羥丙基-β-環(huán)糊精的制備、性質(zhì)及應用研究.pdf

1、本論文通過工藝優(yōu)化制備了一系列的不同取代度和取代基分布的羥丙基-β-環(huán)糊精(HPCD)，在研究HPCD結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步探討了取代度和取代基分布對HPCD包埋能力、熱穩(wěn)定性和降解性能的影響，并考察了HPCD產(chǎn)品在蝦青素包埋中的應用效果。 HPCD是β-環(huán)糊精的醚化衍生物，羥丙基的引入打開了β-環(huán)糊精分子內(nèi)的氫鍵，形成無定形混合物，水溶性大大提高，并且具有更高的安全性。因此，HPCD被認為是很有潛力的母體環(huán)糊精替代品，應用于親油

2、性食品添加劑和藥品的包埋，提高客體的水溶性和穩(wěn)定性。本文通過單因素實驗和響應面分析，對HPCD的生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，得到了取代度和得率都較高的HPCD生產(chǎn)工藝，具體工藝條件為：反應時間16h，反應溫度31℃，透析時間7.4h。此時取代度為4.02，得率61.80％。在此工藝條件下，通過調(diào)節(jié)反應底物的比例制備了A、B兩組各四種不同取代度和取代基分布的HPCD樣品，樣品具有較高的純度，理化性質(zhì)滿足下一步研究的要求。 紅外光譜表明，β

3、-環(huán)糊精和HPCD都顯示糖類的特征吸收峰。HPCD在2960cm-1左右出現(xiàn)甲基的反對稱振動吸收峰，從側(cè)面證明了羥丙基的存在。實驗室制備的HPCD和標樣的紅外光譜出峰位置完全一致，從而證明二者是同一種物質(zhì)，且自制的HPCD有較高純度。用改良的甲基化方法對HPCD進行了甲基化分析。對樣品的總離子流圖和質(zhì)譜圖綜合分析計算后，統(tǒng)計出了各樣品的取代基分布情況和取代度。A組樣品取代以6位為主，但相對比較平均，環(huán)糊精分子兩個側(cè)面的取代基比例[DS(

4、2+3)/DS(6)]接近1。B組取代主要發(fā)生在2位氧原子上，B組HPCD樣品兩個側(cè)面的取代基比例[DS(2+3)/DS(6)]都大于3，說明取代主要在2、3位羥基端。國外對照品的結(jié)構(gòu)與B組產(chǎn)品類似，特別是與取代度差不多的6號樣品非常接近，表明本實驗室制備的樣品的結(jié)構(gòu)和品質(zhì)與國外對照品很接近。羥丙基的引入改變了β-環(huán)糊精原有的緊密齊整的結(jié)晶性分子結(jié)構(gòu)，形成由多種取代形式的組分組成的無定形混合物，這有助于提高HPCD及其包合物的水溶性和溶

5、解速度。 以酚酞作為“較大球形”客體模型，甲基紅作為“中等線形”客體模型，苯甲酸乙酯作為“較小”客體模型，利用它們在溶液中的吸光特性和主客體復合物形成對其吸光性的影響，設計試驗，測定了它們與不同取代度和取代基分布的HPCD所形成復合物的穩(wěn)定常數(shù)，以確定HPCD的包埋能力。綜合考慮HPCD的取代度和取代位點以及客體分子的影響，可以看出：對于“較大的球形”分子，不論取代度大小和羥丙基如何分布，空間位阻都是主導效應，所有HPCD與客體

6、復合物的穩(wěn)定常數(shù)均低于母體β-環(huán)糊精，包埋能力低于后者。對于“中等線形”分子，HPCD的包埋能力高于母體β-環(huán)糊精，低取代度時，羥丙基以“增溶”效應為主。取代基平均分布的HPCD產(chǎn)品具有更高的穩(wěn)定常數(shù)，特別是取代度為3.5左右的此類HPCD。對于“較小”分子，HPCD的包埋能力遠高于母體β-環(huán)糊精，羥丙基的“增溶”效應特別明顯。由于此類客體分子只處在HPCD空腔的大口端，取代基集中于大口端的HPCD產(chǎn)品具有更好的穩(wěn)定常數(shù)，特別是取代度4

7、.5左右的產(chǎn)品。不論對何種客體，取代度太高和太低的HPCD都達不到理想的包埋效果，取代度在3-5之間應該是比較理想的，但取代基分布則要視具體客體情況而定。 本文測定了HPCD的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：其熱分解溫度在300-400℃之間，差熱峰值為367℃。HPCD的熱穩(wěn)定性優(yōu)于β-環(huán)糊精，分解溫度提高32℃左右。通過分析其分解動力學，得到熱分解動力學參數(shù)為：活化能EA=149.15kJ/mol，指前因子k0=2.19×1010min

8、-1。 按國際標準ISO17556(2003)對HPCD在土壤中的降解性能進行了研究。HPCD的降解率隨取代度的上升而降低，取代度與降解率呈負相關(guān)。取代基分布方面，A組HPCD樣品的降解率高于相同取代度的B組樣品，可能是因為B組樣品會造成更大的空間位阻，導致更難被好氧微生物產(chǎn)生的CDase催化開環(huán)。土壤性質(zhì)對HPCD降解率的影響要小于取代度和取代基分布的影響，在較肥沃土壤中，HPCD的降解率要略高于沙質(zhì)土壤中的降解率。在污染土壤

9、中，β-環(huán)糊精的降解非常快，經(jīng)過70天的實驗，有74.7％被降解。HPCD的最終降解率是40.9％。兩者的降解率都高于相同時間內(nèi)在未污染土壤中的降解率。添加環(huán)糊精產(chǎn)品對于加速土壤有機烴類污染物的降解有一定效果，從長遠看，添加不易被微生物降解的HPCD等修飾環(huán)糊精有更好的效果。 蝦青素是一種具有高效抗氧化活性的類胡蘿卜素，不溶于水，在酸、氧、高溫及光照條件下易被氧化降解。通過HPCD包埋可以提高其水溶性和穩(wěn)定性，利于儲運和應用。本

10、文對HPCD/蝦青素復合物進行了制備，優(yōu)化了制備工藝，得到的工藝參數(shù)為：HPCD濃度0.03mol/L，主客體摩爾比60，反應溫度20℃，攪拌速度1000rpm，此時預測的包合率是54.0％(±5.91％)，實際測定的包合率為51.6％，說明此工藝可靠。通過紫外光譜、紅外光譜和核磁共振相互印證，確定了復合物的形成并預測其結(jié)構(gòu)為蝦青素的六元環(huán)部分進入HPCD空腔，六元環(huán)的重心位于HPCD內(nèi)壁H-5附近。此結(jié)果與Hyperchem8.0分子

11、模擬軟件預測的結(jié)構(gòu)相符。熱重-差熱聯(lián)用分析顯示，復合物的形成將蝦青素的熱分解開始溫度至少提高了40℃，達到290℃左右。穩(wěn)定性實驗顯示，包埋有利于提高蝦青素在環(huán)境中的穩(wěn)定性，并且具有很好的緩釋效果；復合物具有很好的儲藏穩(wěn)定性，略優(yōu)于原蝦青素。本文還研究了復合物的體外抗氧化活性。復合物的還原能力高于蝦青素和抗壞血酸。在低濃度下清除。DPPH自由基的能力遠高于蝦青素和抗壞血酸，但隨著濃度的升高清除率下降。復合物清除羥基自由基的能力略低于蝦青