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羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究

发布日期:2014-12-11 15:35:24
羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究先容
羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究
羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,1.马铃薯原淀粉进行羟丙化,提髙淀粉的稳定性,以分子取代度(MS)为试验指标, 研究反应时间、反应温度、环氧丙烷用量、NaOH用量、r^SO,用量对分子取代度的影响, 在单因素实验的基础上,选取了反应时间、反应温度、环氧丙烷用量、1^2504用量四个 因素为变量,以产物分子取代度为试验指标,通过U (3。正交试验,经过验证,得出 最佳工艺条件为:淀粉乳浓度40%、NaOH用量为1%、反应温度4(TC、反应时间14h、环氧 丙烧12%、Na2S0410%。得到马铃薯羟丙基淀粉分子取代度为0.2116。
2.马铃薯轻丙基淀粉进行羧甲基化复合变性制备马铃薯羟丙基羧甲基淀粉,以复合 变性淀粉羧甲基的取代度(DS)为试验指标,研究反应时间、反应温度、氯乙酸用量、 NaOH用量、乙醇浓度对取代度的影响,在单因素实验的基础上,选取了反应时间、反应 温度、氯乙酸用量、NaOH用量四个因素为变量,以产物取代度为试验指标,通过U (34) 正交试验,经过验证,得出最佳工艺条件为:乙醇浓度为95%、淀粉为乙醇用量的20%、 反应温度6(TC、反应时间4h、Na0H75%、氯乙酸65%。得到马铃薯羟丙基羧甲基淀粉取代 度为0. 4628。
3.马铃薯原淀粉、马铃薯羟丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、马铃薯径丙基羧甲基淀 粉分别利用红外光谱分析(FT-IR)证实了马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的结构变化,•利用 X-射线衍射分析(X-RD)证实了马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的结#度变化;利用扫描电子 显微镜(SEM)观察了复合变性前后淀粉的表观形貌变化,证实了其反应不仅发生在淀 粉颗粒表面,也发生在淀粉颗粒内部。
4.讨论了马铃薯原淀粉、马铃裏经丙基淀粉、马铃薯竣甲基淀粉、马铃薯轻丙基竣 甲基淀粉的理化特性,证实了羟丙基羧甲基淀粉具有良好的冻融性、抗老化能力、抗生 物降解、糊透明度髙和耐酸性以及粘度髙、糊化温度低等优点。说明制得的马铃薯羟丙 基羧甲基复合变性淀粉兼有两种及两种以上单一变性淀粉的优良性质,弥补了单一变性 淀粉性质的不足。
5.首次结合片剂对辅料的要求进行深入讨论,得出了马铃著轻丙基羧甲基淀粉作为 新型片剂辅料,综合了片剂辅料所需要的填充剂、润滑剂、粘合剂、崩解剂等作用,一 方面将带动制药行业的一场革新,另一方面也能极大提高马铃薯淀粉的附加值,为企业 和农民增收,同时,它还可进一步应用在食品、纺织、化工、饲料、石油钻井、铸造、 造纸、建筑涂料等其他领域,具有广阔的应用领域及较大的应用价值和应用前景。
在制药工业中,片剂是主要使用的一类药物剂型。从总体上看,片剂是由两大类物 质构成的,一类是发挥治疗作用的药物(即主药),另一类是没有生理活性的一些物质, 在药剂学中,将这些物质统称为辅料。辅料所起的作用主要包括:填充作用、粘合作用、 崩解作用和润滑作用,有时还起到着色作用、矫味作用以及美观作用等。根据它们所起 作用的不同,常将片剂辅料分成四大类:填充剂、粘合剂、崩解剂、润滑剂[1]。
填充剂(或称稀释剂)主要用来填充片剂的重量或体积。如果片剂中的主药只有几 毫克或几十毫克时,不加入适当填充剂的,将无法制成片剂。因此,填充剂起到了较为 重要的增加体积、助其成型的作用[1_3]。常用的填充剂有淀粉类、糖类、纤维素类和无机 盐类等。由于目前压片工艺、制剂设备等因素的限制,片剂的直径一般不能小于6mm, 片重多在lOOmg以上[1]。
粘合剂的作用是使药物粉末结合起来。某些药物粉末本身具有粘性,只需加入适量 的液体就可将其本身固有的粘性诱发出来,这时所加入的液体称为湿润剂[1];某些药物 粉末本身不具有粘性或粘性较小,需要加入淀粉浆等粘性物质,才能使其粘合起来,这 些加入的粘性物质称为粘合剂[1’4]。上述湿润剂和粘合剂总称为粘合剂。
崩解剂是使片剂在胃肠液中迅速裂碎成细小颗粒的物质。由于它们具有很强的吸水 膨胀性,能够瓦解片剂的结合力,从而使片剂从一个整体的片状物裂碎成许多细小的颗 粒,实现片剂的崩解,因此,十分有利于片剂中主药的溶解和吸取[3]。除缓(控)释片及 某些特殊用途的片剂外,一般的片剂中都应加入崩解剂[2]。
润滑剂的主要作用是抗粘和助流[1]。一些药物颗粒(或粉末)在压片时,往往会出 现粘冲现象,颗粒不能顺畅地流入模孔内,因此在压片前的颗粒中必须加入一定量的具 有润滑作用的物料,以增加颗粒的流动性,减少与冲模的摩擦力,使片面光洁美观[M]。 此类物料称为润滑剂。
片剂辅料应用现状及存在的问题
在制剂生产中,特别是固体剂型的生产中,辅料起着十分重要的作用。随着GMP的 实行,临床药剂学的发展,辅料的意义也越趋明显。长期以来,我国对原料药生产较为 重视,而对制剂则不太重视,因此辅料的发展也较落后。60年代尚没有专门的药用辅料 工厂,辅料为化学级或食品级,供应商没有药用辅料的质量标准[5]。当时的辅料中,多 用淀粉、糊精等天然物质,合成聚合物刚开始试用;使用的直接压片辅料只有一种,即 喷雾干燥乳糖,髙效崩解剂还没有问世,对硬脂酸镁于崩解和溶出的影响还没有认识, 润滑剂和湿润剂还没有应用,色淀在包衣上色中用得很少但从60年代开始,药用辅 料开始得到发展,主要是GMP和药效的要求[5]。到70年代,随着临床药理学和制剂学的发 展,人们开始理解辅料对制剂质量和疗效有直接的影响,如片剂的可溶性、颗粒大小及 其分布,填充剂的可溶性对溶出的影响、润滑剂等[7]。人们也认识到辅料选择和配伍不 当,将影响片剂的质量,包括外观、机械强度、药物溶出速率和生物利用度等[fMU。
淀粉是片剂生产中最常用的辅料,其种类较多,主要包括玉米淀粉、木薯淀粉和马 铃薯淀粉[6]。淀粉外观色泽好,杂质少,吸湿性小,产量大,价格便宜,性质稳定,与 大多数药物不起作用[5]。但淀粉的可压性较差,不宜单独使用。在生产实践,常与可压 性较好的糖粉、糊精等混合使用[4]。
淀粉作为片剂辅料,可做稀释剂和吸取剂,亦可作粘合剂和崩解剂[1]。在国内,主 要是用原淀粉,且主要是玉米淀粉[6];在国外,主要是用原淀粉、预胶化淀粉、羟丙基 淀粉、羧甲基淀粉等[5’12]。淀粉的无毒性及价格便宜使原淀粉被广泛应用于片剂辅料., 但原淀粉糊经冷冻后会发生凝沉现象,破坏产品的胶体结构[1],同时存在可压性差、冷 水中不溶和崩解速度慢等缺点,不利于药用成分被人体吸取[2’13’14],因而原淀粉已不能满 足片剂生产的要求。为解决以上问题,可通过对原淀粉进行酯化、醚化或交联等方法变 性,提高其冷冻稳定性,以克服原淀粉在这方面所存在的缺陷。
羟丙基淀粉为醚化淀粉的羟烷基类,早在上世纪30年代末,羟丙基淀粉的发明制造 就开始了[15]。1952年,日本京都大学工学部櫻田教授首先研制成功,他的产品主要用于 纤维上浆[16]。随后,Hubert、kesler和Bovier等人作了大量的研究工作,并获得了专利[17]。 美国和日本在上世纪60年代就将羟丙基淀粉广泛应用于工业生产™,我国则在上世纪80 年代才开始重视其应用研究,产品只用于纺织和造纸方面[19]。羟丙基淀粉的特点是糊的 稳定性和非离子性,具有良好的低温糊化性,粘度稳定性,成膜性好,膜柔靭透明,在
工业上的应用潜力相当大,尤其在食品工业中应用价值髙[17]。淀粉羟丙基化反应因生产 工艺条件不同,有很多合成方法,包括干法、湿法、非水溶剂法和非乳化法等[2°]。水分 散法是生产羟丙基淀粉最广泛使用的方法,其中最有代表性的是淀粉乳湿法[21]。关于羟
丙基马铃薯淀粉的反应规律的研究公开发表的为数很少,报道主要侧重于应用研究方面
[20-22]
羧甲基淀粉(CMS)为淀粉醚类衍生物,自1924年问世以来,已发展为一种重要的现 代工业原料[15]。CMS于1940年开始工业化生产,1963年被日本批准为食品添加剂。进入 90年代,CMS出现了许多特殊的应用领域,如:种子包衣剂、化肥缓释剂、鱼箱供氧等 CMS水溶液为粘性的透明液,外观均匀细腻,且流动性、溶解性较好,是一种新型 的增稠剂、稳定剂和品质改良剂,并有较高的粘度、较大的粘着力、不易腐败霉变等优 良特性[17],因此,CMS广泛用于合成洗涤剂、纺织、印染、油田、医药、食品、造纸、 建筑涂料等行业[23_26]。由于淀粉来源广,价格低于漂白纤维素,生产时醚化剂用量少, 工艺较简单,加上该产品冷水溶性、膨胀性、分散乳化性及稳定性能好,在应用上CMS 已超过(CMC) [27_M],是一种很有开发前景的精细化工产品。
以上两种单一变性淀粉各具优缺点。变性后的羟丙基淀粉的热粘度稳定性、冷粘度 稳定性、抗剪切性、保水性、抗凝沉性很强,适合在工业上做粘合剂、片剂填充剂、增 稠剂和悬浮剂使用[27];羧甲基淀粉具有冷水可溶性、良好可压性、乳化性和流动性,冻 融稳定性很强,透明性好,能耐高温、耐酸性环境的影响,适合药用崩解剂、润滑剂等 [2M9]。但随着人们对生产过程要求的逐渐增高,单一变性的淀粉已不能满足药物片剂辅 料的要求。因此,以淀粉为基础进行复合变性,开发一种具有综合功能的新型辅料正成 为目前研究的热点0°1。国外复合变性淀粉的研制从上世纪70年代开始,已开发出一些型 号的产品,如美国国家淀粉及化学品企业生产的CAT073-8002, CAT078-0140, CATOXX- 0220及英国Stadex企业生产的Y9152等,而国内有关这方面的报道不多见,因此研究其 合成与性能,开发其应用,是一项新颖而有意义的工作[31]。
2马铃薯淀粉的化学结构与性能
马铃薯淀粉为白色粉末,无臭,无味,不溶于冷水和乙醇。含水量一般为12?15%, 在水中加热至60?75C发生糊化。马铃薯淀粉与其他淀粉(如玉米淀粉、甘薯淀粉、小 麦淀粉等)在物理性能上有许多不同[32_3<](如表1),主要表现为淀粉颗粒大、支链淀粉
.含量高、糊化温度低、糊透明、膨胀力大、粘度高、临界浓度低、不易老化等八大特点。
因此,在应用上大大优于其他淀粉,在一些行业中具有其它淀粉不可替代的作用[3M6]。
表1马铃薯淀粉与其他淀粉组成及性能 Table 1 Constitutes and properties of the potato starch and other starches
原料马铃薯淀粉玉米淀粉甘薯淀粉小麦淀粉
粒形卵形颗粒多面形颗粒多面形、吊钟形凸透镜形颗粒
粒径/ U m5 ?1006?212?405?40
平均粒径/%50161820
水分%15131513
蛋白质含量/%00.30. 10. 38
脂肪含量/%0. 0500.10.07
灰分含量/%0.570.080.30.17
PA含量/ %0.1760.04500.149
链淀粉含量/%25251930
支淀粉平均分支长度22 ?2425-262723
X_衍射图形BACA
糊化温度/ °C64.586.572.587.3
最髙粘度/B U102826068.5104
最高粘度时温度/^8892.590.292.5
92.5 •ClOmin 后粘度 / BU9408564085
马铃薯淀粉是天然高分子化合物中的一种多糖类物质,由直链淀粉和支链淀粉组成 [37_38]。直链淀粉由D-葡萄糖残基通过oc-1,4糖苷键结合而成的链状化合物,在空间结构 上,其大分子呈直线型渐弯曲的形式,并借分子内的氢键卷曲成螺旋状(图1)。其分子 聚合度一般在600?1200之间,分子量在100000?200000之间。
 
