環(huán)糊精簡(jiǎn)介

環(huán)糊精(cyclodextrins，CD)是芽孢桿菌屬(Bacillus)產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶(CGTase)作用于淀粉產(chǎn)生的一類(lèi)環(huán)狀低聚麥芽糖的總稱(chēng)。其由6-12個(gè)α-D吡喃葡萄糖單元通過(guò)α-1,4糖苷鍵鏈接而成，最常見(jiàn)的環(huán)糊精含有6、7、8個(gè)葡萄糖分子，分別為α-環(huán)糊精（α-CD）、β-環(huán)糊精（β-CD）、γ-環(huán)糊精（γ-CD）。紅外光譜、核磁共振波譜的分析結果表明，組成環(huán)糊精的葡萄糖單元處于椅式結構，因各糖基不能繞著(zhù)糖苷鍵旋轉，使得環(huán)糊精分子呈錐狀的圓筒形。小端口由C-6位上伯羥基組成，大端口由C-2、C-3位上仲羥基組成，使其分子外壁具良好的親水性；內腔由C-3、C-5位上氫原子和C-4位上氧原子組成，使分子內腔有較強疏水性。α-CD、β-CD和γ-CD空腔大小不同，因此可以包結不同的客體分子。在水相反應體系中，環(huán)糊精可以為疏水底物提供良好的疏水環(huán)境，促進(jìn)底物參與反應，從而廣泛應用于水相中進(jìn)行的有機合成反應，已經(jīng)報道了環(huán)糊精在還原、氧化、水解等反應中的應用。

 阿爾法環(huán)糊精

阿爾法環(huán)糊精（α-CD），分子式C₃₆H₆₀O₃₀，分子量為972.84，為白色或類(lèi)白色無(wú)定形或結晶性粉末，易溶于水和丙二醇，幾乎不溶于乙醇和二氯甲烷。α-CD是由6個(gè)葡萄糖單位經(jīng)α-1,4糖苷鍵連接成環(huán)形結構的糊精，是葡萄糖基轉移酶作用于淀粉糖漿的產(chǎn)物。α-CD水溶解度在25℃為14.5g/100ml，應用于要求環(huán)狀糊精溶解度較高的場(chǎng)合。由于α-CD的內腔尺寸小于β-CD，更適合于包結小分子量的脂肪型客體（如聚乙二醇、多烯烴、脂肪酸等），使其更穩定。

貝塔環(huán)糊精（β-CD），是由環(huán)狀糊精葡萄糖基轉移酶作用于淀粉乳，經(jīng)α-1,4糖苷鍵連接7個(gè)葡萄糖單位而成的環(huán)狀結構的糊精。其分子式是C₄₂H₇₀O₃₅，分子量為1135，是一種白色結晶狀的粉末，無(wú)臭、微甜。不具有吸濕性，但是容易形成穩定的水合物。β-CD的分子結構中間有一穴洞，其分子的葡萄糖苷鍵的仲醇羥基均位于穴洞環(huán)形結構的內側，具有疏水性（親油性）或非極性。由于這種結構上的特殊性質(zhì)，能與許多種較小的分子化合物包接于穴洞內，形成包接絡(luò )合物。其不溶于一般有機溶劑，但在吡啶、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜和乙二醇中能夠微溶。β-CD更適合于包埋芳香型客體（如百里香酚、檸檬醛、苯乙烯、大環(huán)內酯類(lèi)等）。

 伽馬環(huán)糊精

伽馬環(huán)糊精（γ-CD），是一種非還原性環(huán)狀糖類(lèi)，由8個(gè)α-1,4糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖單位環(huán)合而成。其分子式是C₄₈H₈₀O₄₀，分子量為1297.12。呈白色結晶或結晶性粉末，無(wú)臭、味微甜，易溶于水，極難溶于乙醇。與α-CD、β-CD相比，γ-CD具有更大的疏水腔，更高的水溶性，能夠包埋分子量較大的客體分子（如類(lèi)固醇、姜黃素等）來(lái)增加溶解度和穩定性，因此具有很好的生物利用度。

