環(huán)糊精超分子自組裝包合機制研究進展

黃 娟，楊 宇，于海燕，陳 臣，田懷香*

（上海應用技術大學香料香精技術與工程學院，上海 201418）

環(huán)糊精是一類天然存在的大環(huán)主體分子，具有獨特的“外親水、內疏水”截錐狀結構。其空腔可作為優(yōu)良的包埋載體對不穩(wěn)定、易揮發(fā)的化合物進行保護。不僅如此，環(huán)糊精單體間與聚合物或者小分子均可通過非共價相互作用自組裝形成超分子體，該體系可根據(jù)外界刺激或者客體分子的不同而改變其自身結構以達到最大程度的鍵合，進行可逆地自我形成和修復，從而減少外界環(huán)境對其影響，提高包合客體的水溶性、熱穩(wěn)定性及生物利用度等[1-3]。自組裝可定義為分子或者其他組裝基元通過弱的相互作用自發(fā)地形成有序結構體的過程[4]。自組裝后的環(huán)糊精聚集體，相對于其單體，對客體分子具有更高的結合常數(shù)及更高的裝載量[5]。

環(huán)糊精自組裝在各領域中應用廣泛，如在化學領域生產(chǎn)輪烷、聚輪烷等；在材料領域可作為分子識別的“特殊功能分子開關器件”等；在生物領域，將環(huán)糊精衍生物有序組裝在固體電極表面能夠模擬生物膜的傳輸過程，對研究選擇性分子傳輸、分子識別及酶模擬具有重要意義；在食品領域，可作為易揮發(fā)、易氧化分解風味化合物的包埋載體，提高其香氣穩(wěn)定性等[6-8]。

本文旨在對超分子基自組裝環(huán)糊精包合機制做一系統(tǒng)總結，包括環(huán)糊精與客體分子之間的相互作用、環(huán)糊精單體自組裝及自組裝體與客體分子之間的相互作用及相應的影響因素，在此基礎之上，對環(huán)糊精包合物中客體分子的緩釋機制進行解析，為該方面的研究提供一定的理論參考。

1 環(huán)糊精的結構、性質與改性

環(huán)糊精作為一類環(huán)狀低聚寡糖，是直鏈淀粉經(jīng)葡萄糖轉移酶降解所得到的產(chǎn)物。常見的環(huán)糊精種類有3 種，根據(jù)其自身組成結構α-1,4-糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖單元數(shù)目進行區(qū)分。如圖1所示，常見的3 種環(huán)糊精為α-、β-和γ-環(huán)糊精，分別含有6、7、8 個吡喃葡萄糖單元[9-10]。環(huán)糊精在空間上呈現(xiàn)出中空截錐的圓筒狀，內部由于C—H基團的屏蔽作用形成非極性疏水空腔，而外部的極性伯羥基對水分子具有吸引作用，使其具備了獨特的“外親水、內疏水”結構性質。該結構特性使環(huán)糊精具有分子識別功能，可包埋不穩(wěn)定易揮發(fā)的客體小分子，提高這些小分子的穩(wěn)定性或者水溶性，使其在食品、香料、醫(yī)藥、化妝品等領域應用范圍極為廣泛[11-14]。Aytac[15]、Wang Zhan[16]等將槲皮素與β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）進行包合，利用靜電紡絲制備成納米膜，使得槲皮素的抗氧化活性和光穩(wěn)定性得到了顯著的提高。

圖1 3 種常見環(huán)糊精的空腔結構及內徑示意圖[9]Fig.1 Schematic diagrams of cavity structure and inner diameter of three common cyclodextrins[9]

天然環(huán)糊精中β-CD空腔大小適中、包合穩(wěn)定性好、工業(yè)成本較低，具有廣泛的應用價值。但是，其自身溶解性差的缺點也逐漸被研究者們所熟知，并嚴重阻礙了環(huán)糊精的進一步應用[17]。室溫下，β-CD因其組成的葡萄糖單元數(shù)目為奇數(shù)，在空間上呈現(xiàn)非對稱的致密結構，易結晶，在水溶液中表現(xiàn)出明顯的自聚集現(xiàn)象。這是因為其分子內部及分子與分子間的次面仲羥基在晶格中的強結合力相互作用形成完整的氫鍵，呈現(xiàn)出相對剛性的結構，進而阻止了它與周圍水分子的水化行為，從而表現(xiàn)出較低的水溶性[18-19]。

基于目前工業(yè)應用中β-CD表現(xiàn)出的不足，對其分子結構進行修飾改性顯得尤為必要。所謂改性，就是指在保持環(huán)糊精大環(huán)基本骨架不變的基礎之上引入修飾基團，一般C2、C3、C6上的羥基基團是重要的結構修飾點，其中C6上的羥基最為活潑，而C3上的羥基比C2上的反應性弱得多。例如羥丙基-β-CD（hydroxypropyl-βcyclodextrin，HP-β-CD）是β-CD引入親水基團羥丙基與次面6-羥基進行烷基化反應得到的產(chǎn)物，該基團取代了β-CD外側的—OH，打破了β-CD分子內氫鍵的形成，修飾后得到的HP-β-CD分子大量地聚集自組裝形成超分子體系，成為一種無定形、獨特的非晶態(tài)化合物，從而具備了更高的溶解性[20-21]。

