（化学工艺专业论文）硫酸亚铁包合物、脂质体的研究.pdf

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 ffffff朋 17 东南大学硕士学位论文 摘要 硫酸亚铁是一种生物利用率高且价格低廉的铁营养强化剂，但这种铁盐性质活泼，容易 氧化变色，产生异味。p 环糊精( 叩y c l o d c x t d n ，p d ) 既能与硫酸亚铁通过静电、配位作 用形成包合物，还可以提高硫酸亚铁的稳定性，掩盖其不良性质。脂质体也能对硫酸亚铁进 行包裹，达到缓释的作用。因此本文采用 3 - c d 和脂质体对其进行包裹，使其免受外界的湿 度、氧气、光线等因素的影响。 在硫酸亚铁p 环糊精包合物的制备工艺研究中，本文首先采用饱和水溶液法制备硫酸 亚铁p 环糊精包合物，对硫酸亚铁1 3 环糊精包合物的制备工艺进行了单因素考察和正交实 验设计，以包合物的包合率和产率作为评价指标，判断各种因素对实验结果的影响，最终优 选配方并制备出性质优良的硫酸弧铁1 3 环糊精包合物。实验结果表明，影响包合率和产率 的三个因素是投料比( p c d ：f e s 0 4 7 h 2 0 , w w ) 、乙醇：水( v v ) 和制备时间。最佳制备工艺条件 为：p - c d ：f c s 0 4 7 h 2 0 为4 ：1 ( w w ) ，乙醇：水为4 ：1 ( v v ) ，制备时间为2 0h ，制备温度为7 0 ( 2 ， 静置环境为冰水浴，静置时间为8 o h 。优化后的配方工艺重现性良好，制得的硫酸铁1 3 环糊精包合物的包合率高达9 7 产率高达9 1 。 在硫酸亚铁p 环糊精包合物的性质研究中，硫酸亚铁1 3 环糊精包合物的吸湿性、稳定 性要明显好于硫酸亚铁。采用紫外分光光度法确定了硫酸弧铁1 3 环糊精包合物的包合比为 h l ，并测定了包合物的包合常数5 7 7 4 l m o l 。扫描电镜显示，硫酸亚铁p 环糊精包合呈分 枝状晶体，有别于f e s 0 4 与 3 - c d 晶体结构。j 3 - c d 的加入会使硫酸亚铁的紫外吸收图谱强 度增强，并伴随轻微的蓝移；p c d 的加入会使硫酸亚铁的红外图谱产生变化，可使硫酸亚 铁的硫酸根的伸缩振动强吸收峰消失；b c d 的加入还会硫酸亚铁在循环伏安图中的电极电 流发生降低且氧化电位发生正移。以上结果表明，在溶液中硫酸亚铁可与p c d 形成包合物。 在硫酸亚铁脂质体的制备工艺研究中，以蛋黄卵磷脂( e p c ) 、胆吲醇( c h ) 为膜材，采用 逆相蒸发法制备硫酸亚铁脂质体，用亚微米粒度分析仪测定脂质体粒径，以脂质体粒径的大 小作为考察指标，确定制备脂质体的最佳配方。通过实验，我们找到了脂质体的最佳配方为： e p c 用量为1 8 0 r a g ，c h 用量为4 5 m g ，f e s 0 4 - 7 h 2 0 的浓度为1 3 9m g m l 1 ，t w e e n8 0 用量 为2 0 m g ，柠檬酸磷酸氢二钠缓冲液p h 值为5 0 。按照该方法制备的f e s 0 4 脂质体包封率 可高达8 1 7 8 ，粒径较小，稳定性较好。体外释放实验表明，f e s 0 4 脂质体在2 4 h 后基本 达到释放平衡，说明f e s 0 4 脂质体具有缓释的作用。 关键词：硫酸亚铁；p 环糊精；包合物；脂质体；稳定性；体外释放 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e r r o u ss u l f a t ei sak i n di r o nn u t r i t i o ne n h a n c e r 、) l ，i t hh i g hb i o a v a i l a b i l i t ya n dl o wp r i c e ， b u t t h i si r o ns a l ti sl i v e l y ，e a s yt oo x i d e ，d i s c o l o u ra n do d o r 1 3 - c y c l o d e x t r i n ( 1 3 - c y c l o d e x t r i n ，1 3 - c d ) a n df e r r o u ss u l f a t ew e r ef o r m e di n c l u s i o nc o m p l e x e s 、) l ，i t hb ye l e c t r o s t a t i ca n dc o o r d i n a t e d i n t e r a c t i o n ，b u ta l s oi