姜酮-β-環糊精包合物的結構確證及熱穩定性研究

于博，吳進菊，李云捷，潘青青，楊鵬

(湖北文理學院 化學工程與食品科學學院， 湖北 襄陽 441053)

生姜是一種重要的香辛料，是衛生部公布的藥食同源植物，在藥品、食品及化妝品等領域應用廣泛。生姜中含有許多辛辣味的成分，主要有姜酚、姜烯酚、姜酮等生物活性成分，既可以作為食品添加劑應用于食品工業中，又可以作為功能食品的配料應用于健康食品中，具有抗氧化、抑菌及增加香氣等作用[1-3]。姜酮又稱姜油酮，是淡琥珀色晶體，在室溫下長時間放置，會吸潮變粘，最終會變成粘性液體。姜酮具有強烈的姜辣刺激氣味及辛辣味道，具有甜香、辛香、濃郁而沉厚的花香香氣，留香持久，可在食品調味料領域廣泛應用。姜酮具有麻醉、降溫和止吐的作用，可用作濃香型香精、增甜劑和苛性健胃劑[4,5]。姜酮還具有鎮痛、解熱、抗炎、強心、抑制血小板凝聚、抗膽汁等作用[6]。但是，姜酮的水溶性和熱穩定性較差，光、氧氣、溫度等因素都會影響其穩定性，這制約了姜酮在各領域中的應用。

微膠囊技術可以將客體分子全部或部分包埋到主體分子內部，有效地隔絕環境因素對客體分子結構的影響，從而起到保護生物活性因子的作用。環糊精是由吡喃葡萄糖基以α-1，4-糖苷鍵首尾連接而成的環狀低聚糖，其分子結構具有高度對稱性和疏水性空腔，分子中的糖苷氧原子共平面排列，葡萄糖殘基上的親水伯醇羥基排列在環的外側，疏水基C-H鍵排列在空腔內壁，環狀糊精是一種包埋功能性生物小分子的理想微膠囊壁材[7]，其作為分子微膠囊壁材在穩定生物活性成分上的研究日益深入[8-11]，客體分子在被環糊精及其衍生物包埋后，其水溶性、熱穩定性、生物利用度等通常會獲得提高。環糊精及其衍生物所具有的獨特包埋特性，使其在食品、農業、化妝品、環境保護、藥物化學等領域有廣泛的應用[12]。

為了拓展姜酮在食品、藥品等領域的應用范圍，本研究采用飽和水溶液法和冷凍干燥技術制備粉末狀的姜酮/β-環糊精包合物，借助紫外光譜、紅外光譜、X-射線衍射技術、掃描電鏡、熱重及差示掃描量熱聯用分析等技術研究包合物的結構特征和熱穩定性，意在提高姜酮的穩定性，保護其活性效率，擴大姜酮類成分的使用范圍，同時為姜酮的微膠囊化奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗與試劑

姜酮(純度98%)、β-環糊精(純度98%)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他試劑：均為分析純。

1.2 主要儀器

AL204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；FD-1-50真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司；D8 Advance X-射線衍射儀 布魯克AXS有限公司；SDTQ600同步TGA/DSC分析儀 美國TA公司；UV-2600PC紫外/可見光分光光度計、IRPrestige-21傅立葉紅外變換光譜儀 島津企業管理(中國)有限公司；QYC系列全溫培養搖床 上海新苗醫療器械制造有限公司；DW-86L626超低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司；PGJ-10-AS超純水機 武漢品冠儀器設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 姜酮/β-環糊精包合物及物理混合物的制備

稱取1.459 g β-環糊精(1 mmol)，用30 mL超純水溶解，置于棕色瓶中，加入0.322 g 姜酮(1 mmol)。在25 ℃恒溫振蕩器中，振蕩反應72 h。離心后取上清液過0.45 μm膜，冷凍干燥制得姜酮/β-環糊精包合物。分別稱取β-環糊精 1.459 g和姜酮0.0644 g，混合均勻即為姜酮/β-環糊精物理混合物。

取適量的姜酮、β-環糊精、姜酮/β-環糊精物理混合物及包合物分別溶于50%的甲醇溶液中，以50%甲醇為空白對照，進行紫外全波長掃描。

1.3.3 紅外光譜分析

取適量的姜酮、β-環糊精、姜酮/β-環糊精物理混合物及包合物分別加入適量溴化鉀，壓片后置于傅立葉紅外光譜分析儀中，進行紅外光譜掃描。

1.3.4 X-射線衍射分析

取適量的姜酮、β-環糊精、姜酮/β-環糊精物理混合物及包合物，進行X-射線衍射。分析條件：室溫，Cu靶(Kα射線，波長=1.54187?)，掃描電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速率2°/min，采樣間隔0.02°，掃描范圍為10°～80°。

