郭宏辉|姚浩红|郑全星|谢全玲|卢宏伟|邓小花|林燕|张明恩|马鹏飞|韩传宏|黄晓青
中国自然资源部第三海洋研究所海洋生物资源开发与利用工程技术创新中心，厦门361005
摘要
通过喷雾干燥预先形成的包合物，制备了薄荷醇/羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）和薄荷酮/HP-β-CD包覆微胶囊。相溶性研究表明，薄荷醇和薄荷酮均以1:1的化学计量比与HP-β-CD形成AL型包合物。热力学参数（ΔH、ΔS和ΔG）及稳定性常数表明，包覆过程是自发的放热反应，低温有利于这些反应的进行。与薄荷酮相比，薄荷醇对HP-β-CD的亲和力更强，因此更有效地提高了其溶解度和稳定性。红外光谱和1H NMR分析证实了这两种化合物成功被HP-β-CD微胶囊化。分子对接进一步揭示了包合物的包覆结构及结合能。研究结果表明，不同的微胶囊化机制（薄荷醇/HP-β-CD通过氢键作用，薄荷酮/HP-β-CD通过范德华力作用）显著影响了其性能。在60°C下储存16天后，薄荷醇/HP-β-CD微胶囊的保留率高达34.7%，而薄荷酮/HP-β-CD微胶囊仅为24.4%；此外，薄荷酮/HP-β-CD微胶囊在150°C以上具有更好的热稳定性。这些结果证实了HP-β-CD微胶囊化能够增强薄荷类化合物的稳定性和保留率，使其适用于需要热处理或长期储存的食品、制药等领域。
引言
薄荷醇和薄荷酮是薄荷属植物中天然存在的活性成分（Hedayati等，2023；Sakai等，2020）。薄荷醇为无色柱状或针状晶体，薄荷酮为无色油状液体。研究表明，薄荷醇具有止痒、镇痛、抗炎、抗菌、抗病毒作用，并能促进皮肤吸收（Zhu等，2022）。薄荷酮还具有天然的抗真菌、杀虫和抗氧化特性（Grgac等，2022）。薄荷醇和薄荷酮具有强烈的清新香气，因此广泛应用于牙膏、口香糖、化妆品、药品、食品和烟草等产品中（Rezaeinia等，2024）。然而，与大多数芳香化合物类似，薄荷醇和薄荷酮不溶于水相，易挥发，并在暴露于氧气、光、水和高温时不稳定（Ge等，2021）。因此，在加工、长期储存和使用过程中，它们的芳香特性会逐渐丧失或挥发。这些问题成为实现产品质量的潜在瓶颈。为了解决这些问题，用聚合物材料对其进行包覆是一种有前景的保护方法，可以控制释放速度、提高稳定性并延长储存时间（Hedayati等，2023）。
微胶囊化的成功在很大程度上取决于选择合适的壁材，以保护核心物质免受环境因素的损害。目前，已有许多无毒且安全的壁材用于薄荷精油的包覆，这些壁材通常由可生物降解的合成聚合物和/或天然聚合物构成。合成聚合物包括聚（乳酸-羟基乙酸）（PLGA）、聚（乙烯醇）（PVA）和聚（ε-己内酯）（PCL），天然聚合物包括碳水化合物（如淀粉、纤维素、环糊精（CDs）、麦芽糊精、海藻酸、阿拉伯胶和壳聚糖）、蛋白质（如乳清蛋白、酪蛋白、玉米醇溶蛋白和明胶）、脂类（如蜂蜡和小烛蜡）等（Hedayati等，2023）。其中，利用环糊精（CDs）的分子包覆方法因应用前景广阔而受到广泛关注（Wen等，2022）。CDs是一种由(α-1,4)-连接的α-D-葡萄糖单元组成的环状分子，具有疏水内腔和亲水外腔。其显著特点是能与多种疏水性分子形成稳定的包合物（主客体复合物），从而暂时锁定或包裹这些分子（Wen等，2022）。这种方法可以提高稳定性、降低挥发性，并实现可控的缓释效果。此外，CDs安全无毒、稳定性高且成本低廉，适用于食品、化妆品、制药和纺织等行业（Ciobanu等，2013）。其中，HP-β-CD是一种羟基烷基化的环糊精，具有优异的水溶性和低毒性，常用于提高药物的溶解度、稳定性和生物利用度（Zhu等，2016）。
