超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物

沈佩瓊，孫麗君，趙翔宇，趙亞平,*

(1.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物

沈佩瓊1，孫麗君1，趙翔宇2，趙亞平1,*

(1.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

以β-環(huán)糊精為載體，α-生育酚為模型物，采用超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精固體復(fù)合物?？疾熳⑷雺毫?、注入溫度和注入時(shí)間等參數(shù)對(duì)α-生育酚負(fù)載量的影響以及復(fù)合物在水相中的分散性。用紫外-分光光度法測定復(fù)合物的負(fù)載量，F(xiàn)TIR、DSC和TGA對(duì)復(fù)合物進(jìn)行表征。結(jié)果表明：隨著注入壓力和溫度的增加，α-生育酚的負(fù)載量先增大后減小，當(dāng)溫度35℃、壓力18MPa、注入時(shí)間1h時(shí)，負(fù)載量最高達(dá)38.7%；制備的復(fù)合物能在水相中均勻分散。

超臨界二氧化碳注入法；α-生育酚；β-環(huán)糊精；復(fù)合物

生育酚，又名VE，是一種脂溶性維生素。天然VE有8種類似物，其中以α-生育酚(圖1a)最為常用且生物活性最高[1-2]。α-生育酚不僅具有顯著的抗氧化活性，而且能消除體內(nèi)自由基，預(yù)防心血管疾病和癌癥。由于α-生育酚中游離的酚羥基易在氧化劑、紫外線的作用下生成醌而失效，因此有必要將生育酚和生物相容性聚合物制成復(fù)合物來提高其穩(wěn)定性；另外，生育酚在常溫下呈液態(tài)，極難在水中分散，與水溶性物質(zhì)制成固體復(fù)合物還可以提高其在水中的分散性[3-4]。

環(huán)糊精是由D-葡萄糖分子以1,4-糖苷鍵連接，具有內(nèi)疏水，外親水筒式結(jié)構(gòu)的環(huán)狀低聚糖，常被用來作為載體與水難溶性藥物或不穩(wěn)定物質(zhì)形成復(fù)合物，增加藥物在水中的溶解性和提高物質(zhì)的穩(wěn)定性，其中以β-環(huán)糊精(圖1b)應(yīng)用最廣泛[5-7]。

目前制備固體復(fù)合物的方法主要有：揉捏法、共蒸發(fā)法、冷凍干燥法，但是這些方法在制備過程中可能會(huì)破壞生育酚，且存在有機(jī)溶劑殘留，因此限制了產(chǎn)品的應(yīng)用[8]。超臨界二氧化碳適中的臨界溫度和惰性氣體性質(zhì)可以避免熱敏性和易氧化物質(zhì)的破壞；其低黏度、低表面張力和高滲透性以及無需后續(xù)處理，大大節(jié)省了時(shí)間，提高了制備效率[9-12]。本實(shí)驗(yàn)以β-環(huán)糊精為載體，α-生育酚為原料，用超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物，考察溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)生育酚負(fù)載量的影響，旨在為生育酚在制藥和食品工業(yè)的應(yīng)用提供參考。

圖1 α-生育酚結(jié)構(gòu)圖(a)和β-環(huán)糊精結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Structures of α-tocopherol (a) and β-cyclodextrin (b)

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

DL-α-生育酚(食品級(jí)) 德國BASF公司；β-環(huán)糊精(生化級(jí)) 上?；巧锟萍加邢薰?；二氧化碳?xì)怏w(純度為99.9%) 上海瑞利化工氣體有限公司。

SY1200超聲儀 上海聲源超聲儀器設(shè)備有限公司；SP-756PC型紫外-可見分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；Spectrum 100傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、Pyris 1差示掃描量熱儀(DSC、TGA7熱重分析儀(TGA) 美國Perkin Elmer公司；超臨界注入裝置(圖2)。

