什么是β-環糊精
近年來，β-環糊精包合技術在藥品與食品工業中應用愈來愈廣泛，在藥品上運用環糊精包合技術收到滿意的效果。現總結如下：
β-環糊精的結構
環糊精(簡稱CD)系環糊精聚糖轉位酶作用于淀粉后經水解環合而成的產物。為水溶性、非還原性的白色結晶粉沫，常見的有α、β、γ三種，分別由6、7、8個葡萄糖分子構成。其中以β-CD在水中溶解度最小，最易從水中析出結晶，故最為常用。
β-環糊精包合的作用
①可增加藥物的溶解度，如薄荷油、桉葉油的β-CD包合物，其溶解度可增加30倍；②增加藥物的穩定性，特別是一些易氧化、水解、揮發的藥物形成包合物后，藥物分子得到保護;③液體藥物粉末化，便于加工成其他劑型，如紅花油、牡荊油β-CD包合物均呈粉末狀：④減少刺激性，降低毒副作用，如5-氟尿嘧啶與β-CD包合后可基本惡心、嘔吐狀等反應：⑤掩蓋不良氣味，如大蒜油包合物可掩蓋大蒜的嗅味；⑥可調節釋藥速度，提高生物利用度。
β-環糊精的性質
β-環糊精β-CD呈筒狀結構，其兩端與外部為親水性，而筒的內部為疏水性，借范德華力將一些大小和形狀合適的藥物分子(如鹵素、揮發油等)包含于環狀結構中，形成超微囊狀包合物外層的大分子(如β-CD、膽酸、淀粉、纖維素等)稱為“主分子”，被包合于主分子之內的小分子物質稱為“客分子”。
β-環糊精衍生物的研究進展
摘要 環糊精所具有的結構賦予環糊精獨特的超分子效應，使得它在許多領域有著非常有前景的應用。β-環糊精及其衍生物具有適宜的空腔尺寸大小，使得它成為研究的最多的環糊精種類。本文綜合整理了近幾年來國內外的β-環糊精衍生物，對環糊精的衍生物以及形成的包合物結構進行了概括性描述，對β環糊精的應用前景進行了展望。
關鍵詞 β-環糊精；化學改性；衍生物；主客體包合作用
中圖分類號 O636 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)052-0200-02
環糊精是由芽孢桿菌屬所產生的葡萄糖基轉移酶作用于淀粉而生成的一類環狀低聚糖，其最顯著的分子特征是具有一個外環親水、內環疏水并有一定尺寸的立體手型空腔結構，可以包合各種小分子。由Villiers在1891年在軟化芽孢桿菌作用后的淀粉中首次發現，并在1903年由Schardinger首先分離出兩種結晶體，分別命名為α-環糊精（α-cyclodextrin）和β-環糊精（β-cyclodextrin）。隨后經過后續科研工作者的研究，逐漸確定了環糊精的結構為環狀葡萄糖單元。
環糊精的結構是由D-吡喃型葡葡萄糖單元通過α-(1-4)-糖苷鍵連接而成的一類環狀低聚麥芽糖，根據環中葡萄糖單元的分子數目不同可以分為α-，β-，γ-以及更大的環狀糊精。對于所有的環糊精種類，β-環糊精由于其適宜的空腔尺寸和無毒的特性使得它更容易包合各種有機小分子尤其是對藥品的包合；然而，在各類環糊精的水溶性比較中，β環糊精最低，幾乎不溶于水，這使得β-環糊精的應用受到了局限。對于β-環糊精的難溶性解釋是在其環狀結構中一個吡喃葡萄糖單元的C2-羥基能夠與相鄰吡喃葡萄糖單元的C3-羥基形成氫鍵，因而在環糊精分子內，這些氫鍵就形成了一個完整的環形全氫鍵帶，使得環糊精成為一個剛性結構。這樣的結構使得β-環糊精在水中的溶解度相比其他環糊精最小，對β環糊精進行改性的一個重要的目的就是提高它在水中的溶解度。
1 β-環糊精衍生物以及與客體分子的包合作用
1.1 β-環糊精衍生物
1.1.1 分支環糊精
