均勻設(shè)計法優(yōu)化β-環(huán)糊精微球的制備工藝

蘇秀霞，支娟娟，李仲謹，楊 威，趙鈐妃

（陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710021）

研究開發(fā)

均勻設(shè)計法優(yōu)化β-環(huán)糊精微球的制備工藝

蘇秀霞，支娟娟，李仲謹，楊 威，趙鈐妃

（陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710021）

為了優(yōu)化β-環(huán)糊精微球的制備工藝，采用U13*（134）均勻設(shè)計對合成工藝優(yōu)化，得出最佳合成工藝為反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間4 h，交聯(lián)劑的用量8 g，攪拌速度1000 r/min。影響微球粒徑的因素：攪拌速度＞反應(yīng)溫度。影響產(chǎn)量的因素：交聯(lián)劑的用量＞反應(yīng)時間。最佳合成工藝下的微球表面圓整，具有較好的熱穩(wěn)定性。

β-環(huán)糊精微球；均勻設(shè)計；熱穩(wěn)定性

β-環(huán)糊精是由7個D-吡喃葡萄糖分子，經(jīng)α-1,4糖苷鍵首尾互接形成的去頂?shù)腻F形中空狀分子，環(huán)糊精外側(cè)大口端有伯羥基，但位于環(huán)內(nèi)的 C3、C5氫原子覆蓋了配糖氧原子，所以β-環(huán)糊精分子有獨特的兩親結(jié)構(gòu)——內(nèi)腔疏水、外側(cè)親水，獨特的結(jié)構(gòu)就預(yù)示著β-環(huán)糊精有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。而β-環(huán)糊精分子經(jīng)環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)后形成的網(wǎng)狀交聯(lián)物不僅具有環(huán)糊精分子本身具有的催化、緩釋、識別等功能，又增加了其疏水能力，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又有了不同大小的空腔結(jié)構(gòu)等[3]，并且合成的β-環(huán)糊精微球的熱穩(wěn)定性優(yōu)于β-環(huán)糊精，在吸附和緩釋方面有重要作用[4-6]。

本工作以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，以煤油為油相，采用反相懸浮聚合的方法合成β-環(huán)糊精微球[7]。影響β-環(huán)糊精微球的合成因素有：溫度、反應(yīng)時間、交聯(lián)劑的用量、攪拌速度等。本文作者采用均勻設(shè)計法對β-環(huán)糊精微球的合成工藝進行優(yōu)化，得到粒徑較小、產(chǎn)量較高的β-環(huán)糊精微球。

1 材料與方法

1.1 實驗原料與試劑

β-環(huán)糊精，BR，天津市博迪化工有限公司；煤油，市售；氫氧化鈉，AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；環(huán)氧氯丙烷，AR，天津市化學(xué)試劑六廠三分廠；Span-80，AR，天津市福晨化學(xué)試劑廠；Tween-20，AR，天津市福晨化學(xué)試劑廠；鹽酸，AR，北京化工廠；無水乙醇，AR，天津市富宇精細化工有限公司；丙酮，AR，天津市博迪化工有限公司；實驗用水為蒸餾水。

1.2 β-環(huán)糊精微球的合成與表征

1.2.1β-環(huán)糊精微球的合成

向裝有攪拌裝置、溫度計、恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中加入40%的氫氧化鈉水溶液和一定量的β-環(huán)糊精，使其糊化，得到透明溶液；然后在 30 ℃恒溫下恒速攪拌（600 r/min），用恒壓滴液漏斗逐滴加入交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷，然后反應(yīng)1.5 h。然后加入乳化劑和煤油混合溶液[m(Span-80)∶m(Tween-20)=3∶1]，高速攪拌（1000 r/min）下升溫，改變攪拌速率，一段時間后反應(yīng)結(jié)束。所得乳液靜置，離心，依次用稀鹽酸、無水乙醇、水、丙酮充分洗滌。所得白色乳狀固體置于通風(fēng)櫥中晾干，即為所得β-環(huán)糊精微球。

1.2.2β-CD微球的β-CD含量及粒徑分布的測量

向激光粒度分布儀樣品槽中加入一定量的β-CD微球，直至遮光率為10%～15%，檢測其粒徑分布。利用比色法測定β-CD 微球中β-CD 的含量[4]。基本原理是首先將β-CD 在0.5 mol/L 硫酸溶液中水解成葡萄糖，然后利用分光光度計檢測葡萄糖的含量。

