β-环糊精及其衍生物增加客体分子水溶性的研究进展

许 丹，刘建英，刘玉梅,

（1.新疆大学化工学院，煤炭清洁转化与化工过程自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；2.兰州新区生态环境局，甘肃兰州 730000）

虽然一些功效成分是人体和动植物生长所必需的，但是它们有着诸多缺点，如水溶性差、易挥发、易光解和易氧化等，以致于难以发挥作用。因此，改善这些功效成分的水溶性、稳定性对促进健康、节约资源具有非常重要的意义。环糊精作为一种具有内疏水、外亲水空腔结构的超分子化合物，可以与一些小分子化合物形成包合物，从而提升它们的水溶性、稳定性，掩蔽不良风味，提高其可接受度等[1]，在食品工业中应用广泛。环糊精（cyclodextrin，CD）本质上是一种天然环状低聚糖，是淀粉在淀粉酶的作用下的降解产物[2]，为内部中空的截锥状结构，截锥的内部具有疏水性，外部具有亲水性，具有增溶作用[3]。

在食品工业中，环糊精被用于去除某些食品性功能因子的不良气味和减少挥发性成分的挥发[4]。在生物医学中，环糊精聚合物被用于药物的控释研究，近几年又广泛应用于基因和医学领域[5]。早在1969年，Bucker等[6]就提出将交联环糊精用于食品；1984年Shaw等[7]开发了环糊精-环氧氯丙烷聚合物来降低果汁的苦味；2009年Li等[8]提出将β-环糊精用于固相微萃取吸附剂用于测定食品中艳蓝的含量；如今，环糊精主要用于食品的活性包装以及增加疏水性客体分子的水溶性方面[4]。图1列出了在ISI Web of Science平 台（http://apps.webofknowledge.com/）上以cyclodextrin和solubility为关键词检索，截至2020年3月发表的关于环糊精在增加客体分子水溶性方面的文献数量及所涉及研究方向。由图1可知，自1996年以来，关于环糊精增溶的论文篇数总体几乎呈线性上升趋势，至2015年以来增速减缓，但仍呈缓慢上升趋势。环糊精增加客体分子的水溶性涉及到许多的研究领域，其中化学、医药、食品生物领域的研究占比很大。

图1 环糊精水溶性的论文统计Fig.1 Statistics of water solubility of cyclodextrin

由于β-环糊精的空腔更适合与多种客体分子包合，故而其用途广，用量大，研究人员围绕β-环糊精及其衍生物开展了大量有益的工作，因此本文总结分析了近年来β-环糊精及其衍生物在食品领域应用的相关文献，归纳总结β-环糊精的代表性衍生物及其特点，分类论述β-环糊精及其衍生物与不同结构客体分子形成包合物的水溶性，并对β-环糊精及其衍生物在食品相关领域的应用做总结，此为β-环糊精相关领域的探究提供理论参考。

1 β-环糊精简介

环糊精是由α-1,4糖苷键连接吡喃葡萄糖单元而形成的大环寡糖，呈中空截锥状结构。最常见的环糊精是α-环糊精（α-CD）、β-环糊精（β-CD）和γ-环糊精（γ-CD），分别由6、7和8个吡喃葡萄糖单元构成[9]。其中β-环糊精来源广泛，价格也较为低廉，在工业上也最为常用，图2为β-环糊精的结构简图。

图2 β-环糊精的结构Fig.2 Structure of β-cyclodextrin

β-环糊精的空腔因更适合与多种客体分子包合，使客体分子被环糊精封装后，有效减少由于光照、氧气等其他环境因素造成的功效成分的降解，而被广泛用于多个领域[10]。

2 β-环糊精的代表性衍生物及其特点

由于天然β-环糊精存在水溶性低（25℃，18.5 mg/mL）[11]，肾毒性强[12]等缺点，因而在食品领域的使用受到了一定限制。因此，通过化学修饰改善β-环糊精的性质，从而开发一系列水溶性、安全性更好的烷基化、羟丙基化、丁基醚化的β-环糊精衍生物一直是一个重要的研究方向[13−15]。与β-环糊精相比，衍生化的β-环糊精性能从多个方面得到提高，如甲基化-β-环糊精的生物耐受性、吸附性、生物利用度、水溶性、稳定性都明显提升，组织毒性和刺激性明显减小；羟丙基-β-环糊精不仅水溶性得以提高，而且生物活性也更为优越[16]。由于疏水性客体分子的结构不同，具有不同衍生化基团的环糊精分子与之包合时，可通过比较包合物的功能活性等差异来选择更适合包合的环糊精。常见的β-环糊精衍生物有甲基-β-环糊精（M-β-CD），羟乙基-β-环糊精（HE-β-CD），羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD），磺丁基-β-环糊精（SBE-β-CD），羧甲基-β-环糊精（CM-β-CD），羟丁基-β-环糊精（HB-β-CD），苄基-β-环糊精（Benzyl-β-CD），氨基-β-环糊精（Amino-β-CD），任意甲基化-β-环糊精（RM-β-CD）等，表1对其主要特点及水溶性差异进行了归纳。

