環糊精包合物的制備方法及其在食品工業中的應用

李光輝

摘 要：環糊精分子具有獨特的結構，可以與各種客體物質形成包合物，在食品工業中具有廣泛的應用，如提高食品成分的穩定性、延長食品的貯存期、增加食品成分的溶解度及維持食品本身的風味不受影響等。本文綜述了環糊精包合物的分類及性質、制備方法及其在食品工業中的應用。

關鍵詞：環糊精；包合物；增溶；食品工業

Preparation of Cyclodextrin Inclusion Compounds and Their Application in the Food Industry

LI Guanghui

（College of Life Science， Yangtze University， Jingzhou 434025， China）

Abstract： Cyclodextrin molecule has a unique structure and can form inclusion compounds with various guest substances. It has a wide range of applications in the food industry， such as improving the stability of food ingredients， extending the storage period of food， increasing the solubility of food ingredients， and maintaining the flavor of the food itself unaffected. This paper reviews the classification and properties of cyclodextrin inclusion compounds， their preparation methods， and their applications in the food industry.

Keywords： cyclodextrin; inclusion compound; solubilization; food industry

環糊精（Cyclodextrins，CD）是直鏈淀粉在糖基轉移酶作用下產生的環狀低聚糖的總稱，通常是指由6～12個D-吡喃葡萄糖基團通過α-1，4糖苷鍵連接而形成的大環分子，其呈現截頂圓錐狀三維結構，具有疏水空腔和親水外壁，可以通過分子間相互作用與各種小分子或聚合物形成主-客體包合物，從而對客體具有增溶、控制釋放和活性保護等功能。環糊精的空腔尺寸在一定程度上決定了它的應用范圍，最常見的3種天然環糊精是α-環糊精、β-環糊精和γ-環糊精，分別由6、7和8個葡萄糖單元構成。如表1所示，α-環糊精分子腔小，通常只能包裹較小的分子，因此應用范圍較小；γ-環糊精分子腔大，但生產成本較高，無法大量生產；β-環糊精的腔體大小適中，易于制備，價格相對較低，在食品工業中的研究和應用更為廣泛。

除了上述天然存在的環糊精外，研究人員已經合成了許多環糊精的衍生物。這些衍生物通常是由環糊精的伯羥基和仲羥基的氨基化、酯化或醚化反應而產生的。幾乎所有環糊精衍生物的疏水腔體積都有所改變，而且這些修飾有助于提高環糊精的溶解度和穩定性，能夠更好地包埋客體分子。因此，環糊精及其衍生物在制藥、食品工業、分析化學、農業等相關領域具有廣泛的應用價值。

1 環糊精包合物的制備方法

盡管在客體與環糊精的包合反應中涉及許多影響因素，但包合物的產生是一個相當簡單的過程。根據環糊精主體與客體的物理化學性質不同，環糊精主-客體配合物的制備方法多種多樣，但目前還沒有一種可以普遍適用的方法來制備包合物，制備方法的選擇還是需要考慮主客體分子的自身性質。本文重點介紹常見的5種制備方法：共沉淀法、研磨法、超聲法、冷凍干燥法和噴霧干燥法。

1.1 共沉淀法

共沉淀法又稱為飽和水溶液法，適用于難溶于水的客體物質。將客體物質溶于適量的有機溶劑（如氯仿、苯、乙醚等）中，加入環糊精的飽和水溶液。在一定的溫度下通過充分攪拌包合形成沉淀，經靜置、過濾、干燥得到包合物。郭艷云等[1]采用響應面法對梅片樹葉揮發油-β-環糊精包合物進行優化，確定了梅片樹葉揮發油共沉淀法包合的最佳工藝參數為β-環糊精與梅片樹葉揮發油配比8∶1、包合溫度30 ℃、包合時間50 min，在該制備工藝條件下包合物的得率高于75.64%，包合率高于88.42%，表明該工藝穩定可行。