綜上，通過不同的化學反應，可將環(huán)糊精改性成具有不同物理化學性質或功能的化合物，極大地解決了工業(yè)生產(chǎn)中的諸多棘手問題，例如水溶性差等。Wei Yongqin等[22]在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，光甘草定作為一種極為常見的活性成分，水溶性差的缺點尤為明顯，與HP-β-CD包合形成包合物后，其抗氧化活性得到了顯著提高，對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基的清除能力提高了9 倍。與此同時，對酪氨酸酶的抑制能力也提高了20 倍，溶解度也相較于β-CD包合物大大提升。Celebioglu等[23]采用靜電紡絲技術制備甲硝唑/HP-β-CD包合物納米纖維網(wǎng)，以達到對活性成分甲硝唑快速溶出的目的，結果表明包合物的形成對甲硝唑的水溶性具有顯著的改善作用。

2 環(huán)糊精包合機制

包合物是一種獨特的化合物形式，指其中一個分子被包裹在另一個分子或分子的聚集物中[24]。β-CD的包合機制在于它在固相或水溶液中可與各種類型的分子建立起特定的相互作用，構建非共價鍵實體，形成穩(wěn)定的包合物。環(huán)糊精單體與客體分子之間、環(huán)糊精單體之間、環(huán)糊精聚集體與客體分子之間均可通過這種相互作用形成三維網(wǎng)絡結構，完成包合過程。上述3 種情況并非單獨存在，而是共存于一個復雜的溶液體系中。

2.1 環(huán)糊精單體與客體分子之間的包合作用

2.1.1 包合機制

當客體分子的尺寸大小適配于環(huán)糊精空腔時，則單個的環(huán)糊精可作為壁材對客體分子進行包埋，形成包合物。該過程是一個處在分子水平上的反應，即分子取代反應，它是一個可逆的過程[25]。環(huán)糊精與客體分子形成穩(wěn)定的包合物并不是簡單的一步反應，而是經(jīng)歷包結物過渡態(tài)的兩步反應。以檸檬醛包合反應為例，如圖2所示，一般情況下客體分子檸檬醛不能立即進入環(huán)糊精空腔，而是先與周圍包裹的水分子發(fā)生解體，以一種理想游離狀態(tài)存在于水溶液中，接著再與環(huán)糊精外部親水層結合重組，最后進入環(huán)糊精空腔，與內部高能水進行分子取代，并通過范德華力和氫鍵作用使包合物達到穩(wěn)定平衡[26]。

圖2 環(huán)糊精與檸檬醛分子包合反應機制示意圖Fig.2 Mechanism of inclusion reaction between cyclodextrin and citral

Ceborska等[27]模擬了β-CD與α-松油醇的包合機制，圖3A所示為單個主客體結合狀態(tài)，在此基礎之上，β-CD與α-松油醇在分子水平形成二聚體結構，在溶液中大量存在并形成均一、穩(wěn)定的體系（圖3B）。上述模擬結果很好地解釋了環(huán)糊精“外親水、內疏水”的結構特性，即環(huán)糊精形成的疏水性空腔在水相中可有效地包合小分子客體從而形成穩(wěn)定的包合物，大幅改變客體分子的水溶性及對外界環(huán)境的反應程度，與此同時還伴隨著能量的釋放、空間張力的顯著降低，這些變化使系統(tǒng)能量降低，將有利于包合物的形成[28-29]。

圖3 β-CD-α-松油醇包合機制分子模擬圖[27]Fig.3 Molecular simulation of the inclusion mechanism between β-cyclodextrin and α-terpinol[27]

包合物的形成和解離受親和常數(shù)K的控制，K越高，包合物越穩(wěn)定，解離越少。K的大小不僅取決于環(huán)糊精空腔與客體分子在幾何形狀、尺寸方面的匹配性，而且還與它們各自的性質密切相關。實際應用中，包合反應K約為100～5 000 L/mol時最合適。當K＜100 L/mol時，包合物的性質極不穩(wěn)定，分子與分子間結合力較弱，相互作用力較小，導致客體分子過早地釋放和溶解性改善不明顯；當K處在一個極高的水平（大于5 000 L/mol）時，包合物性質非常穩(wěn)定，客體分子不易從環(huán)糊精腔釋放出去或釋放受阻[30]。

2.1.2 影響包合物穩(wěn)定性的因素

2.1.2.1 空間匹配性

客體分子與環(huán)糊精能否發(fā)生包合反應，起關鍵作用的不在于化學性質，而在于其幾何因素，簡而言之就是二者之間的空間匹配性。Yang Songlin等[31]研究了紫衫素、槲皮素和桑色素水合物3 種黃酮類化合物與β-CD形成包合物的絡合行為。結果發(fā)現(xiàn)，β-CD對活性成分的溶解性十分有限，而經(jīng)改性后帶有氨基或羥基的環(huán)糊精更有利于它與活性成分間氫鍵的形成，故選用帶有氨基的環(huán)糊精衍生物丙二胺-β-CD進行包合。黃酮類化合物大多具有多個羥基，其尺寸與環(huán)糊精空腔的匹配度較高，通過分子模擬發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物碳環(huán)已穿過丙二胺-β-CD的空腔，經(jīng)環(huán)糊精包合的黃酮類化合物相比于未包合的黃酮類化合物其溶解度得到了極大改善，同時自身的抗氧化活性也得到了保護。

