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环糊精是由D吡喃型葡萄糖单元通过α(1→4)糖苷键连接而成的一类环状低聚麦芽糖。根据葡萄糖单元数目的不同,环糊精可以分为α、β、γ、δ…环糊精,其中最常见的是聚合度分别为6、7、8的α、β、γ环糊精。
环糊精最显著的特征是具有一个环外亲水、环内疏水且有一定尺寸的立体手性空腔,这种特殊结构使其具有许多特殊的理化性质。其环状结构和空腔可以包络不同的化合物,如有机分子、稀有气体、无机化合物等,形成包合物,被包络的化合物称为客体,环糊精称为主体。
内容简介
《环糊精化学:制备与应用》共分为八章,主要介绍了环糊精的概念、种类、结构、性质,环糊精及其衍生物的制备、表征及应用。《环糊精化学:制备与应用》可作为高校化工、食品、医药等专业的本科生和研究生的参考书,亦可供高校、科研院所从事环糊精研究的教学科研人员以及环糊精生产企业的技术人员参考。作为碳水化合物化学的一个重要分支,环糊精的研究亦是当前超分子化学研究的热点之一。中国科学院徐光宪院士指出:环糊精超分子科学是本世纪化学领域11个突破口之一。作者将多年从事环糊精科学研究的成果加以整理,并结合国内外最新资料,编写成《环糊精化学:制备与应用》。
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目录
第一章 绪论1
第一节 环糊精的概念、分类与发展历史1
一、环糊精的发现与发展历史1
二、环糊精的概念与范围3
三、环糊精的分类3
第二节 环糊精的结构与性质8
一、环糊精的结构8
二、环糊精的性质10
第三节 环糊精的包埋特性与表征17
一、环糊精的包埋特性17
二、液体中环糊精包合物的形成及其表征17
三、环糊精固体包合物的制备及其晶体结构24
四、环糊精固体包合物的表征方法28
参考文献30
第二章 环糊精制备用酶32
第一节 环糊精糖基转移酶32
一、环糊精糖基转移酶概述32
二、发酵法制备环糊精糖基转移酶49
三、环糊精糖基转移酶的分离纯化55
第二节 分支环糊精制备用酶66
一、分支环糊精种类及其制备用酶66
二、普鲁兰酶转化底物的特性及其来源68
三、异淀粉酶转化底物的特性及其来源70
四、半乳糖苷酶的来源及其转移酶活性71
第三节 环糊精制备用酶的固定化75
一、固定化酶的制备方法76
二、固定化酶的特性及应用85
参考文献91
第三章 环糊精的制备技术96
第一节 环糊精的制备基础96
一、不同环糊精糖基转移酶对淀粉质原料的生物转化96
二、环糊精的酶法制备技术98
三、影响环糊精收率的因素与过程控制100
四、酶转化产物中环糊精的分离纯化105
五、环糊精含量的分析106
第二节 α环糊精的制备107
一、α环糊精糖基转移酶的反应工艺条件107
二、α环糊精的分离纯化工艺108
三、α环糊精的工业化制备流程108
第三节 β环糊精的制备109
一、β环糊精糖基转移酶的反应工艺条件109
二、β环糊精的分离纯化工艺111
三、β环糊精的工业化制备流程112
第四节 γ环糊精的制备113
一、γ环糊精糖基转移酶的反应工艺条件113
二、γ环糊精的分离纯化工艺116
三、γ环糊精的工业化制备流程116
第五节 大环糊精的制备118
一、大环糊精制备基础118
二、大环糊精的分离纯化工艺119
三、展望120
参考文献120
第四章 分支环糊精的制备122
第一节 分支环糊精的制备基础123
一、分支环糊精的合成机制123
二、以环糊精和麦芽糊精/淀粉为原料酶法制备分支环糊精123
三、以环糊精和麦芽低聚糖氟化物为原料酶法制备分支环糊精123
四、半乳糖苷酶的制备及其酶法合成半乳糖基分支环糊精124
第二节 麦芽糖基环糊精的制备124
一、普鲁兰酶逆向合成麦芽糖基环糊精的条件124
二、麦芽糖基环糊精的分离纯化工艺129
