Mal－β－CD对黑胡椒精油的包合作用研究

王冠群 曲静然 丁 烽 崔 波 檀琮萍

（山东轻工业学院食品与生物工程学院，山东 济南 250353）

Mal－β－CD对黑胡椒精油的包合作用研究

王冠群 曲静然 丁 烽 崔 波 檀琮萍

（山东轻工业学院食品与生物工程学院，山东 济南 250353）

研究Mal－β－CD对黑胡椒精油的包合作用。以包埋率为指标，以包合温度、包合时间和 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比为变量，通过正交试验确定最佳包合反应工艺参数是包合温度70℃，包合时间90 min，Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比为1∶1；通过红外扫描和热重分析，确认 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的形成，热重分析表明β－石竹烯经 Mal－β－CD包埋后，耐热性显著提高；Mal－β－CD包合黑胡椒精油的包合产物稳定性较好，水溶性好，包合物的临界湿度为67%。

麦芽糖基－β－环糊精；黑胡椒；精油；包合作用

环糊精外亲水、内疏水的空腔结构使其可以与很多客体分子通过分子间相互作用发生包合，形成主客体复合物，这种性质使环糊精得以应用于制药、化工、食品等行业［1－3］。但环糊精水溶性较差、具有溶血效应和肾毒性［4－6］，又限制了其应用范围。通常采用化学方法或生物酶法来修饰环糊精，麦 芽 糖 基 环 糊 精 （maltosyl－β－cyclodextrin，简 称 Mal－β－CD）就是一种修饰环糊精。目前有关 Mal－β－CD应用的研究已有报道［7，8］。

黑胡椒精油是从黑胡椒（piper nigrum L.）中提取的，具有强烈的芳香和刺激性辣味，是常见的食品调味料和食用香料，有消炎、止痛、健胃等功效［9］。黑胡椒精油的挥发性组分具有较强的生理活性，但发挥作用的时间较短。考虑利用环糊精对黑胡椒精油中的挥发性组分进行包埋，以达到既增加挥发油的稳定性又能充分发挥其生理活性的目的。

β－石竹烯是黑胡椒精油中的主要组分，约占37.16%，研究Mal－β－CD对β－石竹烯的包合作用可以间接地反映出其对黑胡椒精油的包合效果。本试验利用麦芽糖基－β－环糊精包合β－石竹烯，主要研究了包合的最佳工艺条件，包合物的表征方法并考察了包合物的稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

β－石竹烯：色谱级，美国Sigma公司；

黑胡椒精油：食品级，阿拉丁试剂公司；

麦芽糖基－β－环糊精：本实验室提供；

无水乙醇、盐酸等：均为分析纯。

1.2 仪器与设备

挥发油测定器：BB89－8－006，成都中西仪器试剂厂；

紫外－可见分光光度计：UV757CRT，上海棱光技术有限公司；

烘箱：CS101－1型，重庆试验设备厂；

热分析系统：TGA／SDTA851e，梅特勒－托多利仪器公司；

傅里叶变换红外光谱仪：NexusF－TIR，美国 Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 Mal－β－CD－β－石竹烯固体包合物的制备 称取 10 g Mal－β－CD，溶于100 m L水中，进行磁力搅拌的同时将配制好的β－石竹烯乙醇溶液缓慢滴加到 Mal－β－CD溶液中，至过量，密封，保温30℃，期间不停搅拌，4 h后过滤（滤膜孔径为0.45μm），滤液经旋转蒸发，冷冻干燥，得到包合物粉末。经紫外扫描，β－石竹烯30%乙醇溶液在215 nm处有最大吸收峰。在此波长下进行后续试验。

1.3.2 包合物制备工艺条件的优化 影响包合物制备的主要因素有β－石竹烯和麦芽糖基－β－环糊精的摩尔比，包合温度和包合时间。在单因素试验的基础上进行了L9（34）正交试验。

1.3.3 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的表征

（1）包和物的红外光谱扫描：制得的 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物采用傅里叶变换红外光谱进行表征，采用KBr压片法，扫描32次，分辨率为4 cm－1，扫描区间为500～4 000 cm－1。

