6姜酚/麦芽糖基β环糊精包合物的热分解机理研究

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(1.湖北文理学院食品科学技术学院,湖北襄阳 441053;2.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023)

天然生物活性成分的构效、量效关系和生物利用度是功能食品和传统医药领域的重要发展方向。如何在各类单元操作中有效地保护功能性成分,是功能性食品产业亟需解决的一大难题。生姜作为我国药食同源的重要植物资源[1],含有数十种生物活性成分,主要包括酚类化合物、黄酮化合物以及挥发性的醛烯类[2]。姜酚(Gingerol)是生姜中具有生物活性的酚类化合物,也是生姜中辣味的主要成分,含量约为生姜干重的2%～3%。姜酚包括6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和12-姜酚等,其中6-姜酚含量最高[3]。姜酚被证实具有防治风湿[4]、慢性粒细胞白血病[5]、糖尿病肾病[6]、抗凝血[7]及抗氧化[8]等功能,还能有效改善鲈鱼产品的色泽和质构[9-10]、延长鱼糜的保质期[11]及牛肉的货架期[12]。虽然姜酚具有良好的生物活性,但由于分子中存在愈创木酚结构和β-羟基酮结构使得其非常不稳定,易发生降解、脱水等反应[13],导致6-姜酚生产分离困难且加工应用受限。

微胶囊化技术能够将客体分子全部或部分包埋到主体分子内部,有效地隔绝环境因素对客体分子活性结构的影响。环糊精作为分子微胶囊的壁材在稳定生物活性成分上应用日趋广泛[14],其在食品、药品和化妆品领域发挥缓释、增溶、遮味、去腥、抗氧化以及增加客体分子热稳定性的作用[15]。姜酚类物质具有较大的疏水性,能够进入到环糊精的空腔内部,避免自身结构遭到破坏[16]。利用该特性可以提高姜酚的稳定性和活性效率,扩大姜酚的使用范围,制备各类相关的姜酚功能性食品。目前,关于环糊精与姜酚的研究,更多地集中于包埋工艺层面,重点是考察包埋效率、包合方法、辅助壁材[17-18],对包合物的热稳定性及其分解机理涉猎较少。

热分析技术按升温方式的不同,可分为等温法和非等温法;按照数据处理方式的不同,又可分为积分法和微分法。非等温法和积分法在测试和计算中,能够有效减小误差,从而获得更加精确合理的基础数据,在科学研究中应用更多。本文通过TG-DSC同步热分析技术和动力学方法研究了6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的热稳定性、热分解动力学和热分解机理,旨在为6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物在功能性食品和医药领域的应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

6-姜酚 纯度(98%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;6-O-α-D-麦芽糖基-β-环糊精 纯度98%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

AL204型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;FD-1A-50型真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司;SDTQ600型同步TGA/DSC分析仪 美国TA公司;QYC-200型全温培养摇床 上海新苗医疗器械制造有限公司;DW-86L626型超低温保存箱 青岛海尔特种电器有限公司;PGJ-10-AS型纯水机 武汉品冠仪器设备有限公司;SIGMA1-14型离心机 德国西格玛有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的制备 称取1.459 g 6-O-α-D-麦芽糖基-β-环糊精,用30 mL超纯水溶解,置于棕色瓶中,加入0.294 g 6-姜酚。在25 ℃恒温振荡器中,振荡反应72 h。在室温下,3000 r/min离心10 min后取上清液过0.45 μm微孔滤膜,冷冻干燥制得6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物。

1.2.2 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热稳定性的测定 采用纯金属铟对同步TGA/DSC分析仪进行校正。准确称取适量(≤5 mg)上述制备的包合物样品放入三氧化二铝坩埚中,用相同的空白坩埚作为参比。在流量为100 mL/min的高纯氮气保护下,分别以5、10、15、20 ℃/min的速率从40 ℃升温至600 ℃进行测试,同时记录热重和热流变化。数据采集使用的TA Instrument Explorer软件,数据处理使用TA Universal Analysis软件。

1.2.3 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热分解过程表观活化能的计算 分别用Kissinger法和Ozawa-Flynn-Wall法求解包合物热分解的表观活化能。利用Kissinger法计算活化能,在处理数据时,TP数值利用与仪器配套的数据软件进行标值获得。采用线性拟合的方法对活化能E进行求解。利用Ozawa-Flynn-Wall法计算活化能,在处理数据时,取αi与相邻的αi-1及αi+1的平均值作为αi的值,取Ti与相邻的Ti-1及Ti+1的平均值作为Ti的值进行取点计算,采用线性拟合的方法对活化能E进行求解。

Kissinger法公式为:

式(1)

Ozawa-Flynn-Wall法公式为:

式(2)

式中:β-升温速率, ℃/min;lnA-指前因子,min-1;E-表观活化能,kJ/mol;α为转化率;R-气体常数,8.314 J/(K·mol);T-温度, ℃;TP-DSC曲线上峰温度, ℃。

1.2.4 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热分解机理的判定由公式(2)可得:

式(3)

