環(huán)糊精包合碘的制備、表征及其應用研究進展

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(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

環(huán)糊精包合碘的制備、表征及其應用研究進展

柳直風,張權,溫輝梁*

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

環(huán)糊精包合碘由于特殊的包合碘的方式,在醫(yī)藥,食品和農業(yè)方面具有廣闊的應用前景。本文系統地介紹了環(huán)糊精包合碘的制備、表征和應用方面的研究進展,為今后環(huán)糊精包合碘的深入研究提供理論支持。

碘/環(huán)糊精包合物,制備,表征,應用,前景

環(huán)糊精包合碘是人們?yōu)榻鉀Q碘在應用時難溶于水、有刺激性、強染色性和見光易分解等缺點而制備出來的包合絡合物,該包合物具有廣譜殺滅病原菌的能力,能有效的殺滅細菌繁殖體、芽孢、真菌、病毒和阿米巴原蟲等微生物[1-3]。其殺菌機理是碘從環(huán)糊精空腔內被釋放出來鹵化微生物菌體蛋白質,使菌體蛋白和酶受到破壞,從而導致微生物生理代謝功能發(fā)生障礙而死亡[4-5],同時由于環(huán)糊精包合碘的特殊結構,在其他領域也有一定的應用潛質[6-8],中國藥典已收錄以β-環(huán)糊精和碘為主要成分的西地碘含片[9]。目前世界上對碘的需求比例為:消毒劑和殺菌劑17%,藥物16%,動物飼料6%[10-11]。而環(huán)糊精包合碘由于特殊的絡合碘的方式,在這些領域中有很大的發(fā)展空間[12-13]。

1 環(huán)糊精包合碘的制備

圖1 α-環(huán)糊精Fig.1 α-cyclodextrin

環(huán)糊精通常是指一大類環(huán)狀低聚糖類化合物的總稱[14-15]。常見的有α-環(huán)糊精(圖1)、β-環(huán)糊精(圖2)和γ-環(huán)糊精(圖3)三種。而碘/環(huán)糊精包合物的制備主要是讓碘分子或碘離子進入環(huán)糊精的空腔中,因此碘和環(huán)糊精的存在狀態(tài)以及環(huán)糊精的內徑的大小會直接影響著包合物的形成以及形成后的包合物的穩(wěn)定性、溶解性和解吸附性能[16-19]。常見的制備碘/環(huán)糊精包合物的方法有三種。

圖2 β-環(huán)糊精Fig.2 β-cyclodextrin

圖3 γ-環(huán)糊精Fig.3 γ-cyclodextrin

1.1 飽和水溶液法

飽和水溶液法是目前最常用的制備碘/環(huán)糊精包合物的方法。用該方法制備包合物一般在磁力攪拌器、電動攪拌器或超聲波清洗機中進行,通常采用該方法制備包合物需要考慮攪拌時間、溶劑、投料比、溫度、物料加入順序和容器等因素對包合物包合產率的影響[20-22]。Lechat等[23]采用飽和水溶液法制備碘和α-環(huán)糊精包合復合物并研究了該復合物的穩(wěn)定性。研究表明,α-環(huán)糊精與碘的化學計量比為1∶1時能達到最大的包合率;穩(wěn)定性實驗表明,包合物在儲存16個月后相當穩(wěn)定,適合用于工業(yè)規(guī)模化;制備過程中容器的形狀對制備產率有重要的影響。

1.2 密封控溫技術

密封控溫技術是一種新型的制備碘/環(huán)糊精包合物的方法。其原理是將主、客體分子密封于容器內,通過控制溫度和時間等因素,使客體分子在一定溫度下揮發(fā)或升華成為氣體分子進入主體分子空穴中,當溫度降低后,主、客體分子就以實體物質形式借助分子間范德華力、氫鍵或鹽鍵等結合方式形成包合物。用該法制備包合物時不需加入任何溶劑,包合物中無溶媒殘留,處理方便;包合速度快,包合率高;制備工藝簡便;對具有升華性質的藥物或有揮發(fā)成分的中藥采用該技術制備包合物有明顯的優(yōu)勢。王齊放等[24]采用密封控溫技術制備環(huán)糊精與碘的包合物,研究表明環(huán)糊精與碘的摩爾比為0.5∶1,作用20 min能對葡萄球菌、芽孢菌和鏈球菌等細菌達到最大的抑菌效果,吸附實驗表明該包合物能有效的吸附空氣中的甲醛和甲苯等有害氣體。

