變性多孔淀粉吸附卷煙煙氣氣相物的研究

朱 玉 郭 麗 杜先鋒孫曉莉

變性多孔淀粉吸附卷煙煙氣氣相物的研究

朱 玉1，2郭 麗1，2杜先鋒2孫曉莉2

(卷煙煙氣重點實驗室上海煙草(集團)公司1，上海 200082)
(教育部農業(yè)部茶葉生物化學與生物技術重點實驗室安徽農業(yè)大學2，合肥 230036)

以玉米多孔淀粉(PS)和交聯磷酸玉米多孔淀粉(PPS)為材料，研究了不同水解時間制得的玉米多孔淀粉和不同取代度交聯磷酸玉米多孔淀粉對卷煙主流煙氣氣相物中HCN、NH3、巴豆醛的清除效果。借助于掃描電鏡(SEM)和全自動氣體吸附儀(ASAP)確定了多孔淀粉最佳吸附HCN、NH3、巴豆醛孔結構參數。通過連續(xù)流動法，離子色譜法和高效液相色譜法分別對HCN、NH3、巴豆醛進行檢測，結果表明當水解反應時間4 h玉米多孔淀粉和交聯磷酸玉米多孔淀粉(DS=0．092)對HCN、NH3、巴豆醛清除效果最好。玉米多孔淀粉對煙氣中HCN、NH3、巴豆醛質量分數分別降低5．922%、24．278%和20．843%。交聯磷酸玉米多孔淀粉對煙氣中HCN、NH3、巴豆醛質量分數分別降低13．041%、35．925%、31．062%。

變性多孔 淀粉 卷煙煙氣 粒相物

香煙中的有害物質通過主流煙氣被吸煙者吸入體內。主流煙氣包括氣相物和粒相物兩大類，其中氣相物大約占主流煙氣的95．5%，主要有氨(NH3)、氫氰酸(HCN)、低分子醛類物質(乙醛、丙醛、巴豆醛等)和一些易揮發(fā)的氣體(VOC)，粒相物所占比例雖較小，組成卻比較復雜，主要有水、煙堿和焦油，而僅焦油就由多種烴類及烴的氧化物、硫化物和氮化物等組成的復雜化合物［1］。早在20世紀70年代末就己確定焦油中99．4%的成分對人體是無害的(其中有相當一部分低揮發(fā)性成分是卷煙特有香味的來源)，僅有0．6%的成分有害人體健康，其中0．2%是癌癥誘發(fā)物質，0．4%是癌癥促進物質［2］。0．4%的促癌物中包括四環(huán)芳香族碳氫化合物，五環(huán)芳香烴，酚類化合物，亞硝胺類等。因此，降焦減害己成為卷煙工業(yè)技術研究的主攻課題。降焦雖能在一定程度上提高卷煙煙氣的安全性，但降焦是無選擇性地降低粒相組分，當卷煙的焦油量降低到一定程度后，卷煙吸味變淡，香氣大幅度減少，消費者難以接受［3］。因此，選擇性降低煙氣中的有害物質既可緩解降焦壓力，又可將卷煙煙氣中有害成分降至較低水平。在提高卷煙安全性的同時能保持卷煙吸味以滿足消費者心理需求，己成為當今煙草行業(yè)的研究熱點和發(fā)展方向。

濾嘴，特別是具有特殊結構、特殊添加劑的濾嘴已發(fā)展成為卷煙降焦減害的一項重要技術措施。目前，常用濾嘴主要有醋酸纖維濾嘴、活性碳濾嘴、鋁硅酸鹽濾嘴、催化劑濾嘴和生物濾嘴［4－10］。這些材料存在加工技術復雜、較高的生產成本和生產安全性等問題，限制了材料的可選擇性，進而限制了在商業(yè)化和生產中可選擇的添加劑范圍。

