噁英(dioxine)及呋喃(furan)之类的化合物。这类化合物具有聚氨酯发泡材料键合的亲合力而且倾向于被吸附于聚氨酯发泡材料的表面上。然而聚氨酯发泡材料对单环芳香族化合物之类具有低分子量的化合物仅有很小的吸收性。因此尼古丁(一种被取代的吡啶，substituted pyridine)并不会被聚氨酯发泡材料所吸收。此外许多存在于香烟烟雾中且有助于提高抽烟者的口感的化合物通常是具有挥发性的低分子量化合物，而这类化合物不易被聚氨酯发泡材料吸收。

滤嘴35是被安置在香烟10的末端16，香烟10也包含传统的滤嘴25，而滤嘴25是用来隔离滤嘴35，以避免滤嘴35在整根香烟燃烧完时被燃烧。基于此一功能考虑，滤嘴25的半径将约略等于圆柱体12且其长度大约为1～4mm，最佳长度是2～3mm。传统滤嘴25是以多孔性材料制成，然而其它具有避免滤嘴35被燃烧的材料也可用来取代多孔性材料。此外将传统滤嘴舍弃不用，而仅使用以聚氨酯发泡材料制成的滤嘴将是最好的选择。

滤嘴35是以多孔性聚氨酯发泡材料制成的，这些发泡材料是选自比重是介于0.01～0.05(g/ml)之间，而最佳比重是介于0.02～0.04(g/ml)之间。然而本领域的普通技术者应清楚了解，任何以具有多孔性结构及适当比重的聚氨酯发泡材料制成的滤嘴将使用到本发明。例如San Antonio FoamFabricator所生产的NA-85产品即具有多孔性结构且其比重为0.0302(g/ml)。

滤嘴35的尺寸可以随着香烟制造商的期望来改变。一般而言滤嘴35具有与香烟主体大约相同的半径，而且其长度亦大约等于传统滤嘴，其中长度的变化是介于1.0～2.5厘米之间。再者由于本发明的聚氨酯发泡材料可以吸收有害物质，因此增加聚氨酯发泡材料的含量将有助于增加被吸收的有害物质的百分比。例如每二立方厘米的未压缩的多孔性聚氨酯发泡材料可以吸收通过的香烟烟雾中超过75％的多环芳香族化合物。

为了将聚氨酯发泡材料吸收有毒化合物及致癌物质的能力提升到最大，对聚氨酯发泡材料进行一预定的前处理(pre-treating)程序将有助于增加其与多环芳香族化合物及氰化物的键结能力。其中被证实有效的方法之一即是索格利特萃取(Soxhlet extraction)法，索格利特萃取法是由清洗聚氨酯发泡材料来增加其与多环芳香族化合物及氰化物的键结能力。在进行索格利特萃取时，6％的乙醚加注于己烷的溶剂从一溶剂瓶中被蒸发，而溶剂的蒸气随后被冷凝并导入一装有欲被处理的聚氨酯发泡材料的清洗室中，清洗室中的聚氨酯发泡材料被缓缓地浸入冷凝的溶剂中直到完全被淹没，大部分存在于聚氨酯发泡材料内及表面的杂质将溶于冷凝的溶剂中，而清洗室中的溶剂将经由一虹吸管导入溶剂瓶中。由于从溶剂瓶中蒸发的溶剂始终不含有杂质，因此只有不掺有杂质的蒸气才会被冷凝于清洗室中，而所有由聚氨酯发泡材料中清洗出来的杂质将聚集于溶剂瓶中。在进行萃取的过程中，清洗室中的溶剂以每小时被吸出一次的频率进行16小时。在完成索格利特萃取程序之后，聚氨酯发泡材料中的溶剂将以氮气来将多余的溶剂除去。

除了使用6％的乙醚加注于己烷的溶剂来进行聚氨酯发泡材料的前处理之外，以二氯甲烷(methylene chloride)、己烷，以低分子量的碳水化合物为主的溶剂或是上述化合物的混合物来进行萃取也可以达成增加聚氨酯发泡材料与多环芳香族化合物键结的能力。而且超临界流体萃取、蒸馏、热溶剂萃取等适当的有机萃取法均可达成相同的功效。

香烟10包含有一前端14及一末端16以及一由纸卷成的圆柱体12，且圆柱体12包住烟草20。香烟10的末端16包含有一以多孔性材料制成传统滤嘴25及本发明的滤嘴35。

