烯丙基異硫氰酸酯在水溶液中的穩(wěn)定性研究

劉艷鳳，喻少帆，李嘉誠，馮玉紅，李伏坤

(1.海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京 100097)

烯丙基異硫氰酸酯在水溶液中的穩(wěn)定性研究

劉艷鳳1，喻少帆2，李嘉誠1，馮玉紅1，李伏坤1

(1.海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京 100097)

采用溫度、時間、pH、超聲頻率4個考察因素設(shè)計正交試驗，研究其對水溶液中烯丙基異硫氰酸酯穩(wěn)定性的影響.將異硫氰酸酯溶解在含有少量甲醇的水溶液中，通過HPLC檢測烯丙基異硫氰酸酯的濃度變化，來考察各因素對其穩(wěn)定性影響程度.結(jié)果表明，時間因素對烯丙基異硫氰酸酯降解的影響程度最大，其次是超聲頻率、溫度、pH.對降解后的混合物用石油醚進行萃取，并通過LC－MS，GC－MS進行檢測分析，烯丙基異硫氰酸酯降解的主要產(chǎn)物是烯丙基硫氰酸和環(huán)丙基異硫氰酸酯，而且隨著烯丙基異硫氰酸酯的降解，烯丙基硫氰酸和環(huán)丙基異硫氰酸酯的含量逐漸增加.

烯丙基異硫氰酸酯;異硫氰酸酯;穩(wěn)定性;水解

異硫氰酸酯(ITC)也叫芥末油，自由存在于芥菜、山葵和辣根等十字花科的植物中或由十字花科植物中的硫代葡萄糖苷通過黑芥子酶或化學(xué)反應(yīng)降解產(chǎn)生(見圖1)［1］.異硫氰酸酯主要有苯乙基異硫氰酸酯、苯丙基異硫氰酸酯、苯乙烯芐酯、烯丙基異硫氰酸酯、萊菔硫烷等(見圖2)，不同十字花科植物中含有的硫代葡萄糖苷的種類、含量有所不同，進而降解后的產(chǎn)物也有差別［2］.

圖1 芥子苷在黑芥子酶作用下水解生成AITC的反應(yīng)

烯丙基異硫氰酸酯(AITC)是芥末、山葵中最重要的風味化合物，具有強烈的刺激性氣味，主要通過烯丙基硫苷(簡稱芥子苷)降解產(chǎn)生［3－4］.在工業(yè)生產(chǎn)上異硫氰酸酯是重要的有機合成中間體，常用鹵化烴與硫氰酸鹽反應(yīng)，或者腈氧化物和硫脲在四氫呋喃中反應(yīng)等方法來制備［5］.

烯丙基異硫氰酸酯(AITC)是異硫氰酸酯中最主要的成分之一，它作為調(diào)味品或風味劑廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中.烯丙基異硫氰酸酯具有很強的抑菌生物活性，是有潛力的防腐劑［6］;同時，它在醫(yī)藥領(lǐng)域又有一定的抗癌作用［7－8］.而在農(nóng)藥領(lǐng)域，它具有防治根結(jié)線蟲的作用，同時對鐮孢菌、茼麻均表現(xiàn)出良好的效果［9－10］，被用作土壤熏蒸劑來抑制線蟲、土壤真菌、土壤昆蟲、雜草種子;將烯丙基異硫氰酸酯與其他農(nóng)藥制成復(fù)配劑，具有顯著的增效殺蟲作用［11－12］.

圖2 幾種異硫氰酸酯的結(jié)構(gòu)式

由于AITC獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差.有研究表明，密封的AITC水溶液在37℃下10 d，AITC可降解75% ～90%;而相同AITC在氮氣保護下降解很少［13］.在實際生產(chǎn)、應(yīng)用過程中溫度、pH值、光照、溶劑等很多因素，對AITC的穩(wěn)定性都有潛在的影響.超聲乳化、超聲霧化、超聲凝聚等技術(shù)常用于農(nóng)藥劑型加工，為此，本實驗考慮了超聲頻率對AITC的穩(wěn)定性的影響.為深入考察AITC穩(wěn)定性的影響因素，本實驗通過對AITC水溶液在不同的溫度、時間、超聲頻率和pH值條件下的降解研究，設(shè)計正交試驗來考察這4個因素對AITC降解的影響，并進一步采用GC－MS和LC－MS對降解產(chǎn)物進行檢測，以期為進一步開發(fā)一種新型的植物源農(nóng)藥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑Varian Prostar 218高效液相色譜儀(HPLC)，配有紫外檢測器.XunDA79－1型磁力攪拌器(上海訊達機電儀器儀表有限公司)，GUTEL SG1200HE超聲波清洗機(上海冠特超聲儀器有限公司)，KESHENG KS－120EI超聲波清洗機(寧波海曙科生超聲設(shè)備有限公司)，Aglient Technologies 1200 Series/6210 Time－of－Flight液相－質(zhì)譜聯(lián)用儀，HP6890/5973MSD氣相－質(zhì)譜聯(lián)用儀.

