β-環(huán)糊精和α-生育酚包合物的合成表征和評(píng)價(jià)

曹 川，解 鵬

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化工學(xué)院，合肥 230011；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)糧食經(jīng)濟(jì)研究院，南京 210046）

β-環(huán)糊精（β-CD）通過α-1,4糖苷鍵將7個(gè)吡喃葡萄糖單元連接組成的環(huán)狀寡糖，β-環(huán)糊精是安全的風(fēng)味載體和保護(hù)劑[1]。α-生育酚是植物油中極好的抗氧化劑，并保護(hù)這些產(chǎn)品免于脂質(zhì)過氧化，同時(shí)，α-生育酚也是維生素E最廣泛的使用形式，但是，它們?cè)谒械娜芙庑圆?，在氧氣、光線和堿性條件下會(huì)分解[2-3]。生育酚在環(huán)境溫度下為液體，極難分散在水中，目前已經(jīng)報(bào)道了改善生育酚不良特性的研究，包括β-環(huán)糊精或其衍生物的復(fù)合物[4]、淀粉的納米包封[5]和 脂質(zhì)體形成[6]。Koontz等[7]已經(jīng)評(píng)估了環(huán)糊精和γ-生育酚包合物的形成和固態(tài)表征，采用共沉淀技術(shù)合成β-CD與γ-生育酚包埋物。優(yōu)化了包埋物合成最優(yōu)條件并用13CNMR方法進(jìn)行表征，但沒有對(duì)α-生育酚的包合物、物理混合形式和游離形式進(jìn)行比較研究。由于復(fù)合物形成過程中結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生變化，本研究采用共沉淀的方法制備了不同比例的β-CD和α-生育酚包合物，通過XRD，F(xiàn)TIR、TGA和1H NMR光譜對(duì)其包合物進(jìn)行表征，表明客體與β-CD宿主在分子水平上的相互作用。β-CD的絡(luò)合保護(hù)了客體物質(zhì)，天然抗氧化劑的β-CD包合物的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，包埋物具有氧化穩(wěn)定性和控釋特性，增強(qiáng)儲(chǔ)存穩(wěn)定性，β-CD可以用作保護(hù)抗氧化劑和其他生物活性化合物的壁材，并改善其在食品工業(yè)中的用途。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

α-生育酚，美國(guó)Sigma公司；β-CD、氫氧化鈉、乙酸鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇、乙酸均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

IS50傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），美國(guó)尼高力儀器公司；Rigaku TTR-III X射線衍射儀（XRD），日本理學(xué)電機(jī)公司；S-4800掃描電鏡，日本日立儀器公司；AVANCE III 400WB BRUKER NMR光譜儀，瑞士布魯克光譜儀器公司；SDT Q600 TA差熱熱重聯(lián)用儀，美國(guó)TA公司；T9紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；JW-1016離心機(jī)，佳文設(shè)備工業(yè)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 包合物制備 準(zhǔn)確稱取2 g β-CD至錐形瓶中，加入20 mL蒸餾水，60℃攪拌30 min。將體積比為1：2的α-生育酚與無水乙醇混合物添加到冷卻至室溫的β-CD溶液中，將α-生育酚與β-CD以不同摩爾比（1:3，1:4，1:5，1:6，1:7，1:8）混合，然后將混合物在30 ℃攪拌4 h。在渦旋振蕩器將混合溶液渦旋5 min，4℃冰箱中平衡12 h，達(dá)到反應(yīng)平衡，5 000 r·min-1離心15 min，收集沉淀物干燥備用[8]。

1.2.2 α生育酚和β-CD物理混合物制備 將α-生育酚和β-CD以1:7摩爾比添加至研缽中研磨，用刮鏟將成分混合以獲得均勻的混合物[1]。

1.2.3 包埋率 包埋率（EE）用紫外分光光度計(jì)于292 nm波長(zhǎng)處對(duì)α-生育酚進(jìn)行定量分析[9]，將α-生育酚/β-CD復(fù)合物在95%乙醇中解離24 h，以4 000 r·min-1的速度離心10 min，保留上清液。根據(jù)公式計(jì)算復(fù)合物中α-生育酚含量[10-11]。包埋率EE（%）=截留的活性化合物含量/初始活性化合物含量×100。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

1.3.1 XRD測(cè)定 通過X射線衍射法測(cè)定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，掃描區(qū)域?yàn)?～50 °，掃描速率2 °·min-1。使用MDIJade6.0軟件記錄樣品的晶體類型和結(jié)晶度[12]。

1.3.2 FT-IR光譜測(cè)定 樣品與無水KBr體積比為1：100，研磨混合后，將所得樣品粉末壓制成薄圓盤狀。通過FT-IR光譜分析，掃描范圍為4 000～4 00 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.31H NMR光譜 使用NMR光譜儀進(jìn)行樣品測(cè)定，掃描頻率為100.4 MHz。測(cè)試條件為旋轉(zhuǎn)速率5 k Hz，累積掃描次數(shù)1 000次。