2.1.2.2 主客體分子間相互作用

客體分子與環(huán)糊精之間發(fā)生分子取代反應的主要驅動力是環(huán)糊精腔內高能水的釋放。環(huán)糊精內部存在一個非極性孔，表面帶有羥基，包合作用主要是通過客體分子與環(huán)糊精腔壁的疏水相互作用進行，除此之外還包括范德華力、氫鍵作用等。這些驅動力有時為單一作用力，即表現(xiàn)為主要驅動力，但大多數(shù)情況下是多種作用力同時存在，且相互協(xié)同作用，共同促進包合反應的完成[32]。Periasamy等[33]選用共沉淀法制備了β-CD與4,4-亞苯基二異丙基雙苯胺（4,4’-(1,4-phenylenediisopropylidene)bisaniline，PDB）包合物，利用傅里葉變換紅外光譜對包合物的形成情況進行分析。結果顯示，PDB中一級氨基的N—H拉伸峰仍出現(xiàn)在包合物譜圖中，對應波數(shù)3 439.08 cm－1和3 344.57 cm－1，但該峰與β-CD的寬峰帶相互重合，峰強度有較大程度的降低，由此證實苯胺基團被封裝在包合物中的β-CD空腔中，與空腔中功能基團發(fā)生了相互作用，且包合物形成過程中無新的化學鍵形成，故PDB與β-CD之間的相互作用是非共價。此外，包合物更具非晶態(tài)性質，相較于未包合PDB，β-CD與PDB包合物熱穩(wěn)定性大幅提高。

2.1.2.3 極性與電荷

在極性方面，環(huán)糊精與客體分子之間作用強度隨帶電客體分子親水性的增加而降低，即表現(xiàn)為客體分子與環(huán)糊精水溶液的相互作用可看作一個“三元體系”，其中水為極性溶劑，環(huán)糊精空腔為非極性，當客體分子引入一個帶電基團或親水基團后，該客體分子與極性溶劑水的相互作用會增強，相應地降低了它與環(huán)糊精分子的作用強度；若客體分子為非極性基團或其極性小于水，它就更傾向于與環(huán)糊精空腔作用，形成穩(wěn)定的包合物，此現(xiàn)象可用競爭相互作用來解釋[34]。在帶電方面，當客體分子與環(huán)糊精帶相反電荷時，二者的結合作用較強，即表現(xiàn)為環(huán)糊精可以提供更多的結合位點，使得客體分子可以選擇性地與最適配的位點進行反應，從而提高包合物的穩(wěn)定性[26]。

2.1.2.4 外源添加物

除分子大小、客體與環(huán)糊精的相互作用外，影響包合物穩(wěn)定性的因素還有外源添加物。即通過添加各種外源添加物，例如水溶性聚合物、酸或堿、陰離子有機鹽類等，增加K來提高包合效率或提高包合物的溶解度[34-35]。但是，考慮到聚合物的線性特征，它可能同時具備與環(huán)糊精本身發(fā)生包合反應的能力，這就導致它與客體分子之間存在相互競爭關系。任敏等[36]研究發(fā)現(xiàn)，當客體分子與主體包合達到相對平衡時，添加其他競爭性客體分子或其他有機溶劑，會使兩種客體分子產(chǎn)生競爭，原客體分子被取代，完成非自發(fā)性釋放，若在包合過程中發(fā)生，則會導致K的降低。Cai Chang等[37]在制備E-白皮杉醇/HP-β-CD包合物時，發(fā)現(xiàn)由于主體環(huán)糊精和客體分子之間的疏水相互作用，它們之間會發(fā)生自發(fā)性包合，當在反應體系中加入不同種類的醇作為助溶劑時，由于醇會引起溶液極性降低，E-白皮杉醇分子在溶劑中的溶解度有所增大，此時引發(fā)的競爭性相互作用使得客體分子與水分子之間氫鍵作用力減弱，水化層被破壞，導致客體分子與環(huán)糊精的包合率降低，K減小。

2.2 環(huán)糊精單體自組裝構筑超分子體系

環(huán)糊精作為一類環(huán)狀寡糖，其單體之間可以共價或非共價鍵特異性連接。正是由于這一性質，環(huán)糊精可作為構建超分子復合物的基礎，即多個環(huán)糊精分子在水動力平衡下，通過分子間弱相互作用力即非共價鍵相互作用，一定條件下疊加或正協(xié)同轉化作為強結合能，依靠鍵合位點之間的識別實現(xiàn)“程序化”自組裝，自發(fā)地形成復雜有序且具有特定功能的分子聚集體，該體系即為超分子體系，能夠在溫和的條件下進行可逆的分子組裝[38-40]。