在原有的環糊精側鏈上通過化學法或者酶處理引入單糖或者低聚糖，可以得到分支環糊精。分支環糊精作為環糊精的改性衍生物一種，與其它環糊精衍生物相比，不僅具有環糊精衍生物所具有的溶解性和穩定作用較高的特性，同時由于它主要通過酶法工藝制備，在食品和醫藥領域有著更高的安全性，并且它的溶血性更低。麥芽糖基環糊精是采用普魯蘭酶或者異淀粉酶作用于高濃度的環糊精或者麥芽糖，通過逆向反應來制得最終產物，并且已經實現了工業化生產。葡萄糖基環糊精是葡萄糖以α-（1-6）糖苷鍵結合到母體環糊精吡喃糖單元C-6位的均單分子CD，同麥芽糖基環糊精一樣利用普魯蘭酶進行逆向合成。其它的分支環糊精還有半乳糖環糊精，甘露糖環糊精等。這四種支鏈環糊精的生成反應熱力學過程遵循同一機理，崔波等對其進行分析，并提出了按照線性升溫時，反應的活化能可以用外推法計算求得：
logβ=[log-log(α)-2.315]-0.4567
上式中β是升溫速率，α轉化率。
王少杰等以麥芽糖和β環糊精作為底物，用耐酸耐熱的普魯蘭芽孢桿菌產生的普魯蘭酶逆向合成了Mal-β-CD，并指出在一定時間和酶的濃度下pH為4.0，溫度處于60℃-70℃，底物濃度0.75左右時，所得到的轉化率最高。采用逆向法合成支鏈環糊精時控制好副產物的濃度如水等，可以使化學平衡向正反應方向移動。在分離純化過程可以用色譜技術，納濾膜技術，活性炭物理吸附等手段將支鏈環糊精分離純化。
1.1.2 環糊精的化學衍生物
環糊精的空腔結構可以使它作為結合底物或者客體分子的位點，然而它的難溶性能使得它在構筑超分子和超分子聚集體方面性能不如其他的主體比如冠醚類化合物，對環糊精的化學修飾通常是在環糊精側位羥基上進行化學改性生成各種衍生物如醚類，酯類等，或者通過化學鍵的斷裂破壞環糊精中的C-C鍵或者是C-O鍵，以期達到破壞分子內的氫鍵，起到增加溶解度的效果。
羥丙基環糊精是研究的最多的一類材料，因為它能夠破壞
β-環糊精的分子內氫鍵，而且已經在臨床實驗上被證實無毒副作用，美國食品和藥品管理局已經批準HP-β-CD在食品和醫藥中的應用。制備羥丙基環糊精的常用方法是在堿性條件下環糊精與環氧乙烷發生縮合作用。袁超等曾選取反應時間，溫度以及透析時間三個方面對HP-β-CD做單因素試驗，以取代度和產率為指標進行分析，發現隨著反應時間增長，取代度增加，透析時間不改變取代度，但是能夠改變產率。
環糊精聚合物（cyclodextrin polymer）是指具有多個環糊精單元的聚合物，由于在聚合過程中形成的多個支化點所產生的立體網絡結構，使得它在超分子化學方面由于具有收斂的結合位點而得到了廣泛應用。黃怡等將環糊精與整代樹狀大分子PAMAM外圍的端氨基進行修飾，同時以乳酸左氧氟沙星為模型分子，利用熒光法研究發現樹枝狀高分子在不同代數和不同環糊精含量情況下對LFL（左氧氟沙星）的增敏率有著重要的影響。王競等1通過將過量的甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）與環糊精單體作用制得多取代含環糊精的輕度交聯或者高度支化聚合物，并在堿性水溶液中進行與PtBA-ADA的自主裝，獲得了具有規整層次結構的聚集粒子。Xiao等將環糊精用一步法接枝到殼聚糖上，并研究了其對嘧啶類和苷酸類因素的影響研究，預示了環糊精聚合物在生物遺傳密碼上的應用。
1.2 環糊精衍生物的客體包合作用
隨著許多種化學修飾的環糊精被合成出來，環糊精以及其衍生物對客體分子的識別能力和選擇性都有所提高，影響到超分子作用的因素包括環糊精與客體分子之間的尺寸匹配與結構互補，所以環糊精分子的識別與自主裝是環糊精衍生物主客體化學研究的一個新方向，比如利用環糊精構造輪烷和多輪烷高分子等。