表1 几种常见的β-环糊精衍生物的特点Table 1 Characteristicsof several common β-cyclodextrin derivatives

3 β-环糊精及其衍生物的增溶机理

在β-环糊精分子中，由于葡萄糖单位的椅式构象，环糊精呈现截锥状结构，伯羟基分布于截锥的窄口端，两个仲羟基分布在宽口端，中心腔内排列着葡萄糖单位的骨架碳和醚氧，这使得环糊精空腔内部具有疏水性，羟基能与周围的水分子形成氢键，因而空腔外部呈现亲水性[30]。此外，研究还表明，由于β-环糊精分子中，2位和3位羟基会形成一个环状的分子间氢键，若是以其它基团取代易形成分子间氢键的羟基基团，会显著增加其水溶性[31]，这也侧面显示出β-环糊精的衍生物的水溶性优于其本身。在水溶液中，由于环糊精分子与水分子之间的氢键作用，水分子可以在环糊精分子周围形成一个“笼子”，协助环糊精分子将水溶性差的客体分子的一部分或整个分子困在环糊精空腔中（即包合到环糊精的疏水空腔中），形成稳定的疏水性客体分子/环糊精的包合物[32]，进而增加客体分子的水溶性。

4 β-环糊精及其衍生物与不同结构客体分子形成的包合物的水溶性

β-环糊精及其衍生物与客体分子进行包合时，包合形式不仅与客体分子的分子量、体积有关，而且与孔径的匹配程度有关。化合物的结构不同，所形成的环糊精分子的特征也存在一定的差异。

4.1 黄酮类化合物

黄酮（flavonoids）是一类存在于绝大多数植物体内、具有2-苯基色原酮（flavone）结构的化合物，在植物的生长、发育、开花、结果以及抗菌防病等方面起着重要作用。由于黄酮类化合物水溶性差，其生物利用度受到限制[33]。从结构特征上看，黄酮类化合物大多具有多个羟基，其尺寸形状与环糊精空腔大小的匹配程度、氢键的形成难易程度对于二者的包合起着至关重要的作用[34]，因此，在选择环糊精与之进行包合时，由于当环糊精分子中带有氨基和羟基时更有利于二者之间氢键的形成，因此多选用羟丙基-β-环糊精或带有氨基的环糊精衍生物。Mina等[35]的研究中发现Chrysin/HP-β-cyclodextrin包合物形成的过程中有七个氢键形成，虽然并未确切指出二者具体的包合过程，但多羟基的黄酮类物质确实与氨基或羟基改性的环糊精衍生物可更好的结合。

4.2 脂肪醇和多酚类化合物

脂肪醇和多酚类化合物具有较为丰富的羟基官能团，与黄酮类化合物结构中的功能基团有相似之处，通常水溶性也较差。Lu等[36]研究了β-环糊精以及羟丙基-β-环糊精对白蔾芦醇的増溶效果，研究表明羟丙基-β-环糊精对白藜芦醇的包合作用更强，推测由于羟丙基取代基扩大了β-环糊精分子的开口，破坏了分子内的氢键，使得客体分子更容易进入羟丙基-β-环糊精。Cai等[37]的研究还发现，由于宿主和客体分子之间的疏水相互作用，E-白皮杉醇分子在水相中会自发地与羟丙基-β-环糊精分子进行包合，当在反应体系中加入不同种类的醇作为助溶剂时，由于醇会引起溶液极性降低，E-白皮杉醇分子在溶剂中的溶解度有所增大，与环糊精分子的包合率反而会降低；该现象表明醇分子会在E-白皮杉醇分子周围形成疏水层，由于水分子与乙醇分子间存在更强的氢键，随着乙醇浓度的增加，水化层中乙醇分子增多，导致客体分子与水分子之间氢键作用力减弱，水化层被破坏，导致客体分子与环糊精的包合率降低。

黄酮、脂肪醇和多酚类化合物与β-环糊精的包合的结构特征见图3，图中显示了包合客体与环糊精形成的氢键作用。

图3 黄酮、脂肪醇和多酚类化合物与β-环糊精的包合模式Fig.3 Inclusion mode of flavonoids,fatty alcohols, polyphenols with β-cyclodextrin

