FOOD SCIENCE AND TECHNOLOGY
食品科技
2010年第35卷第12
期
Advance in structure,embedment forming ability of large cyclodextrins
LI Xue-hong 1,LIU Yan-qi 1,AN Guang-jie 1,PARK Kwan-hwa 2
(1.Department of Food and Bioengineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou
450002;2.Department of Biology,University of Incheon,Incheon,Korea 402-749)Abstract:Large cyclodextrins are cyclic malto -glucans with a degree of polymerisation higher than nine.
Compared with the commom cyclodextrins of α-CD,β-CD and γ-CD,large cyclodextrins have new structural features and property due to their larger cavities.This review summarises the studies of the la
rge cyclodextrins from two aspects of structure and embedment forming ability.
Key words:large cycloextrins;structure;embedment;properties;advance
李学红1，刘延奇1，安广杰1，朴官华2
(1.郑州轻工业学院食品与生物工程系，郑州450002；
2.仁川大学生物系，韩国仁川402-749)
摘要：大环糊精是一类由9个及以上葡萄糖残基连接而成的环状麦芽聚糖，与3种常见环糊精 (α-CD 、β-CD 和γ-CD)相比，由于其分子环的尺寸较大，其结构和性质也表现出不同特性。从结构和包埋能力2个方面对大环糊精的最新研究进展进行概述。 关键词：大环糊精；结构；包埋；性质；进展中图分类号：TS 236.9
文献标志码：A
文章编号：1005-9989(2010)12-0238-04
大环糊精的结构和包埋性质
研究进展
收稿日期：2010-04-08
基金项目：河南省科技攻关项目(082102110017)；郑州轻工业学院博士基金项目(2007BSJJ)。作者简介：李学红(1969—)，女，博士，副教授，主要从事碳水化合物工程领域研究工作。
大环糊精是一类由9个及以上葡萄糖残基连接而成的环状麦芽聚糖的总称，由环糊精糖基转移酶等4-α-糖基转移酶作用于淀粉产生，1948年首次由Freudenberg 发现并报道。在以后的几十年中，陆续有新的不同聚合度(DP)的大环糊精被制备出来，到目前为止，已有高达数百聚合度的极大环糊精被发现并证实[1]。与3种常见环糊精(α-CD 、β-CD 和γ-CD ，DP 分别为6、7和8)相比，大环糊精分子环的尺寸增大，其结构和性质也表现出新颖特性。例如，大环糊精通常具有很高的水溶
性，水溶液透明且黏度很低；大环糊精生物学特性类似于淀粉，安全无毒[2]；另外，大环糊精的大环结构还显示独特的包埋性能等。因此，随着对大环糊精研究的不断深入，其在食品和医药等领域显示出巨大的应用潜力。本文从大环糊精的结构和包埋性质方面对其最新研究进展进行概述。1
大环糊精的结构
3种常见环糊精的立体结构已经广为人知[3]，而大环糊精由于水溶性高，分离纯化比较困难，
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2010年第35卷第12金瓶梅有几个版本
期
对其结构的了解还很有限。1.1
大环糊精CD 9、CD 10、CD 14和CD 26的晶体
结构
在数目众多的大环糊精中，有4种大环糊精在水中的溶解度相对较低，它们的聚合度分别为9、10、14和26(即CD 9、CD 10、CD 14和CD 26，相应的溶解度分别为8.19、2.82、2.30g/100mL 和22.4g/100mL)，由于分离纯化相对容易，目前已获得了这4种大环糊精纯的结晶体，利用X-衍射方法
对其晶体结构进行解析，由此得到了相应的结构信息[4]。
