β-环糊精及其衍生物的应用研究进展

β-环糊精及其衍生物的应用研究进展摘要：包合物是一种分子的空间结构中全部或部分包入另一种分子而成，又称分子胶囊。环糊精由于其结构具有“外亲水，内疏水”的特殊性及无毒的优良性能。环糊精疏水空腔可以包结许多无机、有机及手性客体分子形成主-客体或超分子配合物[1]。采用适当方法制备的包合物能使客体分子的某些性质得到改善。近年来，对β-环糊精的研究已在各个领域取得许多成就。本文在阅读大量文献基础上，总结出β-环糊精及其衍生物在应用上的研究进展状况，并对其未来进展作了展望。关键词：β-环糊精，衍生物，包合物，应用1.β-环糊精及其衍生物与包合物环糊精(CD)是由环糊精葡萄糖残基转移酶(CGTase)作用于淀粉、糖原、麦芽寡聚糖等葡萄糖聚合物而形成的，由6～12个D-吡喃葡萄糖基以α-1,4-葡萄糖苷键连接而成的环状低聚糖[2]。最常见主要有环糊精α、β、γ三种，其中，β-环糊精应用最为广泛。β-环糊精及其衍生物可与许多无机、有机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的化学和物理性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性，因而在食品、环境、医药、药物合成、化妆用品、化学检测等方面都有广泛的应用。1.1β-环糊精的改性由于α-环糊精分子空洞孔隙较小，通常只能包接较小分子的客体物质，应用范围较小；γ-环糊精的分子洞大，但其生产成本高，工业上不能大量生产，其应用受到限制；β-环糊精的分子洞适中，应用范围广，生产成本低，是目前工业上使用最多的环糊精产品[3]。但β-环糊精的疏水区域及催化活性有限，使其在应用上受到一定限制。为了克服β-环糊精本身存在的缺点，研究人员尝试对β-环糊精母体用不同方法进行改性，以改变β-环糊精性质并扩大其应用范围。所谓改性就是指在保持β-环糊精大环基本骨架不变情况下引入修饰基团，得到具有不同性质或功能的产物，因此也叫作修饰，而改性后的β-环糊精也叫β-环糊精衍生物。β-环糊精进行改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的[4]。如今合成了许多含有各种功能基的衍生物，包括β-环糊精醚衍生物，β-环糊精酯衍生物，β-桥联环糊精，β-环糊精交联聚合物，与高分子相连的环糊精，嵌入功能基团改性β-环糊精等。1.2β-环糊精衍生物的应用β-环糊精衍生物具有比母体更优良的特性，从而增大了其应有范围和应用效果。水溶性β-环糊精衍生物具有更强的增溶能力，对于不溶性香料、亲脂性农药、亲脂类药物、有机试剂有非常好的增溶效果。不溶性β-环糊精衍生物可应用于环境监测和废水处理等环保方面，如将农药包结于不溶性β-环糊精聚合物中，在施用后就不会随雨水流失；β-环糊精交联聚合物能吸附水样中的微污染物（如无机重金属离子及有机酚类、胺类等）。经手性分子修饰的β-环糊精对手性分子的识别效果更好，能改善对映体的分离技术，它们在各种色谱、电泳以及分子组装、生物催化中都有重要的应用。引入光学活性基团的β-环糊精衍生物，使吸收光谱、荧光光谱、磷光光谱和圆二色谱等谱学手段的应用成为可能。β-环糊精酯衍生物、β-桥联环糊精等主要应用于仿生学中分子识别、模拟酶与生物膜功能研究。β-环糊精衍生物也可以作为生物解毒剂，分离和消除有毒物质。β-环糊精衍生物的开发及应用研究正在大力发展中，而它在食品工业中的应用虽刚刚起步，但已显示出较大的优越性及很高的理论研究和应用价值。特别值得提出的是其作为酶模型以及自组装与分子识别的主体将有着不可估量的发展前景。1.3β-环糊精包合物的优缺点β-环糊精包合物具有超微结构，呈分子状，分散效果好，易于吸收，药物的溶解度增大，调节药物的释放速度，提高药物的生物利用度。β-环糊精与药物包合是一种物理过程，不发生化学反应，使药物仍保持原有性质和作用，提高药物稳定性，避免水解、挥发和氧化等。药物嵌入β-环糊精筒状结构内形成超微粒分散物，因而释药缓慢，掩盖药物不良气味，降低药物的刺激及毒副作用等。