关于环糊精的研究状况

关于环糊精的研究状况

摘要：本文综述了环糊精的发现过程，环糊精的理化性质，提出了环糊精的改性，阐述了环糊精在现阶段医药、食品、环境保护、电化学、以及化妆品等方面的广泛应用，特别是食品的应用，展望了其广泛的利用空间，提出了环糊精可能的应用领域。

Abstract:This paper reviews the discovery process cyclodextrin, physical and chemical properties ,put forward the modified cyclodextrin and use of cyclodextrin in medicine food,environmental protection ,electrochemical at present stage and cosmetics and so on are wide.Especially the application of food.The paper do not omly prospecte its extensive ues of space,but also show us the possibility application fields about cyclodextrins .

关键词：环糊精应用进展

Key words: cyclodextrin application progress

一环糊精的发现与发展

自1891年Villiers发现环糊精至今已逾百年，它已经发展成为超分子化学最重要的主题，其间包含着许多科学家和科技工作者的智慧和劳动。Villiers最早从芽孢杆菌属（Bacillus）淀粉杆菌（Bacillus amylobacter）的1kg淀粉消化液中分离出3g可以从水中重结晶的物质，确定其组成为（C6H10O5）2*3H2O,称其为—木粉。1903年，Schardingei用分离的菌株消化淀粉得到两种晶体化合物，确认他们与Villiers分离出的—木粉是同一物质，并用碘—碘化钾反应区别了a-环糊精（a-cyclodextrin）和b-环糊精(b-cyclodextrin)，这种用碘液反应判断a-,b-环糊精的方法至今沿用。Schardinger成功的分离出春芽孢杆菌，取名软化芽孢杆菌（Bacillus macerans），至今仍然是生产和研究中经常使用的菌种。为了纪念他对建立环糊精化学基础的贡献，环糊精也曾经叫沙丁格糊精。继Schardinger之后在环糊精化学研究中起领导作用的是Pringsheim，他发现这种结晶性糊精和它的乙酰化产物能结合各种有机物生成复合体（complexes），由于使用不合适的冰点降低法确定分子量，以及许多推测缺乏事实依据，这一时期的研究工作进展很慢[1]。

从发现到20世纪初Schardinger发表他的第一篇关于α-CD和β-CD后，由Norman Haworth领导的英国环糊精研究小组详细的解释了组成环糊精的个小物质的大小和形成过程。直到1932年，环糊精和各种有机物形成复合物的性质已经被发现[2]。从20世纪30年代中期到60年代末是环糊精化学发展的第二阶段。Freudenberg最先得到纯环糊精，并和他的合作者根据乙酰溴和多甲基化反应产物的水解结果汇同文献报道的数据，提出Schardinger糊精是葡萄糖单元以麦芽糖方式结合的环状分子，分子内只含a-1,4糖苷键。

随后与1936年提出了这些结晶性糊精的结构。在1948~1950年间Pitha又发现了Y-环糊精并确认其结构[3]。这一时期平行加盟此项研究的还有French和Cramer两个研究小组，他们分离、表征了环糊精的物理化学性质，指出还可能存在环更大的分子以及与其他有机分子生成的复合体。这一时期的研究结果使人们认识到环糊精极有可能应用于工业。虽已建立实验室规模制备工艺，但由于对毒性的判断上存在争议，妨碍了在应用领域中的开拓研究[1]。

拥有的附属机构，到1988—1991年发展为财政独立的公司，最后于1991年成为CYCLOLAB股份有限公司，Szejtli任总经理兼研究导师，推出了大量在食品、医药等领域的应用技术，被国际冠以环糊精之父的美誉。从20世纪70年代初到现在，环糊精化学的研究进入了鼎盛时期。

70年代末以来环糊精化学的快速发展并成为构筑分子的重要主体，得益于技术科学的进入。各种新分析技术的完善和新仪器的出台，吸引了各领域科学家的关注，推动了环糊精化学的发展，其中具有代表性并已积累一定经验的是2DNMR、X射线晶体衍射和环糊精结合客体过程热力学函数的变化。提供的数据可以判断溶液中或固态由环糊精或修饰环糊精于相应客体形式复合体的拓扑形态、各原子或基团的空间排布，从中了解结合过程诱导的构象变化，和形成复合体产生的新功能。在收集、分析大量热力学数据的基础上，提供了从更总括的观点讨论和认识各种有机，无机客体被环糊精或修饰环糊精包含的性质以及控制超分子互相作用的因素。目前，环糊精已发展为超分子化学中最重要的一类主题之一[1,2]。

