环糊精包合碘的制备、表征及其应用研究进展

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(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

环糊精包合碘的制备、表征及其应用研究进展

柳直风,张权,温辉梁*

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

环糊精包合碘由于特殊的包合碘的方式,在医药,食品和农业方面具有广阔的应用前景。本文系统地介绍了环糊精包合碘的制备、表征和应用方面的研究进展,为今后环糊精包合碘的深入研究提供理论支持。

碘/环糊精包合物,制备,表征,应用,前景

环糊精包合碘是人们为解决碘在应用时难溶于水、有刺激性、强染色性和见光易分解等缺点而制备出来的包合络合物,该包合物具有广谱杀灭病原菌的能力,能有效的杀灭细菌繁殖体、芽孢、真菌、病毒和阿米巴原虫等微生物[1-3]。其杀菌机理是碘从环糊精空腔内被释放出来卤化微生物菌体蛋白质,使菌体蛋白和酶受到破坏,从而导致微生物生理代谢功能发生障碍而死亡[4-5],同时由于环糊精包合碘的特殊结构,在其他领域也有一定的应用潜质[6-8],中国药典已收录以β-环糊精和碘为主要成分的西地碘含片[9]。目前世界上对碘的需求比例为:消毒剂和杀菌剂17%,药物16%,动物饲料6%[10-11]。而环糊精包合碘由于特殊的络合碘的方式,在这些领域中有很大的发展空间[12-13]。

1 环糊精包合碘的制备

图1 α-环糊精Fig.1 α-cyclodextrin

环糊精通常是指一大类环状低聚糖类化合物的总称[14-15]。常见的有α-环糊精(图1)、β-环糊精(图2)和γ-环糊精(图3)三种。而碘/环糊精包合物的制备主要是让碘分子或碘离子进入环糊精的空腔中,因此碘和环糊精的存在状态以及环糊精的内径的大小会直接影响着包合物的形成以及形成后的包合物的稳定性、溶解性和解吸附性能[16-19]。常见的制备碘/环糊精包合物的方法有三种。

图2 β-环糊精Fig.2 β-cyclodextrin

图3 γ-环糊精Fig.3 γ-cyclodextrin

1.1 饱和水溶液法

饱和水溶液法是目前最常用的制备碘/环糊精包合物的方法。用该方法制备包合物一般在磁力搅拌器、电动搅拌器或超声波清洗机中进行,通常采用该方法制备包合物需要考虑搅拌时间、溶剂、投料比、温度、物料加入顺序和容器等因素对包合物包合产率的影响[20-22]。Lechat等[23]采用饱和水溶液法制备碘和α-环糊精包合复合物并研究了该复合物的稳定性。研究表明,α-环糊精与碘的化学计量比为1∶1时能达到最大的包合率;稳定性实验表明,包合物在储存16个月后相当稳定,适合用于工业规模化;制备过程中容器的形状对制备产率有重要的影响。

1.2 密封控温技术

密封控温技术是一种新型的制备碘/环糊精包合物的方法。其原理是将主、客体分子密封于容器内,通过控制温度和时间等因素,使客体分子在一定温度下挥发或升华成为气体分子进入主体分子空穴中,当温度降低后,主、客体分子就以实体物质形式借助分子间范德华力、氢键或盐键等结合方式形成包合物。用该法制备包合物时不需加入任何溶剂,包合物中无溶媒残留,处理方便;包合速度快,包合率高;制备工艺简便;对具有升华性质的药物或有挥发成分的中药采用该技术制备包合物有明显的优势。王齐放等[24]采用密封控温技术制备环糊精与碘的包合物,研究表明环糊精与碘的摩尔比为0.5∶1,作用20 min能对葡萄球菌、芽孢菌和链球菌等细菌达到最大的抑菌效果,吸附实验表明该包合物能有效的吸附空气中的甲醛和甲苯等有害气体。

1.3 共研磨法

共研磨法是最早用来制备环糊精包合物的方法之一,该法包括手工研磨法和胶体研磨法,手工研磨法难以实现大规模生产;胶体研磨法适于大规模液体制剂的生产[25]。王克森等[26]采用共研磨法制备了碘/β-环糊精包合物,对比低温饱和水溶液法和常温饱和水溶液法,通过测定包合物中有效碘含量表明:低温饱和水溶液法﹥共研磨法﹥常温饱和水溶液法。

1.4 几种制备方法比较

包合物中有效碘含量、包合物的稳定性等是决定采用哪种包合方法的主要因素。饱和水溶液法是目前使用的最多的方法,具有制备效率高、包合物稳定等特点,但相对步骤也较多;密封控温技术虽然制备效率高,包合速度快,但会发生碘蒸气腐蚀设备的现象;共研磨法则在制备包合物时由于长时间的研磨会发生环糊精空腔结构破坏的现象。