β-环糊精为碳水化合物，能被人体吸收、利用，进入机体后断链开环形成直链低聚糖，参与代谢，无蓄积作用，无毒。β-环糊精包合物的缺点是对酸不稳定，受药物分子大小及形状的限制，水中溶解度较低，分解后在体内的β-环糊精转化为葡萄糖，故糖尿病患者不宜使用等缺点。2在农药领域中的应用随着科技的进步，农药在农业上得到了广泛应用,但由于多数属于疏水性农药，易被土壤胶体吸附，导致其在土壤中传输、降解困难，从而造成农药的积累、残留[5]。β-环糊精与农药形成包合物对农药分子具有增溶、控制释放、提高稳定性等功能，在农药制剂方面具有重要的应用价值。β-环糊精对农药污染物的降解有促进作用，对农药分子具有选择性识别作用，因而在农药污染物治理、农药残留检测方面也有重要的应用价值。2.1改善农药水溶性和稳定性β-环糊精及其衍生物的增溶作用与其分子结构密切相关，分子结构不同，相应的水溶性也不同，导致形成的包合物对药物的增溶作用也明显不同，但均在较大程度上改善了药物的水溶性和稳定性[6]。张慧容[7]等在β-环糊精及其衍生物对农药增溶方面已经进行了大量研究，结果表明，由于羟乙基-β-环糊精分子空腔的容积比β-环糊精大，而且它在水中的溶解度远大于β-环糊精，使得羟乙基-β-环糊精对农药的增溶效果比β-环糊精更显著。刘嫦娥[8]等研究了甲基化β-环糊精对甲基对硫磷和克百威的增溶实验，结果发现在25℃下，60g/L的甲基化β-环糊精溶液中，甲基对硫磷和克百威的溶解度比在纯水中分别提高了63.97和9.23倍。大量的实验表明[9]，β-环糊精及其衍生物的内腔体积与农药分子体积越接近，增溶效果越明显；β-环糊精及其衍生物对农药的增溶能力随农药正辛醇/水分配系数lgKow的增加而增大，表明β-环糊精及其衍生物空腔与农药分子之间的疏水作用是产生增溶作用的基础。一些研究表明[10]，β-环糊精类型及包合物制备方法对包合物中农药的释放具有重要影响，它能使包合物中的农药快速溶出而未出现控制释放现象。这是因为β-环糊精与农药分子之间所形成的包合物是非共价键作用，通过稀释可以使分子从环糊精的空腔中迅速释放出来。β-环糊精及其衍生物提高了农药的水溶性和稳定性，而且包合物中的农药能够快速溶出。这些研究为在农药制剂配方中合理利用β-环糊精及其衍生物、减少有机溶剂的使用奠定了基础。2.2提高农药生物活性据报道，β-环糊精与农药形成的包合物可提高农药的光稳定性，大大提高其生物活性，从而对病菌起到了很好的抑制作用。赵桦萍[9]等在研究羟丙基-β-环糊精与三氟氯氰菊酯的包合作用时发现，三氟氯氰菊酯与羟丙基-β-环糊精可形成包合物,其包合物形成后热稳定性增强,生物活性明显增强，且包合物具有水包油的特征,有望制成以水作为基质的农药剂型,以减少对环境的污染。对于农药制剂，人们要求其对靶标生物活性越高越好，对环境生物的毒性越小越好。目前有关农药经环糊精衍生物包合后的生物活性、毒性方面的研究报道较少，相关的作用机理还不明确，尚需进行大量研究工作，以便为包合物的应用提供理论指导。2.3抑制农药水解与光解农药在环境中的水解是农药分子与水分子发生相互作用的过程，是农药在环境中迁移转化的一条重要途径。水解反应是许多农药如有机磷等降解的主要途径。目前有关β-环糊精及其衍生物对农药水解影响的研究主要集中在有机磷农药，β-环糊精可以促进水解也可以抑制水解，这与β-环糊精、农药性质以及溶液酸碱性密切相关。β-环糊精对农药水解的抑制作用主要是由于β-环糊精对农药反应活性部位的酯基进行了保护，使农药不能与溶液中的羟基和β-环糊精的催化活性部位发生作用。β-环糊精对农药水解的促进作用很大程度上受农药分子中芳香环上的取代基性质和杂环性质以及β-环糊精尺寸的影响。由β-环糊精对农药水解影响的研究可以看出，溶液的pH、β-环糊精分子中二级羟基的甲基化作用、包合深度以及农药分子结构等多种因素影响着包合物中农药的水解。除水解外,光解也是农药在环境中主要的降解途径之一,而且光解是农药真正的分解过程,强烈影响着某些农药在环境中的归趋。