羟丙基-β-环糊精的制备、性质及应用研究

摘要

本论文通过工艺优化制备了一系列的不同取代度和取代基分布的羟丙基-β-环糊精(HPCD)，在研究HPCD结构的基础上，进一步探讨了取代度和取代基分布对HPCD包埋能力、热稳定性和降解性能的影响，并考察了HPCD产品在虾青素包埋中的应用效果。 HPCD是β-环糊精的醚化衍生物，羟丙基的引入打开了β-环糊精分子内的氢键，形成无定形混合物，水溶性大大提高，并且具有更高的安全性。因此，HPCD被认为是很有潜力的母体环糊精替代品，应用于亲油性食品添加剂和药品的包埋，提高客体的水溶性和稳定性。本文通过单因素实验和响应面分析，对HPCD的生产工艺进行了优化，得到了取代度和得率都较高的HPCD生产工艺，具体工艺条件为：反应时间16h，反应温度31℃，透析时间7.4h。此时取代度为4.02，得率61.80％。在此工艺条件下，通过调节反应底物的比例制备了A、B两组各四种不同取代度和取代基分布的HPCD样品，样品具有较高的纯度，理化性质满足下一步研究的要求。 红外光谱表明，β-环糊精和HPCD都显示糖类的特征吸收峰。HPCD在2960cm-1左右出现甲基的反对称振动吸收峰，从侧面证明了羟丙基的存在。实验室制备的HPCD和标样的红外光谱出峰位置完全一致，从而证明二者是同一种物质，且自制的HPCD有较高纯度。用改良的甲基化方法对HPCD进行了甲基化分析。对样品的总离子流图和质谱图综合分析计算后，统计出了各样品的取代基分布情况和取代度。A组样品取代以6位为主，但相对比较平均，环糊精分子两个侧面的取代基比例[DS(2+3)/DS(6)]接近1。B组取代主要发生在2位氧原子上，B组HPCD样品两个侧面的取代基比例[DS(2+3)/DS(6)]都大于3，说明取代主要在2、3位羟基端。国外对照品的结构与B组产品类似，特别是与取代度差不多的6号样品非常接近，表明本实验室制备的样品的结构和品质与国外对照品很接近。羟丙基的引入改变了β-环糊精原有的紧密齐整的结晶性分子结构，形成由多种取代形式的组分组成的无定形混合物，这有助于提高HPCD及其包合物的水溶性和溶解速度。 以酚酞作为“较大球形”客体模型，甲基红作为“中等线形”客体模型，苯甲酸乙酯作为“较小”客体模型，利用它们在溶液中的吸光特性和主客体复合物形成对其吸光性的影响，设计试验，测定了它们与不同取代度和取代基分布的HPCD所形成复合物的稳定常数，以确定HPCD的包埋能力。综合考虑HPCD的取代度和取代位点以及客体分子的影响，可以看出：对于“较大的球形”分子，不论取代度大小和羟丙基如何分布，空间位阻都是主导效应，所有HPCD与客体复合物的稳定常数均低于母体β-环糊精，包埋能力低于后者。对于“中等线形”分子，HPCD的包埋能力高于母体β-环糊精，低取代度时，羟丙基以“增溶”效应为主。取代基平均分布的HPCD产品具有更高的稳定常数，特别是取代度为3.5左右的此类HPCD。对于“较小”分子，HPCD的包埋能力远高于母体β-环糊精，羟丙基的“增溶”效应特别明显。由于此类客体分子只处在HPCD空腔的大口端，取代基集中于大口端的HPCD产品具有更好的稳定常数，特别是取代度4.5左右的产品。不论对何种客体，取代度太高和太低的HPCD都达不到理想的包埋效果，取代度在3-5之间应该是比较理想的，但取代基分布则要视具体客体情况而定。 本文测定了HPCD的热稳定性，结果表明：其热分解温度在300-400℃之间，差热峰值为367℃。HPCD的热稳定性优于β-环糊精，分解温度提高32℃左右。通过分析其分解动力学，得到热分解动力学参数为：活化能EA=149.15kJ/mol，指前因子k0=2.19×1010min-1。 按国际标准ISO17556(2003)对HPCD在土壤中的降解性能进行了研究。HPCD的降解率随取代度的上升而降低，取代度与降解率呈负相关。取代基分布方面，A组HPCD样品的降解率高于相同取代度的B组样品，可能是因为B组样品会造成更大的空间位阻，导致更难被好氧微生物产生的CDase催化开环。土壤性质对HPCD降解率的影响要小于取代度和取代基分布的影响，在较肥沃土壤中，HPCD的降解率要略高于沙质土壤中的降解率。在污染土壤中，β-环糊精的降解非常快，经过70天的实验，有74.7％被降解。HPCD的最终降解率是40.9％。两者的降解率都高于相同时间内在未污染土壤中的降解率。添加环糊精产品对于加速土壤有机烃类污染物的降解有一定效果，从长远看，添加不易被微生物降解的HPCD等修饰环糊精有更好的效果。 虾青素是一种具有高效抗氧化活性的类胡萝卜素，不溶于水，在酸、氧、高温及光照条件下易被氧化降解。通过HPCD包埋可以提高其水溶性和稳定性，利于储运和应用。本文对HPCD/虾青素复合物进行了制备，优化了制备工艺，得到的工艺参数为：HPCD浓度0.03mol/L，主客体摩尔比60，反应温度20℃，搅拌速度1000rpm，此时预测的包合率是54.0％(±5.91％)，实际测定的包合率为51.6％，说明此工艺可靠。通过紫外光谱、红外光谱和核磁共振相互印证，确定了复合物的形成并预测其结构为虾青素的六元环部分进入HPCD空腔，六元环的重心位于HPCD内壁H-5附近。此结果与Hyperchem8.0分子模拟软件预测的结构相符。热重-差热联用分析显示，复合物的形成将虾青素的热分解开始温度至少提高了40℃，达到290℃左右。稳定性实验显示，包埋有利于提高虾青素在环境中的稳定性，并且具有很好的缓释效果；复合物具有很好的储藏稳定性，略优于原虾青素。本文还研究了复合物的体外抗氧化活性。复合物的还原能力高于虾青素和抗坏血酸。在低浓度下清除。DPPH自由基的能力远高于虾青素和抗坏血酸，但随着浓度的升高清除率下降。复合物清除羟基自由基的能力略低于虾青素但大于抗坏血酸。复合物清除超氧阴离子自由基的能力也略低于虾青素，但却比抗坏血酸高出至少一个数量级。总体来说，复合物的抗氧化能力由于包埋的影响略有降低，但在亲水环境中有效果更好。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略符号表

