響應(yīng)曲面法優(yōu)化姜黃素包合物的制備

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響應(yīng)曲面法優(yōu)化姜黃素包合物的制備

王健，曾吉祥，龔遠(yuǎn)林

(達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州635001)

【摘要】目的:探討姜黃素羥丙基β-環(huán)糊精包合物curcumin HP-β-cyclodextrin inclusion complex，CUR-HP-β-CD)的包合工藝。方法:以包合物的產(chǎn)率為考查指標(biāo)，考查溫度、攪拌時間、乙醇濃度對產(chǎn)率的影響。采用響應(yīng)曲面法對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用飽和水溶液法制備包合物，通過紫外掃描和差示掃描量熱法對包合物進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果:制備姜黃素羥丙基β-環(huán)糊精包合物的最佳條件為乙醇濃度為40％，飽和溫度50℃，反應(yīng)時間4 h。紫外掃描和差示掃描量熱法證明了所得產(chǎn)物為包合物;結(jié)論:本工藝適用于制備姜黃素羥丙基β-環(huán)糊精包合物。

【關(guān)鍵詞】姜黃素;羥丙基β-環(huán)糊精;包合物;響應(yīng)曲面

姜黃素是從姜科植物的根莖中提取的一種多酚類物質(zhì)，具有消炎、抗腫瘤、抗氧化等多種作用。目前為止，國內(nèi)外對姜黃素制劑的研究報道中以姜黃素口服液或腹腔注射占絕大多數(shù)，而靜脈應(yīng)用很少［1-5］。近幾年的研究顯示口服的姜黃素能被吸收到血循環(huán)中的量很少。因此，有必要對姜黃素的其它劑型進(jìn)行研究［6-12］。

環(huán)糊精是用嗜堿性芽孢桿菌所產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖轉(zhuǎn)移酶與淀粉作用生成的環(huán)狀低聚糖化合物，為水溶性。其非還原性的結(jié)晶性粉末是分子結(jié)構(gòu)為6～12個D-葡萄糖分子以1，4-糖苷鍵連接的環(huán)狀化合物，構(gòu)成中空圓筒形，姜黃素的兩個苯環(huán)結(jié)構(gòu)被包嵌于環(huán)糊精的中空圓筒結(jié)構(gòu)中就形成了包合物［13］。其包合過程中主分子(環(huán)糊精)和客分子(姜黃素)之間不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不存在離子鍵、共價鍵或配位鍵等化學(xué)鍵作用，包和作用是一種物理過程。包合物的形成主要取決于主客分子的立體結(jié)構(gòu)和兩者的極性。包合物的穩(wěn)定性由分子間的范德華力強(qiáng)弱決定，只有當(dāng)主客分子大小合適，主客分子間隙小，產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的范德華力則穩(wěn)定的包合物才形成［14］。當(dāng)姜黃素與環(huán)糊精形成包合物后其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　姜黃素環(huán)糊精包合物結(jié)構(gòu)

1　材料與方法

1.1材料

具體有:羥丙基-β-環(huán)糊精(山東濱州智源生物科技有限公司)、無水乙醇(成都市科龍化工試劑廠)、姜黃素(西安融升生物)、差示掃描量熱儀、TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)(北京普系統(tǒng)用儀器有限責(zé)任公司)、FA1004A電子天平(上海精天電子儀器有限公司)、SHB-lll循環(huán)水式多用真空泵(鞏義市英峪華科技儀器廠)、DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、Design-Expert 7.0.0軟件(State-Ease Inc，Minneapolis，USA)。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

查看相關(guān)文獻(xiàn)和單因素實(shí)驗(yàn)得出影響姜黃素環(huán)糊精包合物生成的因素主要有溫度、乙醇濃度、攪拌時間，并使用Design-Expert 7.0.0軟件，Box-Behnken響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［15-17］。響應(yīng)曲面試驗(yàn)的因素水平表如表1所示。

表1　響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素水平表

1.3包合物的制備

考慮到姜黃素和環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)，即姜黃素有2個苯環(huán)，而1個環(huán)糊精的筒狀結(jié)構(gòu)只能與1個苯環(huán)結(jié)構(gòu)相嵌合。為了使得姜黃素盡可能地被環(huán)糊精飽和所以按姜黃素與HP-β-環(huán)糊精的摩爾比1∶2分別稱取姜黃素0.092 g，HP-β-環(huán)糊精0.567 5 g［19-20］。按設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件，在一定溫度下，在不同濃度的乙醇溶液(總體積為50 mL)中先加入HP-β-環(huán)糊精制成溶液，再加入姜黃素、電磁攪拌器攪拌一定時間(按表2操作)，冷卻后，置于冰箱中冷藏過夜析出結(jié)晶，結(jié)晶抽濾后，用冷水洗滌，干燥器中干燥12 h即得姜黃素HP-β-環(huán)糊精包合物。

1.4包合物的表征

使用紫外分光光度計(jì)和差示掃描量熱儀來掃描產(chǎn)物和姜黃素、羥丙基-β-環(huán)糊精單體及其物理混合物，以判斷包合物是否形成。

2　結(jié)果

2.1姜黃素包合物的表征結(jié)果

紫外分光光度法結(jié)果顯示:姜黃素在430 nm處有較大吸收峰，羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-cyclodextrin，HP-β-CD)在200 nm處有較大吸收峰，而姜黃素包合物在430 nm處沒有吸收峰。這證明了姜黃素的苯環(huán)結(jié)構(gòu)已經(jīng)嵌合在環(huán)糊精的筒狀結(jié)構(gòu)中及CUR-HP-β-CD包合物已形成。