二环糊精的结构和性质

1、环糊精的结构特点

环糊精（cyclodextrins 简称 CDs）是由环糊精糖基转移酶作用于淀粉或直链糊精，由若干D-吡喃葡萄糖单元环状排列而成的一组低聚糖的总称，常见的环糊精有a-环糊精、b-环糊精以及y-环糊精3种。分别由6个、7个或8个葡萄糖单元以1,4糖苷键结合而成。环糊精分子形状为内疏水，外亲水的略呈锥筒状的空腔结构[。正是这种特殊结构，使得环糊精能作为宿主包含不同客体化合物，形成特殊结构的包合物，由此而形成主客体化学，也是当前热门课题——超分子化学的一部分。环糊精的分子结构参数如表1.

表1 环糊精的分子结构参数[4,5]

参数a-CD b-CD y-CD 葡萄糖单元数 6 7 8

相对分子质量972 1135 1297

空腔直径/nm 0.47-0.53 0.60-0.65 0.75-0.83

空腔高/nm 0.78-0.80 0.78-0.80 0.78-0.80 外圆周直径/nm 1.42-1.50 1.50-1.58 1.71-1.79

空腔大致体积

/nm3

0.174 0.262 0.427

参数α-CDβ-CDγ-CD

水中溶解度

/(g/1000克水) 25℃145 18.5 232 40℃2421 37 460 60℃——80 ——80℃——183 ——100℃——256 ——

在甲醇中的溶解度

/（g.dl-1）100％甲醇不溶不溶大于0.1 50％水溶液0.3 0.3 208.0

乙醇中溶解度/(g.dl-1) 100％乙醇不溶不溶大于0.1 50％水溶液大于0.1 1.3 2.1

丙酮中溶解度/(g.dl-1) 不溶不溶大于0.1 水中结晶形状针状棱柱状棱柱状

毒性无无无

上图为表2 环糊精的一些物理性质[4]

三种环糊精为白色结晶粉末，β-环糊精的溶解度与其他两种环糊精的差别很大，只要是因为环糊精聚集体与周围水分子的相互作用力不同以及在固态下晶格能的差别造成的。从表2中也可以看出，环糊精在水中的溶解度随温度上升而增高，在有机溶剂中，如甲醇、乙醇、丙醇等，环糊精不溶解。能够溶解环糊精的有机溶剂很少，因此可以利用此性能来提纯环糊精。环糊精对热和机械作用都相当稳定，没有固定的熔点，200℃开始分解。不同的环糊精的热稳定顺序为：γ-环糊精>β-环糊精>α-环糊精。经过大量实验证明，环糊精本身无毒性，可以被人体吸收。

2 化学性质

环糊精可以像淀粉一样，贮存多年不变质。在碱性乃至强碱性条件下，环糊精是稳定的，但是在酸性条件下，可以被水解生成葡萄糖和系列非环麦芽糖。由于环糊精分子中不存在还原基因，对酸的稳定性要比线性糊精高2-5倍。此外环糊精可以被α-淀粉酶和大肠内细菌所降解，但不会被葡萄糖淀粉酶降解。由于环糊精分子中存在大量的伯羟基和仲羟基，因此环糊精分子具有一定的活性，可以通过很多途径来对环糊精进行化学改性，制备环糊精衍生物。环糊精没有尾端基，其化学和酶反应性质与开链糊精有根本性差别。没有还原尾端基，不具还原性。也没有非还原性尾端基，有的淀粉酶不能水解。环糊精不能被酵母和其他种微生物发酵。

三环糊精的改性

所谓改性就是指在保持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，因此也叫修饰，而改性后的环糊精也叫环糊精衍生物[7]。

