辛烯基琥珀酸糊精酯的制備及結(jié)構(gòu)表征

李彥萍 陳佩

摘要：以β-環(huán)糊精和辛烯基琥珀酸酐為主要原料，通過(guò)濕法制備工藝合成辛烯基琥珀酸糊精酯。本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)，探討反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的影響。結(jié)果表明，辛烯基琥珀酸糊精酯最佳制備工藝條件為：反應(yīng)溫度35 ℃，pH值8.0，反應(yīng)時(shí)間4 h，糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%。采用傅里葉紅外光譜分析儀、熱重分析儀對(duì)最佳工藝條件下合成的辛烯基琥珀酸糊精酯進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。紅外光譜分析結(jié)果顯示：辛烯基琥珀酸糊精酯在1 723、1 572 cm-1處均出現(xiàn)了新的吸收峰，分別由酯基、碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生。熱重分析結(jié)果表明：酯化反應(yīng)形成的辛烯基琥珀酸糊精酯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：β-環(huán)糊精；辛烯基琥珀酸糊精酯；紅外光譜分析；熱重分析；制備工藝

中圖分類號(hào)： TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0268-04

環(huán)糊精是由 6～13個(gè)D-吡喃葡萄糖單元，通過(guò)α-1，4-糖苷鍵相互連接成的一類環(huán)狀低聚麥芽糖類化合物。β-環(huán)糊精是含有7個(gè)葡萄糖單元的低聚物，由淀粉經(jīng)酶作用后水解合成，多為微溶于水、不溶于有機(jī)溶劑的白色粉末，但在吡啶、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、乙二醇中微溶。β-環(huán)糊精特有的空腔結(jié)構(gòu)可與其他分子作用形成包合物，改善自身的水溶性、穩(wěn)定性、生物相溶性，起到增溶、包裝、運(yùn)輸生物分子等作用[1-2]。辛烯基琥珀酸糊精酯是由疏水性的辛烯基琥珀酸酐和糊精乳在弱堿性條件下經(jīng)酯化反應(yīng)制得的一類衍生物（圖1）[3]。分子中同時(shí)引進(jìn)了親水性的羧基、疏水性的碳碳雙鍵，故可作為優(yōu)良的乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑等應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、微膠囊等領(lǐng)域，并得到科研工作者的廣泛關(guān)注[4-6]。本研究以β-環(huán)糊精、辛烯基琥珀酸酐為原料，按照濕法合成工藝，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的影響，得到合成辛烯基琥珀酸糊精酯的最佳工藝參數(shù)，以期為農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和高值利用提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用傅里葉紅外光譜分析儀、熱重分析儀等分析設(shè)備對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行了表征。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

β-環(huán)糊精（廣東省永光環(huán)狀糊精有限公司）；辛烯基琥珀酸酐（南京古田化工有限公司）；無(wú)水乙醇、濃鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；HWS-12型電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；AM90L-H型數(shù)顯電動(dòng)攪拌機(jī)（上海昂尼儀器儀表有限公司）；Tensor37型傅里葉變換紅外光譜儀（德國(guó)Bruker公司）；Pyris-1型熱重分析儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）。

1.2 辛烯基琥珀酸糊精酯的制備

稱取20 g β-環(huán)糊精，分別配制成特定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的糊精乳（25%、30%、35%、40%、45%），倒入配有恒溫磁力攪拌器的三口瓶中，緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的酸酐乙醇溶液，同時(shí)用0.1 mol/L 的NaOH溶液調(diào)節(jié)糊精乳pH值至弱堿范圍（30 min內(nèi)滴加完全）。反應(yīng)分別在特定溫度（30、35、40、45、50 ℃）下進(jìn)行。反應(yīng)完全后，用0.1 mol/L 的HCl溶液調(diào)節(jié)體系pH值至6.5左右[7，8]。所得產(chǎn)物過(guò)濾、洗滌、烘干后待測(cè)。