差示掃描量熱分析結(jié)果表明CUR的熔點(diǎn)為185.7℃; HP-β-CD的熔點(diǎn)為131.6℃。CUR與HP-β-CD形成包合物后其掃描波形與CUR、HP-β-CD及二者的物理混合物完全不同。從圖譜中可以看出CUR-HP-β-CD包合物的熔點(diǎn)為93.9℃，在單體物質(zhì)熔點(diǎn)峰之外，而CUR和HP-β-CD的物理混合物則在與單體物質(zhì)的熔點(diǎn)峰附近有熔點(diǎn)峰。這證明了CUR和HP-β-CD兩種分子之間形成了新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，即形成了包合物(圖2)。

2.2響應(yīng)曲面結(jié)果分析

表2為按照Design-Expert 7.0.0軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)分組實(shí)驗(yàn)得出的姜黃包合物產(chǎn)率。通過3-D效果圖可以發(fā)現(xiàn)溫度和乙醇濃度對產(chǎn)率的影響較大(圖3)。產(chǎn)率在溫度達(dá)到50℃，乙醇濃度最高達(dá)40％。

圖2　差示掃描量熱分析圖

表2　響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖3　溫度和乙醇濃度影響產(chǎn)率的響應(yīng)曲面圖

3　討論

通過采用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并分析其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法能非常有效地找出影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素及其水平范圍，且結(jié)果是具有較高的可信度。

包合物的形成是主分子與客分子間的相互組裝的過程。多數(shù)包合物的形成過程中，其ΔH(反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，放熱)和ΔS(熵減反應(yīng)，不利于反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行)都為負(fù)值。通常情況下溫度的升高不利于包合物的形成，但是通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度是影響包和反應(yīng)的最關(guān)鍵因素，如果反應(yīng)溫度過低，對環(huán)糊精姜黃素的溶解都不利;不過升高溫度，HP-β-CD的溶解度增大有利于形成分子囊。所以，利用環(huán)糊精在高溫和低溫下的溶解度的差別可得到結(jié)晶產(chǎn)物，即包合物。

姜黃素在水中的溶解度為20.705 μg/mL，基本上不溶于水，但溶于乙醇。而β-環(huán)糊精易溶于水并且其溶解度隨溫度升高而增大，但在乙醇中的溶解度小，所以乙醇濃度的選擇很關(guān)鍵。

姜黃素含有多個雙鍵、酚羥基及羰基等，性質(zhì)不穩(wěn)定，遇光、熱及氧氣易分解變色，因此在整個操作過程中應(yīng)避光。

對所制得的包合物采用了紫外光譜分析和差示掃描量熱法加以驗(yàn)證。結(jié)果表明所制得的姜黃素羥丙基β-環(huán)糊精包合物與姜黃素、羥丙基β-環(huán)糊精的物理混合物、姜黃素、羥丙基β-環(huán)糊精相比顯現(xiàn)出另外一種新物象性質(zhì)，由此證明了包合物已形成。

工業(yè)上提高姜黃素的溶解度通常是通過加入有機(jī)溶劑、助溶劑、表面活性劑等，但其毒性、刺激性等原因限制了其在臨床上的運(yùn)用。將姜黃素和環(huán)糊精制成包合物后能使其更好地應(yīng)用于藥品、食品、化妝品等行業(yè)，從而使姜黃素的運(yùn)用更加廣泛。

總之，姜黃素制備成環(huán)糊精包合物后不僅安全性好，藥物穩(wěn)定性和增溶效果的提升改善生物利用度，而且原材料經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，有較好的市場前景。

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(學(xué)術(shù)編輯:李毅)

Preparation of curcumin inclusion complex by respond surface methodology

WANG Jian，ZENG Ji-xiang，GONG Yuan-lin

(Dazhou Vocational and Technical College，Dazhou 635001，Sichuan，China)

【Abstract】Objective: To prepare and confirm the curcumin inclusion complex with HP-β-cyclodextrin.Methods: This experiment was designed by respond surface methodology (RSM)and the inclusion complex of curcumin with HP-β-cyclodextrin(HP-β-CD)was prepared by saturated solution method.Take the UV-scanning and differential scanning calorimetry (DSC)as the method to identify the successful formation of the inclusion complex.Results: The optimum formulation and preparation process for inclusion complex is established as follows: the inclusion temperature is 50℃，the ethanol concentration is 40％ and the mix time is 4 h.In addition，the product，curcumin HP-β-cyclodextrin inclusion complex，was verified by UV scanning and DSC.Conclusion: This method is suitable for preparing inclusion complex of curcumin HP-β-cyclodextrin.

【Key words】Curcumin; HP-β-cyclodextrin; Inclusion complex; RSM

作者簡介:王健(1964-)，男，四川宣漢人，副教授，主要從事病原生物與免疫學(xué)的研究。E-mail: wj_yxx@163.com

基金項(xiàng)目:四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0331)

收稿日期:2014-06-10

doi:10.3969/j.issn.1005-3697.2015.02.09

【文章編號】1005-3697(2015)02-0166-04

【中圖分類號】R283.6

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

網(wǎng)絡(luò)出版時間: 2015-5-1 01∶33網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20150501.1333.006.html