1.3 共研磨法

共研磨法是最早用來制備環(huán)糊精包合物的方法之一,該法包括手工研磨法和膠體研磨法,手工研磨法難以實現大規(guī)模生產;膠體研磨法適于大規(guī)模液體制劑的生產[25]。王克森等[26]采用共研磨法制備了碘/β-環(huán)糊精包合物,對比低溫飽和水溶液法和常溫飽和水溶液法,通過測定包合物中有效碘含量表明:低溫飽和水溶液法﹥共研磨法﹥常溫飽和水溶液法。

1.4 幾種制備方法比較

包合物中有效碘含量、包合物的穩(wěn)定性等是決定采用哪種包合方法的主要因素。飽和水溶液法是目前使用的最多的方法,具有制備效率高、包合物穩(wěn)定等特點,但相對步驟也較多;密封控溫技術雖然制備效率高,包合速度快,但會發(fā)生碘蒸氣腐蝕設備的現象;共研磨法則在制備包合物時由于長時間的研磨會發(fā)生環(huán)糊精空腔結構破壞的現象。

2 環(huán)糊精包合碘的表征

通常制備的包合物需要對其進行分析,包合物是否發(fā)生了包合及包合物中有效成分的含量和收率是判定一個工藝好壞的重要標準。碘/環(huán)糊精包合物的表征方法主要有熱分析法、紫外可見光譜法、核磁共振法和氧化還原滴定法等方法[27]。

2.1 熱分析法

葉素芳等[28]采用熱重-差熱法對碘/β-環(huán)糊精包合物進行表征,溫度范圍20～500 ℃,升溫速率10 ℃/min,N2流量為100 mL/min。TGA-DTA曲線表明包合物在187.9 ℃時開始分解并在200.7 ℃時分解速率達到最大,273.3 ℃以后的失重為β-環(huán)糊精的變化,該結果表明β-環(huán)糊精能有效的增加碘的熱穩(wěn)定性。

Wang等[29]選用溫度范圍30～400 ℃,升溫速率為5 ℃/min,純氮氣的氛圍來表征碘/β-環(huán)糊精包合物,包合物先在真空干燥箱中45 ℃預熱12 h并冷卻至室溫。TG曲線表明碘/β-環(huán)糊精包合物的重量損失分為三個階段。第一階段在39～79 ℃,歸因于β-環(huán)糊精吸附的碘和腔內少量結合水的釋放;第二階段在79～177 ℃,是由于β-環(huán)糊精空腔內碘的釋放;第三階段開始于177 ℃,是由于β-環(huán)糊精的分解。

2.2 紫外可見光譜分析法(UV-vis)

Sanemasa等[30]采用紫外可見光譜法在514 nm處測量溶液中碘的濃度來確定環(huán)糊精包合碘的形成常數。結果表明,即使在很小的溫度范圍(15～35 ℃)內,環(huán)糊精與碘的絡合也在很大程度上依賴于溫度,在25 ℃時,α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精與碘包合絡合物的形成常數分別為8.3×103、1.0×102和13 dm3mol-1。

2.3 圓二色性(CD)

2.4 核磁共振法(NMR)

Tomono等[34]在30 ℃下對2-HP-α-CD和α-CD進行13C-NMR研究。結果表明,2-HP-α-CD與2-HP-α-CD包合碘絡合物相比,C1和C4處發(fā)生相對較大的位移(圖4),這可能是歸因于包合前后α-(1,4)糖苷鍵發(fā)生差異所引起;2-HP-α-CD與碘之間的相互作用要比α-CD與碘之間的相互作用強。