三、麦芽糖基环糊精的分析检测技术136
第三节 半乳糖基环糊精的制备140
一、半乳糖苷酶的制备技术141
二、半乳糖苷酶制备半乳糖基环糊精的条件158
三、半乳糖基环糊精的分析检测技术166
第四节 其他酶修饰环糊精的制备173
一、葡萄糖基环糊精的制备技术173
二、甘露糖基环糊精的制备技术173
三、α半乳糖基葡萄糖基环糊精的制备技术173
四、α半乳糖基麦芽糖基环糊精的制备技术173
参考文献174
第五章 环糊精化学衍生物的制备176
第一节 环糊精化学衍生物的制备基础176
一、环糊精化学修饰方法及途径176
二、环糊精醚衍生物179
三、环糊精酯衍生物181
四、特殊功能化修饰环糊精183
五、环糊精聚合物187
第二节 甲基环糊精的制备192
一、甲基环糊精192
二、甲基环糊精的化学制备工艺条件193
三、甲基环糊精的分离纯化194
四、甲基环糊精的分析检测技术194
第三节 羟丙基β环糊精的制备197
一、羟丙基β环糊精197
二、羟丙基β环糊精的化学制备工艺条件199
三、羟丙基β环糊精的分离纯化204
四、羟丙基β环糊精的分析检测技术204
第四节 环糊精聚合物的制备216
一、环糊精聚合物的种类216
二、环糊精聚合物的制备技术217
三、环糊精聚合物的分析方法225
参考文献228
第六章 环糊精在超分子化学中的应用基础230
第一节 概述230
一、超分子化学的概念及研究范围230
二、环糊精在超分子化学中的地位230
三、环糊精超分子化学研究内容与现状230
第二节 环糊精模拟酶230
一、生物酶的结构及催化机理231
二、环糊精模拟酶的制备原理233
三、典型的环糊精模拟酶的模型235
第三节 分子识别与自集240
一、环糊精及其衍生物的分子识别作用240
二、环糊精及其衍生物的分子自集与组装242
三、我国在环糊精的分子识别与组装领域的研究进展247
参考文献247
第七章 环糊精的工业应用249
第一节 环糊精在食品及活性食品包装中的应用249
一、环糊精在食品中的应用249
二、环糊精在活性食品包装中的应用266
第二节 环糊精在医药工业中的应用279
一、环糊精在药物配方中的应用282
二、环糊精对药物释放的影响283
三、环糊精在靶向药物中的应用284
四、环糊精衍生物在前列腺素E药剂制备中的应用实例284
第三节 环糊精在日用化学品工业中的应用291
一、环糊精在化妆品中的应用291
二、环糊精在纺织品中的应用293
三、环糊精在涂料工业上的应用295
参考文献297
第八章 环糊精的非工业应用299
第一节 环糊精在分析化学中的应用299
一、环糊精在色谱和电泳分离对映体中的应用299
二、环糊精的荧光增强、协同增敏和诱导室温磷光作用303
三、制备新型化学传感器304
四、痕量金属的测定307
第二节 环糊精在环境保护中应用307
一、环糊精促进污染物的生物转化,降低污染物的毒性307
二、环糊精对土壤的生物修复作用308
三、环糊精对环境污染物的催化降解313
四、用环糊精去除环境中有机污染物和重金属314
五、环糊精在环境检测中的应用315
第三节 环糊精在农业中的应用316
一、对农作物及蔬菜的增产效应316
二、农药的调节、增溶和长效作用317
三、植物生长素319
四、在饲料中的应用320
参考文献320
索引321
精彩书摘
第二章 环糊精制备用酶
环糊精的生产主要是采用生物酶法进行,到目前为止,还没有见到化学合成的报道。在工业生产中,将微生物来源的环糊精葡萄糖基转移酶(cyclodextrin glucosyltransferase,CGTase),作用于淀粉、糖原、麦芽寡聚糖等葡萄糖聚合物而得到环糊精。随着环糊精在食品、医药、化妆品、农业、环保和分析化学等领域中的广泛应用,生产环糊精所必需的环糊精糖基转移酶也成为当代科学研究的一个热点。