tc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo ff e r r o u ss u l f a t ea n dc o v e ru pi t sn e g a t i v en a t u r e l i p o s o m ea l s oc a nw r a pf e r r o u ss u l f a t et oa c h i e v et os u s t a i nr e l e a s ee f f e c t t h e r e f o r e ， w eu s e d 1 3 - c da n dl i p o s o m et ow r a pf e r r o u ss u l f a t et op r o t e c ta g a i n s tm o i s t u r e ， o x y g e n ，l i g h ta n do t h e r f a c t o r si nt h i sp a p e r i nt h es t u d y o f p r e p a r a t i o np r o c e s so f i n c i s i o nc o m p l e x ，t h ei n c i s i o nc o m p l e xw a sp r e p a r e db y s a t u r a t e da q u e o u ss o l u t i o nm e t h o d a n dt h ep r e p a r a t i o no ff e s 0 4 1 3 - - c di n c l u s i o nc o m p l e xw a q o p t i m i z e db yu s i n gt h es i n g l ef a c t o ri n v e s t i g a t i o na n dt h eo r t h o g o n a lt e s tt ot e s tt h ee f f e c to f v a r i o u sf a c t o r so nr e s u l t s t h ec r i t e r i at oe v a l u a t et h ei n c l u s i o nc o m p l e xi n c l u d e dt h ei n c l u s i o n r a t i oa n dy i e l d o p t i m a lf o r m u l a t i o nw a sc h o s e na n di n c l u s i o nc o m p l e xw a sf o r m e d 诵t l lg o o d q u a l i t y 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tf e e dr a t i o ( 1 3 - c d ：f e s 0 4 7 h 2 0 ，w w ) 、e t h a n o l ：w a t e r ( v v ) a n d p r e p a r a t i o nt i m ea f f e c tr a t i oa n dy i e l do ft h ei n c l u s i o nc o m p l e x t h et e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s w e r e - p - c d ：f e s 0 4 7 h 2 0 ( w w ) = 4 ：l ，e t h a n o l ：w a t e k v v ) = 4 ：1 ( v v ) ，p r e p a r a t i o nt i m e = 2 0h ， p r e p a r a t i o nt e m p e r a t u r e = 7 0 c ，s t a n d i n gt i m e = 8 0 h ，s t a n d e di ni c eb a t h n er e p e a t a b i l i t yo f t h e t e c h n o l o g yw a sp r e c i s e t h ei n c l u s i o nr a t i oa n dy i e l do ft h ei n c l u s i o nc o m p l e xw e r e9 7 a n d 9 1 i nt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i