β-紫罗兰酮-β-环糊精包合物的结构确证及反应热力学研究

姬小明，刘 云，苏长涛，赵铭钦

（河南农业大学烟草学院，郑州 450002）

β-紫罗兰酮存在于柑橘属果皮精油、葡萄、覆盆子和烟草中，属天然等同香料[1]，是配制很多高级香精不可缺少的香料。β-紫罗兰酮(Ionone，C13H20O，相对分子量192.29)，以α、β和γ三种异构体形式存在，稀释后，β-紫罗兰酮具有强烈的覆盆子和紫罗兰香气，并有水果和木香香韵，果香气较重，较适合于配制木香或果香气较重的香精[2]；用于烟草、覆盆子和甘草风味的配方中。同时，它又是一种重要的香料及医药中间体[3]。但该香料由于有双键结构易氧化。β-环糊精是良好的天然包合材料[4-5]，环糊精与香料分子形成包合物以后不仅可以提高香料分子的水溶性，还可以增加香料分子的稳定性，提高香料分子的可用性，延长保香期[6]，改进了产品的质量。环糊精包合物已经广泛用于制药、分析化学、环保、有机合成、食品等诸多领域[7]。因此，采用环糊精包合物来保护香料的稳定性并增强留香能力是香料工业研究的热点课题。但绝大多数香料包合物的研究只停留在制备工艺上，未深入探讨该包合物的理化性质的前后变化[8]。当前关于 β-紫罗兰酮与 β-环糊精包合物的反应热力学及其在卷烟中的应用尚未见报道。本文拟用饱和水溶液方法制备β-紫罗兰酮-β-环糊精包合物，并用分析方法对其结构进行表征，对其反应热力学和卷烟加香进行了研究。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：β-环糊精（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），无水乙醇（分析纯，北京化工厂），β-紫罗兰酮（自制）。

仪器：1H NMR使用瑞士Bruker DPX-400型超导核磁共振仪测定，吸光度使用美国VARIAN公司CARY300型紫外扫描分析仪测定，DSC使用日本岛津公司DSC-50型差热分析仪测定。

1.2 方法

1.2.1 环糊精包合物的制备 用饱和水溶液法，根据实验要求称取一定量β-环糊精加水制成60 ℃下的饱和溶液，恒温。另取等摩尔的β-紫罗兰酮溶于少量乙醇中（溶媒加入量为整个反应体系的20%），不断搅拌下加到β-环糊精溶液中，维持60 ℃继续搅拌6 h。然后在5 h内缓慢降至5 ℃，抽滤，依次用少量水、乙醇洗涤，在40 ℃真空干燥箱中烘干，于冰箱中冷冻保存。

1.2.2 β-紫罗兰酮标准工作曲线的绘制 使用CARY300型紫外扫描分析仪（美国VARIAN公司）对β-紫罗兰酮的乙醇（无水）溶液进行最大紫外吸收波长扫描。

重复试验结果显示，在 β-紫罗兰酮浓度为5.0×10-5mol/L时吸光值在0.3～0.7之间，以无水乙醇为溶剂分别配制 4.0×10-5、4.5×10-5、5.0×10-5和5.5×10-5mol/L的 β-紫罗兰酮溶液，分别测定其在299 nm处的吸光值，绘制β-紫罗兰酮的标准曲线。

1.2.3 固相包合物核磁共振分析 核磁共振谱测定以CDCl3为溶剂，TMS为内标进行测定。

1.2.4 固相包合物的 DSC分析 称取包合物 1.3 mg置于DSC-50中，高纯氮气流为20 mL/min的环境下，升温速率为10 ℃/min，在20～500 ℃温度范围内进行DSC分析。

1.2.5 包合物在烟丝中加香的试验 取一定量的包合物制成10%的包合物香料溶液，分别按0.5%、1%和 1.5%的投料比喷洒到烟丝上，然后在恒温恒湿条件[T=(22±1)℃，相对湿度 65%]下平衡 48 h后将烟丝卷制成烟支，组织专家进行评吸。用未加包合物的烟丝卷制成的卷烟作为对照。

