6姜酚/麥芽糖基β環(huán)糊精包合物的熱分解機理研究

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(1.湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北襄陽 441053;2.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023)

天然生物活性成分的構(gòu)效、量效關(guān)系和生物利用度是功能食品和傳統(tǒng)醫(yī)藥領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。如何在各類單元操作中有效地保護功能性成分,是功能性食品產(chǎn)業(yè)亟需解決的一大難題。生姜作為我國藥食同源的重要植物資源[1],含有數(shù)十種生物活性成分,主要包括酚類化合物、黃酮化合物以及揮發(fā)性的醛烯類[2]。姜酚(Gingerol)是生姜中具有生物活性的酚類化合物,也是生姜中辣味的主要成分,含量約為生姜干重的2%～3%。姜酚包括6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和12-姜酚等,其中6-姜酚含量最高[3]。姜酚被證實具有防治風(fēng)濕[4]、慢性粒細胞白血病[5]、糖尿病腎病[6]、抗凝血[7]及抗氧化[8]等功能,還能有效改善鱸魚產(chǎn)品的色澤和質(zhì)構(gòu)[9-10]、延長魚糜的保質(zhì)期[11]及牛肉的貨架期[12]。雖然姜酚具有良好的生物活性,但由于分子中存在愈創(chuàng)木酚結(jié)構(gòu)和β-羥基酮結(jié)構(gòu)使得其非常不穩(wěn)定,易發(fā)生降解、脫水等反應(yīng)[13],導(dǎo)致6-姜酚生產(chǎn)分離困難且加工應(yīng)用受限。

微膠囊化技術(shù)能夠?qū)⒖腕w分子全部或部分包埋到主體分子內(nèi)部,有效地隔絕環(huán)境因素對客體分子活性結(jié)構(gòu)的影響。環(huán)糊精作為分子微膠囊的壁材在穩(wěn)定生物活性成分上應(yīng)用日趨廣泛[14],其在食品、藥品和化妝品領(lǐng)域發(fā)揮緩釋、增溶、遮味、去腥、抗氧化以及增加客體分子熱穩(wěn)定性的作用[15]。姜酚類物質(zhì)具有較大的疏水性,能夠進入到環(huán)糊精的空腔內(nèi)部,避免自身結(jié)構(gòu)遭到破壞[16]。利用該特性可以提高姜酚的穩(wěn)定性和活性效率,擴大姜酚的使用范圍,制備各類相關(guān)的姜酚功能性食品。目前,關(guān)于環(huán)糊精與姜酚的研究,更多地集中于包埋工藝層面,重點是考察包埋效率、包合方法、輔助壁材[17-18],對包合物的熱穩(wěn)定性及其分解機理涉獵較少。

熱分析技術(shù)按升溫方式的不同,可分為等溫法和非等溫法;按照數(shù)據(jù)處理方式的不同,又可分為積分法和微分法。非等溫法和積分法在測試和計算中,能夠有效減小誤差,從而獲得更加精確合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在科學(xué)研究中應(yīng)用更多。本文通過TG-DSC同步熱分析技術(shù)和動力學(xué)方法研究了6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的熱穩(wěn)定性、熱分解動力學(xué)和熱分解機理,旨在為6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物在功能性食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

6-姜酚 純度(98%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;6-O-α-D-麥芽糖基-β-環(huán)糊精 純度98%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

AL204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;FD-1A-50型真空冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;SDTQ600型同步TGA/DSC分析儀 美國TA公司;QYC-200型全溫培養(yǎng)搖床 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;DW-86L626型超低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司;PGJ-10-AS型純水機 武漢品冠儀器設(shè)備有限公司;SIGMA1-14型離心機 德國西格瑪有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的制備 稱取1.459 g 6-O-α-D-麥芽糖基-β-環(huán)糊精,用30 mL超純水溶解,置于棕色瓶中,加入0.294 g 6-姜酚。在25 ℃恒溫振蕩器中,振蕩反應(yīng)72 h。在室溫下,3000 r/min離心10 min后取上清液過0.45 μm微孔濾膜,冷凍干燥制得6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物。