Fig.l The chemical structure of amylose
支链淀粉由D-葡萄糖残基通过a-1,4糖苷键和oc- 1,6糖苷键结合而成的高分子化 合物,平均每20?30个葡萄糖残基上有一个分支点(图2)。支链淀粉分子聚合度一般在 1000?3000之间,分子量在160000?500000之间。
图2支链淀粉化学结构式 Fig.2 The chemical structure of amylopeetin
3马铃薯淀粉研究现状及存在的问题
从马铃薯中直接提取的淀粉称为原淀粉,其性质主要取决于粒子中直链和支链的组 成比例[3”。19世纪马铃薯淀粉作为一种主要的淀粉而存在,但随着玉米淀粉的问世,其 生产急剧下降,这主要是因为玉米淀粉更具有经济价值[35]。随着科技的发展,对马铃薯 的需求量不断增加,马铃薯淀粉的生产也随之增加。就我国而言,20世纪上半期,马铃 薯淀粉年产量只有2. 3万吨,到1998年,全国优质马铃薯淀粉总量达5万吨左右。据有关 资料表明,我国目前国内马铃薯优质淀粉年需求量为70多万吨,而国内的生产只占需求 的7%,大部分需要依靠进口,因此国内市场前景非常广阔[39]。
马铃薯原淀粉加工过程中,一些成分(如果胶、纤维等)难以除去,导致原淀粉在冷 水不溶,糊的热稳定性差,抗剪切性能低,冷却后易脱水、老化及成膜性差、缺乏耐水 及乳化能力,.使口感发硬、产品低劣,因而限制了它们在工业中的应用[4〇<。为了克服 原淀粉的缺点,提高其使用性能,人们就开始了变性淀粉的研究[42_45]。变性淀粉具有许 多优良的性质,且生产工艺简单,设备投资少,现已能生产13个系列几千种淀粉衍生物 [30>38]。13个系列为:糊化淀粉、氧化淀粉、交联淀粉、双醛淀粉、阳离子淀粉、羟烷基 淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝共聚淀粉、酸变性淀粉、酶变性淀粉、糊精、a-淀粉。
4本研究的目的与意义
复合变性淀粉是近年来变性淀粉研究的热点[46],它通过在单一变性淀粉的基础上进 行二次或多次变性,使变性淀粉兼有两种及两种以上单一变性淀粉的优良性质,又弥补 了单一变性淀粉的不足。目前,关于马铃薯羟丙基羧甲基淀粉尚未见报道。本研究通过 对马铃薯淀粉进行复合变性研究,即对原淀粉进行酿化、交联、轻丙基化、羧甲基化等
一系列改造后,研制出一种新的适宜作为药物片剂辅料的新型马铃薯复合变性淀粉--- 马铃薯羟丙基羧甲基淀粉。它既具有羟丙基淀粉抗剪切能力强、耐酸碱、保水性好、热 稳定性好等优点,又具有羧甲基淀粉的粘度髙、糊透明度髙、冻融稳定性好和抗老化能 力强、耐髙温、抗凝沉性、乳化性好、透明性好等优点,能同时满足药物片剂需要的填 充剂、粘合剂、崩解作用和润滑作用等要求,克服了马铃薯原淀粉及单一马铃薯变性淀 粉的不足,从而尽可能的在片剂中少添加其它物质作辅料,这样既能降低制药成本,又 减少药物的副作用,还能提高药效,同时提髙了马铃薯淀粉的附加值,
5研究路线及研究内容 5.1研究路线设计
马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的制备途径较多。马铃薯淀粉分子有三个羟基:c2、c3、 C6,三者的羧甲基化和羟丙基化的活泼顺序为〇2>(:6>(:3。羧甲基化和羟丙基化存在激烈竞 争,如同时进行,很难控制反应程度;如果先羧甲基化,则水溶液的粘度较高,不易搅 拌,但羧甲基反应是在碱性水溶液中进行,需要拨拌足够均匀,这不利于醚化反应•,羟 丙基淀粉稳定性高,因此,本研究采用先羟丙基化,再羧甲基化的途径作为制备马铃薯 羟丙基羧甲基淀粉的最佳方法。通过对马铃薯羟丙基羧甲基淀粉理化特性的研究,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,探讨 其作为一种新型的片剂辅料在药物生产上的应用。
具体工艺流程如下:
环氧丙寐一氣乙黢
II
原淀粉一?羟丙基化反应一> 干燥、过筛一?羧甲基化反应一?干燥
理化性能研究产品过筛
5.2研究内容
5. 2. 1马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的制备
利用单因素实验,研究样品的取代度与各反应条件的关系,再设计正交实验,优化
反应条件,利用红外光谱对样品进行结构表征,利用X射线衍射仪对样品的结晶特性进 行研究,利用扫描电镜对样品的颗粒形貌进行观察和研究。通过对原淀粉变性前后颗粒 形貌变化的研究,对淀粉变性反应可能发生的区域进行进一步阐述。
5. 2. 2马铃薯羟丙基羧甲基淀粉理化性能研究
研究和测量马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的取代度、透光率、吸水膨胀率、崩解时间、 冻融稳定性、糊化温度、黏度、耐酸性、抗剪切力、抗老化、抗生物降解性等理化性能, 以马铃薯原淀粉、马铃薯经丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉作为对照,探讨马铃薯经丙基 羧甲基淀粉是否可作为药物片剂辅料用于生产中。 
第二章马铃薯羟丙基淀粉的制备
<4
1刖_
淀粉羟丙基化反应因生产工艺条件不同,合成方法包括干法、湿法、非水溶剂法和 非乳化法。干法反应是淀粉颗粒直接与环氧丙烷接触的气一固反应,优点是可以得到洁 白、粉状、取代度较髙的羟丙基淀粉,缺点是反应通常在汽化温度下进行,这样可能伴 随着淀粉主链的降解,成品难以纯化,同时环氧丙院在髙温、髙压和碱催化剂作用下易 发生聚合反应,有爆炸危险,目前难于工业化。水分散法是生产羟丙基淀粉最广泛使用 的方法。其中最有代表性的是淀粉乳湿法和在此基础上发展起来的各种改进的方法,优 点是淀粉能保持颗粒状态,反应完成后易于过滤、水洗,得纯度高的产品,缺点是产物 取代度低,而且有副产物生成。针对淀粉乳湿法存在的问题,大家选用马铃薯淀粉为原 料,对其羟丙基化,在工艺方面进行了一些改进,并找出了最佳生产工艺,为复合变性 淀粉做准备。
2材料与方法
2.1主要仪器设备与材料
2.1.1主要仪器设备
分光光度计;电子分析天平;制冰机;真空干燥箱;真空泵;离心机;电动搅拌器; 恒温水浴锅;四口瓶
2.1.2材料与试剂
马铃薯淀粉:一级品,凉山州中泽新技术开发有限责任企业提供 氢化化钠(AR); 1, 2-环氧丙烷(AR);茚三酮(AR);盐酸(AR);丙二醇(AR);无水 硫酸钠(AR);浓硫酸(AR);亚硫酸氢钠(AR)
8
2.1.3实验装置
 