2 结 果

包合是一种物理过程，包合物形成主要取决于环糊精与客体分子的立体结构及二者作用力的大小，所以在包合前，首先应该考虑课题分子的大小是否与环糊精的空腔内径相匹配，这样客体分子才有进入环糊精空腔中的可能。经计算机软件 Chem Office 2006计算。β-紫罗兰酮分子可以被β-环糊精包合。

2.1 固相包合物的1H NMR鉴定

表1列出了包合作用发生前后β-环糊精与包合物中的环糊精部分1H NMR谱峰变化情况。从表中看出，β-环糊精与包合物中的环糊精部分的 1H NMR化学位移相比，H-5和H-3质子均有较大高场化学位移（△δ：-0.056，-0.026），发生了屏蔽效应，这主要是由于双键和羰基的各向异性所致；H-4、H-2、H-6、H-1质子均有低场化学位移（△δ：0.051，0.047，0.025，0.050），发生了去屏蔽现象，说明β-紫罗兰酮分子被包合在环糊精中。△δ值的变化证明β-紫罗兰酮与环糊精形成了包合物。

表2是包合作用发生前后β-紫罗兰酮与包合物中的β-紫罗兰酮部分的1H NMR谱峰归属对比，从表中数据可知，由于β-环糊精与β-紫罗兰酮发生了包合作用，β-紫罗兰酮的质子化学位移移向低场，表现为去屏蔽效应，△δ值的变化证明 β-紫罗兰酮与环糊精形成了包合物。

表1 β-环糊精与包合物1H NMR谱峰归属对比Table 1 1H NMR analysis of β-Cyclodextrin and inclusion compound

2.2 固相包合物的DSC鉴定

比较β-紫罗兰酮、β-环糊精、β-紫罗兰酮和β-环糊精混合物、β-紫罗兰酮包合物的DSC分析图看出，β-紫罗兰酮包合物的DSC谱峰与β-紫罗兰酮、β-环糊精及β-紫罗兰酮与β-环糊精的机械混合物明显不同，包合物出现自己特有峰。由表3可知，β-紫罗兰酮位于 224.1 ℃处的吸热峰在包合物 DSC分析图中消失，说明β-紫罗兰酮包合物已是一种新的物相。在224.1 ℃时没有失重分解，而在277.3 ℃处有一吸热峰。

表2 β-紫罗兰酮与包合物1H NMR归属对比Table 2 1H NMR analysis of β-Ionone and Inclusion compound

表3 DSC测定结果 ℃Table 3 Result of DSC

2.3 液相中β-紫罗兰酮与β-环糊精包合反应热力学

2.3.1 β-紫罗兰酮标准曲线 在波长为 299 nm 处分别测定 β-紫罗兰酮标准溶液的吸光度，得到 β-紫罗兰酮标准工作曲线的一元线性回归方程为：

2.3.2 溶液中 β-紫罗兰酮与 β-环糊精包合反应热力学 对于1:1的包合体系，存在Hildebrand Benesi关系式[9]：

式中：[G]T和[CD]T分别为β-紫罗兰酮和β-环糊精的总浓度，ε为摩尔吸光系数，KCD·G为包合物的稳定常数。

将(1)式以[G]T/A对1/[CD]T作图，由直线的斜率和截距可得包合物在20、30、40和50 ℃的稳定常数。配制5.0×10-5mol/L的β-紫罗兰酮溶液多份（30%乙醇溶液为溶剂），分别加入不同浓度（2.5×10-3、5.0×10-3、7.5×10-3和 1.0×10-2mol/L）的 β-环糊精水溶液，于不同的温度（20、30、40和50 ℃）下搅拌，待包和平衡后（6 h）在299 nm处（加入低浓度的β-环糊精水溶液对最大紫外吸收位置几乎没有影响）测定体系的吸光度。

表4为不同温度时包合物的吸光度。根据表中的数据，以 1/[CD]T为横坐标，β-紫罗兰酮浓度与对应吸光度的比值为纵坐标，分别作出不同温度下的回归曲线（图1）。由图1看出，[G]T/A对1/[CD]T呈良好的直线关系，表明溶液中β-环糊精与β-紫罗兰酮包合物的最佳物质的量的比为 1:1。由直线的斜率和截距可得包合物在20、30、40和50 ℃的稳定常数分别为 1.11×1011，1×1011，7.14×1010，4.48×1010。由此可见，随温度升高水溶液中β-紫罗兰酮与β-环糊精包合物的稳定常数降低，这表明包合过程为放热反应。

