一種簡便的環糊精超分子包結比測算新方法

張偉鋒 - 羅 新 王建輝 - 王 敏 劉 龍 王成峰 - 寧靜恒 -

(長沙理工大學化學與生物工程學院，湖南 長沙 410114) (School of Chemical and Biological Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan 410114, China)

一種簡便的環糊精超分子包結比測算新方法

張偉鋒ZHANGWei-feng羅 新LUOXin王建輝WANGJian-hui王 敏WANGMin劉 龍LIULong王成峰WANGCheng-feng寧靜恒NINGJing-heng

(長沙理工大學化學與生物工程學院，湖南 長沙 410114) (SchoolofChemicalandBiologicalEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha,Hunan410114,China)

利用紫外可見分光光度計，通過測定β-環糊精-山梨酸超分子包合物的紫外吸光度，提出一種新的差量法用以測算該超分子的包結比，其值與經典的摩爾比法及相溶解度法相同，均為1∶1，表明該類超分子是由1分子主體分子(β-環糊精)包結1分子客體分子(山梨酸)而成。差量法為多次測量吸光度再取平均值進行測算，其結果較摩爾比法更為準確；其測算過程，不受外界因素干擾，無需繪制相圖，較相溶解度法更為簡便。

包結比；差量法；環糊精；山梨酸

超分子又稱主-客體化合物，是基于主客體分子間疏水、氫鍵等弱相互作用力所形成的分子聚集體[1]。環糊精作為一類典型的主體分子，在超分子化學領域應用極為廣泛[2-4]。其中，β-環糊精(β-Cyclodextrins，β-CD)，由7個葡萄糖單元環合而成，具有內腔疏水外壁親水的特殊結構，其空腔可包合疏水性有機物形成超分子從而改變后者的理化性質[5-6]。環糊精包合物在食品工業的應用很多，如Shao等[7]利用β-環糊精包結綠原酸形成籠狀超分子，可在保留原有綠原酸抗氧化性能的同時有效提高其穩定性；G. Astray等[8]發現β-環糊精可包合肉桂醛、薄荷醇和檸檬醛等，對這些常見的食品香料起到保護和緩釋的作用。環糊精在食品工業中的這些應用，都基于其對客體分子的包合作用有助于對客體分子理化性能的改善。因此，探討環糊精與客體分子之間的包合作用、包合方式、包合能力等系列機理問題，既是環糊精超分子化學研究的核心內容，也是拓寬環糊精應用必須解決的關鍵問題。

在超分子的包結機理研究中，包結比決定主、客體分子以何種比例進行包合，是探討主客體分子包合方式的首要參數。常見包結比的測算方法有紫外分光光度法[9]、熒光光譜法[10]、核磁共振譜法[11]、差示掃描量熱法[12]及單晶X射線衍射法等[13-14]。其中，熒光光譜法易受其他離子干擾，核磁共振法樣品純度要求極高，差示掃描量熱法檢測時間長，單晶X射線衍射法不易制樣且譜圖解析難度大，此外，上述包結比的測算方法所需儀器都較昂貴，不便廣泛開展。

基于此，利用常見的紫外可見分光光度計，以實驗室自制的β-環糊精-山梨酸包合物為例，提出一種新的測算包結比的方法——差量法。該法首先確定β-環糊精-山梨酸包合物的總質量，利用紫外可見光光度計，測定此質量下β-環糊精-山梨酸包合物的吸光度值，依據紫外工作曲線計算包合物中山梨酸的質量，則主體分子β-環糊精的質量可由差量法計算確定(包合物總質量減去山梨酸質量)，由此可得主客體分子的摩爾比亦即包合物的包結比。這一新的包結比測算方法，因其關鍵的吸光度數據是在多次測定后再取平均值，所以其計算結果將較經典的摩爾比法準確；同時其測算過程無需繪制復雜相圖，因此較經典的相溶解度法將要簡便得多。應用新的差量法對β-環糊精與山梨酸的包結比進行研究，有利于為深入研究此類超分子的包結機理提供新的簡便方法或途徑。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

紫外可見分光光度計：TU-1901型，北京普析通用公司；

β-環糊精：分析純，上海強順化學試劑有限公司；

山梨酸和無水乙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

去離子水：實驗室自制；

其他試劑：均為分析純。

1.2 試驗過程

1.2.1 包合物的制備 參照文獻[15]方法進行改進。準確稱取精制的β-環糊精1.135 0 g(0.001 0 mol)和山梨酸0.246 7 g(0.002 2 mol)，分別溶于40 mL去離子水和2.5 mL 無水乙醇中，將溶液混合，一定溫度下超聲一定時長使之反應完全，保溫5 min后趁熱過濾，濾液自然冷卻至室溫再靜置，3 d后即可獲得較好晶體。

