Filtermittel
Das vorliegende Patent betrifft ein Filtermittel zur selektiven Entfernung polarer Irritantien aus Tabakrauch.
Tabakrauch, wie er normalerweise beim Rauchgenuss vom Menschen aufgenommen wird, besteht aus einem vielfältigen Gemisch von tausenden verschiedener Komponenten. Neben echten Verbrennungsprodukten, wie Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd, finden sich darin Stickstoff und andere aus der Luft stammende Gase sowie eine sehr grosse Zahl von Destillations- und Pyrolyseprodukten.
Unter den Destillationsprodukten, welche beim Näherrücken der Glutzone aus dem Tabak durch Verdampfung in den Rauchstrom übergehen, findet man z. B. Paraffine, Wachse, Terpene, viele flüchtige Säuren und Basen sowie Aromastoffe aus den verschiedensten Stoffklassen. Das Nikotin, ein wesentlicher Bestandteil des Tabakrauches, wird seiner beschränkten Flüchtigkeit wegen (Siedepunkt 2470 C) nur zum Teil durch Destillation aus dem Tabak in den Rauch übergeführt, der Rest wird in der Nähe des Glutkegels durch Hitze zersetzt.
Die Pyrolyseprodukte entstehen durch zufällige Kombination oder Rekombination von Molekültrümmern, welche ihrerseits durch Zerschlagung schwer- und nichtflüchtiger Tabakinhaltsstoffe (vor allem Polysaccharide und Polypeptide) gebildet wurden. Entsprechend dem grossen Gewicht des Zufal]es bei solchen Vorgängen umfassen die Pyrolyseprodukte praktisch die gesamte, riesige Stoffauswahl der niedrigmolekularen organischen Chemie.
Je nach ihrem Dampfdruck und ihrem Siedepunkt ligen nun die einzelnen Bestandteile des Tabakrauches bei normaler Temperatur ausschliesslich oder teilweise in gasförmigem bzw. flüssigem Zustand vor. Frischer Tabakrauch, wie er das Mundstück-Ende einer Zigarette verlässt, enthält eine riesige Zahl von Tröpfchen mit 0,1 bis 1 C1 Durchmesser, welche als Partikelphase in dem durch die Gasphase dargestellten, unsichtbaren Medium schweben.
Aus analytischen Gründen wurde früher bei der Untersuchung des Tabakrauches und bei der Beurteilung seiner physiologischen Wirkung hauptsächlich die bei Raumtemperatur leicht kondensierbare Partikelphase (Rauchkondensat, oft ungenauerweise als Teer bezeichnet) in Betracht gezogen.
In neuerer Zeit hat jedoch die Entwicklung der Gaschromatographie zur ausserordentlich leistungsfähigen Analysenmethode gewaltige Fortschritte in der Erforschung der Zusammensetzung der Gasphase im Tabakrauch ermöglicht. Die systematischen Untersuchungen dieses gasförmigen Anteils haben ergeben, dass darin verschiedene Stoffe auftreten, die wegen ihrer bekannten Reizwirkung auf die Schleimhäute der Atemwege als gesundheitlich zweifelhaft angesehen werden müssen. Solche meist auch vom degustativen Gesichtspunkt aus wenig erwünschten Stoffe haben nämlich die Eigenschaft, die Flimmerbewegung des Cilarepithels, durch die Staubteilchen und andere Verunreinigungen mit der Schleimschicht ständig nach aussen befördert werden, in ihrer normalen Funktion (Selbstreinigung der Atemwege) zu beeinträchtigen.
Die Entfernung solcher Irritantien aus dem Tabakrauch ist daher sowohl aus geschmacklichen wie aus gesundheitlichen Über- legungen heraus erwünscht.
Die herkömmlichen Filterelemente für Tabakrauch (Watte, Papier, Celluloseacetat) wirken in erster Linie auf mechanische Art, d. h. es wird vor allem ein mehr oder weniger grosser Anteil der die Partikelphase bildenden Rauchtröpfchen aufgehalten, währenddem die gasförmig vorliegenden Stoffe gar nicht oder nur in sehr geringem Masse aus dem Gemisch entfernt werden.
