β-环糊精和α-生育酚包合物的合成表征和评价

曹 川，解 鹏

（1.安徽职业技术学院环境与化工学院，合肥 230011；2.南京财经大学粮食经济研究院，南京 210046）

β-环糊精（β-CD）通过α-1,4糖苷键将7个吡喃葡萄糖单元连接组成的环状寡糖，β-环糊精是安全的风味载体和保护剂[1]。α-生育酚是植物油中极好的抗氧化剂，并保护这些产品免于脂质过氧化，同时，α-生育酚也是维生素E最广泛的使用形式，但是，它们在水中的溶解性差，在氧气、光线和碱性条件下会分解[2-3]。生育酚在环境温度下为液体，极难分散在水中，目前已经报道了改善生育酚不良特性的研究，包括β-环糊精或其衍生物的复合物[4]、淀粉的纳米包封[5]和 脂质体形成[6]。Koontz等[7]已经评估了环糊精和γ-生育酚包合物的形成和固态表征，采用共沉淀技术合成β-CD与γ-生育酚包埋物。优化了包埋物合成最优条件并用13CNMR方法进行表征，但没有对α-生育酚的包合物、物理混合形式和游离形式进行比较研究。由于复合物形成过程中结构的变化导致其理化性质发生变化，本研究采用共沉淀的方法制备了不同比例的β-CD和α-生育酚包合物，通过XRD，FTIR、TGA和1H NMR光谱对其包合物进行表征，表明客体与β-CD宿主在分子水平上的相互作用。β-CD的络合保护了客体物质，天然抗氧化剂的β-CD包合物的热稳定性增强，包埋物具有氧化稳定性和控释特性，增强储存稳定性，β-CD可以用作保护抗氧化剂和其他生物活性化合物的壁材，并改善其在食品工业中的用途。

1 材料与方法

1.1 试验材料

α-生育酚，美国Sigma公司；β-CD、氢氧化钠、乙酸钠，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、乙酸均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

IS50傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），美国尼高力仪器公司；Rigaku TTR-III X射线衍射仪（XRD），日本理学电机公司；S-4800扫描电镜，日本日立仪器公司；AVANCE III 400WB BRUKER NMR光谱仪，瑞士布鲁克光谱仪器公司；SDT Q600 TA差热热重联用仪，美国TA公司；T9紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；JW-1016离心机，佳文设备工业有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 包合物制备 准确称取2 g β-CD至锥形瓶中，加入20 mL蒸馏水，60℃搅拌30 min。将体积比为1：2的α-生育酚与无水乙醇混合物添加到冷却至室温的β-CD溶液中，将α-生育酚与β-CD以不同摩尔比（1:3，1:4，1:5，1:6，1:7，1:8）混合，然后将混合物在30 ℃搅拌4 h。在涡旋振荡器将混合溶液涡旋5 min，4℃冰箱中平衡12 h，达到反应平衡，5 000 r·min-1离心15 min，收集沉淀物干燥备用[8]。

1.2.2 α生育酚和β-CD物理混合物制备 将α-生育酚和β-CD以1:7摩尔比添加至研钵中研磨，用刮铲将成分混合以获得均匀的混合物[1]。

1.2.3 包埋率 包埋率（EE）用紫外分光光度计于292 nm波长处对α-生育酚进行定量分析[9]，将α-生育酚/β-CD复合物在95%乙醇中解离24 h，以4 000 r·min-1的速度离心10 min，保留上清液。根据公式计算复合物中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 项目测定

1.3.1 XRD测定 通过X射线衍射法测定样品的晶体结构，扫描区域为0～50 °，扫描速率2 °·min-1。使用MDIJade6.0软件记录样品的晶体类型和结晶度[12]。

1.3.2 FT-IR光谱测定 样品与无水KBr体积比为1：100，研磨混合后，将所得样品粉末压制成薄圆盘状。通过FT-IR光谱分析，扫描范围为4 000～4 00 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.31H NMR光谱 使用NMR光谱仪进行样品测定，扫描频率为100.4 MHz。测试条件为旋转速率5 k Hz，累积扫描次数1 000次。

1.3.4 扫描电子显微镜（SEM） 将干燥分散后的样品分散在铝棒上，在表面喷涂铂/钯合金。扫描电镜加速电压1.0 kv，放大倍数1 000倍[13]。

1.3.5 热性能分析 称取样品5 mg，在50 mL·min-1氮气流下，温度以10 ℃·min-1从50 ℃升到640 ℃。

1.3.6 抗氧化活性测定 将样品保存在室温下，分别于1、2、3、4、5、6、7 d移出，于517 nm 波长处测定样品吸光度，样品抗氧化活性通过DPPH自由基清除率测定[14]。

1.4 数据分析

试验数据采用Origin 8.0和SPSS21.0软件对数据进行相关性分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 包埋率分析

不同摩尔比的α-生育酚/β-CD的包埋率如图1所示。包合物的包埋率为38%～72%。α-生育酚/β-CD的摩尔比从1:3升至1:7时，更多的生育酚被捕获在β-CD腔中，当摩尔比为1:7时，包埋率达到最大值，为72%。然而，当摩尔比从1:7升至1:8时，包埋率基本不变。物理混合物的包埋率较低，可能是由于样品中α-生育酚的吸附误差产生[15]。因此选择α-生育酚/β-CD的摩尔比为1:7时制备包合物。

