于博，吳進(jìn)菊，李云捷，潘青青，楊鵬

(湖北文理學(xué)院 化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 湖北 襄陽(yáng) 441053)

生姜是一種重要的香辛料，是衛(wèi)生部公布的藥食同源植物，在藥品、食品及化妝品等領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用于食品工業(yè)中，又可以作為功能食品的配料應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間放置，會(huì)吸潮變粘，最終會(huì)變成粘性液體。姜酮具有強(qiáng)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(diào)味料領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(zhèn)痛、解熱、抗炎、強(qiáng)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(wěn)定性較差，光、氧氣、溫度等因素都會(huì)影響其穩(wěn)定性，這制約了姜酮在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。

微膠囊技術(shù)可以將客體分子全部或部分包埋到主體分子內(nèi)部，有效地隔絕環(huán)境因素對(duì)客體分子結(jié)構(gòu)的影響，從而起到保護(hù)生物活性因子的作用。環(huán)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(huán)狀低聚糖，其分子結(jié)構(gòu)具有高度對(duì)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(huán)的外側(cè)，疏水基C-H鍵排列在空腔內(nèi)壁，環(huán)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(wěn)定生物活性成分上的研究日益深入[8-11]，客體分子在被環(huán)糊精及其衍生物包埋后，其水溶性、熱穩(wěn)定性、生物利用度等通常會(huì)獲得提高。環(huán)糊精及其衍生物所具有的獨(dú)特包埋特性，使其在食品、農(nóng)業(yè)、化妝品、環(huán)境保護(hù)、藥物化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[12]。

為了拓展姜酮在食品、藥品等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，本研究采用飽和水溶液法和冷凍干燥技術(shù)制備粉末狀的姜酮/β-環(huán)糊精包合物，借助紫外光譜、紅外光譜、X-射線衍射技術(shù)、掃描電鏡、熱重及差示掃描量熱聯(lián)用分析等技術(shù)研究包合物的結(jié)構(gòu)特征和熱穩(wěn)定性，意在提高姜酮的穩(wěn)定性，保護(hù)其活性效率，擴(kuò)大姜酮類成分的使用范圍，同時(shí)為姜酮的微膠囊化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)與試劑

姜酮(純度98%)、β-環(huán)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(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)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(guó)TA公司；UV-2600PC紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)、IRPrestige-21傅立葉紅外變換光譜儀 島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司；QYC系列全溫培養(yǎng)搖床 上海新苗醫(yī)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(jī) 武漢品冠儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 姜酮/β-環(huán)糊精包合物及物理混合物的制備

稱取1.459 g β-環(huán)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(yīng)72 h。離心后取上清液過(guò)0.45 μm膜，冷凍干燥制得姜酮/β-環(huán)糊精包合物。分別稱取β-環(huán)糊精 1.459 g和姜酮0.0644 g，混合均勻即為姜酮/β-環(huán)糊精物理混合物。

取適量的姜酮、β-環(huán)糊精、姜酮/β-環(huán)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(duì)照，進(jìn)行紫外全波長(zhǎng)掃描。

1.3.3 紅外光譜分析

取適量的姜酮、β-環(huán)糊精、姜酮/β-環(huán)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(jìn)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(huán)糊精、姜酮/β-環(huán)糊精物理混合物及包合物，進(jìn)行X-射線衍射。分析條件：室溫，Cu靶(Kα射線，波長(zhǎng)=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(dǎo)電膠上，進(jìn)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(guó)現(xiàn)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(xué)說(shuō)、女性主義和唯美主義對(duì)袁昌英戲劇創(chuàng)作的影響，此外，還涉及到袁昌英對(duì)于莎士比亞浪漫戲劇和現(xiàn)代主義藝術(shù)手法的借鑒。

取適量的姜酮、β-環(huán)糊精、姜酮/β-環(huán)糊精物理混合物及包合物進(jìn)行同步熱分析，記錄其熱分析圖譜。測(cè)定條件為：在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行掃描分析，掃描溫度范圍為40～600 ℃，掃描速率為10 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外吸收光譜

