淀粉及其衍生物

在过量水存在和一定温度下，整个颗粒突 然大量膨胀、破裂，晶体结构消失，最终变成 黏稠的糊，这种现象称为糊化，发生糊化所需 的温度称为糊化温度。 不同品种和来源的淀粉糊化温度各异。玉 米淀粉62~72℃,马铃薯淀粉56~66℃。糊化的本 质是水分子进入淀粉粒中,结晶相和无定形相的 淀粉分子之间的氢键断裂,破坏了缔合状态,分 散在水中成为亲水性的胶体溶液。直链淀粉占 有比例大时,糊化困难,甚至置高压锅内长时间 处理也不溶解;支链淀粉占有比例大时,较易使 淀粉粒破裂。其他影响糊化的因素有搅拌时间、 搅拌速度、酸碱度和添加的化合物等。
淀粉中存在的水分为结合水、界面 水和自由水三种状态。自由水保留在物 体团粒间或孔隙内,仍具有普通水的性质, 随环境湿度的变化而变化。这种水与吸 附它的物质只是表面接触,它具有生理活 性,可被微生物利用。结合水不再具有普 通水性质,温度低于-25℃也不会结冰,不 能被微生物利用。排除这部分水,就有可 能改变物质的物理性质.在测定水分的过 程中,这部分水有可能被排除。
淀粉的分子量及分子量分布主要与其来源有 关,谷物淀粉的低分子量部分含量较高,过40%, 其次为豆类、薯类淀粉则小于30%;而高分子量 部分,以薯类所占的比例最大,其次是豆类、谷 类淀粉;荸荠淀粉的直链淀的量约29%,其直链淀 粉分子量比玉米淀粉中的大;豆类淀粉的直链淀 粉含量大于30%,其分子量也比玉米直链淀粉大。 不同种类、不同来源的淀粉分子量分布的不 均匀性以及直链/支链淀粉的比例、淀粉的晶体 形态和比例等差异性,是自然形成的,无法控制。
三、天然药用高分子材料的特点 天然药用高分子及其衍生物结构和 性能各异。它们有的溶于水,有的难溶或 不溶于水;有的在药物制剂作辅料时供外 用,有的可供口服; 有的口服后可被消化 吸收(如淀粉),有的则在人体内不能生物 降解( 如纤维素 );有的具有生物活性或 靶向性(如白蛋白)。但绝大多数天然药 用高分子材料及其衍生物具有无毒、应 用安全、性能稳定、成膜性好、与生物 的相容性好、来源广泛、工艺简单、价 格低廉等优点和特点,是药物制剂加工时 选用的一类重要辅料。
天然多糖化合物分子量都很大,一般 为无定形粉末或结晶,具引湿性,有的可溶 于水,但不能成真溶液,有的成胶体溶液,有 的根本不溶于水,有的可吸水膨胀。糖基 和糖基之间的连接键苷键可为酸或酶催 化水解。多糖没有甜味,也无还原性,有旋 光性,但是没有变旋光现象。一般均多糖 为中性化合物,杂多糖表现为酸性,故杂多 糖又称酸性多糖。
第五章 药用天然高分子材料
第一节 概述(定义、分类和特点) 第二节 多糖类天然高分子及其衍生物 淀粉、纤维素及其衍生物 阿拉伯胶、甲壳素类、透明质酸 和海藻酸及其盐 第三节 蛋白质类天然药用高分子及其衍 生物 胶原、明胶、白蛋白
第一节 概述
一、天然药用高分子材料的定义 天然药用高分子材料是指自然界存 在的可供药物制剂作辅料的高分子化合 物。它们有淀粉、纤维素、阿拉伯胶、 甲壳素、海藻酸、透明质酸、明胶以及 白蛋白 ( 如人血清白蛋白 玉米蛋白、 鸡蛋白等)等。植物、动物和藻类是提取、 分离和加工天然药用高分子材料的生物 材料。
2%的水混合液pH为5.5~6.5,与水的接触角 为80.5~85.0º ;从溶解性看,淀粉不溶于水、乙醇 和乙醚等,但有一定的吸湿性,在常温常压下,淀 粉有一定的平衡水分,一般商业淀粉都有规定的 含水量(14 ~ 21%)。 尽管淀粉含有如此高的水分,但却不显示潮 湿而是呈干燥的粉末状,这主要是因为淀粉分子 中葡萄糖单元存在的众多醇羟基与水分子相互 作用形成氢键的缘故。 不同淀粉的含水量存在差别,这是由于淀 粉分子中羟基自行缔合及与水分子缔合程度不 同所致。
根据偏振光测定淀粉颗粒发生的现象 来看,淀粉粒内部构造与球晶体相似,它是 由许多环层构成的,层内的针形微晶体(又 称微晶囊)排列成放射状,每一个微晶束则 是由长短不同的直链淀粉分子或支链淀 粉的分枝互相平行排列,并由氢键联系起 来,形成大致有规则的束状体；另一方面, 与一般球晶体不同,淀粉粒具有弹性变形 现象。因此, 有一部分分子链是以无定形 的方式把微晶束串连起来。微晶起到了 物理交联的作用。
