环糊精

环糊精胡小丹2009210660摘要简单介绍了环糊精的概念、分类、常见环糊精结构和性质。重点综述β-环糊精的制备与应用。关键词环糊精；分类；制备；应用。1环糊精的概念环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha-、beta-和gama-环糊精(图1)。根据X-线晶体衍射、红外光谱和核磁共振波谱分析的结果，确定构成环糊精分子的每个D(+)-吡喃葡萄糖都是椅式构象。各葡萄糖单元均以1，4-糖苷键结合成环。由于连接葡萄糖单元的糖苷键不能自由旋转，环糊精不是圆筒状分子而是略呈锥形的圆环。由于环糊精的外缘(Rim)亲水而内腔(Cavity)疏水，因而它能够象酶一样提供一个疏水的结合部位，作为主体(Host)包络各种适当的客体(Guest)，如有机分子、无机离子以及气体分子等。其内腔疏水而外部亲水的特性使其可依据范德华力、疏水相互作用力、主客体分子间的匹配作用等与许多有机和无机分子形成包合物及分子组装体系，成为化学和化工研究者感兴趣的研究对象。这种选择性的包络作用即通常所说的分子识别，其结果是形成主客体包络物(Host-GuestComplex)。环糊精是迄今所发现的类似于酶的理想宿主分子，并且其本身就有酶模型的特性。因此，在催化、分离、食品以及药物等领域中，环糊精受到了极大的重视和广泛应用。由于环糊精在水中的溶解度和包结能力，改变环糊精的理化特性已成为化学修饰环糊精的重要目的之一。环糊精(化学式:C14H8O2)，是一种安特拉归农类化学物。环糊精的复合物存在于天然，也可以人工合成。工业上，不少染料都是以环糊精作基体；而不少有医疗功效的药用植物，如芦荟，都含有环糊精复合物。例如芦荟的凝胶当中的环糊精复合物，有消炎、消肿、止痛、止痒及抑制细菌生长的效用，可作天然的治伤药用。此外，利用环糊精的环糊精法是生产双氧水的最佳方法。图12环糊精的分类2.1常见环糊精环糊精是由D-吡喃型葡萄糖单元通过旷(1—4)糖苷键连接而成的一类环状低聚麦芽糖。根据葡萄糖单元数目的不同(6～13个)，环糊精可以分为旷α-、β-、γ-、δ-……θ-环糊精等，其中最常见的是聚合度分别为6、7和8的α-、β-、γ-环糊精(图1-1)。2.2分支环糊精分支环糊精也可用化学法合成，但在绝大多数情况下还是用酶法制备。按结构上的差异，分支环糊精主要分为两种：均分支环糊精和杂分支环糊精。具体分类见图1-2。2.3环糊精化学衍生物环糊精化学衍生物主要包括环糊精醚衍生物、环糊精酯衍生物、环糊精聚合物、环糊精高分子衍生物以及其他衍生物。具体分类如图1-3所示。2.4大环糊精大环糊精是一类由9个以上葡萄糖基组成的环状糊精混合物的总称。第一次报道聚合度在9～13的大环糊精是1965年，但却没有引起人们的高度重视。1996年T．Takaha等人的研究表明，D-酶(EC2.4.1.25)以直链淀粉作为底物时，直链淀粉可以发生环化反应，生成环状a-(1→4)一葡聚糖，亦即大环糊精，其聚合度从17到几百不等。该研究小组于1998年再次证实D酶作用于支链淀粉也能进行分子内糖基转移而发生环化反应。由于麦芽糖转糖基酶(EC2.4.1.25)和D-酶这两种酶的结构和催化相似性，提示如果用麦芽糖转糖基酶作用于淀粉，也可能催化淀粉糖基的分子内转移生成大环糊精。Y.Terada(1998)等人利用从ThermusaquaticusATCC33923克隆的麦芽糖转糖基酶基因，在E.coli中表达获得的麦芽糖转糖基酶，作用于直链淀粉，证实该酶同样可以像D-酶一样催化淀粉分子内的糖基转移形成大环糊精。同时，有研究证实，不仅麦芽糖转糖基酶和D-酶可以作用于淀粉生产大环糊精，而且几乎所有的4-a-糖基转移酶如CGT酶(EC2.4.1.19)、分支酶(EC2.4.1.18)和GDE酶(EC2.4.1.25／EC3.2.1.33)都可以催化淀粉形成大环糊精[1]。