變性淀粉是在淀粉分子中引入新的官能團或者通過物理方法、化學方法和酶法來改變分子大小和淀粉形態(tài)和淀粉顆粒特性，提高淀粉本身性質和功能，例如溶解性、黏性、吸附性、重結晶和糊化溫度等。多孔淀粉及變形多孔淀粉對卷煙煙氣中的有害成分是否有吸附脫除作用鮮見報道［11］。因此，將變性淀粉作為有機吸附劑應用于卷煙濾嘴吸附卷煙煙氣有害成分，將會進一步提高淀粉的附加值以及拓寬淀粉的應用范圍，同時對降低卷煙煙氣危害、維護身體健康都具有非常重要的意義。本試驗使用不同變性方法處理淀粉以降低煙氣中的有害成分，對研究天然、安全和高選擇性濾嘴添加劑提供一些理論和應用基礎。

1 材料與方法

1．1 儀器與試劑

JR－2集熱式磁力加熱攪拌器:天津市歐諾儀器儀表有限公司;KQ－250DE醫(yī)用數控超聲波清洗器:昆山超聲儀器有限公司;Scientz－12SN低溫真空冷凍干燥機:寧波新芝生物科技股份有限公司;Sirion 200場發(fā)射掃描電子顯微鏡:FEI;TristarII 3020M全自動比表面積和孔隙分析儀:美國Micromeritics;RM1單通道吸煙機:德國BORGWALT。

玉米淀粉:山東大宗生物發(fā)展有限公司;液體糖化酶(黑曲霉，糖化酶酶活100 000 U/g):杰能科公司;三聚磷酸鈉、磷酸(85%)、硫酸:天津南開大學化學有限公司。其他試劑均為分析純。

1．2 變性淀粉的制備

1．2．1 多孔淀粉制備［12］

將10 g烘至絕干玉米淀粉置于三角玻璃瓶中，加入25 mL pH 4．0磷酸氫二鈉 － 檸檬酸緩沖液，置磁力攪拌器50℃下預熱并攪拌10 min。加入液體糖化酶(0．05%)，在50℃水浴條件下反應1、2、3、4、5、6 h酶解后立即加入4%氫氧化鈉溶液終止反應。淀粉乳經離心沉淀(3 000 r/min，20 min)。去離子水洗滌沉淀物4次，凍干。干燥后的淀粉粉碎，過0．45 mm篩子，即得多孔淀粉。

1．2．2 交聯磷酸玉米多孔淀粉的制備［13］

100 g烘至絕干玉米淀粉溶解于250 mL水中，50℃條件下攪拌同時加入2 g干重三聚磷酸鈉，并用1 mol/LNaOH調節(jié)其pH到9．0、10．0、11．0、12．0。混合物攪拌反應4 h得不同交聯度的樣品。1 mol/L鹽酸調節(jié)溶液pH至6．5。去離子水及不同濃度的乙醇反復洗滌去除濾餅中未反應完全的磷酸鹽，凍干樣品粉碎過40目。

稱取40 g干重的交聯磷酸淀粉于100 mL三角瓶中，加入100 mL pH 4．0的磷酸氫二鈉 － 檸檬酸緩沖液100 mL制成40%的淀粉乳，置磁力攪拌器50℃下預熱并攪拌10 min。加入淀粉糖化酶0．05%，在50℃攪拌強度100 r/min下，酶解6 h。酶解結束后立即加入4%氫氧化鈉溶液3 mL終止反應。淀粉乳經離心沉淀(3 000 r/min，15 min)、干燥(55℃，常壓)、粉碎、過200目篩，即得交聯磷酸多孔淀粉。

1．3 變性淀粉相關結構特性表征

1．3．1 掃描電鏡(SEM)

使用Sirion 20場發(fā)射電子顯微鏡觀察玉米淀粉、玉米多孔淀粉、玉米交聯磷酸酯化淀粉和玉米雙醛淀粉的形態(tài)特征。干燥的樣品輕輕敷在雙面膠上，用吸耳球吹散使其分布均勻，然后將樣品放入鍍金器中噴碳鍍金。測定時電子槍加速度為5．0 kV，在合適的放大倍數下掃描、照相。

