杜仲籽油β-环糊精包合物的制备及其表征

孙兰萍，马 龙，伍亚华，赵大庆，殷 娜

（1.蚌埠学院应用化学与环境工程系，安徽蚌埠233000；2.蚌埠学院生物与食品工程系，安徽蚌埠233000）

杜仲是我国特有的木本植物和经济林树种。杜仲籽是杜仲种植业的副产品，我国现有杜仲种植面积约30余万hm2，杜仲籽资源十分丰富。杜仲籽油中富含多不饱和脂肪酸，其中亚油酸10.91%，α-亚麻酸62.95%[1]，是目前发现的α-亚麻酸含量较高的天然植物油之一。由于杜仲籽油中不饱和脂肪酸含量很高，因而其对光、氧气、温度等因素比较敏感，很容易被氧化，造成营养的损失和品质的下降，不利于加工和贮藏。微胶囊技术是利用可以形成胶囊壁或膜的物质对固体、液体或气体等核心物质进行包埋和固化的技术[2]。油脂经微胶囊化以后，不仅能有效防止其被氧化，而且油脂的状态也由液态变成为粉末状，更加便于贮存、运输及使用。目前可供采用的油脂微胶囊化方法种类繁多，β-环糊精分子包合法是其中最常用的方法之一。环糊精（Cyclodextrin，CD）是一种由数量不等的D-吡喃葡萄糖单元通过α-1，4-糖苷键以首尾相接的方式连接而成的环状低聚糖，最常见的分别是由6、7、8个葡萄糖单元组成的α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精[3]。能够与客体形成包合物是β-环糊精最重要的性质之一，油脂、色素、某些药物及天然活性物质经β-环糊精包合后，也可以提高其溶解度和稳定性，保护其生物活性，改善不良气味并减少刺激性等[4-8]。本研究采用β-环糊精对杜仲籽油进行了微胶囊化包合研究，旨在为杜仲籽油的长期有效保存以及便于运输和使用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

杜仲籽油 五台县五台山沙棘制品有限公司（超临界CO2萃取获得），经测定密度为0.930g/mL；β-环糊精 天津市永大化学试剂开发中心；三氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚（30～60℃）、正己烷、无水乙醇等 均为分析纯。

DSC131 EVO型差式扫描量热仪 法国塞塔拉姆（SETARAM）仪器公司；Motic BA210 Digital型数码显微镜 麦克奥迪实业集团有限公司；UV1102型紫外可见分光光度计 上海天美科学仪器有限公司；HJ-4A型数显恒温多头磁力搅拌器 江苏金坛荣华仪器制造有限公司；SHB-ⅢA型循环水式多用真空泵 河南太康科教器材厂；FA2004型电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DZF-6051型真空干燥箱 上海三发科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 杜仲籽油β-环糊精包合物的制备[9-12]称取一定量的β-环糊精按1∶20（g/mL）的比例加入蒸馏水，加热、搅拌溶解，制成β-环糊精溶液。冷却至设定温度后置于恒温磁力搅拌器上，在200r/min的搅拌速度下，逐滴滴加杜仲籽油，滴完后继续恒温搅拌一定时间。取出，冷却，置于冰箱内冷藏静置24h，抽滤，沉淀物分别用少量蒸馏水及无水乙醇淋洗数次，于60℃真空干燥，粉碎后即得白色包合物粉末产品。

1.2.2 包合物包合率的测定 将包合物置于索氏提取器中，用石油醚回流提取包合物中的杜仲籽油，计算包合物的包合率。计算公式如下：

1.2.3 包合物产率的测定 精密称量所得的干燥包合物，计算包合物的产率。计算公式如下：

包合物产率（%）=包合物重量/（β-环糊精加入量+杜仲籽油加入量）×100

1.2.4 包合物的差示扫描量热分析 采用差示扫描量热仪，分别对β-环糊精、杜仲籽油与β-环糊精物理混合物及杜仲籽油β-环糊精包合产物进行差式扫描量热分析。分析测试的具体操作条件如下：装样量5.80mg；扫描温度范围30～450℃；温度变化20℃/min程序升温。

1.2.5 包合物的紫外分光光度分析[13-14]以1∶1（V/V）的N，N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷混合物为溶剂，分别配制杜仲籽油、β-环糊精及杜仲籽油β-环糊精包合物的溶液，在190～400nm范围内进行扫描，分别记录扫描曲线。

1.2.6 包合物的显微成像分析[15]取适量的β-环糊精及杜仲籽油β-环糊精包合物，分别放于两张载玻片上，各以胶头滴管吸取少量蒸馏水加入分散溶解，盖上盖玻片，于400倍显微镜下观察其成像结果。