（2）包合物的热重分析：称取6 mg的包合物，进行热重分析。分析条件为：高纯度N2，流量20 m L／min，升温速度10℃／min。

1.3.4 黑 胡 椒 精 油－Mal－β－CD 包 合 物 的 制 备 及 其 稳 定 性研究

（1）黑胡椒精油－Mal－β－CD包合物的制备：温度调整为25℃，搅拌时间缩短为30 min，其他同1.3.1。

（2）制备出黑胡椒精油－Mal－β－CD包合物进行稳定性研究，包括高温、强光下的稳定性，以及吸湿性和挥发性。

1.3.5 包合率的计算 按式（1）。

式中：

R—— 包合率，%；

A—— 包合物中β－石竹烯的质量，g；

B——包合前β－石竹烯的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 Mal－β－CD包合β－石竹烯的最佳工艺条件

2.1.1 包合时间对包合率的影响 Mal－β－CD 与β－石竹烯摩尔比为1∶1，包合时间为1～7 h，包合温度为60℃，磁力搅拌。结果见图1。包合时间对包合率的影响结果表明，Mal－β－CD与β－石竹烯在2 h达到最高值，2.5 h后包合率基本没变化。

2.1.2 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比对包合率的影响

将 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比设定为1∶1，1∶2，1∶3，2∶1，3∶1，按前述方法进行包合，结果见图2。当主客体包合比在1∶2～2∶1范围内，包合率较高。

2.1.3 包合温度对包合率的影响 包合温度从30℃逐渐增加到90℃，其他同2.2.1。结果见图3。试验结果表明，较低的温度不利于包合的发生；当60～80℃时，包合率较高；高于80℃后，包合率开始下降，主要是因为高温加剧了分子的热运动，客体β－石竹烯分子逃离了环糊精空腔，从而使包合物在高温下变得不稳定。

图1 包合时间对包合率的影响Figure 1 Effect of time on the inclusion rate

图2 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比对包合率的影响Figure 2 Effect of Mole ratios of Mal－β－CD and β－caryophyllene on the inclusion rate

图3 包合温度对包合率的影响Figure 3 Effect of inclusion temperature on the inclusion rate

2.1.4 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物制备的正交试验 正交的因素水平取值见表1，试验结果见表2。

表1 正交试验的因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交试验结果表Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可知，在包合物制备过程中，影响因素B＞C＞A，即 Mal－β－CD和β－石竹烯的摩尔比影响最大，包合温度次之，影响最小的是包合时间。A1、B2、C1为各因素最佳水平，但正交试验中无此组合，考虑到单因素试验中包合温度60～70℃ 时包合率接近，因此选择包合温度为70℃。包合物制备的最佳工艺条件是包合时间1.5 h、麦芽糖基β－环糊精与β－石竹烯的摩尔比为1∶1、包合温度70℃，包合物的包合率可达86.37%。

2.2 Mal－β－CD－β－石竹烯包合物的表征

2.2.1 包和物的红外光谱扫描 由图4可知，包合物中环糊精的－OH伸缩振动峰发生了位移，从3 389 cm－1位移到3 380 cm－1处，表明包合的主客体之间存在着相互作用力，使－OH向低波数移动；与二者的混合物相比，包合物在1 651 cm－1处R－CH═CH2的伸缩振动峰也减弱了，表明β－石竹烯分子进入了Mal－β－CD的空腔，屏蔽了其吸收光谱。

图4 麦芽糖基β－环糊精、包合物及混合物的红外光谱Figure 4 Infrared spectrum of Mal－β－CD，inclusion complex and mixtures

2.2.2 包合物的热重分析 Mal－β－CD－β－石竹烯的热重分析结果见图5。323.80～346.60℃时麦芽糖基－β－环糊精失重率超过70%，出现了比较大的失重阶梯，这说明其发生了分解；在加热升温的初始阶段，因为β－石竹烯较强的挥发性，导致了重量损失，250.20～496.31℃失重最大；包合物在100℃ 之前和290.15～331.25℃出现了两个失重区段，分析认为这主要是因为石竹烯在50℃以下的加热初期已有少量的挥发，经麦芽糖基－β－环糊精包合后，包合物在发生热降解之前是处在一个缓释的状态。试验结果说明通过麦芽糖基－β－环糊精包合后，β－石竹烯的热稳定性有了很大提高。

