降低卷烟烟气中自由基含量的技术研究(朱茂祥).doc

1、降低卷烟烟气中自由基含量的技术研究曲志刚 1 周 骏 1 朱茂祥 2 吴 可 2 田宁亚 1（1.北京卷烟厂，北京，100024 2.军事医学科学研究院，北京，100850）摘 要本文建立了卷烟烟气中的气相自由基和固相自由基的检测方法，系统地研究了卷烟烟气气相和固相自由基的测定方法和降低卷烟烟气中自由基含量的工艺和技术，系统地进行了低自由基卷烟及其对照样品的生物医学评价工作。研究结果表明：以 PBN 为自旋捕捉剂捕集气相自由基用 ESR 检测的方法和以剑桥滤片捕集固相自由基用 ESR 检测的方法来分别检测气相自由基和固相自由基的方法是可行的。对研制的活性碳复合滤嘴卷烟烟气自由基进行了测定，结果

2、表明：同对照卷烟相比，试验卷烟烟气气相自由基清除率最高时可达 69.1%；优化了自由基清除剂配方，确定了在增塑剂中加入 1.50%的 SRM 溶液制成醋纤活性碳复合滤嘴再制成卷烟的工艺方法生产低自由基低焦油 5mg 中南海卷烟，其烟气气相自由基清除率一般可稳定达到 41.2%。系统地进行了低自由基卷烟及其对照样品的生物医学评价工作，包括急性中毒试验、生殖毒性试验、免疫功能试验、致突变性试验等，所检测的各项功能性指标均表明，低自由基卷烟的毒性明显低于同品牌的普通卷烟。关键词： 卷烟烟气 自由基 固相自由基 气相自由基 测定方法卷烟烟气中的自由基一般分为两类，即气相自由基和固相自由基。气相自由基性

3、质非常活泼，寿命很短，以烷基自由基和烷氧基自由基为主。固相自由基的性质比较稳定，寿命较长，以醌类和半醌类、稠环芳烃类自由基为主。由于卷烟烟气固相自由基可以用普通的醋纤滤嘴有效地祛除，国内外对祛除卷烟烟气中自由基的研究大都集中在气相自由基方面。近年来祛除卷烟烟气中自由基的研究取得了许多成果，其中比较成功的有北京卷烟厂和中国科学院生物物理研究所利用绿茶提取物和维生素的混合物祛除卷烟烟气中气相自由基的研究和希腊雅典大学的 Stavridis 领导的课题组用血红蛋白祛除烟气中气相自由基和其它有害物质的研究，而且利用研究成果分别生产出了 ENJOY 和 BF 两个比较成功的卷烟产品。由于这些技术大多采用

4、抗氧化剂，因而卷烟长期放置后抗氧化剂对自由基的祛除效果会受到影响，这些产品的气相自由基祛除率最高仅在30%左右，而产品的成本又较普通卷烟增加较多。因此，寻找新型廉价的非抗氧化剂祛除卷烟烟气中气相自由基是非常必要的。本文系统研究了卷烟烟气气相和固相自由基的测定方法以及降低卷烟烟气中自由基含量的工艺和技术。系统地进行了低自由基卷烟及其对照样品的生物医学评价。1 卷烟烟气中自由基测定方法的研究1.1 卷烟烟气中气相自由基的测定方法1.1.1 试验1.1.1.1 试验装置主吸烟机采用 KC 公司的 5 孔道吸烟机，加以改造形成气相自由基捕集装置（见图 1）。图 1 气相自由基捕集装置1卷烟夹持器；2自

5、旋捕捉剂；3导气管（35cm）；4捕集管；5吸烟机1.1.1.2 自旋捕捉剂PBN(N-t-butyl-phenylnitrone，即 2-苯叔丁基硝酮，纯度 98%），DMPO(5,5-dimethyl-1-pyrroline-1-oxide,5,5-二甲基吡咯啉氮氧化物，纯度97%），为 Sigma 公司产品；（MGD） 2Fe2+为中科院研究生院合成。1.1.1.3 捕捉方法采用特殊的玻璃器皿收集烟气自由基。加一定浓度的自由基捕捉剂溶液到收集器中，将收集器连到吸烟机上，以抽吸容量为 35.0mL，抽吸时间为 2s，抽吸间隔为 60s 的标准抽吸速率抽吸卷烟。吸烟后定容收集到烟气自由基溶液

