β-紫羅蘭酮-β-環(huán)糊精包合物的結(jié)構(gòu)確證及反應(yīng)熱力學(xué)研究

姬小明，劉 云，蘇長濤，趙銘欽

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002）

β-紫羅蘭酮存在于柑橘屬果皮精油、葡萄、覆盆子和煙草中，屬天然等同香料[1]，是配制很多高級(jí)香精不可缺少的香料。β-紫羅蘭酮(Ionone，C13H20O，相對(duì)分子量192.29)，以α、β和γ三種異構(gòu)體形式存在，稀釋后，β-紫羅蘭酮具有強(qiáng)烈的覆盆子和紫羅蘭香氣，并有水果和木香香韻，果香氣較重，較適合于配制木香或果香氣較重的香精[2]；用于煙草、覆盆子和甘草風(fēng)味的配方中。同時(shí)，它又是一種重要的香料及醫(yī)藥中間體[3]。但該香料由于有雙鍵結(jié)構(gòu)易氧化。β-環(huán)糊精是良好的天然包合材料[4-5]，環(huán)糊精與香料分子形成包合物以后不僅可以提高香料分子的水溶性，還可以增加香料分子的穩(wěn)定性，提高香料分子的可用性，延長保香期[6]，改進(jìn)了產(chǎn)品的質(zhì)量。環(huán)糊精包合物已經(jīng)廣泛用于制藥、分析化學(xué)、環(huán)保、有機(jī)合成、食品等諸多領(lǐng)域[7]。因此，采用環(huán)糊精包合物來保護(hù)香料的穩(wěn)定性并增強(qiáng)留香能力是香料工業(yè)研究的熱點(diǎn)課題。但絕大多數(shù)香料包合物的研究只停留在制備工藝上，未深入探討該包合物的理化性質(zhì)的前后變化[8]。當(dāng)前關(guān)于 β-紫羅蘭酮與 β-環(huán)糊精包合物的反應(yīng)熱力學(xué)及其在卷煙中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。本文擬用飽和水溶液方法制備β-紫羅蘭酮-β-環(huán)糊精包合物，并用分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對(duì)其反應(yīng)熱力學(xué)和卷煙加香進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：β-環(huán)糊精（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），無水乙醇（分析純，北京化工廠），β-紫羅蘭酮（自制）。

儀器：1H NMR使用瑞士Bruker DPX-400型超導(dǎo)核磁共振儀測定，吸光度使用美國VARIAN公司CARY300型紫外掃描分析儀測定，DSC使用日本島津公司DSC-50型差熱分析儀測定。

1.2 方法

1.2.1 環(huán)糊精包合物的制備 用飽和水溶液法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求稱取一定量β-環(huán)糊精加水制成60 ℃下的飽和溶液，恒溫。另取等摩爾的β-紫羅蘭酮溶于少量乙醇中（溶媒加入量為整個(gè)反應(yīng)體系的20%），不斷攪拌下加到β-環(huán)糊精溶液中，維持60 ℃繼續(xù)攪拌6 h。然后在5 h內(nèi)緩慢降至5 ℃，抽濾，依次用少量水、乙醇洗滌，在40 ℃真空干燥箱中烘干，于冰箱中冷凍保存。

1.2.2 β-紫羅蘭酮標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制 使用CARY300型紫外掃描分析儀（美國VARIAN公司）對(duì)β-紫羅蘭酮的乙醇（無水）溶液進(jìn)行最大紫外吸收波長掃描。

重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在 β-紫羅蘭酮濃度為5.0×10-5mol/L時(shí)吸光值在0.3～0.7之間，以無水乙醇為溶劑分別配制 4.0×10-5、4.5×10-5、5.0×10-5和5.5×10-5mol/L的 β-紫羅蘭酮溶液，分別測定其在299 nm處的吸光值，繪制β-紫羅蘭酮的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 固相包合物核磁共振分析 核磁共振譜測定以CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.4 固相包合物的 DSC分析 稱取包合物 1.3 mg置于DSC-50中，高純氮?dú)饬鳛?0 mL/min的環(huán)境下，升溫速率為10 ℃/min，在20～500 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行DSC分析。

1.2.5 包合物在煙絲中加香的試驗(yàn) 取一定量的包合物制成10%的包合物香料溶液，分別按0.5%、1%和 1.5%的投料比噴灑到煙絲上，然后在恒溫恒濕條件[T=(22±1)℃，相對(duì)濕度 65%]下平衡 48 h后將煙絲卷制成煙支，組織專家進(jìn)行評(píng)吸。用未加包合物的煙絲卷制成的卷煙作為對(duì)照。

