CN116284506B - 一种γ-环糊精-香叶醇衍生物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种γ‑环糊精‑香叶醇衍生物及其制备方法与应用，通过溴化物介导的方式，首次实现了醇类精油分子在环糊精分子上的接枝，得到了水溶性的γ‑环糊精‑香叶醇衍生物，利用化学修饰成功实现了环糊精的功能化，相对于未修饰的环糊精分子，γ‑环糊精‑香叶醇衍生物无需与客体分子形成包合物便能实现抗菌应用，并且相对于包合物具有更高的稳定性，制备方法简单，原料廉价易得且产物易纯化，拓展了环糊精的应用范围，使其在食品、生物医药等多个领域具有更好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物活性物质改性技术领域，具体涉及到一种γ-环糊精-香叶醇衍生物及其制备方法与应用。
背景技术
随着食品工业的飞速发展，食品的防腐保鲜已经成为食品安全领域的重大问题之一。据统计，我国平均每年有20％-30％的食物资源因腐败变质而损失。微生物生长繁殖是造成食物腐败变质的主要原因之一，其中，以食品为载体的食源性致病菌是导致众多食品安全问题的重要根源，食源性疾病已经成为当今世界最突出的健康问题。传统的化学防腐剂多为人工合成，部分化学防腐剂长期的摄入会增加癌症、消化疾病的风险，因此，天然、绿色的食品添加剂逐渐受到人们的青睐。
香叶醇是一种无环单萜类化合物，可以从许多类型的植物的茎或叶中提取，如十字花科、百合科和樟树科。由于其独特的香味和高度的安全性，香叶醇及其酯类衍生物常被用作香精、香料和调味剂，这使得它在食品和化妆品等领域均得到了广泛应用。此外，香叶醇还具有良好的药理作用，如抗菌、抗癌和抗炎。因此，香叶醇也被广泛用于药学、医学和其他领域。然而，香叶醇不溶于水，易挥发，在空气中容易氧化，这严重限制了它在这些领域的应用。
环糊精是一系列淀粉酶解产生的环状低聚糖的总称，其环状结构由一个疏水的空腔和一个亲水的外周组成。由于其独特的分子组成，环糊精可以通过与疏水分子形成包合物来提高疏水分子的溶解性和稳定性，被包裹的分子的效果可以通过缓慢释放来发挥。然而，环糊精包合物对光和热不稳定，并且常会引入不必要的气味，这严重限制了其应用。因此，可以通过化学修饰在环糊精的羟基上键合新的功能基团，从而赋予其新的特性。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种γ-环糊精-香叶醇衍生物。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
所述γ-环糊精-香叶醇衍生物，其化学结构式如式A所示；
其中，R为H或香叶基，所述香叶基的结构式如式B所示：
其中，所述R为香叶基时，在式B的X处通过氧原子与式A连接。
本发明的另一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
包括，香叶基溴溶于有机溶剂，得到第一溶液；
γ-环糊精溶于水-有机溶剂混合体系中，加入碱水搅拌，得到第二溶液；
第一溶液滴入第二溶液中，室温下搅拌反应，反应后调节体系pH至中性，透析、过滤、冷冻、干燥，得到γ-环糊精-香叶醇衍生物。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法的一种优选方案，其中：所述γ-环糊精和香叶基溴的摩尔比为2：1～1：2。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法的一种优选方案，其中：所述有机溶剂为乙腈。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法的一种优选方案，其中：所述加入碱水搅拌，其中，所述碱水为氢氧化钠溶液，所述搅拌的时间为30min。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法的一种优选方案，其中：所述香叶基溴的制备方法包括，
香叶醇和吡啶溶于无水乙醚中，在冰水浴下搅拌、冷却，得到溶液A；
