Способ обработки раствора табачного экстракта для удаления ионов магния, способ производства восстановленного материала табака и восстановленный материал табака

Способ обработки раствора табачного экстракта для удаления ионов магния, способ производства восстановленного материала табака и восстановленный материал табака

Реферат

Данное изобретение относится к способу обработки раствора табачного экстракта для удаления ионов магния, способу производства восстановленного материала табака и к восстановленному материалу табака.

Табачный материал, такой как натуральные табачные листья, табачная мешка, прожилки, стебли и корни, содержит разные компоненты, включающие никотин, протеины, щелочные и щелочно-земельные металлы. Эти компоненты экстрагируют из природного табачного материала и используют в качестве ароматизирующей добавки к табаку. Желательно, чтобы количество некоторых из этих компонентов природного табачного материала было снижено или чтобы они были удалены, тогда как другие не должны быть удалены или их количество должно быть даже повышено для аромата при курении или по другим причинам.

Например, в патенте США 3616801 описан метод, при котором снижают количество ионов металла (магния, кальция, калия и т.д.) в водном растворе экстракта табака путем введения катионообменной смолы в контакт с данным экстрактом, чтобы улучшить свойство горения, аромат и зольные характеристики табака. Описано, что при добавлении раствора экстракта табака, имеющего сниженное количество ионов металлов, к экстракционному остатку получается восстановленный табачный материал с улучшенными характеристиками горения, аромата и золы.

Было исследовано действие компонентов табачной мешки на образование компонентов основного потока сигаретного дыма и обнаружено, что металлы, присутствующие в табачной мешке, особенно магний, вызывают образование, например, бензопирена, цианида водорода, акролеина, оксида азота (NOx) и аминонафталена в основном потоке дыма. Поэтому, если металлы, такие как магний, удаляют из раствора экстракта, получаемого экстрагированием измельченных табачных листьев водной экстрагирующей средой, и раствор экстракта с удаленным металлом добавляют в полотно восстановленного табачного материала, полученного с использованием экстракционного остатка, можно получить восстановленный табачный материал со сниженным количеством бензопирена, цианида водорода, акролеина, оксида азота (NOx), аминонафталена и т.д. Однако когда такой раствор табачного экстракта обрабатывают катионообменной смолой, описанной в вышеуказанном патенте США, удаляются не только металлы, содержащиеся в растворе табачного экстракта, но в значительной степени и никотин.

Поэтому задачей данного изобретения является создание способа обработки раствора экстракта, полученного из натурального табачного материала, способа, которым можно удалить металлы, включая магний, без значительного удаления других компонентов, в частности никотина, из раствора экстракта, а также способа производства восстановленного табачного материала и восстановленный табачный материал.

В соответствии с первым объектом изобретения предлагается способ обработки раствора табачного экстракта, включающий введение раствора экстракта, который получен экстрагированием природного табачного материала водным экстрагирующим растворителем, в контакт с полимером, содержащим в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний, с получением тем самым раствора экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния.

В соответствии со вторым объектом изобретения предлагается способ производства восстановленного табачного материала, включающего стадии: (а) экстрагирования природного табачного материала водным экстрагирующим растворителем с получением раствора экстракта, содержащего компоненты природного табачного материала, и экстракционного остатка; (b) введения раствора экстракта в контакт с полимером, содержащим в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний, с получением тем самым раствора экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния; (с) получения восстановленного табачного полотна с использованием экстракционного остатка; и (d) добавления, по меньшей мере, части раствора экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния к восстановленному табачному полотну.

Кроме того, третий объект изобретения касается восстановленного табачного материала, полученного способом производства восстановленного табачного материала по изобретению.

Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно на примере различных вариантов его выполнения.

Согласно изобретению удаляются металлы, включая магний, из раствора экстракта, полученного путем экстрагирования природного табачного материала водным экстрагирующим растворителем, путем использования полимера, содержащего в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний, в то же время сдерживая потерю других компонентов, таких как никотин, до минимальной степени.

Во-первых, природный табачный материал подвергают обработке экстрагированием путем смешивания и перемешивания природного табачного материала и экстрагирующего растворителя.