2 結(jié) 果

包合是一種物理過程，包合物形成主要取決于環(huán)糊精與客體分子的立體結(jié)構(gòu)及二者作用力的大小，所以在包合前，首先應(yīng)該考慮課題分子的大小是否與環(huán)糊精的空腔內(nèi)徑相匹配，這樣客體分子才有進(jìn)入環(huán)糊精空腔中的可能。經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件 Chem Office 2006計(jì)算。β-紫羅蘭酮分子可以被β-環(huán)糊精包合。

2.1 固相包合物的1H NMR鑒定

表1列出了包合作用發(fā)生前后β-環(huán)糊精與包合物中的環(huán)糊精部分1H NMR譜峰變化情況。從表中看出，β-環(huán)糊精與包合物中的環(huán)糊精部分的 1H NMR化學(xué)位移相比，H-5和H-3質(zhì)子均有較大高場化學(xué)位移（△δ：-0.056，-0.026），發(fā)生了屏蔽效應(yīng)，這主要是由于雙鍵和羰基的各向異性所致；H-4、H-2、H-6、H-1質(zhì)子均有低場化學(xué)位移（△δ：0.051，0.047，0.025，0.050），發(fā)生了去屏蔽現(xiàn)象，說明β-紫羅蘭酮分子被包合在環(huán)糊精中。△δ值的變化證明β-紫羅蘭酮與環(huán)糊精形成了包合物。

表2是包合作用發(fā)生前后β-紫羅蘭酮與包合物中的β-紫羅蘭酮部分的1H NMR譜峰歸屬對(duì)比，從表中數(shù)據(jù)可知，由于β-環(huán)糊精與β-紫羅蘭酮發(fā)生了包合作用，β-紫羅蘭酮的質(zhì)子化學(xué)位移移向低場，表現(xiàn)為去屏蔽效應(yīng)，△δ值的變化證明 β-紫羅蘭酮與環(huán)糊精形成了包合物。

表1 β-環(huán)糊精與包合物1H NMR譜峰歸屬對(duì)比Table 1 1H NMR analysis of β-Cyclodextrin and inclusion compound

2.2 固相包合物的DSC鑒定

比較β-紫羅蘭酮、β-環(huán)糊精、β-紫羅蘭酮和β-環(huán)糊精混合物、β-紫羅蘭酮包合物的DSC分析圖看出，β-紫羅蘭酮包合物的DSC譜峰與β-紫羅蘭酮、β-環(huán)糊精及β-紫羅蘭酮與β-環(huán)糊精的機(jī)械混合物明顯不同，包合物出現(xiàn)自己特有峰。由表3可知，β-紫羅蘭酮位于 224.1 ℃處的吸熱峰在包合物 DSC分析圖中消失，說明β-紫羅蘭酮包合物已是一種新的物相。在224.1 ℃時(shí)沒有失重分解，而在277.3 ℃處有一吸熱峰。

表2 β-紫羅蘭酮與包合物1H NMR歸屬對(duì)比Table 2 1H NMR analysis of β-Ionone and Inclusion compound

表3 DSC測定結(jié)果 ℃Table 3 Result of DSC

2.3 液相中β-紫羅蘭酮與β-環(huán)糊精包合反應(yīng)熱力學(xué)

2.3.1 β-紫羅蘭酮標(biāo)準(zhǔn)曲線 在波長為 299 nm 處分別測定 β-紫羅蘭酮標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，得到 β-紫羅蘭酮標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的一元線性回歸方程為：

2.3.2 溶液中 β-紫羅蘭酮與 β-環(huán)糊精包合反應(yīng)熱力學(xué) 對(duì)于1:1的包合體系，存在Hildebrand Benesi關(guān)系式[9]：

式中：[G]T和[CD]T分別為β-紫羅蘭酮和β-環(huán)糊精的總濃度，ε為摩爾吸光系數(shù)，KCD·G為包合物的穩(wěn)定常數(shù)。

將(1)式以[G]T/A對(duì)1/[CD]T作圖，由直線的斜率和截距可得包合物在20、30、40和50 ℃的穩(wěn)定常數(shù)。配制5.0×10-5mol/L的β-紫羅蘭酮溶液多份（30%乙醇溶液為溶劑），分別加入不同濃度（2.5×10-3、5.0×10-3、7.5×10-3和 1.0×10-2mol/L）的 β-環(huán)糊精水溶液，于不同的溫度（20、30、40和50 ℃）下攪拌，待包和平衡后（6 h）在299 nm處（加入低濃度的β-環(huán)糊精水溶液對(duì)最大紫外吸收位置幾乎沒有影響）測定體系的吸光度。