1.恒温水浴2.不锈钢反应器 3. pH计(带温度显示)
4.输液器 5.滴液漏斗6•电动搅拌机 7.铁架台
2.2马铃薯羟丙基淀粉的制备原理
羟丙基淀粉是一种非离子型变性淀粉,它的合成方法不同,所得产品的分子取代度 和性能就有很大差异。大家讨论仅限于水悬浮液法,它是利用环氧丙烧在碱性条件下进 行的开环反应,碱起润胀淀粉和催化环氧丙烷开环反应的作用,碱化时可以破坏淀粉颗 粒的结晶区,是淀粉充分溶胀,并且氢氧化钠与淀粉中羟基键合形成活性中 (StarCh-CTNa+),此法的优点是:产品依然保持了淀粉颗粒的完整性,并使得反应副 产物易通过洗涤除去。环氧丙烷是一个不对称的环型结构,在羟丙基化反应阶段,活性 中心与渗入的环氧丙烷结合,发生SN2双分子亲核取代反应,其反应活性髙是由于环张力 大,易开裂起反应,反应为二分子取代反应,反应动力取决于淀粉和环氧丙烷二者的浓 度。淀粉和环氧丙烷的醚化反应可发生于淀粉分子R脱水葡萄糖单元的2, 3, 6位,生成 的R0_和环氧丙焼反应生成羟丙基淀粉。但实验证明,由于2位的位阻小,取代主要发生 在C2原子的仲醇羟基上,得到2-轻丙基淀粉衍生物。但为什么其反应活性高过C6碳原子 上的伯醇羟基,还未能了解,有说明认为可能是因为(:2碳原子的仲醇羟基接近半缩醛 
中心具有较高的酸性。C2、心和(:6各碳原子羟基的反应常数比为K2: Ka: Ka=33: 5: 6,淀 粉分子中已取代基团的羟基能进一步发生链聚合反应,只要有试剂存在,反应可继续下 去,理论上没有止境,反应方程式如下:
〇0H
St-OH + Z_^CH3St-0-CH2-CH-CH3
副反应:
0H
0I
八 CIIj + H20 ? HO-CH2-CH-CH3
?H 0严 CH3
St-〇-CH2CHCH3 + n / 肌——? St—〇[cH2CH—0^~nCH2CH—OH
由于除主反应外,副反应存在,取代程度增高,环氧丙烷还与已取代的羟丙基起反 应生成多氧丙基侧链的原因,一般不用取代度(Degree of substitution,DS),即平均每 个脱水葡萄糖单位中羟基被取代的数量,表示反应程度,而用分子取代度(Molar substitution, MS),即平均每个脱水葡萄糖单位与环氧丙烷起反应的分子数来表示,它 是羟丙基马铃薯淀粉反应表征的重要参数,一般取代度较低时,DS=MS,而在取代度较 髙时,则MS>DS。
2.3马铃薯羟丙基淀粉的制备方法
称取一定量的马铃薯淀粉(绝千)于蒸馏水中配制浓度为40%(重量)的淀粉乳,搅 拌,水浴升至设定温度,缓慢加入一定量无水硫酸钠。恒温一定时间后,搅拌下缓慢加 入一定浓度的氢氧化钠溶液,再快速地加入一定量的环氧丙烷,密闭容器(用氮气保护)。 反应结束后,用lmol/L的稀硫酸调反应液pH值为5?6,经过离心机离心3?4min,离心后 产品用蒸馏水洗涤数次,再40°C下千燥至水分质量分数小于15%,粉碎、筛分即得产品。
2.4样品分子取代度的测定
在羟丙基淀粉的分子取代度测定方法中,分光光度法是一种较为传统的方法。该法 的原理是与测定丙二醇相同,首先做出丙二醇的标准曲线,测定时把羟丙基淀粉的羟丙
10 
基用浓硫酸水水解,形成丙二醇,丙二醇在浓硫酸中进一步脱水产生丙烯醇和烯醇式丙 醒,这两种脱水物可与水合茚三酮反应生成紫色络合物,在595nm处有最大吸取峰,利 用分光光度计进行定量,可计算出羟丙基含量。以丙二醇为标准溶液,在浓度范围5? 50Pg/mL内,595而处的吸光度与丙二醇浓度符合朗伯比尔定律。测定羟丙基淀粉的吸光 度可在标准曲线上求出相应的丙二醇量[47_49]。
(1)水合茚三酮的配制
取0.15g茚三酮溶于10mL12. 5%的亚硫酸氣钠溶液中,闭光保存备用。
(2)标准曲线的绘制
制备1.00mg/mL 1,2—丙二醇标准溶液,分别汲取1.00mL,2.00mL,
3.00mL,4. 00mL,5. 00mL此标准溶液于100mL容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度,得到每毫升 含1, 2—丙二醇10叫,20Mg, 30啤,40即,50Mg的标准溶液。分别取这五种标准溶液1. OOmL 于25mL具塞刻度试管中,缓慢加入8mL浓硫酸混合均勻,于100°C水浴中加热3min,马上 放入冰浴中冷却,然后加入0.5mL的茚三酮溶液,在25°C水浴中放置lOOrnin,再用浓硫 酸稀释到25mL,倾倒混匀,静置5min,用lcm比色皿以试剂空白参比。在595nm波长下测 定其吸光度,并在15min内测定完毕。作吸光度一浓度标准曲线。
0.6
0.0093x + 0.0152 R2 = 0. 989i
0.1 - 
Q Jf—1111'1
0102030405060
丙二醇浓度(Hg/mL)
图3丙二醇浓度与吸光度的关系
Fig.3 Relationship of propylene glycol concentration to absorbency
(3)测定
准确称取试样0.08g于lOOmL容量瓶中,加入25mL0.5mol/L的稀H2S04溶液,置于沸水 浴中加热至样品全部溶解呈透明溶液,冷却至室温,用蒸馏水稀释至l〇〇mL。汲取该溶
11
液lmL放入25mL具塞试管中,将试管插入冷水中,向试管内缓慢滴加8mL浓硫酸,混匀后, 将试管置于沸水浴中加热3min,马上放入冰浴中冷却至5°C,沿壁小心加入0.5mL3%水合 茚三酮溶液,马上混匀(勿摇),放入25°C水浴上恒温lOOmin,使之显色,然后用浓硫 酸定容至25mL,倒转试管若干次以混匀,立即将部分溶液移入分光光度计的lcm比色皿 中,准确静止5min后,以试剂空白作参比,在595nm下测吸光度。原淀粉也按此方法处 理。以丙二醇浓度和吸光度作标准曲线,丙二醇转换成羟丙基含量的转换值为0.77630。 测得的吸光度在标准曲线上分别査出丙二醇的含量,以羟丙基淀粉试样丙二醇的含量减 去原淀粉的空白值,然后乘以换算系数0.7763,即得出羟丙基含量,算出百分含量,然 后计算试样的分子取代度,其计算公式如下:
MS=丄7-g.H
100—H
H = FX ^2 — ^]X 0.7763X 100
w样 w原
其中,MS—轻丙基淀粉的分子取代度 H—羟丙基淀粉的百分含量,%
F—试样或空白样稀释倍数 •一在标准曲线上査得的试样中丙二醇质量 M*—在标准曲线上査得的原淀粉空白样中丙二醇质量 —试样质量,g Wgr~原淀粉质量,g
0. 7763—丙二醇含量转换成羟丙基含量的转化系数 2. 79—羟丙基含量转换成分子取代度的转换数
环氧丙院的反应效率按下列式子计算:
R=m/m〇X100=SH/m〇(l-H)
其中,R-反应效率,%
m-实际反应物质的用量,g S_淀粉的干重,g m〇_理论反应物质的量,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,g H-产品的羟丙基含量,%
12
3单因素实验及结果讨论
3.1环氧丙烷用量对分子取代度的影响
1 8 6 4 2
• o o o o •
o o o o
 
〇 1111
05101520
环氧丙烷用量(%)
把马铃薯羟丙基淀粉分别配制成40%(按干淀粉计)的淀粉浆。用于淀粉浆配制的水 悬浮液含有干淀粉量10%的硫酸钠作为防止淀粉颗粒膨胀的抑制剂,再加入1%的氢氧化 钠作为反应催化剂,从干淀粉重量的4%?18%变化环氧丙院的加入量,控制反应温度于 40°C,反应时间为14h,按照前述的实验方法测其分子取代度,分别绘制分子取代度和 反应效率随环氧丙烷加入量变化曲线,示于图4,图5。
 
〇 1111
05101520
环氧丙烷用量(%)
图4环氧丙烷用量对羟丙基淀粉分子取代度的影响 Fig.4 Effects of propylene oxide amount on MS of hydroxypropyl starch
图5环氧丙烷用量对羟丙基淀粉反应效率的影响 Fig.5 Effects of propylene oxide amount on reaction efficiency of hydroxypropyl starch
环氧丙焼的分子量的分子量只有58. 08,而且一进入水中就立即溶于水中,低分子 量的环氧丙焼能很快地进入完全水合的天然的淀粉颗粒内,直到其在淀粉相和水相达到
13 
平衡。由图4,图5可见,随着环氧丙烷用量的增加,无论是在淀粉相还是在水相中的浓 度都有所提高,产品分子取代度增大,但环氧丙烷的反应效率降低。
3.2 NaOH用量对分子取代度的影响
把马铃薯羟丙基淀粉配制成40%(按干淀粉计)的淀粉浆;加入干淀粉量的15%的硫酸 钠作为膨胀抑制剂;将反应温度控制在4(TC左右;环氧丙烷加入量为11%;改变氢氧化钠 的用量,即分别取干淀粉量的0.2%,0.4%,0.6%, 0.8%, 1.0%, 1.2%。反应时间14h,
 
02
靶^毎屮农o
 
Q IIIIIIII
00.20.40.60.811.21.4
氢氧化钠用量(%)
按照前述方法测其分子取代度(MS),绘制分子取代度随氢氧化钠用量的变化曲线,示 于图6。
图6氢氧化钠用量对羟丙基淀粉分子取代度的影响 Fig.6 Effects of sodium hydroxide amount on MS of hydroxypropyl starch 由图6知,随氢氧化钠量的增加而增加的更快,曲线呈指数函数图形,产品取代度 增加。但当氢氧化钠用量增加到1.2%时,淀粉容易糊化,增加到1.4%,淀粉非常容易糊 化。这说明氢氧化钠作为催化剂不仅促进更多反应活性中心在淀粉表面产生,而且还对 淀粉颗粒有润胀的作用。
3.3 Na2S04用量对取代度的影响
把马铃薯羟丙基淀粉配制成40%(按干淀粉计)的淀粉浆;改变硫酸钠的用量,即分别 加入干淀粉量4%, 6%,8%, 10%,12%, 14%的硫酸钠作为膨胀抑制剂;将反应温度控制在 4(TC左右;环氧丙烷加入量为11%;再加入1%的氢氧化钠作为反应催化剂。反应时间I4h, 按照前述方法测其分子取代度(MS),绘制分子取代度随硫酸钠用量的变化曲线。
14
0.08 - 0.07 -
 
jw °-06 ' ® 0.05 - ^0.04 - | 0-03 - 0.02 - 0.01 -
0.51015
硫酸钠用量(%)
图7硫酸钠用量对羟丙基淀粉分子取代度的影响 Fig.7 Effects of sodium sulfate amount on MS of hydroxypropyl starch 由图7可见,当硫酸钠用量小于10%时,随着硫酸钠用量的增加,羟丙基淀粉分子取 代度增大;当硫酸钠用量超过10%时随着硫酸钠用量的增加,羟丙基淀粉分子取代度略有 下降。这是因为硫酸钠作为淀粉抑制膨胀剂,当其加入量小时,淀粉膨胀增大,使溶液 粘度增大,有效降低了醚化剂分子与淀粉分子接触几率,产品取代度降低;当硫酸钠加 入量较大时,虽很好地抑制了体系中淀粉的膨胀,但反而降低了反应体系中醚化剂分子 的有效浓度,致使产品分子取代度下降。
3.4反应温度对分子取代度的影响
3 2 1
o o o
°-0-0-0-0-0-0-0-
0807060504
 
把马铃薯轻丙基淀粉配制成40% (按干淀粉计)的淀粉浆;加入干淀粉量的15%的硫酸 钠作为膨胀抑制剂;将反应温度分别控制在3(TC,35°C, 4〇-C,45°C,5(TC, 55°C;环氧 丙烷加入量为11%;氢氧化钠的加入量为1%。反应时间14h,按照前述方法测其分子取代 度(MS),绘制分子取代度随反应时间改变的变化曲线,示于图8。
0102030405060
反应溫度CC)
图8反应温度对羟丙基淀粉分子取代度的影响 Fig. 8 Effects of reaction temperature on MS of hydroxypropyl starch
15
由图8可见,随着反应温度升高,羟丙基淀粉分子取代度增加,这说明升高温度有 利于反应进行,但是当温度超过55°C以后,反应过程中淀粉易糊化(当反应温度超过55 X:后,为抑制淀粉糊化,需添加大量抑制膨胀剂,而大量抑制膨胀剂也只能补偿一定的 温度),对羟丙基淀粉后处理不利,因此,反应温度不应超过50X:。另外,反应温度升 髙,反应混合物的粘度增大,会影响环氧丙烷分子与淀粉分子间的接触,从而延长反应 时间。
3. 5反应时间对分子取代度的影响
把马铃薯轻丙基淀粉配制成40%(按干淀粉计)的淀粉浆;加入干淀粉量的15%的硫酸 钠作为膨胀抑制剂;将反应温度分别控制在4(TC;环氧丙烷加入量为11%;氢氧化钠的加 入量为1%。反应时间分别控制在4h, 8h,12h,16h,20h, 24h;按照前述方法测其分子取 代度(MS),绘制分子取代度随反应时间改变的变化曲线,示于图9。
 
