苦味酸-羧甲基纤维素酯的稳定性及其对维生素B_6的吸附性能

戴晓峰，方桂珍

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

苦味酸-羧甲基纤维素酯的稳定性及其对维生素B_6的吸附性能

戴晓峰，方桂珍*

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

以羧甲基纤维素钠为原料，高碘酸钠为选择性氧化剂，在酸性条件下制备氧化的羧甲基纤维素。再将氧化的羧甲基纤维素6位的羧基进行酰化，与苦味酸反应制备复合型靶向口服吸附剂苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯。通过XRD、FTIR、元素分析及化学官能团测定(碱熔法测醛基含量)等方法对苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的结构进行表征，结果表明苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯已生成;在模拟人体生理介质的条件下，测定苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对尿素和肌酐的吸附性能，对尿素和肌酐的吸附平衡时间分别为10h和6h，醛基含量为75.23%。对尿素和肌酐的饱和吸附容量分别为16.08mg/g和2.10mg/g。尿素在氧化CMC－PA上的吸附等温线均符合Freundich方程，说明主要为化学吸附且吸附指数(1/n)小于2，表明吸附为“优惠吸附”。

羧甲基纤维素，苦味酸，肌酐，尿素，吸附动力学曲线，吸附等温曲线

羧甲基纤维素(CMC)是纤维素醚的一种，通常是以短棉绒(纤维素含量高达98%)或木浆为原料，通过氢氧化钠处理后再与氯乙酸钠(ClCH2COONa)反应而成。CMC具有良好的水溶性，在水溶液中有增稠、黏结、保水、乳化及悬浮作用，因而广泛应用于石油开采、陶瓷、食品、化妆品、印染、造纸、纺织、涂料、皮革、塑料、医药等许多行业［1］。慢性肾功能衰竭(chronic renal failure)，简称慢性肾衰(CRF)，是指原发性或继发性肾脏疾患所造成的肾结构和功能损害。病因主要是患者体内聚集了两种主要的毒素:尿素﹑肌酐。因此去除体内过量的毒素是治疗慢性肾衰竭的关键，而口服吸附剂是治疗慢性肾衰竭的有效手段之一。有研究者进行了氧化纤维素、包覆包醛氧淀粉和酶制剂等吸附作用的研究［2－6］，取得了很好的进展。但是，目前具有较高吸附容量的吸附剂和吸附材料还很少。本研究主要以羧甲纤维素为原料，通过氧化、酰化等方法合成了一种对慢性肾衰竭具有辅助治疗作用的口服吸附剂—苦味酸氧化羧甲基纤维素酯，利用其特异性功能基—醛基和硝基苯环(醛基与尿素上－NH2发生Schiff反应、硝基苯环与肌酐发生jaffe式络合反应)，生成较稳定的1∶1σ络合物，具有清除慢性肾衰竭患者体内毒素，延缓肾衰发展进程，减少血液透析次数的作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

羧甲基纤维素纳(CMC) 宜兴市通达化学有限公司;苦味酸(分析纯，PA)、高碘酸钠，尿素、肌酐、吡啶、氯化亚砜(均为分析纯) 天津市科密欧化学试剂开发中心。

SHZ－82A型恒温振荡器 常州国华电器有限公司;D/MAX－－r B型 X射线衍射仪 日本理学; Magna－560红外谱仪 美国尼高力公司;EA3000型元素分析仪 意大利Euro公司;Tu－1800PC型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苦味酸－氧化羧甲基纤维素的制备

1.2.1.1 氧化羧甲基纤维素的制备 将1g CMCNa加入到40mL浓度为3mol/L的HCl溶液中浸泡2h，水洗至中性，得到乳白色的粘稠状液体，烘干后得到产品酸化的CMC。

棕色三口瓶中加入40mL水，在避光的条件下加入4g高碘酸钠，用硫酸调节pH=2，加入1g酸化的羧甲基纤维素，升温到50℃，反应2h，加入少量乙二醇溶液，继续反应1h，过滤，滤饼用蒸馏水充分洗涤至IO－

3消失，45℃真空干燥24h，研磨后得到白色粉末状产物氧化的CMC。

1.2.1.2 氧化羧甲基纤维素酰氯的制备 将1g氧化的CMC和20mL N，N－二甲基甲酰胺(DMF)加入装有搅拌器、温度计和恒压滴液漏斗的三口瓶中，搅拌溶胀后，缓慢滴加3mL的氯化亚砜，在0℃条件下搅拌0.5h，升温到90℃反应1h。反应结束后，冷却到室温，用丙酮洗至滤液不含氯离子，然后50℃真空干燥，除去残留于酰氯中的溶酶和气体，得到深棕色的固体产物氧化CMCCl。