三溴化磷溶于无水乙醚得到溶液B，溶液B滴入溶液A中搅拌混合；
混合后的溶液移至分液漏斗，取上层液，洗涤、除水、过滤、旋转蒸发，即得到香叶基溴。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法的一种优选方案，其中：所述洗涤为分别使用5％碳酸氢钠溶液、去离子水和饱和氯化钠溶液洗涤上层液三次。
本发明的再一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种γ-环糊精-香叶醇衍生物的应用。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的应用一种优选方案，其中：所述衍生物为水溶性材料，其中，香叶醇精油分子接枝于环糊精分子。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的应用一种优选方案，其中：所述γ-环糊精-香叶醇衍生物无需与客体分子形成包合物便能实现抗菌应用。
作为本发明所述γ-环糊精-香叶醇衍生物的应用一种优选方案，其中：所述γ-环糊精-香叶醇衍生物相对于包合物具有更高的稳定性。
本发明有益效果：
(1)本发明提供了一种γ-环糊精-香叶醇衍生物，通过溴化物介导的方式，首次实现了醇类精油分子(香叶醇)在环糊精分子上的接枝，得到了水溶性的材料。
(2)本发明利用化学修饰成功实现了环糊精的功能化，相对于未修饰的环糊精分子，γ-环糊精-香叶醇衍生物无需与客体分子形成包合物便能实现抗菌应用，并且相对于包合物具有更高的稳定性。
(3)本发明制备方法简单，原料廉价易得且产物易纯化，拓展了环糊精的应用范围，使其在食品、生物医药等多个领域具有更好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中γ-环糊精-香叶醇衍生物的合成路线图。
图2本发明实施例1制备的γ-环糊精及本发明制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物的红外光谱图。
图3为本发明实施例1～3制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物的核磁共振氢谱图图。
图4为γ-环糊精及本发明制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物对大肠杆菌的抑菌效果图。
图5为γ-环糊精及本发明制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物对金黄色葡萄球菌的抑菌效果图。
图6为γ-环糊精及本发明制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物的热重曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中所用原料无特殊说明均为普通市售。
本发明中所用吡啶的化学式如式C所示
实施例1：
本实施例提供了一种γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，包括：
1)制备香叶基溴
将香叶醇(0.05mol)和吡啶(0.025mol)溶解于30mL无水乙醚中，在冰水浴条件下于三颈烧瓶中搅拌冷却，待体系冷却至0℃，将溶于无水乙醚的三溴化磷(0.025mol)使用恒压滴液漏斗逐滴滴入三颈烧瓶中，滴加完成后继续搅拌30min；
将反应后的液体转移至分液漏斗中，分别使用5％碳酸氢钠溶液、去离子水和饱和氯化钠溶液洗涤上层液三次，加入无水硫酸镁除水，过滤，旋转蒸发得到香叶基溴。
2)制备γ-环糊精-香叶醇衍生物
香叶基溴和γ-环糊精的摩尔比为1：2；
将γ-环糊精(2mmol)溶于水-乙腈混合体系中并加氢氧化钠(10mmol)，搅拌碱化30min，将溶于乙腈的香叶基溴(1mmol)滴入反应体系，滴加完成后在室温条件下搅拌反应12h，反应结束后，将反应液的pH调节至中性，透析72h后过滤、冷冻干燥得到γ-环糊精-香叶醇衍生物。
