截短侧耳素在醇—水复合溶剂体系溶解度的测定与关联

2019-01-30畅鸽刘俊果

中国抗生素杂志 2019年1期

畅鸽刘俊果

(1 华中科技大学同济医学院，武汉 430030；2 河北科技大学生物科学与工程学院，石家庄 050018)

截短侧耳素(pleuromutilin)是一种三环二萜类抗生素，能够有效抑制大部分革兰阳性菌以及部分革兰阴性菌，同时也是大量截短侧耳素类半合成衍生物(如泰妙菌素、沃尼妙林)的前体[1]。临床上作为兽用抗生素广泛使用[2]。截短侧耳素类抗生素具有独特的抗菌机制，其与细菌的核糖体50S亚单位上的独特位点相结合，阻断核糖体P区域，干扰肽酰转移酶活性，从而选择性地抑制细菌蛋白的合成。截短侧耳素类抗菌药物在体外与其他抗菌药物(大环内酯类、莫匹罗星或夫西地酸等)不发生靶特异的交叉耐药(target-specific cross resistance)[3]。

近年来，随着临床病菌耐药性的不断增强，截短侧耳素类抗生素由于其抑菌机制与临床上的其他抗生素显著不同，因此其作为人用药制剂的开发也日益受到重视[4-5]。半合成抗生素瑞他莫林是第一个(2007年)获准用于人类的截短侧耳素类抗菌药物[6]。

截短侧耳素目前利用微生物发酵法生产[7]，分子式为C22H34O5，相对分子量为378.51，结构式如图1。熔点为167～168℃。晶体呈乳白色，在酒精、丙酮、氯仿以及乙醚中易溶，在水中微溶，不溶于正己烷。具有较好的化学稳定性[8]。

发酵结束后，截短侧耳素主要存在于菌丝体内部，胞内产物达90%以上[10]，目前主流的提取工艺过程主要为：板框过滤→干燥→有机溶剂浸提→溶剂蒸发得到粗品→石油醚脱脂→有机溶剂溶解→活性炭脱色→冷却结晶[11]。尽管截短侧耳素具有的抗菌活性，但其由于其水溶性差等问题长期制约着该类药物在临床上的开发利用。

文献中有关截短侧耳素溶解度研究的报道极为有限，远不能满足技术与工艺开发的需求。本文通过对截短侧耳素在不同溶剂环境(甲醇和乙醇在不同浓度不同温度下)中溶解度的测定与数据分析，为优化截短侧耳素的提取工艺以及制剂提供基础理论数据支持，同时也为截短侧耳素各种制剂的开发提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

图1 截短侧耳素结构式[4]Fig.1 Moecular structure of pleuromutilin

截短侧耳素，纯度97.2%，浙江升华拜克生物股份有限公司提供。甲醇、乙醇均为分析纯，天津市永大化学试剂开发中心提供，水为实验室自制去离子水。试验仪器：电热恒温水浴箱，DK-98-11，天津市泰斯特仪器有限公司生产。MA30水份测定仪，Sartorius公司生产。分析天平AR1140以及XPE分析天平，Mettler-tolodo仪器(上海)有限公司。快速混匀器(SK-1)，金坛市富华电器有限公司。

1.2 实验方法

采用平衡法测定溶解度。将甲醇、乙醇用水配制成10%～50%(体积分数)的溶液，加入截短侧耳素，恒温水浴箱内保温3h，使截短侧耳素充分的溶解。期间每20min震荡1次，若截短侧耳素全部溶解，继续加入适量截短侧耳素，直到不溶为止。预实验数据说明，保温3h可以保证溶解过程达到平衡。上清液即为达到溶解平衡的饱和溶液。用移液器取上层清液加入到水份测定仪MA30中，分别记录蒸发前后的质量，根据重量法计算截短侧耳素的溶解度。试验完后，调整水浴锅到其他温度，重复上述试验步骤。针对溶解度在1mg/g以下的样品，实验的取液量约100克。每组实验重复3次，相对误差不高于5%，取3次实验的平均值作为溶解度测量结果。按下式计算摩尔分数溶解度：

式中，m1、m2和m3分别代表截短侧耳素、溶剂(甲醇或乙醇)的质量、水的质量，M1、M2和M3分别代表截短侧耳素、溶剂(甲醇或乙醇)的摩尔质量、水的摩尔质量。x1代表截短侧耳素在整个体系中的摩尔分数，x2代表溶剂(甲醇或乙醇)在溶剂体系中的摩尔分数。

2 结果与讨论

2.1 截短侧耳素溶解度数据测定结果

本论文测定了对截短侧耳素在体积分数为0、10%、20%、30%、40%和50%甲醇溶液中分别在0、10、20、30、40和50℃下的溶解度和截短侧耳素在体积分数为0、10%、20%、30%、40%和50%的乙醇溶液中分别在0、10、20、30、40、50和60℃下的溶解度，结果分别见表1～2以及图1～2。经过误差传递计算。表1～2中，摩尔分数溶解度的相对误差不超过0.2%。由这些图表可以看出，随着温度的提高，随溶剂中甲醇或乙醇含量的增加，截短侧耳素的溶解度显著同步增加。截短侧耳素在不同乙醇-水复合溶剂中的溶解度总体上比在甲醇-水复合溶剂中的溶解度高。