1.3 辛烯基琥珀酸糊精酯取代度測(cè)定

稱取5.0 g辛烯基琥珀酸糊精酯于燒杯中，加入10 mL無(wú)水乙醇，在常溫下攪拌10 min后，吸取2.5 mol/L的鹽酸乙醇溶液30 mL，均勻淋洗燒杯壁，以防燒杯壁上有殘留樣品。磁力攪拌30 min后，加入95%乙醇60 mL，繼續(xù)攪拌10 min后抽濾（用0.01 mol/L Ag+溶液檢驗(yàn)沉淀中的氯離子是否洗凈），用95%乙醇反復(fù)淋洗漏斗，將洗液并入三角瓶，沸水浴10 min，至糊精酯充分糊化溶解后加入0.02%的酚酞指示劑5滴，趁熱用0.1 mol/L的NaOH溶液滴定至終點(diǎn)。取代度（DS）計(jì)算公式[9]：

DS=0.162CV/m1-0.210CV/m。

式中：C為NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（mol/L）；V為樣品滴定所耗用 NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；m為樣品質(zhì)量（g）。

1.4 紅外光譜分析

采用Tensor37型紅外光譜儀和KBr壓片法對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。壓片時(shí)，稱取約2 mg干燥樣品，與100～200 mg干燥KBr粉末充分混合，于瑪瑙研缽體中研磨均勻（粉末粒徑約2 μm）。將研磨好的粉末放入壓模器內(nèi)抽真空，緩慢加壓至50～100 MPa，得到透明薄片。試驗(yàn)中以KBr空白壓片作參比進(jìn)行紅外光譜掃描。采用DTGS檢測(cè)器，以空氣為空白對(duì)照，掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描32次。

1.5 熱重分析

采用Pyris-1型熱重分析儀對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，該設(shè)備帶有自動(dòng)制冷裝置和氣體凈化系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中的載氣為氮?dú)猓魉贋?0 mL/min。開(kāi)機(jī)并平衡樣品盤(pán)后，向樣品盤(pán)加入約4 mg樣品，采用10 ℃/min的升溫速率，升溫區(qū)間為30～600 ℃，每個(gè)樣品進(jìn)行3次平行測(cè)試并取平均值，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行極差分析；采用Origin8.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響

反應(yīng)溫度是影響酯化反應(yīng)速率的重要因素，選擇合適的反應(yīng)溫度可提高辛烯基琥珀酸糊精酯的取代度，并可降低能量消耗和反應(yīng)成本[10]。探討β-環(huán)糊精乳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）在pH值8.5、反應(yīng)時(shí)間3 h條件下，不同反應(yīng)溫度（30、35、40、45、50 ℃）對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的影響（圖2）。反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響呈先升后降的趨勢(shì)：當(dāng)反應(yīng)溫度升高至35 ℃時(shí)，辛烯基琥珀酸糊精酯的取代度達(dá)到最大值0.043；繼續(xù)升溫則取代度開(kāi)始逐步降低。這種變化趨勢(shì)主要由于：反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)分子運(yùn)動(dòng)緩慢，導(dǎo)致環(huán)糊精分子與酸酐之間的有效碰撞較少，不能通過(guò)能量勢(shì)壘向反應(yīng)物提供足夠能量，致使反應(yīng)速率低，取代度小。反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，酯化反應(yīng)速率顯著提高，但反應(yīng)副產(chǎn)物的增加及酸酐的水解仍導(dǎo)致取代度降低。因此，選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度不僅有利于反應(yīng)向合成糊精酯的方向移動(dòng)，更能抑制酸酐的水解，提高糊精酯的取代度，故本試驗(yàn)最佳反應(yīng)溫度約為35 ℃。

2.2 pH值對(duì)取代度的影響

β-環(huán)糊精與辛烯基琥珀酸酐的酯化反應(yīng)是在弱堿性條件下進(jìn)行的，反應(yīng)是將酸酐的環(huán)打開(kāi)，一端與淀粉的羥基相連，一端形成羧基（圖1）。反應(yīng)產(chǎn)物的積累會(huì)降低反應(yīng)體系的pH值，因此，需不斷加入弱堿使反應(yīng)體系的pH值維持在有利于合成酯的范圍內(nèi)。