1.3.4 掃描電子顯微鏡（SEM） 將干燥分散后的樣品分散在鋁棒上，在表面噴涂鉑/鈀合金。掃描電鏡加速電壓1.0 kv，放大倍數(shù)1 000倍[13]。

1.3.5 熱性能分析 稱取樣品5 mg，在50 mL·min-1氮?dú)饬飨?，溫度?0 ℃·min-1從50 ℃升到640 ℃。

1.3.6 抗氧化活性測(cè)定 將樣品保存在室溫下，分別于1、2、3、4、5、6、7 d移出，于517 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定樣品吸光度，樣品抗氧化活性通過DPPH自由基清除率測(cè)定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.0和SPSS21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 包埋率分析

不同摩爾比的α-生育酚/β-CD的包埋率如圖1所示。包合物的包埋率為38%～72%。α-生育酚/β-CD的摩爾比從1:3升至1:7時(shí)，更多的生育酚被捕獲在β-CD腔中，當(dāng)摩爾比為1:7時(shí)，包埋率達(dá)到最大值，為72%。然而，當(dāng)摩爾比從1:7升至1:8時(shí)，包埋率基本不變。物理混合物的包埋率較低，可能是由于樣品中α-生育酚的吸附誤差產(chǎn)生[15]。因此選擇α-生育酚/β-CD的摩爾比為1:7時(shí)制備包合物。

圖1 不同摩爾比α-生育酚/β-CD絡(luò)合的包埋率

2.2 XRD分析

β-CD、物理混合物以及α-生育酚/β-CD包合物的XRD圖譜如圖2所示，當(dāng)XRD圖譜中出現(xiàn)新峰形成漫射衍射圖，或者特征峰的消失都可以表征包合物形成[16]。β-CD的XRD圖譜顯示出它的峰是強(qiáng)烈而尖銳的，表明其晶體性質(zhì)。Kayaci等[17]研究表明，β-CD的分子結(jié)構(gòu)是籠式結(jié)構(gòu)，有利于包埋小分子物質(zhì)形成包合物。α-生育酚/β-CD包合物與β-CD的XRD的特征峰相比，衍射角在4.8°和8°處的特征峰消失，但衍射角在17°處顯示新高峰出現(xiàn)，這些高峰形成可能與分子的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，表明α-生育酚被絡(luò)合在β-CD空腔中。物理混合物的衍射圖與β-CD的特征峰相似但峰強(qiáng)度不同。綜上表明，α-生育酚被β-CD成功包埋，形成包合物。

圖2 β-CD、物理混合物和α-生育酚/β-CD包合物的XRD圖譜

2.3 FT-IR分析

包合物、物理混合物、α-生育酚和β-CD的FTIR譜圖如圖3所示，α-生育酚的FTIR光譜顯示在1 750、2 928 cm-1處的特征譜帶分別是由C=O和C-H的拉伸振動(dòng)引起[18]。與游離α-生育酚相比，包合物在1 158 cm-1（CO），1 750 cm-1（C=O），2 857（CH3）處頻帶信號(hào)強(qiáng)度降低?？腕w分子特征帶的變化，例如峰強(qiáng)度的降低，消失和加寬，歸因于CD腔中客體分子拉伸振動(dòng)限制，客體分子的嵌入減少了被包埋分子的運(yùn)動(dòng)并降低了信號(hào)強(qiáng)度[19-20]，同時(shí)表明這些鍵可以參與其中形成配合物[21]。包合物與β-CD相比，該絡(luò)合物在特征帶O-H峰位置由3 321 cm-1偏移為3 308 cm-1，在包合物中，OH-彎曲（1 641 cm-1）和糖苷鍵的C-O-C彎曲（1 008 cm-1）振動(dòng)沒有顯著變化?？腕w的峰信號(hào)降低和偏移也表明包合物的形成，說明其發(fā)生了相互作用。物理混合物中觀察到β-CD和α-生育酚的特征帶，表明分子之間幾乎沒有相互作用。

圖3 β-CD、α-生育酚、物理混合物和α-生育酚/β-CD包合物的FTIR圖譜

2.4 1H NMR分析

β-CD、α-生育酚、物理混合物和包合物在DMSO-d6中的1H NMR如圖4所示，1HNMR光譜已用于研究和表征嵌入式工具，以驗(yàn)證包合物的真實(shí)形成[22]。1H NMR光譜表明，α-生育酚/β-CD包合物的O-H與β-CD分子的骨架質(zhì)子的存在顯示0.3 ppm的化學(xué)位移。這些化學(xué)位移的變化很小，因?yàn)樗鼈冎g的相互作用是非共價(jià)鍵。包合物中的信號(hào)與物理混合物和游離的α-生育酚的信號(hào)相比，均有所改變。物理混合物的譜圖中可以發(fā)現(xiàn)β-CD和α-生育酚信號(hào)，但信號(hào)強(qiáng)度降低了。結(jié)合分子水平的FT-IR和1H NMR分析結(jié)果。綜上表明，α-生育酚/β-CD包合物已經(jīng)被成功制備。