1.3.5 掃描電鏡法

取適量的姜酮、β-CD、二者的物理混合物及包合物，按要求制備樣品，取微量樣品按順序附著于導電膠上，進行樣品的外觀掃描。

1.3.6 熱重及差示掃描量熱同步分析

宋萌枝的碩士論文《中國現代戲劇史上的薔薇花——袁昌英戲劇研究》［2］，也論及弗洛伊德精神分析學說、女性主義和唯美主義對袁昌英戲劇創作的影響，此外，還涉及到袁昌英對于莎士比亞浪漫戲劇和現代主義藝術手法的借鑒。

取適量的姜酮、β-環糊精、姜酮/β-環糊精物理混合物及包合物進行同步熱分析，記錄其熱分析圖譜。測定條件為：在氮氣環境下進行掃描分析，掃描溫度范圍為40～600 ℃，掃描速率為10 ℃/min。

2 結果與分析

2.1 紫外吸收光譜

紫外光譜法能夠利用環糊精與客體分子在包合前后吸收峰的位置和高度來判斷包合是否成功或包合前后主要成分是否發生變化[13]。β-CD、姜酮、β-CD/姜酮包合物以及二者物理混合物的紫外掃描結果見圖1。

圖1 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮與β-CD混合物(3)及姜酮與β-CD包合物(4)的紫外圖譜Fig.1 UV spectrum of zingerone (1), β-CD (2), their mixture (3) and complex (4)

由圖1可知，β-CD在200～800 nm紫外范圍內并無特征吸收峰，這主要是因為β-CD沒有共軛雙鍵結構；姜酮、β-CD/姜酮包合物及二者的物理混合物在紫外區均有吸收，且譜圖峰位、峰形基本一致，這說明在包合物形成的過程中，沒有形成新的不飽和結構；包合物的最大吸收波長與姜酮客體分子以及二者的物理混合物相比，由280 nm藍移至279 nm，這可能是由于環糊精的疏水性空腔與姜酮分子相互作用時，改變了姜酮紫外發色團所處的微環境，導致最大吸收波長的微小變化。

2.2 紅外光譜分析

紅外光譜是研究包合物常用的方法，通過對比包合前后的紅外特征吸收峰的位置和強度變化，能夠有效地推斷出主客體間的相互作用。姜酮、β-CD、姜酮與β-CD的包合物及物理混合物的紅外光譜圖見圖2。

圖2 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮與β-CD混合物(3)及姜酮與β-CD包合物(4)的紅外圖譜Fig.2 IR spectrum of zingerone (1), β-CD (2), their mixture (3) and complex (4)

由圖2可知，姜酮的紅外光譜圖具有苯環(1445，1520，1470，1607 cm-1)、酚羥基(3478 cm-1)、羰基(1649 cm-1)的特征吸收峰，β-CD具有甲基(2971 cm-1)、亞甲基(2930 cm-1)的特征吸收峰。β-CD與姜酮的物理混合物為二者紅外光譜的疊加，這表明混合物中二者之間沒有相互作用的存在。β-CD與姜酮包合物的紅外圖譜與二者的物理混合物、姜酮明顯不同，而與主體環糊精分子的紅外圖譜類似，在400～1700 cm-1之間，姜酮的特征吸收峰減少明顯，這說明環糊精與姜酮分子發生了相互作用，形成了新的物相，其紅外特征峰幾乎被主體環糊精遮蔽。和其他3個紅外光譜相比較，包合物的圖譜沒有出現新的紅外吸收峰，這說明在環糊精與姜酮的包合過程中沒有新的共價鍵形成，主客體分子各自保留其原有的化學結構特征，包合物的形成不會影響到客體分子的生物功能特性。

2.3 X-射線衍射分析

X-射線衍射分析是利用晶體形成的X-射線衍射，對物質內部原子在空間分布狀況進行分析的方法，其在包合物的結構表征中有著重要的應用。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的X-射線衍射見圖3。

圖3 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮與β-CD混合物(3)及姜酮與β-CD包合物(4)的X-射線衍射Fig.3 XRD patterns of zingerone (1), β-CD (2)，their mixture (3) and complex (4)

