CN107313282B - 一种植物蛋白纳米纤维复合纸及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物蛋白纳米纤维复合纸，其制备方法，包括：将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液，将纺丝液在卷烟滤棒成型纸表面进行静电纺丝，形成植物蛋白纳米纤维膜，即得植物蛋白纳米纤维复合纸；所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为8～30％；静电纺丝过程中：纺丝电压为25～80kV，接收距离为10～30cm，卷烟滤棒成型纸的卷绕速率为20～1000mm/min。本发明还公开了其在制备降低卷烟主流烟气中苯并芘和亚硝胺释放量的卷烟滤棒中的应用。与普通卷烟滤棒成形纸制得的滤棒相比，本发明的植物蛋白纳米纤维复合纸制得的滤棒可有效降低卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺的释放量，其中，苯并芘释放量最高降低28.7％、亚硝胺释放量最高降低28.3％。

Description

一种植物蛋白纳米纤维复合纸及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及烟草滤材领域，尤其涉及一种植物蛋白纳米纤维复合纸及其制备方法和应用。
背景技术
烟草行业在国家经济体系中占据重要地位，其存在和发展对于满足人们正常需求和增加国家财政收入都具有突出的价值。然而，随着经济社会的发展，广大消费者对烟草产品的依赖性及烟草产品对吸食者健康的危害性也引起越来越多的关注。利用切实可行的方法高效地去除烟草燃烧过程中产生的氰化氢、亚硝胺、苯并芘、巴豆醛、氨等有害气体，一定程度上降低其对消费者身体健康的危害，便成为众多烟草企业和行业工作者关心的问题。
静电纺丝技术自被公开以来，便受到了诸多关注。作为一种简单高效制备纳米纤维的技术，它在很多领域有着十分深入广泛的应用。通过静电纺丝技术将可纺聚合物纺制成纤维膜，基于其较大的比表面积，将其应用于吸附方面。资料研究发现，国内外众多行业研究者多采用吸附法去除卷烟烟气的有害气体。例如，公开号CN103625089A的发明专利文献利用静电纺丝技术将纳米纤维膜复合在成型纸嘴棒纸上，不仅在一定程度上提高了滤嘴的过滤性能，而且可选择性地降低香烟主流烟气中的巴豆醛和NH3释放量。另外，公开号CN102423141A的发明专利利用静电纺制得二醋酸纤维素纤维膜并将其添加至香烟过滤嘴中，显著地降低了香烟中有害成分的释放量。
众所周知，从玉米、大豆等经济作物中可以提取植物蛋白，利用蛋白质中含有的官能团，可以将其应用于烟气的有效去除。现有文献资料中，至今还没有行业研究人员利用静电纺丝技术将植物蛋白电纺成纳米纤维沉积在纸嘴棒纸表面，从而制备成卷烟滤棒并选择性降低卷烟烟气中的有害气体的文献报道。
发明内容
本发明提供了一种植物蛋白纳米纤维复合纸的制备方法，该方法制备的植物蛋白纳米纤维复合纸对卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺具有特殊的选择性吸附作用。
一种植物蛋白纳米纤维复合纸的制备方法，包括：
将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液，将纺丝液在卷烟滤棒成型纸表面进行静电纺丝，形成植物蛋白纳米纤维膜，即得植物蛋白纳米纤维复合纸；
所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为8～30％；
静电纺丝过程中：纺丝电压为25～80kV，接收距离为10～30cm，卷烟滤棒成型纸的卷绕速率为20～1000mm/min。
本发明的制备方法中卷烟滤棒成型纸可以选用现有技术中符合国家标准的常规使用的普通卷烟滤棒成型纸。
本发明的制备方法在卷烟滤棒成型纸的表面通过静电纺丝形成一层植物蛋白纳米纤维膜，植物蛋白含有大量氨基和肽键，氨基和肽键可以与卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺发生相互作用，产生物理或化学吸附作用。
通过静电纺丝形成的植物蛋白渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好，容易与纳米级的化学物质相结合，使植物蛋白对苯并芘和亚硝胺的吸附效率更高。
纺丝液中植物蛋白的浓度会影响静电纺丝的效果，对静电纺丝形成的植物蛋白纳米纤维膜的形貌也有极大的影响，影响植物蛋白纳米纤维膜对苯并芘和亚硝胺的吸附作用。
作为优选，所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为10～25％；进一步优选的，所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为10～16％。
作为优选，所述的植物蛋白为玉米蛋白、小麦蛋白和大豆蛋白中的一种或多种。玉米蛋白、小麦蛋白和大豆蛋白不仅对苯并芘和亚硝胺具有较好的吸附作用，而且适用于采用静电纺丝方式进行纺丝成型，通过静电纺丝成型的玉米蛋白、小麦蛋白或大豆蛋白纳米纤维膜形貌较好，更加增强了其对苯并芘和亚硝胺吸附效果。
作为优选，所述的玉米蛋白的生产厂家为上海沃凯化学试剂有限公司，牌号为XW90106662；所述的小麦蛋白的生产厂家为武汉远成共创科技有限公司，牌号为Orgainoc77；所述的大豆蛋白的生产厂家为武汉远成共创科技有限公司，牌号为110293。