6、，而后放入液氮中冷冻。检测体积为 200L。1.1.2 结果与讨论1.1.2.1 溶剂的确定分别用水溶剂和苯，四氯化碳、二甲苯（以上试剂都为分析纯）等有机溶剂对上述捕捉剂的捕捉效率和加合物稳定性进行了比较研究。结果水溶剂的稳定性好，但对烟气中自由基捕捉效率过低。RO、R为脂溶性，PBN 为脂溶性捕捉剂，所以溶剂选用有机溶剂，通过比较：CCl 4、甲苯、苯等溶剂，苯、CCl4挥发性相对低，苯溶剂与 CCl4溶剂挥发性比较：两者没有明显差别，见图2。CCl 4较稳定且本身无 ESR 杂质信号，溶解 PBN 效果好，对环境污染较小。综合考虑，CCl 4最为理想，因此选定 CCl4做溶剂。图 2 不同

7、有机溶剂对捕捉剂的捕捉效率和加合物稳定性的比较1.1.2.2 不同类型捕捉剂性能比较3 种类型捕捉剂均可捕捉并检测到烟气中自由基信号。从波谱形态来分析，PBN 加合物是较为规则的三线谱，利于定量分析和计算。DMPO 加合物可获得七线不规则波谱，波谱成份相对较复杂，且寻找相似的标准定标样品也较难。（MGD) 2Fe2+也可获得规则的宽三线谱，且可以在水溶剂中形成加合物，所以操作上和稳定性上有优势，但目前烟气中某些成份对加合物有干扰，使波谱稳定性受影响，还待深入研究。综上所述，PBN 是较理想的捕捉剂。1.1.2.3 捕捉剂浓度和体积的确定通过对不同浓度和体积的捕捉剂的试验结果（图 3 和图 4）

8、，确定选用0.03mol/L 浓度，0.4mL 体积效果最佳。取 0.4mL 体积完全可以使烟气与捕捉剂在容器中充分混合反应，这样既保证了捕集效率也不浪费捕捉剂。图 3 不同浓度捕捉剂对试验结果的影响图 4 不同体积捕捉剂对试验结果的影响1.1.2.4 信号稳定性及其控制方法捕捉剂与自由基形成的加合物信号强度，在室温下均会自然衰减。其中PBN 自旋加合物的衰减情况如图 5 所示。为克服这种衰减产生的检测误差，建立了冷冻停留方法来稳定自旋加合物，并增加了检测时间的可控性。图 5 PBN 自旋加合物的衰减情况表 1 说明冷冻停留后可使加合物在连续观测的 5 天内没有明显改变。表 1 冷冻停留后加合

9、物连续观测的 5 天内的变化天数 1 2 3 4 5 变异系数信号强度 12766 12147 12896 - 12896 5.4%1.1.2.5 自由基浓度的确定首先选取一系列具有氮氧自由基结构的化合物，通过波谱比较，选择与PBN 自旋加合物波谱结构最接近的且信号稳定的化合物 TEMPO（2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyl-1-oxy），即 2,2,6,6-四甲基哌啶1-氧，纯度95%98%为标准样品。TEMPO 的浓度相关标准曲线为（见图 6）。图 6 TEMPO 的浓度相关标准曲线烟气中自由基的确定按下面公式计算：1.1.2.6 检测分散度：以相同规格的烟为一个

10、样品组，进行了 3 次试验。结果如表 2 所示。表 2 检测分散度试验序号 样品数 均值 标准偏差 变异系数(%)1 7 12765.9 1021.5 82 8 12147.1 2246.0 183 9 12896.3 2247.5 181.2 卷烟烟气固相自由基检测方法的研究1.2.1 试验1.2.1.1 低温冷凝法在 5 孔道吸烟机上改造加入液氮冷凝装置，使烟气直接经过冷凝管道在液氮中冻凝。而后取管中沉积物 ESR 检测。1.2.1.2 剑桥滤片直接收集法吸烟后将剑桥滤片取下，裁下十分之一（图 7）的滤片装入 3mm 直径石英管中进行 ESR 检测。图 7 剑桥滤片直接收集法1测量部分 0

