γ-环糊精应用与合成

介绍

γ-环糊精(γ-cyclodextrin， γ-CD)是环糊精糖基转移酶作用于淀粉、糖原、麦芽、寡聚糖等葡萄糖聚合物后形成的，由8个D-吡喃葡萄糖基以α-1，4-糖苷键首尾连接成的环形低聚糖，具有外部亲水和内部疏水的独特桶装结构，可用于增溶、稳定客体分子等。目前γ-CD多作为原料用于舒更葡糖钠的生产。舒更葡糖钠常作为注射剂，用于神经肌肉阻滞作用的肌松药，可造成患者的过敏反应和超敏反应，而诱发过敏反应的为大分子外源性蛋白。γ-环糊精主要通过环糊精葡萄糖基转移酶(cyclodextrin glycosyltransferase， CGT酶，EC2.4.1.19)酶解淀粉获得。

图一 γ-环糊精

应用

γ-环糊精已经在食品、化妆品、医药、农药、纺织和生物技术等多个领域得到广泛的应用。γ-CD具有的空腔直径，可以包埋许多α-CD、β-CD无法包埋的物质；γ-CD具有最高的溶解性，可以最有效地提高客体化合物的溶解能力和乳化能力；此外γ-CD对人体安全性最高，亦可被酶作用，使其易被小肠降解吸收从而减少肾毒性[3]。

基于以上优势，γ-CD的应用点可以概括为四方面：(1)掩盖不良气味；(2)提高生物利用度；(3)控制客体分子释放速度；(4)提高产品溶解性和稳定性。辅酶Q10在线粒体电子传输中起重要作用，已经用于治疗心脏病和退行性疾病。但辅酶Q10是一种脂溶性化合物，人体口服后不能很好的吸收，因此通过γ-CD包埋提高其溶解度和生物利用率，使其成为一种抗衰老和改善健康的营养品[4]。姜黄素是从姜黄根茎分离的黄色多酚，其表现出治疗心血管疾病、糖尿病以及阿尔茨海默病的疗效，但姜黄素的口服生物利用度不到1%，而经过γ-CD包埋后，其生物利用率达到85%或者更高[5]。目前市场上已有宣称高生物利用率的姜黄胶囊(curcumin Extrakt 45，德国)。

合成

早期，环糊精通过发酵方式获取，产量和纯度均受限，无法满足市场需求，研究者们围绕其工业化展开了大量的探索。其中，β-CD因其溶解度低和络合溶剂易去除等优势率先实现了规模化生产。但γ-CD的制备工艺遇到了重重阻碍，为此，研究者们围绕淀粉底物预处理、生物酶法转化淀粉液化物及产物精制工艺等γ-CD的核心制备工艺展开了系统性研究。

图二 酶法合成γ-CD的流程及其关键点

目前γ-环糊精主要通过环糊精葡萄糖基转移酶(cyclodextrin glycosyltransferase, CGT酶，EC 2.4.1.19)转化淀粉获得。CGT酶是糖基水解酶(GH)13家族中的重要成员，其中主要产物为γ-环糊精的CGT酶称为γ-CGT 酶。γ-CGT酶通过不同的动力学和热力学机制同时催化4种反应，这些反应决定了长时间反应的总收率和产物特异性。环化反应是γ-CGT酶的特征反应，这是其工业化生产γ-CD的基础。此外，γ-CGT酶还催化另外3种反应：歧化反应、耦合反应以及较弱的水解反应。环化反应机制如图2所示，γ-CGT酶先裂解结合在亚位点+1和-1上的残基之间的α-1,4-糖苷键，形成共价中间体。中间体逐渐呈现环状构象，并与末端4-羟基重新形成α-1,4-糖苷键，最终形成γ-环糊精。

图三 γ-环糊精的环化反应机制

制备过程存在一系列的难题。首先，反应液中目的γ-环糊精产物的分离纯化难题。若采用络合剂共沉淀法，需要寻找一种能和γ-环糊精形成沉淀且后期容易分离和回收再利用的络合剂。若采用非络合剂法，需要如柱分离系统、超滤系统等价格高昂的特殊分离技术和装备。其次，筛选转化效率高、热稳定性好、产物特异性高的γ-CGT酶的难题，有待于酶工程技术的进一步发展。最后，高淀粉底物浓度下的γ-CD转化带来的高黏度难题。

参考文献

[1]杨锐,许凯,张靖等.考马斯亮蓝法检测γ-环糊精中酶残留[J].中国新药杂志,2022,31(13):1322-1325.

[2]MUNRO I C,NEWBERNE P M,YOUNG V R,et al.Safety assessment of γ-cyclodextrin[J].Regulatory Toxicology and Pharmacology,2004,39:3-13.

[3]LI Z F,WANG M,WANG F,et al.γ-cyclodextrin:A review on enzymatic production and applications[J].Applied Microbiology Biotechnology,2007,77(2):245-255.

[4]UEKAJI Y,TERAO K.Coenzyme Q10-gamma cyclodextrin complex is a powerful nutraceutical for anti-aging and health improvements[J].Biomedical Research and Clinical Practice,2017,2(1).

[5] PATRO N M,SULTANA A,TERAO K,et al.Comparison and correlation of in vitro,in vivo and in silico evaluations of alpha,beta and gamma cyclodextrin complexes of curcumin[J].Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry,2014,78(1-4):471-483.