紫外光譜法能夠利用環(huán)糊精與客體分子在包合前后吸收峰的位置和高度來(lái)判斷包合是否成功或包合前后主要成分是否發(fā)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(jié)果見(jiàn)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(nèi)并無(wú)特征吸收峰，這主要是因?yàn)棣?CD沒(méi)有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)；姜酮、β-CD/姜酮包合物及二者的物理混合物在紫外區(qū)均有吸收，且譜圖峰位、峰形基本一致，這說(shuō)明在包合物形成的過(guò)程中，沒(méi)有形成新的不飽和結(jié)構(gòu)；包合物的最大吸收波長(zhǎng)與姜酮客體分子以及二者的物理混合物相比，由280 nm藍(lán)移至279 nm，這可能是由于環(huán)糊精的疏水性空腔與姜酮分子相互作用時(shí)，改變了姜酮紫外發(fā)色團(tuán)所處的微環(huán)境，導(dǎo)致最大吸收波長(zhǎng)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(guò)對(duì)比包合前后的紅外特征吸收峰的位置和強(qiáng)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(jiàn)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(huán)(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(méi)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(huán)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(shuō)明環(huán)糊精與姜酮分子發(fā)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(huán)糊精遮蔽。和其他3個(gè)紅外光譜相比較，包合物的圖譜沒(méi)有出現(xiàn)新的紅外吸收峰，這說(shuō)明在環(huán)糊精與姜酮的包合過(guò)程中沒(méi)有新的共價(jià)鍵形成，主客體分子各自保留其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，包合物的形成不會(huì)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(duì)物質(zhì)內(nèi)部原子在空間分布狀況進(jìn)行分析的方法，其在包合物的結(jié)構(gòu)表征中有著重要的應(yīng)用。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的X-射線衍射見(jiàn)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(diǎn)，具有尖銳的吸收峰；β-CD的X-衍射圖峰值點(diǎn)主要在10.65908°，12.49214°，15.45799°，21.34815°；二者的物理混合物中，出現(xiàn)二者共同的衍射峰，二者包合物的X-衍射圖與主體環(huán)糊精的衍射圖譜類似，這表明姜酮在被主體環(huán)糊精包合后，其特征的衍射峰消失，包合物的衍射峰呈現(xiàn)主體的無(wú)定形狀態(tài)，這說(shuō)明包合物中的姜酮分子微環(huán)境發(fā)生了重大變化，姜酮原有的物相隨之發(fā)生變化。

2.4 掃描電鏡

掃描電鏡是一種直觀的微觀形貌測(cè)試技術(shù)，利用聚焦高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息，以獲得樣品的表面形貌和細(xì)微結(jié)構(gòu)。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)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(jié)構(gòu)，形態(tài)較為平整、光滑；β-CD也呈現(xiàn)明顯的晶體狀態(tài)，但表面呈現(xiàn)凹凸不平的松散不規(guī)則結(jié)構(gòu)特征；在二者的物理混合物中，上述2種形態(tài)的顆粒都可以觀察到，但二者的包合物結(jié)構(gòu)明顯不同于上述三者的圖譜，包合物形態(tài)發(fā)生了顯著變化，表面更為光滑和平整，且組織狀態(tài)更加緊密，且具有更加規(guī)則的排布，這說(shuō)明環(huán)糊精與姜酮包合物呈現(xiàn)了比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.5 熱重及差示掃描量熱聯(lián)用分析

