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

（長江大學 生命科學學院，湖北荊州 434025）

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?。沪?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。

表1 3種環糊精的物理化學性質

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。PáPAY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?？梢灶A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。