香烟中的自由基“清除剂”
医学界已经达成共识，吸烟会引起各种并发性疾病，同时使人的平均寿命缩短10年，其中对人体伤害最大的有害成分是自由基。每支卷烟在燃烧时瞬间会产生约1×1016个自由基，当人体摄入的自由基过量时，它会攻击细胞，促使蛋白质、核苷酸、脂肪的代谢异常，细胞发生突变，引起疾病。为了减少烟气中自由基对吸烟者的危害，国内外烟草行业清除自由基常用方式是在滤嘴或烟丝中添加抗氧化剂，包括天然植物提取物和矿物质等，存在着清除自由基效率低、产生新的有害成分等问题，因此，寻找新型廉价、安全、高效的活性物质用于清除卷烟烟气中气相自由基。
针对上述问题，中国科学院化学研究所王铁研究员课题组选用过氧化氢酶（CAT）作为自由基清除剂，CAT在有过氧化物的条件下，能迅速催化降解烟气中的氮氧化物，破坏气相自由基的反应链，从而降低烟气中气相自由基的含量；并且其蛋白质分子中的血红素基团能特异性吸附CO、NO等小分子有害气体，因此对于清除卷烟气相自由基具有比较好的应用前景。与其他大多数的生物酶一样，CAT在细胞体外尤其是溶液体系外的应用受到诸多因素的制约，极易受环境温度、pH等影响。此外，由于CAT由四个亚基组成，在高温条件下四聚体容易发生解离使得空间结构发生改变，最终酶活丧失。为保证CAT在高温条件下保持活性，课题组采用原位自由基聚合的方法制备了过氧化氢酶纳米胶囊（简称nCAT），即在每个酶分子表面裹上一层聚丙烯酰胺聚合物，这聚合物外壳既不影响底物接触与扩散，又能作为压力容器，在高温条件下阻止酶发生解离，并且我们首次利用显微镜下观察到这一解离过程，证实相比于游离的CAT，nCAT能在高温下维持其结构完整性。
制备的nCAT应用于烟气自由基清除有两个优势：第一，相比于多酶分子包埋的纳米胶囊，单酶纳米胶囊能最大限度地限制酶分子的运动，从而在高温条件下依旧能维持其空间结构，所以nCAT在65 ℃条件下催化活性至少能维持60分钟。正是nCAT展现出卓越的耐高温特性，每根香烟只需要1mg CAT 就能清除90%以上的自由基。第二，nCAT可以通过共价键固定到香烟滤嘴上而不降低其活性，所以相比于与物理吸附，这种固定方式使得nCAT不易从滤嘴上脱落，为后续的生产加工提供了可能。由于nCAT/滤嘴具有反应速率快、稳定性好以及对人体无害等优势，该工作有望减少香烟自由基给吸烟者带来的危害。
相关研究成果在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201501850)。