1．3．2 ASAP比表面積及孔徑分析儀

多孔淀粉樣品在105℃真空脫氣脫水2 h后，采用Micromertics ASAP2000系統在液氮溫度(77．35 K)下，以高純N2做吸附質測定樣品的吸附－脫吸等溫線，由BET方程計算比表面積，BHJ法分析比表面積、孔容、孔徑和孔分布［14－15］。

1．3．3 磷酸酯淀粉取代度測定

采用Smith等［16］的磷鉬藍方法測定磷酸酯淀粉的磷含量。繪制一系列0．01%～2．00%的KH2PO4溶液標準曲線來測定磷的含量。使用Smith和Caruso方程計算淀粉磷酸酯化取代度(DS)。

式中:P為淀粉中結合磷的比例。

樣品平行測定3次。

1．4 添加變性多孔淀粉的卷煙過濾嘴的制作［17］

用鑷子將卷煙濾棒輕輕抽出，將25 mm長的濾棒分為2段，煙絲端留10 mm，輕輕塞回原位，并將準確稱取45 mg多孔淀粉均勻平鋪在濾棒橫截面上，濾嘴端留12 mm，使多孔淀粉夾在兩截濾棒之間，并在中間形成1 mm的空腔。將樣品卷煙放在溫度(22±1)℃，相對濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中，平衡48 h以上，用重量分選儀選取平均煙支質量±0．02 g范圍以內的煙支為合格煙支。

不添加改性多孔淀粉煙支作為對照組。將樣品置于溫度(22±1)℃，濕度(60±2)%恒溫保濕箱內平衡48 h。對照組為未添加任何樣品并保留有空腔的煙支。對比不添加任何物質煙支，計算出煙氣中各種煙氣成分降低比例。

1．5 煙氣化學成分研究

煙氣中的化學成分測定主要包括氨［18］、巴豆醛［19］、HCN［20］，由上海煙草集團技術中心測定。用RM1單通道吸煙機按照規(guī)定的GB/T 16450—2004標準條件抽吸卷煙。在自動吸煙機上抽吸卷煙，同時用玻璃纖維濾片煙氣捕集器收集總粒相物，按照YC/T 189監(jiān)控卷煙抽吸過程。重量法測定劍橋濾片捕集到的總粒相物含量。巴豆醛測定過程中，煙氣通過酸化的2，4－二硝基苯肼，生成不易揮發(fā)的苯腙。添加吡啶穩(wěn)定生成的化合物，高相液相色譜紫外分光檢測波長365 nm處測定煙氣中巴豆醛含量。氨的測定采用稀鹽酸溶液捕集主流煙氣氣相物，以劍橋濾片捕集煙氣總粒相物，并用鹽酸溶液萃取。定容液中的銨經CS－12A陽離子交換柱結合并且洗脫。連續(xù)流動法測定HCN，基于主流煙氣中的氰離子與氯胺T作用后使用連續(xù)流動相測定分析。通過600 nm下吸收波的變化測定得到不同濃度HCN。每個指標重復測定2次取其平均值。

2 結果與討論

2．1 制備的樣品特性

2．1．1 不同水解時間制得的多孔淀粉結構特性

玉米淀粉在50℃水浴條件加入液體糖化酶(0．05%)，水解時間分別為1、2、3、4、5、6 h，然后立即終止酶活，干燥得到的樣品使用掃描電鏡對其結構進行初步表征，結果見圖1。

圖1是糖化酶處理1～6 h得到的多孔淀粉SEM圖像，結果表明在淀粉顆粒表面形成了大量的小孔。糖化酶處理后在多孔玉米淀粉表面形成了孔徑和孔深大小不一致的孔。同時隨著水解時間延長，孔數增加，淀粉顆粒表面形成了尺寸、孔深不同的孔。圖1可見，當水解時間超過5 h，淀粉顆粒結構開始出現不同程度的坍塌。