co fi n c l s i o nc o m p l e x ，t h em o i s t u r en a t u r ea n ds t a b i l i t yw a s s i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nf e r r o u ss u l f a t e e q u i l i b r i u mc o n s t a n to fi n c l u s i o nc o m p l e xa n dm o l a rr a t i o o ff e r r o u ss u l f a t et o1 3 - c y c l o d e x t r i nw e r ed e t e r m i n e db yu v s p e c t r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ef e r r o u ss u l f a t ea n d1 3 - c y c l o d e x t r i nf o r m e di n c l u s i o nc o m p l e x 、以ml ：lo fm o l a rr a t i o ，a n dt h e e q u i l i b r i u mc o n s t a n to fi n c l u s i o nc o m p l e xw a s5 7 7 4 l m 0 1 i nt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e i m a g e ,f e s 0 4 - i n c l u s i o nc o m p l e xs h o w e db r a n c h - l i k ec r y s t a l sw h i c hw e r ed i f f e r e n tf r o mf e s 0 4 a n d1 3 - c dc r y s t a ls t r u c t u r e t h ee x i s t e n c eo f 3 - c y c l o d e x t r i nc a nc a u s cs t r e n g t ht oe n h a n c ea n da l i t t l eb l u es h i ri nt h eu v s p e c t r ao ff e r r o u ss u l f a t e t h ea d d i t i o no fp - c y c l o d e x t r i nc a nc h a n g et h e 己s p e c t r ao ff e r r o u ss u l f a t e ，e s p e c i a l l y1 3 - c y c l o d c x t r i nw h i c hc a nm a s kt h ep e a ko fs u l f a t eg r o u p o ff e r r o u ss u l f a t ei nt h ei rs p e c t r a t h ea d d i t i o no f1 3 - c y c l o d e x t r i nc a na l s or e d u c et h ee l e c t r o d e c u r r e n ta n ds h i f tp o s i t i v e l yt h eo x i d a t i o np o t e n t i a li nt h ec y c l i c - v o l t a m m e t r yg r a mo ff e r r o u s s u l f a t e t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tp - c y c l o d e x t r i na n df e r r o u ss u l f a t ef o r m e di n c l u s i o nc o m p l e x i nt h es t u d yo f p r e p a r a t i o np r o c e s so f f e r r o u ss u l f a t el i p o s o m e s ，t h el i p o s o m e sw e r ep r e p a r e d b yr e v e r s ep h a s ee v a p o r a t