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.