2．1．2 不同取代度制得的交聯磷酸玉米多孔淀粉

將玉米淀粉和三聚磷酸鈉發(fā)生交聯反應制備出不同取代度的玉米淀粉，然后添加一定量的糖化酶水解6 h制備的交聯磷酸多孔玉米多孔淀粉。通過掃描電鏡觀察淀粉顆粒表面結構特性，見圖2。

圖2 不同取代度交聯磷酸玉米多孔淀粉SEM圖

圖2 表示不同取代度的交聯磷酸多孔淀粉樣品的外部結構表征。其取代度分別是:pH 9．0交聯磷酸多孔淀粉(DS=0．027)，pH 10．0交聯磷酸多孔淀粉(DS=0．038)，pH 12．0交聯磷酸多孔淀粉(DS=0．092)。隨pH增加交聯磷酸多孔淀粉取代度也相應提高。與圖1水解反應6 h制備的多孔玉米淀粉相比，可以看出通過50℃糖化酶水解交聯磷酸玉米淀粉顆粒6 h，得到的交聯磷酸多孔玉米淀粉顆粒結構堅固性得到增強，因此可以通過交聯反應來增加多孔淀粉的堅固性。同時可見隨著取代度的增加，交聯磷酸多孔玉米淀粉結構穩(wěn)定性，機械強度和硬度增強。

2．1．3 全自動氣體吸附儀(ASAP)表征變性多孔淀粉

使用掃描電鏡可以初步觀察表征多孔玉米淀粉和交聯磷酸多孔玉米淀粉顆粒形態(tài)結構，通過ASAP可以進一步確定淀粉顆粒表面孔結構參數(孔徑大小、孔深、孔隙、孔分布)與被吸附物質之間的關系，見圖3、圖4。

圖3 77．35 K多孔淀粉和交聯磷酸多孔淀粉氮氣吸附等溫線圖

通過ASAP深入研究多孔淀粉孔的結構特性。采用Micromertics ASAP2000系統在液氮溫度(77．35 K)下，以高純N2做吸附質測定樣品的吸附－脫吸等溫線，由BET方程計算比表面積，BHJ法分析比表面積、比孔容、孔徑和孔分布。圖3表明P/Po接近1時，樣品主要以大孔形式存在。在相對壓力較小的條件下吸附等溫線和解吸等溫線不重合，表明有不同大小孔徑的多孔淀粉分子存在。圖3可見:當P/Po→1時等溫線突然升高，說明樣品中存在一些大孔。在相對壓力較小時，吸附等溫線和解吸等溫線不重合，說明多孔淀粉和交聯磷酸多孔淀粉分別有不同孔隙大小的孔。

圖4 BJH總孔體積及孔徑分布

圖4 可見，多孔淀粉孔徑主要介于5～100 nm之間，表明多孔淀粉有介孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)。根據IUPAC將多孔淀粉吸附等溫線歸為IV［21］。圖4可見，多孔淀粉和交聯磷酸多孔淀粉孔徑的微分分布圖，反應淀粉不同大小孔的出現幾率，孔徑大小主要分布在50～1 000?，說明多孔淀粉和交聯磷酸多孔淀粉孔隙中主要是介孔(20～500?)和大孔(＞500?)。

2．2 主流煙氣結果

2．2．1 全自動氣體吸附儀(ASAP)表征變性淀粉顆粒表面結構結果

采用Micromertics ASAP2000系統在液氮溫度(77．35 K)下，以高純N2做吸附質測定樣品的吸附－脫吸等溫線由BET方程計算比表面積，BHJ法分析比表面積、比孔容、孔徑和孔分布，結果見表1。

表1 77．35 K氮氣吸附等溫線相關參數值

表1是相應的結構參數。在P/Po=0．22使用單點表面積測量孔表面積，使用t－plots測量微孔孔容。由相對壓力為0．98時的氮吸附值換算成液氮體積得到總孔體積。分別使用BET和BJH計算吸附平均孔徑和孔的大小。與不同水解時間樣品相比，可見隨著水解延長，多孔淀粉孔表面積和總孔容、微孔體積、孔的尺寸和大小相應增加。