i o nt e c h n i q u et h r o u g hu s i n ge p ca n dc ha sm e m b r a n o u sm a t e r i a l t h e m e a np a r t i c l es i z ew a sm e a s u r e db ys u b m i e r o np a r t i c l es i z ea n a l y z e r u s i n gp a r t i c l es i z e 鹤 i n d e xo fe x a m i n a t i o n ，t h eo p t i m a lf o r m u l a t i o no fl i p o s o m e sw a sd e t e r m i n e d w ef o u n dt h a tt h e i l i i i 东南人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏 第一章 绪论l 1 1 铁在人体中营养学性质l 1 1 1 生理功能。1 1 1 2 参考摄入量与食物来源1 1 1 3 铁缺乏及缺铁性贫血对人体的影响2 1 1 4 乳制品强化铁时使用的铁化合物2 1 1 5 硫酸亚铁3 1 2 环糊精4 1 2 1 环糊精的结构与性质4 1 2 2 包合物形成的条件以及常用制备方法6 1 2 3 包合物的表征方法7 1 2 4 环糊精的应用1 0 1 3 脂质1 本1 1 1 3 1 脂质体的结构和分类1 1 1 3 2 脂质体的特点1 2 1 3 3 脂质体的制备方法1 3 1 4 研究内容1 4 第二章硫酸铁p 环糊精包合物的制备上艺1 6 2 1 仪器与材料。1 7 2 1 1 实验仪器1 7 2 1 2 实验材料1 7 2 2 实验方法1 7 2 2 1 硫酸亚铁b 环糊精包合物的制备1 7 2 2 2 铁含量的测定1 8 2 3 结果与讨论2 0 2 3 1 工艺条件对包合物的影响。2 0 2 3 2 配方的优化2 4 2 3 3 正交实验优化包合物制备配方2 5 2 4 本章小结。2 7 第三章硫酸铁p 环糊精包合物性质的研究2 8 3 1 仪器与材料。2 9 3 1 1 实验仪器2 9 3 1 2 实验材料2 9 3 2 实验方法2 9 3 2 1 包合物的制备2 9 3 2 2 扫描电镜3 0 3 2 3 包合物性质测试。3 0 3 2 4 包合物的鉴定。3 l i v 东南人学硕士学位论文 3 3 结果与讨论3 2 3 3 1 外观形貌3 2 3 3 2 扫描电镜。3 2 3 3 3 包合物性质测试结果。3 2 3 3 4 包合物的鉴定结果3 6 3 4 本章小结3 8 第四章吐温8 0 修饰硫酸亚铁脂质体的制备与表征3 9 4 1 仪器与材料3 9 4 1 1 实验仪器。3 9 4 1 2 实验材料。3 9 4 2 实验方法。4 0 4 2 1 柠檬酸磷酸氢二钠缓冲溶液的制备4 l 4 2 2 粒径的测定。4 1 4 2 3f e s 0 4 脂质体重现性及稳定性实验4 l 4 2 4f e s 0 4 脂质体包封率的测定4 l 4 3 结果与讨论4 2 4 3 1f e s 0 4 脂质体的外观形貌4 2 4 3 2 透析法测定f e s 0 4 脂质体包封率的可行性实验。4 2 4 3 3 制备配方对f e s 0 4 脂质体的影响。4 3 4 3 4 工艺条件对f e s 0 4 脂质体的影响4 7 4 3 5f e s 0 4 脂质体重现性及稳定性实验4 9 4 3 6 优化f c s 0 4 脂质体的体外释放5 0 4 3 7 优化f e s 0 4 脂质体的粒径分布。5 0 4 4 本章小结5l 第五章总结和展望5 3 5 1 总结5 3 5 2 展望。5 4 参考文献5 5 硕士学位期间所发表的论文5 9 j l j 【谢6 ( 1 v 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铁在人体中营养学性质 铁( i r o n ) ，原子序数2 6 ，位于第一过渡系的中央，在地球表面，主要的稳定氧化数为 + 2 和+ 3 。它在地壳中丰度居第4 位，但在生物物质中的含量相当低。 铁是人和动物体所必须的微量元素之一，制造血红素、肌红蛋白和细胞色素都必须依 赖铁。正常人体内铁的含量为3 5 - - - 6 0m g k ：g 。其中6 5 - - 7 0 存在于循环红细胞的血红蛋白 中，2 5 3 0 为贮存铁，以铁蛋白及含铁血红素的形式存在于网状内皮系统( 肝、脾、骨髓 等) 中，约5 存在于肌红蛋白及各种含铁的酶( 过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素等) 中，在血浆中转运的铁仅占0 1 左右【1 2 】。 