c. 淀粉的吸湿与解吸 淀粉中含水量受空气湿度和温度变 化影响,阴雨天,空气中相对湿度高,淀粉含 水量增加;天气干燥,则淀粉含水量减少。 在一定的相对湿度和温度条件下,淀粉吸 收水分与释放水分达到平衡,此时淀粉所 含的水分称平衡水分(可逆的)。在常温常 压下,谷类淀粉平衡水分为10%~15%,薯类 为17%~18%。用作稀释剂和崩解剂的淀 粉,宜用平衡水分小的玉米淀粉。
在过量水存在时,淀粉溶化温度一般为 60~80℃,此时,淀粉晶相区消失,淀粉链在水作 用下,支链淀粉不断伸展,分子链越来越松弛, 分子链间空间越来越大,直链淀粉的螺旋结构 变成了线性结构,脱离了原来的支链淀粉网状 结构.这样,支链淀粉以溶胀颗粒的形式存在, 而分散于水中,此时可将直链淀粉和支链淀粉 分离.分离后的支链淀粉在水中继续加热可形 成稳定的黏稠胶体溶液,冷却后也不变化，经 脱水、干燥、粉碎等加工，仍易溶于水，冷却 后变成胶体。而直链淀粉经过同样的处理后， 在热水中不溶，加热至140~150℃后再缓慢冷 却，则先变成凝胶状，然后又慢慢结晶。
由于分子内氢键作用,直链淀粉形成 链卷曲的右手螺旋形空间结构,约6个葡萄 糖形成一个螺旋（见图）。
支链淀粉是一种高度分枝的大分子, 各葡萄糖基单位之间以α-1,4苷键连接构 成主链,在主链分枝处又通过α-1,6-苷键形 成支链,分枝点的α-1,6-糖苷键占总糖苷键 的4%~5%。支链淀粉的分子量较大,根据 淀粉来源及分支程度的不同,平均相对分 子质量范围在1×107~5×108,相当于聚合 度为5万~250万。一般认为每隔15个单元, 就有一个α-l,6苷键接出的分支。支链淀 粉分子的形状犹如树枝状,小分支较多,估 计至少在数十个及以上。支链淀粉的分 子结构和构象分别见图。
作为药用辅料,天然药用高分子及其衍生物 不仅用于传统的药物剂型中,而且可用于缓释制 剂(CRP、CRDDS)、纳米药物制剂、靶向给药 系统(TDS)和透皮治疗系统TTS)等新型现代剂 型和给(输)药系统。 以药用淀粉纳米载体为例,淀粉具有其他人 工合成材料所不具备的许多优点,如有良好的生 物相容性;可生物降解,降解速率可调节;无毒、 无免疫原性;材料来源广,成本低;与药物之间无 相互影响。淀粉在水中可膨胀而具有凝胶的特 性,这也有利于其应用于人体。 中国已就淀粉微球、淀粉纳米粒以及淀粉 微凝胶进行了制备与应用基础研究。
淀粉粒的超大分子 结构模型 A一直链淀粉; B一支链淀粉
A
原淀粉与凝沉物 的XRD谱图 a一原淀粉 b一 (正戊醇)=4% c一(正戊醇)=9.6%
(2) 性质 ① 一般物性 a.形态与物性常数 玉米淀粉为白色结晶性粉末,显微镜下观 察其颗粒呈球状或多角形,平均粒径大小为 10~15μm,堆密度0.462ml-1,实密度0.658ml-1,比表 面积0.5~0.72m2·-1,水化容量1.8,吸水后体积增 g 加78%。流动性不良,流动速度为10.8~11.7gs-1 。 淀粉在干燥处且不受热时,性质稳定。 b.淀粉的溶解性、含水量与氢键作用力 由于葡萄糖单元的羟基以氢键的形式排列 于内侧,外侧为亲脂性的碳氢链，故淀粉的表面 其呈微弱的亲水性，能分散于水。
此外,按照加工和制备方法,将天然高分子 经过化学改性得到的高分子材料称为天然高分 子衍生物,或称为半合成高分子,如羧甲基淀粉、 淀粉硫酸酯, 羧甲基纤维素、邻苯二甲酸醋酸 纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤 维素、丁酸醋酸纤维素、琥珀酸醋酸纤维素等; 将生物发酵或酶催化合成的生物高分子也归为 天然高分子类,如黄原胶、右旋糖酐以及聚谷 氨酸等。 因此,药用天然高分子材料包括:天然高分 子材料、生物发酵或酶催化合成的高分子材料 和天然高分子衍生物材料三大类。