經(jīng)分子組裝而成的超分子體系，可以在分子水平上對其分子結構進行精確的控制，從而使得超分子聚合物具有完全不同于原組成分子的許多獨特的結構特征和新的物理化學性質，可形成超晶格晶體、膠束、反膠束、囊泡、液晶等超分子形態(tài)。例如β-CD在自組裝的過程中由于強烈的π堆積，其空間結構可能會發(fā)生扭曲，此時在固相或水溶液中以一種非晶態(tài)的、類似膠束狀的化合物形式存在。這一特性將有助于環(huán)糊精分子結構的設計，打破主客體空間匹配度的局限性，為后期環(huán)糊精自組裝體系包裹外來客體分子并與之結合提供便利[41-43]。劉瑞寧等[44]通過對β-CD改性合成了全-6-脫氧-6-(4-甲酰苯基)-β-CD，利用X射線衍射技術對其在固相中的自組裝行為進行分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精小口端所有的6-位羥基均被甲酰苯基取代后，環(huán)糊精小口端原有的氫鍵帶消失，但大口端的氫鍵網(wǎng)絡依然存在，使得環(huán)糊精分子依然保持原有的截錐狀結構。苯甲酰基基團沿著β-CD的側壁伸展，分子呈冠狀，兩分子之間形成了頭-對-頭的二聚體，此時一維通道結構形成，接著相鄰分子之間通過氫鍵連接，最終形成了具有多孔隙的三維有機框架結構，且具有兩親性特征。內部甲酰苯基構成疏水層，外部羥基之間通過氫鍵作用構成親水層，使得更多的水分子集中到其周圍，增強了結構的穩(wěn)定性，該研究為基于環(huán)糊精構筑超分子功能材料提供了新的設計思路。

2.3 環(huán)糊精自組裝體系與客體分子之間的相互作用

2.3.1 作用機制

客體分子與環(huán)糊精進行包合反應時，其包合物一旦形成，通常認定它們處于一種理想狀態(tài)，即各包合物之間相互獨立。但是，大量的研究表明，對于一個復雜得多的系統(tǒng)來說，這顯然是一個過度簡化的過程。換言之，環(huán)糊精既能通過分子取代形成包合物；也能夠通過自身多個單體之間的自組裝形成一種非晶態(tài)的、類似膠束狀的高分子質量聚合物與客體之間進行包合，與外壁上特定的功能基團和客體分子之間發(fā)生分子識別結合。該體系與環(huán)糊精單體包合物可在水溶液中共存[45-46]。

環(huán)糊精超分子自組裝的包合機理大致如圖4所示，大量的環(huán)糊精單體聚集，分子端通過氫鍵作用相互靠近單體之間發(fā)生聚合，該反應首先發(fā)生在相鄰的兩個單體環(huán)糊精之間，形成納米結構域，此過程為鏈引發(fā)；緊接著，結構域之間進一步引發(fā)更多的單體聚合形成空間上的三維網(wǎng)絡結構，此過程為鏈增長。與鏈增長相比，鏈引發(fā)階段所消耗的單體數(shù)量較少，故單體的轉化絕大部分是在鏈增長階段完成的。這種三維空隙能夠通過外部化學基團對客體分子進行分子識別并將其截留在空隙中，增加了分子與分子間的空間位阻，使其分子碰撞減緩，達到了穩(wěn)定包合的效果[47-49]。由于非共價鍵具有可逆性，超分子聚合物的聚合和解離可以非常容易地發(fā)生，這就賦予了該類分子優(yōu)異的熱加工性、自我修復的能力以及對環(huán)境變化的刺激響應性。

圖4 環(huán)糊精超分子構筑超分子體系包合機理示意圖Fig.4 Inclusion mechanism for the formation of cyclodextrin-based supramolecular system

環(huán)糊精單體間連接作用力基于非共價相互作用，相較于共價鍵力，非共價鍵力的鍵能雖小，但相關研究表明，為了構造高穩(wěn)定性的分子識別模式或組裝體系，多重非共價鍵之間相互作用所形成的正協(xié)同效應在整個體系中所起到的作用不容小覷。其中，氫鍵作用在眾多非共價力中占據(jù)重要地位，即環(huán)糊精分子自組裝的動力很大程度上歸因于氫鍵作用。該作用力不僅存在于分子與分子間，還存在于分子內部。濃度或溫度的變化對分子內氫鍵影響不大，對分子間氫鍵則影響很大[50]。當包合物體系受到外部刺激時，包合于環(huán)糊精疏水性空腔的客體分子將會因為氫鍵作用得到很好的保護，而外部連接的客體分子將會因氫鍵斷裂形成游離態(tài)或因分子運動加劇形成團聚體。超分子聚合物體系的穩(wěn)定性，即氫鍵作用力強弱與濃度顯著相關[51]。Daoud-Mahammed等[52]研究了疏水改性葡聚糖和β-CD聚合物結合的新型超分子納米組裝體的穩(wěn)定性，在低濃度時，懸浮液在貯存過程中平均粒徑雖變化不大，但分子運動隨著作用時間的延長，聚集程度逐漸明顯，分子間相互作用力加強，使得粒徑趨于不穩(wěn)定，平均粒徑也相對應逐漸增大。Garcia-Padial等[53]研究天然酚類抗氧劑酪醇和咖啡酸在不同環(huán)糊精聚合物中的吸附和釋放作用時，加入交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷制備得到不溶性環(huán)糊精聚合物，由于雙鍵和芳香環(huán)的共軛作用，α-環(huán)糊精聚合物更有利于客體分子的包合。包合過程中涉及到聚合物網(wǎng)絡結構的吸附及環(huán)糊精個體空腔的包裹作用，同時氫鍵與范德華力的相互作用使得包合過程中的負焓變化波動較大，通過計算等位吸附熱，發(fā)現(xiàn)酪醇的等位熱較高，釋放速率也相應較快。