1 1 1 生理功能 铁在体内主要作为血红蛋白、肌红蛋白的组成成分参与0 2 和c 0 2 的运输，又是细胞色 素系统、过氧化氢酶和过氧化氢酶的组成成分在呼吸和生物氧化过程中起重要作用【3 巧】。如 血红蛋白可与氧可逆地结合，当血液流经氧分压较高的肺泡时，血红蛋白能与氧结合成为氧 合血红蛋白，而当血液流经氧分压较低的组织时，氧合血红蛋白又离解成血红蛋白和氧，从 而完成把氧从肺泡送至组织的任务。 h b + 0 ，；= = 兰h b o ， ( t f l t 红蛋白)( 氧合血红蛋白) 肌红蛋白能在组织中储存氧细胞色素，能在细胞呼吸过程中起传递电子的作用。许多 与杀菌有关的酶的活性、淋巴细胞的转化、中性粒细胞吞噬功能等，也均与铁水平有关。此 外，铁还具有催化催进p 胡萝卜素转化为维生素a 、抗体的产生以及药物在肝脏的解毒等 功能。 1 1 2 参考摄入量与食物来源 中国营养学会推荐我国居民膳食铁的a i ( m g d 1 ) 定义为：0 - 0 5 岁为0 3 ，o 5 l 岁为 1 0 ，l l l 岁为1 2 ，1 1 岁以上男性为1 6 ，l l 以上女性为1 8 ，1 4 以上男性为2 0 ，1 4 岁以上 女性为2 5 ，1 8 岁以上男性为1 5 ，1 8 岁以上女性为2 0 ，5 0 岁以上为1 5 ，妊娠中期为2 5 ，妊 娠后期为3 5 ，乳母为2 5 。居民铁的u l ( m g d 1 ) 分别定位：0 岁为1 0 ，l 1 0 岁为3 0 ，1 1 岁 以上及乳母为5 0 ，孕妇为6 0 1 6 。7 】。 东南大学硕士学位论文 铁广泛存在于各种食物中，但分布极不平衡，吸收率相差也很大，一般动物性食物的 含量和吸收率均较高。因此膳食中铁的良好来源，主要为动物肝脏、动物全血、畜禽肉类、 鱼类。蔬菜中铁含量不高，油菜、苋菜、菠菜、韭菜等蔬菜中铁的利用率不高。常见食物中 的铁含量见表1 2 ： 表1 = 2 常见食物中铁含量嗍( 单位：m g d 1 ) 食物含铁量食物含铁量食物含铁量 稻米 2 3 黑小耳( 干) 9 7 4 芹菜 0 8 标准粉 3 5 猪肉( 瘦) 3 0 大油菜 7 0 小米 5 1 猪肝 2 2 6 大白菜 4 4 玉米( 鲜) 1 1 鸡肝 8 2 菠菜 2 5 大豆 8 2 鸡蛋 2 0 干红枣 1 6 红小豆 7 4 虾米 1 1 0 葡萄干0 4 绿豆 6 5 海带( 干) 4 7核桃仁 3 5 芝麻酱 5 8 0 带鱼 1 2桂圆4 4 0 1 1 3 铁缺乏及缺铁性贫血对人体的影响 铁缺乏是较为广泛存在的贫血的重要原因。长时间处于铁的负平衡，致使体内铁储备减 少，以致耗尽 9 1 。铁缺乏的儿童易烦躁，对周围不感兴趣，成人则冷漠呆板。同时，铁缺乏 伴有疲劳乏力、头晕、心悸、记忆力减退、智力发育迟缓等危害。特别是婴幼儿和孕妇是铁 缺乏的主要群体 1 0 - 1 3 】。据最新统计结果表明，全世界约有1 1 2 亿人患病，2 1 5 亿患有不同 程度的铁缺乏，尤以发展中国家多见【1 4 1 。我国营养调查结果显示，1 8 - 6 0 岁人群中贫血患 者约为2 5 ，学龄前儿童约2 3 3 5 。导致铁缺乏的主要原因是：( 1 ) 铁摄入量的不足： ( 2 ) 膳食铁的生物利用率低；( 3 ) 机体对铁的需要量增加；( 4 ) 某些疾病所引起。因此 预防铁缺乏及膳食补铁对于人体健康尤为重要【1 5 】。 1 , 1 4 乳制品强化铁时使用的铁化合物 国际上允许使用的铁剂约有3 0 余种，我国经全国食品添加剂标准化技术委员会审定， 2 东南大学硕士学位论文 卫生部公布列入营养强化剂使用的卫生标准( g b l 4 8 8 0 - - 9 4 ) 及g b 2 7 6 0 - - 1 9 9 6 中的有 1 8 种。 对乳制品进行铁强化时，所用的铁化合物有三类，如表1 3 所示第一类是铁盐，也是 应用最广泛的一类，包括二价铁盐和三价铁盐。这些铁盐虽然可溶于水及乳中，但它们也具 有能和乳中的组成成分相互作用，从而改变乳的感官性质的缺点。第二类是元素铁，通过 h 2 或c o 还原、电解或羰基化而制得。这些铁呈粉末状，化学性质惰性，在水中溶解性很 差或不溶于水，因此只能应用于同体脱水乳制品中。第三类是铁和蛋白质或磷酸肽形成的复 合物。结合铁的位点主要是氨基酸，例如磷酸丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸。结合在这些化合 物上的铁一般不能被置换，也不能与乳中的成分发生反应。