羥丙基-β-環(huán)糊精的制備、性質(zhì)及應(yīng)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(jìn)一步探討了取代度和取代基分布對(duì)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(yīng)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(rèn)為是很有潛力的母體環(huán)糊精替代品，應(yīng)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(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析，對(duì)HPCD的生產(chǎn)工藝進(jìn)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(yīng)時(shí)間16h，反應(yīng)溫度31℃，透析時(shí)間7.4h。此時(shí)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(yīng)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(duì)稱振動(dòng)吸收峰，從側(cè)面證明了羥丙基的存在。實(shí)驗(yàn)室制備的HPCD和標(biāo)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(duì)HPCD進(jìn)行了甲基化分析。對(duì)樣品的總離子流圖和質(zhì)譜圖綜合分析計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)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(duì)比較平均，環(huán)糊精分子兩個(gè)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(gè)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(guó)外對(duì)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(hào)樣品非常接近，表明本實(shí)驗(yàn)室制備的樣品的結(jié)構(gòu)和品質(zhì)與國(guó)外對(duì)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?cè)谌芤褐械奈馓匦院椭骺腕w復(fù)合物形成對(duì)其吸光性的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測(cè)定了它們與不同取代度和取代基分布的HPCD所形成復(fù)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(diǎn)以及客體分子的影響，可以看出：對(duì)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(dǎo)效應(yīng)，所有HPCD與客體

6、復(fù)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(duì)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(shí)，羥丙基以“增溶”效應(yīng)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(duì)于“較小”分子，HPCD的包埋能力遠(yuǎn)高于母體β-環(huán)糊精，羥丙基的“增溶”效應(yīng)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(duì)何種客體，取代度太高和太低的HPCD都達(dá)不到理想的包埋效果，取代度在3-5之間應(yīng)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(cè)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(dòng)力學(xué)，得到熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：活化能EA=149.15kJ/mol，指前因子k0=2.19×1010min

8、-1。 按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO17556(2003)對(duì)HPCD在土壤中的降解性能進(jìn)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(fù)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?yàn)锽組樣品會(huì)造成更大的空間位阻，導(dǎo)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(duì)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?？欤?jīng)過70天的實(shí)驗(yàn)，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(shí)間內(nèi)在未污染土壤中的降解率。添加環(huán)糊精產(chǎn)品對(duì)于加速土壤有機(jī)烴類污染物的降解有一定效果，從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用。本

10、文對(duì)HPCD/蝦青素復(fù)合物進(jìn)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(yīng)溫度20℃，攪拌速度1000rpm，此時(shí)預(yù)測(cè)的包合率是54.0％(±5.91％)，實(shí)際測(cè)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(fù)合物的形成并預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)為蝦青素的六元環(huán)部分進(jìn)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(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)相符。熱重-差熱聯(lián)用分析顯示，復(fù)合物的形成將蝦青素的熱分解開始溫度至少提高了40℃，達(dá)到290℃左右。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)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(fù)合物具有很好的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性，略優(yōu)于原蝦青素。本文還研究了復(fù)合物的體外抗氧化活性。復(fù)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(yuǎn)高于蝦青素和抗壞血酸，但隨著濃度的升高清除率下降。復(fù)合物清除羥基自由基的能力略低于蝦青