第一节 环糊精糖基转移酶
一、环糊精糖基转移酶概述
环糊精糖基转移酶最早是在1903年由F.Schardinger发现的,当时Schar—dinger采用浸麻芽孢杆菌(B.macerans)作用于淀粉得到了环糊精,他发现这一过程是在一种酶的作用下完成的,这种酶即是环糊精糖基转移酶。1939年,Tilem和Hudson证实了此酶,并正式命名为环糊精糖基转移酶(cyclodextrin glucosyl trans一{erase,EC 2.4.1.19),或称环状淀粉转移酶。由于该酶早期主要由环状软化芽孢杆菌产生,因此在有些资料中也将其命名为环状软化芽孢杆菌淀粉酶。l942年,Tilben等人从浸麻芽孢杆菌中分离得到环糊精糖基转移酶。随着对环糊精研究的日益深入,人们从自然界中分离出的产CGTase的细菌也越来越多,产CGTase的菌株主要是革兰阳性细菌,但也有少数革兰阴性细菌能产活性较强的CGTase。在环糊精研究的早期,由于没有筛选出产CGTase高效菌株而使得环糊精的制备得率较低,环糊精的应用受到了很大的限制。20世纪60年代末,日本人Horikoshi在碱性微生物发酵的条件下分离得到CGTase,不用溶剂生产pcD,收率达到75%~80%,此项成果在80年代初应用于工业生产后,极大地降低了pCD的生产成本。日本盐水港制糖公司(Ensuiko Sugar Refining C0.,Ltd.)在Kabayashi等人对产a-CD的CGTase研究的基础上,建立了a—CD的连续生产工艺,提高了a-CD的得率,从而实现了a-CD的工业化生产。这两项研究成果的问世,极大地推动了环糊精工业的发展。
前言/序言
环糊精是由D吡喃型葡萄糖单元通过α(1→4)糖苷键连接而成的一类环状低聚麦芽糖。根据葡萄糖单元数目的不同,环糊精可以分为α、β、γ、δ…环糊精,其中最常见的是聚合度分别为6、7、8的α、β、γ环糊精。
环糊精最显著的特征是具有一个环外亲水、环内疏水且有一定尺寸的立体手性空腔,这种特殊结构使其具有许多特殊的理化性质。其环状结构和空腔可以包络不同的化合物,如有机分子、稀有气体、无机化合物等,形成包合物,被包络的化合物称为客体,环糊精称为主体。
自1891年Villiers发现环糊精至今已有一百多年,环糊精化学的发展主要经历了三个阶段:
①发现阶段(1891年~20世纪30年代):继Villiers发现环糊精后,1903年Schardinger成功地分离出了环糊精的产生菌株——软化芽孢杆菌,并用来消化淀粉得到两种晶体化合物,通过与碘碘化钾反应得到的晶体晶型和颜色为依据,分别命名为α和β环糊精;接下来Pringsheim研究发现,这种结晶性环糊精及其乙酰化产物能结合各种有机化合物生成复合体。
②系统研究环糊精及其包合物阶段(20世纪30~70年代):Freudenberg最先得到纯环糊精,并于1935年与合作者一起根据乙酰溴和多甲基化反应产物的水解结果,提出环糊精是葡萄糖单元以麦芽糖方式结合的环状分子,分子内只含α1,4配糖键;在1948~1950年间,他们又发现γ环糊精并确认了其结构;与此同时,French和Cramer等分离、表征了环糊精的物理化学性质,指出还可能存在环更大的分子以及与其他有机分子生成的复合体。这一时期的研究结果使人们认识到环糊精在工业领域的应用潜力。