Eine wirksame Verminderung des gasförmigen Anteils des Tabakrauches wird seit einiger Zeit bei verschiedenen Filterprodukten, namentlich bei Zigarettenfiltern, durch die Verwendung von Aktivkohle (meistens in Verbindung mit schon erwähnten mechanischen Filterelementen) erzielt. Die bei der Aktivkohle auftretende riesige Oberflächenvergrösserung wirkt nicht mehr auf die Tröpfchen der Partikelphase, sondern auf die gasförmigen Stoffe, die je nach ihrem Dampfdruck mehr oder weniger stark adsorbiert werden.
Die feinanalytische Auftrennung der Gasphase des Tabakrauches, wie sie mit Hilfe von polar imprägnierten Glaskapillaren (Grob, K. Helv. Chim. Acta, 48 (1965) Seiten 1362-1370) ermöglicht wird, gestattet eine objektive und genaue Beurteilung der Adsorptionswirkung der heutigen Aktivkohlefilter. Dabei stellt man fest, dass die im Tabakrauch vorhandenen gasförmigen Stoffe durch geeignete Aktivkohlen zwar zu einem grossen Teil aus dem Tabakrauch entfernt werden können, dass diese Entfernung jedoch nich selektiv auf Grund der chemischen Natur der einzelnen Stoffe erfolgt, sondern unspezifisch in Abhängigkeit vom Dampfdruck. Deshalb adsorbiert die Aktivkohle auch Gasmoleküle, die als harmlos oder, aus geschmacklichen Gründen, als vorteilhaft betrachtet werden.
Ausser Aktivkohle sind auch eine grosse Anzahl Festkörper mit adsorptiven Eigenschaften, unter anderem Silikatmineralien, wie Silicagel, Kieselgur und Aluminosilikatmineralien, wie Meerschaum, Tonerde, Fullerserde und dergleichen als Filtermittel für Tabakrauch vorgeschlagen worden, ohne jedoch bisher in der Praxis erfolgreich Eingang zu finden.
Der Grund für diese Misserfolge dürfte darin be gründet sein, dass die Silikatmineralien eine riesige Gruppe von Substanzen mit verschiedenartigstem Chemismus und strukturellem Aufbau darstellen, so dass sie keineswegs generell als wirksame Filtermassen für Tabakrauch betrachtet werden können. Unsere eingehenden Untersuchungen mit einer grossen Zahl der verschiedensten Filterkörper mit Adsorptionswirkung haben hingegen gezeigt, dass ein poröses Magnesiumsilikathydrat sich ganz besonders gut als Filtermittel für Tabakrauch, insbesondere dessen Gasphase, eignet.
Dieses von uns vorgeschlagene Magnesiumsilikathydrat unterscheidet sich von den bekannten Silikatverbindungen und Tonerden einerseits durch seinen erheblichen Magnesiumgehalt (mindestens 5, im Mittel 10 bis 20 Gew.%) und höchstens kleinen Mengen von Al, Fe usw., anderseits gegenüber dem bekannten Meerschaum dadurch, dass es in HCI nicht oder nur beschränkt löslich ist (höchstens zu 2/3 in HCl 1 1).
Solche im Tabakrauch enthaltene, polare Stoffe, die durch das vorgeschlagene Filterelement selektiv entfernt werden können, sind unter anderem Nitrile (Cyanide), z.B. Acetonitril, sowie Carbonylverbindungen, insbesondere ungesättigten Charakters, z. B. Aceton, Acrolein, Butenon, Isopentenon, d. h. Stoffe, die eine besonders stark irritierende Wirkung auf die Schleimhäute der menschlichen Atemwege ausüben.
Anderseits werden die für den Rauchgenuss wichtigen und allgemein weniger polaren Aromastoffe infolge der polaren Oberfläche des vorgeschlagenen Filtermittels weniger stark aus dem Rauch entfernt, als dies z. B.
bei der Verwendung von Aktivkohle der Fall ist.
Feinanalytische Untersuchungen mit Hilfe von speziell präparierten gaschromatographischen Trennkolonnen haben gezeigt, dass bestimmte hochporöse, gegebenenfalls modifizierte anorganische Stoffe, z. B. Magnesiumsilikat, dem Rauchgemisch polare Gasmoleküle, insbesondere von Irritantien selektiv zu entziehen vermögen. Die Ursache dieser Fähigkeit scheint in der selektiv adsorbierenden Wirkung der sogenannten aktiven Porenoberfläche, insbesondere deren polarem Verhalten zu liegen. Es hat sich gezeigt, dass deren Wirksamkeit durch Modifizieren dieser aktiven Porenoberfläche, z. B. durch deren Belegung mit hygroskopisch wirkenden Substanzen oder mit Salzen von Übergangs- metallen, noch gesteigert werden kann.