烯丙基異硫氰酸酯(φ=92.99%，南京康滿林化工實業(yè)有限公司)、超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)，色譜純乙腈、無水甲醇.磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、鹽酸均為分析純.

1.2 緩沖液的配置配置0.2 mol·L－1的磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀溶液各1 000 mL和0.1 mol·L－1的鹽酸溶液500 mL;將3種溶液按照適當比例進行混合，準確測定各溶液的pH值，配置成pH值分別為4，6，8的3種磷酸鹽緩沖溶液.

1.3 標準溶液的配置準確稱量AITC(φ=92.99%)樣品69.9 mg，用25 mL的甲醇溶解后，用超純水定容到50 mL;取適量AITC溶液，分別稀釋為原溶液濃度的0.8，0.6，0.4，0.2，0.1倍;取原溶液以及稀釋好的溶液各20.0 μL進樣，按液相色譜條件［14］，測定吸收峰面積.以吸收峰面積為縱坐標，以AITC溶液質(zhì)量濃度為橫坐標作圖，繪制標準曲線.

1.4 烯丙基異硫氰酸酯的降解稱量約0.65 g的AITC放到100 mL的二口圓底燒瓶中，加入1 mL的甲醇和50 mL的磷酸鹽緩沖液，攪拌使AITC充分溶解，然后將圓底燒瓶放在超聲清洗器里，超聲、加熱回流，每隔10 min取樣2 mL樣品，用45 μm水相針頭過濾器過濾后進行液相色譜檢測.整個降解反應(yīng)以溫度、pH值、超聲頻率、回流提取時間為考察因素，按L9(34)正交試驗表(表1)進行試驗，以確定AITC降解的最大影響因素.

表1 正交試驗因素水平表

1.5 AITC降解產(chǎn)物的定性分析取AITC 5 g，用10 mL甲醇和20 mL pH=8的磷酸鹽緩沖液進行充分溶解，在40℃、超聲頻率為59 kHz的水浴中加熱20 min.樣品冷卻到室溫后，取2 mL用超純水稀釋50倍，用孔徑0.45 μm水相針頭過濾器進行過濾后LC－MS測定;剩余的樣品用適量乙醚萃取3次，揮干乙醚，得到ITC揮發(fā)油，將其在4℃避光密封保存，用來進行GC－MS定性分析.

1.6 高效液相、質(zhì)譜檢測條件取2 mL左右的AITC的降解溶液放到離心管中，然后用Varian ProStar 218高效液相色譜儀進行測定.檢測參數(shù)［14］:UV檢測波長為205 nm;色譜柱:Waters C18柱(5 μm，4.6×10 mm);流動相為:水(A)和乙腈(B);流速:1 mL·min－1;濃度梯度:0～2 min A∶B=0∶100;2 ～15 min線性變?yōu)锳∶B=65∶35;15～20 mim保持A∶B=65∶35不變;20～30 min線性變?yōu)锳∶B=0∶100.

質(zhì)譜檢測條件:電噴霧ESI源正離子模式，離子源溫度300℃ ，覆蓋電壓3 500 V，碎裂器電壓175 V，氣流量10 L·min－1，分離器電壓65 V，噴霧壓50 psi.

1.7 ITC揮發(fā)油GC-MS檢測氣相色譜條件:石英毛細管柱HP－FFAP(30 m×0.25 mm，0.25 μm);程序升溫:從60℃開始，保持3 min，以10 min·℃－1升到150℃，再以15 min·℃－1升到250℃;載氣為He，柱流量為1.0 mL·min－1，進樣口溫度250 ℃，分流比100∶1.

質(zhì)譜條件:EI源，電離電壓70 eV，離子源溫度230℃，掃描范圍10～500 aum，進樣量1.0 μL.

2 結(jié)果與討論

2.1 AITC標準曲線的繪制標準品進樣量及相應(yīng)峰面積測定結(jié)果見表2.回歸方程為y=18 864x+1.9E+6，R2=0.998 6.表明AITC進樣量在w=130～1 300范圍內(nèi)線性關(guān)系良好.在此基礎(chǔ)上，每批樣品都通過兩點法校正的標準曲線計算樣品中AITC的濃度.