2．2．2 變性淀粉對對卷煙煙氣中HCN含量的影響分別將PS和PPS添加進煙支過濾嘴中，使用連續(xù)流動法測定卷煙煙氣中的HCN含量，結果見表2。

表2 空白煙支與處理煙支中HCN含量

由表2可見:隨著水解時間的延長，玉米多孔淀粉對HCN吸附效果明顯升高，當反應時間達到4 h時吸附效果最好，超過5 h后吸附效果又有所減弱。對于交聯磷酸玉米多孔淀粉來說，隨著取代度的升高，對HCN吸附效果也明顯增強，綜合考慮到繼續(xù)升高取代度的生產成本以及技術要求，所以取代度達到0．092時最好，對HCN吸附量達到13．041%。從表2可見，當濾嘴中添加變性淀粉后卷煙吸阻值沒有太大變化，粒相物也基本無發(fā)生改變，通過減去焦油變化量得到了變性淀粉選擇性降低HCN含量。

2．2．3 變性淀粉對卷煙煙氣中巴豆醛含量的影響

分別將PS和PPS添加進煙支過濾嘴中，使用高效液相色譜法測定卷煙煙氣中的巴豆醛含量，結果見表3。

表3 空白煙支與處理煙支中巴豆醛含量

表3可見:隨著水解時間的延長，玉米多孔淀粉對巴豆醛吸附效果明顯升高，當反應時間達到4 h時吸附效果最好，與空白相比巴豆醛降低了20．843%，超過5 h后吸附效果又有所減弱。對于交聯磷酸玉米多孔淀粉，當取代度達到0．092時，巴豆醛降低了31．062%。

2．2．4 變性淀粉對對卷煙煙氣中氨含量的影響

分別將PS和PPS添加進煙支過濾嘴中，使用離子色譜法測定卷煙煙氣中的氨含量，結果見表4。

表4 空白煙支與處理煙支中氨含量

表4可見:隨著水解時間的延長，玉米多孔淀粉對氨吸附效果明顯升高，當反應時間達到4 h時，選擇性吸附達到24．278%，超過5 h后吸附效果又有所減弱。對于交聯磷酸玉米多孔淀粉當取代度達到0．092時，氨質量分數降低了35．925%。

由表2～表4可見:與空白樣相比較，處理后的樣品TPM、焦油、HCN、NH3以及巴豆醛含量均有所降低。同時吸阻值沒有明顯改變。與空白對比添加多孔淀粉煙支HCN，NH3，巴豆醛質量分數分別降低5．922%、24．278%和20．843%。吸收效果間的差異性主要是因為多孔淀粉本身性質，孔徑以及與被吸收物質的形態(tài)有關。多孔淀粉吸收特性很大程度上與其孔的性質有關。多孔淀粉孔徑、孔表面積、孔的分布以及孔容，很大程度上影響多孔淀粉對卷煙煙氣中有害物質的吸收。從表4可見，當反應時間超過4 h，多孔淀粉對HCN、NH3、巴豆醛吸附效果減弱。主要是因為在水解率一定的情況下，孔徑、孔深和孔數成相互制約的關系［22］。水解率太小，比孔容或比表面積也會很小，這樣的多孔淀粉吸附能力不強;水解率太大，多孔淀粉的得率會降低，淀粉顆粒不堅固、結構性能不穩(wěn)定，比表面積也會隨之變小。影響多孔淀粉水解率的主要影響因素包括反應溫度、反應時間、酶的添加量。當反應溫度，酶添加量都不變的情況下，隨著酶解時間的增加，底物和酶充分反應，水解率呈上升趨勢，在酶解時間為4 h時水解率達到最大值，繼續(xù)延長酶解時間，水解率呈下降趨勢。可能會造成淀粉顆粒的過度水解，破壞淀粉顆粒的多孔結構，從而對煙氣中主要有害成分吸附效果減弱。因此當反應4 h多孔淀粉樣品微粒粒徑主要是介孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)。通過氮氣吸附確定顆粒比表面積，孔容，孔徑以及孔的大小。通過增加微孔孔容來提高吸附效果。