1015202530
反应时间(h)
图9反应时间对羟丙基淀粉分子取代度的影响 Fig.9 Effects of reaction time on MS of hydroxypropyl starch 由图9可见,随着反应时间增加,羟丙基淀粉分子取代度增加。当反应时间超过16h 后,随着反应时间增加,羟丙基淀粉分子取代度增加缓慢。
4正交实验的建立及结果讨论
4.1正交实验的建立及结果分析
在单因素实验的基础上,根据马铃薯淀粉羟丙基化的研究,依据数理统计学及正交 性原理,以分子取代度为考察指标,固定淀粉乳含量40%,氢氧化钠含量1 % ,以反应 温度(A)、反应时间⑶、环氧丙烷(C)、Na2S04(D)为考察因子,每因素取三水平,选用 正交表L9(34)进行实验设计,考察各因素对分子取代度的影响,因素水平表如表2,正 交实验结果如表3。
表2 L9(34)因素水平 Table 2 1^(34) factor level
因素
水平反应溫度V (A)反应时间h ⑻环氧丙烧% (C )Na2S04%
(D)
1351288
240141010
345161212
表3 L9(34)表头设计及正交实验结果分析 Table 3 The orthogonal experiment and result analysis of L9(34)
试验号ABcD分子取代度
111110.0535
212220.0929
313330.0916
421230.1034
522310.1168
623120.0975
731320.1122
832130.1036
933210.0764
K10.23800.26910.25460.2467
K20.3177.03133027270.3026
K30.29220.2655032060.2986
kl0.07930.08970.08490.0822
k20.10590.10440.09090.1009
k30.09740.08850,10690.0995
R0.02660.01590,02200.0186
由表3得出:四个因素对马铃薯羟丙基淀粉分子取代度都有不同程度的影响,其影 响主次顺序依次为:反应温度(A) >环氧丙焼用量(C) >Na2S04用量(D) >反应时间 (B)。马铃薯羟丙基化的最佳条件为A2B2C3D2,即反应温度40°C、反应时间14h、环氧丙 烷12%、Na2S0410%。测定最佳条件下的马铃薯羟丙基淀粉分子取代度为0.2116。
17
4.2验证实验
按正交实验选出的较佳条件组合进行平行重复实验,3次平行实验所得产物的分子 取代度分别为0.2115, 0.2116和0.2116。实验的重复现性好,由此证明选出的较佳组合 A2B2C3D2是合理的。
5小结
通过单因素实验、正交试验及数据统计分析,确定了制备马铃薯羟丙基淀粉的最佳 工艺条件为:反应温度4(TC、反应时间14h、环氧丙烷12%、Na2S0J0%。
在马铃薯轻丙基淀粉的制备中,提高环氧丙烷用量及适度增加Na2S04用量,都能加 速反应进行,提高分子取代度;在马铃薯淀粉糊化温度以下,随着反应温度的升高以及 时间的延长,都能提髙产品的分子取代度。 
第三章马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的制备
羟丙基化处理马铃薯原淀粉制得的单一变性淀粉虽然改进了天然淀粉的某些缺陷, 但其本身也存在着不足之处,如马铃薯羟丙基淀粉糊液稳定性高,抗剪切能力强,抗酸 碱能力好,但溶胀性差、透明度低;马铃薯羧甲基淀粉较天然淀粉糊粘度高、透明度髙、 冻融稳定性好,但马铃薯竣甲基淀粉不耐酸、不耐盐等。经羟丙基化、羧甲基化处理马 铃薯原淀粉得到复合变性淀粉,既保存了单一变性淀粉的优良品质,又弥补了其不足, 使其更符合片剂辅料的需求。本章以马铃薯轻丙基淀粉为原料,再用一氯乙酸进行二次 变性,得到马铃薯轻丙基羧甲基复合变性淀粉,同时以羧甲基取代度(DS)为重要指标, 分别研究氯乙酸用量、NaOH用量、反应时间、乙醇浓度及反应温度对取代度的影响,利 用正交试验优化制备工艺。
2材料与方法
2.1主要仪器设备与试剂
2.1.1主要仪器设备
真空干燥箱;分析天平;抽滤装置;SHZ—DA循环水式真空泵、常规滴定仪器一套、 JJ 一增力电动搅拌器、HH — S1S型恒温水浴锅、回流装置、分光光度计
2.1.2材料与试剂
羟丙基马铃薯淀粉:自制
氯乙酸(AR)、PAN指示剂(1-2-吡啶偶氮-2-萘酚)、氢氧化钠(CP)、盐酸(AR)、 95 %乙醇、五水硫酸铜(AR)、EDTA标准溶液(乙二胺四乙酸二钠盐)、pH试纸、2 %硝 酸银
19
2.1.3实验装置
同马铃薯轻丙基淀粉制备的实验装置。
2. 2马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的制备原理
羧甲基淀粉是一种冷水可溶性阴离子淀粉衍生物,属于醚化淀粉,是淀粉在碱性条 件下与一氯乙酸作用的产物。具有增稠、乳化、分散、粘结等优良性能,用作药片的赋 形剂,崩解剂、也可用在微胶囊中。用于药物片剂能迅速崩解,有利于人体对药物的快 速吸取。羧甲基淀粉的水溶液初期粘度较髙,但溶液不够稳定是一个主要缺点。
在碱性条件下,淀粉先与氢氧化钠作用生成淀粉氧负离子,再进攻一氯乙酸C-C1极 性键,发生双分子Sm亲核取代反应,C-C1键断裂,将羧甲基团引入淀粉分子中,所得的 产物为钠盐,反应的方程式如下:
OH0H
II
St-0-CH2CHCH3 + NaOH ? St-0-CH2CHCH3 + H20
OH
I
斧 St-0-CH2CHCH3 + NaCl + H20 OCH2COONa
OH
I
St-0-CH2CHCH3 + C1CH2C00H ONa
OHONa
除上述反应外,还有下列副反应发生:
OH
C1CH2C00H + NaOH ? CH2COOH + NaCl
将淀粉羧甲基化的目的是使淀粉具有冷水可溶性,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,同时由于St-CH2C00Na在水中离解 后形成St-CH2C0(r阴离子相互排斥,使淀粉分子吸水后分子尺寸增大,溶液粘度增高。 但由于淀粉分子中直链部分的存在,尽管在溶液初期表现出较髙的粘度,但直链分子易 于从支链分子形成的“网”中脱出,凝沉,致使溶液粘度降低。这就是CMS溶液在室温 时不能较长时间保持粘度稳定的原因。因此大家先合成了稳定性髙的交联轻丙基,引入 的交联链使直链分子与支链分了相互形成更大,更稳定的支链分子,或直链分子之间形 成支链分子,或是支链分子之间形成更大的分子,这样一方面可使淀粉的平均分子量提
20
高,增加溶液粘度,另一方面也可使溶液中支链分子形成的网络致密化,减少直链分子 的脱出,凝沉,从而提髙了溶液的粘度稳定性。
马铃薯轻丙基羧甲基淀粉有几种不同的制备方法,如干法,水分散法和溶剂法等, 不同方法制得的马铃薯轻丙基羧甲基淀粉在性质和用途方面存在差异。本研究制备适用 于药物片剂辅料用的马铃薯羟丙基羧甲基淀粉,研究淀粉乳浓度,一氯乙酸用量、氢氧 化钠用量,水份含量,反应温度及反应时间等因素对溶剂法醚化反应取代度的影响规律, 为确定制备符合应用要求产品的工艺提供依据。
2. 3马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的制备方法
把一定质量的羟丙基淀粉分散于质量分数为95%的乙醇中,搅拌均匀后,加入一定质 量的氢氧化钠固体恒温35°C以下,预处理30niin.然后在预处理液中加入一定质量的一 氯乙酸,控制一定的温度和反应时间。反应完毕后用盐酸或氢氧化钠中和至近中性 (pH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95%或80%乙醇洗涤至滤液无白色絮 状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在5(TC下干燥,干饼粉碎后得白色粉末。取样在105X:恒 重后,用铜盐沉淀法测其取代度。
2.4样品取代度的测定
主要以复合变性淀粉中羧甲基取代度为指标来研究个反应条件对反应的影响,根据 国家淀粉行业标准,目前对羧甲基取代度的测定方法较多w’51"31,本文采用了一种改进 方法[54]。
2.4.1标准溶液的配制与标定
(1)0.05mol • dnf3EDTA溶液的配制:在台秤上称取乙二胺四乙酸二钠19g,溶解于 300?400mL的温水中,稀释至1000mL,摇匀,待标定。
(2)0.05000mol •dnT3标准钙溶液的配制.•置碳酸妈基准物于称量瓶中,在ll〇°C干燥 2h,置干燥器冷却后,准确称取1.2511g于小烧杯中,盖以表面皿,加水润湿。再从杯 嘴边逐滴加入数毫升20%HC1至完全溶解,用水把可能溅到表面皿上的溶液淋洗入杯中, 加热近沸待冷却后移入250mL容量瓶中。稀释置刻度,摇勻,待用。
21
(3)EDTA标准溶液标定:用移液管移取25mL标准钙溶液,置于锥形瓶中。加入约25mL 水,2mL镁溶液,5mL10%Na0H溶液及钙指示剂,摇匀后,用EDTA溶液滴定至由红色变蓝 色,即为终点。按照下式计算EDTA的浓度:
 
^(mm) ^ V(mw
V(EDTA)
其中,C(EDTA)—EDTA标准溶液的浓度;
C(_ —钥标准溶液的浓度;
V(钙标液)—所取钥标准溶液的体积;
VfEDTA) —滴定所用EDTA标准溶液的体积。
2.4.2马铃薯羟丙基羧甲基淀粉取代度的测定
准确称取马铃薯轻丙基羧甲基淀粉试样0.625g,置于200mL烧杯中。加入lmL乙 醇,50mL去离子水,然后加入20mL的NH4CI缓冲溶液,再加0.1 mol也-3的HC1或0• 1 mol咖_3 的恥0扎将溶液的?11调到6.0?7.0,准确加入50.011110.05111〇1.{^3,的〇1504标准溶液, 摇匀。转移至250mL容量瓶中,放置15min,稀释至刻度,摇勻。用离心沉淀机或布氏漏 斗过滤使羧甲基铜沉淀物和清液分离。取滤液lOOmL,调节pH到7. 5?8.0,用PAN作指示 剂(0.1%无水乙醇溶液),以EDTA标准溶液滴定至溶液呈绿色,即为终点。相同条件下 做CuS04空白实验。
取代度按公式(1)、(2)计算:
250
^x (V^- Vmm ; X 2 X 150 X 0-081 ^ 1〇〇 ⑴
fit
162B
(2)
DS=
8100-80方
式中,B—乙酸钠基含量 m-称样量
C_—EDTA标准溶液浓度(mol • dnT3) V(ss)—作空白时消耗EDTA的体积(mL)
22
V圏一作试样时消耗EDTA的体积(mL)
3单因素实验及结果讨论 3.1氯乙酸用量对取代度的影响
把5g轻丙基淀粉分散于质量分数为95%的20mL乙醇中,搅拌均匀后,加入淀粉质量60% 的氢氧化钠固体恒温35°C,预处理30min.然后在预处理液中分别加入淀粉质量40%,
50%,60%, 70%,80%的氯乙酸,控温55°C,反应时间lh。反应完毕后用盐酸或氢氧化钠中 和至近中性(PH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95%或80%的乙醇洗涤至 滤液无白色絮状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在5(TC下千燥,干饼粉碎后得白色粉末。 取样在105X:恒重后,用铜盐沉淀法分别测其取代度。
 