为防止或减轻直接用硫酸亚铁等 铁盐强化乳制品时产生的氧化味、金属味及色泽变化等不良影响，可以用卵磷脂、聚甘油单 硬脂酸酯等为壁材，把上述铁盐制成微胶囊使得铁和乳制品不接触，从而防止乳脂肪氧化等 不希望发生的反应。 表l - 3 乳制品中强化铁时使用的一些化合物【1 6 】 分类举例 二价 铁盐 铁盐 三价 铁盐 元素铁 与蛋白质结合 的铁 硫酸亚铁、氯化铁、葡萄糖酸亚铁、硫酸亚铁铵、富马酸亚铁、乳 酸亚铁、糖二酸亚铁 硫酸铁、氯化铁、柠檬酸铁、e d t a 铁、磷酸铁、焦磷酸铁、次氮基 乙酸铁、乳糖酸铁、柠檬酸铁铵、硫酸铁铵、胆碱柠檬酸铁、甘油磷 酸铁、甘氨酸铁、果糖酸铁、柠檬酸磷酸铁、葡萄糖酸铁、聚磷酸铁 羰基铁、电解铁 乳铁蛋白、铁乳清蛋白复合物、铁酪蛋白复合物、铁琥珀酰蛋白、 铁磷酸肽 1 1 5 硫酸亚铁 七水合硫酸亚铁分子式为f e s 0 4 7 h 2 0 ，分子量为2 7 8 0 5 ，天蓝色或绿色单斜晶体或结晶 性粉末，相对密度1 8 9 8 7 9 c m 3 ，熔点6 4 ，无臭，有收敛性。暴露在空气中易风化，表面 变为白色粉末，在湿空气中易氧化，表面生成棕黄色的碱式硫酸铁，溶于水和甘油，不溶于 醇，有还原作用，在5 6 6 c 由七水合成物转变为四水合物，在6 4 6 c 变为一水合物，在9 0 时失去六个结晶水，在3 0 0 时失去全部结晶水而成无水物，红热时则分解放出s 0 2 、s 0 3 ， 有腐蚀性，在干燥空气中发荧光。无水物为白色粉末，与水作用则变为蓝绿色。 硫酸铁是一种生物利用率高且价格低廉的铁营养剂，一直被许多国家的药典和食品添 加剂法典收载。硫酸亚铁为蓝绿色结晶或颗粒，一般认为其比元素铁和三价铁易吸收，但其 化学性质很活泼，易与硫化物、多酚等结合，引起食品变色、变质，将其直接加入食品中会 影响食品的感官性质及货架寿命，并且存在严重的肠胃刺激等缺点 1 7 - 1 9 】。为了克服其副作用 必须将其包合保护起来，使其免受外界的湿度、氧气、光线等因素的影响【1 7 j 8 】。 3 东南人学硕士学位论文 1 2 环糊精 环糊精( c y e l o d e x t r i n s ， c d s ) 是一种水溶性、非还原性、不易被算水解的白色晶体， 无毒、可食用，具有多孔性。它是由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用于淀粉而制 得的一系列环聚糖的总称，1 8 9 1 年由v i l l i e r s 发现，1 9 0 4 年s c h a r d i n g c r 确定了c d s 的结构 并命名为环状低聚糖。迄今国外已有不少专著 2 0 - 2 3 1 和综述1 2 4 - 3 0 1 ，近年来国内也有相关的专著 【3 u 和综述 3 2 - 3 7 】。包合物是二种分子的空间结构全部或部分包入另一种分子而成，具有包合 作用的外层分子称为主分子，被包合到主分子中间的小分子物质称为客分子，故包合物又称 “分子胶囊”。环糊精由于其结构具有“外亲水内疏水”的特殊性及无毒的优良性能，可与 多种客体包合。采用适当方法制备的包合物，能使客体的某些性质得到改善。环糊精化学在 过去的二三十年内获得了突飞猛进的发展，作为一种简单的有机大分子，环糊精可包合范围 极广的一类客体，比如有机分子、无机离子，甚至稀有气体通过分子间相互作用形成主客 体包合物。但包合过程及包合物的稳定性要受各种因素影响，其内在因素取决于c d s 和客 体的基本性质。形成特殊结构的包合物( i n c l u s i o nc o m p l e x ) 的过程如图1 1 所示： + o 相互作用 专 b 环糊精客体分子 包合物 图1 - 1 包合过程示意图 1 2 1 环糊精的结构与性质 c d s 是一类由d 吡喃葡萄糖单元通过洳l ，4 糖苷键首尾相连形成的大环化合物。因为 环糊精具有不同数目的葡萄糖单元，因此可以拥有不同的空腔尺寸。最常见的a - c d 、p c d 和 t - c d 分别含有6 个、7 个和8 个葡萄糖单元【3 8 】。( 图1 2 ) 4 图1 - 2a - c d 、 i , c d 和丫- c d 的分子结构和几何尺寸 c d s 的d 吡喃葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象( 图1 3 ) ，使得整个分子呈现一种 截锥状的外形。作为4 c l 构象的结果，c d s 中所有的伯羟基( 即6 位羟基) 位于锥体的一侧， 构成了锥状结构的主面( 小口端) ；而所有仲羟基( 即2 位和3 位羟基) 均位于锥体的另一 侧，构成了锥状结构的次面( 大口端) 。