;3常见环糊精的结构与性质3.1常见环糊精的结构组成环糊精的D型吡喃葡萄糖单元都是处于椅式构象，而椅式构象中各糖基不能围绕糖苷键自由旋转，因此环糊精分子的立体结构是略呈锥状的圆筒形。其中，小端口由C-6位上的7个伯羟基组成，大端口由C-2和C-3位上的14个仲羟基组成。由于羟基聚集在其分子的外侧边缘，因此环糊精分子外壁具有较强的亲水性。环糊精的内腔是由C-3和C-5位上的氢原子与C-4位上的氧原子组成。由于C-3和C-5位上的氢原子对C-4位上的配糖氧原子具有屏蔽作用，使环糊精内腔具有较强的疏水性，从而可以包埋许多无机和有机化合物。环糊精分子中，C-2处的羟基易与相邻的吡喃葡萄糖单元C-3位的羟基形成氢键。由于分子大小适中，β-CD分子内形成的是环形的全氢键带，使分子具有相当的刚性，导致其在水中的溶解度最低(图2-1)；α-CD虽然在理论上有六组氢键，但由于其结构中有一个葡萄糖基单元处于扭曲状态，其圆环结构不完全对称，六个吡喃葡萄糖单元之间只形成四个氢键，空腔内未形成全氢键带，因此在水中的溶解度大于β-CD；γ-CD属于非共平面、具有绕性结构的分子，溶解度大于α-CD和β-CD。对环糊精的水溶液和二甲基亚砜溶液进行研究发现，环糊精羟基与溶剂问的氢键相对较弱；同时C-6位羟基几乎不参与分子内氢键的形成。图（2-1）图2-1一环糊精的分子结构特征由于环糊精表面分布着众多反应性羟基，同时具有一个疏水空腔，使其具有很多特别的性能，能与范围极其广泛的各类客体，比如有机分子、无机离子、络合物甚至惰性气体等，通过分子间相互作用形成主一客体包合物，从而对客体具有屏蔽、控制释放、活性保护等功能，因而广泛应用到医药和食品领域；同时，利用环糊精空腔与客体分子空间尺寸的匹配性，还可用于各种异构体的分子识别，制备分离材料等[2]。2.2常见环糊精性质2.2.1环糊精物理性质（1）水中结晶与吸湿性CDs与淀粉不同的一个重要物理性质是具有良好的结晶性。在α-，β-，γ-CD中β-CD最易制备成晶体，浓水溶液(如20％-60％)在室温或冰箱中放置，特别是当用玻棒搅动时迅速生成大量白色粉末晶体。2％-5％以下稀溶液室温下长时间放置司生成2mm×2mm×2mm甚至更大些的透明立方晶体。在旋光显微镜加上偏光情况下，观察到彩色消光现象。α-CD由于水中溶解度大，不易得到晶体，但浓αCD水溶液(12％左右)在冰箱中长时间放置能得到无色针状晶体。显微镜观察晶型是判断样品是否为CDs以及是哪一种CD的快速、简便方法。常用试剂是碘液(I2·KI)，将欲检定的CD水溶液l滴涂到载片上，在滴加的样品上再加l滴碘液于室温下放置，当液滴边缘水分蒸发干时，于显微镜下观察生成的晶体。晶体的形状随样品浓度变化[3]。CDs不具有吸湿性，但其空腔易与水分子形成稳定的水合物，前面所述环糊精的晶体其实都是环糊精水合物的晶体。仅一CD在相对湿度为11％时，每个分子能吸收4个水分子，随着相对湿度的增加，最多能吸收6.6个水分子；β-CD在相对湿度小于30％条件下，空腔能吸收3～6个水分子，当相对湿度大于45％时，则可吸收10～12个水分子；了一CD在相对湿度低于50％条件下，空腔含3～7个水分子，当相对湿度高于60％时，随湿度的增加，则可吸收11～16个水分子。除了γ-CD外，α-和β-CD在高相对湿度下吸收的水分子数与单晶结构分析的结果相一致。当环糊精的水合物晶体干燥失水时，其反射强度降低，最终变成无定形结构。反之，在高相对湿度下对无定形结构的CDs进行研磨，则又能使之转变成结晶形式[4]。（2）溶解度CDs在水及其他有机溶剂中的溶解度是一个十分重要的性质。表2-1列出了不同温度下环糊精在水中的溶解度。表2-1不同温度下CDs的水中溶解度[5]α-、β-和γ-CD在水中的溶解度差异很大。γ-CD水溶性最好，其次是α-CD，β-CD在水中溶解度最低。