0.25 - 0.2 - 蝴 0• 15 ~
毎 0.1 - 0.05 -
0 L
020406080100
氣乙酸用量(%)
图10氯乙酸用量对羟丙基羧甲基淀粉取代度的影响 Fig. 10 Effects of chloroacetic acid amount on DS of hydroxypropyl carboxymethyl starch 从图10可看出,氯乙酸的用量增加,马铃薯轻丙基淀粉羧甲基化的程度增大,取代 度升高。当氯乙酸的用量为羟丙基淀粉质量的60%时,取代度最大,继续增加时,取代 度开始降低。这主要是因为淀粉分子随着溶液酸浓度的增大,酸性分子的可利用性较大, 因此羧甲基化的程度大,取代度升高。但由于氢氧化钠的量是一定的,氯乙酸的量增大 势必中和更多的氢氧化钠,减少淀粉钠的生成,不利于亲核反应的进行,导致粘度下降, 同时过量的氯乙酸与氢氧化钠中和会引起反应体系的温度升高,使乙醇加速蒸发及结合 水增加。新生成的羟丙基羧甲基淀粉很快溶胀,增加反应体系粘度使其迅速结块,反应 不易进行,也会使产品的取代度降低。
23
3. 2 NaOH用量对取代度的影响
把5g羟丙基淀粉分散于质量分数为95%的20mL乙醇中,搅拌均匀后,分别加入淀粉 质量40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%的氢氧化钠固体恒温35*0,预处理30 min.然后在 预处理液中分别加入淀粉质量60%的氯乙酸,控温55°C,反应时间lh。反应完毕后用盐酸 或氢氧化钠中和至近中性(PH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95 %或80% 的乙醇洗涤至滤液无白色絮状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在5(TC下干燥,干饼粉碎后 得白色粉末。取样在105‘C恒重后,用铜盐沉淀法分别测其取代度。
4 5 3 5 2 5 1 .3 • 2 • 1 .
o • o•0•0 o o o
0.05 -
〇 11111
020406080100
氢氧化钠用1: (%)
图11氢氧化钠用量对羟丙基羧甲基淀粉取代度的影响 Fig. 11 Effects of sodium hydroxide amount on DS of hydroxypropyl carboxymethyl starch 氢氧化钠在反应中的作用一方面是与淀粉中和生成淀粉钠,另一方面是中和氳乙 酸,保证马铃薯经丙基淀粉的羧甲基化反应在碱性环境中进行。由图11可以看出,氢氧 化钠的用量从小到大时,氢氧化钠分子渗透到淀粉分子的速度增加,破坏氢键的机会增 加,生成淀粉钠盐增多,它们与氯乙酸反应的机会增加,反应越易进行,因此取代度升 髙。但当氢氧化钠的用量为羟丙基淀粉质量的80%时,取代度达到最大值,继续增加氢 氧化钠的用量,取代反应降低。这主要由于氢氧化钠与氣乙酸要发生水解反应影响了醚 化反应效率。
3.3乙醇浓度对取代度的影响
把5g羟丙基淀粉分散于质量分数为50%, 60%, 70%, 80%, 90%,100%的20mL乙醇 中,搅拌均勻后,分别加入淀粉质量60%的氢氧化钠固体恒温35^,预处理30 min.然后 在预处理液中分别加入淀粉质量60%的氯乙酸,控温55*C,反应时间lh。反应完毕后用盐
24
酸或氢氧化钠中和至近中性(pH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95%或 80%的乙醇洗涤至滤液无白色絮状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在50aC下千燥,干饼粉 碎后得白色粉末。取样在105aC恒重后,用铜盐沉淀法分别测其取代度。
 
0.2 -
姻 0.15 _ ^ 0.1 -
0.05 -
Q |j||||
020406080100120
乙醇浓度(%)
图12乙醇浓度对羟丙基羧甲基淀粉取代度的影响 Fig. 12 Effects of ethanol concentration on DS of hydroxypropyl carboxymethyl starch
从图12中可看出,随着乙醇浓度的增加,反应体系中羧甲基的取代度增加,在乙醇 浓度为90%,取代度达到最大,再增加浓度,则取代度反而急剧下降。这主要是由于反 应物除淀粉外都溶于水,水量太少,溶碱困难,氢氧化钠无法渗入淀粉颗粒内部,仅能 在其表面发生少量反应,羧甲基化也困难;水量过多又会失去溶剂作用,淀粉易糊化, 增加稠度搅拌困难,反应不均匀,也会导致取代度降低。还有就是羟丙基淀粉的含水量 不仅影响氢氧化钠溶解,也影响羧甲基化反应进行,进而影响取代度的高低,因此大家 在选择乙醇浓度时,也要考虑这个因素的存在,当水含量在5%?20%时产品的取代度较 髙。最终大家确定本实验乙醇浓度为95%。
3.4反应温度对取代度的影响
把5g羟丙基淀粉分散于质量分数为95%的20mL乙醇中,搅拌均匀后,分别加入淀粉 质量60%的氢氧化钠固体恒温35°C,预处理30 min.然后在预处理液中分别加入淀粉质 量60%的氣乙酸,控温分别为35°C, 45°C,55C,65*C, 75°C。反应时间lh。反应完毕后 用盐酸或氢氧化钠中和至近中性(PH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95 %或80%的乙醇洗涤至滤液无白色絮状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在5(TC下干燥,干饼
25 
粉碎后得白色粉末。取样在l〇5°C恒重后,用铜盐沉淀法分别测其取代度。
3 • 2 • 1 . •
o o o
埘¥择
0.05 -^
0 1111
020406080
反应温度(0C)
图13反应温度对轻丙基羧甲基淀粉取代度的影响 Fig. 13 Effects of reaction temperature on DS of hydroxypropyl carboxymethyl starch 从图13看出,随着反应温度升髙,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,羟丙基羧甲基淀粉的取代度不断升髙,到65’C时 达到最大,当反应温度超过651后,其取代度反而下降。主要是反应温度过髙时,引起 氯乙酸部分水解,降低了产品的取代度,而降低反应温度虽可避免氯乙酸水解,但又延 长了反应时间,因而取代度变化缓慢,同时产品带有淡黄色硬颗粒,极有可能是淀粉发 生局部糊化所致。
3. 5反应时间对取代度的影响
把5g羟丙基淀粉分散于质量分数为95%的20mL乙醇中,搅拌均匀后,分别加入淀粉 质量60%的氢氧化钠固体恒温35SC,预处理30min.然后在预处理液中分别加入淀粉质 量60%的氣乙酸,控温55*C,反应时间分别为lh, 2h,3h,4h,5h。反应完毕后用盐酸或氢 氧化钠中和至近中性(PH6?7)。把此中性溶液趁热进行过滤,所得滤饼用95%或80%的乙 醇洗涤至滤液无白色絮状沉淀(用2%硝酸银检验)。然后在5(TC下干燥,干饼粉碎后得白 色粉末。取样在105X:恒重后,用铜盐沉淀法分别测其取代度。
26
545352515 4 • 3 • 2 • 1 • o
• o * * Au •
o o o o o
 
反应时间(h)
图14反应时间对轻丙基羧甲基淀粉取代度的影响 Fig. 14 Effects of reaction time on DS of hydroxypropyl carboxymethyl starch 从图14可知,随着反应时间增加,马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的取代度增加,在4h时 反应物间有充分的接触进行反应,达到最佳状态,产品取代度达到最大值。当反应时间 延长,反应变慢,而且长时间的搅拌作用导致淀粉分子碱性降解,使产物分子量降低, 取代度反而下降。
4正交实验的建立及结果讨论 4.1正交实验的建立及结果分析
在单因素实验的基础上,根据马铃薯羟丙基羧甲基化的研究,依据数理统计学及正 交性原理,以取代度为考察指标,固定马铃薯羟丙基淀粉为5克,质量分数为95%的20mL 乙醇,以反应温度(A)、反应时间⑶、NaOH(C)、氯乙酸(D)为考察因子,每因素取三水 平,选用正交表U(34)进行实验设计,考察各因素对取代度的影响,因素水平表如表4, 正交实验结果如表5。
表4 U(34)因素水平 Table 4 L9(34) factor level
因素
水平反应温度°〇反应时间hNaOH%氯乙酸%
(A)⑶(C )(D)
16037555
26548060
37058565
27
表5 U(34)表头设计及正交实验结果分析4
Table 5 The orthogonal experiment and result analysis of L9(34)
试验号ABCD取代度
1i1110.2082
212220.3180
313330.2700
421230.3036
522310.1509
623120.3022
731320.1852
832130.3479
933210.1892
K10.79620.69700.85830.5483
K20.75670.81680.81080.8054
K30.72230.76140.60610.9215
kl0.26540.23230.28610.1828
k20.25220.27230.27030.2685
k30.24080.25380.20200.3072
R0.02460.03990.08410.1244
由表4得出:按R值的大小,四个因素对马铃薯轻丙基羧甲基淀粉取代度都有不同程 度的影响,其影响主次顺序依次为:NaOH(C)>反应时间⑶ >反应温度(A)>氯乙酸 (D)。马铃薯轻丙基化的最佳条件为^2(:〇)3,即反应温度60°C、反应时间4h、NaOH75%、 氯乙酸65%。测定最佳条件下的马铃薯轻丙基羧甲基淀粉取代度为〇. 4628。
4. 2验证实验
按正交实验选出的较佳条件组合进行平行重复实验,3次平行实验所得产物的分子 取代度分别为0.4629, 0.4628和0.4627。实验的重复现性好,由此证明选出的较佳组合 是合理的。
5小结
制备了马铃薯轻丙基羧甲基淀粉,研究了反应时间、反应温度、氯乙酸用量、NaOH 用量等对马铃薯轻丙基羧甲基淀粉取代度的影响,其中NaOH用量和反应时间对取代度的 影响较明显。
28
第四章分子结构测定分析
为了弄清楚马铃薯原淀粉变性为羟丙基淀粉、羧甲基淀粉和羟丙基羧甲基淀粉后的 分子结构、取代情况等,大家分别通过傅立叶红外光谱仪测定了它们的红外吸取光谱; 利用X射线衍射分析了它们结晶结构的变化;并用扫描电子显微镜观察了它们的表观形
貌。
2材料与方法 2.1主要仪器设备
傅立叶红外光谱仪;X-射线衍射仪;KYKY-1000B扫描电子显微镜(中科院科仪)
2. 2方法 2.2.1红外光谱分析法
马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉经提纯后,除去样 品中的游离水或结晶水,分别将固体2mg放入玛瑙研钵中,放入千燥的光谱纯KBr200mg, 混合研磨均勻(在红外灯下),使其粒度在2. 5Wn以下,装入压片模具,抽气加压,压 力约600kg/cm2,维持3?5min,卸掉压力则可得到一透明的KBr样品片,利用傅立叶变换 红外光谱仪进行各自定性分析。
2. 2. 2 X-射线衍射分析
分别将马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉样品,采用 粉末法,CuKa特征射线,石墨单色器,管压40KV,电流20mA,预置时间0.1s,步宽0.02°, 发射狭缝1°,接收狭缝0. 3mm.得到这四种样品的X—光衍射图谱。
29
2. 2. 3扫描电镜测试
按照扫描电子显微镜(SEM)分析的要求,分别将马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧 甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉样品进行干燥,将样品颗粒均匀固定在2x2cm的铝片上, 喷金2. 5min,镀膜处理,然后置于扫描电镜的样品室中。高能电子束以光栅扫描方式射 到淀粉颗粒表面上,使样品上各点受到电子束轰击时发出各种信号,由信号探测器接收, 并通过显示系统在显象管光屏上按信号强度大小描绘出来,形成淀粉颗粒表面形貌的放 大图象。所得图象由照相机拍摄。调节放大倍数约2000倍。观察比较羟丙基淀粉、羧甲 基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉的颗粒表面是否光滑,是否有裂痕、洞穴或凹凸不平,并与 原淀粉比较。
3结果与讨论
3.1红外光谱图及谱图分析 
 