这些羟基构成了c d s 亲水的外壁，而指向锥体内部 的c 3 和c 5 上的氢原子以及糖苷键的氧原子则共同构成了c d s 疏水的内腔( 图l _ 4 ) 。 图l - 3c d s 的化学结构单元( n ，7 ，8 ) 疏水性域 图l - 4c d s 的区域特征示意图 5 东南大学硕士学位论文 c d s 分子的特殊结构使得它具有一些特殊的物理和化学性质。昏、p 和丫- c d 的结构相 似，但性质存在很大差别，它们在水中的溶解度和分子尺寸大小以及一些重要的物理特性【3 9 】 如表1 4 。 表1 - 4c d s 的重要特性 参数- c d i b - c d7 - c d 葡萄糖单元数( n )678 分子量 9 7 21 1 3 51 2 9 7 室温下水中溶解度( g 1 0 0 m l ) 1 4 5 1 8 52 3 2 空腔高度( a )7 9 0 17 9 0 17 9 0 1 空腔大致体积( a 3 ) 1 7 42 6 24 2 7 l m o l c d s 空腔大致体积( m l )1 0 41 5 72 5 6 水中结晶性状六角板状单斜晶平行四边形方形棱柱体 结晶水( 训= ) 1 0 2 1 3 2 - - 1 4 58 1 3 1 7 7 碘显色蓝 黄褐黄褐 c d s 是非还原型环状低聚糖，在碱性条件下相对稳定，在酸性条件下则可以发生部分水 解生成葡萄糖和各种链长的低聚糖。i g c d 的水解速率比线性糊精的速率低，然而1 0 0 c 时 放置半小时即有一半的1 3 - c d 水解掉。因此酸性条件下使用c d s 时一定要给予特别的注意。 1 2 2 包合物形成的条件以及常用制备方法 1 2 2 1 包合物形成的条件 能够形成包合物是环糊精最重要的性质之一，环糊精包合物能否形成受内在因素和外在 条件的影响。内在因素取决于环糊精和其客体的基本性质，归纳起来主要有以下三方面： ( 1 ) 主客体之间有疏水亲脂相互作用。因环糊精空腔是疏水的，客体分子的非极性越高， 越易被包合。当疏水亲脂的客体分子进入环糊精空腔后，其疏水基团与环糊精空腔有最大接 触，而其亲水基因远离空腔。 ( 2 ) 主客体符合空间匹配效应。环糊精孔径大小不同，它们分别可选择容纳体积大小与 其空腔匹配的客体分子，这样形成的包合物比较稳定。客体分子尺寸太大，不易进入空腔中， 而尺寸太小又不稳定。 ( 3 ) 氢键与释出高能水。一些客体分子与环糊精的羟基可形成氢键，增加了包合物的稳 定性。即客体的疏水部分进入环糊精空腔取代环糊精高能水有利于环糊精包合物的形成。因 为极性的水分子在非极性空腔欠稳定，易被极性较低的分子取代。 上述三个因素不但影响着环糊精包合物能否形成，而且还直接影响着包合物的稳定性。 即包合物的稳定性也取决于客体分子基团的性质、空腔尺寸、分子大小及空间构型等。包合 物的稳定性依赖于客体分子的空间匹配性，即客体的尺寸和形状。包合物的形成还受时间反 6 东南大学硕士学位论文 应温度搅拌( 或超声振荡) ，时间反应物浓度等外在条件的影响。一般延长反应时间、搅拌时 间、提高环糊精浓度有利于包合物的形成。包合反应一般可在室温下进行有的反应，需在一 定的温度下进行【4 1 1 。从机理上分析，升高温度可以形成较稳定的包合物，但是温度过高会 引起分子运动的加剧，对形成的包合物起破坏作用，不利于包合反应的进行使稳定常数降低。 1 2 2 2 制备包合物常用的方法 根据客体分子的溶解性差异，可以采取不同的方法制备包合物，主要方法是饱和水溶液 法、干混法和冷冻干燥法。 ( 1 ) 饱和水溶液法( 重结晶或共沉淀法) 将客分子物质或其溶液加入饱和的p c d 水溶液中，在一定的温度下搅拌相当时间后冷 却，使结晶，过滤，干燥即可。这是目前研究中采用最多的方法，一般在磁力搅拌或电动搅 拌下进行。 ( 2 ) 超声法 将客分子物质加入1 3 - c d 的饱和水溶液中，用超声波破碎仪或超声波清洗机，选择合适 的超声强度和时间，将析出的沉淀按照上述方法处理即得。该法简便快捷。 ( 3 ) 研磨法( 干混法) 取环糊精加入2 5 倍量水研匀，加入客分子物质( 或将客分子物质溶入少量适当溶剂中) ， 置研磨机中充分混合研磨成糊状，低温干燥后用适当溶剂洗净，再干燥即得包合物。 ( 4 ) 冷冻干燥法 若包合物易溶于水，不易析出结晶沉淀，或在加热干燥时易分解，变色，可用冷冻干燥 法干燥，使包合物外形疏松，溶解性能好。 ( 5 ) 喷雾干燥法 若包合物易溶于水，遇热性质又较稳定，就可采用喷雾干燥法制备包合物，喷雾干燥温 度高，受热时间短，产率高。 虽然制备包合物的方法很多，但目前还没有一种可以普遍适用的方法来制备包合物，因 为具体采用什么方法，还是要依赖于主客体分子的性质。 