Mal－β－CD對黑胡椒精油的包合作用研究

王冠群 曲靜然 丁 烽 崔 波 檀琮萍

（山東輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，山東 濟南 250353）

Mal－β－CD對黑胡椒精油的包合作用研究

王冠群 曲靜然 丁 烽 崔 波 檀琮萍

（山東輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，山東 濟南 250353）

研究Mal－β－CD對黑胡椒精油的包合作用。以包埋率為指標(biāo)，以包合溫度、包合時間和 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比為變量，通過正交試驗確定最佳包合反應(yīng)工藝參數(shù)是包合溫度70℃，包合時間90 min，Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比為1∶1；通過紅外掃描和熱重分析，確認 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的形成，熱重分析表明β－石竹烯經(jīng) Mal－β－CD包埋后，耐熱性顯著提高；Mal－β－CD包合黑胡椒精油的包合產(chǎn)物穩(wěn)定性較好，水溶性好，包合物的臨界濕度為67%。

麥芽糖基－β－環(huán)糊精；黑胡椒；精油；包合作用

環(huán)糊精外親水、內(nèi)疏水的空腔結(jié)構(gòu)使其可以與很多客體分子通過分子間相互作用發(fā)生包合，形成主客體復(fù)合物，這種性質(zhì)使環(huán)糊精得以應(yīng)用于制藥、化工、食品等行業(yè)［1－3］。但環(huán)糊精水溶性較差、具有溶血效應(yīng)和腎毒性［4－6］，又限制了其應(yīng)用范圍。通常采用化學(xué)方法或生物酶法來修飾環(huán)糊精，麥 芽 糖 基 環(huán) 糊 精 （maltosyl－β－cyclodextrin，簡 稱 Mal－β－CD）就是一種修飾環(huán)糊精。目前有關(guān) Mal－β－CD應(yīng)用的研究已有報道［7，8］。

黑胡椒精油是從黑胡椒（piper nigrum L.）中提取的，具有強烈的芳香和刺激性辣味，是常見的食品調(diào)味料和食用香料，有消炎、止痛、健胃等功效［9］。黑胡椒精油的揮發(fā)性組分具有較強的生理活性，但發(fā)揮作用的時間較短?？紤]利用環(huán)糊精對黑胡椒精油中的揮發(fā)性組分進行包埋，以達到既增加揮發(fā)油的穩(wěn)定性又能充分發(fā)揮其生理活性的目的。

β－石竹烯是黑胡椒精油中的主要組分，約占37.16%，研究Mal－β－CD對β－石竹烯的包合作用可以間接地反映出其對黑胡椒精油的包合效果。本試驗利用麥芽糖基－β－環(huán)糊精包合β－石竹烯，主要研究了包合的最佳工藝條件，包合物的表征方法并考察了包合物的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β－石竹烯：色譜級，美國Sigma公司；

黑胡椒精油：食品級，阿拉丁試劑公司；

麥芽糖基－β－環(huán)糊精：本實驗室提供；

無水乙醇、鹽酸等：均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

揮發(fā)油測定器：BB89－8－006，成都中西儀器試劑廠；

紫外－可見分光光度計：UV757CRT，上海棱光技術(shù)有限公司；

烘箱：CS101－1型，重慶試驗設(shè)備廠；

熱分析系統(tǒng)：TGA／SDTA851e，梅特勒－托多利儀器公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：NexusF－TIR，美國 Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 Mal－β－CD－β－石竹烯固體包合物的制備 稱取 10 g Mal－β－CD，溶于100 m L水中，進行磁力攪拌的同時將配制好的β－石竹烯乙醇溶液緩慢滴加到 Mal－β－CD溶液中，至過量，密封，保溫30℃，期間不停攪拌，4 h后過濾（濾膜孔徑為0.45μm），濾液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，冷凍干燥，得到包合物粉末。經(jīng)紫外掃描，β－石竹烯30%乙醇溶液在215 nm處有最大吸收峰。在此波長下進行后續(xù)試驗。

1.3.2 包合物制備工藝條件的優(yōu)化 影響包合物制備的主要因素有β－石竹烯和麥芽糖基－β－環(huán)糊精的摩爾比，包合溫度和包合時間。在單因素試驗的基礎(chǔ)上進行了L9（34）正交試驗。

1.3.3 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的表征

（1）包和物的紅外光譜掃描：制得的 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物采用傅里葉變換紅外光譜進行表征，采用KBr壓片法，掃描32次，分辨率為4 cm－1，掃描區(qū)間為500～4 000 cm－1。