1.2.2 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱穩(wěn)定性的測定 采用純金屬銦對同步TGA/DSC分析儀進行校正。準(zhǔn)確稱取適量(≤5 mg)上述制備的包合物樣品放入三氧化二鋁坩堝中,用相同的空白坩堝作為參比。在流量為100 mL/min的高純氮氣保護下,分別以5、10、15、20 ℃/min的速率從40 ℃升溫至600 ℃進行測試,同時記錄熱重和熱流變化。數(shù)據(jù)采集使用的TA Instrument Explorer軟件,數(shù)據(jù)處理使用TA Universal Analysis軟件。

1.2.3 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱分解過程表觀活化能的計算 分別用Kissinger法和Ozawa-Flynn-Wall法求解包合物熱分解的表觀活化能。利用Kissinger法計算活化能,在處理數(shù)據(jù)時,TP數(shù)值利用與儀器配套的數(shù)據(jù)軟件進行標(biāo)值獲得。采用線性擬合的方法對活化能E進行求解。利用Ozawa-Flynn-Wall法計算活化能,在處理數(shù)據(jù)時,取αi與相鄰的αi-1及αi+1的平均值作為αi的值,取Ti與相鄰的Ti-1及Ti+1的平均值作為Ti的值進行取點計算,采用線性擬合的方法對活化能E進行求解。

Kissinger法公式為:

式(1)

Ozawa-Flynn-Wall法公式為:

式(2)

式中:β-升溫速率, ℃/min;lnA-指前因子,min-1;E-表觀活化能,kJ/mol;α為轉(zhuǎn)化率;R-氣體常數(shù),8.314 J/(K·mol);T-溫度, ℃;TP-DSC曲線上峰溫度, ℃。

1.2.4 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱分解機理的判定由公式(2)可得:

式(3)

以lnG(α)對lnβ作圖,用最小二乘法進行線性擬合,線性關(guān)系較好且斜率最接近-1者所對應(yīng)的機理函數(shù),即為該反應(yīng)的最概然機理函數(shù),其對應(yīng)的機理即為該反應(yīng)的機理。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用Origin 9.1軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的熱分解過程

測試了不同升溫速率對6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的TG曲線的影響。結(jié)果表明,隨著升溫速率的增大,包合物熱分解階段的溫度范圍發(fā)生微小變化,熱重曲線向高溫方向移動,但失重率變化不顯著。圖1為升溫速率為5 ℃/min時包合物的TG-DSC曲線。由圖1可知,TG曲線只有一個明顯的熱分解臺階,在40.00～89.86 ℃之間,有微小的失重,失重率為0.69%,對應(yīng)著未完全烘干而吸附水的揮發(fā);在89.96～160.00 ℃之間曲線平穩(wěn),說明包合物在這一溫度區(qū)間較穩(wěn)定;在160.00～300.00 ℃之間,失重率為9.66%,對應(yīng)著少量未包合客體分子的分解;在300.00～400.00 ℃之間,失重率為64.94%,對應(yīng)著包合物分子骨架大規(guī)模解體;在400.00～500.00 ℃之間,失重率約9%,對應(yīng)著分解后的包合物繼續(xù)燃燒碳化。DSC曲線表明該熱分解過程為吸熱過程,在301.60、322.37 ℃處出現(xiàn)2次峰值。

圖1 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的TG-DSC曲線Fig.1 TG-DSC curve of 6-gingerol/ maltosyl-β-cyclodextrin inclusion complex