1.2.7 包合工艺优化正交实验 在单因素实验基础上，进行正交实验。以包合物的包合率为主要衡量指标，权重系数设为0.8；包合物的产率为次要衡量指标，权重系数设为0.2，以两者的加权平均值（综合评分）作为最佳包合工艺筛选的考查指标。实验的因素水平设计见表1。

表1 正交实验因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal test

2 结果与分析

2.1 包合工艺单因素实验结果与分析

2.1.1 β-环糊精与杜仲籽油的配比（g/mL）的影响固定包合温度为60℃，包合时间为2h，改变β-环糊精与杜仲籽油的配比，讨论不同β-环糊精与杜仲籽油的配比对包合物的包合率及产率的影响，结果如图1所示。

图1 β-环糊精与杜仲籽油配比对包合物包合率及产率的影响Fig.1 Influence of proportion（β-cyclodextrin∶Eucommia ulmoides ulmoides seed oil）on the inclusion rate and product yield

由图1可知，包合物的包合率先随β-环糊精∶杜仲籽油配比的增大而增大，至配比达到8∶1后，包合率数值趋于稳定，增长幅度较小。而包合率则先随β-环糊精∶杜仲籽油的配比的增大而增大，当配比为8∶1时，产率达到最大，其后随β-环糊精用量的进一步增大，包合物产率不增反降。其原因可能是每个β-环糊精分子的空腔容量有限，前期随着β-环糊精用量的增加，其包埋容量增大，形成包合物的几率增大，故包合率及产率均增高，但β-环糊精用量过大时有大量β-环糊精过量未参与反应，产率反而下降。故β-环糊精∶杜仲籽油配比宜选择为8∶1。

2.1.2 包合温度的影响 固定β-环糊精∶杜仲籽油的配比（g/mL）为8∶1，包合时间为2h，改变包合温度，讨论不同包合温度对包合物包合率及产率的影响，结果如图2所示。

由图2可知，40～60℃区域内，包合物的包合率及产率均随着包合温度的升高而升高；其后随温度的升高两者反而降低。这是由于β-环糊精需溶解于水中才能够起到包合作用，温度升高有利于提高β-环糊精的溶解度，且可以增加其与杜仲籽油间相互碰撞的几率，故而可使反应的包合率及收率增大。但包合反应同时也是放热反应[16]，因此当达到包合平衡后，继续升温则不利于油脂的包合而使包合率及产率下降。此外，实验中发现包合温度不宜超过80℃，80℃时杜仲籽油不能被有效包合而生成包合物，究其原因可能是当包合温度高于80℃时，β-环糊精发生了糊化反应而变性，其特殊的环状中空的筒状结构发生了改变，从而失去了包合能力。故包合温度宜选择60℃。

2.1.3 包合时间的影响 固定β-环糊精∶杜仲籽油的配比（g/mL）为8∶1，包合温度为60℃，改变包合时间，讨论不同包合时间对包合物包合率及产率的影响，结果如图3所示。

图2 包合温度对包合物包合率及产率的影响Fig.2 Influence of inclusion temperature on the inclusion rate and product yield

图3 包合时间对包合物包合率及产率的影响Fig.3 Influence of inclusion time on the inclusion rate and product yield

由图3可知，包合物的包合率先随着包合时间的增加而增大，在2h时达到最大。其后随着包合时间的进一步增加包合率反而有所下降。包合物的产率则整体上随着包合时间的增加而增大，包合时间1～2h时，产率随包合时间的延长快速增加，但包合时间超过2h后，再延长包合时间，包合物产率的增加非常缓慢。其原因是包合反应是可逆过程，反应起始时，包合反应速度远大于解包合反应速度，故生成的包合产物的量不断增加，包合率及产率不断增大。随着包合时间的延长，包合与解包合过程逐渐趋向动态平衡，生成包合产物的量趋于稳定，包合物产率也因之趋于稳定。再增加包合时间包合率反而会因为部分已生成的包合物解络而有所下降。故包合时间宜选择为2h。

2.2 包合工艺优化正交实验

包合工艺优化正交实验结果见表2，方差分析结果见表3。

表2 正交实验结果数据表Table 2 The results of orthogonal test

表3 正交实验方差分析表Table 3 Variance analysis of orthogonal test

由表2可知，4号实验A2B1C2的综合评分最高。根据极差大小判断，各因素作用的主次顺序为A＞C＞B，即β-环糊精∶杜仲籽油配比＞包合时间＞包合温度，最佳水平组合为A2B2C2。