请参考图2，图2为本发明的滤嘴安置于一烟嘴50中的示意图。烟嘴50是以可移动的方式与一传统香烟100相连接。香烟100包含有一以纸卷成的圆柱体，且圆柱体包住烟草120。此外香烟100的末端116包含一传统滤嘴125，但滤嘴125并不是必须的。烟嘴50包含一末端54、一前端56以及一自末端54延伸至前端56的管状体55，其中管状体55的半径由一缩小点58开始缩小，且在前端56形成一吸口65。烟嘴50的外形可能因为美学或人体工学上的考虑而具有其它的变化。为了明确地表达本发明的优点，烟嘴50只显示了用来安置聚氨酯发泡材料的结构及用来让香烟烟雾通过滤嘴的气流通道。对烟嘴50而言，气流通道是指一由前端56延伸至末端54的内腔(lumen)。内腔60在末端54具有较大的内径，且内径是正比于一传统香烟的前端。

由于内腔60的尺寸被设计成可以适用于大部分的传统香烟，因此传统香烟可以牢靠地放置于内腔中，且当香烟抽完时可以很轻易地自烟嘴50中移除。本发明的聚氨酯发泡材料制成的滤嘴35(PUF滤嘴)是安置于内腔60之中。聚氨酯发泡材料制成的滤嘴35已经进行前处理程序以增加其用来与多环芳香族化合物及氰化物的键结能力。由于滤嘴35具有可完全填满内腔60的半径，因此任何通过内腔60到吸口65的香烟烟雾都将通过聚氨酯发泡材料制成的滤嘴35。为了达到这个目的，滤嘴35是先制成一未压缩状态且具有略大于内腔60的内径的直径，然后轻压滤嘴35使其可以填入内腔60之中。如此经过PUF滤嘴35的多环芳香族化合物及氰化物将会被PUF滤嘴35吸附而自香烟烟雾中除去。由于这些有害物质在被抽烟者吸入之前已被香烟烟雾中除去，因此抽烟将不致于危害抽烟者的健康，以及不会经由二手烟的途径来危害旁观者的健康。此外如前所述，香烟烟雾中大部分的尼古丁仍将通过PUF滤嘴35直到吸口65。

                       实验设计

本发明利用一组切自NA-85聚氨酯发泡材料的圆柱状样品来试验本发明的PUF滤嘴的功效。每一个圆柱状PUF滤嘴具有一大约为1厘米的外径以及一大约为2.54厘米的高度，所以在未压缩状态具有大约为2立方厘米的体积。PUF滤嘴已以前述的索格利特萃取程序来增加其与多环芳香族化合物及氰化物键结的能力。

首先取一PUF滤嘴样品轻压然后装入一玻璃管，该玻璃管为6.7英寸长且具有0.8公分内径及1.8厘米逐渐缩小的前端。接着将一支Dorall FullFlavor Premium香烟的滤嘴端插入玻璃管的另一端。由于PUF滤嘴的外径略大于玻璃管的内径，因此恰好可将玻璃管填满，而任何通过玻璃管的香烟烟雾均流经PUF滤嘴样品。虽说如此，为了保证完全密封，特氟隆胶带将香烟的滤嘴端及玻璃管密封在一起。本实验所用的香烟是取自同一个包装盒。

玻璃管随后水平地连接于一由Ace Glassware制造的吸附器的注入口，而吸附器的排泄口则是连接至一手动泵。吸附器是用来抽取流经PUF滤嘴样品的多环芳香族化合物、氰化物及焦油，而这些化合物原本是应该由抽烟者吸入的。手动泵每压一次，即经由香烟、吸附器抽出约30～40毫升的空气来模拟抽烟时的情况。吸附器随后被浸入液态氩之中，而香烟则被点燃。空气则将经由香烟而不断地被手动泵抽出直到香烟长度烧剩至4公厘，其最适合的时间约为1分钟。

在完成PUF滤嘴样品的燃烧试验后，吸附器随即被充入70毫升的二氯甲烷溶液来溶解欲收集的焦油，并静置一个晚上。然后将二氯甲烷溶液倒入一药水瓶中，而吸附器则以二氯甲烷溶液清洗以收集任何残留于在吸附器上的焦油，且用来清洗的二氯甲烷溶液随后倒入同一药水瓶中。接着将二氯甲烷溶液浓缩成20毫升，再进行气相层析及质谱分析。在另一个实验过程中，4毫升的二氯甲烷溶液是以氮气来吹走所有的二氯甲烷，而剩下的焦油则称重到小数点后第五位数。其中焦油是分别称重二次：第一次是以氮气吹除溶剂之后5分钟，另一次则在隔天，而平均重量则列于比较表2之中。

实验后的PUF滤嘴样品则从玻璃管中取出，并进行上述的索格利物萃取程序。而萃取液则被浓缩至5毫升再进行气相层析及质谱分析。其中1毫升的萃取液用来是以前述的方法来测量焦油的重量。