图1 不同摩尔比α-生育酚/β-CD络合的包埋率

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图谱如图2所示，当XRD图谱中出现新峰形成漫射衍射图，或者特征峰的消失都可以表征包合物形成[16]。β-CD的XRD图谱显示出它的峰是强烈而尖锐的，表明其晶体性质。Kayaci等[17]研究表明，β-CD的分子结构是笼式结构，有利于包埋小分子物质形成包合物。α-生育酚/β-CD包合物与β-CD的XRD的特征峰相比，衍射角在4.8°和8°处的特征峰消失，但衍射角在17°处显示新高峰出现，这些高峰形成可能与分子的结构变化有关，表明α-生育酚被络合在β-CD空腔中。物理混合物的衍射图与β-CD的特征峰相似但峰强度不同。综上表明，α-生育酚被β-CD成功包埋，形成包合物。

图2 β-CD、物理混合物和α-生育酚/β-CD包合物的XRD图谱

2.3 FT-IR分析

包合物、物理混合物、α-生育酚和β-CD的FTIR谱图如图3所示，α-生育酚的FTIR光谱显示在1 750、2 928 cm-1处的特征谱带分别是由C=O和C-H的拉伸振动引起[18]。与游离α-生育酚相比，包合物在1 158 cm-1（CO），1 750 cm-1（C=O），2 857（CH3）处频带信号强度降低。客体分子特征带的变化，例如峰强度的降低，消失和加宽，归因于CD腔中客体分子拉伸振动限制，客体分子的嵌入减少了被包埋分子的运动并降低了信号强度[19-20]，同时表明这些键可以参与其中形成配合物[21]。包合物与β-CD相比，该络合物在特征带O-H峰位置由3 321 cm-1偏移为3 308 cm-1，在包合物中，OH-弯曲（1 641 cm-1）和糖苷键的C-O-C弯曲（1 008 cm-1）振动没有显著变化。客体的峰信号降低和偏移也表明包合物的形成，说明其发生了相互作用。物理混合物中观察到β-CD和α-生育酚的特征带，表明分子之间几乎没有相互作用。

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

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如图4所示，1HNMR光谱已用于研究和表征嵌入式工具，以验证包合物的真实形成[22]。1H NMR光谱表明，α-生育酚/β-CD包合物的O-H与β-CD分子的骨架质子的存在显示0.3 ppm的化学位移。这些化学位移的变化很小，因为它们之间的相互作用是非共价键。包合物中的信号与物理混合物和游离的α-生育酚的信号相比，均有所改变。物理混合物的谱图中可以发现β-CD和α-生育酚信号，但信号强度降低了。结合分子水平的FT-IR和1H NMR分析结果。综上表明，α-生育酚/β-CD包合物已经被成功制备。

图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 扫描电镜分析

样品的颗粒形态如图5A～C所示，β-CD可能是客体化合物形成包合物的良好宿主分子[23]。β-CD具有不规则的块状形状（图5C），物理混合物显示球形颗粒与碎片混合（图5A）。显然，α-生育酚与β-CD混合或粘附于物理混合物的表面。然而，包合物与物理混合物相比，观察到的结构的粒径和形状发生了变化（图5B），显示了球形颗粒和混合碎片结合，观察到较小的团簇形成，这表明可能形成了络合物[24]。Galvão等[20]研究评估了β-CD和橙或桉树精油包合物的形态，显示与纯β-CD相比粒径和形状的变化。因此，β-CD和包合物的不同形态表明包合物的形成。

图5 样品的颗粒形态

2.6 热重分析（TGA）分析

β-CD、α-生育酚，包合物和物理混合物的TGA谱图如图6所示，β-CD与α-生育酚之间的相互作用极大影响了热稳定性，该分析显示β-CD与包合物的三个区域的质量损失。第一个区域在150 ℃左右，质量损失10%以下，可能是由于与β-CD相关的表层水蒸发所致。第二阶段约为200℃，质量损失为2%，可能是由于内部水分蒸发所致。第三个阶段约为350℃时，质量损失为80%，可能与化合物降解有关[25]。样品之间差别较明显阶段在第一和第三阶段，α-生育酚/β-CD包合物显示出更高的热稳定性[26]。此外，物理混合物也表现三个阶段的质量损失现象。可以观察到，物理混合物第一阶段的质量损失约为50%，高出包合物质量损失4倍以上。此外，α-生育酚的TG曲线可以在280℃观察到独特的过程，该过程由于蒸发而损失95%质量。可以得出结论，包合物比物理混合物和游离α-生育酚更稳定，表明包合物的形成。

图6 α-生育酚、β-CD、α-生育酚/β-CD包合物和物理混合物的热重图

2.7 抗氧化活性分析

DPPH是一种广泛用于测试抗氧化剂分子清除自由基的化合物，适用于亲脂性抗氧化剂的研究，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自由基清除活性测定如图7所示，包合物的抗氧化活性明显高于物理混合物和游离形式的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类似于游离α-生育酚。在室温（25±1）℃放置7 d，三种抗氧化剂的活性均降低，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从80.2%降低至15.3%，原因是分子中以游离形式存在的α-生育酚具有酚羟基。包合物DPPH自由基清除能力从80.6%降低到42.7%，表明包合物可以持续稳定释放α-生育酚的抗氧化活性。究其原因β-CD作为壁材，避免温度和氧气损坏的屏障，从而提高抗氧化剂的稳定性。

图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 结论

本研究表明，通过共沉淀法β-CD成功包埋了α-生育酚。当α-生育酚与β-CD的摩尔比为1:7制成的包合物具有较高的包埋率。通过SEM，XRD，FTIR和1H NMR证实α-生育酚/β-CD包合物的形成。同时，包合物可以提高α-生育酚的热稳定性和抗氧化活性，扩大α-生育酚在食品等行业的应用领域，为β-CD作为壁材包埋活性物质提供参考依据。