由方差分析表3可知，β-环糊精∶杜仲籽油配比和包合时间对综合评分的影响显著（p＜0.05），包合温度影响较小。由各因素F值大小可知，对综合评分高低影响的主次顺序为：A＞C＞B，与由表2中用极差数值做出的判断结果一致。

2.3 最优包合工艺参数的验证实验

因正交实验因素水平设计表中无最佳水平组合A2B2C2，故需对其进行验证实验。即以β-环糊精∶杜仲籽油（g/mL）=8∶1，包合温度为60℃，包合时间为2h，进行包合物的制备实验，测得其综合评分为86.69，高于正交实验中综合评分最高的4号实验。此结果表明，优化获得的最佳水平组合可靠有效。

2.4 包合物的初步表征

2.4.1 包合物的差示扫描量热分析（DSC） β-环糊精，杜仲籽油与β-环糊精物理混合物及杜仲籽油β-环糊精包合物的DSC曲线如图4所示。

由图4可知，β-环糊精，杜仲籽油与β-环糊精物理混合物、杜仲籽油β-环糊精包合物三者的DSC曲线存在明显的不同。虽然其中β-环糊精与包合物两者的DSC曲线形状相似，但β-环糊精分别在136.42℃和301.23℃存在两个特征峰，前者为其脱水峰，而后者则为其熔融分解峰；而包合物则分别在140.67℃和311.96℃存在两个特征吸热峰，脱水峰及熔融分解峰均向高温区迁移，且两者熔融分解峰峰形及峰面积也存在明显差异。DSC检测结果表明，包合物为一新生成的物相，且经过包合后杜仲籽油热稳定性增强。

图4 β-环糊精（A）、杜仲籽油与β-环糊精混合物（B）及杜仲籽油β-环糊精包合物（C）的DSC曲线Fig.4 DSC curve of β-CD（A），mixture of Eucommia ulmoides seed oil（B）and β-CD and β-CD inclusion complex（C）of Eucommia ulmoides seed oil

图5 杜仲籽油（A）、β-环糊精（B）及杜仲籽油β-环糊精包合物（C）的紫外吸收光谱图Fig.5 The ultraviolet spectrogram of Eucommia ulmoides seed oil（A），β-cyclodextrin（B）and β-cyclodextrin inclusion complex（C）of Eucommia ulmoides seed oil

图6 β-环糊精（A）及杜仲籽油β-环糊精包合物（B）的数码显微照片（×400）Fig.6 The digital micrograph of β-cyclodextrin（A）and β-cyclodextrin inclusion complex（B）of Eucommia ulmoides seed oil（×400）

2.4.2 包合物的紫外分光光度分析（UV） 杜仲籽油、β-环糊精及杜仲籽油β-环糊精包合物的UV曲线如图5所示。

由图5可知，杜仲籽油在271nm处有最大吸收，β-环糊精在198nm处有最大吸收，而杜仲籽油的β-环糊精包合物则在263nm处存在最大吸收，且三者的吸收曲线形状存在明显差别。此结果再次验证了包合产物为生成的新物相。

2.4.3 包合物的显微成像分析 β-环糊精及杜仲籽油β-环糊精包合物的数码显微照片如图6所示。由图6可知，未包埋油脂的β-环糊精在显微镜下为透明或半透明的、形状不规则的板块状结晶，其颗粒粒度相对较大，成像清晰可辨；杜仲籽油的β-环糊精包合物在显微镜下则为不透明的团状物，或微细晶粒，颗粒粒度相对较小，且显微观察中未见明显油状物。显微成像结果显示，β-环糊精在包合杜仲籽油前后其透明度及颗粒粒度大小等均发生了明显变化，且杜仲籽油β-环糊精包合物中未观察到游离的杜仲籽油，说明β-环糊精已将杜仲籽油包合在内。

3 结论

3.1 实验优选出的最佳包合物制备工艺条件为β-环糊精∶杜仲籽油（g/mL）为8∶1，包合温度为60℃，包合时间为2h。

3.2 由于具有特殊的环状中空的筒状结构，β-环糊精可将杜仲籽油嵌入其中，形成包合物，并以此构成新的物相体系。新物相的形成，可以有效改变杜仲籽油的物态，使其固态化，方便贮存及运输。此外，有研究表明，以β-环糊精为壁材对杜仲籽油进行分子包合，可以减缓其在贮存过程中的氧化变质[17]，有效延长其保质期。由于β-环糊精是安全的食品添加剂，因此可以考虑采用包合物的形式参与相关食品加工过程，这也是本研究的一个重要意义所在。

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