β-环糊精包合皮革防霉剂TCMTB的研究

β-环糊精包合皮革防霉剂TCMTB的研究陈均志，邵超群(浙江温州轻工研究院，浙江温州325003）摘要：本文通过单因素实验与正交实验研究了用β-环糊精包合皮革防霉剂2-(硫氰基甲基硫代)苯并噻唑（TCMTB）的工艺。当β-环糊精投入量为4.00克时，通过改变TCMTB的加入量、包合时间、包合温度，得到作为皮革缓释长效防霉剂的最佳包合条件：TCMTB加入量为1.00克、包合时间为2小时、包合温度为55℃，此条件下可获得较高的包合率产物，并对产物进行了表征。应用实验表明，防霉剂包合物的防霉性能优良，且防霉时间比原药明显延长。关键词：β-环糊精；2-(硫氰基甲基硫代)苯并噻唑；包合物；皮革；防霉剂中图分类号：TS52文献标识码：A文章编号：1672－0105（2009）01－0029－06Studyontheantifungalagentofleatheraboutβ-cyclodextrininclusiontechnologyforTCMTBChenJunzhi，ShaoChaoqun(ZhejiangWenzhouResearchInstituteofLightIndustry,WenzhouZhejiang325003)Abstract:Thispapertakesaresearchonβ-cyclodextrininclusiontechnologyfor2-(benzothiazolylthio)methylesterthroughsinglefactorexperimentandorthogonalexperiment.Whentheaddingamountofβ-cyclodextrinis4.0000g,bychangingtheaddingamountofTCMTB,inclusiontimeandinclusiontemperature,wegottheoptimalconditionsabouttheslow-releaseantifungalagentofleatherasfollows:theaddingamountofTCMTBwas1.0000g,inclusiontimewas2handinclusiontemperaturewas55℃.Ithashighinclusiveratioundertheseconditions.Applicationexperimentsindicatethattheinclusioncomplexhasanexcellentperformanceinmildewproofandthetimeofmildewproofbyinclusioncomplexwasobviouslylongerthanoriginalcarboplatin.Keywords:β-cyclodextrin;2-(benzothiazolylthio)methylester;Inclusioncomplex;Leather;Antifungalagent我国是皮革生产大国，据2005年统计，皮革工业每年可为国家出口创汇达120多亿美元。然而在制革生产中使用的原料皮富含蛋白质，脂肪等营养物质，具备微生物的生长条件，因而在保存过程中易发生霉变。因此需要进行防霉处理。皮革上常用的防霉剂如五氯酚钠、乙萘酚、对硝基苯酚等，因毒性太大而逐渐被淘汰和禁用。目前在国外，以2-(硫氰基甲基硫代)苯并噻唑（TCMTB）为有效成分的皮革防霉剂被广泛使用[1]，它与酚类物质相比，TCMTB防霉性能极佳，且用量少，是一种高效、广谱、低毒、性价比高的防霉剂[2]。但如收稿日期：2009-02-19作者简介：陈均志（1948-），男，教授，硕士生导师，主要从事天然产物改性加工及新型化工材料及化工工艺方面的研究和开发。果直接使用，则药效散发快，持续时间短，产生局部毒性大。