植物源抑芽抗菌剂香芹酮/环糊精超分子缓释体系的构建机制及缓释行为研究

Sprouting and decay are major problems during potato storage. Carvone, a monoterpene extracted from the essential oil of caraway seeds, acts as sprouting inhibitor and antibacterial agent for potato tubers in storage. However, carvone is oxidable, extremely volatile, low utilization and persistence. Therefore, cyclodextrins and their derivatives (CDs) will be used for complexation with carvone. Owning to having a hollow truncated cone with “a hydrophobic cavity and a hydrophilic wall”, CDs should be able to improve carvone’s stablity, slow-release and drug persistence. The construction mechanism of carvone/cyclodextrins will be confirmed by UV, NMR, FT-IR, TGA-DSC methods. While, the 3D configuration of carvone/ cyclodextrins complexes can be established by ROESY and molecular modeling studies at the first time. Then the possibility for improvement of carvone’s stability and slow-release by complexation with CDs should be verified. Accordingly, the release behavior of carvone from supramolecular systems will be studied under different environmental conditions. The results of research can realize green and safety preservation of potatoes, providing the theoretic basis and practice for high efficient usage of carvone as a new potato sprout inhibitor & antibacterial agent.

马铃薯发芽和腐烂是贮藏期间的主要问题，植物提取物香芹酮是一种绿色安全、具有广阔应用前景的抑芽抗菌剂，但因其在空气中易氧化、挥发速率快、药剂利用率低、药效不持续等问题制约了它在马铃薯贮藏方面的应用。基于此，本项目应用环糊精“外亲水、内疏水”的空腔效应与香芹酮包合形成超分子缓释体系，通过采用紫外、核磁、红外、热分析等方法对缓释体系进行表征，探明香芹酮/环糊精超分子缓释体系的构建机制；采用ROESY光谱结合计算机分子模拟首次建立香芹酮/环糊精缓释体系的三维构型，从而从微观分子的角度解释环糊精对香芹酮的增稳、缓释作用；研究不同环境条件下香芹酮从超分子体系中的释放行为，为其在马铃薯贮藏过程中的应用提供理论依据与数据支持。项目的研究具有理论和实用双重价值，符合我国马铃薯产业发展的需求，对于实现马铃薯绿色安全保鲜具有重要意义。

探索天然绿色、具有抑芽活性的植物提取物来解决马铃薯休眠后的发芽是马铃薯产业健康发展的必然要求。香芹酮在马铃薯采后方面具有抑芽抗菌的保鲜作用，但其易挥发氧化、不稳定，在生产中需要重复施用，增加了应用成本，限制了它在马铃薯贮藏保鲜领域的应用前景。因此，应用环糊精“外亲水、内疏水”的空腔效应改善香芹酮的物理化学性质，开展对香芹酮稳定、缓释机理研究非常必要。采用共蒸发—冷冻干燥法制备香芹酮/环糊精缓释剂，并采用相溶解度、紫外、核磁、红外、热重-差热分析、热力学和计算机分子模拟等方法对缓释体系进行了系统的表征。结果表明，制备出的2种香芹酮/环糊精缓释剂产率均在90%以上；香芹酮与β-环糊精和羟丙基-β-环糊精形成的缓释体系稳定常数分别为117.04和409.39L/mol，溶解类型分别为A-BS和AL型；从微观分子的角度探明了环糊精对香芹酮分子识别、稳定和缓释机理为：香芹酮分子以自发的方式进入到主体环糊精空腔内，为焓驱动和熵驱动共同作用的结果，主客体分子间作用力主要为疏水作用力和范德华力；得到微观分子3D图推测出香芹酮与β-环糊精和羟丙基-β-环糊精的包合模式分别为香芹酮分子的烯酮环或异丙烯基首先进入了环糊精的空腔，因此香芹酮的溶解度、稳定性均得到了改善；通过考察缓释体系的释放行为，表明香芹酮与β-环糊精和羟丙基-β-环糊精缓释体系分别属于抑制释放型和控制释放型，可调控温湿度来调控香芹酮/羟丙基-β-缓释体系中香芹酮的释放，通过Avrami’s方程得到了其释放速率常数为1.0858×10-6s-1，且释放过程属于扩散限制反应。上述结果均表明香芹酮与羟丙基-β-环糊精形成的缓释体系在改善香芹酮溶解度、稳定性、控制释放性等方面最佳，且对马铃薯抗菌抑芽作用也非常显著。项目得到的研究数据具有理论和实用的双重价值，对于实现马铃薯绿色安全保鲜具有重要意义。