1.2.1.3 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的制备 将1g氧化CMCCl、2g苦味酸和50mL吡啶分别加入到装有搅拌器、冷凝管、滴液漏斗的三口瓶中，搅拌加热至85℃反应4h，反应结束后冷却，用热水和无水乙醇洗去没有反应的苦味酸，过滤，然后50℃真空干燥，除去剩余的乙醇，得到黄色固体CMC－PA。

1.2.2 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的结构表征

1.2.2.1 醛基含量的测定 准确称取苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯0.15g置于100mL锥形瓶中，精密加入0.2mol/L的NaOH标准溶液10.0mL，样品溶解后迅速置于70℃水浴中加热2min，取出，冷却，然后加入0.1mol/L的 H2SO4标准溶液 15.0mL和蒸馏水30.0mL，以酚酞为指示剂，用0.2mol/L NaOH标准溶液滴定至终点。则一个葡萄糖单元中2，3位羟基被氧化为二醛基的物质的量分数，即产物的醛基含量按式(1)计算:

式中，G:样品重量，g;M1:NaOH标液的浓度，mol/L;V1:滴定消耗的NaOH溶液的体积，mL;M2: H2SO4标液的浓度，mol/L;V2准确加入H2SO4溶液的体积，mL;470，苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯结构单元的平均分子量。

1.2.2.2 红外光谱测试 羧甲基纤维素、氧化羧甲基纤维素、苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯经真空干燥后，KBr压片法测其红外光谱。

1.2.2.3 元素分析 样品经真空干燥后，用元素分析仪测定N、H、O、S元素含量。

1.2.2.4 X－射线衍射(XRD)测试 采用X射线衍射仪观察羧甲基纤维素、苦味素－氧化羧甲基纤维素酯的结晶结构，Cu靶，Ka射线，Ni片滤光，λ=1.5405× 10－10m，管压 45kV，电流 40mA，扫描范围:2θ= 1～90°;分峰法计算结晶度(Xc)，以谢乐公式计算晶粒大小，Lhkl=Kλ/βcosθ，β为半峰宽，K为谢乐常数，取0.94。

1.2.3 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对肌酐和尿素的吸附测定方法 用蒸馏水配制透析液，组成:Na+的浓度132.5mmol/L;K+的浓度1.0mmol/L;Ca2+的浓度1.75mmol/L;Mg2+的浓度0.50mmol/L;Cl－的浓度98.0mmol/L和Ac－的离子浓度40.0mmol/L，再用透析液配制成含肌酐和尿素浓度分别为100mg/L的肌酐透析液和6g/L的尿素透析液。

1.2.3.1 肌酐吸附性能的测定 精确称取0.05g氧化CMC－PA试样，移取10mL肌酐透析液，在37℃的振荡水浴上吸附6h后，过滤，滤液用苦味酸法［7］测定残余的肌酐浓度。按式(2)和式(3)计算氧化CMC－PA对肌酐的吸附容量AC和吸附量AQ。

式中，Ci和Ci+1分别是第i次和第i+1次取样测得的肌酐的浓度，mg/L;Vi是第i次取样时溶液的体积，L; W是称取吸附剂的干基质量，g。

1.2.3.2 尿素吸附性能的测定 准确称取苦味酸－氧化羧甲基纤维素试样0.05g，加入10mL尿素浓度为6g/L的透析液，在37℃的振荡水浴上吸附6h后，过滤，滤液用对二甲氨基苯甲醛比色法测定残余尿素的浓度。按式(5)计算出氧化纤维素对尿素的吸附容量AC:

式中，C0为吸附前溶液中的肌酐的浓度，mg/L; C为吸附后溶液中肌酐的浓度，mg/L;W为称取吸附剂的干基质量，g。

吸附动力学曲线:在100mL高形瓶中，加入1g氧化CMC－PA和肌酐浓度为100mg/L的肌酐透析液，在37℃恒温振荡水浴中吸附，每隔一段时间取上清液10mL，测定肌酐的浓度，由吸附前后溶液中的浓度差，根据式(4)计算肌酐的吸附容量AC:

式中，C0为吸附前尿素的浓度，mg/mL;C为吸附后溶液中尿素的浓度，mg/mL;W为称取吸附剂的干基质量，g。

吸附动力学曲线:精确称取1g苦味酸氧化羧甲基纤维素加入100mL尿素氮浓度为6g/L的尿素透析液，在37℃恒温振荡水浴中吸附，每隔一定时间取上层清液10mL，利用对二甲氨基苯甲醛比色法测定尿素的浓度，由吸附前后溶液中的浓度差，根据式(6)计算不同吸附时间DAC对尿素的吸附容量ACi:

式中，Ci和Ci+1分别是第i次和第i+1次取样测得的尿素的浓度，mg/mL;Vi是第i次取样时溶液的体积，mL;W是称取吸附剂的干基质量，g。

吸附等温线:精确称取相同质量的氧化CMCPA，测定氧化CMC－PA在不同尿素质量浓度的透析液(pH=7)以及不同温度下对尿素的吸附容量AC。

2 结果与讨论

2.1 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的合成与结构表征

以羧甲基纤维素为原料，在酸性条件下用高碘酸钠将其2，3位羟基氧化成醛基。再对羧甲基纤维素的羧基进行酰化生成酰氯，酰氯与苦味酸发生亲和取代反应最终生成苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯。反应路线如下。

图1 氧化CMC－PA的合成路线Fig.1 Oxidized CMC－PA synthesis routes

2.2 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的结构分析

2.2.1 红外谱图分析 从图2中可以看出，在3435cm－1处有一中等强度较宽的吸收峰，是缔合羟基O－H的伸缩振动吸收峰。苦味酸氧化羧甲基纤维素酯在1745cm－1的吸收峰为羧甲基纤维素氧化后产生的羰基的伸缩振动吸收峰。因为醛基形成了水合半醛醇和分子内及分子间的半缩醛的形式，所以图中羰基吸收峰峰强较小［8］，1555cm－1出现的强度比较小的特征峰为苯环骨架的伸缩振动特征吸收峰。综上所述，证明了氧化CMC－PA的生成。

2.2.2 X－射线衍射图谱分析 从图3中可以看出，苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的谱图有很多衍射峰，峰形较乱，不同于羧甲基纤维素衍射角2θ=19.84°处一个较大的弥散峰，说明羧甲基纤维素的结晶结构基本被完全破坏，基本呈无序的状态，主要是由于位阻效应使苦味酸氧化羧甲基纤维素的规则度降低，产生更多非晶区［9］。

图2 羧甲基纤维素、氧化的羧甲基纤维素苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的红外谱图Fig.2 Infrared spectra of carboxymethyl cellulose，oxidized carboxymethylcellulose and oxidized CMC－PA

图3 羧甲基纤维素和氧化苦味酸－羧基纤维素酯的X射线衍射图Fig.3 X－ray diffraction figure of carboxymethyl cellulose and oxidized CMC－PA

2.2.3 元素分析 从表1中可以看出，苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯的氮含量与理论相比较低，主要是由于纤维素的大分子结构，高分子链的卷曲、缠绕等特性，使其与苦味酸发生的亲和取代反应很难彻底完全反应。氧化的羧甲基纤维素大约每5个单元中就有1个可以连接上苦味酸。经过测定氧化CMCPA的醛基含量为75.23%，H元素的质量分数与理论值大致相符。

表1 氧化CMC－PA元素分析结果Table 1 Oxidation CMC－PA element analysis results

2.3 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对肌酐和尿素的吸附

2.3.1 肌酐吸附性能的测定 图4是在37℃时，氧化CMC－PA对肌酐的吸附动力学曲线。从图4中可以看出，开始阶段，氧化CMC－PA对肌酐的吸附容量随吸附时间的增加迅速增大，随着吸附时间的继续增加，吸附速率逐渐减缓，吸附达到平衡。吸附的平衡时间大约在6h，其饱和吸附量为2.10mg/g。与苦味酸羧甲基纤维素酯［11］相比，其吸附平衡时间更短，

饱和吸附量更高，主要是由于羧甲基纤维素经过氧化后其结晶结构被破坏，在溶剂中的溶解性更好，使其与苦味酸发生的亲核取代反应更加容易。另外肌酐在常温及碱性条件下可与硝基苯衍生物发生络合反应［12－13］，通过元素分析测定氧化CMC－PA中所含有的氮质量分数更多，其所含有的硝基基团更多，导致其饱和吸附量更高。

图4 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对肌酐的吸附动力学曲线Fig.4 Adsorption kinetic curve of oxidized CMC－PA for creatinine

2.3.2 尿素吸附性能的测定

2.3.2.1 吸附动力学曲线 图5是在37℃时，氧化CMC－PA对尿素的吸附动力学曲线。从图5中可以看出，吸附的平衡时间大约在10h，与人体的消化周期相接近。吸附接近平衡状态时，其饱和吸附量为16.08mg/g。与3，5－二硝基苯甲酸氧化纤维素酯对尿素的吸附动力学曲线相比［10］，平衡的吸附时间较长，主要原因是由于苦味酸氧化羧甲基纤维素酯在透析液中的溶胀效果稍微差一些。