11、.52cm2，2烟斑，有效面积，面积为：10.17cm 2，3膜边缘，无效面积1.2.1.3 浓度校正方法用 DPPH（1,1-Diphenyl-2-Picryl-Hydrazyl)，即 1,1二苯基-2-苦基肼基，纯度 90%做校正标准样品。DPPH 为购自 Sigma 公司的标准品，用大于等于200 目的 CaCO3（分析纯）为稀释剂进行充分研磨稀释。制成1.5，3.0，6.010 15Spin 的系列标准样品，以进行检测结果的浓度确定和校正。1.2.2 结果与讨论1.2.2.1 低温冷凝法经试验，低温冷凝法可以收集到部分沉积物。但沉积物粘于管道内壁，其量值难以确定。而且仍有部分烟气通过冷

12、凝系统，所以收集率也难以准确评估。最终影响自由基的准确定量。且这种检测方法是在低温（77K）下进行，检测过程受季节和环境影响因素大，信噪比和检测灵敏度难以控制，也影响了最终的自由基量的确定。1.2.2.2 直接检测剑桥滤片法采用直接检测剑桥滤片的方法，可检测到较稳定的自由基信号，其信号特征为单线峰。g 因子为 2.0030，波谱线宽为 4.66Gs。通过对谱线位置进行二重积分，并对用同样条件和方法得到的 DPPH 标准样品二重积分，经过计算，可以得到每一检测样品的自由基浓度。剑桥滤片本底信号的确定：试验中发现剑桥滤片具有较强的本底。为了克服其对试验影响，我们对剑桥滤片的本底进行了试验确定。对国

13、产滤片（Filter-C),英国产滤片（Filter-E）和两批不同批次的德国 Borgwaldt 滤片（Filter-G1），（Filter-G2）的本底信号进行了测量对比。结果国产滤片（Filter-C)本底信号一致性差，呈现多种不规则波谱，难以进行积分计算和统计处理，不适于做为固相自由基收集材料。另外 3 种进口滤片虽都有不同强度的本底信号，但信号较规则，没有其它杂波，易于分析计算，因此均可做为固相自由基收集材料。但不同产地的滤片以及相同产地不同批次的滤片的本底信号强度有较大的差别，所以在使用中应针对每次试验所采用的滤片本底，来计算烟气中的固相自由基。表 3 是 4 种不同滤片的信号强度

14、比较。表 3 不同滤片本底信号强度比较滤片 积分值（10 7） 变异系数（）Filter-G1 1.400.093 6.7Filter-G2 1.120.029 2.6Filter-E 0.650.084 13.0Filter-C - -最终采取随机取 10 只滤片，按检测烟的同样条件和方法检测求出 10 只滤片的平均信号双积分强度然后以此值为固定本底值，对已捕集固相自由基滤片的信号强度进行本底扣除，则可得到烟气固相自由基的净信号强度。卷烟自由基浓度的确定方法：I 样：样品双积分强度；I 片：滤片双积分强度；I DPPH：DPPH 样品双积分强度；C DPPH：所采用 DPPH 标准样的自旋数

15、；S 滤片 ：裁下滤片的面积与滤片总面积之比（此试验中为 1/10.17）。检测分散度：取相同规格卷烟，同样条件下分组检测，其分散度见表 4。表 4 检测分散度试验序号 样品数 均值 标准差 变异1 13 1.855 0.188 10.12 13 1.821 0.233 12.83 13 1.768 0.224 12.74 13 1.881 0.123 6.55 13 1.734 0.146 8.4固相自由基的稳定性：将吸烟后的滤片在室温下保存，不同时间测量的信号强度如表 5。表 5 卷烟烟气中固相自由基稳定性（n=5）烟气固相自由基积分值(A)(107)COAL 积分值(B)(107) A/

16、B 百分比衰减放置时间(h)(XSD*) 变异系数(%) (XSD*) (XSD*)0.3 1.090.05 4.6 1.540.055 100.04.60.7 1.080.06 5.0 99.05.61.0 1.090.05 5.0 100.04.61.5 1.070.05 5.1 98.13.33.0 1.060.04 4.2 97.23.87.0 1.050.02 1.8 96.31.99.0 1.030.06 6.1 94.55.823.0 1.000.06 6.2 91.76.0将各时间点数据对表中第一点（0.3h）数据做归一处理后，得到信号强度的百分比衰减规律如图 8。图 8 信号