根据lnK=-△H/RT+△S/R 关系式，以 β-环糊精与β-紫罗兰酮包合体系的lnK对T-1作图，由直线的斜率和截距以及△G=-RTlnK关系式，可得包合体系的表观△H，△S和△G值（30 ℃时）分别为-58.6、-114.6和-2743 kJ/mol。在 β-环糊精包合过程中，仅疏水作用力对应着正的△S及正的或较小的负△H值（以熵变控制为主），显然，在 β-紫罗兰酮与β-环糊精包合体系中，疏水作用力对包合反应几乎不起作用。△H和△S值较负，这是因为包合过程的推动力主要是范德华力(△H＜0，△S＜0，以焓变控制为主)[10]。即 β-紫罗兰酮与 β-环糊精包合体系中，范德华力起主导作用。

表4 不同温度时包合物的吸光度Table 4 Abs of inclusion compound at different temp

图1 [G]T/A与1/[CD]T的关系图Fig.1 Relation between [G]T/A and 1/[CD]T

2.4 包合物的加香应用

分别对七匹狼、红旗渠配方烟丝（加料未加香）以不同的投料比加香，评吸结果如表5所示。表5表明，与对照相比添加包合物可以使烟香增加，总体香吃味质量变好。不同处理相比较，以投料比为1%的卷烟加香效果最佳。说明β-紫罗兰酮包合物直接加入烟丝后对卷烟感官质量有一定的促进作用，添加适量的环糊精包合β-紫罗兰酮，可使香气质改善，香气量增加，达到烟香协调，杂气减轻的目的。

表5 添加包合物对卷烟丝的加香效果Table 5 Effect of flavored tobacco thread

3 结 论

利用饱和水溶液法制备了 β-环糊精和 β-紫罗兰酮的包合物，通过1H NMR和 DSC测试方法证实了包合物的生成。并对反应的热力学进行了研究，利用Hildebrand Benesi关系式计算了包合物的稳定常数，随温度升高水溶液中 β-紫罗兰酮与 β-环糊精包合物的稳定常数降低，这表明包合过程为放热反应。根据lnK=-△H/RT+△S/R 关系式，结合△G=-RTlnK关系式，得出包合反应的热力学常数(30℃时)△H=-58.6 kJ/mol，△S=-114.6 kJ/mol 和△G=-2 743 kJ/mol，证实包合过程的推动力主要是范德华力。进一步的加香效果表明，β-紫罗兰酮包合物直接加入烟丝后对卷烟感官质量有一定的促进作用，即添加适量的环糊精包合β-紫罗兰酮可以使卷烟的香气质改善、香气量增加，并且具有烟香协调、余味纯净的加香效应，表明利用环糊精包合技术来提高卷烟的香吃味是可行的。

[1]赵铭钦.卷烟调香学[M].北京：科学出版社，2008.

[2]和承尧，于军，陶元器.香料β-紫罗兰酮合成工艺研究[J].云南化工，2006，33（1）：1-14.

[3]夏春秀，李宗.用山苍子油合成α-β-紫罗兰酮和β-β-紫罗兰酮的研究[J].湖南理工学院学报，2005，18（2）：39-41.

[4]张树政，王修桓.工业微生物成就[M].北京：科学出版社，1988：65-66.

[5]罗明生，高天惠.药剂辅料大全[M].成都：四川科学技术出版社，1993：504.

[6]杨波，杨光，李代禧，等.苯乙醇香精与β-环糊精包合物的制备工艺研究[J].食品工业科技，2007（1）：210-212.

[7]闫有望.环糊精包合物[J].化学世界，2006（4）：252-254.

[8]杨志文，杨木华，李洪亮，等.金银花挥发油β-环糊精包合物的表征[J].赣南医学院学报，2007，27（1）：13-14.

[9]Szejtli J.Cyclodextrin Technology[M].AH Dordrecht,Netherlands : Kluwer Academic Publishers, 1988 :148-149.

[10]雍国平，查正根，李光水.水溶液中几种苯衍生物与β-环糊精包合物的热力学研究[J].化学研究与应用，2002，14（3）：308-309.