本实验又被重复一次。但是在此第二个实验组中，香烟是被完全燃烧，其中传统滤嘴的部分是被燃烧掉的。第一实验组的流程再被重复进行四次，其中有下列的改变：第三实验组使用了传统滤嘴而不使用PUF滤嘴；第四实验组使用部分的香烟滤嘴及一个PUF滤嘴；第五实验组使用没有滤嘴的香烟且没有使用PUF滤嘴；第六实验组使用PUF滤嘴，但没有使用香烟(空白实验)；

在第四实验组中，75％的香烟滤嘴是以PUF滤嘴来代替，而剩余的25％的普通香烟滤嘴是用来隔离PUF滤嘴以避免实验过程中PUF滤嘴被燃烧。

                          实验结果

在第六实验组中(空白试验)，在吸附器及PUF滤嘴上均没有测量到任何化合物。表1比较了被吸附于吸附器上的多环芳香族化合物及焦油，其中(1)使用仅附有传统滤嘴的香烟，(2)使用具有部分传统滤嘴及一PUF滤嘴的香烟，(3)使用完全没有滤嘴的香烟。如表1所示，本发明的PUF滤嘴很明显地具有比传统滤嘴更好的能力来除去如2-甲基萘、苊、二氢苊、二苯并呋喃、芴、菲、蒽、咔唑、荧蒽、苯并(a)蒽、芘及之类的多环芳香族化合物。这一性质可由比较使用传统滤嘴时及使用本发明的PUF滤嘴时，在吸附器上发现的多环芳香族化合物及焦油在重量上的差异而证明。然而使用本发明的PUF滤嘴时，尼古丁及古丁尼(cotinine，一种尼古丁的氧化物)的含量大略相等于使用传统滤嘴的含量。

PUF滤嘴自香烟烟雾中除去的环芳香族化合物及焦油的百分率是表列于表2～表4之中，而总结于表5之中。在这些实验组中，2立方厘米的PUF滤嘴与传统滤嘴并用，其中PUF滤嘴除去香烟烟雾中大约60％的多环芳香族化合物，即每一立方厘米的PUF滤嘴可除去香烟烟雾中30％的多环芳香族化合物，而容许大约75％存在于香烟烟雾中的尼古丁通过。如果完全以PUF滤嘴来代替75％的传统滤嘴，则PUF滤嘴除去香烟烟雾中大约74％的多环芳香族化合物，即每一立方厘米的PUF滤嘴可除去香烟烟雾中37％的多环芳香族化合物，而容许大约75％存在于香烟烟雾中的尼古丁通过。

比较第一实验组与第四实验组的结果：在第四实验组中的PUF滤嘴除去了74％的多环芳香族化合物，而第一实验组中的PUF滤嘴只除去了60％的多环芳香族化合物。这可能是因为传统滤嘴含有相当数量的三乙酸甘油酯(glycerol triactate)。在每一实验组观察到三乙酸甘油酯的含量大略相等于尼古丁的含量。在这些实验过程中排出的三乙酸甘油酯可能是被PUF滤嘴所吸附，而这些被吸附的三乙酸甘油酯占据了PUF滤嘴许多可用来吸附多环芳香族化合物的部分位置。所以当本发明的PUF滤嘴搭配一完整的传统滤嘴来使用时，PUF滤嘴吸附多环芳香族化合物的效率将因为传统滤嘴而降低。由此结果来预测，如果PUF滤嘴不搭配传统滤嘴或是将传统滤嘴的三乙酸甘油酯的含量降低，则多环芳香族化合物被PUF滤嘴吸附的百分比将会由74％提升至80～90％之间。

PUF滤嘴自香烟烟雾中吸附氰化物的效率是经由进行相同于第一实验组的程序的另三组实验来决定的。但在进行这三组实验时，是加入37毫升0.25当量浓度的氢氧化纳溶液至吸附器中来清洗并将被吸附的无机氰化物转换氰基阴离子，而氰基阴离子随后由离子层析来分析。对一具有传统滤嘴但没有PUF滤嘴的香烟而言，在37毫升的吸附器清洗液中总共发现了660毫克的氰化物，而这些氰化物原本是应该由抽烟者所吸入的。但对一同时具有传统滤嘴及PUF滤嘴的香烟而言，在37毫升的吸附器清洗液中总共发现了250毫充的氰化物。对使用一具有传统滤嘴但没有PUF滤嘴且没点燃之香烟的空白实验而言，在实验仪器的侦测范围内并没有发现任何的氰化物存在37毫升的清洗液中。由这些实验的结果可归纳出本发明的PUF滤嘴可以除去流经的香烟烟雾中大约62％的氰化物。

