苦味酸-羧甲基纖維素酯的穩(wěn)定性及其對維生素B_6的吸附性能

戴曉峰，方桂珍

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

苦味酸-羧甲基纖維素酯的穩(wěn)定性及其對維生素B_6的吸附性能

戴曉峰，方桂珍*

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

以羧甲基纖維素鈉為原料，高碘酸鈉為選擇性氧化劑，在酸性條件下制備氧化的羧甲基纖維素。再將氧化的羧甲基纖維素6位的羧基進(jìn)行?；c苦味酸反應(yīng)制備復(fù)合型靶向口服吸附劑苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯。通過XRD、FTIR、元素分析及化學(xué)官能團(tuán)測定(堿熔法測醛基含量)等方法對苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯已生成;在模擬人體生理介質(zhì)的條件下，測定苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對尿素和肌酐的吸附性能，對尿素和肌酐的吸附平衡時間分別為10h和6h，醛基含量為75.23%。對尿素和肌酐的飽和吸附容量分別為16.08mg/g和2.10mg/g。尿素在氧化CMC－PA上的吸附等溫線均符合Freundich方程，說明主要為化學(xué)吸附且吸附指數(shù)(1/n)小于2，表明吸附為“優(yōu)惠吸附”。

羧甲基纖維素，苦味酸，肌酐，尿素，吸附動力學(xué)曲線，吸附等溫曲線

羧甲基纖維素(CMC)是纖維素醚的一種，通常是以短棉絨(纖維素含量高達(dá)98%)或木漿為原料，通過氫氧化鈉處理后再與氯乙酸鈉(ClCH2COONa)反應(yīng)而成。CMC具有良好的水溶性，在水溶液中有增稠、黏結(jié)、保水、乳化及懸浮作用，因而廣泛應(yīng)用于石油開采、陶瓷、食品、化妝品、印染、造紙、紡織、涂料、皮革、塑料、醫(yī)藥等許多行業(yè)［1］。慢性腎功能衰竭(chronic renal failure)，簡稱慢性腎衰(CRF)，是指原發(fā)性或繼發(fā)性腎臟疾患所造成的腎結(jié)構(gòu)和功能損害。病因主要是患者體內(nèi)聚集了兩種主要的毒素:尿素﹑肌酐。因此去除體內(nèi)過量的毒素是治療慢性腎衰竭的關(guān)鍵，而口服吸附劑是治療慢性腎衰竭的有效手段之一。有研究者進(jìn)行了氧化纖維素、包覆包醛氧淀粉和酶制劑等吸附作用的研究［2－6］，取得了很好的進(jìn)展。但是，目前具有較高吸附容量的吸附劑和吸附材料還很少。本研究主要以羧甲纖維素為原料，通過氧化、?；确椒ê铣闪艘环N對慢性腎衰竭具有輔助治療作用的口服吸附劑—苦味酸氧化羧甲基纖維素酯，利用其特異性功能基—醛基和硝基苯環(huán)(醛基與尿素上－NH2發(fā)生Schiff反應(yīng)、硝基苯環(huán)與肌酐發(fā)生jaffe式絡(luò)合反應(yīng))，生成較穩(wěn)定的1∶1σ絡(luò)合物，具有清除慢性腎衰竭患者體內(nèi)毒素，延緩腎衰發(fā)展進(jìn)程，減少血液透析次數(shù)的作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羧甲基纖維素納(CMC) 宜興市通達(dá)化學(xué)有限公司;苦味酸(分析純，PA)、高碘酸鈉，尿素、肌酐、吡啶、氯化亞砜(均為分析純) 天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。

SHZ－82A型恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司;D/MAX－－r B型 X射線衍射儀 日本理學(xué); Magna－560紅外譜儀 美國尼高力公司;EA3000型元素分析儀 意大利Euro公司;Tu－1800PC型紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 苦味酸－氧化羧甲基纖維素的制備

1.2.1.1 氧化羧甲基纖維素的制備 將1g CMCNa加入到40mL濃度為3mol/L的HCl溶液中浸泡2h，水洗至中性，得到乳白色的粘稠狀液體，烘干后得到產(chǎn)品酸化的CMC。

棕色三口瓶中加入40mL水，在避光的條件下加入4g高碘酸鈉，用硫酸調(diào)節(jié)pH=2，加入1g酸化的羧甲基纖維素，升溫到50℃，反應(yīng)2h，加入少量乙二醇溶液，繼續(xù)反應(yīng)1h，過濾，濾餅用蒸餾水充分洗滌至IO－