1.2 研磨法

研磨法是在環糊精中加入適量的水研勻后，再加入客體分子充分研磨形成糊狀物，所得的復合物低溫干燥后用溶劑洗滌，再干燥即得包合物。此方法又可分為手工研磨法和膠體磨法。為了工業化大生產，目前多采用膠體磨法制備包合物。研磨法對包合物進行機械活化被認為是一種快速、高效、方便、通用、可持續和環保的方法。李翠紅等[2]采用正交試驗法優選研磨法制備犍為筠姜揮發油-β-環糊精的最佳包合工藝條件為犍為筠姜揮發油與β-環糊精的投料比1∶10、加水量4倍、研磨時間1 h，包合物的得率為94.15%，包合率為81.00%。

1.3 超聲法

超聲法是將環糊精水溶液和客體物質混合后進行超聲振蕩處理，然后降溫，將析出的結晶過濾、洗滌、干燥，該方法簡便快捷。CUI等[3]在超聲波輔助下制備了枯茗醛和羥丙基-β-環糊精的包合物，并采用傅里葉變換紅外光譜、X-射線衍射、熱重分析和差示掃描量熱法對枯茗醛-羥丙基-β-環糊精包合物進行了表征；研究結果表明枯茗醛的苯環與醛基成功進入羥丙基-β-環糊精疏水性空腔，主客體之間的化學計量比為1∶1，表觀穩定常數為168 M-1，絡合效率為0.201。并且進一步采用平板菌落計數法發現了枯茗醛-羥丙基-β-環糊精包合物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的滅活率均為100%±0.06%。結果表明，在超聲輔助下將枯茗醛包封到羥丙基-β-環糊精的空腔中，有助于提高其水溶性、熱穩定性和抗菌活性。在張軒等[4]的研究中，飽和水溶液法制備的大蒜油-β-環糊精包合物包埋率為69.78%，而超聲法包埋率高達81.37%，超聲法明顯優于飽和水溶液法。

1.4 冷凍干燥法

冷凍干燥法適用于水溶性或者熱溶性客體物質。將所需比例的環糊精和客體分子攪拌溶解在水中后冷凍干燥，即可得到外形疏松、溶解性能好的包合物。該方法可獲得較好的包合物收率，并有擴大生產規模的可能。RAKMAI等[5]通過冷凍干燥法制備的黑胡椒精油-羥丙基-β-環糊精包合物，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性和穩定性都有所提高，但是其抗氧化活性有所降低，這可能是由于羥丙基-β-環糊精阻斷了活性化合物的官能團與DPPH自由基的反應。香料可以改善食品質量和食品的可接受性，但大量的香料化合物存在低沸點和高揮發性。XIAO等[6]采用冷凍干燥法制備的西瓜香精-γ-環糊精包合物提高了西瓜香精的穩定性，但封裝后的西瓜香精顯示出與游離香精不同的香氣組成。

1.5 噴霧干燥法

將環糊精和客體分子溶解在去離子水中，然后采用噴霧干燥機在合適的進樣溫度和進樣速度下干燥，即可得到相應的環糊精包合物。噴霧干燥的溫度相對較高，因此該技術僅用于易溶于水和耐熱的客體分子。逄金鑫等[7]采用噴霧干燥法和冷凍干燥法制備了番茄紅素-β-環糊精，并從抗氧化能力、穩定性、微觀結構和包埋率等方面對兩種方法制備的包合物進行了對比；結果表明，噴霧干燥法和冷凍干燥法制備的包合物的包埋率分別為66.88%和41.70%，并且噴霧干燥制備的包合物在抗氧化活性和穩定性等方面較強，因此噴霧干燥技術更適用于制備番茄紅素-β-環糊精。

2 環糊精在食品工業中的應用

許多生物活性物質在食品和醫藥等產業中具有很大的發展潛力，但由于其自身具有強烈的氣味、水溶性較差、穩定性較低、容易被環境因素影響等缺點，在食品中作為添加劑使用依然存在很大的挑戰。因此，掩蓋生物活性物質的自身缺陷已成為一個關鍵的研究課題。環糊精是各種生物活性物質的優良包封載體，因為其特殊的兩親性，主-客體分子間可以通過相互作用形成包合物，從而對客體具有增溶、屏蔽、活性保護和控制釋放等功能，因此被廣泛應用到食品藥品等領域。