研究结果显示，相比于3种常见环糊精，这4种大环糊精的环的立体结构发生了不同程度的变形。如图1所示，CD 9外观呈现椭圆形类似船的形状，内部空腔被拉成狭长形；CD 10和CD 14结构的变形更加严重，内部空腔形成狭窄的沟槽状，值得特别注意的是，CD 10中G3和G4的连接、CD 14中G1和G7的连接是反式的(即相邻两个吡喃葡萄糖的伯羟基与仲羟基不在大环的同一侧)，形成局部的“带状下垂”结构，由氢键来维持稳定。CD 26的结构相对紧密，由两个反平行左手单螺旋组成双环，类似于“∞”形状，包含两个类似空腔，空腔直径与α-CD 接近，纵深类似“V ”形隧道；此外，结构中含两个“带状下垂”结构，而每个螺旋则由6个葡萄糖单元组成[5,6]。
1.2其他大环糊精的分子模拟结构
除上述4种大环糊精外，目前其他大环糊精的结构只能通过分子动力学模拟进行分析，利用核磁共振技术(NMR)在一定程度上也可以解析其结构特征。
对大环糊精进行13
C-NMR 测定，分子中的每个碳原子都可以得到单一的峰。决定大环糊精分
子结构的主要因素是扭转角Φ和Ψ，它们反映了在葡萄糖联接中C ＇1-O4和O4-C4键的旋转情况，
由于相邻葡萄糖单元之间存在O2和O ＇3氢键，这些扭转角被严格限制在一定的范围内。研究发现，大环中糖单元的增加会影响13C1和13C4的信号，如图2所示，大环糊精13C1和13C4的化学位移信号呈现一种周期衰减趋势，每隔6~7个葡萄糖单元就呈现一个周期，由此说明，大环糊精的结构也是呈周期性变化的[7]。独览梅花扫腊雪
利用计算机动力学方法可以对一些大环糊精的结构进行模拟[8]。根据分子模型工具结合小角X-衍射实验数据，对溶液中CD 21的结构进行推测，结果显示其分子类似于由单螺旋构成的三元环(象“三叶草”的形状)，转动半径为11.5魡。图3即为通过动力学模拟得到的几种大环糊精的结构图。研究还发现，大环糊精的结构取决于“力场”。如果大环糊精分子中加入了新的葡萄糖单元，则意味着引入了“张力”，当这种“张力”被引入地足够多时，分子中的扭转角会发生改变并导致分子适当变形，以达到减少张力的目的。所以，大环糊精结构变形的过程呈现周期性，这也与图2中大环糊精13C-NMR 化学位移发生周期性
变化的现象相吻合。
2大环糊精的包埋特性
2.1
CD 9的包埋特性
带状下垂西安税企通
带状下垂
带状下垂
带状下垂
CD 14CD 26
图1CD 14和CD 26晶体的立体结构
CD 24
CD 25
CD 27
CD 28CD 29CD 30
1.00.50.0-0.5-1.0-1.5-
2.0-2.5-
3.0-3.5-
4.0-4.5
6
11
1621
31
大环糊精中葡萄糖单元数
化学位移(p p m )
图2不同环糊精13C-NMR 的化学位移变化(相对于α-CD)
注：◆13C1，13
C2，△13C3，●13C4，○13C5，■13C6。
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关于大环糊精的包埋特性，研究最早的是首先被分离纯化出来的CD 9。Ueda 等选择了一系列客体分子与CD 9进行包埋，发现只有药物地辛高和安体舒通可以被CD 9增溶，增溶能力好于α-CD ，但不如β-CD 和γ-CD 。从相溶解度曲线计算包合常数K ，β-CD 、γ-CD 和CD 9与地辛高包埋的K 值分别为63000、33000M -1和1700M -1，与Spironolactane 包埋的K 值分别为13000、3900M -1和820M -1[9]。CD 9可以大幅度提高安体舒通的水溶性，最大增加值好于βCD-和γ-CD ，但所需CD 9的量却分别是βCD-和γ-CD 的5和10倍；而CD 9增溶地辛高的最大量则远小于γ-CD 。利用1H-NMR 对CD 9-地
辛高包合物进行分析，发现CD 9空腔内H-3和H-5有化学位移变化，而地辛高的18-甲基和19-甲基化学位移有小的变化；紫外分析显示，包合后的地辛高紫外吸光度下降。这些结果都说明了地辛高的部分分子基团被包埋进了CD 9的空腔内。
为进一步验证CD 9空腔对客体分子大小的选择性，选用了一系列分子大小不同的环状化合物(分子中分别含有8~15个C 原子数)与CD 9进行包埋沉淀实验[10]。如表1结果所示，β-CD 可与所有环化合物形成沉淀，而CD 9只与含11~15个C 原子的环化合物、α-CD 只与8~10个C 原子环化合物形成沉淀。这说明CD 9与客体包埋过程中同样存在其空腔与客体分子大小相匹配的问题。
近来关于CD 9最有意义的发现是CD 9能够与富勒烯C70形成可溶性包合物，而γ-CD 只能增溶C60，α-CD 和β-CD 对此无增溶能力，这一结果说明CD 9的特殊结构决定其能包合一些特殊化合物[11]。
2.2中等聚合度大环糊精的包埋特性
对于CD 10~CD 17，研究者使用毛细管电泳法研究其和一些小分子风味化合物的包埋作用。如图4结果所示，除了丁基-苯甲酸和布洛芬外，CD 10~