上述玉米蛋白、小麦蛋白和大豆蛋白更适用于进行静电纺丝。
植物蛋白对溶剂也有严格的要求，作为优选，所述溶剂为乙醇和水的混合液，乙醇与水的体积比为1～19∶1。
植物蛋白溶解于乙醇和水的混合液中形成的纺丝液的静电纺丝效果较好，选用其他的溶剂形成的纺丝液不能很好的进行静电纺丝。
进一步优选的，乙醇与水的体积比为1.5～9∶1。
作为优选，静电纺丝过程中：纺丝电压为35～75kV，接收距离为12～25cm，卷烟滤棒成型纸的卷绕速率为80～150mm/min。
一种优选的技术方案为：
一种植物蛋白纳米纤维复合纸的制备方法，包括：
将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液，将纺丝液在卷烟滤棒成型纸表面进行静电纺丝，形成植物蛋白纳米纤维膜，即得植物蛋白纳米纤维复合纸；
所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为12～16％；
所述溶剂为乙醇和水的混合液，乙醇与水的体积比为3～6∶1；
静电纺丝过程中：纺丝电压为50～60kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成型纸的卷绕速率为80mm/min。
本发明还提供了一种根据上述制备方法制备的植物蛋白纳米纤维复合纸，该植物蛋白纳米纤维复合纸应用于制备降低卷烟主流烟气中苯并芘和亚硝胺释放量的卷烟滤棒。
作为优选，植物蛋白纳米纤维复合纸包括卷烟滤棒成型纸以及其表面的植物蛋白纳米纤维膜，所述的植物蛋白纳米纤维膜与卷烟滤棒成型纸的质量比为0.005～0.01∶1。
植物蛋白纳米纤维膜与卷烟滤棒成型纸的质量比不仅影响复合纸对苯并芘和亚硝胺的吸附效果，而且对后续的制烟过程也有重大影响。植物蛋白纳米纤维膜与卷烟滤棒成型纸的质量比低于该范围时，复合纸对苯并芘和亚硝胺的吸附效果不好，高于该范围则影响复合纸的成型以及增大烟嘴的吸阻。
作为优选，所述的植物蛋白纳米纤维膜中植物蛋白纳米纤维的直径为50～800nm；进一步优选的，植物蛋白纳米纤维的直径为100～350nm。
植物蛋白纳米纤维的直径为100～350nm时，吸附效果最好。
本发明的植物蛋白纳米纤维复合纸单面喷覆有植物蛋白纳米纤维膜，在制备卷烟滤棒时，具有植物蛋白纳米纤维膜的一面朝向丝束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的制备方法采用静电纺丝的方式将植物蛋白喷覆在卷烟滤棒成形纸的表面，植物蛋白纳米纤维错综复杂地在卷烟滤棒成形纸的表面构筑成厚度均匀且具有特殊的孔隙结构的薄膜。植物蛋白具有大量的氨基和肽键，能与苯并芘和亚硝胺之间发生相互作用，因此植物蛋白对苯并芘和亚硝胺具有良好的化学吸附能力；而通过静电纺丝形成的薄膜结构对卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺具有很好的物理吸附能力，大大增强了植物蛋白对卷烟主流烟气中苯并芘和亚硝胺的选择性吸附能力。
植物蛋白可从玉米、小麦和大豆中提取，来源广泛，成本较低，并且本发明的制备方法简单，可以进行连续化工业生产。
实验结果表明：与普通卷烟滤棒成形纸制得的滤棒相比，本发明的植物蛋白纳米纤维复合纸制得的滤棒可有效降低卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺的释放量，其中，苯并芘释放量最高降低28.7％、亚硝胺释放量最高降低28.3％。
附图说明
图1为实施例3制备的植物蛋白纳米纤维复合纸上植物蛋白纳米纤维膜的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
配置一定量体积比为65∶35的乙醇和水混合液作溶剂，称取一定量的小麦蛋白(武汉远成共创科技有限公司，牌号为Orgainoc77)将其溶解于上述溶剂中，搅拌混合均匀，静置脱泡，制得小麦蛋白的纺丝液，纺丝液中小麦蛋白的质量分数为10％。
采用捷克ELMARCO公司生产的NS1WS500U型静电纺丝机，调节纺丝电压为35kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成形纸的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为105±20nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的卷烟滤棒成形纸表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合纸。
实施例2
配置一定量体积比为75∶25的乙醇和水混合液作溶剂，称取一定量的小麦蛋白(武汉远成共创科技有限公司，牌号为Orgainoc77)将其溶解于上述溶剂中，搅拌混合均匀，静置脱泡，制得小麦蛋白的纺丝液，纺丝液中小麦蛋白的质量分数为12％。
采用捷克ELMARCO公司生产的NS1WS500U型静电纺丝机，调节纺丝电压为50kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成形纸的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为170±25nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的卷烟滤棒成形纸表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合纸。