 
图15马铃薯原淀粉的红外光谱 Fig 15 The infrared ray spectrum of the raw potato starch
30
 
_06oo9Eaos5eor5706s60ss504s-*o3s 一 1 t
US
 
 
图16马铃薯羟外光谱 
Fig 16 The infrared ray spectrum of the potato hydroxypropyl starch
 
Fig 17 The infrared ray spectrum of the potato carboxymethyl starch
 
Fig 18 The infrared ray spectrum of the potato hydroxypropyl carboxymethyl starch
31
 
马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉的红外光谱分别如 图15、图16、图17、图18。马铃薯原淀粉在3416CUT1出现-0H的伸缩振动吸取峰,在1461 cnf1?1373 cnf1出现-0H键面内弯曲和-CH-键面外弯曲振动吸取峰,1160CHT1?987 cnf1 出现C-CK:键的吸取峰,在925CHT1、856CDT1、763 CHT1等处出现了淀粉糖环的特征吸取峰。 羟丙基产物谱图,由于加上了羟丙基,在出现-0H的伸缩振动吸取峰,在1446 cnf1?1380 cnf1出现-0H键面内弯曲和-CH-键面外弯曲振动吸取峰,与原淀粉红外光谱图 重合,不能显现。羧甲基产物谱图在1115(^1处出现了(:-0-(:键吸取峰,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,在1618〇11_1、1426 cnf1、1326CDT1出现了-C00-吸取峰,从而证明了反应有羧甲基上去。羟丙基羧甲基产物谱 图具有原淀粉特有的特征吸取峰,同时在lmcnf1处出现了C-0-C键吸取峰,在1607 cnf1、 1426 cnf1、1327cm-1 出现了-C00-吸取峰。
{SPTOo^puetl
 
10
2030
2-Th©ta(°
40
50
图19马铃薯原淀粉X-RD衍射图谱 Fig 19 The X-RD spectrum of the raw potato starch
32
3. 2 X-射线衍射分析图谱 
 
1020304050
2-Theta(°
图20马铃薯羟丙基淀粉X-RD衍射图谱 Fig 20 The X-RD spectrum of the potato hydroxypropyl starch
 
10203040
2-Theta(°
33
图21马铃薯羧甲基淀粉X-RD衍射图谱
Fig 21 The X-RD spectrum of the potato carboxymethyl starch
图22马铃薯羟丙基羧甲基淀粉X-RD衍射图谱 Fig 22 The X-RD spectrum of the potato hydroxypropyl carboxymethyl starch
X—光衍射图的不同特征反映淀粉结晶结构的差别,衍射图中的峰高(衍射强度)和 半峰宽(衍射角)与颗粒内部结晶区中的晶粒大小形状有关,晶粒越大,衍射峰越高,半 峰宽越小。根据图19、图20、图21、图22分析,马铃薯原淀粉的结晶度为16. 66%,马铃 薯羟丙基淀粉结晶度为17. 83%,马铃薯羧甲基淀粉结晶度为29. 88%,马铃薯羟丙基羧甲 基淀粉结晶度为22. 71%。即天然马铃薯原淀粉中有结晶结构的存在,羟丙基化开始之时, 淀粉颗粒的结晶结构基本没有受到破坏,羧甲基化过程不仅发生在无定形区,同时结晶 区也遭到破坏。
 
图22马铃薯原淀粉扫描电镜图 Fig22 SEM photographs of the raw potato starch
图23马铃薯羟丙基淀粉扫描电镜图 Fig23 SEM photographs of the potato hydroxypropyl starch
34
3.3扫描电镜图及分析
 