2.3.2 影響包合物穩(wěn)定性的因素

2.3.2.1 分子結構及聚合度

分子結構不同的客體分子，其自身所帶有的基團與環(huán)糊精聚合物之間可發(fā)生分子識別作用[54]。Qiao Xing等[55]通過多種化學方法將蝦青素（astaxanthin，Asta）與多不飽和脂肪酸酯化后，發(fā)現(xiàn)酯化后的蝦青素酯（astaxanthin ester，Asta-E）比游離態(tài)具有更高的溶解性、生物利用度和抗氧化活性。接著將多種鏈長的Asta-E分子與HP-β-CD的進行包合并進行表征，結果表明，與長鏈二十二碳六烯脂肪酸（C22:6）結合的Asta-E（Asta-C22:6）中含有大量的雙鍵，導致其空間位阻減小，表現(xiàn)出更高的抗熱降解活性，在高溫下不易分解。除此之外還發(fā)現(xiàn)與包合前相比，包合后的Asta-C22:6表現(xiàn)出對HepG2細胞較高的抗增殖活性。Hu Yao等[56]通過超聲輔助重結晶的方法成功制備了環(huán)糊精/脫支淀粉-納米顆粒（cyclodextrin/debranched starch nanoparticles，CD/DBS-NPs），通過機理分析發(fā)現(xiàn)β-CD可與直鏈淀粉相互作用，干擾直鏈淀粉的成核和重結晶過程，進而通過氫鍵形成全新的結構。通過選用不同聚合度的DBS制備CD/DBS-NPs，在不同的超聲處理時間下，揭示了CD/DBS-NPs顆粒結構與裝載橘皮素能力的相關性。結果顯示，CD/DBS-NPs中橘皮素的最大載藥量為（17.91±0.03）μg/mg，最大包埋效率達到了（83.20±0.15）%。掃描電子顯微鏡觀察到所制備的納米顆粒具有球形或方形的形態(tài)特征，聚合度較低的DBS分子質量較小，構象紊亂程度較輕，可以增加其與超聲產(chǎn)生振蕩氣泡的親和力，從而形成完美的晶體結構。加上超聲處理下分子碰撞增強，使得DBS和β-CD在CD/DBS-NPs的形成過程中更易形成氫鍵，其包合穩(wěn)定性大大提高。

2.3.2.2 取代基

Fan Zhi等[57]通過氨基取代羥基的方法，考察了取代基團對單改性-環(huán)糊精自組裝行為的影響，發(fā)現(xiàn)分子間的弱相互作用是決定自組裝行為的關鍵因素。羥基（—OH）作為一種親水基團，它的取代對環(huán)糊精聚合反應的進行有直接的影響。β-CD在水溶液中會進行自發(fā)締合，自聚集之后其溶解度會大幅下降，在水溶液中會形成沉淀，不利于包合作用的進行，客體分子的生物利用率也會顯著降低。此時引入水溶性修飾基團—OH進行取代，能夠使β-CD的溶解度增強，不易形成自聚集沉降現(xiàn)象，但當引入HP-β-CD質量分數(shù)超過50%時，溶液的黏度顯著增加。由此可知，HP-β-CD的自聚集不僅取決于其—OH的取代，還與其在水溶液中的濃度有極大的關聯(lián)。但是，只有當濃度足夠大時，才可發(fā)生黏度增大和沉降現(xiàn)象，低濃度時不顯著，故把握環(huán)糊精在溶液中的濃度非常關鍵[58]。

2.3.2.3 外源添加物

外源添加物如離液劑、羧酸類物質等可通過改變或破壞氫鍵的次級鍵結構，促進或抑制環(huán)糊精的自組裝行為，與客體分子進行包合，在保證原有晶型不發(fā)生改變的前提下，增強環(huán)糊精的溶解度。其中離液劑，又稱促溶劑，包括尿素、電解質或堿性緩沖液等[59]。González-Gaitano等[60]利用光子相關光譜研究NaCl、尿素、NaOH這3 種添加劑對環(huán)糊精溶液的分散效果，結果發(fā)現(xiàn)，所有3 種添加劑都一定程度上削弱了聚集物中將環(huán)糊精分子結合在一起的分子作用力。He Yifeng等[61]發(fā)現(xiàn)天然的環(huán)糊精在水溶液中易形成200～300 nm的聚集體，并伴有非締合單體，且該聚集體無法通過0.1 mm的過濾器，即便通過0.1 mm，甚至0.02 mm的過濾膜，聚集體也會在快速聚合動力學作用下再次形成，尿素的加入或極高的pH值會誘導聚集體的溶解。

