姜酮-β-环糊精包合物的结构确证及热稳定性研究

于博，吴进菊，李云捷，潘青青，杨鹏

(湖北文理学院 化学工程与食品科学学院， 湖北 襄阳 441053)

生姜是一种重要的香辛料，是卫生部公布的药食同源植物，在药品、食品及化妆品等领域应用广泛。生姜中含有许多辛辣味的成分，主要有姜酚、姜烯酚、姜酮等生物活性成分，既可以作为食品添加剂应用于食品工业中，又可以作为功能食品的配料应用于健康食品中，具有抗氧化、抑菌及增加香气等作用[1-3]。姜酮又称姜油酮，是淡琥珀色晶体，在室温下长时间放置，会吸潮变粘，最终会变成粘性液体。姜酮具有强烈的姜辣刺激气味及辛辣味道，具有甜香、辛香、浓郁而沉厚的花香香气，留香持久，可在食品调味料领域广泛应用。姜酮具有麻醉、降温和止吐的作用，可用作浓香型香精、增甜剂和苛性健胃剂[4,5]。姜酮还具有镇痛、解热、抗炎、强心、抑制血小板凝聚、抗胆汁等作用[6]。但是，姜酮的水溶性和热稳定性较差，光、氧气、温度等因素都会影响其稳定性，这制约了姜酮在各领域中的应用。

微胶囊技术可以将客体分子全部或部分包埋到主体分子内部，有效地隔绝环境因素对客体分子结构的影响，从而起到保护生物活性因子的作用。环糊精是由吡喃葡萄糖基以α-1，4-糖苷键首尾连接而成的环状低聚糖，其分子结构具有高度对称性和疏水性空腔，分子中的糖苷氧原子共平面排列，葡萄糖残基上的亲水伯醇羟基排列在环的外侧，疏水基C-H键排列在空腔内壁，环状糊精是一种包埋功能性生物小分子的理想微胶囊壁材[7]，其作为分子微胶囊壁材在稳定生物活性成分上的研究日益深入[8-11]，客体分子在被环糊精及其衍生物包埋后，其水溶性、热稳定性、生物利用度等通常会获得提高。环糊精及其衍生物所具有的独特包埋特性，使其在食品、农业、化妆品、环境保护、药物化学等领域有广泛的应用[12]。

为了拓展姜酮在食品、药品等领域的应用范围，本研究采用饱和水溶液法和冷冻干燥技术制备粉末状的姜酮/β-环糊精包合物，借助紫外光谱、红外光谱、X-射线衍射技术、扫描电镜、热重及差示扫描量热联用分析等技术研究包合物的结构特征和热稳定性，意在提高姜酮的稳定性，保护其活性效率，扩大姜酮类成分的使用范围，同时为姜酮的微胶囊化奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验与试剂

姜酮(纯度98%)、β-环糊精(纯度98%)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其他试剂：均为分析纯。

1.2 主要仪器

AL204电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；FD-1-50真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；D8 Advance X-射线衍射仪 布鲁克AXS有限公司；SDTQ600同步TGA/DSC分析仪 美国TA公司；UV-2600PC紫外/可见光分光光度计、IRPrestige-21傅立叶红外变换光谱仪 岛津企业管理(中国)有限公司；QYC系列全温培养摇床 上海新苗医疗器械制造有限公司；DW-86L626超低温保存箱 青岛海尔特种电器有限公司；PGJ-10-AS超纯水机 武汉品冠仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 姜酮/β-环糊精包合物及物理混合物的制备

称取1.459 g β-环糊精(1 mmol)，用30 mL超纯水溶解，置于棕色瓶中，加入0.322 g 姜酮(1 mmol)。在25 ℃恒温振荡器中，振荡反应72 h。离心后取上清液过0.45 μm膜，冷冻干燥制得姜酮/β-环糊精包合物。分别称取β-环糊精 1.459 g和姜酮0.0644 g，混合均匀即为姜酮/β-环糊精物理混合物。