本研究確定最佳反應(yīng)溫度后，又討論了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的β-環(huán)糊精乳在反應(yīng)溫度35 ℃、反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，pH值對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的影響。由圖3可知pH值對(duì)取代度的影響顯著。當(dāng)pH值在7.5～8.5區(qū)間內(nèi)，辛烯基琥珀酸糊精酯的取代度隨pH值的升高而逐漸增大，并于pH值8.5時(shí)達(dá)到最大值。繼續(xù)升高pH值，則取代度開(kāi)始逐漸減小。這是由于pH值過(guò)低時(shí)辛烯基琥珀酸酐的活性較低[11]，不利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行，故取代度較?。籶H值過(guò)高時(shí)，生成的辛烯基琥珀酸糊精酯會(huì)進(jìn)一步發(fā)生水解，影響產(chǎn)物的取代度。因此，pH值為8.5更有利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響

反應(yīng)時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h時(shí)，將對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯的取代度產(chǎn)生不同影響（圖4）。從理論角度分析，酯化反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)程度越充分，則取代度越高；但研究結(jié)果表明：在1～3 h反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，糊精酯的取代度隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速增大，超過(guò)3 h再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，糊精酯的取代度則呈緩慢下降趨勢(shì)。可能的原因?yàn)椋褐苽浜サ姆磻?yīng)是可逆的，反應(yīng)初始階段底物較為充足，反應(yīng)主體向合成酯的方向進(jìn)行，因此糊精酯的取代度顯著上升；繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，在酯化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，合成的糊精酯發(fā)生部分水解反應(yīng)，影響了糊精酯取代度的增大，阻礙糊精酯的合成[12-13]。反應(yīng)時(shí)間為3 h不僅實(shí)現(xiàn)了較高的取代度，而且可節(jié)省時(shí)間，提高反應(yīng)效率。

2.4 糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響

β-環(huán)糊精作為酯化反應(yīng)的主要反應(yīng)底物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響反應(yīng)速率的快慢。確定反應(yīng)溫度（35 ℃）、pH值（85）、反應(yīng)時(shí)間（3 h）后，β-環(huán)糊精乳的各質(zhì)量分?jǐn)?shù)（25%、30%、35%、40%、45%）將對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯的取代度產(chǎn)生不同影響（圖5）。糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響呈先上升后下降的趨勢(shì)。取代度于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取代度則急劇下降。糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，反應(yīng)底物分子之間的有效碰撞較少，酯化反應(yīng)速率較低；糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，糊精顆粒不能充分溶脹且黏度較大，使其攪拌困難，難以均勻擴(kuò)散體系中的酸酐，不利于酸酐分子進(jìn)入糊精空腔中反應(yīng)，故取代度急劇降低[14-15]。因此，糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%更有利于辛烯基琥珀酸糊精酯的合成。

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由單因素試驗(yàn)結(jié)果可知：反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為影響辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的主要因素。按照L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)（表1），以辛烯基琥珀酸糊精酯取代度作為衡量指標(biāo)。

由正交試驗(yàn)和極差分析結(jié)果（表2）可知：RC>RD>RA>RB，故影響辛烯基琥珀酸糊精酯取代度因素的顯著性次序?yàn)镃>D>A>B，即pH值>糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度。合成辛烯基琥珀酸糊精酯的最佳工藝條件組合為：A3B2C1D3，即反應(yīng)時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度35 ℃、pH值8.0；糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%。極差分析結(jié)果顯示最佳工藝條件組合為A1B2C1D3，即反應(yīng)時(shí)間2 h、反應(yīng)溫度35 ℃、pH值8.0、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%。由于結(jié)果不一致，對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)組合驗(yàn)證試驗(yàn)。極差分析所得最優(yōu)組合試驗(yàn)的取代度為0.045，低于表2中的8號(hào)組合，故確定最佳合成工藝條件為A3B2C1D3。

2.6 紅外光譜分析

傅里葉紅外光譜儀（FTIR）基于對(duì)干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換的原理開(kāi)發(fā)而成，應(yīng)用于樣品分子結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的表征。用紅外光照射有機(jī)物分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動(dòng)吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，將

處于紅外光譜的不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息[16]。β-環(huán)糊精與辛烯基琥珀酸酐發(fā)生酯化反應(yīng)后，所形成的酯基及引進(jìn)的碳碳雙鍵等基團(tuán)可顯示于FTIR圖譜中，以作為發(fā)生酯化反應(yīng)的有力證明。