 環(huán)糊精功能和應用

1891年-20世紀30年代發(fā)現環(huán)糊精，并成功分離出α-CD和β-CD。20世紀70年代至今，環(huán)糊精化學(xué)研究進(jìn)入鼎盛時(shí)期。利用化學(xué)修飾或酶法修飾的方法將取代基引入環(huán)糊精分子中，對其理化性質(zhì)加以改進(jìn)，大力開(kāi)展環(huán)糊精在醫藥、食品、化妝品和分析化學(xué)領(lǐng)域的研究，許多修飾環(huán)糊精都已經(jīng)實(shí)現商品化生產(chǎn)并投放市場(chǎng)。目前工業(yè)上大量生產(chǎn)且應用廣泛的環(huán)糊精產(chǎn)品是β-CD。近年來(lái)α-CD由于其優(yōu)良的理化性能及多種功效受到了越來(lái)越多的關(guān)注，也作為可溶性食物纖維或改善代謝綜合癥方面的素材用于功能性食品、藥物輔料領(lǐng)域，其降低血糖濃度的功效和減肥功效也得到了權威認證和市場(chǎng)認可。

α-CD可調整腸胃功能，改善便秘，在腸道中會(huì )被正常寄生的某些細菌所分解，并轉化為醋酸、丙酸、酪酸等一系列的短鏈脂肪酸；預防和改善糖尿病，能阻止糖類(lèi)在腸內吸收，促進(jìn)被包結后的糖類(lèi)排泄，降低高淀粉膳食后的血糖峰值，達到抑制餐后血糖上升的效果；提高添加劑的穩定性，與維生素E、天然色素（β-胡蘿卜素、葉綠素等）、食用香精（如玫瑰油、茴香腦等）等添加劑復配使用，可提高添加劑的穩定性，便于長(cháng)期貯存或在食品中保持。

在食品工業(yè)中，α-CD能夠為穩定水包油型乳液提供一種新的純植物性的選擇。此外，它還能夠增強蛋白的濕性發(fā)泡和干性發(fā)泡效果，用作發(fā)泡劑時(shí)，可制作出完全不含脂肪或牛奶蛋白的新式慕斯甜點(diǎn)。α-CD在歐洲、美國和其他許多國家已獲準用作可溶性膳食纖維，歐盟委員會(huì )也已證實(shí)阿爾法環(huán)糊精具有確鑿的保健功效。研究發(fā)現，食用含有α-CD的淀粉餐食可以降低餐后血糖的上升幅度。對超重或肥胖糖尿病患者的初步研究發(fā)現，在4周至12周內從食用正常到高脂肪飲食的人中，α-CD與高脂血癥患者的體重減輕或維持甘油三酯（TG）和膽固醇水平的降低有關(guān)。此外，α-CD可以刺激胰島素和瘦素敏感性的產(chǎn)生。研究顯示，食用含脂肪餐后，血液中TG水平顯著(zhù)降低與α-CD的調節作用有關(guān)。當食用碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的混合餐時(shí)，發(fā)現餐后血糖水平?jīng)]有差異。目前現有的研究結果表明，α-CD在脂質(zhì)代謝中具有瞬時(shí)性和長(cháng)期調節作用。α-CD通過(guò)調節血液中TG低水平表達從而降低能量攝入，并且通過(guò)減少餐后血脂以及與高脂飲食有關(guān)的促炎和促氧化狀態(tài)，對改善健康具有積極影響。

β-CD是工業(yè)生產(chǎn)中很好的賦形劑、矯味劑、穩定劑、乳化劑、防腐劑、品質(zhì)改良劑，廣泛應用于制藥業(yè)、食品行業(yè)、日用化工等領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)提高產(chǎn)品的穩定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

作為新型藥用輔料主要用于增強藥物的穩定性，防止藥物氧化與分解，用于提高藥物的溶解和生物利用度；降低藥物的毒副作用；掩蓋藥物的異味和臭氣。在食品加工和保存過(guò)程中β-CD可以防止各種香料、油料、香辛料及其它易揮發(fā)物質(zhì)的揮發(fā)，長(cháng)期保持食品香味不變；可以保持易氧化、遇光分解、遇熱易變質(zhì)的色素、氨基酸和維生素等營(yíng)養成份的穩定。β-CD可以除去魚(yú)、肉腥味及食品中補加維生素B等營(yíng)養成份后的不愉快味道及其它食品中的異味，增加食品的適口性，也可以改善糖精和甜蜜素等甜味劑的口感。對于含油量高的飲料，如：冰淇淋、咖啡飲料及其它乳化食品等β-CD均可使其形成長(cháng)期移穩定的乳狀液，若與食品乳化劑配合使用，乳化效果更佳。同時(shí)可以使食品防腐劑、保鮮劑緩慢釋放，提高防腐效果，延長(cháng)食品保質(zhì)期。