1.2.2 確認紫外測量波長 參照文獻[16]的方法進行改進。準確稱取山梨酸0.010 0 g(0.089 2 mmol)，用少量無水乙醇溶解，轉移至100 mL容量瓶中定容，無水乙醇定容并搖勻，作為標準液備用。移取適量的標準液，置于25 mL容量瓶中，無水乙醇定容，以無水乙醇為參比，采用紫外可見分光光度計進行測試，在200～400 nm內掃描，確認其最大吸收波長λmax。

1.2.3 繪制工作曲線 參照文獻[17]的方法進行改進。準確移取適量標準液，置于25 mL容量瓶中，加無水乙醇定容，以無水乙醇為參比，在最大吸收波長處測量吸光度，以吸光度值(A)為橫坐標、濃度(C)為縱坐標作圖，繪制山梨酸的工作曲線。

1.2.4 待測樣品的測定 準確移取適量待測液，置于25 mL容量瓶中，加無水乙醇定容，以無水乙醇為參比，在最大吸收波長處測量吸光度，用標準工作曲線計算待測樣濃度。

2 結果與討論

2.1 最大吸收波長λmax

圖1為山梨酸在波長200～400 nm處的紫外吸收曲線。由圖1可知，在255 nm處吸收最強，因此最大吸收波長λmax=255 nm，即為后續試驗中采用的紫外測量波長。

圖1 山梨酸紫外光譜Figure 1 UV-vis spectraof sorbic acid

2.2 工作曲線的繪制

圖2為山梨酸在最大吸收波長λmax=255 nm處的工作曲線。由圖2可得，吸光度值與山梨酸濃度呈良好的線性關系。其線性回歸方程式為：A=1.083×105C+0.174 6，R2=0.998 5。

圖2 山梨酸的紫外工作曲線Figure 2 UV-viscalibration curve of sorbic acid

2.3 包結比的測算方法比較

2.3.1 差量法 利用紫外可見分光光度計，通過測定β-環糊精-山梨酸超分子包合物的紫外吸光度值，提出一種新的測算包結比方法——差量法。首先準確稱量β-環糊精-山梨酸超分子包合物的總質量，利用紫外可見分光光度計，測定此質量下包合物中山梨酸的質量。根據差量法，得β-環糊精的質量(包合物總質量減去山梨酸質量)，進而計算出主客體分子的摩爾數之比，即為包合物的包結比。

以實驗室自制的β-環糊精-山梨酸包合物為例，差量法測算包合物包結比過程：

若β-環糊精-山梨酸包合物的總質量為m包(g)，定容后溶液體積為V定(mL)，在λmax=255 nm處的吸光度值為A包，由于包合物中的主體分子環糊精無紫外吸收，可得A包=A山梨酸(山梨酸紫外吸光度值)，代入上述線性回歸方程式中，得：

A包=1.083×105C山梨酸+0.174 6，R2=0.998 5。

(1)

由式(1)求得包合物中山梨酸摩爾濃度C山梨酸(mol/mL)為：

(2)

由式(2)可得包合物中山梨酸質量為：

m山梨酸=C山梨酸V定M山梨酸。

(3)

則包合物中β-環糊精質量為：

mβ-環糊精=m包-m山梨酸。

(4)

已知β-環糊精分子量為Mβ-環糊精，可得包合物中β-環糊精的摩爾數為：

(5)

同樣地，由山梨酸分子量M山梨酸可得包合物中山梨酸的摩爾數為：

(6)

由式(5)、(6)可知包結比R為：

(7)

將式(4)代入式(7)，可得：

(8)

將式(2)、(3)代入式(8)可得：

(9)

將M山梨酸=112.13，Mβ-環糊精=1 135代入式(9)，可得包結比的計算公式為：

(10)

式中：

R——包結比；

m包——包合物的質量，g；

V定——包合物溶液定容體積，mL；

A包——包合物吸光度。

由于m包和V定均為定值，所以由方程(10)可知，只要采用紫外分光光度計測定包合物的A包，即可算出其包結比。例如，分別準確稱量(m包)0.002 0，0.006 0，0.010 0 gβ-環糊精-山梨酸超分子包合物，置于50 mL容量瓶中，用去離子水定容，即V定=50 mL，在λmax=255 nm處測得吸光度A包，測量3次取平均值，按上述方法根據式(10)計算包結比，結果見表1。

由表1可知：多次測算包結比的結果均為1∶1，表明1分子β-環糊精與1分子山梨酸包結形成了超分子包合物。顯然，當采用差量法確定其包結比時，可準確稱取一定質量的包合物(m包)配置一定體積的溶液(V定)，然后只需采用紫外分光光度計測定溶液的吸光度值(A包)，并經多次測量取其平均值，即可由式(10)方便且準確地計算出包結比。

2.3.2 經典方法測算包合物包結比

(1) 摩爾比法：摩爾比法[18]也是采用紫外分光光度法測算包合物包結比的一種方法。其原理是固定一個組分的濃度和體積不變，改變另一組分的體積即改變其測試濃度，在最大吸收波長處測定吸光度值，以摩爾比(即環糊精溶液與山梨酸溶液的體積比)為橫坐標、吸光度值為縱坐標作圖，圖中曲線轉折點對應的摩爾比(體積比)，即為該包合物的包結比。

表1差量法測算β-環糊精-山梨酸的包結比?