3消失，45℃真空干燥24h，研磨后得到白色粉末狀產(chǎn)物氧化的CMC。

1.2.1.2 氧化羧甲基纖維素酰氯的制備 將1g氧化的CMC和20mL N，N－二甲基甲酰胺(DMF)加入裝有攪拌器、溫度計和恒壓滴液漏斗的三口瓶中，攪拌溶脹后，緩慢滴加3mL的氯化亞砜，在0℃條件下攪拌0.5h，升溫到90℃反應(yīng)1h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻到室溫，用丙酮洗至濾液不含氯離子，然后50℃真空干燥，除去殘留于酰氯中的溶酶和氣體，得到深棕色的固體產(chǎn)物氧化CMCCl。

1.2.1.3 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的制備 將1g氧化CMCCl、2g苦味酸和50mL吡啶分別加入到裝有攪拌器、冷凝管、滴液漏斗的三口瓶中，攪拌加熱至85℃反應(yīng)4h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻，用熱水和無水乙醇洗去沒有反應(yīng)的苦味酸，過濾，然后50℃真空干燥，除去剩余的乙醇，得到黃色固體CMC－PA。

1.2.2 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的結(jié)構(gòu)表征

1.2.2.1 醛基含量的測定 準(zhǔn)確稱取苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯0.15g置于100mL錐形瓶中，精密加入0.2mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液10.0mL，樣品溶解后迅速置于70℃水浴中加熱2min，取出，冷卻，然后加入0.1mol/L的 H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液 15.0mL和蒸餾水30.0mL，以酚酞為指示劑，用0.2mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點。則一個葡萄糖單元中2，3位羥基被氧化為二醛基的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，即產(chǎn)物的醛基含量按式(1)計算:

式中，G:樣品重量，g;M1:NaOH標(biāo)液的濃度，mol/L;V1:滴定消耗的NaOH溶液的體積，mL;M2: H2SO4標(biāo)液的濃度，mol/L;V2準(zhǔn)確加入H2SO4溶液的體積，mL;470，苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯結(jié)構(gòu)單元的平均分子量。

1.2.2.2 紅外光譜測試 羧甲基纖維素、氧化羧甲基纖維素、苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯經(jīng)真空干燥后，KBr壓片法測其紅外光譜。

1.2.2.3 元素分析 樣品經(jīng)真空干燥后，用元素分析儀測定N、H、O、S元素含量。

1.2.2.4 X－射線衍射(XRD)測試 采用X射線衍射儀觀察羧甲基纖維素、苦味素－氧化羧甲基纖維素酯的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，Cu靶，Ka射線，Ni片濾光，λ=1.5405× 10－10m，管壓 45kV，電流 40mA，掃描范圍:2θ= 1～90°;分峰法計算結(jié)晶度(Xc)，以謝樂公式計算晶粒大小，Lhkl=Kλ/βcosθ，β為半峰寬，K為謝樂常數(shù)，取0.94。

1.2.3 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對肌酐和尿素的吸附測定方法 用蒸餾水配制透析液，組成:Na+的濃度132.5mmol/L;K+的濃度1.0mmol/L;Ca2+的濃度1.75mmol/L;Mg2+的濃度0.50mmol/L;Cl－的濃度98.0mmol/L和Ac－的離子濃度40.0mmol/L，再用透析液配制成含肌酐和尿素濃度分別為100mg/L的肌酐透析液和6g/L的尿素透析液。

1.2.3.1 肌酐吸附性能的測定 精確稱取0.05g氧化CMC－PA試樣，移取10mL肌酐透析液，在37℃的振蕩水浴上吸附6h后，過濾，濾液用苦味酸法［7］測定殘余的肌酐濃度。按式(2)和式(3)計算氧化CMC－PA對肌酐的吸附容量AC和吸附量AQ。

式中，Ci和Ci+1分別是第i次和第i+1次取樣測得的肌酐的濃度，mg/L;Vi是第i次取樣時溶液的體積，L; W是稱取吸附劑的干基質(zhì)量，g。

1.2.3.2 尿素吸附性能的測定 準(zhǔn)確稱取苦味酸－氧化羧甲基纖維素試樣0.05g，加入10mL尿素濃度為6g/L的透析液，在37℃的振蕩水浴上吸附6h后，過濾，濾液用對二甲氨基苯甲醛比色法測定殘余尿素的濃度。按式(5)計算出氧化纖維素對尿素的吸附容量AC:

式中，C0為吸附前溶液中的肌酐的濃度，mg/L; C為吸附后溶液中肌酐的濃度，mg/L;W為稱取吸附劑的干基質(zhì)量，g。

吸附動力學(xué)曲線:在100mL高形瓶中，加入1g氧化CMC－PA和肌酐濃度為100mg/L的肌酐透析液，在37℃恒溫振蕩水浴中吸附，每隔一段時間取上清液10mL，測定肌酐的濃度，由吸附前后溶液中的濃度差，根據(jù)式(4)計算肌酐的吸附容量AC:

式中，C0為吸附前尿素的濃度，mg/mL;C為吸附后溶液中尿素的濃度，mg/mL;W為稱取吸附劑的干基質(zhì)量，g。

吸附動力學(xué)曲線:精確稱取1g苦味酸氧化羧甲基纖維素加入100mL尿素氮濃度為6g/L的尿素透析液，在37℃恒溫振蕩水浴中吸附，每隔一定時間取上層清液10mL，利用對二甲氨基苯甲醛比色法測定尿素的濃度，由吸附前后溶液中的濃度差，根據(jù)式(6)計算不同吸附時間DAC對尿素的吸附容量ACi:

式中，Ci和Ci+1分別是第i次和第i+1次取樣測得的尿素的濃度，mg/mL;Vi是第i次取樣時溶液的體積，mL;W是稱取吸附劑的干基質(zhì)量，g。

吸附等溫線:精確稱取相同質(zhì)量的氧化CMCPA，測定氧化CMC－PA在不同尿素質(zhì)量濃度的透析液(pH=7)以及不同溫度下對尿素的吸附容量AC。

2 結(jié)果與討論

2.1 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的合成與結(jié)構(gòu)表征

以羧甲基纖維素為原料，在酸性條件下用高碘酸鈉將其2，3位羥基氧化成醛基。再對羧甲基纖維素的羧基進(jìn)行?；甚Ｂ龋Ｂ扰c苦味酸發(fā)生親和取代反應(yīng)最終生成苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯。反應(yīng)路線如下。

圖1 氧化CMC－PA的合成路線Fig.1 Oxidized CMC－PA synthesis routes

2.2 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 紅外譜圖分析 從圖2中可以看出，在3435cm－1處有一中等強度較寬的吸收峰，是締合羥基O－H的伸縮振動吸收峰?？辔端嵫趸燃谆w維素酯在1745cm－1的吸收峰為羧甲基纖維素氧化后產(chǎn)生的羰基的伸縮振動吸收峰。因為醛基形成了水合半醛醇和分子內(nèi)及分子間的半縮醛的形式，所以圖中羰基吸收峰峰強較?。?］，1555cm－1出現(xiàn)的強度比較小的特征峰為苯環(huán)骨架的伸縮振動特征吸收峰。綜上所述，證明了氧化CMC－PA的生成。

2.2.2 X－射線衍射圖譜分析 從圖3中可以看出，苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的譜圖有很多衍射峰，峰形較亂，不同于羧甲基纖維素衍射角2θ=19.84°處一個較大的彌散峰，說明羧甲基纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)基本被完全破壞，基本呈無序的狀態(tài)，主要是由于位阻效應(yīng)使苦味酸氧化羧甲基纖維素的規(guī)則度降低，產(chǎn)生更多非晶區(qū)［9］。

圖2 羧甲基纖維素、氧化的羧甲基纖維素苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的紅外譜圖Fig.2 Infrared spectra of carboxymethyl cellulose，oxidized carboxymethylcellulose and oxidized CMC－PA

圖3 羧甲基纖維素和氧化苦味酸－羧基纖維素酯的X射線衍射圖Fig.3 X－ray diffraction figure of carboxymethyl cellulose and oxidized CMC－PA

2.2.3 元素分析 從表1中可以看出，苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯的氮含量與理論相比較低，主要是由于纖維素的大分子結(jié)構(gòu)，高分子鏈的卷曲、纏繞等特性，使其與苦味酸發(fā)生的親和取代反應(yīng)很難徹底完全反應(yīng)。氧化的羧甲基纖維素大約每5個單元中就有1個可以連接上苦味酸。經(jīng)過測定氧化CMCPA的醛基含量為75.23%，H元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理論值大致相符。

表1 氧化CMC－PA元素分析結(jié)果Table 1 Oxidation CMC－PA element analysis results

2.3 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對肌酐和尿素的吸附

2.3.1 肌酐吸附性能的測定 圖4是在37℃時，氧化CMC－PA對肌酐的吸附動力學(xué)曲線。從圖4中可以看出，開始階段，氧化CMC－PA對肌酐的吸附容量隨吸附時間的增加迅速增大，隨著吸附時間的繼續(xù)增加，吸附速率逐漸減緩，吸附達(dá)到平衡。吸附的平衡時間大約在6h，其飽和吸附量為2.10mg/g。與苦味酸羧甲基纖維素酯［11］相比，其吸附平衡時間更短，