4.3 香豆素类化合物

香豆素类是含苯骈α-吡喃酮结构的芳香含氧杂环化合物，广泛存在于植物和微生物的代谢产物，具有抗菌、抗病毒等生物活性[38]。香豆素类药物可以抑制凝血因子在肝脏的合成，其药理作用优异，但其水溶性有待提高。Dai等[39]通过对比香豆素和7-羟基香豆素与β-环糊精形成包合物的包合效率发现，香豆素的苯环能更好的进入环糊精的疏水空腔，与环糊精产生更优异的包合效果。由于香豆素是一类重要的光响应单元，当使用大于300 nm的紫外光照射时，香豆素环上的双键发生了2+2环加成，形成了环丁烷型二聚体，这有利于包合物的稳定。图4为香豆素类化合物与环糊精的包合示意图，由于其结构通式中的双键易发生2+2环加成，使其更容易发生2:2包合形成稳定的包合物。

图4 香豆素类化合物与β-环糊精的包合模式Fig.4 Inclusion mode of coumarin compounds with βcyclodextrin

4.4 萜类化合物

萜类是植物精油、树脂、色素等的主要成分，广泛存在于自然界，具有止咳、祛痰、镇痛、发汗、驱风、驱虫等多种生理活性。然而，这类化合物水溶性差、挥发性强、性质不稳定，环糊精可包合这类化合物分子以改善其性质。环糊精与萜类化合物包合时通常会形成1:1（或2:2）的包合物，两个环糊精分子可头头相接形成环糊精胶囊将萜类化合物包合起来。Ceborska等[40]的研究中发现，异胡薄荷醇与三种环糊精（α，β，γ-环糊精）分子均能形成包合物，但仅能与β-环糊精和γ-环糊精形成胶囊状包合物，这是由于α-环糊精的孔腔相对于异胡薄荷醇来说过小而不足以包合异胡薄荷醇分子；另外该研究还发现，异胡薄荷醇与β-环糊精形成的包合物具有更大的络合稳定常数，因此可推测，相比于分子间作用力对络合过程所起的作用，空腔大小在包合物的形成过程中亦是非常重要的影响因素。Asztemborska等[41]研究了两种萜类化合物香叶醇和α-松油醇与环糊精的包合结构，发现两个环糊精主体分子间形成O-H···O的氢键将胶囊空腔固定下来，两个对称独立的客体分子占据了环糊精胶囊的内部空间。腔内的所有客体分子都是头对头定向的，其余位置水分子无序填充形成稳定的环糊精包合物。如香叶醇分子的脂肪族端部微穿透于同一胶囊的第二个环糊精空腔，香叶醇的羟基端部伸出分子胶囊；而由于α-松油醇分子与香叶醇分子相比非常短的缘故，α-松油醇的两个客体分子都能很好的藏进环糊精分子胶囊中。在环糊精形成的胶囊中，除含有两个萜类化合物分子外还含有大量的水分子，约占整个胶囊体积的一半，在水分子的参与下在环糊精与客体分子之间形成更多的氢键，这都有利于改善包合物结构的稳定性。图5为萜类化合物与环糊精的包合示意图。

图5 萜类化合物与 β-环糊精的包合模式Fig.5 Inclusion mode of terpenes with β-cyclodextrin

5 基于β-环糊精及其衍生物的应用

5.1 在食品领域的应用

食品中存在多种营养成分，包括脂溶性维生素，酚类化合物，脂肪酸、精油等。它们中多数因易氧化、不耐光、不耐热、水溶性差等因素限制了其在食品中的应用，而环糊精封装可有效提高其在加工和储运中的稳定性，也可增加其生物利用度。此外，一些活性成分的风味令人难以接受，但有时为了达到治疗目的必须服用，经环糊精包合也可改善其口感。比如，赵星华等[42]研究发现用β-环糊精将芳樟醇包合后，可以有效减少其挥发、增加其稳定性和水溶性并较好地掩盖其刺激性气味；从复杂基质中提取的多酚类化合物极易在高温和光照下分解，其不稳定性、吸湿性严重影响利用率，使用环糊精封装可有效解决这些问题，同时使目标分子拥有更优的物理化学性质，如抗氧化剂活性和稳定性[43]；巩卫琪等[44]将香芹酚与β-环糊精进行包合，增加了香芹酚的稳定性。再如，类胡萝卜素是一类分布广泛的重要脂溶性色素，因其在预防癌症等疾病方面有重要作用而备受关注，然而类胡萝卜素的水溶性较差，在光、热、氧的存在下非常不稳定，当形成环糊精包合物后其水溶性及稳定性都有了较大提高[45]。精油中的酚类化合物可以作为食品添加剂，具有优越的抗氧化性、防腐性。丁香酚是一种黄色油状液体，是精油中具有强抗氧化能力的佼佼者，具有较强的自由基清除能力。但丁香酚易挥发、水溶性低，而将丁香酚与环糊精进行包合后，可以提高其在水中的溶解度，并且增加了其耐热稳定性和抗氧化活性[46]。环糊精与食品有效成分进行包合后，在胃肠道内释放出来，经小肠吸收，多余部分随着人体代谢排出体外。目前，2-羟丙基-β-环糊精已经被美国食品药品监督管理局（FDA）授权为药用辅料[47−48]。一些重要的食品功能因子的环糊精包合物的应用见表2。

