环糊精简介

环糊精(cyclodextrins，CD)是芽孢杆菌属(Bacillus)产生的环糊精葡萄糖基转移酶(CGTase)作用于淀粉产生的一类环状低聚麦芽糖的总称。其由6-12个α-D吡喃葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键链接而成，最常见的环糊精含有6、7、8个葡萄糖分子，分别为α-环糊精（α-CD）、β-环糊精（β-CD）、γ-环糊精（γ-CD）。红外光谱、核磁共振波谱的分析结果表明，组成环糊精的葡萄糖单元处于椅式结构，因各糖基不能绕着糖苷键旋转，使得环糊精分子呈锥状的圆筒形。小端口由C-6位上伯羟基组成，大端口由C-2、C-3位上仲羟基组成，使其分子外壁具良好的亲水性；内腔由C-3、C-5位上氢原子和C-4位上氧原子组成，使分子内腔有较强疏水性。α-CD、β-CD和γ-CD空腔大小不同，因此可以包结不同的客体分子。在水相反应体系中，环糊精可以为疏水底物提供良好的疏水环境，促进底物参与反应，从而广泛应用于水相中进行的有机合成反应，已经报道了环糊精在还原、氧化、水解等反应中的应用。

 阿尔法环糊精

阿尔法环糊精（α-CD），分子式C₃₆H₆₀O₃₀，分子量为972.84，为白色或类白色无定形或结晶性粉末，易溶于水和丙二醇，几乎不溶于乙醇和二氯甲烷。α-CD是由6个葡萄糖单位经α-1,4糖苷键连接成环形结构的糊精，是葡萄糖基转移酶作用于淀粉糖浆的产物。α-CD水溶解度在25℃为14.5g/100ml，应用于要求环状糊精溶解度较高的场合。由于α-CD的内腔尺寸小于β-CD，更适合于包结小分子量的脂肪型客体（如聚乙二醇、多烯烃、脂肪酸等），使其更稳定。

贝塔环糊精（β-CD），是由环状糊精葡萄糖基转移酶作用于淀粉乳，经α-1,4糖苷键连接7个葡萄糖单位而成的环状结构的糊精。其分子式是C₄₂H₇₀O₃₅，分子量为1135，是一种白色结晶状的粉末，无臭、微甜。不具有吸湿性，但是容易形成稳定的水合物。β-CD的分子结构中间有一穴洞，其分子的葡萄糖苷键的仲醇羟基均位于穴洞环形结构的内侧，具有疏水性（亲油性）或非极性。由于这种结构上的特殊性质，能与许多种较小的分子化合物包接于穴洞内，形成包接络合物。其不溶于一般有机溶剂，但在吡啶、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和乙二醇中能够微溶。β-CD更适合于包埋芳香型客体（如百里香酚、柠檬醛、苯乙烯、大环内酯类等）。

 伽马环糊精

伽马环糊精（γ-CD），是一种非还原性环状糖类，由8个α-1,4糖苷键连接的D-吡喃葡萄糖单位环合而成。其分子式是C₄₈H₈₀O₄₀，分子量为1297.12。呈白色结晶或结晶性粉末，无臭、味微甜，易溶于水，极难溶于乙醇。与α-CD、β-CD相比，γ-CD具有更大的疏水腔，更高的水溶性，能够包埋分子量较大的客体分子（如类固醇、姜黄素等）来增加溶解度和稳定性，因此具有很好的生物利用度。

 环糊精功能和应用

1891年-20世纪30年代发现环糊精，并成功分离出α-CD和β-CD。20世纪70年代至今，环糊精化学研究进入鼎盛时期。利用化学修饰或酶法修饰的方法将取代基引入环糊精分子中，对其理化性质加以改进，大力开展环糊精在医药、食品、化妆品和分析化学领域的研究，许多修饰环糊精都已经实现商品化生产并投放市场。目前工业上大量生产且应用广泛的环糊精产品是β-CD。近年来α-CD由于其优良的理化性能及多种功效受到了越来越多的关注，也作为可溶性食物纤维或改善代谢综合症方面的素材用于功能性食品、药物辅料领域，其降低血糖浓度的功效和减肥功效也得到了权威认证和市场认可。

α-CD可调整肠胃功能，改善便秘，在肠道中会被正常寄生的某些细菌所分解，并转化为醋酸、丙酸、酪酸等一系列的短链脂肪酸；预防和改善糖尿病，能阻止糖类在肠内吸收，促进被包结后的糖类排泄，降低高淀粉膳食后的血糖峰值，达到抑制餐后血糖上升的效果；提高添加剂的稳定性，与维生素E、天然色素（β-胡萝卜素、叶绿素等）、食用香精（如玫瑰油、茴香脑等）等添加剂复配使用，可提高添加剂的稳定性，便于长期贮存或在食品中保持。

在食品工业中，α-CD能够为稳定水包油型乳液提供一种新的纯植物性的选择。此外，它还能够增强蛋白的湿性发泡和干性发泡效果，用作发泡剂时，可制作出完全不含脂肪或牛奶蛋白的新式慕斯甜点。α-CD在欧洲、美国和其他许多国家已获准用作可溶性膳食纤维，欧盟委员会也已证实阿尔法环糊精具有确凿的保健功效。研究发现，食用含有α-CD的淀粉餐食可以降低餐后血糖的上升幅度。对超重或肥胖糖尿病患者的初步研究发现，在4周至12周内从食用正常到高脂肪饮食的人中，α-CD与高脂血症患者的体重减轻或维持甘油三酯（TG）和胆固醇水平的降低有关。此外，α-CD可以刺激胰岛素和瘦素敏感性的产生。研究显示，食用含脂肪餐后，血液中TG水平显著降低与α-CD的调节作用有关。当食用碳水化合物、脂肪和蛋白质的混合餐时，发现餐后血糖水平没有差异。目前现有的研究结果表明，α-CD在脂质代谢中具有瞬时性和长期调节作用。α-CD通过调节血液中TG低水平表达从而降低能量摄入，并且通过减少餐后血脂以及与高脂饮食有关的促炎和促氧化状态，对改善健康具有积极影响。