环糊精这种溶解度的差异主要与其分子结构有关，β-CD分子内形成了完全的环形氢键，使分子具有相当的刚性，导致其在水中的溶解度下降。从热力学观点来看，α-、β-和γ-CD在溶解过程中的焓变(△H)分别是32.1kJ／mol、34.8kJ／mol和32.4kJ／mol，熵变(△S)分别是57.8J／(k·mol)、49.0J／(k·mol)和61.5J／k·mol)。β-CD有着与α-、γ-CD不同的热力学性质，其与水的相互作用使体系质点变少，这种不适宜的熵变补偿了适宜的焓变，从而导致β-CD溶解度明显降低[6]。2.2.2环糊精的化学性质（1）化学反应环糊精具有非还原的端基，一般在非还原糖的鉴别反应中呈阳性反应。因而，它们与蒽酮呈显色反应，该法可用于环糊精的定量测定。高碘酸盐氧化α-、β-和γ-CD时没有甲酸或甲醛的生成，证明环糊精分子中不含有游离的端基。一个葡萄糖单元消耗一摩尔的高碘酸盐。经过起始诱导过程后，氧化作用速率周期性的增加，起始速率按α-β-γ-CD顺序增加。研究发现非环状糊精则没有该诱导期。环糊精在强碱溶液中的电阻与纤维素相似。（2）放射分解β-和γ-CD经γ-射线辐射，分子的断裂主要发生于l，4-糖苷键。然而，该机理不同于酸水解，没有葡萄糖生成，主要产物是麦芽六糖、丙二醛和葡萄糖酸，还有氢、一氧化碳和二氧化碳。在水中环糊精浓度增加时会降低其降解。在稀溶液中的降解类似于其酸水解。脱氧β-CD水溶液经辐射后，在放射分解物中可检测到葡萄糖、麦芽糖等物质。（3）酸水解部分环糊精酸水解会产生葡萄糖和一系列非环状麦芽糖类。包括和原环糊精具有相同数目葡萄糖单元的寡聚糖。具有完整环的环糊精对酸水解的稳定性要高于非环状糊精的2到5倍，这要取决于温度和酸性。（4）酶降解环糊精有一个值得注意的性质是它们对淀粉水解酶有很好的抵抗力。三由于环糊精不包含对β-淀粉酶敏感的端基，因此它们对β-淀粉酶有很好的抵抗力。而α-淀粉酶是结合分子内部，不需要自由端基，故它可以水解环糊精，但是水解速率很低。除了个别环糊精，大部分环糊精不会被发酵，不会被酵母利用。关于环糊精降解酶糊已有文献报道.。糊精能阻碍谷类α-淀粉酶吸附于淀粉粒上，因此它能阻碍淀粉孺分解作用。它们能有力的抑制甜马铃薯β-淀粉酶、菠菜叶脱支酶、克雷伯氏菌和马铃薯述磷酸化酶。多粘菌素杆菌淀粉酶、米曲霉淀粉酶和猪胰淀粉酶能水解环糊精，但水解速度缓慢[7]。最后将α-，β-，γ-CD的结构特征与重要物理参数汇于表2-2[8]表2-2α-，β-，γ-CD的结构特征和重要的物理参数三β-环糊精的制备3.1β一环糊精糖基转移酶的反应工艺条件王雁萍等(2003)以离子束诱变嗜碱芽孢杆菌得到CGTase高产菌株，发酵产的CGTase催化淀粉转化生产0一环糊精。研究内容包括：转化最适pH、转化前淀粉的预处理方式、酶用量及有机溶剂对转化的影响，从而揭示影响CGTase转化淀粉生成β-环糊精的关键因素，确定CGTase催化淀粉制备β-环糊精的最佳条件。β-环糊精的含量通过与酚酞形成无色复合物，用分光光度法在波长550nm处测定。3.1.1转化体系pH的影响将50g／L马铃薯淀粉糊化(100℃，15min)后，用Ca(OH)2分别调pH至6.5～9.5，每克淀粉添加1000U酶量，在50℃转化37h后，测定β-环糊精含量，结果显示：环糊精葡萄糖基转移酶具有较宽的pH适应范围，在pH6.5～8.5的范围内，转化淀粉生成β-环糊精的转化率较高(40％左右)，而pH高于8.5，转化率显著下降。3.1.2底物不同预处理方式的影响将140g／L马铃薯淀粉糊化后，分别按传统方法(调pH至6.0，85℃加入α-淀粉酶液化至与碘络合物呈棕色，100℃，20min灭酶活)处理后，加入CGTase进行转化及不经过传统方法处理而直接加入CGTase进行转化，每克淀粉加酶量为1000U，转化24h后测定p环糊精含量，计算淀粉转化生成β-环糊精的转化率分别为20.68％和21