В качестве природного табачного материала можно использовать листья табака, обрывки листьев, жилки листьев, стебли, корни и их смесь. В качестве экстрагирующего растворителя можно использовать водный растворитель. Водный экстрагирующий растворитель, такой как вода, может быть щелочным или кислым. Можно также использовать в качестве водного экстрагирующего растворителя смесь воды и смешиваемого с водой органического растворителя. Примеры такого органического растворителя включают спирты, такие как этанол. Эти экстрагирующие растворители могут содержать неорганическую соль, такую как растворенного в нем гидроксида натрия. Обработку экстрагированием обычно осуществляют при температуре от комнатной до 100°С в течение от 5 минут до 6 часов.

После обработки экстрагированием полученную при экстрагировании смесь подвергают операции разделения, например, фильтрованием, чтобы разделить раствор экстракта и экстракционный остаток. Раствор экстракта содержит водорастворимые компоненты из природного табачного материала, такие как ионы металлов (таких как магний, кальций и калий), неорганические кислоты (такие как фосфорная кислота, серная кислота и соляная кислота), органические кислоты (такие как яблочная кислота и лимонная кислота), никотин, сахариды, аминокислоты, протеины и т.д.

Затем раствор экстракта, полученный при операции разделения, подвергают операции удаления металлов, используя полимер, содержащий в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний. В данном изобретении операция удаления металла может быть осуществлена путем введения экстрагирующего раствора в контакт с полимером, содержащим в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний. В качестве используемого полимера получают полимер, который имеет в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает магний путем хелатообразования. Пример такой функциональной группы включает группу иминодиуксусной кислоты. Особенно предпочтительным полимером в данном изобретении является полимер, имеющий повторяющееся элементарное звено, представляемое следующей формулой:

Такой полимер доступен для приобретения (например, DIAION CR-11, фирмы Mitsubishi Chemical Corporation). Этот полимер имеет размер гранул в интервале от 300 до 1180 мкм и кажущуюся плотность 730 г/л.

Полимер, используемый в данном изобретении, нерастворим в воде.

Полимер, указанный выше, способен к захвату металлов, таких как кальций, калий и т.д., помимо магния. Используя данный полимер, можно значительно удалить магний из экстракционного раствора со сдерживанием в то же время потери других компонентов, таких как никотин, сахариды, аминокислоты и протеины до минимальной степени.

Количество используемого полимера может меняться в зависимости от вида полимера. В случае полимера, имеющего описанное выше элементарное звено, это количество предпочтительно составляет 20 г или менее на 100 мл раствора экстракта. Если используют более 20 г полимера на 100 мл раствора экстракта, могут значительно удаляться и другие компоненты, помимо ионов металлов. Более предпочтительно, когда количество используемого полимера составляет 8 г или менее на 100 мл раствора экстракта. Кроме того, количество полимера составляет предпочтительно 4 г или более на 100 мл раствора экстракта.

Температура, при которой контактируют раствор экстракта и полимер, конкретно не ограничивается, и они могут контактировать при температуре выше температуры замерзания раствора экстракта, но ниже температуры его кипения.

Таким образом, может быть получен раствор экстракта со значительным удалением магния.

Нужно отметить, что фильтрат, полученный фильтрованием после экстрагирования природного табачного материала, содержит вещества, имеющие относительно высокий молекулярный вес, такие как белки, разные виды крахмала, которые описаны выше, и эти вещества могут ухудшать способность полимера удалять металлы. Поэтому предпочтительно, когда фильтрат подвергают разделению центрифугированием для разделения на надосадочную жидкость и осадок, и полимер добавляют в надосадочную жидкость. Так как осадки, полученные после разделения центрифугированием, содержат компоненты, требуемые для аромата табака, их можно добавлять к восстановленному табаку вместе с надосадочной жидкостью, обработанной полимером.

Далее описан способ производства восстановленного материала табака по изобретению.

Описанный выше экстракционный остаток, полученный при экстрагировании природного табачного материала с последующей операцией разделения, состоит по существу из волокон. Используя этот экстракционный остаток, вырабатывают полотно восстановленного табака обычным способом. Полотно восстановленного табака может частично состоять из экстракционного остатка или оно может полностью состоять из экстракционного остатка.