环糊精进行改性的途径有化学法和酶工程，其中化学法是为最主要的，改性后的环糊精又称为环糊精衍生物。化学改性是利用环糊精分子洞外表面的的醇羟基进行醚化、醛化、氧化，交联等化学反应，能使环糊精的分子洞外表面具有新的功能团。酶工程法是制备支链环糊精的方法，支链环糊精是单糖或低聚糖如葡萄糖、麦芽糖等通过转移酶的作用以α-1,6糖苷键结合于环糊精上形成的[5,6]。

随着烷基、酰基环糊精的不断合成，制备方法的得到了很大的发展，如今人们已能将氨基化合物、曡氮化合物等含氮类化合物通过形成C-N键连接到环糊精C-2，C-3或C-6位的若干C原子上。选择乙二胺作为修饰基团制备环糊精，合成的第一步是先将环糊精磺酰化，然后通过曡氮离子的亲核取代脱去磺酸基，环糊精的曡氮衍生物经还原便转变为环糊精的氨基衍生物，也可以由磺酰基-CD在DMF-Py混合物溶剂中与乙二胺作用，直接转变为

氨基环糊精[6]。

四环糊精应用

环糊精特殊的分子结构决定环糊精使得它不仅在理论研究有很大用处，而且在实际应用中很是广泛。这里主要就介绍环糊精在医药和食品工业中的应用。

1、环糊精在药物上的应用

环糊精无毒、无味，对人体无害，是最为合适的一种药物载体，因此在药物改性上的应用较为广泛，药物通过与环糊精形成包络物来提高药物的溶解度和稳定性，以增强生物利用度，缓解药物对肠胃的刺激，消除某些药物的异味。

有些用药物，如4-联苯醋酸，单独用药时，由于其不溶于水，生物利用度小，但当他和β-CD形成1:1包络物后，其溶解度提高了4.2倍，溶解速度提高了18倍，生物利用度也因提高，由于生物利用度的提高，用药量将大大减少，因此一些药物带来的毒副作用以及由此而引起的医疗危险也降低到最低限度[7]。又比如苯巴比妥与β-CD环糊精用饱和水溶液制的包合物也增加药物溶解度[8]。在水等溶剂中的溶解液是由加热的方法决定[10]。环糊精不仅应用于口服药，而且还应用于注射液，但是要指出的是含β-CD的注射液经皮下或肌肉注射后会引起局部组织坏死或溃疡，更有甚者会造成溶血，因此在注射液中应用β-CD需态度慎重，但是如果使用其衍生物代替则可以避免该缺陷。在国内，环糊精对药物的包络物的研究，不仅仅局限于西药，而且已经扩展到中草药并付诸于应用。在中草药的应用，主要也是用来增强药物的稳定性，例如莪术油具有抗肿癌的作用，其中的抗癌有效成分是其中的莪术醇，当它与β-CD包络后，稳定性大大提高，尤其是在氧化及光照条件下，稳定性由于混合物，这与未被包络的莪术油的注射剂，乳剂相比，增加了药物的利用率，还可以将包络物制成固体制剂，能进一步提高药物疗效，并延长药物有效期。发展环糊精在中草药中的应用，进一步改善和扩展中草药的药性，药效，显然是有重大意义的研究课题。

环糊精衍生物除了能提高药物的溶解度和稳定性外，还能用来控制药物的释放。有些药物的水溶性好，但其半衰期短，所以生物利用度小，如果与之相匹配的的β-CD衍生物形成包络物就可以控制药物在体内的释放。环糊精作为一种有前途的包络材料，广泛应用在制药领域，它能提高药物溶解度和稳定性，增强其生物利用度，减少用药量，消除或减轻其毒副作用，控制药物释放，延长药物作用期，提高疗效。有些药物包络物已被正式批准用于工业生产，如意大利已批准生产炎痛喜康/β-CD包络物等，这预示这环糊精包络物从实验阶段正式进入工业化生产阶段，今后随着工业生产环糊精的在增长，价格、质量等方面都会有较大改善，其应用会更加广泛，天然环糊精由于自身的缺点所限制应用，将由环糊精衍生物去拓