图24马铃薯羧甲基淀粉扫描电镜图图25马铃薯羟丙基羧甲基淀粉扫描电镜图
Fig 24 SEM photographs of the potatoFig25 SEM photographs of the potato
carboxymethyl starchhydroxypropyl carboxymethyl starch
从图22、图23、图24、图25中大家可以很清楚地看到,天然马铃薯淀粉颗粒呈球形 或椭球形,表面平滑。但羧甲基化以后颗粒表面出现了明显的孔洞和裂纹,这说明羧甲• 基化过程不仅发生在颗粒表面,同时也在颗粒内部进行。羟丙基淀粉颗粒表面凹凸不平, 洞穴增多,有的呈蜂窝状,颗粒破碎多。淀粉颗粒形貌的变化表明羟丙基化是从淀粉颗 粒表面结构较薄弱部分的局部开始向核心发展,而不是从整个颗粒表面开始层层向里深 入,这种结构薄弱部分很可能是淀粉颗粒的非结晶区。羟丙基羧甲基淀粉表面既凹凸不 平,洞穴多,又有明显的孔洞和裂纹。
4小结
通利用红外光谱分析寻找到了各特征基团的特征吸取峰、利用x-射线衍射分析仪研 究了马铃薯羟丙基羧甲基反应前后淀粉结晶结构的变化,证明了羟丙基羧甲基过程不仅 发生在无定形区,还破坏了结晶区,说明结晶区的存在不会限制反应产物的取代度。采 用扫描电子显微镜(SEM)观察了羟丙基羧甲基化前后淀粉颗粒表观形貌的变化,结果表 明随着羟丙基羧甲基化过程的进行,淀粉颗粒表面凹凸不平,出现了孔洞和裂纹,验证 了羟丙基羧甲基化过程不仅发生在淀粉颗粒的表面,还在淀粉颗粒的内部进行。从而证 明取代是成功的,达到了预期效果。
35
第五章马铃薯羟丙基羧甲基淀粉理化特性及片剂辅料中的作用 1前言
淀粉被广泛应用在食品医药纺织造纸和日用化工等行业,是重要的工业原料之一。 但随着科学与加工技术的发展,原淀粉的某些性质已不能满足加工要求。如在食品工业 中马铃薯淀粉可作稳定剂和增稠剂,以提供许多食品的特性粘度结构和口感。但是由于 马铃薯淀粉在冷水中不溶解、淀粉糊粘度不稳定、易发生凝沉。使其用途又受到很大的 限制并且影响食品的品质,在需长期储存特别是在冷冻和低温储存的食品中它容易产生 淀粉糊凝沉而失水。所以在食品加工中原淀粉的性质使它无法达到某些使用要求,必须 对它进行变性处理,即部分改变结构,从而使淀粉的凝胶化特征、糊的凝沉性、冻融稳 定性等性质符合使用要求。在片剂辅料应用中的缺陷大家前面已做叙述。羟丙基羧甲基 马铃薯淀粉简称HCMS,即是变性淀粉的一种。以前对变性淀粉的研究与生产己有几十年 的历史,但大都是采用玉米淀粉为原料进行研究,玉米淀粉品质与片剂辅料使用要求相 差较大,如糊透明度不高、粘度不大、凝沉性高等,使之作为生产片剂辅料原料有一定 的局限性。当前随着马铃薯深加工的发展,马铃薯淀粉日益增多,而关于羟丙基羧甲基 马铃薯淀粉的研究,尤其是在片剂辅料中的应用在国内外报道尚未见报道,因此本章重 点讨论羟丙基羧甲基马铃薯淀粉在适合片剂辅料方面的重要理化特性,结果将为新型片 剂辅料的研发、马铃薯淀粉的深加工及羟丙基羧甲基马铃薯淀粉的进一步开发应用提供 一定的依据。
2材料与方法
2.1主要仪器设备与试剂
2.1.1主要仪器设备
分析天平;分光光度计;恒温水浴锅;离心机;冰箱;superlll型快速粘度分析仪 (澳大利亚新港科学有限企业生产);旋转蒸发器(RE - 52AA,上海亚荣生化仪器厂); 压片机;搅拌机
36
2.1.2主要材料与试剂
马铃薯原淀粉;马铃薯轻丙基淀粉;马铃薯羧甲基淀粉;马铃薯羟丙基羧甲基淀粉 .(均自制);稀盐酸
2. 2检测方法 2.2.1糊透光性测定
分别称取干燥以后的马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀 粉试样于50mL烧杯中,加入蒸馏水,各配成质量分数为1%的淀粉乳液,在沸水浴上加热 搅拌lOmin,充分糊化后,冷至25°C,调整体积为原有体积,转移到lcm比色皿中,用722- 型光栅分光光度计,以蒸馏水作空白(透光率为100%),在650nm下分别测其透光率。对 这四种淀粉的透光性进行比较,透光率越大,说明透明度越好。
2. 2. 2冻融稳定性测定
分别配制1%马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉样品乳 液于沸水中加热15min,冷却至室温,取5mL于10mL具塞试管中,置于_20°C?-15°C 冰箱中冷冻,24h后取出,自然解冻,静置,观察糊液稳定性。主要是观察糊是否有水 析出,然后在离心机中(3000 r/min)离心20min,弃去上清液,称取沉淀物重量,按 照下面公式计算析水率。
析水率=(糊重-沉淀物重)/糊重X100%
分别对这四种淀粉进行比较。
2. 2. 3吸水膨胀率测定
准确称取0.4g马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉试 样于试管中,分别加入到10mL蒸馏水,在85°C下搅拌加热30min,使其充分膨胀后,然 后在2000 r / min下离心沉降15min,试管下部沉淀部分为膨胀淀粉,将上层清夜分离干 燥即得水溶淀粉的量,计算溶解度、膨胀率。
.溶解度=水溶淀粉的量/样品重X100%
37
膨胀率=膨胀淀粉重/ (样品重X (100-溶解度))
2. 2. 4粘度与成糊温度测定
准确称取3g马铃薯原淀粉、马铃薯轻丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、马铃薯轻丙 基羧甲基淀粉(含水量以14%计)样品,分别按照以下方法处理:加入25mL蒸馏水,混合于 RVA专用罐内,调成淀粉乳,采用升温-降温循环,即在搅拌过程中,测试罐内温度变化如 下:5(TC下保持lmin;以12°C / min的速度上升到95°C (3. 75min内);95C下保持2. 5min; 以12°C / min下降到50°C (3. 75min内);羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,50°C下保持2min。搅拌器在起始10s内转动速 度为960r/min,之后保持在160r/min。粘度单位是用RVU (rapid visco units)表 示。分别测得淀粉糊化粘度曲线,分析峰值粘度(Peak)、谷值粘度(Trough)、破损值 (Breakdown)、最终粘度(Final Vise)、回升值(Setback)、出峰时间(Peak Time)、成 糊温度(Pasting Temp)。
2. 2. 5耐酸性能测定
准确称取3g马铃薯原淀粉、马铃薯轻丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、马铃薯羟丙 基羧甲基淀粉(含水量以14%计)样品,分别按照以下方法处理:加入25ml蒸馏水,混合于 RVA专用罐内,调成淀粉乳,采用升温-降温循环,即在搅拌过程中,测试罐内温度变化如 下:50°C下保持lmin;以12°C / min的速度上升到95°C (3.75min内);95°C下保持2.5min; 以12°C / min下降到5(TC (3. 75min内);5(TC下保持2min。搅拌器在起始10s内转动速 度为960r / min,之后保持在160r / min。取出后加入稀盐酸,调其乳液的PH为3. 0, 放入RVA进行测试,50°C下保持5min,搅拌器转动速度为160r/min,测定其最终黏度。
2.2.6抗剪切力性能测定
分别称取马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉,各配成 质量分数为1. 5%的淀粉乳液,加热至95X:糊化,恒温50min后,冷却至室温25T:,测定其 黏度;然后用搅拌机中速搅拌5min, 10 min后,再分别测定其粘度,通过粘度变化的对比, 分析其抗剪力性能。
38
2. 2. 7抗生物降解性能测定
分别取马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基羧甲基淀粉,各配制成 1%的样品乳液在室内贮存,测定其粘度随於存时间的变化。由此变化速率可知其抗生 物降解性。
2. 2. 8崩解时间测定
以主药乙酰苯胺0.5g,表面活性剂0.03克,马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基 淀粉、羟丙基羧甲基淀粉试样0.03 g分别直接混合均匀后,滴加适量的无水乙醇,加入 到压片机中,在4MPa下压片成型,控制装有500ml单颈烧瓶的旋转蒸发器转速为50 r/ min,将压好的片剂投入500mL水中,分别测完全崩解所需的时间(单位:s)。
3结果与讨论 3.1糊透光性变化
表6糊透光性的比较 Table 6 Camparison of permease light rate
序号样品透光率(%)
1马铃薯原淀粉78.53
2马铃薯羟丙基淀粉86.31
3马铃薯羧甲基淀粉91.64
4马铃薯羟丙基羧甲基淀粉95.6
由表6可以看出,与马铃薯原淀粉相比,马铃薯羟丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、 马铃薯轻丙基羧甲基淀粉糊透光性都较高,马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的透光率远高于马 铃薯羟丙基淀粉和马铃薯羧甲基淀粉,马铃薯原淀粉经过复合变性以后,透光率显著增 大,这说明羟丙基淀粉经过羧甲基化后克服了原淀粉和羟丙基淀粉、羧甲基淀粉单一变 性淀粉透光率差的不足。从分子结构分析,随着产品取代度的增加,分子链上所带的阴 电荷增多,同种电荷之间的静电作用使分子间产生排斥,链间空隙增大;同时,马铃 薯羟丙基羧甲基淀粉破坏了原淀粉的晶体结构,大量亲水性很强的羧甲基与水分子间 形成氢键的缔合程度很髙,使每个羧甲基都充分与水接触并产生吸引,分子吸水达到饱
39
和,故使其透光率显著增大。把它应用于片剂辅料中可使片剂更加平滑、透明,增加润 滑效果,在压片的时候不会粘在模具上,影响生产和产品质量,同时更便于服用。
3. 2冻融稳定性变化
表7冻融稳定性的比较 Table 7 Camparison of freeze and melt stability
序号样品析水率(%)
1马铃薯原淀粉89.28
2马铃薯轻丙基淀粉44.1
3马铃薯羧甲基淀粉12.6
4马铃薯羟丙基羧甲基淀粉0
由表7可知,与马铃薯原淀粉相比,马铃薯轻丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、马铃 薯轻丙基羧甲基淀粉的析水率都较低,淀粉经复合变性后的吸水率为0,这主要是因为 原淀粉分子在冷冻过程中,分子之间易于取向排列,形成氢键,导致抗冷冻能力减弱; 淀粉经变性处理后,在淀粉分子上引入了亲水基团,提髙了淀粉分子的亲水能力。这种 结构的改变,导致分子间空隙增大,不易定向排列,不易形成氢键,因此冻融稳定性大 大增加,提高了药物在低温储藏过程中的稳定性。而马铃薯轻丙基羧甲基淀粉比马铃薯 轻丙基淀粉和马铃薯竣甲基淀粉的冻融稳定性增加更大,添加到药物片剂中做辅料,对 一些需低温下jit藏的药物片剂具有良好的保水性,不会引起片剂变形,不影响药效,而 且适口性好。
3. 3吸水膨胀率变化
表8吸水膨胀率的比较 Table 8 Camparison of rate of bibulous swelling
序号样品溶解度(%)膨胀率(%)
1马铃薯原淀粉4237.32
2马铃薯轻丙基淀粉3228.16
3马铃薯羧甲基淀粉18.511.4
4马铃薯轻丙基羧甲基淀粉10.26.5
40
膨胀度愈大,相应吸水率愈大,膨胀度反映的是吸水膨胀性能。由表8可知,与马 铃薯原淀粉相比,马铃薯经丙基淀粉、马铃薯竣甲基淀粉、马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的 膨胀度和溶解度都有较大的降低,这主要是因为淀粉分子在热水中受热,氢键强度减弱, 颗粒吸水膨胀,但加入了羟丙基和羧甲基后,它们的强度远远大于氢键,使直链型或支 链型淀粉分子形成体型网状结构,增强了颗粒结构的强度,分子连接更加紧密,抑制颗 粒的膨胀、破裂和溶解。在片剂辅料中使用正可以适当降低产品粘度,相应缩短崩解时 间。
3. 4粘度与成糊温度变化
表9粘度与成糊温度CC)的比较 Table 9 Camparison of viscosity and gelatinization temperature
样品峰值
粘度
(RVU)谷值
粘度
(RVU)破损值
(RVU)最终
粘度
(RVU)回生值
(RVU)出峰
时间
(min)成糊
温度
(•C)
马铃薯原淀粉114.5949.565.097424.52.9765.75
马铃薯羟丙基淀粉156.6354102. 63130.7526.755.0756.53
马铃薯羧甲基淀粉610.1760.96376.79194. 0433.095.37-
马铃薯羟丙基羧甲基淀粉730253.21549.21359.8213.165.6—