（2）包合物的熱重分析：稱取6 mg的包合物，進行熱重分析。分析條件為：高純度N2，流量20 m L／min，升溫速度10℃／min。

1.3.4 黑 胡 椒 精 油－Mal－β－CD 包 合 物 的 制 備 及 其 穩(wěn) 定 性研究

（1）黑胡椒精油－Mal－β－CD包合物的制備：溫度調(diào)整為25℃，攪拌時間縮短為30 min，其他同1.3.1。

（2）制備出黑胡椒精油－Mal－β－CD包合物進行穩(wěn)定性研究，包括高溫、強光下的穩(wěn)定性，以及吸濕性和揮發(fā)性。

1.3.5 包合率的計算 按式（1）。

式中：

R—— 包合率，%；

A—— 包合物中β－石竹烯的質(zhì)量，g；

B——包合前β－石竹烯的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mal－β－CD包合β－石竹烯的最佳工藝條件

2.1.1 包合時間對包合率的影響 Mal－β－CD 與β－石竹烯摩爾比為1∶1，包合時間為1～7 h，包合溫度為60℃，磁力攪拌。結(jié)果見圖1。包合時間對包合率的影響結(jié)果表明，Mal－β－CD與β－石竹烯在2 h達到最高值，2.5 h后包合率基本沒變化。

2.1.2 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比對包合率的影響

將 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比設(shè)定為1∶1，1∶2，1∶3，2∶1，3∶1，按前述方法進行包合，結(jié)果見圖2。當(dāng)主客體包合比在1∶2～2∶1范圍內(nèi)，包合率較高。

2.1.3 包合溫度對包合率的影響 包合溫度從30℃逐漸增加到90℃，其他同2.2.1。結(jié)果見圖3。試驗結(jié)果表明，較低的溫度不利于包合的發(fā)生；當(dāng)60～80℃時，包合率較高；高于80℃后，包合率開始下降，主要是因為高溫加劇了分子的熱運動，客體β－石竹烯分子逃離了環(huán)糊精空腔，從而使包合物在高溫下變得不穩(wěn)定。

圖1 包合時間對包合率的影響Figure 1 Effect of time on the inclusion rate

圖2 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比對包合率的影響Figure 2 Effect of Mole ratios of Mal－β－CD and β－caryophyllene on the inclusion rate

圖3 包合溫度對包合率的影響Figure 3 Effect of inclusion temperature on the inclusion rate

2.1.4 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物制備的正交試驗 正交的因素水平取值見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 正交試驗的因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗結(jié)果表Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可知，在包合物制備過程中，影響因素B＞C＞A，即 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩爾比影響最大，包合溫度次之，影響最小的是包合時間。A1、B2、C1為各因素最佳水平，但正交試驗中無此組合，考慮到單因素試驗中包合溫度60～70℃ 時包合率接近，因此選擇包合溫度為70℃。包合物制備的最佳工藝條件是包合時間1.5 h、麥芽糖基β－環(huán)糊精與β－石竹烯的摩爾比為1∶1、包合溫度70℃，包合物的包合率可達86.37%。

2.2 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的表征

2.2.1 包和物的紅外光譜掃描 由圖4可知，包合物中環(huán)糊精的－OH伸縮振動峰發(fā)生了位移，從3 389 cm－1位移到3 380 cm－1處，表明包合的主客體之間存在著相互作用力，使－OH向低波數(shù)移動；與二者的混合物相比，包合物在1 651 cm－1處R－CH═CH2的伸縮振動峰也減弱了，表明β－石竹烯分子進入了Mal－β－CD的空腔，屏蔽了其吸收光譜。

圖4 麥芽糖基β－環(huán)糊精、包合物及混合物的紅外光譜Figure 4 Infrared spectrum of Mal－β－CD，inclusion complex and mixtures

2.2.2 包合物的熱重分析 Mal－β－CD－β－石竹烯的熱重分析結(jié)果見圖5。323.80～346.60℃時麥芽糖基－β－環(huán)糊精失重率超過70%，出現(xiàn)了比較大的失重階梯，這說明其發(fā)生了分解；在加熱升溫的初始階段，因為β－石竹烯較強的揮發(fā)性，導(dǎo)致了重量損失，250.20～496.31℃失重最大；包合物在100℃ 之前和290.15～331.25℃出現(xiàn)了兩個失重區(qū)段，分析認為這主要是因為石竹烯在50℃以下的加熱初期已有少量的揮發(fā)，經(jīng)麥芽糖基－β－環(huán)糊精包合后，包合物在發(fā)生熱降解之前是處在一個緩釋的狀態(tài)。試驗結(jié)果說明通過麥芽糖基－β－環(huán)糊精包合后，β－石竹烯的熱穩(wěn)定性有了很大提高。