展，相比较而言，环糊精衍生物的应用前景更加广阔[9]。而且，CD还可以用于化妆品，它是护肤，护发等用品的添加剂[10]。而且，环糊精及其衍生物在基因传递上引起广泛关注，能和核算一起镶嵌，进而增加核算的稳定性和改善性能[1]。环糊精包合物还可以扩散通过毛囊和汗水管道但表面量很少[11]。

2、环糊精包合物在食品工业中的应用

环糊精在食品工业作为食品添加剂发展很快，应用面广[8]。

2.1 保护食品成分，防止发生光照、加热和氧化引起的变性

由于很多食品成分大多不稳定，易受氧、光或热作用分解或发生化学反应，导致食品的色、香、味发生变化。用CD包合，可使具挥发性、易损失的芳香成分被“密封”在CD孔腔内，可防止氧化或降解，或者可以通过添加CD将引起食品质量变化的成分移去。例如在果汁加工中，由于果蔬组织的破坏，果蔬中的多酚氧化酶的活性变化，引起多酚类物质发生反应，导致果汁的色泽加深。将环糊精应用在果汁加工中，可有效移去多酚氧化酶，防止褐变发生。不同的果汁加工中根据不同的需要添加不同种类的CD。芳香和辛辣调料如桂叶油、生姜油等大多不稳定，易受氧、光或热作用分解，用β-CD包合，可防止具挥发性，易损失的芳香成分氧化或降解，而且在加工过程中也非常稳定[12]。

2.2 消除食品中苦味和不愉快的气味

就果汁而言，其中过多的苦味物质消费者不希望的，如何减少其中苦味就是研究者的工作了，也是在果汁加工中的重要问题。有人采用流动床反应器，在其中添加β-CD和α-CD，用于处理脐橙和葡萄柚中的苦味物质，发现其都可以有效的去除苦味，但是前者会多减少20%的柚苷和精油。

2.3 降低螯合食品中的胆固醇

胆固醇过高是引起心血管疾病的主要原因，怎样降低食品中的胆固醇是食品工业中要考虑的重要问题，环糊精能够与胆固醇形成包合物，降低食品中的胆固醇。有人通过将β-CD 固定在玻璃珠上，然后添加在牛奶中，牛奶中的胆固醇移去率达41%，而固定的胆固醇珠可以重复循环使用。此外，该固定化的β-CD也可以用于奶油，奶酪，蛋黄等产品的胆固醇脱出，效果良好[13]。

2.4 发挥食品保存作用

CD被应用在食品包装材料中，其应用有两方面的有点，一是可减少包装材料中的氧气含量；二是可以改善包装材料的释放和转移速率特性[12]。

另外，环糊精在香精香料、食用色素、脱水果蔬中也有应用。而且CD具有防止糖果，糕点

发粘，降低糖果吸潮性等作用[13]。在食品中风味物质的提取，活性成分及微量元素的分析与检测都有很大作用，而且研究进展很大[13]。例如，芝麻油和β-CD包络成固体，用于煮熟食品，在50℃以上香味又可以重新释放出来，保持了其风味。用CD将液体的酒精、饮料、调味品等制成固体粉末，使添加，运输，贮存更为方便[14]。

3、环糊精在环境保护上的应用

环糊精在环境保护上的应用是基于CD能和污染物形成包络物，来减少环境污染，并且由于包络物的形成，使得污染物稳定，减少污染物尤其是有害污染物的发散[10]。CD可以使农药稳定化，例如，天然除虫菊酯是低毒高效的杀虫剂，但它易受光分解，经过CD包络，可以十分稳定，同时提高药效，减少用量，从而保护环境[14]。

4、作为除臭剂包络气体分子

含有CD和L-抗坏血酸的除臭剂，能出去氯气，并且能出去异味及异气。CD还可以用来制备多孔陶瓷除味剂，用于空调和空气除味网膜的制备等等，作为气味吸收剂来处理纤维、羊毛等。此外，CD还可以用来包络带香味的气体分子，目前，如果将空气清新剂的气体分子用CD包合，则香味会更加长久[10]。含有CD或者麦芽糖的溶液注入一种喷嘴，用来自磁控阀的压缩空气使之雾化，形成亲水雾帘后，臭味被除掉，其操作费用只有常规方法的十分之一。该方法特别适合用于除去工业废气，粪便臭气，屠宰场臭气，以及各种腐烂物的臭气[18]。