工業(yè)級β-CD摻用在商品混凝土和流化混凝土中，可以調節、控制坍落度損失，杜絕混凝土離析，使混凝土在所需要的時(shí)間段內保持良好的流動(dòng)性和可泵性；可延緩炎熱天氣高氣溫環(huán)境下混凝土施工和大體積混凝土澆筑成型時(shí)對凝結時(shí)間（初凝和終凝）。大體積混凝土摻用β-CD能使水化熱釋放減慢，有利于熱量消散而降低混凝土內外溫差，避免產(chǎn)生溫度裂縫。同時(shí)β-CD可以顯著(zhù)提高混凝土的的密實(shí)程度從而提高混凝土的耐久性，例如用于高鐵橋梁等國家重點(diǎn)工程等。

γ-CD由于結構的優(yōu)越性，包接的物質(zhì)很多，包括稀有氣體、鹵素、染料、香料、藥物、食品、農藥和防腐劑等。包接后，其穩定性、揮發(fā)性、溶解性、反應性都有所改善。γ-CD的這種特殊作用，使它成為具有廣泛應用價(jià)值的包接材料。

在醫藥工業(yè)中，利用γ-CD能與藥物生成包接物（包囊化），可以使不穩定的藥物穩定化；潮解性、粘著(zhù)性或液體藥物粉末化；難溶性或不溶性藥物可溶化（增溶）等。應用于環(huán)保型水性膠黏劑及其生產(chǎn)工藝中，利用了硅丙乳液化學(xué)穩定性好、機械穩定性?xún)?yōu)異、最低成膜溫度低、粘接性能優(yōu)異等特點(diǎn)，各原料在體系中分散性好，發(fā)明的水性膠黏劑固化時(shí)間短，施工性能佳，耐水性佳，成本低，使遮物簾牢固性高、強度好、結合密實(shí)，且壓合后可快速粘合，縮短了制作時(shí)間。在農藥工業(yè)中，γ-CD包接穩定化，某些農藥則可耐貯存及提高殺蟲(chóng)效力。食品級γ-CD可以用來(lái)消除與掩蓋特異臭味；提高與改良食品組織結構；減輕與除去苦澀味道；抗氧化同時(shí)保持與優(yōu)化風(fēng)味。在日用化學(xué)工業(yè)方面，在化妝品制造中也可用γ-CD作乳化劑及品質(zhì)改良劑。它還具有脫臭（如除口臭）與防腐作用、可用于牙膏、牙粉的制造。同時(shí)γ-CD在環(huán)境保護中可作為一種含油污水的處理劑。γ-CD的水溶液用來(lái)清洗油槽，并可回收處理其廢液，得到燃料油。γ-CD在化學(xué)領(lǐng)域的用途環(huán)糊精是一種有價(jià)值的化學(xué)試劑。當存在它的時(shí)候，熒光色素的熒光強度會(huì )顯著(zhù)增大，故可用于蛋白質(zhì)、氨基酸的分析；還可用它來(lái)分離長(cháng)鏈有機化合物、外消旋體等。此外由環(huán)糊精制成的吸附劑能用作色譜分析的吸附。還可以作絡(luò )合劑，也可用于酶活性研究、組織培養劑等。

環(huán)糊精的研究現狀

β-CD是目前工業(yè)生產(chǎn)中應用的最廣泛的環(huán)糊精，占全球環(huán)糊精產(chǎn)量的約70%，α-CD占約15%，而γ-CD僅約占5%，其余約10%的CD產(chǎn)量是各種CD的衍生品。β-CD由于易于分離和純化，價(jià)格顯著(zhù)降低，而α-CD和γ-CD由于生產(chǎn)過(guò)程中，由于酶特異性問(wèn)題，轉化率低，副產(chǎn)物多，分離困難，因而價(jià)格比較昂貴。目前生產(chǎn)γ-CD的環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶種類(lèi)較少，溫度穩定性較差，或者溫度穩定性較好的酶作用產(chǎn)物轉化率不高，通常通過(guò)添加有機溶劑或其他物質(zhì)打破反應平衡來(lái)增加產(chǎn)物的生成，從而導致最終生成的γ-CD有機溶劑殘留的問(wèn)題，挖掘更多的序列已知且溫度穩定性較好的糖基轉移酶，在不添加有機溶劑的情況下合成環(huán)糊精，對于推動(dòng)環(huán)糊精，特別是γ-CD的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有十分重大的意義。

南京先進(jìn)生物技術(shù)和生命科學(xué)研究院在首席科學(xué)家的帶領(lǐng)下，潛心研究，成功攻克技術(shù)難點(diǎn)，在酶特異性和產(chǎn)品轉化率上取得關(guān)鍵性成果，為大規模生產(chǎn)α-CD和γ-CD，為市場(chǎng)提供高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品打下良好基礎。