2 环糊精包合碘的表征

通常制备的包合物需要对其进行分析,包合物是否发生了包合及包合物中有效成分的含量和收率是判定一个工艺好坏的重要标准。碘/环糊精包合物的表征方法主要有热分析法、紫外可见光谱法、核磁共振法和氧化还原滴定法等方法[27]。

2.1 热分析法

叶素芳等[28]采用热重-差热法对碘/β-环糊精包合物进行表征,温度范围20～500 ℃,升温速率10 ℃/min,N2流量为100 mL/min。TGA-DTA曲线表明包合物在187.9 ℃时开始分解并在200.7 ℃时分解速率达到最大,273.3 ℃以后的失重为β-环糊精的变化,该结果表明β-环糊精能有效的增加碘的热稳定性。

Wang等[29]选用温度范围30～400 ℃,升温速率为5 ℃/min,纯氮气的氛围来表征碘/β-环糊精包合物,包合物先在真空干燥箱中45 ℃预热12 h并冷却至室温。TG曲线表明碘/β-环糊精包合物的重量损失分为三个阶段。第一阶段在39～79 ℃,归因于β-环糊精吸附的碘和腔内少量结合水的释放;第二阶段在79～177 ℃,是由于β-环糊精空腔内碘的释放;第三阶段开始于177 ℃,是由于β-环糊精的分解。

2.2 紫外可见光谱分析法(UV-vis)

Sanemasa等[30]采用紫外可见光谱法在514 nm处测量溶液中碘的浓度来确定环糊精包合碘的形成常数。结果表明,即使在很小的温度范围(15～35 ℃)内,环糊精与碘的络合也在很大程度上依赖于温度,在25 ℃时,α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精与碘包合络合物的形成常数分别为8.3×103、1.0×102和13 dm3mol-1。

2.3 圆二色性(CD)

2.4 核磁共振法(NMR)

Tomono等[34]在30 ℃下对2-HP-α-CD和α-CD进行13C-NMR研究。结果表明,2-HP-α-CD与2-HP-α-CD包合碘络合物相比,C1和C4处发生相对较大的位移(图4),这可能是归因于包合前后α-(1,4)糖苷键发生差异所引起;2-HP-α-CD与碘之间的相互作用要比α-CD与碘之间的相互作用强。

图4 2-羟丙基-α-环糊精Fig.4 2-Hydroxypropyl-α-cyclodextrin

杨阳等[35]采用1H-NMR分析β-环糊精在与碘包结前后β-环糊精上H的化学位移来判断包合作用。结果表明H3和H5的化学位移向低场发生移动(图5),这是由于β-环糊精与碘包合后H3和H5在腔内与碘的相互作用较强所引起的。

图5 β-环糊精Fig.5 β-cyclodextrin

2.5 其他方法

宋占军等[36]应用拉曼光谱和红外光谱分析了醇法工艺和水法工艺制备的碘/β-环糊精包合物,结果表明在包合物中碘存在游离碘、包结碘和胶束络合碘三种形式;水法工艺制备的样品有效碘含量比醇法工艺高,但其稳定性要比醇法工艺低。

Kaneko等[37]用碘K-边缘延伸X光吸收细微结构(EXAFS)分析α-、β-和γ-环糊精与水溶液中I-与包合物的结构,观察到α-环糊精和γ-环糊精在与I-包合过程中会发生部分脱水现象,而在β-环糊精中没有发现,该结果表明包合过程的机理取决于环糊精分子空腔的尺寸和环糊精骨架的柔性。

Wang等[29]将碘/β-环糊精包合物粉末用DMF溶解经HPLC法测定包合物中有效碘的含量,结果表明,碘量法能与HPLC法达到相同的准确度,该方法证实了碘量法的准确性。

2.6 几种表征方法比较

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测定;热分析法可以判断包合物的热稳定性;拉曼光谱用来对包合物中碘与环糊精结合形式的确认;CD、NMR和EXAFS主要是分析包合物包合前后结构的变化。

3 环糊精包合碘的应用

碘/环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气味;提高了碘的稳定性;而且极大的增加了碘的生物相容性,其中β-环糊精由于低溶解度和低成本的特性,所以,关于β-环糊精包合碘的研究报道也最多[38-40]。

3.1 医药方面的杀菌和消毒

当前我国卫生领域主要侧重于使用防腐剂来代替抗生素,其中聚维酮碘(PVP-I)已经在临床上广泛运用,然而,研究表明PVP-I在临床使用时会对患者的健康皮肤有一定的损害作用,因此需要寻找出一种物质来有效的降低这种危害[41]。

