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Mal-β-CD对黑胡椒精油的包合作用研究



全 文 :基金项目:山东省自然基金项目(编号:Y2006B23)
作者简介:王冠群(1985-),男,山东轻工业学院在读研究生。
Email:mhwpmhwp@163.com
通讯作者:曲静然
收稿日期:2011-11-01
第28卷第1期
2 0 1 2年1月
OOD&MACHINERY
食 品 与 机 械
Vol.28,No.1
Jan.2 0 1 2
10.3969/j.issn.1003-5788.2012.01.004
Mal-β-CD对黑胡椒精油的包合作用研究
Research on inclusion properties of maltosyl-β-cyclodextrin
by forming complexes essential oil from piper nigrum
王冠群
WANG Guan-qun
 
曲静然
QU Jing-ran
 
丁 烽
DING Feng
 
崔 波
CUI Bo
 
檀琮萍
TAN Cong-ping
(山东轻工业学院食品与生物工程学院,山东 济南 250353)
(College of Food and Bioengineering,Shandong Polytechnic University,Jinan,Shandong250353,China)
摘要: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90min,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%。
关键词:麦芽糖基-β-环糊精;黑胡椒;精油;包合作用
Abstract:Studied the inclusion interaction between Mal-β-CD andβ-
caryophylene.Mole ratios of Mal-β-CD andβ-caryophylene,inclu-
sion temperature,inclusion time as variables,inclusion rate of as in-
dex,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 folows:The result showed that the optimal conditions for the in-
clusion compound were as folows:inclusion temperature 70℃,in-
clusion time 90min,mole ratios of Mal-β-CD andβ-caryophylene
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%.
Keywords:maltosyl-β-cyclodextrin;piper nigrum;essential oil;in-
clusion interaction
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。
22
1.3 方法
1.3.1 Mal-β-CD-β-石竹烯固体包合物的制备 称取10g
Mal-β-CD,溶于100mL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,4h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215nm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 4cm-1,扫描 区 间 为 500 ~
4 000cm-1。
(2)包合物的热重分析:称取6mg的包合物,进行热重
分析。分析条件为:高纯度 N2,流量20mL/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30min,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)。
R= AB ×100%
(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1~7h,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2h达到最高值,2.5h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。










1 2 3 4 5 6 7
包合时间
Inclusion time/h
100
80
60
40
20
0



In
cl
us
io
n
ra
te
/%
图1 包合时间对包合率的影响
Figure 1 Effect of time on the inclusion rate









 


2∶1
%Mal鄄β鄄CD和 β鄄石竹烯的摩尔比
Ratios of Mal鄄β鄄CD and β鄄caryophyllene
100
80
60
40
20
0



In
cl
us
io
n
ra
te
/%
1∶11∶21∶3 3∶1
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-caryophylene on the inclusion rate
20
40
60
80
100
30 50 70 90

inclusion temperature



in
cl
u
sio
n

ra
te

%

90
包合温度
Inclusion temperature/℃



In
cl
us
io
n
ra
te
/%
705030
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


A包合时间/

B麦芽糖基β-环糊精与
β-石竹烯的摩尔比
C包合温度/

1  1.5  1∶2  60
2  2.0  1∶1  70
3  2.5  2∶1  80
32
基础研究   2012年第1期
表2 正交试验结果表
Table 2 Results of orthogonal experiment
序号 A  B  C 包合率/%
1  1  1  1  74.93
2  1  2  2  86.37
3  1  3  3  75.14
4  2  1  2  69.89
5  2  2  3  80.21
6  2  3  1  84.02
7  3  1  3  75.15
8  3  2  1  75.15
9  3  3  2  76.01
T1 236.43  219.97  234.

10
T2 234.12  241.73  232.27
T3 226.31  235.17  230.50
R  3.38  7.25  1.20
最优 A1 B2 C1
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1.5h、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 389cm-1位移到
3 380cm-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 651cm-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。
波长
Wavelength/cm-1
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
4 000 1 5002 0003 000 1 000 500



Tr
an
sm
itt
an
ce
/%
Mal鄄β鄄CD
包合物
混合物
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。
0 42 6 8 262422201816141210 28
时间
Time/min


Th
er
m
o
gr
av
im
et
ry
/m
g 3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5



◆◆◆
◆ ◆



◆◆◆◆◆◆◆





■ ■ ■

■■●
● ● ● ● ● ●



● ● ● ● ●
Mal鄄β鄄CD
β鄄石竹烯
包合物
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-caryophylene
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24h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%。
0
5
10
15
20
25
30
20 40 60 80 100

relative humidity%



hy
gr
o
sc
o
pi
c
ra
te

%

80
相对湿度
Relative humidity/%
3
2
2
1

湿

H
yg
ro
sc
op
ic
ra
te
/%
604020
1
100
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,10d后结束。
试验结果见表3。由表3可知,在经过6d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,
10d后结束。试验结果见表4。
42
第28卷第1期 王冠群等:Mal-β-CD对黑胡椒精油的包合作用研究  
表3 强光照射试验结果
Table 3 Results of strong light exposure
取样
时间
黑胡椒精油包合物重量/g
光照 40℃ 60℃ 80℃
第0天 0.89  1.66  1.74  1.64
第1天 0.87  1.64  1.68  1.59
第2天 0.76  1.56  1.58  1.49
第4天 0.69  1.49  1.51  1.43
第6天 0.66  1.44  1.45  1.37
第8天 0.64  1.42  1.42  1.34
第10天 0.63  1.40  1.40  1.32
表4 挥发性试验结果
Table 4 Expermental results of volatility
取样时间/d 黑胡椒精油包合物重量/g 失重百分率/%
第0天 1.52  0
第1天 1.45  4.57
第2天 1.31  4.09
第4天 1.28  3.09
第6天 1.24  2.26
第8天 1.22  1.59
第10天 1.20  1.29
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1.5h、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6d
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。
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