圖4 2-羥丙基-α-環(huán)糊精Fig.4 2-Hydroxypropyl-α-cyclodextrin

楊陽等[35]采用1H-NMR分析β-環(huán)糊精在與碘包結前后β-環(huán)糊精上H的化學位移來判斷包合作用。結果表明H3和H5的化學位移向低場發(fā)生移動(圖5),這是由于β-環(huán)糊精與碘包合后H3和H5在腔內與碘的相互作用較強所引起的。

圖5 β-環(huán)糊精Fig.5 β-cyclodextrin

2.5 其他方法

宋占軍等[36]應用拉曼光譜和紅外光譜分析了醇法工藝和水法工藝制備的碘/β-環(huán)糊精包合物,結果表明在包合物中碘存在游離碘、包結碘和膠束絡合碘三種形式;水法工藝制備的樣品有效碘含量比醇法工藝高,但其穩(wěn)定性要比醇法工藝低。

Kaneko等[37]用碘K-邊緣延伸X光吸收細微結構(EXAFS)分析α-、β-和γ-環(huán)糊精與水溶液中I-與包合物的結構,觀察到α-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精在與I-包合過程中會發(fā)生部分脫水現象,而在β-環(huán)糊精中沒有發(fā)現,該結果表明包合過程的機理取決于環(huán)糊精分子空腔的尺寸和環(huán)糊精骨架的柔性。

Wang等[29]將碘/β-環(huán)糊精包合物粉末用DMF溶解經HPLC法測定包合物中有效碘的含量,結果表明,碘量法能與HPLC法達到相同的準確度,該方法證實了碘量法的準確性。

2.6 幾種表征方法比較

在上述表征方法中,UV-vis、HPLC和碘量法主要用于包合物中有效碘含量測定;熱分析法可以判斷包合物的熱穩(wěn)定性;拉曼光譜用來對包合物中碘與環(huán)糊精結合形式的確認;CD、NMR和EXAFS主要是分析包合物包合前后結構的變化。

3 環(huán)糊精包合碘的應用

碘/環(huán)糊精包合物由于特殊的包合方式,有效的降低了碘的毒性和刺激性氣味;提高了碘的穩(wěn)定性;而且極大的增加了碘的生物相容性,其中β-環(huán)糊精由于低溶解度和低成本的特性,所以,關于β-環(huán)糊精包合碘的研究報道也最多[38-40]。

3.1 醫(yī)藥方面的殺菌和消毒

當前我國衛(wèi)生領域主要側重于使用防腐劑來代替抗生素,其中聚維酮碘(PVP-I)已經在臨床上廣泛運用,然而,研究表明PVP-I在臨床使用時會對患者的健康皮膚有一定的損害作用,因此需要尋找出一種物質來有效的降低這種危害[41]。

Reddersen等[42]指出,β-環(huán)糊精抗菌復合功能化紡織品具有高效的抗微生物活性,將一些消毒劑包合在β-環(huán)糊精中能有效的降低消毒劑的毒性作用,在醫(yī)學應用中有顯著潛力。該作者報導將β-環(huán)糊精包合碘復合物與功能化紡織品結合用于傷口處理,可以防止傷口感染并避免了患者之間的交叉污染。在評估β-環(huán)糊精包合醋酸氯己定(β-CD-CHX)、β-環(huán)糊精包合碘(β-CD-IOD)和β-環(huán)糊精包合聚六亞甲基雙胍(β-CD-PHMB)對HaCaT細胞毒性作用時表明β-CD-IOD的毒性最低。

3.2 食品方面用于營養(yǎng)強化劑

碘是人體所必需的微量元素,人體碘含量攝入不足和過多都會引起甲狀腺機能紊亂。如幼兒碘攝入不足會影響中樞神經系統的發(fā)育,成年人碘攝入不足會引起甲狀腺腫大,過量則導致甲狀腺功能減退癥。人每天攝入碘的主要途徑是食鹽中加入的碘酸鉀。世界衛(wèi)生組織推薦成年人最佳碘攝入量為每人150 μg/d[43]。