3 結論

當孔徑大小影響吸附劑吸附類型時，吸附劑的吸附效果很大程度上與其比表面積、孔容、孔徑分布性質有關。通常，多孔淀粉吸附劑孔徑大小應與被吸附物質尺度相當或者稍微小于微孔徑。氨、巴豆醛和氫氰酸各自有其不同的孔徑大小。巴豆醛是最大的分子，氨是最小的分子。多孔淀粉孔徑主要是介孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)。所以多孔淀粉對巴豆醛的吸附效果比吸附氨稍好點。

表1～表3可見，交聯磷酸多孔淀粉對卷煙煙氣中有害物質吸附效果隨著多孔淀粉交聯度的升高而增強?？赡苁且驗榻宦摿姿岫嗫椎矸劢宦摮潭扰c交聯磷酸多孔淀粉吸附效果成正比。隨著磷酸酯多孔淀粉交聯程度提高，多孔淀粉機械強度和硬度均有所提高。同時，其穩(wěn)定的結構增強了吸附劑吸收卷煙煙氣中更多有害物質的能力。

微孔活性炭、微孔分子篩(如沸石、海泡石等)和介孔復合物［24］，這些無機材料有較好的降焦減害作用，但抽吸期間，濾嘴中的無機材料是否脫落進入主流煙氣中尚不得而知，這就存在一個值得關注的健康風險問題。因此，微孔無機材料作為卷煙濾嘴添加劑能夠轉化為生產應用的非常少。而微孔淀粉是一種新型的、無毒無污染的、可食用的生物吸附劑，具有傳統吸附劑無可比擬的優(yōu)勢。因此，通過在卷煙過濾嘴中添加玉米多孔淀粉以及交聯磷酸玉米多孔淀粉可以有效吸附卷煙煙氣氣相物中的HCN，氨，巴豆醛起到選擇性吸附的效果。為工業(yè)化生產奠定了一定的理論和應用基礎。

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Study on Modified Starches of the Adsorption of Cigarette Smoke Vapour Phase Compounds

Zhu Yu1，2Guo Li1，2Du Xianfeng2Sun Xiaoli2
(Key Laboratory of Cigarette Smoke1，Technology Center of Shanghai Tobacco(Group)Corp．，Shanghai 200082)
(Key Laboratory of Tea Biochemistry and Biotechnology of the Ministry of Education and Agriculture，Anhui Agricultural University2，Hefei 230036)

This article uses corn porous starch(PS)and crosslinking phosphoric acid corn porous starch(PPS)as materials．It studies the effects of PSobtained in different hydrolysis time and different PPSs with different substitution degrees(DS)for the mainstream of cigarette smoke vapour phase compounds to the elimination of HCN，NH3and crotonaldehyde．With the help of SEM and ASAP，It confirms that the best parameter of pore structure to abosorb HCN，NH3and crotonaldehyde for starch．Using chromatography of ions and high performance liquid chromatography respectively tests HCN，NH3and crotonaldehyde through continuous flow methods．The results indicates that PS and PPS(DS=0．092)have the optimal adsorption effects on HCN，NH3，and crotonaldehyde when the hydrolysis time is 4 h．PScan reduce HCN，NH3and crotonaldehyde by 5．922%，24．278%，20．843%，respectively．PPS can reduce HCN，NH3and crotonaldehyde by 13．041%，35．925%，31．062%，respectively．

modified porous，starch，cigarette smoke，particular matter

TQ46

A

1003－0174(2012)08－0024－07

國家自然科學基金(31171655)，上海煙草集團卷煙煙氣2010年重點實驗室開放研究基金(SZBCW2010－00538)，直鏈淀粉與支鏈淀粉共混聚合物的織態(tài)結構對淀粉類食品品質影響的研究(10040606Q23)

2011－10－13

朱玉，女，1986年出生，碩士，天然產物的開發(fā)與利用

杜先鋒，男，1963年出生，教授，博士，天然產物的開發(fā)與利用