大量研究表明，在弱酸和堿性藥物的作用下，利用pH值可調控環(huán)糊精聚合反應的進程，提高其溶解度。其原理是在不同pH值條件下，客體分子自身攜帶的特定基團能夠與H＋發(fā)生特異性結合，進而調節(jié)其單體分子狀態(tài)，最終調控環(huán)糊精自組裝和解離的進程。例如加入羧酸類物質可改變溶液的pH值，由于空間位阻效應，該類物質通過與客體分子發(fā)生競爭性相互作用，與環(huán)糊精分子外部上的—OH基團形成氫鍵，降低其與客體分子的絡合能力，使得K也相應減小[62-63]。

2.4 基于主客體相互作用環(huán)糊精構筑Pickering乳液界面穩(wěn)定機制

環(huán)糊精穩(wěn)定疏水性客體分子的基本原理在于環(huán)糊精本身可作為一種固體顆粒吸附在液-液兩相界面，穩(wěn)定油相液滴。研究者們通過一定的實驗均已證實，當環(huán)糊精顆粒接觸角小于90°時即可形成O/W型乳液。關于環(huán)糊精穩(wěn)定油相界面穩(wěn)定機制，主要有以下兩種類型：1）環(huán)糊精微晶穩(wěn)定：環(huán)糊精顆粒本身具有一定乳化特性，自組裝形成超分子體系在液-液兩相界面處形成微晶，穩(wěn)定油相液滴；2）環(huán)糊精與客體分子形成包合物穩(wěn)定，該包合物具有一定界面活性，形成后繼續(xù)向連續(xù)相轉移，吸附到油-水界面形成液晶態(tài)的界面膜，接著發(fā)生彎曲包合油相，形成O/W型乳液[64-65]。在第2種機制中，如圖5所示，環(huán)糊精穩(wěn)定油相自組裝結構會隨著環(huán)糊精濃度變化而變化，即在低環(huán)糊精濃度下，穩(wěn)定油相的主要是分子吸附的環(huán)糊精-客體分子包合物；而高環(huán)糊精濃度下，則是環(huán)糊精-客體分子包合物微晶[67]。

圖5 不同濃度下環(huán)糊精自組裝穩(wěn)定疏水性客體分子機制[66]Fig.5 Molecular mechanism of hydrophobic guest stabilization by selfassembly of cyclodextrins at different concentrations[66]

2.5 環(huán)糊精與表面活性劑自組裝協(xié)同穩(wěn)定客體

天然環(huán)糊精的表面含有大量的羥基，界面活性較低，乳化性能有限。在形成乳液的過程中具有快速聚集和絮凝等缺陷，導致制備而成的環(huán)糊精包合物乳液在放置一段時間后易發(fā)生明顯的油-水分層現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差[68]。為了改善環(huán)糊精乳液的絮凝穩(wěn)定性，可通過加入表面活性劑構筑復合型乳化劑來降低油水界面張力，從而提高乳液的穩(wěn)定性。

表面活性劑是一類能夠吸附在氣-液、液-液及固-液等兩相界面處的有機化合物，具有顯著降低界面張力的能力[69-71]。從其結構上來看，它具有兩親性，即自身帶有固定的親水親油基團，能夠在溶液表面與環(huán)糊精疏水性空腔進行選擇性結合，進行有序而定向的排列[72]。當不同種類及性質的表面活性劑共存時，其乳化性能既可能呈現(xiàn)協(xié)同增效作用，也可能呈現(xiàn)相互競爭吸附的反作用，這與乳化劑的界面活性明顯相關[73-75]。對于表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定機制，主要有以下幾種觀點：1）競爭吸附[76]：指在環(huán)糊精與表面活性劑同時存在條件下，具有更高表面活性的乳化劑（單獨的乳化劑或者環(huán)糊精與乳化劑形成的包合物）會將環(huán)糊精分子由界面處替代下來，進而穩(wěn)定油相液滴（圖6A）；2）合作吸附：指油相先于表面活性加入環(huán)糊精溶液中，在環(huán)糊精與油相分子已經(jīng)形成包合物微晶穩(wěn)定油相的前提下，表面活性劑與包合物合作共同吸附在兩相界面，穩(wěn)定液滴（圖6B）；3）環(huán)糊精與表面活性劑自組裝形成微晶，包埋客體（圖6C）[77]。

圖6 環(huán)糊精與表面活性劑相互作用機制示意圖[76-77]Fig.6 Schematic diagram of the interaction mechanism between cyclodextrins and surfactants[76-77]

