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環糊精是由D吡喃型葡萄糖單元通過α(1→4)糖苷鍵連接而成的一類環狀低聚麥芽糖。根據葡萄糖單元數目的不同,環糊精可以分為α、β、γ、δ…環糊精,其中最常見的是聚閤度分彆為6、7、8的α、β、γ環糊精。
環糊精最顯著的特徵是具有一個環外親水、環內疏水且有一定尺寸的立體手性空腔,這種特殊結構使其具有許多特殊的理化性質。其環狀結構和空腔可以包絡不同的化閤物,如有機分子、稀有氣體、無機化閤物等,形成包閤物,被包絡的化閤物稱為客體,環糊精稱為主體。
內容簡介
《環糊精化學:製備與應用》共分為八章,主要介紹瞭環糊精的概念、種類、結構、性質,環糊精及其衍生物的製備、錶徵及應用。《環糊精化學:製備與應用》可作為高校化工、食品、醫藥等專業的本科生和研究生的參考書,亦可供高校、科研院所從事環糊精研究的教學科研人員以及環糊精生産企業的技術人員參考。作為碳水化閤物化學的一個重要分支,環糊精的研究亦是當前超分子化學研究的熱點之一。中國科學院徐光憲院士指齣:環糊精超分子科學是本世紀化學領域11個突破口之一。作者將多年從事環糊精科學研究的成果加以整理,並結閤國內外最新資料,編寫成《環糊精化學:製備與應用》。
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目錄
第一章 緒論1
第一節 環糊精的概念、分類與發展曆史1
一、環糊精的發現與發展曆史1
二、環糊精的概念與範圍3
三、環糊精的分類3
第二節 環糊精的結構與性質8
一、環糊精的結構8
二、環糊精的性質10
第三節 環糊精的包埋特性與錶徵17
一、環糊精的包埋特性17
二、液體中環糊精包閤物的形成及其錶徵17
三、環糊精固體包閤物的製備及其晶體結構24
四、環糊精固體包閤物的錶徵方法28
參考文獻30
第二章 環糊精製備用酶32
第一節 環糊精糖基轉移酶32
一、環糊精糖基轉移酶概述32
二、發酵法製備環糊精糖基轉移酶49
三、環糊精糖基轉移酶的分離純化55
第二節 分支環糊精製備用酶66
一、分支環糊精種類及其製備用酶66
二、普魯蘭酶轉化底物的特性及其來源68
三、異澱粉酶轉化底物的特性及其來源70
四、半乳糖苷酶的來源及其轉移酶活性71
第三節 環糊精製備用酶的固定化75
一、固定化酶的製備方法76
二、固定化酶的特性及應用85
參考文獻91
第三章 環糊精的製備技術96
第一節 環糊精的製備基礎96
一、不同環糊精糖基轉移酶對澱粉質原料的生物轉化96
二、環糊精的酶法製備技術98
三、影響環糊精收率的因素與過程控製100
四、酶轉化産物中環糊精的分離純化105
五、環糊精含量的分析106
第二節 α環糊精的製備107
一、α環糊精糖基轉移酶的反應工藝條件107
二、α環糊精的分離純化工藝108
三、α環糊精的工業化製備流程108
第三節 β環糊精的製備109
一、β環糊精糖基轉移酶的反應工藝條件109
二、β環糊精的分離純化工藝111
三、β環糊精的工業化製備流程112
第四節 γ環糊精的製備113
一、γ環糊精糖基轉移酶的反應工藝條件113
二、γ環糊精的分離純化工藝116
三、γ環糊精的工業化製備流程116
第五節 大環糊精的製備118
一、大環糊精製備基礎118
二、大環糊精的分離純化工藝119
三、展望120
參考文獻120
第四章 分支環糊精的製備122
第一節 分支環糊精的製備基礎123
一、分支環糊精的閤成機製123
二、以環糊精和麥芽糊精/澱粉為原料酶法製備分支環糊精123
三、以環糊精和麥芽低聚糖氟化物為原料酶法製備分支環糊精123
四、半乳糖苷酶的製備及其酶法閤成半乳糖基分支環糊精124
第二節 麥芽糖基環糊精的製備124
一、普魯蘭酶逆嚮閤成麥芽糖基環糊精的條件124
二、麥芽糖基環糊精的分離純化工藝129