③环糊精的工业化生产及应用阶段(20世纪70年代至今):20世纪70年代初,具有法定资格单位出示了环糊精毒理学研究报告后,环糊精化学研究进入了鼎盛时期。据统计,1970~1997年这27年间共发表了13000篇有关环糊精的论文、专利和会议摘要。1971年,Szejtli和CHINOIN药物化学工厂组建生物化学研究实验室(BRL),开展环糊精在药物、食品、化妆品和分析化学领域的研究,1991年成立的CYCLOLAB股份有限公司,推出了大量环糊精在食品、医药等领域的应用技术;1971年,日本人Horikoshi在碱性发酵条件下分离出环糊精葡萄糖基转移酶,在无溶剂条件下生产环糊精可实现75%~80%收率,从而使β环糊精的价格大幅度下降;Kobayashi致力于α环糊精生成酶作用机理的研究,提出了用软化芽孢杆菌生产α环糊精的最佳工艺,建立了由超滤膜反应器组成的连续生产工艺,由于采用稀淀粉溶液为底物,提高了产品收率;德国的wackerchemic公司筛选得到一株分泌γ环糊精生成酶的碱性杆菌,用遗传工程方法有望使酶的收率提高、价格大幅下降。
环糊精由淀粉转化生成,是一个高附加值的产品。我国是淀粉生产大国,2007年淀粉产量近1650万吨,居世界第二位。以1kg玉米为例,加工成粉条可增值80%,转化成环糊精则增值20倍。近几年来,全球环糊精生产量已经突破1万吨,其中90%以上为β环糊精。环糊精及其衍生物在食品、医药、化工、香精香料、农业等领域得到广泛应用。作为碳水化合物化学的一个重要分支,环糊精的研究亦是当前超分子化学研究的热点之一。中国科学院徐光宪院士指出:环糊精超分子科学是21世纪化学领域11个突破口之一。但长期以来,国内关于环糊精研究方面的科技专著极少。作者多年来一直从事环糊精的科学研究工作,指导的从事环糊精研究的博士、硕士研究生已有7位毕业,他们主要从事环糊精糖基转移酶、γ环糊精、麦芽糖基环糊精、半乳糖基环糊精、羟丙基环糊精以及环糊精在活性食品包装中的应用等研究。作者将这些研究成果加以整理,并结合国内外最新资料,汇集本书。
本书共分为八章,主要介绍了环糊精的概念、种类、结构、性质,环糊精及其衍生物的制备、表征及应用。本书可作为高校化工、食品、医药等专业的本科生和研究生的参考书,亦可供高校、科研院所从事环糊精研究的教学科研人员以及环糊精生产企业的技术人员参考。
参加本书编写工作的还有:袁超博士、沈汪洋博士和于博博士。
环糊精化学:制备与应用 图书简介 本书是一部深入探讨环糊精(Cyclodextrins, CDs)这一独特糖类衍生物的综合性著作。环糊精因其独特的圆锥形结构和疏水性内腔,在化学、生物学、材料科学以及工业应用等多个领域展现出巨大的潜力。本书旨在为研究人员、工程师、学生以及对环糊精技术感兴趣的专业人士提供一个全面、详尽且前沿的知识框架。 全书内容聚焦于环糊精的结构-性质-功能之间的内在联系,系统梳理了从基础理论到尖端应用的各个方面。 第一部分:环糊精的结构、性质与基础理论 本部分为全书的理论基石,详细解析了环糊精的分子结构特征及其由此衍生出的关键物理化学性质。 第一章:环糊精的分子结构与多样性 本章首先追溯了环糊精的发现历史及其在天然淀粉降解过程中的生物合成途径。随后,重点阐述了环糊精的宏观结构——由葡萄糖单元通过$alpha-1,4$糖苷键连接形成的环状低聚物。 详细讨论了$alpha$-环糊精(6个葡萄糖单元)、$eta$-环糊精(7个葡萄糖单元)和$gamma$-环糊精(8个葡萄糖单元)的精确几何尺寸、空腔直径和深度。通过介绍X射线晶体学、核磁共振(NMR)和高分辨率质谱(HRMS)等结构解析技术,展示了如何确定其气相构象和溶液中构象的差异,特别是关于葡萄糖单元“扭曲度”的精细结构调控。 此外,本章还涵盖了修饰环糊精的结构多样性。系统介绍了羟丙基化、磺丁基化、乙基化等常见的化学修饰方法,以及这些修饰如何显著改变环糊精的水溶性、络合能力和生物相容性。 第二章:溶解度、聚集行为与分子识别基础 环糊精最核心的性质在于其两亲性:外部羟基亲水,内部空腔疏水。本章深入探讨了溶解度——特别是$eta$-环糊精在水中的低溶解度——及其影响因素(温度、pH值和共溶剂效应)。 重点解析了环糊精的包合作用(Inclusion Complexation)机理。通过热力学参数(如结合常数$K_a$)的测定,阐述了疏水作用力在分子识别过程中的主导地位。详细讨论了竞争性包合、配位竞争以及溶剂交换在包合过程中的角色。 