Piot等[78]選用天然來源的聚甘油-3-雙異硬脂酸酯（polyglyceryl-3-diisostearate，PG3D）與β-CD構成復合乳化劑，穩(wěn)定葵花籽油及甜杏仁油，發(fā)現(xiàn)PG3D與β-CD之間存在協(xié)同作用，PG3D因其疏水表面的高濕潤性，所形成的復合乳化劑對水分子具有更高的親合性，可在油-水界面進行自組裝，形成不溶性的膠體顆粒從而降低其界面張力，相對于只有β-CD穩(wěn)定時，復合乳化劑表現(xiàn)出更加優(yōu)越的性能，能夠有效降低乳液粒徑。Li Xue等[79]選用大豆卵磷脂與吐溫80兩種乳化劑，考察其在α-環(huán)糊精-中鏈脂肪酸微晶穩(wěn)定Pickering乳液的作用機制，發(fā)現(xiàn)表面活性劑的加入同樣可以起到協(xié)同穩(wěn)定油相的作用，且具有雙向效應，即在不同表面活性劑濃度下穩(wěn)定機制不同。主要表現(xiàn)為：對于吐溫80，在低濃度下與α-環(huán)糊精在油-水界面主客體相互作用形成膠體顆粒吸附到乳液滴表面導致界面張力的降低，高濃度下由于吐溫80與α-環(huán)糊精自組裝在連續(xù)相中引起黏度增加使乳液穩(wěn)定性提高。劉幻幻[80]研究環(huán)糊精在油水界面行為及其乳液性質穩(wěn)定時，考察了酪蛋白酸鈉（sodium caseinate，SC）的加入濃度、加入次序對油-水界面穩(wěn)定機制的影響，發(fā)現(xiàn)當有SC存在且濃度較低時，在油-水界面會阻礙β-CD的吸附作用，但又由于SC的吸附量不夠，液滴未形成完全覆蓋，會出現(xiàn)暫時性的乳液聚結，導致液滴絮凝、粒徑增大；當SC濃度逐漸增大時，對油相具有更高的親合性，可形成完全覆蓋，乳液恢復穩(wěn)定，粒徑減小。

2.6 環(huán)糊精包合過程中分子模擬

分子模擬作為一種新興技術正以其高效、直觀、經(jīng)濟、快速等優(yōu)點在食品領域逐漸受到關注。該技術能夠很好地預測環(huán)糊精聚集體納米顆粒平衡態(tài)自組裝的締合模式和親和程度，可深入探究主客體之間分子反應的機理，如范德華力、氫鍵和疏水相互作用，為食品科學研究提供更多的微觀基礎數(shù)據(jù)，大大提高了科研速度和效率[81-83]。

楊俊麗等[84]制備了高麗槐素（maackiain，MAA）與HP-β-CD包合物，并對其進行了表征和分子對接模擬。通過分子對接和核磁共振氫譜對MAA與HP-β-CD包合物的行為機制進行對比研究，發(fā)現(xiàn)兩者的結果一致。即MAA分子貫穿于HP-β-CD的空腔內，整個分子的A、B、C環(huán)被空腔包合，且MAA以D環(huán)從HP-β-CD的小口端進入空腔，這可能是由于D環(huán)上有一個羥基且氫質子較多，有利于包合物的形成，使包合物更穩(wěn)定。此時MAA與HP-β-CD以1∶1的物質的量比形成包合物，經(jīng)過包合后，MAA的溶解度從0.35 mg/mL提高到3.2 mg/mL，增加了將近10 倍。Fourtaka等[85]借助X射線晶體學和分子動力學模擬對天然及甲基化環(huán)糊精與檸檬醛異構體包合的分子結構進行分析，發(fā)現(xiàn)在模擬的水環(huán)境中，檸檬醛與不同類型環(huán)糊精親和力差異較大，形成包合物的結構穩(wěn)定性各不相同；此外，雖然都形成了“頭對頭”的二聚體，形態(tài)上具有高度無序的結構，但是Z-檸檬醛相較于E-檸檬醛具有更“彎曲”的構象，這與連接主-客體的相互作用力顯著相關[86]。由此可見，借助分子模擬，不僅可以獲得實驗不易獲得的參數(shù)，如主客體化學計量比、結合構象及結合能等，還可通過合適的數(shù)據(jù)分析方法，從主客體的化學角度分析包合物的穩(wěn)定性、包合過程中相互作用力等重要信息，更有利于理解包合反應過程。準確把握分子模擬軟件的適用范圍，可為選擇適合環(huán)糊精包合過程的分子模擬技術提供便利。

3 環(huán)糊精包合物釋放機制

環(huán)糊精對客體分子進行包合后，其中空的截錐狀結構相當于一層保護膜。但是，這層膜并不是密不透風的，其僅僅是對客體分子起到緩慢釋放的作用，對其分子結構及物理化學性質不構成任何影響[87]。包合物的釋放機制如圖7所示，通過外界給予的刺激（如pH值變化、高溫高濕、加入外源添加物等）對環(huán)糊精單體之間、腔內客體與腔壁之間所連接的氫鍵等一系列非共價鍵力進行破壞，內部分子得到解體并釋放到溶液中[88]。楊黎燕等[89]以β-CD為原料，采用反相乳液法制備β-CD聚合物微球，通過飽和水溶液法得到薄荷油-β-CD聚合物，經(jīng)包合物釋放熱性能實驗發(fā)現(xiàn)，整個過程薄荷油釋放平緩，且薄荷油在第10天時保留率高達80.15%，與單純的β-CD包合方法相比，對環(huán)糊精進行改性聚合后形成的微球大幅增強了薄荷油的緩釋性能，對薄荷油的保護作用亦更加顯著。