天然高分子材料因从来源、使用等方面来 讲是安全的绿色药用辅料，在药剂学上得到了 广泛的应用。但天然高分子材料的来源差异性 大、质量不稳定和性能不尽人意等不足，加之 随着药剂学的不断现代化，传统的天然药用高 分子辅料也需要不断现代化。因此,有必要根 据其结构及性质进行物理、化学或生物的改性 加工处理,使其能符合药用和制剂工业生产的 特殊需要和应用要求。在改性加工处理过程中, 天然药用高分子通过物理结构破坏、分子切断 重排、氧化或在分子中引人取代基,使其性质 和使用性能发生变化，加强或赋予新的性质的 天然药用高分子衍生物。 （玉不凿，不成器）
近30余年来,国外药物制剂工业非常 重视天然药用高分子及其衍生物的研究、 开发和应用,涌现出大量的新型辅料,为制 剂质量的改进和新型给药系统的创制提 供了丰富的物质条件。国内开展这方面 的工作尚处于初始阶段,远远不能满足我 国制剂生产和医疗事业发展的形势需要。
第二节 多糖类天然药用高分子及其衍生物 多糖是由多个单糖分子脱水、缩合通过苷 键连接而成的一类高分子聚合体。它是自然界 中分子结构复杂且庞大的糖类物质,可以被人体 及生物所代谢利用或分解。从其分子组成单元 的种类看,它们有的是由一种糖基聚合而成的均 多糖(homosaccharide),如纤维素、淀粉、甲壳 素等;有的则含有两种或两种以上的糖基叫杂多 糖(heterosaccharide),如阿拉伯胶、果胶、海藻 酸等。从多糖形成的聚合糖链形状分析,有的是 直链结构(如纤维素),有的既具直链结构又具支 链结构(如淀粉、阿拉伯胶)。
一、淀粉及其衍生物 (一)淀粉 1.淀粉的结构与性质 (l)结构 淀粉是以颗粒状存在于植物中， 颗粒内除含有80%~90%的支链淀粉 (amylopectin)外,还含有10%~20%的直链 淀粉(amylose)。支链淀粉称糖淀粉,直链 淀粉又称胶淀粉。二者的结构单元均为 D-吡喃型葡萄糖基。直链淀粉是葡萄糖 基之间以α-1,4-苷键连接的线性多聚物,平 均聚合度为800~3000,相对分子质量 128000~480000。
d.淀粉的水化、膨胀、糊化 淀粉颗粒中的淀粉分子有的处于有序态(晶 态),有的处于无序态(非晶态),它们构成淀粉颗 粒的结晶相和无定形相。无定形相是亲水的,进 入水中就吸水,先是有限的可以膨胀,而后是整 个颗粒膨胀。 淀粉水化的过程伴随着水化热的产生,水化 热的大小取决于样品中原有水份的多少,含水量 越大,水化热越小,当含水量达到16~21%时水化 热为零.此时为无定形淀粉水化达饱和,与水达 到平衡,晶相淀粉结构未被破坏,为有限膨胀.但 当加热时,晶相结构将被破坏,失去物理交联作 用,整个淀粉样品溶化.其溶化温度样品中所含 水份有关,水份越低,溶化温度越高.
例如,淀粉的改性产物羧甲基淀粉、 淀粉磷酸酯等; 纤维素的改性产物微晶 纤维素、羧甲wk.baidu.com纤维素、邻苯二甲酸醋 酸纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、 羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、丁 酸醋酸纤维素、琥珀酸醋酸纤维素等。
二、天然药用高分子材料的分类 天然药用高分子材料按照其化学组成和结 构单元可以分为多糖类、蛋白质类和其他类。 多糖类天然药用高分子是糖基间通过苷键 连接而成的一类高分子聚合体。其在医药工业 刷品工业应用最多的有淀粉、纤维素、阿拉伯 胶,其次是海藻酸、甲壳素、果胶等。 蛋白质类天然药用高分子,主要是用动物 原料制取的一类聚L-氨基酸化合物,明胶以及 白蛋白等属于此类。 其他类则是无特定组成单元的天然药用高 分子的统称。
依据原料的来源,天然药用高分子材 料还又可分为淀粉及其衍生物,纤维素及 其衍生和甲壳素及其衍生物等。前者是 指天然淀粉和由淀粉改性制取的产物 ( 淀粉衍生物 ),纤维素及其衍生物是天 然纤维素及由纤维素改性制取的产物 ( 纤维素衍生物 ), 后者则为天然壳素 及甲壳素改性物。纤维素衍生物在医药 工业和其他工业方面的应用较为广泛。