尽管CDs在薄荷精油包覆中应用广泛，但目前的研究主要集中在优化制备条件（如CD类型、反应物浓度、温度）和评估产品性能（如稳定性、释放行为）（Ge等，2021；Yildiz等，2018；Hu等，2022；Wu等，2020），而对包覆机制的系统研究仍较少。有限的研究表明，HP-β-CD能与薄荷醇形成1:1的化学计量比包合物（Lei等，2018），并且HP-β-CD可通过腔体包覆提高薄荷醇的溶解度（Zhu等，2016）。然而，不同薄荷活性成分与CDs之间的具体主客体相互作用方式及其包合物的结构差异尚未明确。此外，尚未有研究比较薄荷醇和薄荷酮与HP-β-CD的包覆机制，这阻碍了高性能微胶囊的合理设计。
在本研究中，以预先形成的包合物为原料，通过喷雾干燥法制备了薄荷醇/HP-β-CD和薄荷酮/HP-β-CD微胶囊。包合物化是指HP-β-CD腔体与薄荷醇/薄荷酮之间形成主客体超分子结构（Jiang等，2016；Lan Pham等，2022；He等，2017）。喷雾干燥是一种物理干燥技术，通过快速蒸发水分将预先形成的包合物溶液转化为固体微胶囊（Yang等，2022）。为阐明主客体相互作用、包覆结构及薄荷化合物与CDs之间的比较机制，采用扫描电子显微镜（SEM）、相溶性、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）和分子对接技术研究了薄荷精油/HP-β-CD微胶囊的包覆特性。随后通过热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）确定了其热稳定性，并考察了不同温度下薄荷醇、薄荷酮及其微胶囊的保留率。本研究有助于理解主客体相互作用机制及其对性能的影响。
材料
薄荷醇（纯度>99%，结晶固体，分子量（MW）：156.27 g/mol）、薄荷酮（纯度>99%，油状液体，MW：154.25 g/mol）以及乙醇（色谱级）均购自Aldrich公司。乙酸乙酯（色谱级）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。HP-β-CD（纯度>97%，MW：1541.54 g/mol，取代度（DS）：5~7，表示每个HP-β-CD分子平均含有5~7个羟丙基）亦购自相关公司。
形态与粒径
图1展示了薄荷醇/HP-β-CD和薄荷酮/HP-β-CD微胶囊的SEM图像。可见，这两种微胶囊的形态相似，均为表面带有皱纹和凹陷的球形颗粒。这可能是由于喷雾干燥过程中水分快速蒸发导致颗粒收缩所致。然而，颗粒表面未观察到明显的孔洞或裂纹。
结论
本研究系统地探讨了薄荷醇和薄荷酮与HP-β-CD的微胶囊化机制。热力学参数表明，这两种化合物与HP-β-CD的包覆反应是自发的放热过程。薄荷醇对HP-β-CD的亲和力更强，其稳定性常数明显高于薄荷酮。结构分析显示，两种客体分子均通过宽边缘进入HP-β-CD腔体，但进入方式有所不同。
未引用的参考文献
(Zhu等，2022)
CRediT作者贡献声明
郑全星：撰写、审稿与编辑、实验研究、数据分析。
谢全玲：撰写、审稿与编辑、资金申请。
卢宏伟：数据分析、数据管理。
邓小花：数据分析、数据管理。
黄晓青：数据分析、数据管理。
郭宏辉：撰写初稿、资金申请、数据管理。
姚浩红：概念构思。
林燕：数据分析、数据管理。
张明恩：数据分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢厦门自然科学基金（3502Z202373077）、福建省科技计划（2023N0037）、厦门海洋研究与发展院合作项目（kfy2025-2）、市-省-部共建自主创新研究开发专项资金（GJZX-HYSW-2024-07）、厦门南方海洋研究中心（22CZP008HJ10）以及中国国家重大科技项目的资助。