由表9可以看出,马铃薯原淀粉、马铃薯羟丙基淀粉和马铃薯羧甲基淀粉的粘度比 较低,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,这是因为淀粉分子间经过化学键轻丙基和羧甲基化后,增强了淀粉颗粒结构的强 度,抑制了颗粒的膨胀与破裂。马铃薯羟丙基羧甲基淀粉粘度较大,是因为马铃薯羟丙 基淀粉分子链上引入的羧甲基成阴性,复合变性使淀粉颗粒明显破损且在颗粒表面形 成很深的洞穴(可在扫描电镜下观察到),致使淀粉的分子结构被破坏,所以在糊化过 程中,粘度会大大增加。
马铃薯原淀粉与单一变性淀粉在糊化后,久置易分层,从水中析离的沉降部分的粘 度会明显增大,即发生老化现象。复合变性后的淀粉经羧甲基化以后,糊液的稳定性大大 增强,糊化后放置时间再久也不会分层,即抗老化性能明显提髙,大家可以通过测定羟丙 基羧甲基马铃薯淀粉糊化后的冷、热粘度变化来检验其抗老化性能。通过表中反映出原 淀粉冷、热粘度变化大,老化倾向大,抗老化性能弱;马铃薯羟丙基淀粉和马铃薯羧甲 基淀粉的冷、热粘度变化较原淀粉小,说明其抗老化性能已得到提高。对马铃薯羟丙基
41
羧甲基淀粉而言,随着冷、热粘度变化越来越小,趋向于零,表明其抗老化性能已相对 稳定。由此也说明,复合变性淀粉的抗老化性能较之单一变性淀粉有明显的提高。
从表中数据还表明,原淀粉经轻丙基和羧甲基化后,原淀粉结构发生变化,亲水性 增加,易于吸水膨胀,糊化温度明显降低。这些性质有利于马铃薯轻丙基羧甲基淀粉在 片剂辅料中的实际应用,一方面做为粘合剂具有较强的粘合性能,使主药能粘合在一起; 另一方面,可防止片剂的老化;同时,可省去加热糊化操作,节省能源,简化工序,提 髙效益。
3. 5耐酸性能分析
表10耐酸性能的比较(单位:RVU) Table 10 Camparison of acid resistance
序号样品中性粘度酸性粘度粘度差值
1马铃薯原淀粉747.5966.41
2马铃薯羟丙基淀粉130.7575.2755.46
3马铃薯羧甲基淀粉194.04165. 5428.5
4马铃薯羟丙基羧甲基淀粉359.8357.32.5
从表10看出,马铃薯原淀粉对酸非常敏感,抗酸性能差,因为酸会加速淀粉的水 解,引起粘度显著下降。马铃薯羥丙基淀粉和马铃薯经丙基羧甲基淀粉对酸的敏感程度 均有较大的降低,马铃薯经复合变性为羟丙基羧甲基淀粉后,在加酸前后的粘度均无显 著变化,说明制得的变性淀粉分子中,由于羟丙基和羧甲基的引入,使其耐酸性能较 原淀粉有明显提高。在实验中,较高取代度马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的耐酸性能最好, 放置几十天后也无大的变化。利用这一性质,添加到药物片剂中做辅料,可大幅度提髙 片剂的耐酸性能,特别是提高酸性较强药物片剂的稳定性起着极其大的作用。
3. 6抗剪切力性能分析
42
表11抗剪切力的比较(单位:RVU) Table 11 Camparison of anti-shearing force
序号样品粘度搅拌5min 粘度搅拌10min 粘度
1马铃薯原淀粉81.063411.59
2马铃薯羟丙基淀粉162130.7598.16
3马铃薯羧甲基淀粉210.23194.04172.75
4马铃薯羟丙基羧甲基淀粉402.5401.8401.2
通过表11分析,马铃薯原淀粉在机械搅拌作用下比较脆弱,易引起粘度明显下降, 而变性淀粉由于化学键的作用加固了溶胀粒子,故对机械搅拌不敏感。同时实验中还发 现低取代度的马铃薯羟丙基羧甲基淀粉与单一变性淀粉的性能相当;中取代度的马铃薯 羟丙基羧甲基淀粉的抗剪性能明显增强;特别是髙取代度的马铃薯羟丙基羧甲基淀粉 在较长时间的机械搅拌作用下,其粘度变化几乎为零。这一性能特点应用于目前片剂辅 料的现代化生产工艺和添加到药物中生产片剂中,具有非常重要的现实意义。
3. 7抗生物降解性能分析
表12抗生物降解性 Table 12 Resist creature degradation
序号样品 _时间(d)
012357
1马钤薯原淀粉21.10.30.10.10.1
2马铃薯羟丙基淀粉88876.45.8
3马铃薯竣甲基淀粉111111109.28.2
4马铃薯羟丙基羧甲基淀粉14141413.612.812.7
由表12可以看出,马铃薯原淀粉水溶液在一周内粘度己基本不存在,羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,即已发生严重 的生物降解,而马铃薯羟丙基淀粉、马铃薯羧甲基淀粉、马铃薯羟丙基羧甲基淀粉水溶 液粘度随着贮存时间延长,粘度稳定,表明未发生降解,因此淀粉经变性处理后抗生物 降解能力提高。淀粉的生物降解机理是由细菌进攻淀粉分子结构中a-1, 4糖苷键,导致 淀粉大分子链断裂,淀粉经变性后引入大量可阻碍细菌活动的基团,增强了抗生物降解 能力。马铃薯羟丙基羧甲基淀粉由于分别引入了羟丙基和羧甲基两个基团,其粘度比只 引入一个基团的大,且抗生物降解能力强,因此添加到药物片剂辅料中贮藏时,随着时
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间的变化,不易引起药物的变质,增大片剂的贮藏时间。
3. 8崩解时间分析
表13崩解时间的比较
Table 13 Camparison of the time of disintegrate
序号样品崩解时间(S)
1马铃薯原淀粉72
2马铃薯轻丙基淀粉64
3马铃薯羧甲基淀粉46
4马铃薯轻丙基羧甲基淀粉12
由表13可知,马铃薯原淀粉经过羟丙基化和羧甲基化促进了淀粉分子间的反应,从 而使直链型或支链型淀粉分子形成体型网状结构,大大增强了淀粉颗粒的强度,抑制了 颗粒膨胀。同时,氢氧化钠用量的增加,促使淀粉颗粒中的结晶区域发生破坏,利于醚 化反应的进行,从而使取代度升髙!但超过一定限值又会促进淀粉糊化,使取代度下降, 可见生产中应加强对羧甲基淀粉膨胀率的控制。马铃薯羟丙基羧甲基淀粉做药物片剂, 其药片的崩解时间最低为12s,具有良好的崩解性能。
3.9膨胀率、粘度、崩解时间三者之间的关系
.从以上性能实验分析发现,马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的膨胀率、粘度、崩解时间三 者之间有一定的联系。膨胀率越小,相应吸水率愈小,产品粘度也越小,相应崩解时间 较短,膨胀率反映的是产品的吸水膨胀性能。膨胀性能与崩解性能并无一致的关系。这 是因为,第一,实验测定膨胀率时,体现的是马铃薯轻丙基羧甲基淀粉这种离子型高聚 物网状上吸水的平衡,该过程可以在一个较长时间内完成,是一个平衡问题。崩解性能 测得的是马铃薯羟丙基羧甲基淀粉和主药混合压片投入水中完全崩解所需时间,是一种 动力知识题;第二,崩解性能除和马铃薯轻丙基羧甲基淀粉分子结构(取代度等)有关外, 还与压片后药片的颗粒结构及崩解剂吸水后溶液粘度有关,而膨胀性能则主要取决于马 铃薯轻丙基竣甲基淀粉自身分子结构。从上面的分析看出,为获得较好的崩解性能,控 制羧甲基淀粉钠的膨胀率在6. 5%是必要的。
观察药片的崩解过程可以发现,在崩解剂添加量仅占主药用量6%的条件下,良好的
崩解剂能够在极短时间内使药片体积增大2?5倍。体积逐渐增大使药片内聚力逐渐削 弱,最终使药片完全崩解。因此,药片的吸水及随后的膨胀过程是药片崩解的关键。羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,从 实验也可以知道,崩解时间随粘度值增大而增大。这是因为,在主药成分和用量相同、 崩解剂加入量和制片压力等因素一定的条件下,药片颗粒结构等因素对孔隙内水流动的 局部阻力可以认为近似相等。这样,因使用不同的崩解剂而产生的孔隙内水流动总阻力 差别主要来自崩解剂吸水后粘度的影响。粘度值增加,使药片孔隙内水流动的流动阻力 和扩散阻力都提髙,而使崩解时间延长。粘度增大到一定程度,将会使药片外围产生凝 胶屏蔽层,严重阻挡水分进一步进入药片内部,导致药片完全不崩解。在一定范围内, 取代度髙,交联剂用量小,则膨胀率就大,结果是水溶性好,崩解性能差。反之,则崩 解性能较好。
4小结
根据以上实验和结果、分析、讨论可以看出,马铃薯羟丙基羧甲基淀粉综合了羟丙 基淀粉和羧甲基淀粉的优点,同时又弥补了羟丙基淀粉抗老化能力弱、透光率低和粘度 差等缺点,提髙了羧甲基淀粉的抗剪切力、抗酸碱能力和糊液的稳定性,它所具有的理 化特性正适合作为新型的药物片剂辅料,能满足片剂辅料需要具备的填充剂、粘合剂、 润滑剂、崩解剂等作用,'而且安全无毒。
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第六章结论与展望
1结论
(1)在马铃薯轻丙基淀粉制备过程中,以分子取代度MS为指标,研究了环氧丙烷用 量、NaOH用量、无水硫酸钠用量、反应温度、反应时间等条件对分子取代度的影响,结 果表明:在羟丙基马铃薯淀粉的制备中,提高环氧丙烷用量及适度增加Na2S〇4用量,都 能加速反应进行,提高分子取代度;在马铃薯淀粉糊化温度以下,随着反应温度的升高 以及时间的延长,都能提高产品的分子取代度。通过单因素实验、正交试验及数据统计 分析,确定了制备马铃薯羟丙基淀粉的最佳工艺条件为:淀粉乳浓度为40%、NaOHl%、 反应温度40°C、反应时间14h、环氧丙烷12%、Na2S0410%。此条件可以获得分子取代度 0.2116的羟丙基淀粉。
(2)研究了不同反应条件对马铃薯羟丙基羧甲基淀粉取代度的影响规律,为制定 科学合理的生产工艺提供理论依据。在马铃薯轻丙基羧甲基淀粉制备过程中,以取代度 DS为指标,研究了氣乙酸用量、NaOH用量、乙醇浓度、反应温度、反应时间对取代度的 影响,结果表明:增加一氣乙酸用量,取代度提高;随NaOH用量的增加,取代度先增后 减;反应体系中水含量对醚化反应影响显著提髙,控制在适当水量,能促进反应效率, 过多或过少都会对反应不利:反应温度升高,反应时间延长,产品的取代度不断升高,
达到一定范围后增髙速度减慢,过高的温度会导致淀粉局部糊化,影响产品的收率和质 量。在单因素实验的基础上,根据马铃薯轻丙基羧甲基化的研究,依据数理统计学及正 交性原理,确定了制备马铃薯轻丙基淀粉的最佳工艺条件为反应温度60°C、反应时间4h、 NaOH75%、氯乙酸65%、酒精浓度为95%、淀粉乳浓度为40%。此条件测定最佳条件下的马 铃薯羟丙基羧甲基淀粉取代度为0. 4628。
(3)采用了傅立叶红外光谱(FT-IR)对马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀 粉、羟丙基羧甲基淀粉的结构变化进行了比较,结果表明羟丙基羧甲基淀粉谱图除了有 马铃薯原淀粉、马铃薯轻丙基淀粉的特征吸取峰以外,在llUcnf1处出现了 C-0-C键吸取 峰,在1607 cnf1、1426 cuf1、1327CHT1 出现了-C00_吸取峰。
(4)利用X-射线衍射分析仪研究了马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、 羟丙基羧甲基淀粉结晶结构的变化,通过结晶度的分析,证明了羟丙基化、羧甲基化过 程不仅发生在无定形区,还破坏结晶区,说明结晶区的存在不会限制反应产物的取代度。
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(5)采用扫描电子显微镜(SEM)观察了马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀 粉、羟丙基羧甲基淀粉颗粒表观形貌,并对他们进行了比较分析,发现羟丙基羧甲基淀 粉颗粒表面有空洞、裂纹,并且凹凸不平,证明了羟丙基化和羧甲基化反应不仅发生在 淀粉颗粒表面,还发生在淀粉颗粒的内部。
(6)制备了一种新型的马铃薯复合变性淀粉——羟丙基羧甲基淀粉新型片剂辅料的研究,马铃薯羟丙基羧甲基淀粉,并对 其性能进行了较全面研究。通过对马铃薯的原淀粉、羟丙基淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基 羧甲基淀粉进行理化特性比较研究表明:羟丙基羧甲基淀粉具有良好的冻融性、抗老化 能力、抗生物降解、糊透明度高和耐酸性以及粘度高、糊化温度低等优点。说明复合变 性淀粉兼有两种及以上单一变性淀粉的优良性质,弥补了单一变性淀粉性质的不足,各 方面性质均优于单一变性淀粉,开辟了新的变性淀粉种类。
(7)结合片剂对辅料的要求进行了深入讨论,首次把片剂辅料所需的填充剂、粘 合剂、崩解剂、润湿剂、稀释剂等作用集中于马铃薯轻丙基羧甲基淀粉一种物质,减少 片剂辅料的添加种类,节约成本。一方面将带动制药行业的一场革新,另一方面也能极 大的提高马铃薯淀粉的附加值,为企业和农民增收,同时,它还可应用在食品、纺织、 化工、饲料、石油钻井、铸造、造纸、建筑涂料等其他领域,具有广阔的应用领域及较 大的应用价值和应用前景。
2展望
由于本课题完成的时间紧,实验条件及本人水平有限,再加之这只是在实验室小规 模生产的结果,因此要取得更好的应用和更多的经济效益,尚有一些问题留待进一步研 究。
(1)如果再对该产品进行乙酰化效果是否更好有待进一步的研究。
(2)进行急性毒性验证实验,以进一步确定其食用的安全性。
(3)研究能进行实际工业生产的工艺流程及设备。
(4)把马铃薯羟丙基羧甲基淀粉的制备和其他变性淀粉联系起来,制备具有多种 性能的淀粉衍生物。
(5)马铃薯轻丙基羧甲基淀粉的其他应用有待于进一步的研究。
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