实施例3
配置一定量体积比为85∶15的乙醇和水混合液作溶剂，称取一定量的小麦蛋白(武汉远成共创科技有限公司，牌号为Orgainoc77)将其溶解于上述溶剂中，搅拌混合均匀，静置脱泡，制得小麦蛋白的纺丝液，纺丝液中小麦蛋白的质量分数为16％。
采用捷克ELMARCO公司生产的NS1WS500U型静电纺丝机，调节纺丝电压为65kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成形纸的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为320±15nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的卷烟滤棒成形纸表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合纸。
实施例4
配置一定量体积比为75∶25的乙醇和水混合液作溶剂，称取一定量的玉米蛋白(上海沃凯化学试剂有限公司，牌号为XW90106662)将其溶解于上述溶剂中，搅拌混合均匀，静置脱泡，制得玉米蛋白的纺丝液，纺丝液中玉米蛋白的质量分数为12％。
采用捷克ELMARCO公司生产的NS1WS500U型静电纺丝机，调节纺丝电压为50kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成形纸的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为180±20nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的卷烟滤棒成形纸表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合纸。
实施例5
配置一定量体积比为85∶15的乙醇和水混合液作溶剂，称取一定量的大豆蛋白(武汉远成共创科技有限公司，牌号为110293)将其溶解于上述溶剂中，搅拌混合均匀，静置脱泡，制得大豆蛋白的纺丝液，纺丝液中大豆蛋白的质量分数为16％。
采用捷克ELMARCO公司生产的NS1WS500U型静电纺丝机，调节纺丝电压为65kV，接收距离为15cm，卷烟滤棒成形纸的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为320±20nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的卷烟滤棒成形纸表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合纸。
将实施例1～5制备的植物蛋白纳米纤维复合纸在KDF-2滤棒成型机上卷制成卷烟滤棒，并进一步制备成试样烟。
将普通卷烟滤棒成形在KDF-2滤棒成型机上卷制成卷烟滤棒，并进一步制备成对照烟。
采用Cerulean SM450型吸烟机(Cerulean，UK)按照ISO 3308模式对试样烟和对照烟进行卷烟抽吸实验，测定计算主流烟气中苯并芘和亚硝胺的释放量，结果见表1。
表1试样烟和对照烟的抽吸实验结果
样品名 苯并芘释放量(ng/cig) 亚硝胺释放量(ng/cig)
实施例1 10.16 2.97
实施例2 9.37 2.83
实施例3 8.81 2.59
实施例4 9.17 2.61
实施例5 8.99 2.46
对照烟 12.36 3.43
由表1中的数据可以看出，采用植物蛋白纳米纤维复合纸制备的卷烟滤棒对于卷烟主流烟气中的苯并芘和亚硝胺具有较好的吸附作用，苯并芘的释放量相比对照烟最多可降低28.7％，亚硝胺的释放量相比对照烟最多可降低28.3％。
对比例1
与实施例3相比，不同之处在于：将乙醇和水的混合液替换为水，配置的纺丝液不能进行静电纺丝。
对比例2
与实施例3相比，不同之处在于：将乙醇和水的混合液替换乙醇，配置的纺丝液不能进行静电纺丝。
对比例3
与实施例3相比，不同之处在于：将乙醇和水的混合液替换丙酮，配置的纺丝液不能进行静电纺丝。

Claims (3)

1.一种植物蛋白纳米纤维复合纸的应用，其特征在于，应用于制备降低卷烟主流烟气中苯并芘和亚硝胺释放量的卷烟滤棒；
所述植物蛋白纳米纤维复合纸的制备方法包括：
将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液，将纺丝液在卷烟滤棒成型纸表面进行静电纺丝，形成植物蛋白纳米纤维膜，即得植物蛋白纳米纤维复合纸；
所述的植物蛋白为玉米蛋白、小麦蛋白和大豆蛋白中的一种或多种；所述溶剂为乙醇和水的混合液，乙醇与水的体积比为1~19:1；所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为8~30%；
静电纺丝过程中：纺丝电压为25~80kV，接收距离为10~30cm，卷烟滤棒成型纸的卷绕速率为20~1000mm/min。
2.根据权利要求1所述的植物蛋白纳米纤维复合纸的应用，其特征在于，包括卷烟滤棒成型纸以及其表面的植物蛋白纳米纤维膜，所述的植物蛋白纳米纤维膜与卷烟滤棒成型纸的质量比为0.005~0.01:1。
3.根据权利要求1所述的植物蛋白纳米纤维复合纸的应用，其特征在于，所述的植物蛋白纳米纤维膜中植物蛋白纳米纤维的直径为50~800nm。
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