图2a为γ-环糊精的红外光谱图，3394和2928cm-1的峰值分别对应于γ-环糊精分子中羟基的O-H的伸缩振动以及葡萄糖骨架中C-H的伸缩振动。1640、1157和1027cm-1处的峰分别对应H-O-H弯曲、C-O伸缩振动和C-O-C伸缩振动。
图2b是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的红外光谱图，与γ-环糊精相比，γ-环糊精-香叶醇衍生物在2928cm-1附近的峰变宽变强，并移至2925cm-1，这是接枝的香叶醇中的-CH3和-CH2的峰与γ-CD的C-H吸收峰叠加的结果。此外，衍生物在1640cm-1处的峰也变强，这是由于香叶醇侧链中存在C＝C。这些结果表明香叶醇被成功接枝到γ-环糊精上。
图3a为γ-环糊精的核磁共振氢谱图，重水对应的溶剂峰位于4.74ppm，5.03、3.59、3.85、3.50、3.82和3.79ppm左右的峰分别对应γ-环糊精的H-1、H-2、H-3、H-4、H-5和H-6。
图3b是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的核磁共振氢谱图，γ-环糊精衍生物在1-2.5ppm之间出现了明显的新峰。这些新峰的出现归因于香叶醇的接枝引入了-CH2-和-CH3。
实施例2：
γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法包括以下几个步骤：
1)制备香叶基溴
将香叶醇(0.05mol)和吡啶(0.025mol)溶解于30mL无水乙醚中，在冰水浴条件下于三颈烧瓶中搅拌冷却，待体系冷却至0℃，将溶于无水乙醚的三溴化磷(0.025mol)使用恒压滴液漏斗逐滴滴入三颈烧瓶中，滴加完成后继续搅拌30min；
将反应后的液体转移至分液漏斗中，分别使用5％碳酸氢钠溶液、去离子水和饱和氯化钠溶液洗涤上层液三次，加入无水硫酸镁除水，过滤，旋转蒸发得到香叶基溴。
2)制备γ-环糊精-香叶醇衍生物
香叶基溴和γ-环糊精的摩尔比为1：1；
将γ-环糊精(2mmol)溶于水-乙腈混合体系中并加入氢氧化钠(10mmol)，搅拌碱化30min，将溶于乙腈的香叶基溴(2mmol)滴入反应体系，滴加完成后在室温条件下搅拌反应12h，反应结束后，将反应液的pH调节至中性，透析72h后过滤、冷冻干燥得到γ-环糊精-香叶醇衍生物。
图2c是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的红外光谱图，与γ-环糊精相比，γ-环糊精-香叶醇衍生物在2928cm-1附近的峰变宽变强，并移至2925cm-1，这是接枝的香叶醇中的-CH2-和-CH3的峰与γ-环糊精的C-H吸收峰叠加的结果。此外，衍生物在1640cm-1处的峰也变强，这是由于香叶醇侧链中存在C＝C。这些结果表明香叶醇被成功接枝到γ-环糊精上。
图3c是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的核磁共振氢谱图，γ-环糊精衍生物在1-2.5ppm之间出现了明显的新峰。这些新峰的出现归因于香叶醇的接枝引入了-CH2-和-CH3。
实施例3：
γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法包括以下几个步骤：
1)制备香叶基溴
将香叶醇(0.05mol)和吡啶(0.025mol)溶解于30mL无水乙醚中，在冰水浴条件下于三颈烧瓶中搅拌冷却，待体系冷却至0℃，将溶于无水乙醚的三溴化磷(0.025mol)使用恒压滴液漏斗逐滴滴入三颈烧瓶中，滴加完成后继续搅拌30min；
将反应后的液体转移至分液漏斗中，分别使用5％碳酸氢钠溶液、去离子水和饱和氯化钠溶液洗涤上层液三次，加入无水硫酸镁除水，过滤，旋转蒸发得到香叶基溴。
2)制备γ-环糊精-香叶醇衍生物
香叶基溴和γ-环糊精的摩尔比为2：1；