由于本发明的PUF滤嘴是以中等密度的聚氨酯发泡材料制成，因此PUF滤嘴所产生的压降远小于传统滤嘴所产生的压降。对大多数习惯于传统滤嘴的抽烟者而言，对于一具较小压降的香烟将会感到不适应，如此将导致在初期会抽较多量的香烟。因此抽烟者将会被告知香烟的压降较小的事实，或者PUF滤嘴将被以一额外的滤嘴附加于传统滤嘴之后。就后者而言，PUF滤嘴可能是安置于一香烟烟嘴中，而一具有传统滤嘴的香烟随后则插入香烟烟嘴之中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

表一：香烟烟雾中化合物比较表：化合物名称香烟滤嘴：未使用PUF滤嘴：未使用香烟滤嘴：有使用PUF滤嘴：未使用香烟滤嘴：部分使用PUF滤嘴：有使用2-甲基萘    4600    1872    625苊    714    647    45二氢苊    469    230    44二苯并呋喃    451    106    37芴    1126    40    159菲    736    274    74蒽    298    95    26咔唑    984    513    153荧蒽    198    96    29芘    213    124    29苯并(a)蒽    212    139    29    99    35    7焦油    14600000    7370000    6830000尼古丁    2500000    1340000    1550000古丁尼    18400    11900    10200表二：第一实验组的分析结果：(香烟滤嘴：有使用，PUF滤嘴：有使用)化合物名称PUF滤嘴的吸附量  (单位：ng)吸附器的收集量  (单位：ng)  PUF滤嘴吸附量    的百分比  2-甲基萘    1610    618    72％  苊    215    144    60％  二氢苊    168    89    65％  二苯并呋喃    116    39    75％  芴    236    111    68％  菲    138    94    59％  蒽    42    47    47％  咔唑    80    248    24％  荧蒽    26    71    27％  芘    21    68    24％  苯并(a)蒽    122    0％    多环芳香族  化合物总量    2652    1651    62％  焦油    340000    2990000    10％  尼古丁    263000    759000    26％  古尼丁    17    5328    0％表三：第二实验组的分析结果：(香烟完全燃烧且香烟滤嘴部分燃烧)(香烟滤嘴：有使用，PUF滤嘴：有使用)化合物名称PUF滤嘴的吸附量  (单位：ng)吸附器的收集量  (单位：ng)PUF滤嘴吸附量  的百分比  2-甲基萘    1862    867    68％  苊    345    215    62％  二氢苊    211    89    70％  二苯并呋喃    123    37    77％  芴    362    201    64％  菲    151    82    65％  蒽    50    193    21％  咔唑    110    306    26％  荧蒽    31    87    26％  芘    32    108    23％  苯并(a)蒽    39    135    22％    多环芳香族  化合物总量    3316    2320    59％  焦油    800000    4920000    14％  尼古丁    372000    1220000    23％  古尼丁    1390    8000    15％表四：第四实验组的分析结果：(香烟滤嘴：部分使用，PUF滤嘴：有使用)化合物名称  PUF滤嘴的吸附量    (单位：ng)吸附器的收集量  (单位：ng)PUF滤嘴吸附量  的百分比  2-甲基萘    1782    625    74％  苊    30    45    40％  二氢苊    261    44    86％  二苯并呋喃    257    37    87％  芴    642    159    80％  菲    268    74    78％  蒽    101    26    80％  咔唑    173    153    53％  荧蒽    43    29    60％  芘    39    29    57％  苯并(a)蒽    42    43    49％      11    7    61％  多环芳香族  化合物总量    3649    1271    74％  焦油    1540000    6830000    18％  尼古丁    514000    1550000    25％  古尼丁    2080    10200    17％表五：PUF滤嘴吸附多环芳香族化合物的百分比总结化合物名称第一实验组：(单位：％)  第二实验组：  (单位：％)第四实验组：(单位：％)PUF滤嘴吸附百分比的平均值 平均值 标准差  2-甲基萘    72    68    74    71    2  苊    60    62    40    54    10  二氢苊    65    70    86    74    9  二苯并呋喃    75    77    87    80    5  芴    68    64    80    71    7  菲    59    65    78    67    8  蒽    47    21    80    49    24  咔唑    24    26    53    34    13  荧蒽    27    26    60    38    16  芘    24    23    57    35    16  苯并(a)蒽    0    22    49    24    20      61    61    0  多环芳香族化  合物总量    62    59    74    65    6  焦油    10    14    18    14    3  尼古丁    26    23    25    25    1  古尼丁    0    15    17    11    8