CD 17与这些化合物的包埋作用很弱，包埋常数K 几乎都在50M -1以下[12]。β-CD 是最好的包埋体，其次是α-CD 和γ-CD ，CD 10包埋效果最差，甚至不如线性麦芽低聚糖。CD 11-CD 14范围内随聚合
度增加，包埋常数呈上升趋势，从CD 15以后K 又开始下降。CD 14与丁基-苯甲酸的包埋常数大约分别是α-CD 和γ-CD 的1/3和1/2，CD 14~CD16对布洛芬的包埋常数与α-CD 和γ-CD 大小相当[13-14]。但此结果并不表示CD 10的包埋性能很差，只是说明其未碰到合适的客体分子。例如，Funane 研究CD 7-CD 12的包合能力时发现，CD 10对维多利亚B 的包埋能力与常见环糊精相似，是最有希望实现商业化的大环糊精之一[15]。
Kitamura 等利用等温滴定量热法研究了大环糊精混合物(CD 21~CD 32)与碘(I 3)的包埋作用，数据显示，此范围的大环糊精可以与I 3形成1∶2的包合物，包合常数K 1和K 2分别为700~7300M -1和3000~62600M -1，由于包合导致大环糊精分子灵活度降低，包合过程伴随着体系熵的大幅度下降[16]。Mun 等同样使用等温滴定量热法研究了CD 24-CD 44与一些表明活性剂的包埋作用，结果显示，大环糊精只与SDS 产生较强的包合作用，包合过程伴随着放热现象的发生[17]。
Fukami 等利用球磨机将大环糊精混合物(CD 22~CD 50)与C60粉末混合后进行固体研磨，发现
表1CD 9与大环化合物的包埋沉淀实验(25℃)大环化合物α-CD β-CD γ-CD δ-CD(CD 9)
1,5-环辛二烯387253-环壬烷酮637555-环癸烷酮339666-环十一烷酮-848735环十二烷酮-333642环十三烷酮-738956环十五烷酮
- 4.4
电磁泵
22
53
CH 3
CH 3
CH 3
COO -
180160140120100806040200
6
7
8
9
1011121314151617大环糊精聚合度
包埋常数(M -1)
ND 180160140120100806040200
6
7
8
91011121314151617大环糊精聚合度
包埋常数(M -1)
ND CH 3
CH 3
COO -
CH 3
图4大环糊精与丁基-苯甲酸(左)和布洛芬(右)的包合常数
(ND 为无数据)
添加剂与调味品
随着研磨时间的延长，大环糊精对C60的包合量不断增加，96h 后C60的水溶性增加到56mg/100mL (图5)。研磨后C60的X-衍射峰值大为降低、紫外光谱发生红移，这都说明大环糊精混合物与C60发生了包埋反应[18]。Nimz 等研究发现，CD 26可以与十一碳酸和十二碳酸形成包合物，X-射线结果显示包合物晶体中线性有机酸被深深包裹在CD 26的“V ”形隧道式空腔内；研究人员进一步又证明了有机醇、脂肪酸和一些表面活性剂同样可被CD 26所包埋[19]。在以表面活性剂为基质的蛋白质体系，正是由于大环糊精能够对表面活性剂进行有效地包埋清除，有利于蛋白质以恰当的方式进行折叠，大环糊精才被开发为蛋白质的折叠助剂，并已实现商品化[20]。
2.3高聚合物大环糊精的包埋特性关于聚合度超过50以上的大环糊精的包埋性质，目前研究的还不多。Kitamura 研究发现它们在一定程度上与直链淀粉相似，可以和丁醇、辛
醇和油酸等形成包合物，可以使8-anlino-naph －thalene 硫酸的荧光增强。高聚合度大环糊精对I 3的包合性能也很值得关注，它们有很高的包埋常数，与直链淀粉对碘吸附常数相近[7]
。这在一定程度上说明高聚合度大环糊精局部链具有很大灵活性，构型上更加接近于自由的淀粉链。
3讨论
总体上来说，大环糊精由于分子环较大，出于空间能量稳定的考虑其环结构常会发生扭曲变形，根据聚合度的大小形成不同形状的立体结构，相应分子中的亲水和疏水基团也会随机进行分布。与此结构相对应，大环糊精的包埋性能不如常见环糊精，即使大环糊精能够形成包合物，从动力学角度讲包合物也常常不是很稳定。但针对某些特殊的客体，大环糊精则表现出独有的包埋能力(如CD 9对C70的包埋)，因此，可以预计在一些
特殊的包埋应用领域，大环糊精将发挥其独有的作用。
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60050040030020010000
24
48
72
96
研磨时间/h
C 60浓度/(m g /100m L )
图5研磨时间对C60溶解度的影响
（下转２４９页）
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