环糊精是一种中空的桶状化合物[3]，外表面亲水而内表面疏水，这种憎水性内腔可与很多油溶性物质结合成复合物，增大油溶性物质在水中的溶解性，形成具有缓释作用的微囊，它已在医药、食品、农药、化肥的缓释上得到较好的应用[4][5][6]，但是可用于皮革的缓释型防霉剂很少见有报到。本文研究利用β-环糊精对药品的优良包合与缓释作用，对皮革防霉剂TCMTB进行包合，研制使用方便、安全，可用于皮革的缓释型防霉剂。1实验1.1主要仪器与试剂主要仪器：JJ-1型定时电动搅拌器，金坛市华峰仪器有限公司；真空旋转蒸发仪SHZ-C,巩仪市英峪予华仪器厂；超净工作台YJ－875A,苏州三兴净化科技有限公司；电热恒温培养箱DHP350，武汉瑞华仪器设备有限责任公司。主要试剂：β-环糊精(β-CD)，陕西礼泉化工有限实业公司；2-(硫氰基甲基硫代)苯并噻唑（TCMTB），江苏宏阳化工有限公司。1.2包合率的测定在万分之一的赛多利斯分析天平上准确称取上述一定质量的β-环糊精包合物，加50mL二氯甲烷溶解，放入超声波清洗器冷凝回流震荡30min，静置冷却，抽滤，将所得滤液放入旋转蒸发仪中蒸出二氯甲烷，称出剩下的TCMTB重量，即为包合物中所包合的TCMTB的重量。TCMTB100TCMTB包合物中的含量包合率＝％加入总量1.3TCMTB包合物制备方法将去离子水按实验设定条件加热至实验温度，再加入4克β-环糊精制成饱和溶液，用尽可能少的二氯甲烷溶解一定量的TCMTB，缓慢滴加到β-环糊精饱和溶液中，搅拌反应至实验时间，趁热取出，放置至室温，在冰箱3～5℃下冷藏24h，抽滤，沉淀物用少量去离子水洗涤，再用二氯甲烷淋洗两次，于40℃真空干燥得淡黄色粉末状包合物。1.4单因素影响实验1.4.1不同TCMTB投入量对包合率的影响固定β-环糊精加入量为4.00g,反应温度为50℃，反应时间为2h,分别考察TCMTB加入量为0.60g、0.80g、1.00g、1.20g、1.40g、1.60g、1.80g时得到包合物的包合率，结果见图1。1.4.2不同反应时间对包合率的影响固定β-环糊精加入量为4.00g,TCMTB加入量为1.00g,反应温度为50℃，分别考察反应时间为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h、3.5h时得到包合物的包合率，结果见图2。1.4.3不同温度对包合率的影响固定β-环糊精加入量为4.00g,TCMTB加入量为1.00g,反应时间为2h，分别考察反应温度为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃时得到包合物的包合率，结果见图3。1.5正交实验设计依据单因素实验得出的初步实验结果，考察TCMTB加入量、反应时间、反应温度3个因素对包合率的影响，各取3个水平设计L9(34)正交实验，见表1.1.6应用实验由于皮革上霉菌的种类，随皮革种类和环境的不同而有所不同，故本防霉效果实验选用的测试菌种为皮革行业较常出现的黑曲霉、黄曲霉、青霉、根霉、毛霉5种霉菌为代表，用无菌移液管移取5mL上述五种霉菌的孢子悬浮液于锥形瓶中，塞上棉塞，在超声波清洗机中震荡10min,使霉菌孢子充分分散，然后放入冰箱中保存。采用平板菌落计数法进行计数，使1mL菌液中含霉菌孢子数为2.0×106个。将防霉剂原药和包合物分别与几种表面活性剂及溶剂混合均匀，加水配成含TCMTB都为0.3%的乳液。将经防霉剂处理后的皮片（包括空白对照），每个样品做两组平行样，喷洒上述供试菌孢子悬浮液，然后悬挂在恒温恒湿箱中，每四天观察其霉变情况，由皮片表面长霉程度判断防霉剂防霉性能的高低[9][10]。评价标准及防霉结果分别见表3和表4。表1因素水平表因素水平TCMTB加入量/g包合时间/h包合温度/℃ABC10.801.55021.0025531.202.5602结果与讨论2.1单因素影响实验分析环糊精可以包接油性客体物质的原因是：在水溶液中，环糊精亲脂腔体中的水分子形成氢键的倾向得不到满足，因而比溶液中的水分子具有更高的热焓。