苯甲酸钠-环糊精包合物的制备及其在低pH食品中的稳定性提升

苯甲酸钠是食品工业中常用的酸性防腐剂，但其在低pH食品体系中易解离为苯甲酸，苯甲酸的水溶性差且易挥发，会导致防腐活性下降、产生异味，同时限制其在果汁、酸奶、碳酸饮料等低 pH 食品中的应用。环糊精（CD） 作为一类具有空腔结构的环状低聚糖，可通过分子包合作用将苯甲酸钠的活性基团包覆于疏水空腔内，显著提升其在低pH环境下的稳定性、水溶性与防腐持久性。以下从包合物制备方法、稳定性提升机制及应用优化展开系统阐述。

一、苯甲酸钠-环糊精包合物的制备方法

环糊精的空腔尺寸与包合效果直接相关，常用的环糊精类型包括α-环糊精（空腔内径0.45~0.6 nm）、β-环糊精（0.6~0.8nm）和γ-环糊精（0.8~1.0nm）。苯甲酸钠分子尺寸与β-环糊精空腔匹配度至高，因此β-环糊精是制备该包合物的首选原料。主流制备方法分为以下三类，兼顾实验室研发与工业化生产需求：

1. 饱和水溶液法（经典法）

该方法操作简便、成本低，是实验室制备的常用手段。

·称取一定量的β-环糊精，加入蒸馏水配制成饱和水溶液，在50~60℃水浴中搅拌溶解；

·按苯甲酸钠与β-环糊精的摩尔比1:1~1:2，将苯甲酸钠粉末缓慢加入环糊精饱和溶液中，持续搅拌2~4小时，利用环糊精空腔的疏水作用实现分子包合；

·反应结束后冷却至室温，静置析出白色沉淀，经抽滤、蒸馏水洗涤去除未包合的苯甲酸钠，最后在40~50℃下真空干燥，即可得到苯甲酸钠-β-环糊精包合物。该方法的包合率可达60%~75%，通过调整反应温度、摩尔比和搅拌时间，可进一步提升包合效率。

2. 研磨法（固相法）

适用于无溶剂或低溶剂体系，避免水溶液法中苯甲酸钠的解离损耗，适合工业化批量生产。

·将β-环糊精与苯甲酸钠按摩尔比1:1混合，加入少量无水乙醇作为润湿剂，置于球磨机中研磨30~60分钟；

·研磨过程中，环糊精分子在机械力作用下发生构象变化，空腔打开并与苯甲酸钠分子结合，形成稳定的固相包合物；

·研磨产物经干燥、过筛后即可使用，包合率约55%~70%，优势在于无需复杂分离步骤，生产周期短、能耗低。

3. 超声辅助法（高效法）

利用超声波的空化效应加速分子运动，缩短包合时间，提升包合率，是实验室与中试生产的优选方法。

·配制β-环糊精水溶液（浓度0.1~0.2mol/L），加入苯甲酸钠并调节摩尔比1:1.5，置于超声仪中，在功率200~300W、温度40℃条件下超声处理30~60分钟；

·超声波产生的微气泡破裂时释放能量，促进环糊精空腔与苯甲酸钠分子的结合，同时避免局部过热导致的包合物解离；

·反应后经冷却、抽滤、干燥，包合率可达75%~85%，较饱和水溶液法提升10%~15%。

一、包合物在低pH食品中稳定性提升的机制

苯甲酸钠在低pH环境下的核心问题是解离平衡偏移，pH 越低，平衡越向苯甲酸方向移动，苯甲酸的疏水性使其易析出或挥发，降低防腐效果。环糊精包合物通过三重机制解决这一问题：

1. 空间位阻保护机制

苯甲酸钠的苯环结构被包合于β-环糊精的疏水空腔内，仅羧酸钠基团暴露于空腔外侧的亲水环境中。这种包合结构形成空间位阻，阻碍氢离子与羧酸钠基团的接触，抑制解离反应的发生，从而减少苯甲酸的生成。即使在pH3.0~4.0的酸性体系中，包合物中的苯甲酸钠解离率也较游离态降低 40%~60%。

2. 水溶性增强机制

环糊精分子外侧富含羟基，具有强亲水性，包合后可显著提升苯甲酸钠在酸性水溶液中的溶解度。游离苯甲酸钠在pH3.0的果汁中溶解度约为0.5g/100mL，而包合物的溶解度可提升至1.2~1.5g/100mL，避免苯甲酸因溶解度不足而析出沉淀，保障防腐剂在食品体系中的均匀分散。

3. 缓释与长效作用机制

包合物在低pH食品中可缓慢释放苯甲酸钠，延长防腐活性持续时间。环糊精空腔与苯甲酸钠分子间的氢键和疏水作用力，使包合物在食品储存过程中逐步解离，持续释放有效抑菌成分；而游离苯甲酸钠易快速挥发或被食品基质吸附，导致后期防腐效果衰减。实验数据显示，在pH3.5的橙汁中，包合态苯甲酸钠的抑菌有效期较游离态延长2~3倍。

三、低pH食品应用中的优化策略

为进一步提升包合物的稳定性与应用效果，需结合食品基质特性进行针对性优化：

1. 环糊精的改性与复配

天然β-环糊精水溶性较差，可通过羟丙基化、甲基化等化学改性得到羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD），其水溶性提升10倍以上，包合率可达85%~90%，且在酸性条件下更稳定，适合用于高酸度的果汁、果醋等食品。此外，将β-环糊精与海藻酸钠、果胶等多糖复配，可形成复合包埋体系，进一步增强对苯甲酸钠的保护作用。

2. 包合工艺参数的优化

针对不同低pH食品，调整苯甲酸钠与环糊精的摩尔比：在pH2.5~3.0的强酸性食品（如柠檬汁）中，采用1:2的摩尔比，增加环糊精的包覆位点，降低解离率；在pH3.5~4.5 的弱酸性食品（如酸奶）中，采用1:1的摩尔比即可满足需求，避免环糊精过量导致的食品黏度上升。

3. 与其他防腐剂协同使用

将苯甲酸钠-环糊精包合物与山梨酸钾、ε-聚赖氨酸等防腐剂复配，利用协同抑菌效应，可降低苯甲酸钠的使用浓度，同时提升防腐效果，例如，在pH3.8的酸奶中，0.05%包合物与0.02%山梨酸钾复配，抑菌效果优于0.1%的游离苯甲酸钠，且可减少防腐剂的总添加量，符合清洁标签的趋势。

四、应用前景与注意事项应用

1. 前景

该包合物可广泛应用于果汁、碳酸饮料、酸奶、腌渍果蔬等低 pH 食品，解决苯甲酸钠在酸性体系中稳定性差、异味突出的问题，同时提升食品的货架期。改性环糊精包合物还可用于保健食品和医药领域，拓展苯甲酸钠的应用边界。

2. 注意事项

·环糊精的添加量需符合食品添加剂标准，β-环糊精在食品中的上限用量通常不超过5g/kg；

·包合物的制备需严格控制摩尔比和反应条件，避免未包合的环糊精影响食品的口感和质地；

·不同食品基质可能影响包合物的稳定性，需针对具体产品进行兼容性测试。

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