β-CD是工业生产中很好的赋形剂、矫味剂、稳定剂、乳化剂、防腐剂、品质改良剂，广泛应用于制药业、食品行业、日用化工等领域中开发提高产品的稳定性和产品质量。

作为新型药用辅料主要用于增强药物的稳定性，防止药物氧化与分解，用于提高药物的溶解和生物利用度；降低药物的毒副作用；掩盖药物的异味和臭气。在食品加工和保存过程中β-CD可以防止各种香料、油料、香辛料及其它易挥发物质的挥发，长期保持食品香味不变；可以保持易氧化、遇光分解、遇热易变质的色素、氨基酸和维生素等营养成份的稳定。β-CD可以除去鱼、肉腥味及食品中补加维生素B等营养成份后的不愉快味道及其它食品中的异味，增加食品的适口性，也可以改善糖精和甜蜜素等甜味剂的口感。对于含油量高的饮料，如：冰淇淋、咖啡饮料及其它乳化食品等β-CD均可使其形成长期移稳定的乳状液，若与食品乳化剂配合使用，乳化效果更佳。同时可以使食品防腐剂、保鲜剂缓慢释放，提高防腐效果，延长食品保质期。

工业级β-CD掺用在商品混凝土和流化混凝土中，可以调节、控制坍落度损失，杜绝混凝土离析，使混凝土在所需要的时间段内保持良好的流动性和可泵性；可延缓炎热天气高气温环境下混凝土施工和大体积混凝土浇筑成型时对凝结时间（初凝和终凝）。大体积混凝土掺用β-CD能使水化热释放减慢，有利于热量消散而降低混凝土内外温差，避免产生温度裂缝。同时β-CD可以显著提高混凝土的的密实程度从而提高混凝土的耐久性，例如用于高铁桥梁等国家重点工程等。

γ-CD由于结构的优越性，包接的物质很多，包括稀有气体、卤素、染料、香料、药物、食品、农药和防腐剂等。包接后，其稳定性、挥发性、溶解性、反应性都有所改善。γ-CD的这种特殊作用，使它成为具有广泛应用价值的包接材料。

在医药工业中，利用γ-CD能与药物生成包接物（包囊化），可以使不稳定的药物稳定化；潮解性、粘着性或液体药物粉末化；难溶性或不溶性药物可溶化（增溶）等。应用于环保型水性胶黏剂及其生产工艺中，利用了硅丙乳液化学稳定性好、机械稳定性优异、最低成膜温度低、粘接性能优异等特点，各原料在体系中分散性好，发明的水性胶黏剂固化时间短，施工性能佳，耐水性佳，成本低，使遮物帘牢固性高、强度好、结合密实，且压合后可快速粘合，缩短了制作时间。在农药工业中，γ-CD包接稳定化，某些农药则可耐贮存及提高杀虫效力。食品级γ-CD可以用来消除与掩盖特异臭味；提高与改良食品组织结构；减轻与除去苦涩味道；抗氧化同时保持与优化风味。在日用化学工业方面，在化妆品制造中也可用γ-CD作乳化剂及品质改良剂。它还具有脱臭（如除口臭）与防腐作用、可用于牙膏、牙粉的制造。同时γ-CD在环境保护中可作为一种含油污水的处理剂。γ-CD的水溶液用来清洗油槽，并可回收处理其废液，得到燃料油。γ-CD在化学领域的用途环糊精是一种有价值的化学试剂。当存在它的时候，荧光色素的荧光强度会显著增大，故可用于蛋白质、氨基酸的分析；还可用它来分离长链有机化合物、外消旋体等。此外由环糊精制成的吸附剂能用作色谱分析的吸附。还可以作络合剂，也可用于酶活性研究、组织培养剂等。

环糊精的研究现状

β-CD是目前工业生产中应用的最广泛的环糊精，占全球环糊精产量的约70%，α-CD占约15%，而γ-CD仅约占5%，其余约10%的CD产量是各种CD的衍生品。β-CD由于易于分离和纯化，价格显著降低，而α-CD和γ-CD由于生产过程中，由于酶特异性问题，转化率低，副产物多，分离困难，因而价格比较昂贵。目前生产γ-CD的环糊精葡萄糖基转移酶种类较少，温度稳定性较差，或者温度稳定性较好的酶作用产物转化率不高，通常通过添加有机溶剂或其他物质打破反应平衡来增加产物的生成，从而导致最终生成的γ-CD有机溶剂残留的问题，挖掘更多的序列已知且温度稳定性较好的糖基转移酶，在不添加有机溶剂的情况下合成环糊精，对于推动环糊精，特别是γ-CD的产业化生产具有十分重大的意义。

南京先进生物技术和生命科学研究院在首席科学家的带领下，潜心研究，成功攻克技术难点，在酶特异性和产品转化率上取得关键性成果，为大规模生产α-CD和γ-CD，为市场提供高性价比的产品打下良好基础。