飽和吸附量更高，主要是由于羧甲基纖維素經(jīng)過氧化后其結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，在溶劑中的溶解性更好，使其與苦味酸發(fā)生的親核取代反應(yīng)更加容易。另外肌酐在常溫及堿性條件下可與硝基苯衍生物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)［12－13］，通過元素分析測定氧化CMC－PA中所含有的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)更多，其所含有的硝基基團(tuán)更多，導(dǎo)致其飽和吸附量更高。

圖4 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對肌酐的吸附動力學(xué)曲線Fig.4 Adsorption kinetic curve of oxidized CMC－PA for creatinine

2.3.2 尿素吸附性能的測定

2.3.2.1 吸附動力學(xué)曲線 圖5是在37℃時，氧化CMC－PA對尿素的吸附動力學(xué)曲線。從圖5中可以看出，吸附的平衡時間大約在10h，與人體的消化周期相接近。吸附接近平衡狀態(tài)時，其飽和吸附量為16.08mg/g。與3，5－二硝基苯甲酸氧化纖維素酯對尿素的吸附動力學(xué)曲線相比［10］，平衡的吸附時間較長，主要原因是由于苦味酸氧化羧甲基纖維素酯在透析液中的溶脹效果稍微差一些。

2.3.2.2 不同溫度下氧化CMC－PA對尿素的吸附等溫曲線 如圖6所示，隨著初始質(zhì)量濃度的增大，氧化CMC－PA對尿素的吸附容量增大;隨著溫度的升高，吸附容量逐漸增加，說明吸附過程為吸熱過程，高溫更加有利于吸附過程的進(jìn)行。37℃吸附等溫曲線可以用Freundich方程進(jìn)行擬合［14］。Freundich方程的線性化形式如式(7)所示:

圖5 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對尿素的吸附動力學(xué)曲線Fig.5 Adsorption kinetic curve of oxidized CMC－PA for urea

式中:AC為吸附平衡時氧化CMC－PA對尿素的吸附容量(mg/g);Ce為透析液中尿素的平衡質(zhì)量濃度(mg/L);K為常數(shù)。采用Freundich方程對尿素在氧化CMC－PA上的吸附等溫曲線進(jìn)行線性擬合，線性方程為:lg(AC)=0.7339lgCe－1.545，相關(guān)系數(shù)R= 0.9858。從圖7、圖8中可以看出，尿素在氧化CMCPA上的吸附等溫曲線基本符合Freundich方程，說明尿素在氧化CMC－PA上的吸附主要是化學(xué)吸附。

圖6 不同溫度下苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對尿素吸附等溫曲線Fig.6 Adsorption isotherm curve of oxidized CMC－PA for urea at different temperature

圖7 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對尿素的平衡吸附Fig.7 Equilibrium adsorption of oxidized CMC－PA for urea

圖8 苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯對尿素平衡吸附的Freundich等溫線Fig.8 Equilibrium adsorption Freundich isotherm of oxidized CMC－PA for urea

Freundich方程中的參數(shù)1/n一般稱為吸附指數(shù)，可以粗略地表示吸附劑的吸附強度。通常1/n在0.1～0.5之間說明吸附反應(yīng)容易進(jìn)行，在2以上表示吸附難進(jìn)行［15］。

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

3 結(jié)論

以羧甲基纖維素為原料，采用條件溫和的氧化、酰氯化的方法制備苦味酸氧化羧甲基纖維素酯，通過紅外光譜、元素分析、X－射線衍射等手段對苦味酸氧化羧甲基纖維素酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，研究結(jié)果表明，苦味酸氧化羧甲基纖維素酯已生成，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到2.592%。

在模擬人體生理介質(zhì)的條件下，測定了苦味酸氧化羧甲基纖維素酯對肌酐和尿素的吸附性能。吸附實驗表明:在37℃時，苦味酸氧化羧甲基纖維素酯對肌酐的吸附平衡時間為6h，對肌酐的最大吸附容量為2.10mg/g;對尿素的吸附平衡時間為10h，最大吸附量為16.08mg/g。羧甲基纖維素做為一種新型的藥用輔料，具有可食性、成本低、無毒性等優(yōu)點，特別是其大分子的結(jié)構(gòu)特點，作為骨架進(jìn)一步提高了苦味酸氧化羧甲基纖維素酯作為一種具有藥用價值的膳食纖維的穩(wěn)定性，而苦味酸－氧化羧甲基纖維素酯所具有的“優(yōu)惠吸附”的特點也使其有望成為一種很有潛力的輔助治療慢性腎衰竭的吸附劑或吸附材料。

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

DAI Xiao－feng，F(xiàn)ANG 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，F(xiàn)TIR，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 *通訊聯(lián)系人

戴曉峰(1985－)，男，碩士研究生，研究方向:纖維素功能材料。

東北林業(yè)大學(xué)論文資助項目(j2am02);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20060225008)。