5、在电化学上的应用

环糊精在电化学方面的应用有两个方面：一是用电化学方法研究环糊精包络物的电化学性质。1953年，Cramer将环糊精分别加如pH为7.0和8.0的甲基蓝水溶液，导致其氧化还原电位增加0.043—0.048V。后来大量的研究工作都是有关于环糊精及其包络物的电化学行为[15]。二是用环糊精包络物做活性物质制成传感器来做电化学分析[10]。相对于它在色谱上的应用，环糊精在电化学分析中的应用报道较少，主要是制成传感器用来扥系电活性物质[15]。近来，有人已经尝试用CD包合配合物引起的高选择性来作为电活性客体的极谱及伏安分析[16]。结合β-CD和碳材料的协同作用，发展了一系列电化学检测POPs的新材料和新方法，如采用湿化学法制备了β-CD--铂纳米粒子/石墨烯纳米复合材料，采用原子力显微镜、透射电子显微镜，傅里叶变换红外光谱和电化学方法对其表征，实现了对萘酚的超灵敏化学检测[17]。

此外，环糊精可以用作光纤传感器，环糊精光纤传感器的灵敏度较一般光纤传感器的灵敏度大14倍。环糊精还用在毛细管电泳来分离手性物质，以及生化技术等领域[10]。

6、环糊精在化妆品中的应用

环糊精包接香精用于化妆品已有不少例子，其目的都是为延长留香时间，减少香精对皮肤的刺激，或者是其能用于以水为基质的产品中。另外，也用于洗衣粉中，因为环糊精有消泡作用，可以减少织物的漂洗次数。环糊精增溶香精和亲脂性物质也比较突出，如薰衣草油不溶于水，但是与一定量的β-环糊精混合后，溶解性增加。环糊精还是一种有效的抗粉刺剂，因为它能包合皮肤中渗透出来的多不饱和脂肪酸，防止其被氧化，抑制自由基的形成，减少皮肤感染和炎症的发生也用于染发剂中[19]。环糊精形成的包合物能提高化妆品的稳定性。包合物质的稳定性耐热及耐光照性能会更强[20]。利用β-CD环糊精的特殊结构及性质对防晒物质VA进行包结、改性，提高其防晒性能，结果令人满意[21]。

五环糊精的应用前景

在化妆品领域中开发应用环糊精很有余地，前景看好[19]。环糊精在国外的应用已经相当普遍特别是在心脑血管药物，抗结核药物，高血压药物，胃肠病药物等方面的应用。环糊精的应用技术还掌握在少数比较前沿的科研人员手里，形成的生产力也即将开始。不过，化妆品工业使用环糊精在我国也是刚刚起步，都可以使用环糊精的复合物来充当中间介质，以改善活性成分的性能[20]。

环糊精的发展到现在已有一百多年，但早期由于环糊精生成酶稳定性差，产量低，分离提纯时加入的有机沉淀剂产生毒性等原因，使环糊精的研究与应用受到限制。直到七十年代中期，在解决了产量和毒性两大问题以后，才实现了一定规模的工业生产。今后环糊精的工业应用将更加集中于敏感性较强的芳香性物质的微包裹研究，主要应用于食品、医药、香料、化妆品、除草剂、杀虫剂等工业领域，随着环糊精价格的下降，环糊精化学的研究在新疆独特的资源优势中必将有更加广阔的应用前景[22]。有文献报道称，经研究的化学修饰的环糊精已有300多种[23]。

六总结

环糊精以其独特的结构特性，在食品、医药、环保、电化学等领域的广泛应用解决了许多前人无法解决的问题，为人们社会生活做出了巨大贡献。但是在许多问题上，特别是医药，食品。化妆品上的研究我觉得还要多多考虑其有无毒性。特别是多数改性环糊精水溶性好，毒性低，且价格适中，在应用领域有广阔的前景。环糊精既然有如此庞大的空腔，那么是不是可以将抗癌物质加入其中，作用于癌细胞？或者是加入一种能识别癌细胞里的DNA的物质，然后通过控制其复制，从而解决癌症问题？另外。环糊精外有很多基团，如果利用其外的羟基形成高聚物，然后应用在高分子材料中。