Затем раствор экстракта с удаленным магнием концентрируют или не концентрируют, и, по меньшей мере, его часть добавляют в полотно восстановленного табака. Таким образом, получают восстановленный табачный материал. Сигареты, производимые с использованием этого восстановленного табачного материала, содержат значительно меньше бензопирена, HCN, акролеина, оксида азота (NOx), аминонафталена и т.д. в дыме, образуемом при курении.

Данное изобретение ниже будет описано с помощью примеров.

Примеры

Получение табачной мешки

1000 мл деионизированной воды добавляли к 100 г измельченных листьев табака дымовой сушки и экстрагировали при встряхивании при 20°С в течение 30 минут, и смесь фильтровали, используя тефлоновое (зарегистрированная торговая марка) сито, имеющее отверстия диаметром 0,75 мм с получением, таким образом, фильтрата и экстракционного остатка. Полученный экстракционный остаток сушили.

С другой стороны, фильтрат подвергали разделению центрифугированием (3000 об/мин в течение 10 минут) с получением тем самым надосадочной жидкости и осадка. К надосадочной жидкости добавляли хелатообразующую смолу (DIAION CR-11, фирмы Mitsubishi Chemical Corporation) в количестве 0,8 г/10 мл и встряхивали при 20°С в течение 30 минут, а затем отстаивали с получением, таким образом, надосадочной жидкости. Надосадочную жидкость объединяли с осадком, полученным при разделении центрифугированием, и затем сушили из замороженного состояния. Лиофилизированный материал растворяли в деионизированной воде, и раствор равномерно распыляли на указанный выше сухой экстракционный остаток, и, таким образом, получали табачную мешку.

Далее фильтрат, который получали непосредственно после процесса экстрагирования, равномерно распыляли на упомянутое полотно восстановленного табака, которое нарезали с получением контрольной табачной мешки.

Производство сигарет

Табачную мешку, полученную, как описано выше, соответственно доводили до влажности в течение 48 часов в кондиционирующей камере, где поддерживали температуру (22°С) и относительную влажность 60%. Затем с помощью небольшой машины для изготовления сигарет (фирмы RIZZA UK) изготавливали сигареты, имеющие вес табачной мешки 700 мг, длину стержня 59 мм и окружностью 25 мм.

Анализ главных компонентов в табачной мешке

Анализ главных компонентов в табачной мешке проводили следующим образом.

(а) Металлы, неорганические кислоты и органические кислоты

1 г табачной мешки экстрагировали 10 мл деионизированной воды путем встряхивания (25°С в течение 30 минут) и фильтровали с помощью 0,45 мкм политетрафторэтиленового (ПТФЭ) фильтра. Металлы (Mg, Са и К), неорганические кислоты (фосфатные ионы, хлоридные ионы и сульфатные ионы), органические кислоты (яблочную кислоту и лимонную кислоту), содержащиеся в фильтрате, количественно определяли с помощью устройства для капиллярного электрофореза (фирмы Agilent Technologies).

(b) Никотин

Никотин в табачной мешке количественно определяли методом анализа компонентов в табачной мешке, описанным в документе А (Official Methods made by Department of Health (Canada), датированный 31 декабря 1999).

(с) Сахариды

1 г табачной мешки экстрагировали 10 мл деионизированной воды путем встряхивания (25°С в течение 30 минут) и фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Сахариды (глюкоза и фруктоза), содержащиеся в фильтрате, определяли количественно с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Используемый аналитический прибор: серия ВЭЖХ 1100 (с обращеннной фазой) фирмы Agilent.

Условия анализа - колонка: углеводный катридж (250×4,6 мм); подвижная фаза: градиент ацетона и воды; детектор: дифференциальный рефрактометр; определение: метод абсолютной калибровочной кривой.

(d) Аминокислоты

1 г табачной мешки экстрагировали 10 мл деионизированной воды путем встряхивания (25°С в течение 30 минут) и фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Аминокислоты, содержащиеся в фильтрате, количественно определяли с помощью автоанализатора аминокислот (JLC-50, фирмы JEOL).

Анализ компонентов в основном потоке дыма

(I) Условия получения дыма

Сигареты сжигали в стандартных условиях курения, определяемых методом ИСО. Конкретно, сигареты выкуривали на автоматической курительной машине с продолжительностью выдоха в 2 секунды, интервалом между выдохами в 1 минуту и объемом выдоха в 35 мл до сигаретного окурка длиной 23 мм, и основной поток дыма собирали.