2.3.2.2 不同温度下氧化CMC－PA对尿素的吸附等温曲线 如图6所示，随着初始质量浓度的增大，氧化CMC－PA对尿素的吸附容量增大;随着温度的升高，吸附容量逐渐增加，说明吸附过程为吸热过程，高温更加有利于吸附过程的进行。37℃吸附等温曲线可以用Freundich方程进行拟合［14］。Freundich方程的线性化形式如式(7)所示:

图5 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对尿素的吸附动力学曲线Fig.5 Adsorption kinetic curve of oxidized CMC－PA for urea

式中:AC为吸附平衡时氧化CMC－PA对尿素的吸附容量(mg/g);Ce为透析液中尿素的平衡质量浓度(mg/L);K为常数。采用Freundich方程对尿素在氧化CMC－PA上的吸附等温曲线进行线性拟合，线性方程为:lg(AC)=0.7339lgCe－1.545，相关系数R= 0.9858。从图7、图8中可以看出，尿素在氧化CMCPA上的吸附等温曲线基本符合Freundich方程，说明尿素在氧化CMC－PA上的吸附主要是化学吸附。

图6 不同温度下苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对尿素吸附等温曲线Fig.6 Adsorption isotherm curve of oxidized CMC－PA for urea at different temperature

图7 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对尿素的平衡吸附Fig.7 Equilibrium adsorption of oxidized CMC－PA for urea

图8 苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯对尿素平衡吸附的Freundich等温线Fig.8 Equilibrium adsorption Freundich isotherm of oxidized CMC－PA for urea

Freundich方程中的参数1/n一般称为吸附指数，可以粗略地表示吸附剂的吸附强度。通常1/n在0.1～0.5之间说明吸附反应容易进行，在2以上表示吸附难进行［15］。

表2 尿素在氧化CMC－PA上的吸附平衡常数以及Freundich方程Table 2 Adsorption equilibrium constant of urea in oxidation CMC－PA and Freundich equation

3 结论

以羧甲基纤维素为原料，采用条件温和的氧化、酰氯化的方法制备苦味酸氧化羧甲基纤维素酯，通过红外光谱、元素分析、X－射线衍射等手段对苦味酸氧化羧甲基纤维素酯的结构进行表征，研究结果表明，苦味酸氧化羧甲基纤维素酯已生成，氮质量分数可达到2.592%。

在模拟人体生理介质的条件下，测定了苦味酸氧化羧甲基纤维素酯对肌酐和尿素的吸附性能。吸附实验表明:在37℃时，苦味酸氧化羧甲基纤维素酯对肌酐的吸附平衡时间为6h，对肌酐的最大吸附容量为2.10mg/g;对尿素的吸附平衡时间为10h，最大吸附量为16.08mg/g。羧甲基纤维素做为一种新型的药用辅料，具有可食性、成本低、无毒性等优点，特别是其大分子的结构特点，作为骨架进一步提高了苦味酸氧化羧甲基纤维素酯作为一种具有药用价值的膳食纤维的稳定性，而苦味酸－氧化羧甲基纤维素酯所具有的“优惠吸附”的特点也使其有望成为一种很有潜力的辅助治疗慢性肾衰竭的吸附剂或吸附材料。

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Preparation of carboxymethyl cellulose picric acid ester and adsorption property for urea and creatinine

DAI Xiao－feng，FANG Gui－zhen*
(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Sodium periodate as selective oxidant，oxidized carboxymethylcellulose was prepared from carboxymethyl cellulose under acidic conditions.The carboxyl on C6 of oxidized carboxymethylcellulose was acylated and composite targeted oral adsorbent ester of oxidized carboxymethylcellulose－based picric acid (CMC－PA)was prepared by reaction with it and picric acid.The structure of oxidized CMC－PA was characterized by XRD，FTIR，element analysis and chemical functional determination(alkali fusion method to measure aldehyde content)，the results showed that oxidized CMC－PA was prepared.The adsorption property of oxidized CMC－PA to urea and creatinine was studied under simulated biological human body conditions，results showed that adsorption amount reached an equilibrium value after 10h and 6h respectively，aldehyde content was 75.23%.The saturated adsorption capacity to urea and creatinine were 16.08mg/g and 2.10mg/g，respectively.The adsorption isotherms of urea on oxidized CMC－PA fit well with Freundich equation，indicating that the adsorption was mainly chemical adsorption.The Freundich index(1/n)was less than 2，which implied that the adsorption was preferential process.

carboxymethylcellulose;picric acid;creatinine;urea;the kinetic curves of adsorption;the isothermy curves of adsorption

TS201.2+4

A

1002－0306(2012)06－0208－05

2011－01－20 *通讯联系人

戴晓峰(1985－)，男，硕士研究生，研究方向:纤维素功能材料。

东北林业大学论文资助项目(j2am02);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060225008)。