此外,本章还涉及环糊精在溶液中的自组装行为,包括其形成二聚体、胶束以及在更高浓度下的有序聚集结构,这对理解其在药物递送中的宏观行为至关重要。 第二部分:环糊精的制备、分离与衍生化技术 本部分专注于环糊精的工业化生产和功能化过程,是实现其应用转化的关键技术环节。 第三章:工业化制备与酶促转化 本章详述了环糊精的酶法生产工艺。详细描述了淀粉原料的选择、液化预处理过程,以及核心的环糊精葡糖基转移酶(CGTase)的作用机制。对比了固定化酶技术与游离酶技术在反应效率、产物选择性和酶回收方面的优劣。 重点讨论了如何通过底物工程和酶工程来调控CGTase的产物比例,以优化特定环糊精(如高附加值的$gamma$-CD)的产率。同时,介绍了发酵过程的放大、后处理和纯化技术,包括层析分离、重结晶和膜分离技术在工业纯化中的应用。 第四章:高效分离与表征技术 由于粗品中$alpha, eta, gamma$-CD往往混合存在,高效分离技术至关重要。本章系统回顾了色谱分离方法,包括高效液相色谱(HPLC)和模拟移动床(SMB)技术在分离CD异构体中的应用。特别关注了利用手性固定相或衍生化固定相进行精细分离的策略。 在表征方面,本章强调了固态NMR、二维NMR(如ROESY)用于确定包合物的结合位点和空腔内客体分子的取向。此外,还介绍了动态光散射(DLS)和原子力显微镜(AFM)在分析环糊精纳米结构和薄膜形貌学上的应用。 第五章:化学修饰与功能化策略 本章是环糊精应用拓展的核心。全面梳理了选择性化学修饰的策略,特别关注了如何实现对特定羟基(C2, C3, C6位)的官能团引入。 详细介绍了共价键合技术,如酯化、醚化、胺化反应,以及如何利用点击化学(Click Chemistry)实现高效、高选择性的生物分子接枝。讨论了引入功能性基团(如荧光基团、聚合物链、靶向配体)以赋予环糊精新的光电、生物活性或可控释放能力的过程。 第三部分:环糊精的应用前沿 本部分展示了环糊精在解决实际工程和科学问题中的创新应用,涵盖了药物科学、环境修复和先进材料三大领域。 第六章:药物递送系统与生物相容性 环糊精在制药工业中的应用是本书的重点。本章首先阐述了环糊精如何作为增溶剂提高难溶性药物的生物利用度(如PI-CDs的应用)。详细分析了药物与CD的包合机制对药物稳定性和溶解速率的影响。 深入探讨了靶向性药物递送系统的设计,包括如何将环糊精功能化以连接pH敏感连接体、受体配体或响应性聚合物,构建刺激响应型纳米载体(如pH响应、温度响应)。讨论了药物包合物的体外释放动力学和体内药代动力学研究方法。 第七章:环境化学与污染物治理 本章将环糊精的应用扩展到环境科学领域。分析了环糊精在污染物去除中的作用,特别是对有机污染物(如多环芳烃、内分泌干扰物)的吸附和络合机制。 重点介绍了功能化环糊精吸附剂的制备,例如将CD接枝到介孔二氧化硅、磁性纳米颗粒或高分子树脂上,以提高对特定环境毒素的选择性捕获能力。讨论了其在土壤和地下水修复中的应用潜力,以及如何通过控制CD的释放速率来达到长期修复效果。 第八章:先进材料与传感技术 本章聚焦于环糊精在构建超分子材料和智能系统中的角色。讨论了环糊精作为分子“构件”参与的超分子自组装,例如形成分子笼、纳米管和超分子聚合物网络(SUPNs)。 详细介绍了基于CD的化学传感器和生物传感器的设计原理。通过利用CD与特定分析物的特异性结合引起光谱、荧光或电化学信号的变化,阐述了其在痕量物质检测中的高灵敏度和选择性优势。最后,探讨了环糊精在分离膜技术和能源存储材料(如电解质添加剂)中的新兴应用。 结论与展望 全书最后对环糊精化学领域的现状进行了总结,并对未来发展方向进行了展望,包括高通量筛选新型CGTase、开发新型多糖基复合材料以及利用人工智能辅助设计新的CD衍生物及其功能性包合物。本书旨在激发读者对这一迷人分子体系的进一步探索热情。