所以，亲脂性药物整个分子能通过置换环糊精腔体内的水分子来降低体系能量，这是形成包合物的原因。因此环糊精可以在水溶液中选择性地与有机小分子结合，借范德华力、氢键、偶极互相作用而形成具有不同稳定性的包合物。结合包合原理，为了提高反应活性，提高结合常数,使包合过程向正方向进行，需找出合适的反应条件，选择了TCMTB投入量、包合时间、包合温度这3种主要影响因素进行讨论。2.1.1TCMTB加入量的影响分析TCMTB的用量影响到所得产品的包合率和成本。因为β-CD的空腔最大容纳TCMTB有一饱和量。TCMTB加入量的影响如图1所示，当TCMTB加入量从0.60g到1.00g时，随着TCMTB投入量的增加，包合率基本保持不变，都在70%以上，此后，再增加TCMTB投入量，包合率不断减少。这是由于提高TCMTB的投入量，虽然可以使包合物中TCMTB的绝对量稍有提高，但同时有大量的药物游离在外，所以TCMTB投入量为1.0000g为最佳。0.40.60.81.01.21.41.61.82.045505560657075包合率/%TCMTB加入量/g图1TCMTB加入量对包合率的影响2.1.2包合时间的影响分析β-CD包合TCMTB的过程，实际就是水分子与TCMTB分子在范德华力的作用下，相互置换的重排和移去过程，会有一个时间的平衡过程。包合时间的影响如图2所示，包合时间由0.5h提高到2h时，包合率增加很快，但是在2h以后，再延长包合时间，包合率提高不再明显。这是因为增加包合时间能为β-环糊精和TCMTB提供更多的相互碰撞机会，有利于包合物的生成，提高包合率。但当包合物充分形成后，β-CD的空腔已经饱和，再增加包合时间，对促进包合物的生成效果甚微，故选择2h包合时间最佳。0.51.01.52.02.53.03.550556065707580包合率/%包合时间/h图2包合时间对包合率的影响2.1.3包合温度的影响影响分析通过对包合物形成过程的热力学分析，环糊精分子空腔无论是在固相还是在水溶液中并非是空着的而是结合有水分子。由于范德华力和疏水键互相作用、氢键和释放能量，电荷转移和π-π堆积都是包合物形成和稳定的驱动力。伴随包合物的形成会有明显的热量变化，因此温度也是影响包合过程的重要因素。包合温度过低，则β-环糊精在水中溶解度较小，不利于包结络合过程，此时ka迅速下降，影响包合向产物方向进行。随温度的升高β-环糊精溶解度增加，包合温度的影响如图3所示，由图3可知，在40～55℃之间，包合率随温度的升高而增加，在55℃包合率最高。但是当包合温度上升至70℃时，包合率反而急剧降低。这是因为在一定温度范围内，提高包合温度能增加β-环糊精的溶解度，并为TCMTB的络合提供动能，促进二者的相互碰撞几率，有利于包合物的生成。但当包合达到平衡后，过高的温度又促进了已形成的包合物中的TCMTB的分子热运动，导致包合物的解络，故温度为55℃为宜。404550556065704550556065707580包合率/%温度/℃图3包合温度对包合率的影响2.2正交试验结果与分析表2均匀试验结果因素试验号包合率(%)ABC111171.45212278.37313376.54421275.48522377.14623175.37731363.79832168.74933271.52k175.4570.2471.85k276.0074.7575.12k368.0274.4872.49R7.984.513.27通过单因素实验和正交实验得出的结果表明，在制备防霉剂TCMTB包合物的过程中，TCMTB加入量、包合时间、包合温度都是影响包合率的显著因素，在这3个影响因素中，TCMTB加入量是最主要的影响因素，而包合时间和包合温度是次要条件，包合的最佳工艺条件为A2B2C2，即TCMTB加入量为1.00g，包合时间2h，包合温度55℃。在此最佳条件下包合率可达78.76%。2.3应用实验评价表3挂片法实验评价标准样品上霉菌的生长情况霉菌抗性表示防霉力评定等级样品表面霉菌不生长-0级试样表面有微量菌丝（＜10%）+1级