1 2 3 包合物的表征方法 人们采用多种手段来研究c d 与客体分子形成与否，并进而获得有关包合物的性质及包 合常数等大量数据。客体分子进入空腔后，实际上受到一个非极性场的束缚，理化性质会发 生明显变化。仪器检测包合物的原理是利用包合物在形成过程中产生若干物理化学性质变 化，如光学性质、热力学、电化学、溶解度等性质。研究环糊精包合物常在固态和液态两种 状态下进行。用于检测固态包合物的手段有很多，例如紫外一可见光谱、红外光谱、x 射线 衍射、差热分析、扫描电子显微镜和核磁共振等。对于溶液中主体与客体分子的相互作用， 7 东南人学硕士学位论文 可以用吸收光谱、核磁共振谱、荧光法、微量量热、圆二色谱等。 1 2 3 1 紫外一可见( u s ) 吸收光谱 c r a m 一删最早发现c d s 能影响有机分子的u v - v i s 吸收光谱，认为这种光谱变化是c d s 空腔内的高电子密度诱导客体分子电子发生移动的结果。诱导光谱变化可归纳为以下两种类 型：( 1 ) 最大吸收波长没有位移，吸光度随c d s 浓度增加旱规律性的增强或减弱【4 5 删；( 2 ) 不仅吸光度发生变化，最大波长也有位移。 利用c d s 诱导客体分子u v - v i s 吸收光谱的变化，研究包合物结构和相互作用的性质， 能得到许多有价值的信息。如果发现变化c d s 浓度，得到的光谱图有不只一个或更多等吸 收点，可推测只生成一种包合比的包合物；如果没有等吸收点或包合常数随选定波长而不同 的现象时，表明溶液中存在多个平衡。通常要用非线性回归分析法来解决。 1 2 3 2 红外光谱 对于包合物的形成，可以用红外光谱来研究 4 7 - 5 0 。c d s 本身的特征峰覆盖了整个4 0 0 一 3 8 0 0 c m 1 区域。对于一般的化学小分子，在包合物中所占的分量少，它们的特征峰容易被 c d s 的吸收峰掩盖，难以辨认。如果客体分子含有羧基、羰基等基团在1 7 0 0 c m - 1 附近有伸 缩振动吸收，从峰形、峰位和峰的强度变化，还是能提供关于客体分子是否进入空腔以及相 互作用力性质的证据。 1 2 3 3 电化学法 用电化学方法研究包合物时，客体分子必须具有电活性，已被用来测定的电化学法有循 环伏安法剐和电流法吲等。古俊跚等首次提出并应用恒电流滴定法测定包合常数，并用荧 光法进行对照，结果令人满意。李培之等刚利用电流法测定了肛c d 与硝基药物包合物的稳 定常数。k f 测定公式为： i ；= ( i ；广i 2 p ) i g c o 2 。 1 2 3 4x 射线粉末衍射 x 射线粉末衍射( x - r a yp o w e rd i f f r a c t i o n ，x r d ) 技术是判断是否生成同体包合物的有用 方法。当客体是气体或液体时，自身不产生任何衍射峰，但生成的包合物都是嘲体粉末晶体， 在衍射图上都有特征峰。冈此，很容易辨别是否生成了固体包合物。如果客体本身是晶体， 在生成包合物后，自身的特征峰衍射消失c d s 的晶体特征衍射峰也将消失，出现了包合物 的品体特征衍射峰。如果主、客体是物理混合物，则在衍射图上同时出现两者的特征衍射峰。 8 地改变荧光分子与c d s 形成包合物的过程和c d s 空腔的疏水性，同时也影响到包合物的化 学计量，这些都将最终影响到荧光发射强度。 ( 5 ) 形成的包合物通过强制客体分子扭曲来阻止激发态客体分子几何构型变化，如果属 于扭曲的分子内电荷转移( t w i s t e di n t r a m o l e e u l a rc h a r g et r a n s f e rt i c t ) ，则发射光谱的荧光强 度就会增强；如果是激发态分子内电荷转移( i n i r a m o l e e u l a rc h a r g et r a n s f e ri c t ) ，则发射光 谱的荧光强度就会下斛5 7 - 5 9 1 。 目前，利用c d s 增强有机分子荧光强度和选择性结合的性质，已经设计出各种荧光探 针和传感器 6 0 - 6 。 1 2 3 6 热分析 c d s 包合物的热分析是使用较早的方法之一，大约在2 0 世纪7 0 年代，就己经生产出静 态热分析仪，进行热重、倒数热重、差示扫描量热、差示热重和离析气体分析等的检测。从 热分析曲线上，可以看出吸热峰的变化以及失重情况。包合物形成后，与单纯的主、客体相 比，热分析曲线表现出一定的差异【6 2 1 。 1 2 3 7 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ， s e m ) 是观察研究固体，特别是晶体