Diese Eigenart hochporöser Mineralstoffe wird durch die in der Zeichnung wiedergegebenen Messresultate belegt:
Zigaretten der gleichen Marke (american blend) und der gleichen Feuchtigkeit wurden unter Standardbedingungen (alle Minuten ein Zug von 35 ml Volumen und 2 Sekunden Dauer) abgeraucht, und zwar filterlos (mittlere Kurve), durch ein handelsübliches Zigarettenfilter mit Aktivkohle mittlerer Aktivität (untere Kurve), ferner durch ein Filter gleicher Grösse, wie das Kohlefilter, jedoch ein hochporöses Magnesiumsilikat anstelle von Kohle enthaltend (obere Kurve). In allen drei Fällen wurde die Gasphase des durchgehenden Rauches gesammelt und unter gleichen Messbedingungen im Gaschromatographen analysiert. Es resultierten drei Kurven, in welchen jeder Peak einer, hie und da auch mehr als einer Rauchkomponente entspricht.
Die Zuordnung der mit Stoffnamen gekennzeichneten Peaks wurde nach mehrfach publizierten Methoden (z. B.
Grob, K.; Gas Chromatography of Cigarette Smoke, Part III = J. of Gas Chromatography Vol. 3, 52-56 (1965) und Grob, K.; Zur Gas-Chromatographie des Cigarettenrauches, 4. Teil. Beitrag zur Tabakforschung, Bd. 3, 403408 (1966), vorgenommen. Die Höhe eines Peaks ist direkt proportional der Konzentration der zugeordneten Substanz im Rauch.
Der Vergleich der unteren mit der mittleren Kurve zeigt, dass Aktivkohle die Konzentration aller Rauchkomponenten unspezifisch vermindert, wobei diese Verminderung nach rechts, d. h. mit sinkender Flüchtigkeit der Komponenten immer deutlicher wird. Dabei finden sich die stärksten Irritantien gerade unter den relativ wenig zurückgehaltenen flüchtigen Komponenten, während unter den stark adsorbierten Stoffen die harmlosen oder gar aromabildenden vorherrschen.
Die obere Kurve zeigt demgegenüber, dass der Rauch nach Durchgang durch das von uns vorgeschlagene neue Filtermittel an starken Reizstoffen, wie Acrolein, Acetonitril, Butenon, Diacetal, Propionitril, Isopentenon, ebensoviel oder mehr verloren hat als nach Durchgang durch Aktivkohle. Umgekehrt ist sein Gehalt an Stoffen mit Aromacharakter, wie Methylfuran, Dimethylfuran, Limonen durch die Filtration kaum oder gar nicht vermindert worden, so dass er nun wesentlich höher liegt als nach der Aktivkohlefiltration.
Besonders deutlich wird die spezifische Wirkung des erfindungsgemässen Filtermittels, bei in der Kurve nahe beieinanderliegen den Stoffpaaren, wie Diacetyl/ Benzol oder Dimethylfuran/Isopentenon, in welchen je der eine Partner ein Reizstoff, der andere neutral ist.
In beiden Fällen verschiebt die Filtration durch Magne siumsilikat das Mengenverhältnis im betreffenden Stoffpaar krass zugunsten des neutralen Partners, während eine Filtration durch Aktivkohle das Mengenverhältnis kaum oder sogar im unerwünschten Sinne verändert.
Subjektiv besteht für den Raucher das Ergebnis darin, dass Tabakrauch, der das erfindungsgemässe Fil termlttel passiert hat, im Hals weniger kratzt als unfiltrierter oder mit mechanischen Filterelementen filtrierter Rauch, anderseits aber aromatischer schmeckt als Rauch, dem die Irritantien mit Hilfe von Aktivkohle entzogen werden.
Das neue Filtermittel wird z. B. für Zigarettenfilter vorzugsweise in Verbindung mit üblichen, mechanisch wirkenden Filterelementen, z. B. Celluloseacetat, kombiniert. Es kann je nach dem gewünschten Effekt auch mit Aktivkohle zusammen, in beliebigem Verhältnis gemischt, verwendet werden.