表2 β-环糊精及其衍生物与食品功能因子形成的包合物的应用Table 2 Application of inclusion complex by food functional factors with β-cyclodextrinand its derivatives

5.2 在其他食品相关领域的应用

在人体中，水是维持人体健康的重要物质，为体内各类生化反应提供反应场所。药物作用于人体时要求其有效成分能溶于水（体液），进而通过体液运往组织器官，以达到治疗目的；而未被人体利用的部分能很快随体液排出体外，不会残留体内对人体产生副作用。药物具有良好的水溶性是实现有效给药的重要前提，大多数的生物膜上都覆盖着水状的外层，药物溶解在水中后才能从生物膜渗透入细胞而发挥作用[62]。总体上，超过70%的药物水溶性差、对于胃肠道溶解度低/渗透性低，提高药物的水溶性具有重要意义[33]，这也可直接提高药物的生物利用度。环糊精外亲水内疏水的特殊结构使其内部孔洞可以与药物分子结合，而环糊精外部与水的亲和性使药物分子与环糊精形成的包合物水溶性明显增加[63−65]，同时药物的稳定性及生物活性也显著提高[64]。药物分子被环糊精包合后可随体液迅速运达细胞，同时在体液及各种酶的作用下药物分子从环糊精空腔中被释放出来；然而由于环糊精分子中6位羟基的活性强于2位及3位羟基，当药物分子与环糊精上不同羟基结合形成的包合物存在着不同的释放机制[65]。释放后的药物分子在体内发挥作用，而未能及时释放部分或少量未利用的部分将随着新陈代谢过程被排出体外。金属有机骨架（MOFs）是一类由金属离子（或金属簇）和有机配体通过配位键形成二维或三维网络结构的多孔晶体材料。环糊精与金属离子结合形成环糊精-金属有机骨架（CD-MOFs）具有良好的生物相容性[66]，是一种绿色的、可再生的骨架材料，以笼状纳米孔为模板，不溶性药物被成功地以纳米团簇的形式限制在CD-MOFs纳米笼中，可有效提高不溶物的生物利用度和表观溶解度[67]。

因为多数农药的水溶性差，所以要增大用量来达到杀虫除草的目的。因此，解决多数农药的水溶性问题有重要意义。Zhang等[68]介绍了一种可根据种子萌发前后的生理变化选择性发挥作用的磺胺氟脲类除草剂，具有应用范围广，杀菌效果好，有良好的作物选择性，低毒，现在已经广泛用于控制豆田杂草。然而，由于该除草剂水溶性较差，在使用时必须加入有毒的有机溶剂和添加剂来提高其溶解度，易造成环境污染；而使用环糊精包合后则明显提高了其水溶性，对保护环境作用突出。Imidacloprid是一种广泛应用于控制各种土壤昆虫和节肢动物的高效杀虫剂，但其本身在水中几乎不溶，采用β-环糊精包合后其水溶性大幅提高，且杀虫效果更为优异[69]。未能利用的部分随着太阳的光热作用挥发分解或经雨水冲刷进入土壤后被降解，避免了因长期大量使用而造成的农药存留对人体和环境造成的伤害，客观上有效保障了食品的安全性。

还有研究发现，环糊精包合物（CD-IC）在水溶液中以非常高的客体分子容纳能力成功实现了电纺，这些CD-IC纳米纤维能为生物医学、食品包装和香味释放等各种应用开辟可能性，很多文献也报道为增加精油（EOs）的水溶性而使用环糊精封装技术[70]。柠檬烯是从植物中提取的一种高挥发性化合物，当采用环糊精对其进行封装，柠檬烯与环糊精纳米纤维网复合后增加了其水溶性，同时还保持了抗菌活性，在食品领域具有较大的应用潜力[71]。

6 结论与展望

环糊精的包合能力和其他多种特性使其在食品等领域均有重要应用。了解影响包合物形成的各种因素是制备理想的环糊精包合物的前提。另外，由于环糊精本质上是一种多糖，从安全的角度考虑将其用于食品等与人体健康有关的领域也更为可靠。尽管环糊精在增溶方面有广阔的应用前景，但对于研究生物利用度等方面还待更深入的研究。基于目前合成的β-环糊精衍生物，有必要结合动物甚至临床试验来说明其功效。