環糊精空腔類型不同而形成不同包合物的晶體結構可以借鑒在現代主客體化學中的相關理論。根據主體與客體之間相對應的拓撲關系將主體化合物分為兩種類型：cavitand和clathrand。cavitand是一種具有分子內空穴的主體，這個能夠與客體鍵合的空穴不隨主體分子所處狀態的改變而改變，而clathrand是一種具有分子外空穴的主體，該空穴實質上是由兩個或者多個主體分子的間隙形成的，所以只有當這種分子處于固體狀態時才存在。
環糊精空腔尺寸對形成包合物的結構有著重要影響，主客體之間的相對尺寸匹配狀況決定了主客體形成超分子的結構，相對分子數比，從而影響到超分子在溶液中的形態以及晶體學參數。Y.Zhao等研究通過芳香二元胺與β環糊精的橋連接對膽酸鹽、甘氨膽酸鹽的主體包合作用，發現由于環糊精二聚物的預組織性使得橋連環糊精對這些化合物的作用力顯著增強3。環糊精的包合過程以及包合物的穩定性與環糊精空腔尺寸以及客體大小的匹配程度，客體分子的幾何形狀，極性與電荷，溶解體系有關，可以用包合平衡常數來表征環糊精與客體分子結合的穩定性。Li等研究了二氯苯酚（2,4-dichlorophenol）被環糊精水溶液中包合作用因素的影響指出2,4-DCP濃度、反應時間、pH值都可以影響到二氯苯酚在水中的增溶度，而且二氯苯酚與環糊精摩爾比為1:1和1:2之間都可以形成穩定的包合物，并提出了最終包合物的假想分子
模型。
2 環糊精的應用簡述
在分析化學中外消旋體的分離有著重要意義，如含有手性中心的藥物，其異構體通常具有極為相近的理化性質，但藥理作用卻存在著差異，往往一種立體異構體有藥效而它的鏡像分子卻藥效很小，或完全沒有藥效甚至具有副作用。有人用核磁氫譜檢測被β-環糊精經包合作用的兩種旋光異構體氟伐他汀鈉（Fluvastatin Sodium），發現只有氟取代的芳香環能夠在核磁氫譜上顯示出相關的峰。這表明在一定條件下β環糊精具有選擇性包合，可以利用這一性質來純化藥物，提高藥物的有效濃度。
β-環糊精衍生物的包合物在醫藥領域可以起到一定的靶向給藥作用。將親脂類客體分子包埋后，可以增加客體在水中的溶解度，當包合物保持溶解狀態并運行至親脂性的細胞膜附近時，處于高度解離狀態的客體分子對細胞有強親和力并被吸收，載體β-環糊精衍生物被留在液相。經過β環糊精包合的藥物比如新諾明、丙硫咪唑在水溶液中的溶解性能大幅度提高，國外有人對β環糊精對固醇類物質進行包合研究，發現經β環糊精包合的固醇類物質有更高的幾率能夠與酶接觸從而產生生物活性。
環糊精可以包埋許多有機物以及無機物，作為品質改良劑、穩定劑、藥物的載體、吸附劑等。食品中的調味香料在加工儲藏過程中容易揮發或者易受空氣、日光氧化的損失，利用β環糊精形成包合物之后可以顯著緩解揮發性，能夠長期儲存。Y.X.Bai等在控制pH5.0下，以二烯丙基二硫加入用質量分數為0.12的羥丙基環糊精對大蒜油進行包埋，發現大蒜油的溶解平衡常數提高數倍。肖若蕾等8通過考察茜草雙酯與β環糊精以及羥丙基β環糊精的包合現象并用紫外分光光度計進行表征發現茜草能和兩種環糊精形成1:1的可溶性化合物，極大提高了茜草雙酯的溶解度。
注：在寫本篇論文過程中，兩位作者所做工作相當。
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作者簡介
郭浩昌（1991-），男，鄭州大學材料科學與工程學院2009級材料化學專業。
姜益光（1990-），男，鄭州大學材料科學與工程學院2009級材料化學專業。