圖2 超臨界注入裝置流程圖Fig.2 Flowchart of supercritical impregnation apparatus

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合物的制備

將過量的α-生育酚和β-環(huán)糊精分別注入釜8的最底層和中層燒結(jié)板11上(圖2)，密封注入釜后，打開閥門2、4、9、10，通入CO2排出裝置內(nèi)的空氣后，關(guān)閉閥門10；然后用手動(dòng)泵3向體系中打入二氧化碳；并用恒溫水浴裝置控制系統(tǒng)溫度；當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力和溫度時(shí)，系統(tǒng)中的二氧化碳達(dá)到超臨界狀態(tài)，關(guān)閉閥門2、4，打開閥門9，開啟循環(huán)泵6，此時(shí)超臨界二氧化碳在循環(huán)泵6、注入釜8和閥門9組成的循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)。體系中的超臨界二氧化碳透過底層的燒結(jié)板將α-生育酚溶解并攜帶已溶解的α-生育酚透過中層燒結(jié)板與β-環(huán)糊精相互作用形成復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉循環(huán)泵6，打開閥門10，緩慢泄壓至常壓后，取出樣品待分析。

1.3.2 復(fù)合物負(fù)載量的測定

α-生育酚在292nm波長處有很強(qiáng)的紫外吸收，而β-環(huán)糊精在此處沒有吸收，因此可以利用紫外-分光光度法測定并計(jì)算α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物中負(fù)載的α-生育酚的質(zhì)量。

α-生育酚的乙醇溶液在292nm波長處的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：A=0.00653C－0.01116，R2=0.9995。

ECMO生命支持治療中，血栓形成的因素有：部分血細(xì)胞被管道破壞，ECMO管在血管內(nèi)的存在導(dǎo)致局部血液循環(huán)不良以及患者長期臥床，活動(dòng)能力受限。護(hù)理人員需嚴(yán)密觀察患者四肢肌力及活動(dòng)情況，末梢循環(huán)情況及意識(shí)情況，警惕血栓的形成?？砂茨颊咚闹?，預(yù)防血栓形成；一旦發(fā)現(xiàn)血栓形成，需立即通知醫(yī)生根據(jù)病情調(diào)整肝素用量。

式中：A為吸光度；C為質(zhì)量濃度/(μg/mL)。

將制得的復(fù)合物配成2mg/mL乙醇溶液，測定復(fù)合物乙醇溶液的吸光度，結(jié)合回歸方程計(jì)算負(fù)載α-生育酚的質(zhì)量，按下式計(jì)算α-生育酚的負(fù)載量。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)負(fù)載量的影響

2.1.1 溫度對(duì)α-生育酚負(fù)載量的影響

圖3 溫度對(duì)負(fù)載量的影響Fig.3 Effect of temperature on loading capacity

溫度對(duì)負(fù)載量的影響如圖3所示，當(dāng)溫度由30℃升高至35℃時(shí)，二氧化碳從亞臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)，溶解能力增大，α-生育酚的負(fù)載量由34.3%增至38.7%，繼續(xù)升高溫度，二氧化碳的密度下降，α-生育酚在二氧化碳中溶解度減小，負(fù)載量下降，當(dāng)溫度升至55℃時(shí)，α-生育酚負(fù)載量降至33.7%。

2.1.2 壓力對(duì)α-生育酚負(fù)載量的影響

圖4 壓力對(duì)負(fù)載量的影響Fig.4 Effect of pressure on loading capacity

如圖4所示，當(dāng)溫度為35℃，超臨界二氧化碳?jí)毫τ?0MPa上升到18MPa時(shí)，超臨界二氧化碳的密度隨壓力的增大而增大，α-生育酚在超臨界二氧化碳的溶解度也隨著增大，另外超臨界二氧化碳的滲透能力也隨著壓力的增加而提高，從而有更多的α-生育酚可能被注入到β-環(huán)糊精中，因此α-生育酚負(fù)載量由11%增大至38.7%。但是當(dāng)壓力由18MPa繼續(xù)升高到20MPa時(shí)，α-生育酚的負(fù)載量卻由38.7%減小至38.2%，這可以從超臨界二氧化碳注入過程的原理來分析和解釋，隨著壓力的繼續(xù)增大，超臨界二氧化碳攜帶能力也進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致超臨界二氧化碳與α-生育酚之間的作用力增強(qiáng)，當(dāng)超臨界二氧化碳與α-生育酚之間的作用力大于α-生育酚與環(huán)糊精之間的作用力時(shí)，此時(shí)會(huì)有更多的α-生育酚溶解在超臨界二氧化碳中，被超臨界二氧化碳攜帶，從而使得沉積在環(huán)糊精上的α-生育酚的量相對(duì)減少。