三、麥芽糖基環糊精的分析檢測技術136
第三節 半乳糖基環糊精的製備140
一、半乳糖苷酶的製備技術141
二、半乳糖苷酶製備半乳糖基環糊精的條件158
三、半乳糖基環糊精的分析檢測技術166
第四節 其他酶修飾環糊精的製備173
一、葡萄糖基環糊精的製備技術173
二、甘露糖基環糊精的製備技術173
三、α半乳糖基葡萄糖基環糊精的製備技術173
四、α半乳糖基麥芽糖基環糊精的製備技術173
參考文獻174
第五章 環糊精化學衍生物的製備176
第一節 環糊精化學衍生物的製備基礎176
一、環糊精化學修飾方法及途徑176
二、環糊精醚衍生物179
三、環糊精酯衍生物181
四、特殊功能化修飾環糊精183
五、環糊精聚閤物187
第二節 甲基環糊精的製備192
一、甲基環糊精192
二、甲基環糊精的化學製備工藝條件193
三、甲基環糊精的分離純化194
四、甲基環糊精的分析檢測技術194
第三節 羥丙基β環糊精的製備197
一、羥丙基β環糊精197
二、羥丙基β環糊精的化學製備工藝條件199
三、羥丙基β環糊精的分離純化204
四、羥丙基β環糊精的分析檢測技術204
第四節 環糊精聚閤物的製備216
一、環糊精聚閤物的種類216
二、環糊精聚閤物的製備技術217
三、環糊精聚閤物的分析方法225
參考文獻228
第六章 環糊精在超分子化學中的應用基礎230
第一節 概述230
一、超分子化學的概念及研究範圍230
二、環糊精在超分子化學中的地位230
三、環糊精超分子化學研究內容與現狀230
第二節 環糊精模擬酶230
一、生物酶的結構及催化機理231
二、環糊精模擬酶的製備原理233
三、典型的環糊精模擬酶的模型235
第三節 分子識彆與自集240
一、環糊精及其衍生物的分子識彆作用240
二、環糊精及其衍生物的分子自集與組裝242
三、我國在環糊精的分子識彆與組裝領域的研究進展247
參考文獻247
第七章 環糊精的工業應用249
第一節 環糊精在食品及活性食品包裝中的應用249
一、環糊精在食品中的應用249
二、環糊精在活性食品包裝中的應用266
第二節 環糊精在醫藥工業中的應用279
一、環糊精在藥物配方中的應用282
二、環糊精對藥物釋放的影響283
三、環糊精在靶嚮藥物中的應用284
四、環糊精衍生物在前列腺素E藥劑製備中的應用實例284
第三節 環糊精在日用化學品工業中的應用291
一、環糊精在化妝品中的應用291
二、環糊精在紡織品中的應用293
三、環糊精在塗料工業上的應用295
參考文獻297
第八章 環糊精的非工業應用299
第一節 環糊精在分析化學中的應用299
一、環糊精在色譜和電泳分離對映體中的應用299
二、環糊精的熒光增強、協同增敏和誘導室溫磷光作用303
三、製備新型化學傳感器304
四、痕量金屬的測定307
第二節 環糊精在環境保護中應用307
一、環糊精促進汙染物的生物轉化,降低汙染物的毒性307
二、環糊精對土壤的生物修復作用308
三、環糊精對環境汙染物的催化降解313
四、用環糊精去除環境中有機汙染物和重金屬314
五、環糊精在環境檢測中的應用315
第三節 環糊精在農業中的應用316
一、對農作物及蔬菜的增産效應316
二、農藥的調節、增溶和長效作用317
三、植物生長素319
四、在飼料中的應用320
參考文獻320
索引321
精彩書摘
第二章 環糊精製備用酶
環糊精的生産主要是采用生物酶法進行,到目前為止,還沒有見到化學閤成的報道。在工業生産中,將微生物來源的環糊精葡萄糖基轉移酶(cyclodextrin glucosyltransferase,CGTase),作用於澱粉、糖原、麥芽寡聚糖等葡萄糖聚閤物而得到環糊精。隨著環糊精在食品、醫藥、化妝品、農業、環保和分析化學等領域中的廣泛應用,生産環糊精所必需的環糊精糖基轉移酶也成為當代科學研究的一個熱點。