Reddersen等[42]指出,β-环糊精抗菌复合功能化纺织品具有高效的抗微生物活性,将一些消毒剂包合在β-环糊精中能有效的降低消毒剂的毒性作用,在医学应用中有显著潜力。该作者报导将β-环糊精包合碘复合物与功能化纺织品结合用于伤口处理,可以防止伤口感染并避免了患者之间的交叉污染。在评估β-环糊精包合醋酸氯己定(β-CD-CHX)、β-环糊精包合碘(β-CD-IOD)和β-环糊精包合聚六亚甲基双胍(β-CD-PHMB)对HaCaT细胞毒性作用时表明β-CD-IOD的毒性最低。

3.2 食品方面用于营养强化剂

碘是人体所必需的微量元素,人体碘含量摄入不足和过多都会引起甲状腺机能紊乱。如幼儿碘摄入不足会影响中枢神经系统的发育,成年人碘摄入不足会引起甲状腺肿大,过量则导致甲状腺功能减退症。人每天摄入碘的主要途径是食盐中加入的碘酸钾。世界卫生组织推荐成年人最佳碘摄入量为每人150 μg/d[43]。

Polumbryk等[44]为解决加碘食盐在热香肠加工中碘的损失较大;储存时易发生潮解;产品的感官以及物理化学性质易发生改变等特点[45],提出环糊精包合碘在这方面有着诱人的发展前景。作者将β-环糊精包合碘复合物应用于熟香肠制作配方中以补充人体每天所必需的微量元素—碘。在香肠中碘的含量为确保每人每天至少摄入150 g该产品计为4 μg/g,结果表明,产品中的3,5-二碘酪氨酸由640 ng/mL上升到了1200 ng/mL;在加工过程中,复合物中碘的损失量为20%;该包合物对最终熟香肠的质量和感官性状没有影响。临床实验结果表明,有中度缺碘症状的患者在食用该产品10 d后症状得以消失;血液样本研究表明甲状腺激素和促甲状腺激素(TSH)水平没有发生变化[46]。

3.3 水产和畜牧养殖业的杀菌

水产养殖和畜禽养殖业属于高密度的养殖模式,期间很容易造成水质恶化和养殖环境的污染而影响产品品质。对水源和养殖场所的消毒是预防水质污染和保障产品安全的一道有效防线,碘制剂因其良好的杀菌特性在该领域受到广泛的应用,但由于聚维酮碘等碘制剂用于大规模消毒成本比较高。而碘/环糊精包合物可以在很低浓度下就达到良好的杀菌效果[34],适用于大规模的环境消毒。

李桂明等[47]将有效碘含量为16.9%的β-环糊精包合碘复合物稀释成一定倍数的溶液分别对物体表面、水体和鸡舍进行消毒。结果表明,当稀释至800倍时,对木质桌面消毒10 min,物体表面的自然菌平均杀灭对数为2.43;稀释至1000倍时,对自然水体消毒10～30 min,自然菌杀灭率达到99%以上;稀释至500倍时,60 min对鸡舍地面和墙壁自然菌杀灭率达到92%以上。同时发现还能对空气自然菌有一定杀灭效果。对斑马鱼和蚯蚓的毒理学实验以及对兔子皮肤和眼的刺激性实验结果都表明环糊精包合碘复合物是一种新型环境友好型消毒剂[48]。

4 展望

环糊精包合碘作为一种特殊结构的包合物,在医药、食品、农业等领域里表现出了广阔的应用前景。国外已有碘/β-环糊精包合物用于洗漱剂和防腐剂的产品。国内关于碘与环糊精包合物的研究报道还相对较少,大都停留在实验室阶段。当前环糊精包合碘的研究方向可以归纳为三个方面:将碘/环糊精包合物溶解在混合多元醇中来提高它的应用价值;了解环糊精对碘的强约束力的原因以及这些作用力对空腔中碘的释放的影响;环糊精包合碘复合结构的确认以及化学计量比的解释。此外环糊精包合碘在电化学领域里面的研究也是一个热点。因此加强环糊精包合碘在这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

柳直风(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：碘与环糊精包合物的制备与应用，E-mail:zhifliu@163.com。

*通讯作者:温辉梁(1963-)，男，博士，教授，研究方向：食品化学与食品添加剂，E-mail:hlwen70@163.com。

江西省研究生创新专项资金项目(YC2016-S095)；国家重点实验室开放基金(SKLF-ZZB-201519)；江西省科技支撑计划(20112BBF60009);江西省教育局项目(批准号GJJ09064)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0321-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.058