2.1.3 注入時(shí)間對(duì)α-生育酚負(fù)載量的影響

圖5 注入時(shí)間對(duì)負(fù)載量的影響Fig.5 Effect of impregnation time on loading capacity

圖5 表明，在35℃、18MPa條件下，當(dāng)注入時(shí)間由0.5h增加到1h時(shí)，負(fù)載量隨時(shí)間的增加而增大，時(shí)間繼續(xù)增加，α-生育酚的負(fù)載量則不再增加。說明注入時(shí)間為1h時(shí)，α-生育酚在環(huán)糊精和超臨界二氧化碳分配已達(dá)到平衡，負(fù)載量為38.7%。

2.2 復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 紅外光譜分析

α-生育酚和β-環(huán)糊精有不同的紅外光譜特征峰，因此可以用紅外光譜來研究復(fù)合物中α-生育酚和β-環(huán)糊精的存在形式。因?yàn)閬喖谆牟粚?duì)稱伸縮振動(dòng)和甲基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，α-生育酚在2924cm-1和2867cm-1處有很強(qiáng)的紅外吸收峰[3]。對(duì)比圖6b和圖6c發(fā)現(xiàn)，物理混合物和復(fù)合物在此處都有吸收峰，但是物理混合物的峰強(qiáng)于復(fù)合物的峰，可能是因?yàn)椴糠枝?生育酚進(jìn)入到環(huán)糊精的疏水空腔，從而導(dǎo)致吸收峰的減弱。另外，在1460cm-1處，由生育酚的苯環(huán)骨架變形振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰[3]，物理混合物強(qiáng)于復(fù)合物，可能是因部分生育酚的苯環(huán)進(jìn)入到環(huán)糊精的空腔，抑制了苯環(huán)的變形振動(dòng)，從而導(dǎo)致復(fù)合物在此處的吸收峰減弱。

圖6 β-環(huán)糊精(a)、α-生育酚和β-環(huán)糊精物理混合物(b)、α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物(c)、α-生育酚(d)紅外圖譜Fig.6 IR spectra of β -cyclodextrin (a), physical mixture of α -tocopherol andβ-cyclodextrin (b), α-tocopherol andβ-cyclodextrin complex (c) and α-tocopherol (d)

2.2.2 差熱分析

圖7 α-生育酚(a)、α-生育酚和β-環(huán)糊精物理混合物(b)、α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物(c)和β-環(huán)糊精(d)的差熱分析圖Fig.7 DSC spectra of α -tocopherol (a), physical mixture ofα -tocopherol andβ-cyclodextrin (b), α-tocopherol andβ-cyclodextrin complex (c), and β-cyclodextrin (d)

α-生育酚在－40℃左右會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變[13-14]，因此，可以用差熱分析法來分析復(fù)合物中α-生育酚在β-環(huán)糊精中的存在方式。由圖7可知，α-生育酚和β-環(huán)糊精物理混合物和復(fù)合物，均在－40℃處有一個(gè)吸熱峰，說明物理混合物和復(fù)合物中均含有α-生育酚，但是等量的兩種物質(zhì)在相同的測試條件下，復(fù)合物的吸熱峰弱于混合物的吸熱峰，說明有部分的生育酚包埋在環(huán)糊精中。

2.2.3 熱重分析

β-環(huán)糊精分子腔體內(nèi)外均含有少量的結(jié)晶水，并通過這些結(jié)晶水來維持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[15]，通過研究環(huán)糊精中含水量的變化可以研究生育酚在環(huán)糊精中的存在形式。α-生育酚、β-環(huán)糊精兩者的物理混合物和復(fù)合物的熱重分析如表1所示。表1結(jié)果表明，相同生育酚含量的復(fù)合物和混合物，復(fù)合物的含水量小于混合物，這可能是由于環(huán)糊精中的水分子被生育酚取代，從而導(dǎo)致含水量的下降。