1.2.3β-環(huán)糊精微球的表征

將β-CD和β-CD 微球與KBr粉末混研壓片后，用Vector-22 型傅里葉變換紅外光譜儀（德國Bruker公司）測定其紅外吸收光譜；取一定量的β-CD 微球固定到金屬片上，真空下鍍金，干燥。在KYKY1000B 型掃描電子顯微鏡（中科院儀器廠）下觀測微球表面形態(tài)；將適量β-CD 微球真空冷凍干燥，使用TGA Q500型熱重分析儀（美國TA公司）（溫度范圍20～600 ℃）進行TGA測試，分析其熱穩(wěn)定性能。

1.2.4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

稱取無水葡萄糖60 mg，定容到100 mL，分別取上述溶液1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL、2.50 mL、3.00 mL定容到50 mL。取上述定容溶液各2 mL，分別加入4%的苯酚溶液1 mL，迅速加入7.0 mL的濃硫酸，在40 ℃水浴中保溫0.5 h，取出再冰浴中放置5 min，取出。以2.0 mL蒸餾水為空白，全波長掃描后，找到最大吸收波長，測定吸光度。得出葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖 1，A=6.9667Cglucose－0.0948，其中相關(guān)系數(shù)為0.9827。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3 因素、水平及指標(biāo)的確定

考察了交聯(lián)劑的用量（X1）、反應(yīng)溫度（X2）、反應(yīng)時間（X3）、攪拌速度（X4）4個因素對微球的產(chǎn)量（Y1）及粒徑（Y2）的影響。按U13(134) 均勻設(shè)計試驗表，以微球的產(chǎn)量和粒徑為評價指標(biāo)，探索最佳合成微球工藝。試驗結(jié)果見表 1。均勻設(shè)計偏差D=0.2076.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗安排及結(jié)果

根據(jù)表1因素條件水平，按1.2.1節(jié)所述項方案制備β-CD 微球，對其產(chǎn)物進行稱量，得出產(chǎn)量；在激光粒度分布儀樣品槽中加入少量β-CD 微球，檢測其粒徑分布。均勻試驗安排及結(jié)果見表2。

表1 均勻設(shè)計試驗表

表2 均勻設(shè)計U13(134) 及試驗結(jié)果

本實驗通過王玉方“均勻設(shè)計3.0軟件”中自選變量法進行數(shù)據(jù)分析，得以下結(jié)果：Y1=－15.0+ 3.17X1－18.74X3，其復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.9999，顯著性水平α＝0.05，檢驗值F＝237.2，臨界值F（0.05，2，10）＝4.103，F(xiàn)＞F（0.05，2，10），回歸方程顯著。其中因素X1（交聯(lián)劑的用量）對Y1（產(chǎn)量）的影響最大為92.2%，因素X3（反應(yīng)時間）對Y1（產(chǎn)量）的影響為0.251%。

Y2=150－0.798X2－20.71X4，其復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.9972，顯著性水平α＝0.05，檢驗值F＝451.0，臨界值F（0.05，1，10）＝4.965，F(xiàn)＞F（0.05，1，10），此方程項顯著。其中因素X4（攪拌速度）對Y2（粒徑）的影響最大為52.4%，因素X2（反應(yīng)溫度）對Y2（粒徑）的影響為25.4%。

根據(jù)回歸方程，得出Y1、Y2的最優(yōu)組合，并在此基礎(chǔ)上對Y1、Y2進行綜合分析，得出最佳合成工藝：X1=8 g，X2=80 ℃，X3=4 h，X4=1000 r/min。

2.2 驗證試驗

根據(jù)優(yōu)化條件，按照 1.2.1節(jié)所述項合成方法進行微球的合成，得出樣品進行測量。由表3得出，實驗值與預(yù)測值在誤差允許的范圍內(nèi)，說明優(yōu)化設(shè)計的合成方案準(zhǔn)確可信。

2.3 β-CD 微球的熱分析

圖2為β-CD和β-CD 微球的熱分解過程，第一階段為20～100 ℃的失水過程，β-CD和β-CD 微球的失重率分別為13%和3%；然后 260～410 ℃內(nèi)，β-CD的失重率為76%，而β-CD 微球在286～340 ℃內(nèi)的失重率為70.7%，在此階段β-CD比β-CD微球的失重率較為迅速，β-CD 微球的失重原因主要是醚鍵的斷裂、葡萄糖的分解等；在340～600 ℃范圍，β-CD 微球的失重率極為緩慢，失重可能為交聯(lián)劑的揮發(fā)所致。綜上所述，β-CD 微球的熱穩(wěn)定性較好，對載藥時非常有利的。