(II) Способ анализа компонентов в основном потоке дыма

HCN, бензопирен (В[а]Р), акролеин, NOx и 2-аминонафтален в основном потоке дыма анализировали следующим образом на основе метода анализа компонентов в основном потоке дыма, описанном в упомянутом выше документе А.

(а) HCN

Дым основного потока от двух сигарет собирали с помощью одного импинджера, содержащего стекловолоконный фильтр и 30 мл 0,1 N раствора гидроксида натрия. Содержащий смолу фильтр экстрагировали 30 мл 0,1 N раствора гидроксида натрия путем встряхивания в течение 30 минут, а затем экстракт фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Цианидные ионы, содержащиеся в фильтрате, и раствор из импинджера анализировали колориметрически с помощью автоанализатора (BRAN-LUBBE), и, таким образом, количественно определяли HCN в основном потоке дыма.

(b) Акролеин

Основной поток дыма от двух сигарет собирали с помощью одного импинджера (охлаждаемого льдом), содержащего 100 мл кислого раствора ацетонитрила в 2,4-ДНФГ. Собранную жидкость оставляли стоять при комнатной температуре в течение от 60 до 90 минут и фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Затем к 6 мл фильтрата добавляли 4 мл 1% раствора основания "Тризма", и затем количественно определяли акролеин с помощью ВЭЖХ.

Использованный аналитический прибор: серия ВЭЖХ 1100 (с обращенной фазой), фирмы Agilent Technologies.

Условия анализа - колонка: Merck Lichnospher RP-18e; подвижная фаза: градиент ацетонитрила, деионизированной воды, тетрагидрофурана и изопропанола; детектор: УФ; определение: метод абсолютной калибровочной кривой.

(с) В[а]Р

Основной поток дыма от двух сигарет собирали с помощью стекловолоконного фильтра. Количество необработанной смолы на одну сигарету рассчитывали по определению изменения веса фильтра. Содержащий смолу фильтр экстрагировали циклогексаном путем встряхивания (экстрагировали 1 мл растворителя на 1 мг необработанной смолы) в течение 30 минут, и экстракт фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Затем фильтрат загружали в картридж Sep-Pak Plus NH2 (WATERS), и жидкость, собранную гексаном, выпаривали досуха в атмосфере азота при 50°С. Сухое вещество растворяли в 1 мл ацетонитрила, В[а]Р количественно определяли с помощью ВЭЖХ.

Использованный аналитический прибор: серия ВЭЖХ 1100 (с обращенной фазой), фирмы Agilent Technologies.

Условия анализа - колонка: YOKOGAWA Excelpak SIL-C18 3A; подвижная фаза: градиент деионизированной воды; детектор: FLD; определение: метод абсолютной калибровочной кривой.

(d) NOx

Основной поток дыма от одной сигареты пропускали через стекловолокнистый фильтр и вводили в детектор хемилюминесценции (CLM-500, фирмы Simazu), и количественно определяли NOx в основном потоке дыма.

(е) 2-аминонафтален

Основной поток дыма от двух сигарет собирали с помощью стекловолоконного фильтра. Содержащий смолу фильтр экстрагировали 30 мл 5% раствора соляной кислоты путем встряхивания в течение 30 минут, а затем экстракт фильтровали с помощью 0,45 мкм ПТФЭ фильтра. Фильтрат переносили в делительную воронку, и добавляли внутренюю стандартную жидкость. Затем смесь три раза промывали дихлорметаном. К водному слою добавляли 50% раствор гидроксида натрия, чтобы довести рН до 12 или выше. Водный слой экстрагировали гексаном, и экстракт дегидрировали сульфатом натрия и ацилировали триметиламином и ПФПА (пентафторпропионовый ангидрид). Этот материал загружали на колонку Florisil SPE (SPELCO), и жидкость, собранную смешанной жидкостью из гексана/бензола/ацетона (5/4/1 (соотношение объемов)), концентрировали до 1 мл в атмосфере азота при 38°С. Затем 2-аминонафтален определяли количественно с помощью масс спектрометрии-газовой хроматографии (ГХ-МС).