图5 Mal－β－CD、β－石竹烯和包合物的热重分析曲线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稳定性研究

2.3.1 包合物的吸湿性试验 恒重的称量瓶中分别加入制备的包合物，准确称重，然后在25℃恒温箱内保存24 h后取出称量，结果见图6。该包合物的临界湿度约为67%，建议贮存环境的相对湿度应低于65%。

图6 包合物吸湿曲线Figure 6 Moisture absorption curve of inclusion complex

2.3.2 包合物的高温和光照试验 准确称重包合物，密封于数个无色玻璃瓶中。其中一部分分别放置在40，60，80℃恒温箱中，另一部分置于日光灯下，定期称重，10 d后结束。试验结果见表3。由表3可知，在经过6 d的强光照射后，包合物重量变化不大，说明制得的包合物稳定性较好。而温度达到80℃时，包合物的重量变化仍然不明显，这说明包合物的热稳定性较好，而且贮藏温度越低稳定性越好。

2.3.3 挥发性试验 包合物置于80℃恒温箱，定期称重，10 d后结束。试验结果见表4。

表3 强光照射试验结果Table 3 Results of strong light exposure

表4 挥发性试验结果Table 4 Expermental results of volatility

由表4可知，制得的包合物失重百分率随着时间的延长而逐渐降低，表明制得的包合物的挥发性也比较稳定。

3 结论

（1）优化后的包合工艺参数为包合时间1.5 h、β－石竹烯与 Mal－β－CD的摩尔比为1∶1、包合温度70℃，该条件下的包埋率为86.87%。

（2）红外光谱及热重分析试验确认了包合物的形成，表明β－石竹烯经环糊精包埋后，挥发性大为降低，耐热性显著提高。

（3）对制得的黑胡椒精油包合物稳定性较好，经过6 d的强光照射后，包合物重量变化不大；80℃时，该包合物的重量变化不大，且温度越低热稳定性越好；挥发性试验也表明制得的包合物较稳定。且Mal－β－CD包合物的临界湿度大约是67%，黑胡椒精油的Mal－β－CD包合物应该贮存在相对湿度低于65%的环境中。

1 金征宇，徐学明，陈寒青，等.环糊精化学－制备与应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

2 Del Valle E M M.Cyclodextrins and their uses：a review ［J］.Process Biochemistry，2004，39：1 033～1 046.

3 Szetjli J.Introduction and general overview of cyclodextrin［J］.Chemical Review，1998，98：1 743～1 753.

4 Duchêne D，Ponchel G，Bochot A.New uses of cyclodextrins［J］.European Journal of Pharmaceutical Sciences，2005，25（S1）：S1～S2.

5 Tavornvipas S，Hirayama F，Arima H，et al.6－O－α－（4－O－α－D－glucuronyl）－D－glucosyl－β－cyclodextrin：solubilizing ability and some cellular effects［J］.International Journal of Pharmaceutics，2002，249：199～209.

6 Ajisaka N，Hara K，Mikuni K，et al.Effects of branched cyclodextrins on the solubility and stability of terpenes［J］.Biosci.Biotech.Biochem.，2000，64（4）：731～734.

7 López－Nicolás J M，Pérez－López A J，Carbonell－Barrachina Á，et al.Kinetic study of the activation of banana juice enzymatic browning by the addition of maltosyl－β－cyclodextrin［J］.J.Agric.Food.Chem.，2007，55：9 655～9 662.

8 王少杰.麦芽糖基β－环湖精的制备、分离及应用［D］.无锡：江南大学，2005.

9 文瑞明.香料香精手册［M］.北京：湖南科学技术出版社，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

山东省自然基金项目（编号：Y2006B23）

王冠群（1985－），男，山东轻工业学院在读研究生。Email：mhwpmhwp＠163.com

曲静然

2011－11－01