β-环糊精及其衍生物与农药污染物形成包合物后对农药的光解也具有重要的影响。由于β-环糊精对农药光解影响的研究主要是在水溶液中进行的,因此β-环糊精对农药光解的影响结果与其对农药水解的影响相类似。此外，农药的光解还受到不同土壤成分的影响。腐殖酸是土壤中的重要成分之一，是光诱导自由基生成的光敏剂，其对农药光解具有重要的影响。在含有腐殖酸的水溶液中，β-环糊精可促进光诱导自由基的生成，并对其具有包结作用，β-环糊精疏水性空腔可促进包埋的自由基引发农药光降解反应。2.4检测农药残留目前，对农药的检测手段多为气相色谱法、液相色谱法等，这些方法具有检测限低、准确度高等优点，但也常常因为前期处理烦琐、仪器较为昂贵等使应用受到限制，有时还存在灵敏度欠佳的问题，不能满足对农药残留检测的要求。利用β-环糊精及其衍生物与农药的超分子相互作用而建立的荧光分析法则弥补了上述方法的缺点。荧光分析法具有灵敏度高、选择性好、方法简捷、重现性好、取样量少、仪器设备简单等优点，近几年已开始应用于农药残留的分析检测。段云青[12]等利用光谱法研究了β-环糊精与溴鼠灵(一种抗凝杀鼠剂)的超分子相互作用，实验结果表明，溴鼠灵能与β-环糊精形成1:1型的超分子包合物从而大大增强溴鼠灵水溶液的荧光发射强度。据此，建立了高灵敏度与高选择性测定水体中溴鼠灵的荧光分析法，并成功用于水样分析。荧光分析法的抗干扰能力及稳定性好，用其对市售的胡芹、茴子白、洋葱、菜椒等蔬菜上残留的氯氰菊酯进行检测，得到了满意的结果。3在环境保护中的应用由于污染的加剧，土壤中沉积了大量的有害重金属离子，严重降低了土壤质量。土壤中有机物的生物毒性危害很大，而利用β-环糊精的包合作用可以形成遮蔽其致毒位点的包合物,从而减弱毒性。β-环糊精在一定条件下可以直接和重金属离子配位生成多核金属化合物，这在污水处理中同样起到了很重要的作用。陈世界[13]等建立了测定痕量铜的荧光分光光度法，在应用此方法测定自来水中痕量铜，结果显示，测得方法的平均回收率为100.6%,平均相对标准偏差(n=6)为0.24%。反应中，由于β-环糊精的加入，Cu2+与水杨基荧光酮形成了大分子络合物，络合比增大，使得荧光熄灭值增大，测定灵敏度提高。4在药物制剂中的应用β-环糊精空腔大小适中,包合能力强,在人体内能被吸收、分解，对人体安全无毒，且能够大量生产，作为新型的药物包合材料，在最近几年得到了迅速的发展。β-环糊精与小分子药物制成β-环糊精包合物后，能显著改善药物的理化性质(提高稳定性,增加溶解度等)，为解决药物制剂中的难题提供了有效方法[14]。4.1提高药物的稳定性有不少药物成分受热、光、空气和化学环境的影响,失去部分或全部疗效，如将这些药物用β-环糊精进行包合，减少药物与外界的接触，能提高药物稳定性[15]。将药物与β-环糊精进行包合后之所以更加稳定，这与两者之间的相互作用有莫大的关系，包括主-客体间的尺寸匹配，热力学反应及化学计量比等。王茹林[16]等以乙基紫(EV)为光谱探针，采用紫外-可见光谱法测定了两种维生素(V)与β-环糊精(β-CD)、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)和磺丁醚-β-环糊精(SBE-β-CD)的包合特性，结果发现不同的环糊精对维生素分子的包合能力不同，依次为β-CDHP-β-CDSBE-β-CD，不同维生素分子与环糊精的包合常数也不同，尤以VC与β-CD包合较好，这主要是由于客体的分子骨架结构与环糊精的内腔尺寸较为匹配。张骞[17]等考察了布洛芬与α、β、γ-环糊精的主-客体相互作用时发现，实测的布洛芬-α-环糊精和布洛芬-β-环糊精包合物形成过程的热效应(ΔH)为负值，表明热效应对包合物的稳定是有利的,而布洛芬-γ-环糊精的形成则是一个吸热反应，焓变对其稳定不利。各包合物形成过程的熵变均是正值，从热力学公式ΔG=ΔH-可知，熵效应(TΔS)对各包合物的稳定均属有利因素。因此布洛芬与α、β-环糊精的形成过程是焓、熵协同驱动的过程,而与γ-环糊精的包结则为熵驱动过程。这些都为研究包合