以lnG(α)对lnβ作图,用最小二乘法进行线性拟合,线性关系较好且斜率最接近-1者所对应的机理函数,即为该反应的最概然机理函数,其对应的机理即为该反应的机理。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0软件进行数据统计分析,采用Origin 9.1软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的热分解过程

测试了不同升温速率对6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的TG曲线的影响。结果表明,随着升温速率的增大,包合物热分解阶段的温度范围发生微小变化,热重曲线向高温方向移动,但失重率变化不显著。图1为升温速率为5 ℃/min时包合物的TG-DSC曲线。由图1可知,TG曲线只有一个明显的热分解台阶,在40.00～89.86 ℃之间,有微小的失重,失重率为0.69%,对应着未完全烘干而吸附水的挥发;在89.96～160.00 ℃之间曲线平稳,说明包合物在这一温度区间较稳定;在160.00～300.00 ℃之间,失重率为9.66%,对应着少量未包合客体分子的分解;在300.00～400.00 ℃之间,失重率为64.94%,对应着包合物分子骨架大规模解体;在400.00～500.00 ℃之间,失重率约9%,对应着分解后的包合物继续燃烧碳化。DSC曲线表明该热分解过程为吸热过程,在301.60、322.37 ℃处出现2次峰值。

图1 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的TG-DSC曲线Fig.1 TG-DSC curve of 6-gingerol/ maltosyl-β-cyclodextrin inclusion complex

2.2 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热分解过程的表观活化能

多元非线性拟合法可以对不同升温速率下的多条TG曲线进行分析,能够较好地描述固相反应体系。仪器及热反应过程可能会导致起始和结束阶段的数据不稳定,因此在研究热力学时,转化率α的研究范围通常选择在0.2～0.8内[19]。对Kissinger法,取不同升温速率下的6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物DSC曲线上峰值TP,以ln(β/TP2)对1/TP作图,如图2所示,经最小二乘法拟合所得的直线斜率和截距可分别求出E和lnA。对Ozawa-Flynn-Wall法,由于G(α)为α的函数,则当α一定时,G(α)即为常数,在不同升温速率β下选择几个相同的α,以各个α对应的lnβ对1/T作图,由经最小二乘法拟合所得的所得直线斜率可求出E[20]。图3给出了采用Kissinger法时ln(β/TP2)对1/TP在转化率α为0.2～0.6时的线性拟合图,拟合所得的直线方程为:y=-4830.3x+5.6427(R2=0.9982),由此可得表观活化能E为40.16 kJ/mol。采用Ozawa-Flynn-Wall法时lnβ对1/T在转化率α为0.2～0.6时进行线性拟合,线性关系都在0.9600以上,拟合效果良好,表观活化能取5个转化率下的平均值,可得到E为58.91 kJ/mol。为减小计算过程中的误差,通常取上述两种方法平均值作为包合物热分解反应的表观活化能,因此,6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精最终的反应表观活化能E确定为49.54 kJ/mol。

图2 ln(β/TP2)对1/TP关系曲线Fig.2 Curve of ln(β/TP2)to 1/TP

图3 lnβ对1/T关系曲线Fig.3 Curve of lnβ to 1/T

2.3 6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的热分解机理

双等双推法是在等转化率和变异的等转化率法基础上,利用不同升温速率的TG曲线,对定温度和定转化率处的数据进行分析,进而计算出活化能、指前因子以及机理函数,具有活化能与机理函数的计算互不影响的优点[21]。表1给出了常用的21种常用动力学机理函数。表2则是利用21种常用动力学机理函数结合基本数据进行最小二乘法拟合的结果,由表2可知,方程y=-1.4020x+4.0690(R2=0.9935)的拟合效果最好且斜率接近-1,因此6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热分解机理函数为G(α)=[-ln(1-α)]3/2,热分解机理属于随机成核和随后生长反应。表3给出了6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物根据公式(3)以lnG(α)对lnβ作图,经最小二乘法拟合而求得的E与lnA的值,由表3可知,表观活化能E为53.27 kJ/mol,与根据公式(2)以lnβ对1/T作图所得活化能58.91 kJ/mol比较接近,说明该方法拟合所得的动力学参数具有较高可信度。因此,6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物热分解过程的指前因子lnA可确定为27.54 min-1。

表1 常用动力学机理函数Table 1 Kinetic mechanism functions

表2 包合物热分解反应机理拟合结果Table 2 Fitting results of thermal decomposition reaction mechanism of inclusion complex

表3 包合物热分解动力学参数拟合结果Talbe 3 Fitting results of thermal decomposition kinetic parameters of inclusion complex

3 结论

6-姜酚作为生姜中主要的活性成分,其热稳定性与应用范围密切相关。本研究基于同步热分析技术和动力学方法,发现6-姜酚被麦芽糖基-β-环糊精包合后热稳定性增加,在160～300 ℃范围内,包合物重量没有明显降低;6-姜酚/麦芽糖基-β-环糊精包合物的热分解过程表观活化能为49.54 kJ/mol,指前因子为27.54 min-1,分解机理函数为G(α)=[-ln(1-α)]3/2,分解机理符合随机成核和随后生长机理。采用环糊精分子微胶囊技术包合6-姜酚,有助于提高其热稳定性,拓展其在功能性食品和医药领域的应用范围。