声明

第一章绪论

1.1环糊精

1.1.1环糊精的概述

1.1.2环糊精化学的发展

1.1.3环糊精的制备

1.1.4环糊精的结构与性质

1.1.5环糊精的应用

1.1.6改性环糊精

1.1.7环糊精的改性方法

1.2羟丙基-β-环糊精

1.2.1羟丙基-β-环糊精的概述

1.2.2 HPCD的制备

1.2.3 HPCD的结构

1.2.4 HPCD的毒理学性质

1.2.5 HPCD的理化性质及应用

1.2.6 HPCD的降解

1.3以HPCD为主体的复合物研究

1.3.1主客体复合物概述

1.3.2以环糊精为主体的主客体相互作用机理及动力学研究

1.3.3客体的释放机理

1.3.4 HPCD作为复合物主体的功能性质

1.4虾青素的性质及与HPCD复合物的形成

1.4.1虾青素的结构、性质及应用

1.4.2 HPCD/虾青素包埋复合物

1.5本课题的立题背景和意义

1.6本论文主要研究内容

参考文献

第二章羟丙基-β-环糊精(HPCD)的制备

2.1引言

2.2材料与设备

2.2.1实验材料

2.2.2仪器设备

2.3实验方法

2.3.1 HPCD制备

2.3.2单因素实验

2.3.3响应面实验

2.3.4取代度测定

2.3.5薄层层析定性

2.3.6基本理化指标分析

2.4结果与讨论

2.4.1单因素实验

2.4.2响应面实验

2.4.3薄层层析定性

2.4.4样品制备及理化性质检测

2.5本章主要结论

参考文献

第三章羟丙基-β-环糊精(HPCD)的结构研究

3.1引言

3.2材料与设备

3.2.1实验材料

3.2.2仪器设备

3.3实验方法

3.3.1红外光谱测定

3.3.2 HPCD的甲基化

3.3.3水解、还原和乙酰化

3.3.4 GC-MS分析

3.4结果与讨论

3.4.1红外光谱分析

3.4.1 GC-MS分析羟丙基的取代位点和取代度

3.5本章主要结论

参考文献

第四章羟丙基-β-环糊精(HPCD)的包埋性能研究

4.1引言

4.2材料与设备

4.2.1实验材料

4.2.2仪器设备

4.3实验方法

4.3.1 HPCD对酚酞分子识别能力测定与分析

4.3.2 HPCD对甲基红分子识别能力测定与分析

4.3.3 HPCD对苯甲酸乙酯分子识别能力测定与分析

4.3.4数据统计分析

4.4结果与讨论

4.4.1 HPCD对酚酞分子识别能力分析

4.4.2 HPCD对甲基红分子识别能力分析

4.4.3 HPCD对苯甲酸乙酯分子识别能力分析

4.5本章主要结论

参考文献

第五章羟丙基-β-环糊精(HPCD)的热稳定性及降解性能

5.1引言

5.2材料与设备

5.2.1实验材料

5.2.2仪器设备

5.3实验方法

5.3.1热稳定性及热降解动力学检测

5.3.2土壤环境中降解性能研究

5.3.3在污染土壤生物治理中的应用

5.4结果与讨论

5.4.1热稳定性及热降解动力学研究

5.4.2 HPCD在土壤环境中的降解性能

5.4.3在污染土壤生物治理中的应用

5.5本章主要结论

参考文献

第六章羟丙基-β-环糊精(HPCD)在虾青素包埋中的应用

6.1引言

6.2材料与设备

6.2.1实验材料

6.2.2仪器设备

6.3实验方法

6.3.1紫外扫描及虾青素标准曲线测定

6.3.2复合物的制备及工艺优化

6.3.3红外光谱分析

6.3.4核磁共振测试

6.3.5 TGA/DTA联用分析

6.3.6 HPCD/虾青素复合物稳定性测定

6.3.7 HPCD/虾青素复合物抗氧化性质测定

6.4结果与讨论

6.4.1紫外光谱分析及标准曲线绘制

6.4.2 HPCD/虾青素包埋复合物的制备及工艺优化

6.4.3红外光谱分析

6.4.4核磁共振确定复合物结构

6.4.5 HPCD/虾青素复合物结构预测

6.4.6复合物TGA/DTA联用分析

6.4.7复合物的稳定性

6.4.8复合物的抗氧化性能

6.5本章主要结论

参考文献

论文主要结论

论文创新点

致谢

附录：攻读博士学位期间发表的学术论文