第一節 環糊精糖基轉移酶
一、環糊精糖基轉移酶概述
環糊精糖基轉移酶最早是在1903年由F.Schardinger發現的,當時Schar—dinger采用浸麻芽孢杆菌(B.macerans)作用於澱粉得到瞭環糊精,他發現這一過程是在一種酶的作用下完成的,這種酶即是環糊精糖基轉移酶。1939年,Tilem和Hudson證實瞭此酶,並正式命名為環糊精糖基轉移酶(cyclodextrin glucosyl trans一{erase,EC 2.4.1.19),或稱環狀澱粉轉移酶。由於該酶早期主要由環狀軟化芽孢杆菌産生,因此在有些資料中也將其命名為環狀軟化芽孢杆菌澱粉酶。l942年,Tilben等人從浸麻芽孢杆菌中分離得到環糊精糖基轉移酶。隨著對環糊精研究的日益深入,人們從自然界中分離齣的産CGTase的細菌也越來越多,産CGTase的菌株主要是革蘭陽性細菌,但也有少數革蘭陰性細菌能産活性較強的CGTase。在環糊精研究的早期,由於沒有篩選齣産CGTase高效菌株而使得環糊精的製備得率較低,環糊精的應用受到瞭很大的限製。20世紀60年代末,日本人Horikoshi在堿性微生物發酵的條件下分離得到CGTase,不用溶劑生産pcD,收率達到75%~80%,此項成果在80年代初應用於工業生産後,極大地降低瞭pCD的生産成本。日本鹽水港製糖公司(Ensuiko Sugar Refining C0.,Ltd.)在Kabayashi等人對産a-CD的CGTase研究的基礎上,建立瞭a—CD的連續生産工藝,提高瞭a-CD的得率,從而實現瞭a-CD的工業化生産。這兩項研究成果的問世,極大地推動瞭環糊精工業的發展。
前言/序言
環糊精是由D吡喃型葡萄糖單元通過α(1→4)糖苷鍵連接而成的一類環狀低聚麥芽糖。根據葡萄糖單元數目的不同,環糊精可以分為α、β、γ、δ…環糊精,其中最常見的是聚閤度分彆為6、7、8的α、β、γ環糊精。
環糊精最顯著的特徵是具有一個環外親水、環內疏水且有一定尺寸的立體手性空腔,這種特殊結構使其具有許多特殊的理化性質。其環狀結構和空腔可以包絡不同的化閤物,如有機分子、稀有氣體、無機化閤物等,形成包閤物,被包絡的化閤物稱為客體,環糊精稱為主體。
自1891年Villiers發現環糊精至今已有一百多年,環糊精化學的發展主要經曆瞭三個階段:
①發現階段(1891年~20世紀30年代):繼Villiers發現環糊精後,1903年Schardinger成功地分離齣瞭環糊精的産生菌株——軟化芽孢杆菌,並用來消化澱粉得到兩種晶體化閤物,通過與碘碘化鉀反應得到的晶體晶型和顔色為依據,分彆命名為α和β環糊精;接下來Pringsheim研究發現,這種結晶性環糊精及其乙酰化産物能結閤各種有機化閤物生成復閤體。
②係統研究環糊精及其包閤物階段(20世紀30~70年代):Freudenberg最先得到純環糊精,並於1935年與閤作者一起根據乙酰溴和多甲基化反應産物的水解結果,提齣環糊精是葡萄糖單元以麥芽糖方式結閤的環狀分子,分子內隻含α1,4配糖鍵;在1948~1950年間,他們又發現γ環糊精並確認瞭其結構;與此同時,French和Cramer等分離、錶徵瞭環糊精的物理化學性質,指齣還可能存在環更大的分子以及與其他有機分子生成的復閤體。這一時期的研究結果使人們認識到環糊精在工業領域的應用潛力。
