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(zhuǎn)移酶(CGTase)作用于淀粉產(chǎn)生的一類環(huán)狀低聚麥芽糖的總稱。其由6-12個(gè)α-D吡喃葡萄糖單元通過α-1,4糖苷鍵鏈接而成，最常見的環(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(jié)果表明，組成環(huán)糊精的葡萄糖單元處于椅式結(jié)構(gòu)，因各糖基不能繞著糖苷鍵旋轉(zhuǎn)，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(nèi)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(nèi)腔有較強(qiáng)疏水性。α-CD、β-CD和γ-CD空腔大小不同，因此可以包結(jié)不同的客體分子。在水相反應(yīng)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(yīng)，從而廣泛應(yīng)用于水相中進(jìn)行的有機(jī)合成反應(yīng)，已經(jīng)報(bào)道了環(huán)糊精在還原、氧化、水解等反應(yīng)中的應(yīng)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，為白色或類白色無定形或結(jié)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(jié)構(gòu)的糊精，是葡萄糖基轉(zhuǎn)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(yīng)用于要求環(huán)狀糊精溶解度較高的場(chǎng)合。由于α-CD的內(nèi)腔尺寸小于β-CD，更適合于包結(jié)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(wěn)定。
貝塔環(huán)糊精
貝塔環(huán)糊精（β-CD），是由環(huán)狀糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的糊精。其分子式是C42H70O35，分子量為1135，是一種白色結(jié)晶狀的粉末，無臭、微甜。不具有吸濕性，但是容易形成穩(wěn)定的水合物。β-CD的分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，具有疏水性（親油性）或非極性。由于這種結(jié)構(gòu)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(nèi)，形成包接絡(luò)合物。其不溶于一般有機(jī)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(nèi)酯類等）。
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，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(jié)晶或結(jié)晶性粉末，無臭、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（如類固醇、姜黃素等）來增加溶解度和穩(wěn)定性，因此具有很好的生物利用度。
環(huán)糊精功能和應(yīng)用
1891年-20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精，并成功分離出α-CD和β-CD。20世紀(jì)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(duì)其理化性質(zhì)加以改進(jìn)，大力開展環(huán)糊精在醫(yī)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(xiàn)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(yīng)用廣泛的環(huán)糊精產(chǎn)品是β-CD。近年來α-CD由于其優(yōu)良的理化性能及多種功效受到了越來越多的關(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(quán)威認(rèn)證和市場(chǎng)認(rèn)可。
α-CD可調(diào)整腸胃功能，改善便秘，在腸道中會(huì)被正常寄生的某些細(xì)菌所分解，并轉(zhuǎn)化為醋酸、丙酸、酪酸等一系列的短鏈脂肪酸；預(yù)防和改善糖尿病，能阻止糖類在腸內(nèi)吸收，促進(jìn)被包結(jié)后的糖類排泄，降低高淀粉膳食后的血糖峰值，達(dá)到抑制餐后血糖上升的效果；提高添加劑的穩(wěn)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(fù)配使用，可提高添加劑的穩(wěn)定性，便于長(zhǎng)期貯存或在食品中保持。
在食品工業(yè)中，α-CD能夠?yàn)榉€(wěn)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(qiáng)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(guó)和其他許多國(guó)家已獲準(zhǔn)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(xiàn)，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(duì)超重或肥胖糖尿病患者的初步研究發(fā)現(xiàn)，在4周至12周內(nèi)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水平顯著降低與α-CD的調(diào)節(jié)作用有關(guān)。當(dāng)食用碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的混合餐時(shí)，發(fā)現(xiàn)餐后血糖水平?jīng)]有差異。目前現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，α-CD在脂質(zhì)代謝中具有瞬時(shí)性和長(zhǎng)期調(diào)節(jié)作用。α-CD通過調(diào)節(jié)血液中TG低水平表達(dá)從而降低能量攝入，并且通過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(duì)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(wěn)定劑、乳化劑、防腐劑、品質(zhì)改良劑，廣泛應(yīng)用于制藥業(yè)、食品行業(yè)、日用化工等領(lǐng)域中開發(fā)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。
作為新型藥用輔料主要用于增強(qiáng)藥物的穩(wěn)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(zhǎng)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(yǎng)成份的穩(wěn)定。β-CD可以除去魚、肉腥味及食品中補(bǔ)加維生素B等營(yíng)養(yǎng)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(duì)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(zhǎng)期移穩(wěn)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(zhǎng)食品保質(zhì)期。
工業(yè)級(jí)β-CD摻用在商品混凝土和流化混凝土中，可以調(diào)節(jié)、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(nèi)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(duì)凝結(jié)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(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫度裂縫。同時(shí)β-CD可以顯著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(guó)家重點(diǎn)工程等。
γ-CD由于結(jié)構(gòu)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(nóng)藥和防腐劑等。包接后，其穩(wěn)定性、揮發(fā)性、溶解性、反應(yīng)性都有所改善。γ-CD的這種特殊作用，使它成為具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的包接材料。
在醫(yī)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(wěn)定的藥物穩(wěn)定化；潮解性、粘著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(yīng)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(wěn)定性好、機(jī)械穩(wěn)定性優(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(qiáng)度好、結(jié)合密實(shí)，且壓合后可快速粘合，縮短了制作時(shí)間。在農(nóng)藥工業(yè)中，γ-CD包接穩(wěn)定化，某些農(nóng)藥則可耐貯存及提高殺蟲效力。食品級(jí)γ-CD可以用來消除與掩蓋特異臭味；提高與改良食品組織結(jié)構(gòu)；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(hù)中可作為一種含油污水的處理劑。γ-CD的水溶液用來清洗油槽，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(dāng)存在它的時(shí)候，熒光色素的熒光強(qiáng)度會(huì)顯著增大，故可用于蛋白質(zhì)、氨基酸的分析；還可用它來分離長(zhǎng)鏈有機(jī)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(yǎng)劑等。
環(huán)糊精的研究現(xiàn)狀
β-CD是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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)格顯著降低，而α-CD和γ-CD由于生產(chǎn)過程中，由于酶特異性問題，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶種類較少，溫度穩(wěn)定性較差，或者溫度穩(wěn)定性較好的酶作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率不高，通常通過添加有機(jī)溶劑或其他物質(zhì)打破反應(yīng)平衡來增加產(chǎn)物的生成，從而導(dǎo)致最終生成的γ-CD有機(jī)溶劑殘留的問題，挖掘更多的序列已知且溫度穩(wěn)定性較好的糖基轉(zhuǎn)移酶，在不添加有機(jī)溶劑的情況下合成環(huán)糊精，對(duì)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(zhuǎn)化率上取得關(guān)鍵性成果，為大規(guī)模生產(chǎn)α-CD和γ-CD，為市場(chǎng)提供高性價(jià)比的產(chǎn)品打下良好基礎(chǔ)。