取适量的姜酮、β-环糊精、姜酮/β-环糊精物理混合物及包合物分别溶于50%的甲醇溶液中，以50%甲醇为空白对照，进行紫外全波长扫描。

1.3.3 红外光谱分析

取适量的姜酮、β-环糊精、姜酮/β-环糊精物理混合物及包合物分别加入适量溴化钾，压片后置于傅立叶红外光谱分析仪中，进行红外光谱扫描。

1.3.4 X-射线衍射分析

取适量的姜酮、β-环糊精、姜酮/β-环糊精物理混合物及包合物，进行X-射线衍射。分析条件：室温，Cu靶(Kα射线，波长=1.54187Å)，扫描电压40 kV，管电流40 mA，扫描速率2°/min，采样间隔0.02°，扫描范围为10°～80°。

1.3.5 扫描电镜法

取适量的姜酮、β-CD、二者的物理混合物及包合物，按要求制备样品，取微量样品按顺序附着于导电胶上，进行样品的外观扫描。

1.3.6 热重及差示扫描量热同步分析

宋萌枝的硕士论文《中国现代戏剧史上的蔷薇花——袁昌英戏剧研究》［2］，也论及弗洛伊德精神分析学说、女性主义和唯美主义对袁昌英戏剧创作的影响，此外，还涉及到袁昌英对于莎士比亚浪漫戏剧和现代主义艺术手法的借鉴。

取适量的姜酮、β-环糊精、姜酮/β-环糊精物理混合物及包合物进行同步热分析，记录其热分析图谱。测定条件为：在氮气环境下进行扫描分析，扫描温度范围为40～600 ℃，扫描速率为10 ℃/min。

2 结果与分析

2.1 紫外吸收光谱

紫外光谱法能够利用环糊精与客体分子在包合前后吸收峰的位置和高度来判断包合是否成功或包合前后主要成分是否发生变化[13]。β-CD、姜酮、β-CD/姜酮包合物以及二者物理混合物的紫外扫描结果见图1。

图1 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮与β-CD混合物(3)及姜酮与β-CD包合物(4)的紫外图谱Fig.1 UV spectrum of zingerone (1), β-CD (2), their mixture (3) and complex (4)

由图1可知，β-CD在200～800 nm紫外范围内并无特征吸收峰，这主要是因为β-CD没有共轭双键结构；姜酮、β-CD/姜酮包合物及二者的物理混合物在紫外区均有吸收，且谱图峰位、峰形基本一致，这说明在包合物形成的过程中，没有形成新的不饱和结构；包合物的最大吸收波长与姜酮客体分子以及二者的物理混合物相比，由280 nm蓝移至279 nm，这可能是由于环糊精的疏水性空腔与姜酮分子相互作用时，改变了姜酮紫外发色团所处的微环境，导致最大吸收波长的微小变化。

2.2 红外光谱分析

红外光谱是研究包合物常用的方法，通过对比包合前后的红外特征吸收峰的位置和强度变化，能够有效地推断出主客体间的相互作用。姜酮、β-CD、姜酮与β-CD的包合物及物理混合物的红外光谱图见图2。

图2 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮与β-CD混合物(3)及姜酮与β-CD包合物(4)的红外图谱Fig.2 IR spectrum of zingerone (1), β-CD (2), their mixture (3) and complex (4)

由图2可知，姜酮的红外光谱图具有苯环(1445，1520，1470，1607 cm-1)、酚羟基(3478 cm-1)、羰基(1649 cm-1)的特征吸收峰，β-CD具有甲基(2971 cm-1)、亚甲基(2930 cm-1)的特征吸收峰。β-CD与姜酮的物理混合物为二者红外光谱的叠加，这表明混合物中二者之间没有相互作用的存在。β-CD与姜酮包合物的红外图谱与二者的物理混合物、姜酮明显不同，而与主体环糊精分子的红外图谱类似，在400～1700 cm-1之间，姜酮的特征吸收峰减少明显，这说明环糊精与姜酮分子发生了相互作用，形成了新的物相，其红外特征峰几乎被主体环糊精遮蔽。和其他3个红外光谱相比较，包合物的图谱没有出现新的红外吸收峰，这说明在环糊精与姜酮的包合过程中没有新的共价键形成，主客体分子各自保留其原有的化学结构特征，包合物的形成不会影响到客体分子的生物功能特性。

2.3 X-射线衍射分析

X-射线衍射分析是利用晶体形成的X-射线衍射，对物质内部原子在空间分布状况进行分析的方法，其在包合物的结构表征中有着重要的应用。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的X-射线衍射见图3。