将γ-环糊精(2mmol)溶于水-乙腈混合体系中并加入氢氧化钠(10mmol)，搅拌碱化30min，将溶于乙腈的香叶基溴(4mmol)滴入反应体系，滴加完成后在室温条件下搅拌反应12h，反应结束后，将反应液的pH调节至中性，透析72h后过滤、冷冻干燥得到γ-环糊精-香叶醇衍生物。
图2d是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的红外光谱图，与γ-环糊精相比，γ-环糊精-香叶醇衍生物在2928cm-1附近的峰变宽变强，并移至2925cm-1，这是接枝的香叶醇中的-CH3和-CH2的峰与γ-环糊精的C-H吸收峰叠加的结果。此外，衍生物在1640cm-1处的峰也变强，这是由于香叶醇侧链中存在C＝C，这些结果表明香叶醇被成功接枝到γ-环糊精上。
图3d是本实施例中γ-环糊精-香叶醇衍生物的核磁共振氢谱图，γ-环糊精衍生物在1-2.5ppm之间出现了明显的新峰。这些新峰的出现归因于香叶醇的接枝引入了-CH2-和-CH3。
实施例4
本实施例用以测定本发明制备衍生物的溶解度，包括：
1.水中溶解度测试
将过量的γ-环糊精及γ-环糊精-香叶醇衍生物溶于去离子水中，并在室温条件下搅拌12h，过滤后将滤液冷冻干燥，称量所得固体的质量，确定在水中的溶解度；
将香叶醇与水按照体积比为1：3混合，观察其分层情况。
香叶醇、γ-环糊精以及实施例1、实施例2、实施例3中的γ-环糊精-香叶醇衍生物分别记为Ger、γ-CD、γ-CD-Ger1、γ-CD-Ger2、γ-CD-Ger3，各样品的溶解性测量结果如表1所示。
表1样品在水中的溶解度测定结果
2.有机溶剂溶解性测试
将20mg各样品溶于4mL有机溶剂中，搅拌12h，观察溶解状况，根据溶解状况分为可溶、微溶和不溶三种情况，结果如表2所示。
表2样品在有机溶剂中的溶解性
注：+可溶；±微溶；-不溶。
由上述溶剂性测定效果可知，本发明通过将香叶醇在环糊精分子上接枝，制得的衍生物在水以及有机溶剂中都具有溶解性，解决了现有技术中香叶醇不溶于水、环糊精难溶于有机溶剂的缺陷，同时，通过调整香叶基溴和γ-环糊精的摩尔比能够获得具有不同溶解度的产物，拓宽了材料的应用范围。
实施例5
本实施例用以测定本发明制备衍生物的抑菌效果，具体为：
1.实验菌种
本实施例所选择的实验菌种为最常见的革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)。
2.操作步骤
将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别在LB固体培养基上划线，将划线的平板于37℃中培养24h。挑取平板中的单菌落并接种到LB液体培养基中，在摇床中培养至对数期，然后，将菌液浓度稀释至105CFU/mL备用。
在试管中准备好样品浓度为3mg/mL的液体培养基。向试管中加入5μL上述菌液，不添加样品的LB液体培养基作为空白对照。将含有培养液的试管在摇床中培养3小时，然后，取100μL试管中的培养液在LB固体培养基上涂布，并于37℃的恒温培养箱中培养24小时，观察并拍照。
图4是大肠杆菌的抑菌实验结果，其中a、b、c、d、e依次对应空白对照、γ-环糊精以及实施例1、实施例2、实施例3的衍生物的抑菌实验结果。从图中可以看出，未修饰的γ-环糊精并未展现出明显的抑菌效果，相对于空白对照，γ-环糊精-香叶醇衍生物对应的平板的菌落数明显减少，并且随着香叶醇添加比例的增加，抑菌效果也明显提高。
图5是金黄色葡萄球菌的抑菌实验结果，其中a、b、c、d、e依次对应空白对照、γ-环糊精以及实施例1、实施例2、实施例3的衍生物的抑菌实验结果。可以看出，未修饰的γ-环糊精对金黄色葡萄球菌未展现出抑菌效果，此外，相对于大肠杆菌，γ-环糊精-香叶醇衍生物对金黄色葡萄球菌展现出更强的抑菌效果。
实施例6
本实施例用以探究本发明制备衍生物在不同浓度下的抑菌效果，具体为：
将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别在LB固体培养基上划线，将划线的平板于37℃中培养24h。挑取平板中的单菌落并接种到LB液体培养基中，在摇床中培养至对数期，然后，将菌液浓度稀释至105CFU/mL备用。