表4為不同溫度時(shí)包合物的吸光度。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，以 1/[CD]T為橫坐標(biāo)，β-紫羅蘭酮濃度與對(duì)應(yīng)吸光度的比值為縱坐標(biāo)，分別作出不同溫度下的回歸曲線（圖1）。由圖1看出，[G]T/A對(duì)1/[CD]T呈良好的直線關(guān)系，表明溶液中β-環(huán)糊精與β-紫羅蘭酮包合物的最佳物質(zhì)的量的比為 1:1。由直線的斜率和截距可得包合物在20、30、40和50 ℃的穩(wěn)定常數(shù)分別為 1.11×1011，1×1011，7.14×1010，4.48×1010。由此可見，隨溫度升高水溶液中β-紫羅蘭酮與β-環(huán)糊精包合物的穩(wěn)定常數(shù)降低，這表明包合過程為放熱反應(yīng)。

根據(jù)lnK=-△H/RT+△S/R 關(guān)系式，以 β-環(huán)糊精與β-紫羅蘭酮包合體系的lnK對(duì)T-1作圖，由直線的斜率和截距以及△G=-RTlnK關(guān)系式，可得包合體系的表觀△H，△S和△G值（30 ℃時(shí)）分別為-58.6、-114.6和-2743 kJ/mol。在 β-環(huán)糊精包合過程中，僅疏水作用力對(duì)應(yīng)著正的△S及正的或較小的負(fù)△H值（以熵變控制為主），顯然，在 β-紫羅蘭酮與β-環(huán)糊精包合體系中，疏水作用力對(duì)包合反應(yīng)幾乎不起作用。△H和△S值較負(fù)，這是因?yàn)榘线^程的推動(dòng)力主要是范德華力(△H＜0，△S＜0，以焓變控制為主)[10]。即 β-紫羅蘭酮與 β-環(huán)糊精包合體系中，范德華力起主導(dǎo)作用。

表4 不同溫度時(shí)包合物的吸光度Table 4 Abs of inclusion compound at different temp

圖1 [G]T/A與1/[CD]T的關(guān)系圖Fig.1 Relation between [G]T/A and 1/[CD]T

2.4 包合物的加香應(yīng)用

分別對(duì)七匹狼、紅旗渠配方煙絲（加料未加香）以不同的投料比加香，評(píng)吸結(jié)果如表5所示。表5表明，與對(duì)照相比添加包合物可以使煙香增加，總體香吃味質(zhì)量變好。不同處理相比較，以投料比為1%的卷煙加香效果最佳。說明β-紫羅蘭酮包合物直接加入煙絲后對(duì)卷煙感官質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用，添加適量的環(huán)糊精包合β-紫羅蘭酮，可使香氣質(zhì)改善，香氣量增加，達(dá)到煙香協(xié)調(diào)，雜氣減輕的目的。

表5 添加包合物對(duì)卷煙絲的加香效果Table 5 Effect of flavored tobacco thread

3 結(jié) 論

利用飽和水溶液法制備了 β-環(huán)糊精和 β-紫羅蘭酮的包合物，通過1H NMR和 DSC測試方法證實(shí)了包合物的生成。并對(duì)反應(yīng)的熱力學(xué)進(jìn)行了研究，利用Hildebrand Benesi關(guān)系式計(jì)算了包合物的穩(wěn)定常數(shù)，隨溫度升高水溶液中 β-紫羅蘭酮與 β-環(huán)糊精包合物的穩(wěn)定常數(shù)降低，這表明包合過程為放熱反應(yīng)。根據(jù)lnK=-△H/RT+△S/R 關(guān)系式，結(jié)合△G=-RTlnK關(guān)系式，得出包合反應(yīng)的熱力學(xué)常數(shù)(30℃時(shí))△H=-58.6 kJ/mol，△S=-114.6 kJ/mol 和△G=-2 743 kJ/mol，證實(shí)包合過程的推動(dòng)力主要是范德華力。進(jìn)一步的加香效果表明，β-紫羅蘭酮包合物直接加入煙絲后對(duì)卷煙感官質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用，即添加適量的環(huán)糊精包合β-紫羅蘭酮可以使卷煙的香氣質(zhì)改善、香氣量增加，并且具有煙香協(xié)調(diào)、余味純凈的加香效應(yīng)，表明利用環(huán)糊精包合技術(shù)來提高卷煙的香吃味是可行的。

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