参考文献

[1] Jianxiang Zhang，Peter X，Ma. Cyclodextrin-based supramolecular systems for drug delivery：Recent progress and future perspective. Advanced Drug Delivery

Reviews.2013,1215-1233

[2] Thorsteinn Loftsson，Dominique Duchene. Cyclodextrins and their pharmaceutical applications：ScienceDirect. International Journal of Pharmaceutics 329 (2007）1—11 [3] Lajos Szete，Jozsef Szejtli. Hlghly soluble Cyclodextrin derivatives：chemistry，properties and trends in development. Advanced Drug Delivery Reviews 36(1997) 17—28 [4] 肖宏亮，高孔荣，谭盈科. 分子包覆材料环糊精在化妆品工业中的应用.华南理工大学化学工程研究所.1999,17-28

[5] 陈龙然1，袁唐培1，王雅芬2，冯明光1. 环糊精的性能、生产及其在食品工业中的应用.1.浙江大学生命科学学院 .2.杭州商学院食品与生物工程学院2003,24-8

[6] 张元超1，黄立新1，徐正康2. 环糊精的改性和应用研究进展. 现代食品科学与技术. 1.华南理工大学轻工与食品学院. 2.广州双桥股份有限公司2008,24-9

[7] Thorsteinn Loftsson*，Mar Masson. Cyclodextrins in topical drug formulation：theory and practice.Internationnal Journal of Phamaceceutice 225(2001)15—30. Faculty of Pharmacy,University of Iceland 225(2001) 15-30

[8] 张雪飞. 环糊精的研究进展及其应用.内蒙古名族大学学报.辽通职业学院医学

院.2010,5-16

[9] Thorsteinn Loftsson*，Dagn′y Hreinsd′ottir,，M′ar M′asson. Evaluation of cyclodextrin solubilization of drugs .Faculty of Pharmacy，University of Iceland,Hofsvallagata 53,IS-107 Reykjavik,Iceland. International Journal of Pharmace utics 302 (2005)18—28

[10] 古俊，常雁，潘景华*. 环糊精的实际应用进展.山西大学化学系. 1996,4-13

[11] Thorsteinn Loftsson* ，M′ar M′asson. Cyclodextrins in topical drug formulattions：theory and practice. Faculty of Pharmacy，University of Iceland. International Journal of Pharmaceutics 225(2001) 15—30.

[12] 纵伟*，苗榕宸，袁文亮. 环糊精包合物在食品工业中的应用. 食品工程. 郑州轻工业学院食品与生物工程学院. 2009,第3期

[13] 谭静，姜子涛*. 环糊精及其衍生物在食品领域中的应用. 食品研究与开发. 天津商业大学生物技术与食品科学学院天津市食品生物技术重点实验室. 2008,11-29

[14] 金征宇. 环糊精的性能、生产及其在食品工业中的应用.

[15] 项生昌. 环糊精在电化学中的应用. 大学化学. 福建师范大学化学系.2000，15-6

[16] 刘淑琴，刘志敏，潘景浩*.环糊精及其包合物的电化学研究及应用. 电化学. 山西大学化学系. 1996,2-4

[17] 朱刚兵. 基于β—环糊精和纳米碳材料的POPs电化学传感研究.湖南大学博士学位论文.

[18] 陈天朗，刘百斌. 环糊精在无机化学化工中的应用.化学研究与应用. 四川大学化学系

[19] 俪伟章. 环糊精性能及在化妆品中的用途. 日用化学品科学.1997,1

[20] 吴丽红. 用环糊精及其衍生物提高化妆品稳定性的研究. 华南理工大学工程硕士学位论文.

[21] 阮琼1，李永明1，阮瞾2，孙乘礼1，王智. β—环糊精维生素A包结及其在化妆品中的应用. 云南化工. 1、云南师范大学化学化工学院，云南大学外语学院. 2009,36-6 [22] 武俊杰，宋铁珊，陈志慧，刘力. 环糊精包合技术研究进展. 新疆师范大学学报. 中国科学院新疆理化技术研究所.2005,24-2

[23] 杨栋梁. 超分子结构环糊精及其在染整加工中的应用.