由β-環(huán)糊精、辛烯基琥珀酸糊精酯在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的紅外光譜分析圖（圖6）可知，在特征光譜區(qū)域內(nèi)，兩者共有的紅外光譜吸收峰的位置及結(jié)構(gòu)屬性如下：3 381、2 931 cm-1處的吸收峰由O—H和C—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生；1 650 cm-1處為水分子的彎曲振動(dòng)；1 082 cm-1處為與仲醇羥基相連的C—O伸縮振動(dòng)；1 015 cm-1處為與伯醇羥基相連的C—O伸縮振動(dòng)；929、860、765 cm-1處為D型葡萄糖單元的特征吸收峰。比較發(fā)現(xiàn)，圖6-B中辛烯基琥珀酸糊精酯在 1 734 cm-1 處出現(xiàn)了1個(gè)新的酯類物質(zhì)O—CO伸縮振動(dòng)吸收峰，且在1 572 cm-1處出現(xiàn)了CC伸縮振動(dòng)吸收峰，這表明β-環(huán)糊精與辛烯基琥珀酸酐在弱堿性條件下發(fā)生了酯化反應(yīng)，生成了辛烯基琥珀酸糊精酯。產(chǎn)物辛烯基琥珀酸糊精酯既保留了β-環(huán)糊精的基本結(jié)構(gòu)，又引入了新的基團(tuán)（酯基、碳碳雙鍵等）。與結(jié)構(gòu)相似的辛烯基琥珀酸淀粉酯相比，該結(jié)構(gòu)具有更高的表面活性。

2.7 熱重分析

熱重分析是表征物質(zhì)穩(wěn)定性及組分的重要工具[17]。β-環(huán)糊精和辛烯基琥珀酸酐發(fā)生酯化反應(yīng)后，所形成新基團(tuán)的熱解溫度區(qū)間發(fā)生變化，因此可用來(lái)表征合成辛烯基琥珀酸糊精酯的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性。由β-環(huán)糊精、辛烯基琥珀酸糊精酯熱重分析圖（圖7）中失重速率曲線可知，兩者的降解主要分為2個(gè)步驟進(jìn)行：第1個(gè)變化區(qū)間主要發(fā)生在25～120 ℃內(nèi)，該部分的質(zhì)量損失主要由β-環(huán)糊精、辛烯基琥珀酸糊精酯中的水分揮發(fā)引起；第2個(gè)反應(yīng)區(qū)間主要發(fā)生在300 ℃以上，主要由于樣品的骨架發(fā)生熱降解，分解生成CO2和H2O，樣品質(zhì)量迅速下降。但兩者發(fā)生的溫度區(qū)間有所差異，β-環(huán)糊精的發(fā)生區(qū)間主要為340～380 ℃（極值溫度約為 350 ℃）；辛烯基琥珀酸糊精酯熱降解溫度區(qū)間升高為345～420 ℃（極值溫度約為370 ℃）。研究結(jié)果表明：β-環(huán)糊精經(jīng)酯化反應(yīng)后，引進(jìn)新的基團(tuán)和化學(xué)鍵作用，使辛烯基琥珀酸糊精酯的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

β-環(huán)糊精和辛烯基琥珀酸酐可在弱堿性條件下發(fā)生酯化反應(yīng)，生成辛烯基琥珀酸糊精酯。通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，研究了反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)辛烯基琥珀酸糊精酯取代度的影響。結(jié)果表明辛烯基琥珀酸糊精酯的最佳制備工藝條件是：反應(yīng)溫度35 ℃、pH值8.0、反應(yīng)時(shí)間4 h、糊精乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%。

采用傅里葉紅外光譜分析儀、熱重分析儀對(duì)最佳工藝條件下合成的辛烯基琥珀酸糊精酯進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果均表明：β-環(huán)糊精與辛烯基琥珀酸酐發(fā)生了酯化反應(yīng)，辛烯基琥珀酸糊精酯的紅外光譜在1 723、1 572 cm-1處均出現(xiàn)了新的吸收峰，分別由酯基、碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生。熱重分析結(jié)果顯示：辛烯基琥珀酸糊精酯的熱降解溫度比β-環(huán)糊精有所提升，且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

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