由圖3可知，在10.30894°，14.51057°，16.01409°，20.61734°，26.67262°是姜酮的X-衍射圖的峰值點，具有尖銳的吸收峰；β-CD的X-衍射圖峰值點主要在10.65908°，12.49214°，15.45799°，21.34815°；二者的物理混合物中，出現二者共同的衍射峰，二者包合物的X-衍射圖與主體環糊精的衍射圖譜類似，這表明姜酮在被主體環糊精包合后，其特征的衍射峰消失，包合物的衍射峰呈現主體的無定形狀態，這說明包合物中的姜酮分子微環境發生了重大變化，姜酮原有的物相隨之發生變化。

2.4 掃描電鏡

掃描電鏡是一種直觀的微觀形貌測試技術，利用聚焦高能電子束在試樣上掃描，激發出各種物理信息，以獲得樣品的表面形貌和細微結構。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的掃描電鏡結果見圖4。

圖4 姜酮、β-CD、姜酮與β-CD物理混合物姜酮及包合物的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron micrographs of zingerone, β-CD, their complex and mixture

由圖4可知，姜酮是片狀晶體結構，形態較為平整、光滑；β-CD也呈現明顯的晶體狀態，但表面呈現凹凸不平的松散不規則結構特征；在二者的物理混合物中，上述2種形態的顆粒都可以觀察到，但二者的包合物結構明顯不同于上述三者的圖譜，包合物形態發生了顯著變化，表面更為光滑和平整，且組織狀態更加緊密，且具有更加規則的排布，這說明環糊精與姜酮包合物呈現了比較穩定的狀態。

2.5 熱重及差示掃描量熱聯用分析

熱重/差示掃描量熱聯用可同時分析物質在升溫過程中的重量變化和熱量變化，通過重量與熱量間的關系，分析物質的熱穩定性、脫水過程以及熔融過程。熱重/差示掃描量熱聯用技術廣泛地應用于環糊精及其衍生物的包合物表征，能夠精確地測量包合物的熱性質，判斷包合物形成與否。重量變化是包合物形成的有力證據，通過對比客體姜酮分子、主體環糊精分子、二者的物理混合物和包合物的熱分析圖譜，能夠有效地推動本研究中的姜酮與環糊精的包合作用[14]。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的熱重及差示掃描量熱見圖5。

圖5 姜酮、β-CD及二者的包合物的熱重及差示掃描量熱圖Fig.5 TG/DSC of zingerone, β-CD and their complex

由圖5可知，β-環糊精在300 ℃前，基本沒有重量損失，說明環糊精的水分和揮發類組分很少；在300～400 ℃的升溫范圍內，環糊精樣品失重明顯，這主要是環糊精的熱分解所導致的，其中的碳分解物逐步揮發；400 ℃后重量趨于穩定，說明β-環糊精此時已分解完全。β-環糊精的DSC曲線在300～400 ℃之間有一個顯著的吸熱峰，峰值溫度約為310 ℃，這是由于β-環糊精吸熱分解引起的。姜酮的TG曲線顯示在150～250 ℃范圍內，姜酮重量快速損失，其DSC曲線表明該范圍內，姜酮吸熱分解，峰值溫度約為219 ℃，溫度升到250 ℃左右時，重量趨于平衡。包合物的TG曲線在150 ℃并沒有出現快速的重量損失，而是在200 ℃以后，重量逐漸開始下降，這表明包合物形成后姜酮的熱穩定性增加。

3 結論

姜酮是生姜中天然存在的生物活性化合物，在食品添加劑、功能性食品、醫藥和化妝品等領域具有廣闊的應用前景。本研究采用水溶液法和冷凍干燥技術制備了姜酮和β-CD的包合物，通過紫外光譜、紅外光譜、X-射線衍射、電鏡掃描等技術手段對β-CD/姜酮包合物的結構進行表征，采集獲得了大量主客體分子及其物理混合物、包合物的結構信息，證明姜酮與β-CD確實形成了包合物。通過同步熱分析中的程序升溫過程中重量和熱流變化，發現姜酮被包合后，其熱穩定性得到很大提高。因此，在食品工業中可采用環糊精作為分子膠囊壁材，以姜酮為芯材，通過主客體包埋的方法來穩定姜酮的活性結構，這有助于推廣姜酮在食品工業、醫藥工業中的應用。

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