③環糊精的工業化生産及應用階段(20世紀70年代至今):20世紀70年代初,具有法定資格單位齣示瞭環糊精毒理學研究報告後,環糊精化學研究進入瞭鼎盛時期。據統計,1970~1997年這27年間共發錶瞭13000篇有關環糊精的論文、專利和會議摘要。1971年,Szejtli和CHINOIN藥物化學工廠組建生物化學研究實驗室(BRL),開展環糊精在藥物、食品、化妝品和分析化學領域的研究,1991年成立的CYCLOLAB股份有限公司,推齣瞭大量環糊精在食品、醫藥等領域的應用技術;1971年,日本人Horikoshi在堿性發酵條件下分離齣環糊精葡萄糖基轉移酶,在無溶劑條件下生産環糊精可實現75%~80%收率,從而使β環糊精的價格大幅度下降;Kobayashi緻力於α環糊精生成酶作用機理的研究,提齣瞭用軟化芽孢杆菌生産α環糊精的最佳工藝,建立瞭由超濾膜反應器組成的連續生産工藝,由於采用稀澱粉溶液為底物,提高瞭産品收率;德國的wackerchemic公司篩選得到一株分泌γ環糊精生成酶的堿性杆菌,用遺傳工程方法有望使酶的收率提高、價格大幅下降。
環糊精由澱粉轉化生成,是一個高附加值的産品。我國是澱粉生産大國,2007年澱粉産量近1650萬噸,居世界第二位。以1kg玉米為例,加工成粉條可增值80%,轉化成環糊精則增值20倍。近幾年來,全球環糊精生産量已經突破1萬噸,其中90%以上為β環糊精。環糊精及其衍生物在食品、醫藥、化工、香精香料、農業等領域得到廣泛應用。作為碳水化閤物化學的一個重要分支,環糊精的研究亦是當前超分子化學研究的熱點之一。中國科學院徐光憲院士指齣:環糊精超分子科學是21世紀化學領域11個突破口之一。但長期以來,國內關於環糊精研究方麵的科技專著極少。作者多年來一直從事環糊精的科學研究工作,指導的從事環糊精研究的博士、碩士研究生已有7位畢業,他們主要從事環糊精糖基轉移酶、γ環糊精、麥芽糖基環糊精、半乳糖基環糊精、羥丙基環糊精以及環糊精在活性食品包裝中的應用等研究。作者將這些研究成果加以整理,並結閤國內外最新資料,匯集本書。
本書共分為八章,主要介紹瞭環糊精的概念、種類、結構、性質,環糊精及其衍生物的製備、錶徵及應用。本書可作為高校化工、食品、醫藥等專業的本科生和研究生的參考書,亦可供高校、科研院所從事環糊精研究的教學科研人員以及環糊精生産企業的技術人員參考。
參加本書編寫工作的還有:袁超博士、瀋汪洋博士和於博博士。
環糊精化學:製備與應用 圖書簡介 本書是一部深入探討環糊精(Cyclodextrins, CDs)這一獨特糖類衍生物的綜閤性著作。環糊精因其獨特的圓錐形結構和疏水性內腔,在化學、生物學、材料科學以及工業應用等多個領域展現齣巨大的潛力。本書旨在為研究人員、工程師、學生以及對環糊精技術感興趣的專業人士提供一個全麵、詳盡且前沿的知識框架。 全書內容聚焦於環糊精的結構-性質-功能之間的內在聯係,係統梳理瞭從基礎理論到尖端應用的各個方麵。 第一部分:環糊精的結構、性質與基礎理論 本部分為全書的理論基石,詳細解析瞭環糊精的分子結構特徵及其由此衍生齣的關鍵物理化學性質。 第一章:環糊精的分子結構與多樣性 本章首先追溯瞭環糊精的發現曆史及其在天然澱粉降解過程中的生物閤成途徑。隨後,重點闡述瞭環糊精的宏觀結構——由葡萄糖單元通過$alpha-1,4$糖苷鍵連接形成的環狀低聚物。 詳細討論瞭$alpha$-環糊精(6個葡萄糖單元)、$eta$-環糊精(7個葡萄糖單元)和$gamma$-環糊精(8個葡萄糖單元)的精確幾何尺寸、空腔直徑和深度。通過介紹X射綫晶體學、核磁共振(NMR)和高分辨率質譜(HRMS)等結構解析技術,展示瞭如何確定其氣相構象和溶液中構象的差異,特彆是關於葡萄糖單元“扭麯度”的精細結構調控。 此外,本章還涵蓋瞭修飾環糊精的結構多樣性。係統介紹瞭羥丙基化、磺丁基化、乙基化等常見的化學修飾方法,以及這些修飾如何顯著改變環糊精的水溶性、絡閤能力和生物相容性。 第二章:溶解度、聚集行為與分子識彆基礎 環糊精最核心的性質在於其兩親性:外部羥基親水,內部空腔疏水。本章深入探討瞭溶解度——特彆是$eta$-環糊精在水中的低溶解度——及其影響因素(溫度、pH值和共溶劑效應)。 重點解析瞭環糊精的包閤作用(Inclusion Complexation)機理。通過熱力學參數(如結閤常數$K_a$)的測定,闡述瞭疏水作用力在分子識彆過程中的主導地位。詳細討論瞭競爭性包閤、配位競爭以及溶劑交換在包閤過程中的角色。 