熱重/差示掃描量熱聯(lián)用可同時(shí)分析物質(zhì)在升溫過(guò)程中的重量變化和熱量變化，通過(guò)重量與熱量間的關(guān)系，分析物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、脫水過(guò)程以及熔融過(guò)程。熱重/差示掃描量熱聯(lián)用技術(shù)廣泛地應(yīng)用于環(huán)糊精及其衍生物的包合物表征，能夠精確地測(cè)量包合物的熱性質(zhì)，判斷包合物形成與否。重量變化是包合物形成的有力證據(jù)，通過(guò)對(duì)比客體姜酮分子、主體環(huán)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(dòng)本研究中的姜酮與環(huán)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(jiàn)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(huán)糊精在300 ℃前，基本沒(méi)有重量損失，說(shuō)明環(huán)糊精的水分和揮發(fā)類組分很少；在300～400 ℃的升溫范圍內(nèi)，環(huán)糊精樣品失重明顯，這主要是環(huán)糊精的熱分解所導(dǎo)致的，其中的碳分解物逐步揮發(fā)；400 ℃后重量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明β-環(huán)糊精此時(shí)已分解完全。β-環(huán)糊精的DSC曲線在300～400 ℃之間有一個(gè)顯著的吸熱峰，峰值溫度約為310 ℃，這是由于β-環(huán)糊精吸熱分解引起的。姜酮的TG曲線顯示在150～250 ℃范圍內(nèi)，姜酮重量快速損失，其DSC曲線表明該范圍內(nèi)，姜酮吸熱分解，峰值溫度約為219 ℃，溫度升到250 ℃左右時(shí)，重量趨于平衡。包合物的TG曲線在150 ℃并沒(méi)有出現(xiàn)快速的重量損失，而是在200 ℃以后，重量逐漸開(kāi)始下降，這表明包合物形成后姜酮的熱穩(wěn)定性增加。

3 結(jié)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(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究采用水溶液法和冷凍干燥技術(shù)制備了姜酮和β-CD的包合物，通過(guò)紫外光譜、紅外光譜、X-射線衍射、電鏡掃描等技術(shù)手段對(duì)β-CD/姜酮包合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)信息，證明姜酮與β-CD確實(shí)形成了包合物。通過(guò)同步熱分析中的程序升溫過(guò)程中重量和熱流變化，發(fā)現(xiàn)姜酮被包合后，其熱穩(wěn)定性得到很大提高。因此，在食品工業(yè)中可采用環(huán)糊精作為分子膠囊壁材，以姜酮為芯材，通過(guò)主客體包埋的方法來(lái)穩(wěn)定姜酮的活性結(jié)構(gòu)，這有助于推廣姜酮在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shin S G,Kim J Y,Chung H Y,et al.Zingerone as an antioxidant against peroxynitrite[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53(19):7617-7622.

[2]Archana A K,Maheswari R.Zingerone ameliorates free radical scavengers and lipid profile of wistar albino rats[J].International Journal of Pharma Science and Research,2016,7(6):254-260.

[3]褚敏哲,賀澤民,賀宇,等.鮮姜水提液多酚含量及其抗氧化活性研究[J].中國(guó)調(diào)味品,2016,41(8):65-67.

[4]馬杰津.姜的藥理作用研究與展望[J].微創(chuàng)醫(yī)學(xué),1999,18(3):471-472.

[5]許戈文,李布青.合成香料產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)商業(yè)出版社,1996.

[6]沈德淵,李琪,馬化波.姜酮的合成研究[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2001,35(4):14-16.

[7]Szente L,Mikuni K,Hashimoto H,et al.Stabilization and solubilization of lipophilic natural colorants with cyclodextrins[J].Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry,1998,32(1):81-89.

[8]李云波,陳玉珍,馬漢軍.山奈酚/HE-β-CD包合物的結(jié)構(gòu)表征及其抗氧化活性研究[J].食品科技,2016(5):253-257.

[9]周葉紅,馬學(xué)文,梁文婷,等.β-環(huán)糊精及衍生物與β-胡蘿卜素包合物性質(zhì)[J].應(yīng)用化學(xué),2016,33(7):827-833.

[10]李赟,汪芳,鄒偉,等.槲皮素與6-O-α-D-麥芽糖-β-環(huán)糊精包合物的理化表征[J].食品科學(xué),2016,37(21):38-42.

[11]范新景,袁超,李嘉琪,等.根皮苷與麥芽糖基-β-環(huán)糊精復(fù)合物的理化性質(zhì)研究[J].現(xiàn)代食品科技,2016(3):106-112.

[12]丁立秀.β-環(huán)糊精包合物的合成與分析應(yīng)用[D].蘭州：蘭州大學(xué),2010.

[13]喇萬(wàn)英,韓剛,韓淑英,等.姜黃素-β-環(huán)糊精包合物的制備與驗(yàn)證[J].中成藥,2005,27(8):966-968.

[14]權(quán)鵬.齊墩果酸和熊果酸環(huán)糊精包合物的研究[D].南京：南京醫(yī)科大學(xué),2008.