17、强度的百分比衰减规律可见在所观测的 23h 内信号衰减不明显，而通常试验可控制在吸烟后 3h 内检测完毕，则其衰减量小于 3%。不同滤片对自由基的收集率比较：表 6 是 3 种不同滤片的试验结果。表 6 不同滤片对自由基的收集率比较类别 空白滤膜 吸烟后 净增量Filter-G1 1.2690.142 1.8050.106 0.54Filter-G2 1.0500.042 1.4580.083 0.41Filter-E 0.5620.038 1.3370.025 0.77可见对于不同的滤片收集率差别较大。而且用同一种膜片重复的 5 批试验，收集率基本一致（表 7）。表 7 不同时间检测不同批次

18、各组间的分散度组号 样品数 信号强度1 13 1.8550.1882 13 1.8210.2333 13 1.7680.2244 13 1.8810.1235 13 1.7340.146组间变异系数： 3.4%(n=5) 所以实际使用时，为避免这种收集率的不确定性。在每次试验中，应选用同批次同规格的滤片。1.3 检测过程进行样品校正和自旋数浓度计算标准的确定1.3.1 材料和方法对于非专用的 ESR 谱仪，仪器状态会随不同的试验而有所改变，为了校正仪器状态，并对检测过程进行校正，需借助长期稳定的顺磁性样品，作为检测过程的校正样品。试验发现，DPPH 和 TEMPO 溶液（气相）室温下长期稳定性

19、都不好，不宜做为检测过程校正样品。为更准确地确定烟气中自由基的实际浓度，根据煤在室温下的长期稳定性优于 DPPH 和 TEMPO 的特点，通过试验，确定用煤粉和 CaCO3(分析纯)的混合物（大于等于 200 目）来做为检测过程的校正样品。并分别配制两组浓度已知的 DPPH（用于固相自由基测定）和 TEMPO（用于气相自由基测定）样品，来做为烟气自由基浓度计算的标准样品。将 DPPH 和 TEMPO样品与上述煤样品同时检测，用二者信号强度的比值对自旋浓度做直线回归分析的方程做为确定烟气自由基浓度的标准关系方程。2.3.2 结果利用上述方法，对烟气气相和固相自由基的浓度计算标准方程进行了重新确定

20、。其线性响应规律仍为良好的线性相关。结果如下：以比值 对 N 值的回归分析关系方程为计算浓度的标准关系式。实际测量计算结果为： 气 4.4N-0.0057,(r=0.9999)。以比值 对各浓度（N）的回归分析关系方程为浓度计算的标准关系式。实际测量和计算结果为： 固3.32N+0.102,(r=0.9989)。在检测烟气自由基时，也同时测量煤样品。用二者比值代入上述标准关系方程求出烟气的自由基浓度。用上述这种两种标样联合使用的方法，既可克服DPPH 和 TEMPO 的长期稳定性差的缺点，又可避免每次试验都重新测定 DPPH 和TEMPO 浓度曲线的过程。而每次试验只需将煤标样品与烟样品同时检

21、测即可。从以上的试验结果来看，以 PBN 为自旋捕捉剂捕集气相自由基用 ESR 检测的方法和以剑桥滤片捕集固相自由基用 ESR 检测的方法来分别检测气相自由基和固相自由基的方法是可行的。2 降低卷烟烟气中自由基含量的技术研究2.1 降低卷烟烟气中自由基含量的基础研究在多年来对卷烟烟气中自由基的性质及其清除技术研究的基础上，对一些作用明显的抗氧化物清除活性氧（ROS）自由基的效果进行观察，包括纳米硒、亚硒酸钠、茶多酚、甘露醇、血红蛋白（HGB）和 SRM 等。从检索到的资料来看，希腊雅典大学用血红蛋白清除自由基的效果最好，在试验中发现 SRM 清除自由基的效果最好。2.1.1 SRM 体外清除 ROS 效果及与 HGB 比较