2.1 增加客體物質的溶解度

許多生物活性物質，如茴香、姜黃素、肉桂醛等水溶性較差，環糊精可以提高其溶解度，促進生物效應。P?PAY等[8]研究使用α-、β-和γ-環糊精及其衍生物（甲基-β-環糊精、羥丙基-β-環糊精和磺丁醚基-β-環糊精）來包封芹菜素，結果表明，最有效的環糊精是甲基-β-環糊精，可使芹菜素的溶解度提高100倍以上。趙芳等[9]采用飽和溶液方法制備了蟲草素與羥丙基-β-環糊精形成的包合物，提高了蟲草素的熱穩定性及生物環境穩定性，并且溶解度從4.3 mg·mL-1增加到170.5 mg·mL-1，提高了40倍左右。

2.2 提高客體物質的穩定性

許多食品中的活性成分容易被環境因素如溫度、pH、光照、氧氣，甚至食物系統的成分所影響，從而使食品的色、香、味發生變化。環糊精可以將其與外部環境隔離，從而起到保護作用。番茄紅素中存在幾種不飽和鍵，因此番茄紅素不穩定，容易受到光照或溫度等不同條件的影響。番茄紅素-β-環糊精包合物的形成顯著提高了番茄紅素的熱穩定性和光照穩定性。β-酸是從啤酒花中提取的具有抗菌和抗氧化活性的一組不同的化合物，但其溶解度較低，穩定性較差，在加工貯藏過程中容易發生氧化或降解，β-酸-羥丙基-β-環糊精包合物的形成使其具有了更高的光穩定性、熱穩定性和pH穩定性。

2.3 減少客體物質的不良氣味

美味是消費者選擇食品的標準之一，因此去除食品中的苦味、腥味或澀味等不愉快的味道是食品工業中需要解決的問題。研究表明，環糊精的封裝可以減少這些缺點而不影響食品的質量。因此，環糊精在維持食品本身的風味方面顯示出巨大的潛力。兒茶素味道苦澀，難溶于水，穩定性較低，這些性質限制了其在食品中的應用，兒茶素-β-環糊精包合物的合成掩蓋了兒茶素的苦味，添加兒茶素-β-環糊精包合物后酸奶的顏色和整體感官評價相對不受影響。

3 結語

環糊精的低成本及安全性使其能夠廣泛應用于食品工業。可以預見，隨著環糊精包合技術的成熟，以及對環糊精衍生物的進一步精細化設計和安全性驗證，與環糊精相關的功能性食品或包裝材料將成為一個新興的研究領域。

參考文獻

[1]郭艷云，蔡瑩，曹國軒，等.梅片樹葉揮發油/β-環糊精包合物的制備研究[J].現代食品科技，2013，29（1）：138-140.

[2]李翠紅，裴妙榮，王兵.犍為筠姜揮發油提取及其β-環糊精包合物制備工藝研究[J].山西中醫藥大學學報，2021，22（4）：264-266.

[3]CUI H Y，SIVA S，LIN L.Ultrasound processed cuminaldehyde/2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex： preparation， characterization and antibacterial activity[J].Ultrasonics Sonochemistry，2019，56：84-93.

[4]張軒.大蒜油的β-環糊精包埋工藝條件及其穩定性研究[J].安徽農業科學，2020，48（12）：173-176.

[5]RAKMAI J，CHEIRSILP B，MEJUTO J C，et al.Physico-chemical characterization and evaluation of bio-efficacies of black pepper essential oil encapsulated in hydroxypropyl-beta-cyclodextrin[J].Food hydrocolloids，2017，65：157-164.

[6]XIAO Z B，HOU W J，KANG Y X，et al.Encapsulation and sustained release properties of watermelon flavor and its characteristic aroma compounds from γ-cyclodextrin inclusion complexes[J].Food Hydrocolloids，2019，97：105202.

[7]逄金鑫，張怡，鄔松恒，等.加工工藝對番茄紅素微膠囊理化特性以及抗氧化活性的影響[J/OL].食品與發酵工業：1-11[2023-01-25].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20230113.1535.010.html.

[8]P?PAY Z E，SEBESTY?N Z，LUD?NYI K，et al.Comparative evaluation of the effect of cyclodextrins and pH on aqueous solubility of apigenin[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2016，117：210-216.

[9]趙芳，趙雪秋，常清，等.蟲草素與羥丙基-β-環糊精的包合行為及性能研究[J].分析化學，2017，45（10）：

1547-1555.