圖5 Mal－β－CD、β－石竹烯和包合物的熱重分析曲線Figure 5 TGA of Mal－β－CD，β－caryophyllene and their inclusion complex

2.3 Mal－β－CD包合黑胡椒精油的包合物的穩(wěn)定性研究

2.3.1 包合物的吸濕性試驗 恒重的稱量瓶中分別加入制備的包合物，準(zhǔn)確稱重，然后在25℃恒溫箱內(nèi)保存24 h后取出稱量，結(jié)果見圖6。該包合物的臨界濕度約為67%，建議貯存環(huán)境的相對濕度應(yīng)低于65%。

圖6 包合物吸濕曲線Figure 6 Moisture absorption curve of inclusion complex

2.3.2 包合物的高溫和光照試驗 準(zhǔn)確稱重包合物，密封于數(shù)個無色玻璃瓶中。其中一部分分別放置在40，60，80℃恒溫箱中，另一部分置于日光燈下，定期稱重，10 d后結(jié)束。試驗結(jié)果見表3。由表3可知，在經(jīng)過6 d的強光照射后，包合物重量變化不大，說明制得的包合物穩(wěn)定性較好。而溫度達到80℃時，包合物的重量變化仍然不明顯，這說明包合物的熱穩(wěn)定性較好，而且貯藏溫度越低穩(wěn)定性越好。

2.3.3 揮發(fā)性試驗 包合物置于80℃恒溫箱，定期稱重，10 d后結(jié)束。試驗結(jié)果見表4。

表3 強光照射試驗結(jié)果Table 3 Results of strong light exposure

表4 揮發(fā)性試驗結(jié)果Table 4 Expermental results of volatility

由表4可知，制得的包合物失重百分率隨著時間的延長而逐漸降低，表明制得的包合物的揮發(fā)性也比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）優(yōu)化后的包合工藝參數(shù)為包合時間1.5 h、β－石竹烯與 Mal－β－CD的摩爾比為1∶1、包合溫度70℃，該條件下的包埋率為86.87%。

（2）紅外光譜及熱重分析試驗確認了包合物的形成，表明β－石竹烯經(jīng)環(huán)糊精包埋后，揮發(fā)性大為降低，耐熱性顯著提高。

（3）對制得的黑胡椒精油包合物穩(wěn)定性較好，經(jīng)過6 d的強光照射后，包合物重量變化不大；80℃時，該包合物的重量變化不大，且溫度越低熱穩(wěn)定性越好；揮發(fā)性試驗也表明制得的包合物較穩(wěn)定。且Mal－β－CD包合物的臨界濕度大約是67%，黑胡椒精油的Mal－β－CD包合物應(yīng)該貯存在相對濕度低于65%的環(huán)境中。

1 金征宇，徐學(xué)明，陳寒青，等.環(huán)糊精化學(xué)－制備與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

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9 文瑞明.香料香精手冊［M］.北京：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2000：106～110.

Research on inclusion properties of maltosyl－β－cyclodextrin by forming complexes essential oil from piper nigrum

WANG Guan－qun QU Jing－ran DING Feng CUI Bo TAN Cong－ping

（College of Food and Bioengineering，Shandong Polytechnic University，Jinan，Shandong250353，China）

Studied the inclusion interaction between Mal－β－CD andβcaryophyllene.Mole ratios of Mal－β－CD andβ－caryophyllene，inclusion temperature，inclusion time as variables，inclusion rate of as index，technology parameters of inclusion reaction were optimized by orthogonal experiments.The inclusion compound was identified by infrared（IR）spectrometry，thermogravimetric（TG）.The result showed that the optimal conditions for the inclusion compound were as follows：The result showed that the optimal conditions for the inclusion compound were as follows：inclusion temperature 70℃，inclusion time 90 min，mole ratios of Mal－β－CD andβ－caryophyllene 1∶1.The inclusion of Mal－β－CD with oil from piper nigrum showed high stability，good solublity，the critical humidity of the inclusion was about 67%.

maltosyl－β－cyclodextrin；piper nigrum；essential oil；inclusion interaction

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.004

山東省自然基金項目（編號：Y2006B23）

王冠群（1985－），男，山東輕工業(yè)學(xué)院在讀研究生。Email：mhwpmhwp＠163.com

曲靜然

2011－11－01