表1 熱重分析表Table 1 TGA statements

2.3 α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物在水中的分散性

圖8 β-環(huán)糊精(a)、α-生育酚(b)、α-生育酚和β-環(huán)糊精物理混合物(c)、α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物(d)在水中的分散圖Fig.8 Dispersion ofβ -cyclodextrin (a),α -tocopherol (b), physical mixture of β -tocopherol and α -cyclodextrin (c), α -tocopherol and β-cyclodextrin complex (d) in water

從表征結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，α-生育酚進(jìn)入了β-環(huán)糊精內(nèi)腔中，形成了復(fù)合物，為進(jìn)一步考察復(fù)合物是否可以溶解或分散在水中，比較了β-環(huán)糊精、α-生育酚以及α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物在水中的溶解情況。取50mg等負(fù)載量的復(fù)合物和物理混合物、適量的生育酚、環(huán)糊精加到10mL水中，超聲波分散1min后，4種樣品在水中的溶解情況如圖8所示，環(huán)糊精在水中溶解為澄清透明溶液(圖8a)，生育酚和物理混合物均不能在水中分散(圖8b、c)，而復(fù)合物能在水中均勻地分散(圖8d)，在水中的平均粒徑為823nm，且在450～900nm間的強(qiáng)度分布最大，結(jié)果如圖9所示。

圖9 α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物在水中的粒徑分布圖Fig.9 Particle size distribution ofα -tocopherol/β -cyclodextrin complex in water

3 結(jié) 論

采用超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物，研究了溫度、壓力和時(shí)間對(duì)α-生育酚負(fù)載量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)注入時(shí)間一定，α-生育酚的負(fù)載量隨溫度和壓力的升高先增加后減少；當(dāng)溫度35℃、壓力18MPa時(shí)、注入時(shí)間1h時(shí)，負(fù)載量最大為38.7%；結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，復(fù)合物中的生育酚與環(huán)糊精有很好的相互作用，因此，復(fù)合物在水中可以均勻地分散。超臨界二氧化碳注入法制備α-生育酚/β-環(huán)糊精復(fù)合物，操作簡單，無需后續(xù)處理，不影響被包埋物質(zhì)的生物活性，是制藥及食品工業(yè)中生物活性物質(zhì)包埋的綠色新工藝。

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Preparation of α-Tocopherol/β-Cyclodextrin Complex Using Supercritical Carbon Dioxide Impregnation Technology

SHEN Pei-qiong1，SUN Li-jun1，ZHAO Xiang-yu2，ZHAO Ya-ping1,*
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2. School of Chemical and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The preparation of α-tocopherol/β-cyclodextrin complex by supercritical carbon dioxide impregnation technology was studied. The effects of process parameters, including pressure, temperature and reaction time on α-tocopherol loading and the disperability of α -tocopherol/β -cyclodextrin complex in water were studied. The determination of α -tocopherol loading was carried out using ultraviolet spectrophotometer, and FTIR, DSC and TGA were used for the characterization of αtocopherol/β-cyclodextrin complex. The results showed that α-tocopherol loading first rose and then declined with increasing pressure and temperature, and reached up to 38.7% at 35 ℃, 18 MPa and impregnation time of 1 h, and that the prepared complex could disperse homogeneously in water.

supercritical CO2 impregnation technology；α -tocopherol；β-cyclodextrin；complex

TS201.1

A

1002-6630(2011)08-0033-04

2010-07-13

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z350)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20976103)

沈佩瓊(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槌R界流體應(yīng)用。E-mail：shenpq@sjtu.edu.cn

*通信作者：趙亞平(1962—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槌R界流體的化學(xué)化工過程及納米營養(yǎng)物制備。E-mail：ypzhao@sjtu.edu.cn