圖4 β-CD、α-生育酚、物理混合物和α-生育酚/β-CD包合物的1H NMR

2.5 掃描電鏡分析

樣品的顆粒形態(tài)如圖5A～C所示，β-CD可能是客體化合物形成包合物的良好宿主分子[23]。β-CD具有不規(guī)則的塊狀形狀（圖5C），物理混合物顯示球形顆粒與碎片混合（圖5A）。顯然，α-生育酚與β-CD混合或粘附于物理混合物的表面。然而，包合物與物理混合物相比，觀察到的結(jié)構(gòu)的粒徑和形狀發(fā)生了變化（圖5B），顯示了球形顆粒和混合碎片結(jié)合，觀察到較小的團(tuán)簇形成，這表明可能形成了絡(luò)合物[24]。Galv?o等[20]研究評(píng)估了β-CD和橙或桉樹精油包合物的形態(tài)，顯示與純?chǔ)?CD相比粒徑和形狀的變化。因此，β-CD和包合物的不同形態(tài)表明包合物的形成。

圖5 樣品的顆粒形態(tài)

2.6 熱重分析（TGA）分析

β-CD、α-生育酚，包合物和物理混合物的TGA譜圖如圖6所示，β-CD與α-生育酚之間的相互作用極大影響了熱穩(wěn)定性，該分析顯示β-CD與包合物的三個(gè)區(qū)域的質(zhì)量損失。第一個(gè)區(qū)域在150 ℃左右，質(zhì)量損失10%以下，可能是由于與β-CD相關(guān)的表層水蒸發(fā)所致。第二階段約為200℃，質(zhì)量損失為2%，可能是由于內(nèi)部水分蒸發(fā)所致。第三個(gè)階段約為350℃時(shí)，質(zhì)量損失為80%，可能與化合物降解有關(guān)[25]。樣品之間差別較明顯階段在第一和第三階段，α-生育酚/β-CD包合物顯示出更高的熱穩(wěn)定性[26]。此外，物理混合物也表現(xiàn)三個(gè)階段的質(zhì)量損失現(xiàn)象?？梢杂^察到，物理混合物第一階段的質(zhì)量損失約為50%，高出包合物質(zhì)量損失4倍以上。此外，α-生育酚的TG曲線可以在280℃觀察到獨(dú)特的過程，該過程由于蒸發(fā)而損失95%質(zhì)量?？梢缘贸鼋Y(jié)論，包合物比物理混合物和游離α-生育酚更穩(wěn)定，表明包合物的形成。

圖6 α-生育酚、β-CD、α-生育酚/β-CD包合物和物理混合物的熱重圖

2.7 抗氧化活性分析

DPPH是一種廣泛用于測(cè)試抗氧化劑分子清除自由基的化合物，適用于親脂性抗氧化劑的研究，抗氧化活性是α-生育酚的基本特征。α-生育酚、物理混合物和包合物的DPPH自由基清除活性測(cè)定如圖7所示，包合物的抗氧化活性明顯高于物理混合物和游離形式的α-生育酚的抗氧化活性[27-28]。表明物理混合物的自由基清除能力類似于游離α-生育酚。在室溫（25±1）℃放置7 d，三種抗氧化劑的活性均降低，但是α-生育酚和物理混合物的降低速度更快，α-生育酚的DPPH自由基清除能力迅速?gòu)?0.2%降低至15.3%，原因是分子中以游離形式存在的α-生育酚具有酚羥基。包合物DPPH自由基清除能力從80.6%降低到42.7%，表明包合物可以持續(xù)穩(wěn)定釋放α-生育酚的抗氧化活性。究其原因β-CD作為壁材，避免溫度和氧氣損壞的屏障，從而提高抗氧化劑的穩(wěn)定性。

圖7 α-生育酚、物理混合物和α-生育酚/β-CD包合物的自由基清除率

3 結(jié)論

本研究表明，通過共沉淀法β-CD成功包埋了α-生育酚。當(dāng)α-生育酚與β-CD的摩爾比為1:7制成的包合物具有較高的包埋率。通過SEM，XRD，F(xiàn)TIR和1H NMR證實(shí)α-生育酚/β-CD包合物的形成。同時(shí)，包合物可以提高α-生育酚的熱穩(wěn)定性和抗氧化活性，擴(kuò)大α-生育酚在食品等行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，為β-CD作為壁材包埋活性物質(zhì)提供參考依據(jù)。