此外,本章還涉及環糊精在溶液中的自組裝行為,包括其形成二聚體、膠束以及在更高濃度下的有序聚集結構,這對理解其在藥物遞送中的宏觀行為至關重要。 第二部分:環糊精的製備、分離與衍生化技術 本部分專注於環糊精的工業化生産和功能化過程,是實現其應用轉化的關鍵技術環節。 第三章:工業化製備與酶促轉化 本章詳述瞭環糊精的酶法生産工藝。詳細描述瞭澱粉原料的選擇、液化預處理過程,以及核心的環糊精葡糖基轉移酶(CGTase)的作用機製。對比瞭固定化酶技術與遊離酶技術在反應效率、産物選擇性和酶迴收方麵的優劣。 重點討論瞭如何通過底物工程和酶工程來調控CGTase的産物比例,以優化特定環糊精(如高附加值的$gamma$-CD)的産率。同時,介紹瞭發酵過程的放大、後處理和純化技術,包括層析分離、重結晶和膜分離技術在工業純化中的應用。 第四章:高效分離與錶徵技術 由於粗品中$alpha, eta, gamma$-CD往往混閤存在,高效分離技術至關重要。本章係統迴顧瞭色譜分離方法,包括高效液相色譜(HPLC)和模擬移動床(SMB)技術在分離CD異構體中的應用。特彆關注瞭利用手性固定相或衍生化固定相進行精細分離的策略。 在錶徵方麵,本章強調瞭固態NMR、二維NMR(如ROESY)用於確定包閤物的結閤位點和空腔內客體分子的取嚮。此外,還介紹瞭動態光散射(DLS)和原子力顯微鏡(AFM)在分析環糊精納米結構和薄膜形貌學上的應用。 第五章:化學修飾與功能化策略 本章是環糊精應用拓展的核心。全麵梳理瞭選擇性化學修飾的策略,特彆關注瞭如何實現對特定羥基(C2, C3, C6位)的官能團引入。 詳細介紹瞭共價鍵閤技術,如酯化、醚化、胺化反應,以及如何利用點擊化學(Click Chemistry)實現高效、高選擇性的生物分子接枝。討論瞭引入功能性基團(如熒光基團、聚閤物鏈、靶嚮配體)以賦予環糊精新的光電、生物活性或可控釋放能力的過程。 第三部分:環糊精的應用前沿 本部分展示瞭環糊精在解決實際工程和科學問題中的創新應用,涵蓋瞭藥物科學、環境修復和先進材料三大領域。 第六章:藥物遞送係統與生物相容性 環糊精在製藥工業中的應用是本書的重點。本章首先闡述瞭環糊精如何作為增溶劑提高難溶性藥物的生物利用度(如PI-CDs的應用)。詳細分析瞭藥物與CD的包閤機製對藥物穩定性和溶解速率的影響。 深入探討瞭靶嚮性藥物遞送係統的設計,包括如何將環糊精功能化以連接pH敏感連接體、受體配體或響應性聚閤物,構建刺激響應型納米載體(如pH響應、溫度響應)。討論瞭藥物包閤物的體外釋放動力學和體內藥代動力學研究方法。 第七章:環境化學與汙染物治理 本章將環糊精的應用擴展到環境科學領域。分析瞭環糊精在汙染物去除中的作用,特彆是對有機汙染物(如多環芳烴、內分泌乾擾物)的吸附和絡閤機製。 重點介紹瞭功能化環糊精吸附劑的製備,例如將CD接枝到介孔二氧化矽、磁性納米顆粒或高分子樹脂上,以提高對特定環境毒素的選擇性捕獲能力。討論瞭其在土壤和地下水修復中的應用潛力,以及如何通過控製CD的釋放速率來達到長期修復效果。 第八章:先進材料與傳感技術 本章聚焦於環糊精在構建超分子材料和智能係統中的角色。討論瞭環糊精作為分子“構件”參與的超分子自組裝,例如形成分子籠、納米管和超分子聚閤物網絡(SUPNs)。 詳細介紹瞭基於CD的化學傳感器和生物傳感器的設計原理。通過利用CD與特定分析物的特異性結閤引起光譜、熒光或電化學信號的變化,闡述瞭其在痕量物質檢測中的高靈敏度和選擇性優勢。最後,探討瞭環糊精在分離膜技術和能源存儲材料(如電解質添加劑)中的新興應用。 結論與展望 全書最後對環糊精化學領域的現狀進行瞭總結,並對未來發展方嚮進行瞭展望,包括高通量篩選新型CGTase、開發新型多糖基復閤材料以及利用人工智能輔助設計新的CD衍生物及其功能性包閤物。本書旨在激發讀者對這一迷人分子體係的進一步探索熱情。