Использованный аналитический прибор: серия ВЭЖХ 1100 (с обращенной фазой), фирмы Agilent.

Условия анализа - метод SIM; колонка: ВЭ-5МС толщина 0,25 мкм; определение: метод с внутренним стандартом.

С использованием описанных выше методов каждую сигарету оценивали по трем повторениям и рассчитывали среднее количество компонента на сигарету и стандартное отклонение. Вычисляли относительное значение (%) для каждого компонента, когда компонент в контроле представлен как 100, и устанавливали статистическое различие, используя критерий Стьюдента.

Результаты анализа компонентов в полученной табачной мешке показаны в таблице 1.

Таблица 1
Компоненты	Количество компонента(мг/г табачной мешки)
Контроль	Данноеизобретение
Металлы	Mg	3,6	0,8
Са	4,0	0,7
К	21,3	9,2
Алкалоиды	Никотин	22,3	18,1
Сахариды	Глюкоза	34,2	34,1
Фруктоза	52,0	51,0
Аминокислоты	Аминокислотыв целом	11,6	11,4
Органические кислоты	Яблочная кислота	37,4	34,3
Лимонная кислота	4,0	3,8
Неорганические кислоты	Фосфатные ионы	4,9	4,3
Хлоридные ионы	3,3	3,1
Сульфатные ионы	7,3	6,8

Как показано в таблице 1, Mg, Са и К были удалены на 78%, 82% и 57% соответственно путем обработки с помощью хелатообразующей смолы, но другие компоненты, такие как никотин и сахариды, были удалены только на от 0 до 10%.

Затем показаны результаты анализа по компонентам в основном потоке дыма в таблице 2.

Таблица 2
	Относительное количество компонентав основном потоке дыма (%)
В[а]Р	HCN	Акролеин	NOx	2-аминонафтален
Насигарету	69*	43*	76*	49*	82*
На ТРМ	87*	48*	84*	57*	90

Примечание) * Данные, для которых было установлено статистически значимое различие (Р<0,05).

В сигарете, в которую добавляли раствор экстракта, обработанный хелатообразующей смолой, В[а]Р был снижен на 31%, HCN - на 57%, акролеин - на 24%, NOx - на 51% и 2-аминонафтален - на 18% на сигарету в сравнении с показателями контроля. Кроме того, в сравнении с необработанной смолой (ТРМ) наблюдали эффект снижения компонентов на примерно от 10 до 50%.

Как описано выше, в соответствии с изобретением магний можно эффективно удалить из раствора экстракта природного табака без значительного удаления других компонентов, включая никотин. Поэтому с восстановленным табачным материалом, полученным добавлением раствора экстракта с удаленным магнием к восстановленному табачному полотну, произведенного с использованием экстракционного остатка, значительно снижается содержание бензопирена, цианида водорода, акролеина, оксида азота (NOx), аминонафталена и т.д. в основном потоке дыма.

1. Способ обработки раствора табачного экстракта, предусматривающий введение раствора экстракта, полученного экстрагированием природного табачного материала водным экстрагирующим растворителем, в контакт с полимером, содержащим в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний, получая при этом раствор экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния, причем указанный полимер имеет повторяющееся элементарное звено, представленное формулой

2. Способ по п.1, в котором указанная функциональная группа захватывает ионы металлов путем хелатообразования.

3. Способ производства восстановленного табачного материала, предусматривающий стадии (а) экстрагирования природного табачного материала водным экстрагирующим растворителем с получением раствора экстракта, содержащего компоненты природного табачного материала, и экстракционного остатка; (b) введения раствора экстракта в контакт с полимером, содержащим в его боковой цепи функциональную группу, которая захватывает ионы металлов, включающих, по меньшей мере, магний, с получением тем самым раствора экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния, причем указанный полимер является повторяющимся элементом формулы

(с) получения восстановленного табачного полотна с использованием экстракционного остатка и (d) добавления, по меньшей мере, части раствора экстракта со сниженным количеством, по меньшей мере, магния к восстановленному табачному полотну.

4. Способ по п.3, в котором функциональная группа захватывает ионы металлов путем хелатообразования.

5. Восстановленный табачный материал, полученный способом производства восстановленного табачного материала по п.3.