表3 優(yōu)化方案驗證試驗結(jié)果

圖2 β-CD和β-CD 微球的TGA熱分析圖

2.4 β-CD 微球的IR

圖3為β-CD和β-CD微球的紅外光譜圖，其中a為β-CD的紅外圖譜，b為β-CD 微球的紅外圖譜。兩圖在3400 cm－1處都有吸收，說明β-CD 微球仍然具有β-CD的特征官能團—OH。2920 cm－1處為亞甲基的伸縮振動峰，β-CD 微球的吸收峰較β-CD較寬，說明了交聯(lián)劑與β-CD交聯(lián)后，亞甲基增多所致，1380 cm－1的峰是亞甲基的相關(guān)峰，原β-CD的吸收較弱，聚合后的峰較寬，佐證了交聯(lián)劑與環(huán)糊精交聯(lián)后亞甲基增多。并且b在906.8 cm－1處沒有環(huán)氧基吸收峰，說明ECH與β-CD 發(fā)生了反應(yīng)。1300～1000 cm－1處為醚鍵的特征吸收峰，聚合后的峰較寬較強，進一步證明了β-CD與ECH有交聯(lián)。

圖3 β-CD和β-CD 微球紅外吸收光譜圖

2.5 β-CD 微球的形貌分析

掃描電鏡圖片（圖 4）分析表明，β-CD 微球表面比較光滑圓整，呈較好的圓球形。

圖4 分別為多個、單個β-CD 微球掃描電鏡圖

2.6 β-CD 微球的 β-CD含量

稱取 25 mgβ-CD 微球，加入 0.5 mol/L的H2SO4溶液15 mL，在100 ℃下水解8 h，定容到50 mL，取水解液1.25 mL、5%的苯酚溶液0.75 mL、濃硫酸4.5 mL進行顯色反應(yīng)[8]，用紫外可見分光光度儀在488 nm處測吸光度A為2.713，按式（1）計算，得出β-CD 微球的β-CD含量為72.6%。

3 結(jié) 論

考察了交聯(lián)劑的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、攪拌速度4個因素13水平對微球的產(chǎn)量及粒徑的影響。如果采用全面交叉實驗方案需要134次，正交設(shè)計需要52次實驗，而采用均勻設(shè)計軟件只需13次試驗，就可得出合成β-CD 微球的最佳工藝方案，并且由此分析得出實驗因素對產(chǎn)物產(chǎn)量和粒徑的影響關(guān)系。合成β-CD 微球的最佳工藝方案為：反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時間4 h，交聯(lián)劑的用量8 g，攪拌速度1000 r/min。影響β-CD 微球產(chǎn)量的因素為交聯(lián)劑的用量和反應(yīng)時間，其中交聯(lián)劑用量的作用效果最明顯為 92.2%。而影響微球粒徑的因素為攪拌速度和反應(yīng)溫度，攪拌速度對粒徑的影響為 52.4%，反應(yīng)溫度對粒徑的影響為25.4%。

β-CD 微球的β-CD含量為 72.6%，結(jié)果表明β-CD 微球的β-CD的質(zhì)量分數(shù)較高，充分保留了環(huán)糊精的空腔結(jié)構(gòu)，這對微球載藥是非常有利的。

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Optimal preparation ofβ-cyclodextrin microsphere using uniform design

SU Xiuxia，ZHI Juanjuan，LI Zhongjin，YANG Wei，ZHAO Qianfei
（Key Laboratory of Auxiliaries Chemistry & Technology for Chemical Industry，Ministry of Education，School of Chemistry and Chemical Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi’an 710021，Shaanxi，China）

The preparation ofβ-cyclodextrin microspheres was optimized by using U13*（134）uniform design. The result showed that the optimμm reaction temperature was 80 ℃，reaction time was 4 h，the amount of crosslinker was 8 g and stirring speed was 1000 r/min. The factors affecting microsphere size were stirring speed，and reaction temperature. The factors affecting yield were crosslinking agent，and reaction time. The surface of thoseβ-CD microspheres under optimal conditions was smooth and had good thermal stability.

β-cyclodextrin microspheres；uniform design；thermal stability

TQ 314.2

A

1000-6613（2011）08-1785-04

2010-12-24；修改稿日期2011-02-17。

國家自然科學(xué)基金（50573046）及陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目。

蘇秀霞（1964—），女，教授，主要從事天然產(chǎn)物改性及深加工研究。E-mail suxiuxia@sust.edu.cn。