表2 標準品的進樣量與相應(yīng)的峰面積

2.2 AITC降解的正交試驗結(jié)果在水中沒有空白列，故此不能進行方差分析.由表3得出RD＞RC＞RA＞RB，可知AITC在水溶液中降解30 min時降解率影響最大的是時間，接下來依次是超聲頻率、溫度、pH.AITC的結(jié)構(gòu)決定了其化學(xué)活潑性和不穩(wěn)定性.AITC的結(jié)構(gòu)中有兩個π鍵，且存在電負性不同的氮、硫原子之間，因此π鍵易極化，這種極化結(jié)果使碳原子獲得了某種程度上的正電荷，因此碳原子易與一些負離子或帶電試劑反應(yīng).超聲、溫度、pH、時間、水溶液等因素對烯丙基異硫氰酸酯的降解都有影響.超聲主要是由于超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部瞬時高溫、高壓促使水分子產(chǎn)生大量的·OH、·H自由基，這些未配對電子的自由基可直接氧化AITC，使其快速降解.水分子和OH－可對AITC分子進行親核加成反應(yīng).pH值和溫度對AITC的降解是重要因素，低pH值和低溫度抑制AITC的降解.

表3 正交試驗L9(34)結(jié)果分析表

2.3 AITC降解產(chǎn)物的定性判定及其變化趨勢GC－MS主要檢測到AITC和環(huán)丙基異硫氰酸酯(CPITC)兩種物質(zhì)，見圖3.通過電噴霧ESI源正離子模式檢測到出峰時間為10.093 min，11.153 min，15.480 min 3種物質(zhì)的準分子離子峰全部為98.0;由此可判斷，在10.093 min出峰的物質(zhì)為烯丙基硫氰酸(ATC)，11.153 min出峰的物質(zhì)為環(huán)丙基異硫氰酸酯(CPITC)，15.480 min出峰的物質(zhì)為烯丙基異硫氰酸酯(AITC).

圖3 AITC降解產(chǎn)物的氣質(zhì)色譜圖

圖4 AITC降解的HPLC疊加圖譜

圖5 AITC在不同條件下的剩余率

圖6 CPITC在不同條件的增加

圖7 ATC在不同條件的增加

3 結(jié)論

超聲、溫度、pH、時間、水溶液等因素對烯丙基異硫氰酸酯的降解都有影響.異硫氰酸酯類物質(zhì)都含有─N＝C＝S基團，其穩(wěn)定性同樣會受到超聲、溫度、pH、水溶液等因素的影響，從而降低了物質(zhì)的活性.為此，在異硫氰酸酯類物質(zhì)作為殺菌劑、線蟲抑制劑使用時，可將其制備成具有緩釋作用的膠囊制劑，既可以避免其受到外部環(huán)境的影響而降解，又能保持其良好的熏蒸效果和延長藥效期.

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Stability of Allyl Isothiocyanate in an Aqueous Solution

LIU Yan－feng1，YU Shao－fan2，LI Jia－cheng1，F(xiàn)ENG Yu－h(huán)ong1，LI Fu－kun1

(1.Materials and Chemical Engineering College，Hainan University，Haikou 570228，China;2.Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China)

In order to investigate the stability of allyl isothiocyanate in water，four important factors，temperature，time，pH and ultrasonic frequency，were selected to design orthogonal experiments.The isothiocyanate was dissolved in an aqueous solution containing a small amount of methanol.The effects of the different factors on its stability were characterized by the changes of allyl isothiocyanate concentration determined by HPLC.The results showed that the affects of the time on allyl isothiocyanate degradation were most significant，followed by ultrasonic frequency，temperature and pH.After petroleum ether was used to extract the degradation mixture，The LCMS and GC－MS analysis data suggested that allyl thiocyanate and cyclopropyl isothiocyanate were main products of allyl isothiocyanate degradation，and with the degradation of allyl isothiocyanate，their quantity increased.

allyl isothiocyanate;isothiocyanate;stability;hydrolysis

O 623.765 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1004－1729(2011)01－0033－06

2010－11－24

?？谑兄攸c科技計劃項目(2009043);海南大學(xué)科研項目(hd09xm78);海南大學(xué)青年基金(qnjj1004);農(nóng)專項目(2010E20060139);211創(chuàng)新平臺資助

劉艷鳳(1980－)，女，河北承德人，海南大學(xué)材料與化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)2008級碩士研究生.

李嘉誠(1970－)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)藥劑型研究，ljcfyh@gmail.com.