圖7 環(huán)糊精-客體包合物釋放機制示意圖Fig.7 Schematic diagram of the release mechanism of cyclodextringuest inclusion complex

3.1 包合物釋放動力學模型

微膠囊控制釋放系統(tǒng)是由芯材和高分子壁材組成，通過改變芯材和壁材的組成方式或外界環(huán)境（例如溫度、相對濕度等）獲得所需的緩釋效果。包合物的緩釋過程是一個非穩(wěn)態(tài)過程，此過程不僅有客體分子的釋放，同時還伴隨著少量水分子的釋放作為能量供應。在同樣的外界條件下，常用的釋放動力學模型有很多，若擬合曲線與釋放過程特征基本一致則表明該模型具有較好擬合效果[90-92]。表1列舉了一些常見的釋放動力學模型及其函數(shù)形式對應的釋放機理類型。

表1 常用的包合物釋放動力學模型Table 1 Commonly used kinetic models for release of inclusion complexes

3.2 影響包合物釋放速率的因素

3.2.1 芯壁比

包合物中客體分子從微膠囊中釋放時，其擴散阻力主要來源于壁材所形成膜層的致密度。隨著壁材厚度的增加，即環(huán)糊精濃度的提高，客體分子釋放進一步減緩。換言之，壁材含量越高，半透膜的形成速度越快，風味物質釋放越少。但是，為達到緩釋的目的，增加環(huán)糊精濃度、提高芯壁比的同時，也要考慮到環(huán)糊精的濃度越高，其在水溶液中的黏度也會隨之增大，造成溶解度大幅下降。在降溫過程中亦會有環(huán)糊精膠束的析出，破壞客體分子的界面吸附過程，造成顆粒之間的凝聚，不利于包合物的穩(wěn)定[93]。

3.2.2 溫度及濕度

當包合的客體分子為揮發(fā)性化合物組分時，由于客體分子與外界環(huán)境之間總是處于不停的物質交換及流動中，它們的釋放通常不會在空氣中持續(xù)很長時間，尤其是在高溫和高濕條件下[94]。Choi等[95]采用水溶性聚合物環(huán)糊精和水溶性聚合物-聚己內酯封裝魚油，考察了凍干魚油包覆物在不同相對濕度和貯藏溫度下的穩(wěn)定性，確定了魚油的釋放速率。結果發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥后處于低溫低濕下的凍干魚油復合物在魚油和混合壁材（水溶性聚合物環(huán)糊精和聚己內酯）質量比10∶20條件下3 d內可在壁材內保留高達97%的魚油。Yin Hao等[92]在制備了HPβ-CD-1,8-桉樹腦包合物后，對1,8-桉樹腦釋放特性進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，溫度和相對濕度對其釋放均有顯著影響，即溫度越高、相對濕度越大，釋放速率越快。釋放過程中，加大相對濕度，環(huán)糊精對水的吸收導致了環(huán)糊精分子結構的改變，結構進一步瓦解加快了內部客體分子的釋放進程，增加了環(huán)糊精在溶液中的溶解度，溫度的升高亦能達到相同的效果，但作用機制不同，此過程與分子運動的加劇緊密相關。

4 結語

在食品領域，環(huán)糊精因其無毒、低成本、包合性能優(yōu)良等優(yōu)點被越來越廣泛地應用于不穩(wěn)定風味物質的包埋中。借助計算機模擬技術能夠很好地預測環(huán)糊精聚集體納米顆粒平衡態(tài)自組裝的締合模式和親和程度，可深入探究主客體之間分子反應的機理，有助于闡明主體包覆客體分子的能力，尤其是氫鍵和疏水相互作用，這將為環(huán)糊精化學在超分子領域的研究提供更多的思路。鑒于單獨環(huán)糊精包埋客體存在低穩(wěn)定性、低裝載量等缺點，可通過加入表面活性劑解決。表面活性劑通過在液-液兩相界面吸附，其本身帶有的親水親油基團在溶液的表面進行定向排列，可達到降低油-水兩相間界面張力的效果。其原理在于，在包合過程中，環(huán)糊精首先與表面活性劑結合，自組裝形成納米晶體，再與客體分子進行二次組裝，形成超分子體系。這不僅使環(huán)糊精在形態(tài)、結構上更加穩(wěn)定，與此同時還增強了客體在包合物中的緩慢釋放性能。超分子態(tài)的環(huán)糊精體系保留了環(huán)糊精原本的包合性質，其機械強度、穩(wěn)定性、化學性能可調性也大幅提升，為風味物質截留、香氣緩釋等方面的研究提供了更多更廣闊的空間。與此同時，環(huán)糊精與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定客體分子包埋機制也值得進一步深入研究。