图3 姜酮(1)、β-CD (2)、姜酮与β-CD混合物(3)及姜酮与β-CD包合物(4)的X-射线衍射Fig.3 XRD patterns of zingerone (1), β-CD (2)，their mixture (3) and complex (4)

由图3可知，在10.30894°，14.51057°，16.01409°，20.61734°，26.67262°是姜酮的X-衍射图的峰值点，具有尖锐的吸收峰；β-CD的X-衍射图峰值点主要在10.65908°，12.49214°，15.45799°，21.34815°；二者的物理混合物中，出现二者共同的衍射峰，二者包合物的X-衍射图与主体环糊精的衍射图谱类似，这表明姜酮在被主体环糊精包合后，其特征的衍射峰消失，包合物的衍射峰呈现主体的无定形状态，这说明包合物中的姜酮分子微环境发生了重大变化，姜酮原有的物相随之发生变化。

2.4 扫描电镜

扫描电镜是一种直观的微观形貌测试技术，利用聚焦高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息，以获得样品的表面形貌和细微结构。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的扫描电镜结果见图4。

图4 姜酮、β-CD、姜酮与β-CD物理混合物姜酮及包合物的扫描电镜图Fig.4 Scanning electron micrographs of zingerone, β-CD, their complex and mixture

由图4可知，姜酮是片状晶体结构，形态较为平整、光滑；β-CD也呈现明显的晶体状态，但表面呈现凹凸不平的松散不规则结构特征；在二者的物理混合物中，上述2种形态的颗粒都可以观察到，但二者的包合物结构明显不同于上述三者的图谱，包合物形态发生了显著变化，表面更为光滑和平整，且组织状态更加紧密，且具有更加规则的排布，这说明环糊精与姜酮包合物呈现了比较稳定的状态。

2.5 热重及差示扫描量热联用分析

热重/差示扫描量热联用可同时分析物质在升温过程中的重量变化和热量变化，通过重量与热量间的关系，分析物质的热稳定性、脱水过程以及熔融过程。热重/差示扫描量热联用技术广泛地应用于环糊精及其衍生物的包合物表征，能够精确地测量包合物的热性质，判断包合物形成与否。重量变化是包合物形成的有力证据，通过对比客体姜酮分子、主体环糊精分子、二者的物理混合物和包合物的热分析图谱，能够有效地推动本研究中的姜酮与环糊精的包合作用[14]。姜酮、β-CD、二者的包合物及物理混合物的热重及差示扫描量热见图5。

图5 姜酮、β-CD及二者的包合物的热重及差示扫描量热图Fig.5 TG/DSC of zingerone, β-CD and their complex

由图5可知，β-环糊精在300 ℃前，基本没有重量损失，说明环糊精的水分和挥发类组分很少；在300～400 ℃的升温范围内，环糊精样品失重明显，这主要是环糊精的热分解所导致的，其中的碳分解物逐步挥发；400 ℃后重量趋于稳定，说明β-环糊精此时已分解完全。β-环糊精的DSC曲线在300～400 ℃之间有一个显著的吸热峰，峰值温度约为310 ℃，这是由于β-环糊精吸热分解引起的。姜酮的TG曲线显示在150～250 ℃范围内，姜酮重量快速损失，其DSC曲线表明该范围内，姜酮吸热分解，峰值温度约为219 ℃，温度升到250 ℃左右时，重量趋于平衡。包合物的TG曲线在150 ℃并没有出现快速的重量损失，而是在200 ℃以后，重量逐渐开始下降，这表明包合物形成后姜酮的热稳定性增加。

3 结论

姜酮是生姜中天然存在的生物活性化合物，在食品添加剂、功能性食品、医药和化妆品等领域具有广阔的应用前景。本研究采用水溶液法和冷冻干燥技术制备了姜酮和β-CD的包合物，通过紫外光谱、红外光谱、X-射线衍射、电镜扫描等技术手段对β-CD/姜酮包合物的结构进行表征，采集获得了大量主客体分子及其物理混合物、包合物的结构信息，证明姜酮与β-CD确实形成了包合物。通过同步热分析中的程序升温过程中重量和热流变化，发现姜酮被包合后，其热稳定性得到很大提高。因此，在食品工业中可采用环糊精作为分子胶囊壁材，以姜酮为芯材，通过主客体包埋的方法来稳定姜酮的活性结构，这有助于推广姜酮在食品工业、医药工业中的应用。

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