2.2 截短侧耳素溶解度数据的关联

2.2.1 多项式经验方程关联

在溶剂、溶质和压力等因素不变时，物质溶解度由温度决定，假设溶解度是随温度连续变化的，则溶解度是可以用温度的多项式方程来表示[12]：

公式中，x1为截短侧耳素的摩尔分数溶解度，T为绝对温度K，B0、B1、B2和B3则是多项式经验方程系数。将所测得的截短侧耳素溶解度数据采用上式进行关联，得到的多项式经验方程中的参数值见表3。

由表3可以看出，多项式经验方程很好的拟合了截短侧耳素溶解度数据，回归系数都在0.994以上，因此可以认为得到的这些回归方程可以用于估计截短侧耳素溶解度在不同温度下溶解度。

2.2.2 Apelblat

方程关联Abelblat等假定溶液的焓变为温度的线性函数方程，进而推导出摩尔分数溶解度和绝对温度之间存在下述关系[13-15]：

表1 截短侧耳素在不同甲醇-水复合溶剂中的摩尔分数溶解度(104 x1)Tab. 1 Solubilties of pleuromutilin in binary solvents of methanol-water(104 x1)

表2 截短侧耳素在不同乙醇-水复合溶剂中的摩尔分数溶解度(104 x1)Tab. 2 Solubilties of pleuromutilin in binary solvents of ethanol-water (104 x1)

图2 截短侧耳素在不同甲醇-水复合溶剂中的溶解度Fig.2 Solubilties of pleuromutilin in binary solvents of methanol-water

图3 截短侧耳素在不同乙醇-水复合溶剂中的溶解度Fig.3 Solubilties of pleuromutilin in binary solvents of ethanol-water

表3 截短侧耳素溶解度多项式经验方程关联结果Tab. 3 Parameters of general single model for pleuromutilin in binary solvents of methanol-water and ethanol-water

公式中，x1为截短侧耳素的摩尔分数溶解度，T为绝对温度K，A、B、C则是方程经验系数。将所测得的截短侧耳素溶解度数据采用Abelblat方程进行关联，得到的方程中的参数值见表4。

由表4的结果可以看出，Apelblat方程也很好的拟合了截短侧耳素溶解度数据，回归系数都在0.993以上，因此可以认为得到的这些Apelblat回归方程可以用于估计截短侧耳素溶解度在不同温度下溶解度。

2.2.3 截短侧耳素溶解过程热力学参数计算

根据范特霍夫方程，对真溶液来说，某物质摩尔分数溶解度的自然对数与绝对温度的倒数呈线性关系[16-17]，式中，ΔHF、ΔSF分别是溶解过程的表观摩尔焓变和摩尔熵变，R是气体常数，T为绝对温度K：

据此，截短侧耳素溶解度的自然对数对1/T进行回归，回归直线(回归系数都在0.98以上)分别见图4～5。因此，ΔHF、ΔSF可以根据直线的斜率与截距计算出来，结果见表5。由表5可以看出，截短侧耳素在甲醇(或乙醇)-水复合溶剂中的溶解过程焓变都是正值，且随着溶剂中醇含量的增加而增加。溶解过程的熵变在纯水中是负值，随着溶剂中醇含量的增加，熵变也随之增加。这些结果说明，截短侧耳素在甲醇(或乙醇)-水复合溶剂中的溶解过程是一吸热过程，随溶剂中不断增加的熵变成为溶解度大幅提升的主要驱动力。

表4 截短侧耳素溶解度Abelblat方程关联结果Tab. 4 Parameters of Apelblat equation for pleuromutilin in binary solvents of methanol-water and ethanol-water

图4 截短侧耳素在甲醇-水复合溶剂中的溶解度范特霍夫方程线性回归结果图Fig.4 Avan't Hoff plot of mole fraction solubility (lnx1)pleuromutilin in binary solvents of methanol-water

3 结论

本研究测定了截短侧耳素在不同甲醇(乙醇)-水复合溶剂中的溶解度，并采用多项式经验方程和Apelblat方程进行关联。结果表明，随着温度的提高，随溶剂中甲醇或乙醇含量的增加，截短侧耳素的溶解度显著同步增加。截短侧耳素在不同甲醇-水复合溶剂中的溶解度总体上比在甲醇-水复合溶剂中的溶解度高。同一温度下，截短侧耳素在纯水中的溶解度最低。多项式经验方程和Apelblat方程都能很好拟合截短侧耳素溶解度数据，回归系数都在0.993以上。热力学分析表明，截短侧耳素在甲醇(或乙醇)-水复合溶剂中的溶解过程焓变都是正值，且随着溶剂中醇含量的增加而增加。溶解过程的熵变在纯水中是负值，随着溶剂中醇含量的增加，熵变也随之增加。这些结果说明，截短侧耳素在甲醇(或乙醇)-水复合溶剂中的溶解过程是一吸热过程，随溶剂中不断增加的熵变成为溶解度大幅提升的主要驱动力。本研究结果可为截短侧耳素的提取工艺优化及制剂工艺开发提供重要的理论支撑。