在试管中准备好样品浓度为1、2、3mg/mL的液体培养基，向试管中加入5μL上述菌液，不添加样品的LB液体培养基作为空白对照，将含有培养液的试管在摇床中培养3小时，然后，取100μL试管中的培养液在LB固体培养基上涂布，并于37℃的恒温培养箱中培养24小时，各浓度下的抑菌实验结果如下表3～5所示。
表3样品浓度为1mg/mL的抑菌效果
表5样品浓度为3mg/mL的抑菌效果
由上述实验结果可以看出，本发明制备的γ-环糊精-香叶醇衍生物在不同浓度下相较于环糊精均实现了良好的抑菌效果，且当γ-CD-Ger3的浓度达到3mg/mL时，已经可以实现100％的抑菌效果，同时实验发现，若继续增加抑菌液中的样品浓度，由于超过衍生物的溶解度，导致样品析出，并不能进一步增大抑菌效果；而当进一步增加γ-环糊精-香叶醇衍生物中香叶基溴的比例时也会使得衍生物的溶解度降低，进而在相同浓度下，抑菌率不升反降因此，选择3mg/mL的γ-CD-Ger3抑菌液能够实现最佳的效果。
实施例7
本实施例用以探究本发明制备衍生物的热稳定性，具体为：
通过热重分析测定衍生物的热稳定性，取5～10mg样品，在热重分析仪中测定样品在25～550℃之间的重量变化。
热重分析结果如图6所示，其中a、b、c、d依次对应γ-环糊精以及实施例1、实施例2、实施例3的衍生物的热重曲线。实施例1、实施例2、实施例3对应衍生物分别在318℃、302℃、297℃达到最大失重温度，表明本发明制备的衍生物的热稳定性良好。
综上，本发明通过溴化物介导的方式，首次实现了醇类精油分子(香叶醇)在环糊精分子上的接枝，得到了水溶性的γ-环糊精-香叶醇衍生物，利用化学修饰成功实现了环糊精的功能化，相对于未修饰的环糊精分子，γ-环糊精-香叶醇衍生物无需与客体分子形成包合物便能实现抗菌应用，并且相对于包合物具有更高的稳定性。
本发明制备方法简单，原料廉价易得且产物易纯化，拓展了环糊精的应用范围，使其在食品、生物医药等多个领域具有更好的应用前景。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，其特征在于：包括，
香叶基溴溶于有机溶剂，得到第一溶液；
γ-环糊精溶于水-有机溶剂混合体系中，加入碱水搅拌，得到第二溶液；
第一溶液滴入第二溶液中，室温下搅拌反应，反应后调节体系pH至中性，透析、过滤、冷冻干燥，得到γ-环糊精-香叶醇衍生物；
其中，所述γ-环糊精和香叶基溴的摩尔比为2：1~1：2；
所述γ-环糊精-香叶醇衍生物，其化学结构式如式A所示；
（式A）
其中，R为H或香叶基，所述香叶基的结构式如式B所示：
（式B）
其中，所述R为香叶基时，在式B的X处通过氧原子与式A连接。
2.如权利要求1所述的γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙腈。
3.如权利要求1所述的γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，其特征在于：所述加入碱水搅拌，其中，所述碱水为氢氧化钠溶液，所述搅拌的时间为30 min。
4.如权利要求1所述的γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，其特征在于：所述香叶基溴的制备方法包括，
香叶醇和吡啶溶于无水乙醚中，在冰水浴下搅拌、冷却，得到溶液A；
三溴化磷溶于无水乙醚得到溶液B，溶液B滴入溶液A中搅拌混合；
混合后的溶液移至分液漏斗，取上层液，洗涤、除水、过滤、旋转蒸发，即得到香叶基溴。
5.如权利要求1所述的γ-环糊精-香叶醇衍生物的制备方法，其特征在于：所述洗涤为分别使用5%碳酸氢钠溶液、去离子水和饱和氯化钠溶液洗涤上层液三次。
6.如权利要求1所述的γ-环糊精-香叶醇衍生物的应用，其特征在于：所述γ-环糊精-香叶醇衍生物无需与客体分子形成包合物便能实现抗菌应用。
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