Table 1 Determination of the inclusion ratio ofβ-cyclodextrin-sorbic acid by subtraction method

測量組數包合物總質量m包/g吸光度A包A包平均值包結比10.00200.17820.00200.1760.1781︰130.00200.17940.00600.18350.00600.1860.1851︰160.00600.18570.01000.19080.01000.1890.1901︰190.01000.191

?V定均為50 mL。

圖3為β-環糊精與山梨酸溶液吸光度值隨摩爾比(體積比)變化曲線。β-環糊精水溶液的濃度為1×10-9mol/mL，山梨酸乙醇溶液的濃度為1×10-9mol/mL，山梨酸溶液體積為10 mL，β-環糊精體積分別為2，5，10，12，15，20 mL，在λmax=255 nm處分別測定，吸光度值，即可作圖3。由圖3可知，當β-環糊精與山梨酸摩爾比(體積比)為1∶1時，吸光度值發生明顯的變化，由此可以判定β-環糊精與山梨酸的包結比為1∶1，雖然摩爾比法比差量法簡便，但溶液長時間暴露在空氣中，易氧化變質，其計算結果的準確性低于多次取平均值的差量法。

圖3 吸光度與摩爾比的關系變化圖Figure 3 The relationship between the absorbance and the molar ratio

(2) 相溶解度法：相溶解度法[19]是用于包合物包結機理研究的經典方法，在測定包合常數的同時能獲得客體分子包合后溶解度行為的改變，繼而推斷出主客體分子的包結比。

圖4為包合物的相溶解度圖。如圖 4所示，根據Higuchi等[19]研究表明，超分子包合物相溶解等、溫線有5種類型，AP、AL、AN、BS和BL。其中，AL類型隨主體分子濃度增加，客體分子溶解度呈線性增加，表明形成包結比為1∶1的包合物；AP類型包合物的溶解度較大；AN類型包結行較為復雜；BS類型為客體分子溶解度先隨主體分子濃度的增大而增大，而后逐漸析出包合物結晶；BL類型表明形成包合物后，溶解度開始下降。采用相溶解度法繪制β-環糊精-山梨酸包合物的相溶解度圖，隨著β-環糊精濃度的增加，山梨酸溶解度增加，二者呈線性關系，其相溶解度圖屬AL型，表明β-環糊精與山梨酸形成包結比為1∶1的包合物。相溶解度法雖然在測算包結比的同時可計算包合常數，但易受外界因素(如溫度)干擾，作圖方法復雜，計算過程較差量法繁瑣。

SO為無主體分子時客體的溶解度；ST為溶解客體分子的濃度；SC為溶解性差包合物的極限溶解度

圖4 相溶解度圖

Figure 4 Phase solubility isotherm types

3 結論

(1) 采用差量法成功測算了β-環糊精-山梨酸超分子包合物的包結比。此方法同經典的摩爾法及相溶解度法相比，所得包結比均為1∶1，說明1分子β-環糊精包結1分子山梨酸形成了超分子包合物。

(2) 差量法為本研究提出的一種新的、簡便的包結比測算方法。只需利用紫外可見分光光度計，測定一定質量下包合物的吸光度值，根據客體分子工作曲線計算出該質量下包合物中客體分子的質量，根據差量法，得主體分子的質量(包合物質量減去客體分子質量)，進而計算出主客體分子的摩爾數之比，即為包合物的包結比。此方法同經典的摩爾法及相溶解度法相比，較前者準確，較后者簡單，為超分子包結比的確定提供一種新的簡便且準確的計算方法。

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Anewandsimplemethodforcalculatingtheinclusionratioofcyclodextrinsupramolecules

Based on UV absorbance, a new and simple subtraction method was proposed for the calculation of the inclusion ratio, and it was proved to be equal in number to the classical molar ratio or phase solubility method. Using any kind of these three methods, the results always showed that the inclusion ratio of this complex was 1∶1, which indicated that this kind of supramolecular complex was formed through an inclusion interaction between 1 host molecule (β-cyclodextrin) and 1 guest molecule (sorbic acid). Sincethe subtraction methodadopted a repetitive measurement and took the averaged, its result was more accurate than the molar ratio method; meanwhile, due to the advantage of less interference factors and especiallyno need of drawing a complicated phase diagram, its calculation process was much simpler than the phase solubility method.

inclusion ratio; subtraction method; cyclodextrins; sorbicacid

國家自然科學基金(編號：21505005)；湖南省自然科學基金項目(編號：2015JJ2011)；湖南省教育廳項目(編號：15C0023)；湖南省電力與交通材料保護省重點實驗室開放基金(編號：2017CL07)；湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃(編號：湘教通〔2016〕202號)

張偉鋒，男，長沙理工大學在讀碩士研究生。

寧靜恒(1975—)，女，長沙理工大學副教授，博士。

E-mail: ningjingheng@126.com

2017—05—07

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.002