2.2 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱分解過程的表觀活化能

多元非線性擬合法可以對不同升溫速率下的多條TG曲線進行分析,能夠較好地描述固相反應(yīng)體系。儀器及熱反應(yīng)過程可能會導(dǎo)致起始和結(jié)束階段的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,因此在研究熱力學(xué)時,轉(zhuǎn)化率α的研究范圍通常選擇在0.2～0.8內(nèi)[19]。對Kissinger法,取不同升溫速率下的6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物DSC曲線上峰值TP,以ln(β/TP2)對1/TP作圖,如圖2所示,經(jīng)最小二乘法擬合所得的直線斜率和截距可分別求出E和lnA。對Ozawa-Flynn-Wall法,由于G(α)為α的函數(shù),則當(dāng)α一定時,G(α)即為常數(shù),在不同升溫速率β下選擇幾個相同的α,以各個α對應(yīng)的lnβ對1/T作圖,由經(jīng)最小二乘法擬合所得的所得直線斜率可求出E[20]。圖3給出了采用Kissinger法時ln(β/TP2)對1/TP在轉(zhuǎn)化率α為0.2～0.6時的線性擬合圖,擬合所得的直線方程為:y=-4830.3x+5.6427(R2=0.9982),由此可得表觀活化能E為40.16 kJ/mol。采用Ozawa-Flynn-Wall法時lnβ對1/T在轉(zhuǎn)化率α為0.2～0.6時進行線性擬合,線性關(guān)系都在0.9600以上,擬合效果良好,表觀活化能取5個轉(zhuǎn)化率下的平均值,可得到E為58.91 kJ/mol。為減小計算過程中的誤差,通常取上述兩種方法平均值作為包合物熱分解反應(yīng)的表觀活化能,因此,6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精最終的反應(yīng)表觀活化能E確定為49.54 kJ/mol。

圖2 ln(β/TP2)對1/TP關(guān)系曲線Fig.2 Curve of ln(β/TP2)to 1/TP

圖3 lnβ對1/T關(guān)系曲線Fig.3 Curve of lnβ to 1/T

2.3 6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的熱分解機理

雙等雙推法是在等轉(zhuǎn)化率和變異的等轉(zhuǎn)化率法基礎(chǔ)上,利用不同升溫速率的TG曲線,對定溫度和定轉(zhuǎn)化率處的數(shù)據(jù)進行分析,進而計算出活化能、指前因子以及機理函數(shù),具有活化能與機理函數(shù)的計算互不影響的優(yōu)點[21]。表1給出了常用的21種常用動力學(xué)機理函數(shù)。表2則是利用21種常用動力學(xué)機理函數(shù)結(jié)合基本數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合的結(jié)果,由表2可知,方程y=-1.4020x+4.0690(R2=0.9935)的擬合效果最好且斜率接近-1,因此6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱分解機理函數(shù)為G(α)=[-ln(1-α)]3/2,熱分解機理屬于隨機成核和隨后生長反應(yīng)。表3給出了6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物根據(jù)公式(3)以lnG(α)對lnβ作圖,經(jīng)最小二乘法擬合而求得的E與lnA的值,由表3可知,表觀活化能E為53.27 kJ/mol,與根據(jù)公式(2)以lnβ對1/T作圖所得活化能58.91 kJ/mol比較接近,說明該方法擬合所得的動力學(xué)參數(shù)具有較高可信度。因此,6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物熱分解過程的指前因子lnA可確定為27.54 min-1。

表1 常用動力學(xué)機理函數(shù)Table 1 Kinetic mechanism functions

表2 包合物熱分解反應(yīng)機理擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of thermal decomposition reaction mechanism of inclusion complex

表3 包合物熱分解動力學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果Talbe 3 Fitting results of thermal decomposition kinetic parameters of inclusion complex

3 結(jié)論

6-姜酚作為生姜中主要的活性成分,其熱穩(wěn)定性與應(yīng)用范圍密切相關(guān)。本研究基于同步熱分析技術(shù)和動力學(xué)方法,發(fā)現(xiàn)6-姜酚被麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合后熱穩(wěn)定性增加,在160～300 ℃范圍內(nèi),包合物重量沒有明顯降低;6-姜酚/麥芽糖基-β-環(huán)糊精包合物的熱分解過程表觀活化能為49.54 kJ/mol,指前因子為27.54 min-1,分解機理函數(shù)為G(α)=[-ln(1-α)]3/2,分解機理符合隨機成核和隨后生長機理。采用環(huán)糊精分子微膠囊技術(shù)包合6-姜酚,有助于提高其熱穩(wěn)定性,拓展其在功能性食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。