Polumbryk等[44]為解決加碘食鹽在熱香腸加工中碘的損失較大;儲存時易發(fā)生潮解;產品的感官以及物理化學性質易發(fā)生改變等特點[45],提出環(huán)糊精包合碘在這方面有著誘人的發(fā)展前景。作者將β-環(huán)糊精包合碘復合物應用于熟香腸制作配方中以補充人體每天所必需的微量元素—碘。在香腸中碘的含量為確保每人每天至少攝入150 g該產品計為4 μg/g,結果表明,產品中的3,5-二碘酪氨酸由640 ng/mL上升到了1200 ng/mL;在加工過程中,復合物中碘的損失量為20%;該包合物對最終熟香腸的質量和感官性狀沒有影響。臨床實驗結果表明,有中度缺碘癥狀的患者在食用該產品10 d后癥狀得以消失;血液樣本研究表明甲狀腺激素和促甲狀腺激素(TSH)水平沒有發(fā)生變化[46]。

3.3 水產和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的殺菌

水產養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖業(yè)屬于高密度的養(yǎng)殖模式,期間很容易造成水質惡化和養(yǎng)殖環(huán)境的污染而影響產品品質。對水源和養(yǎng)殖場所的消毒是預防水質污染和保障產品安全的一道有效防線,碘制劑因其良好的殺菌特性在該領域受到廣泛的應用,但由于聚維酮碘等碘制劑用于大規(guī)模消毒成本比較高。而碘/環(huán)糊精包合物可以在很低濃度下就達到良好的殺菌效果[34],適用于大規(guī)模的環(huán)境消毒。

李桂明等[47]將有效碘含量為16.9%的β-環(huán)糊精包合碘復合物稀釋成一定倍數的溶液分別對物體表面、水體和雞舍進行消毒。結果表明,當稀釋至800倍時,對木質桌面消毒10 min,物體表面的自然菌平均殺滅對數為2.43;稀釋至1000倍時,對自然水體消毒10～30 min,自然菌殺滅率達到99%以上;稀釋至500倍時,60 min對雞舍地面和墻壁自然菌殺滅率達到92%以上。同時發(fā)現還能對空氣自然菌有一定殺滅效果。對斑馬魚和蚯蚓的毒理學實驗以及對兔子皮膚和眼的刺激性實驗結果都表明環(huán)糊精包合碘復合物是一種新型環(huán)境友好型消毒劑[48]。

4 展望

環(huán)糊精包合碘作為一種特殊結構的包合物,在醫(yī)藥、食品、農業(yè)等領域里表現出了廣闊的應用前景。國外已有碘/β-環(huán)糊精包合物用于洗漱劑和防腐劑的產品。國內關于碘與環(huán)糊精包合物的研究報道還相對較少,大都停留在實驗室階段。當前環(huán)糊精包合碘的研究方向可以歸納為三個方面:將碘/環(huán)糊精包合物溶解在混合多元醇中來提高它的應用價值;了解環(huán)糊精對碘的強約束力的原因以及這些作用力對空腔中碘的釋放的影響;環(huán)糊精包合碘復合結構的確認以及化學計量比的解釋。此外環(huán)糊精包合碘在電化學領域里面的研究也是一個熱點。因此加強環(huán)糊精包合碘在這些方面的研究是非常有必要的。

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Progressinthepreparation,characterizationandapplicationofiodineencapsulatedincyclodextrins

LIUZhi-feng,ZHANGQuan,WENHui-liang*

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

With the advantages of particular way of combining with iodine,the iodine encapsulated in cyclodextrins has broad application prospects in the field of medicine,food and agriculture. In this paper,progress in the preparation,characterization and application of iodine encapsulated in cyclodextrins are briefly introduced and provided theoretical support for the deeper research of iodine encapsulated in cyclodextrins in the future.

iodine/cyclodextrin inclusion complex;preparation;characterization;application;prospect

2017-03-29

柳直風(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：碘與環(huán)糊精包合物的制備與應用，E-mail:zhifliu@163.com。

*通訊作者:溫輝梁(1963-)，男，博士，教授，研究方向：食品化學與食品添加劑，E-mail:hlwen70@163.com。

江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目(YC2016-S095)；國家重點實驗室開放基金(SKLF-ZZB-201519)；江西省科技支撐計劃(20112BBF60009);江西省教育局項目(批準號GJJ09064)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0321-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.058