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丝束及其制备方法和应用。
背景技术：
：烟草行业自一千多年前兴起以来，便在人们的日常生活中发挥着十分关键的作用。众所周知，烟叶在燃烧过程中会产生众多的有毒有害物质，主要包括焦油、烟碱、一氧化碳、氰化氢、亚硝胺、氨、苯并芘、苯酚、巴豆醛等，这些物质进入人体后会刺激中枢神经致其机能障碍、抑制肺部排泄物的清除导致肺部疾病及其他慢性中毒等症状。随着吸烟群体的扩大和吸烟人口的增长，通过实际可行的方法有效地降低这些对人体有害的物质，从而保护广大消费者的身体健康成了一项亟待解决的问题。如何选择性地降低卷烟烟气中的有害成分，目前，行业研究人员主要从以下两个方面做起：一是以烟支过滤嘴为研究对象；二是以烟支烟叶为目标。前者主要有改变过滤嘴结构和材质及在过滤嘴中加入吸附材料等。后者则主要表现在减少烟丝量、控制烟草配方中各化学成分含量、改变烟支规格及加入助燃剂等。然而，这些方法存在吸附效果不显著、吸阻过大、影响抽吸口感、制备过程繁杂及效率低下等诸多缺点，这些都极大地限制了其对烟气中有害物质的过滤效果。公开号为cn101032346a的中国专利文献公开了一种蚕丝香烟滤嘴及其制备方法，以均匀拉松后的蚕茧形成的纤维网状蚕丝为香烟滤嘴的滤芯材料，增强了复合香烟滤嘴的吸湿性。这种方法使香烟滤嘴的生产成本较高。公开号为cn102885403a的中国专利文献公开了一种以蚕丝蛋白作为主要原料制备而成的香烟滤嘴，它以天然蚕丝蛋白质粉末颗粒作为添加剂，使其分布于滤嘴纤维表面或者滤嘴纤维束的纤维间隙中，赋予香烟过滤嘴一定的吸附烟气的能力。在香烟滤嘴中以粉末颗粒形态添加天然蚕丝蛋白时，在香烟滤嘴中，蚕丝蛋白不容易分散均匀，影响其对烟气中有害物质的吸附效率。技术实现要素：本发明提供了一种植物蛋白纳米纤维复合丝束的制备方法，该方法制备的植物蛋白纳米纤维复合丝束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丝束的制备方法，包括以下步骤：(1)将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液；所述纺丝液中，植物蛋白的质量分数为8～30％；(2)以烟用丝束为基材，对纺丝液进行静电纺丝，即得植物蛋白纳米纤维复合丝束；静电纺丝过程中：纺丝电压为25～80kv，接收距离为10～30cm，烟用丝束的卷绕速率为20～1000mm/min。本发明中所述的烟用丝束为醋酸纤维丝束，丝束的规格复合国家标准。本发明采用无针头式静电纺丝技术，利用载液槽的往复移动使得纺丝电极铁丝表面涂覆一层纺丝液，当施加电压超过临界值后，纺丝电极铁丝表面的纺丝液层先形成许多泰勒锥，然后被拉伸成很多束射流，再经鞭动，形成纳米纤维。本发明的制备方法是在烟用丝束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的形貌也有极大的影响，影响植物蛋白纳米纤维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，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作用。作为优选，所述的玉米蛋白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丝束的制备方法，包括一下步骤：(1)将植物蛋白溶于溶剂中形成纺丝液；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；(2)以烟用丝束为基材，对纺丝液进行静电纺丝，即得植物蛋白纳米纤维复合丝束；静电纺丝过程中：纺丝电压为50～60kv，接收距离为15cm，烟用丝束的卷绕速率为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丝束，该植物蛋白纳米纤维复合丝束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，所述的植物蛋白纳米纤维复合丝束包括烟用丝束以及沉积在烟用丝束表面的植物蛋白纳米纤维，所述的植物蛋白纳米纤维与烟用丝束的质量比为0.01～0.1∶1。植物蛋白纳米纤维与烟用丝束的质量比不仅影响复合丝束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。植物蛋白纳米纤维与烟用丝束的质量比低于该范围时，复合丝束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丝束的成型以及增大烟嘴的吸阻。作为优选，所述植物蛋白纳米纤维的直径为50～800nm；进一步优选的，所述植物蛋白纳米纤维的直径为100～350nm。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烟用丝束的表面，植物蛋白纳米纤维错综复杂地在烟用丝束的表面或间隙内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：与普通烟用丝束制得的滤棒相比，本发明的植物蛋白纳米纤维复合丝束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29.5％、亚硝胺释放量最高降低30.6％。附图说明图1为实施例3制备的植物蛋白纳米纤维复合丝束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，烟用丝束的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为100±20nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的烟用丝束表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合丝束。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，烟用丝束的卷绕速率为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烟用丝束表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合丝束。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，烟用丝束的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为320±30nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的烟用丝束表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得小麦蛋白纳米纤维复合丝束。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，烟用丝束的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为170±20nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的烟用丝束表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得玉米蛋白纳米纤维复合丝束。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，烟用丝束的卷绕速率为80mm/min。开启纺丝设备电源，调节纺丝参数，纺丝形成直径为310±25nm的纳米纤维，并沉积在卷绕运动的烟用丝束表面，经红外灯烘干30s后卷绕，即制得大豆蛋白纳米纤维复合丝束。将实施例1～5制备的植物蛋白纳米纤维复合丝束在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。将普通烟用丝束在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ceruleansm450型吸烟机(cerulean，uk)按照iso3308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。由表1中的数据可以看出，采用植物蛋白纳米纤维复合丝束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29.5％，亚硝胺的释放量相比对照烟最多可降低30.6％。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19.963.08实施例29.122.72实施例38.682.47实施例49.012.69实施例58.592.52对照卷烟12.193.63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。当前第1页12