黃 娟,楊 宇,于海燕,陳 臣,田懷香*
(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院,上海 201418)
環(huán)糊精是一類(lèi)天然存在的大環(huán)主體分子,具有獨(dú)特的“外親水、內(nèi)疏水”截錐狀結(jié)構(gòu)。其空腔可作為優(yōu)良的包埋載體對(duì)不穩(wěn)定、易揮發(fā)的化合物進(jìn)行保護(hù)。不僅如此,環(huán)糊精單體間與聚合物或者小分子均可通過(guò)非共價(jià)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(jié)構(gòu)以達(dá)到最大程度的鍵合,進(jìn)行可逆地自我形成和修復(fù),從而減少外界環(huán)境對(duì)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(guò)弱的相互作用自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)體的過(guò)程[4]。自組裝后的環(huán)糊精聚集體,相對(duì)于其單體,對(duì)客體分子具有更高的結(jié)合常數(shù)及更高的裝載量[5]。
環(huán)糊精自組裝在各領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,如在化學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn)輪烷、聚輪烷等;在材料領(lǐng)域可作為分子識(shí)別的“特殊功能分子開(kāi)關(guān)器件”等;在生物領(lǐng)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(guò)程,對(duì)研究選擇性分子傳輸、分子識(shí)別及酶模擬具有重要意義;在食品領(lǐng)域,可作為易揮發(fā)、易氧化分解風(fēng)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(duì)超分子基自組裝環(huán)糊精包合機(jī)制做一系統(tǒng)總結(jié),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(yīng)的影響因素,在此基礎(chǔ)之上,對(duì)環(huán)糊精包合物中客體分子的緩釋機(jī)制進(jìn)行解析,為該方面的研究提供一定的理論參考。
環(huán)糊精作為一類(lèi)環(huán)狀低聚寡糖,是直鏈淀粉經(jīng)葡萄糖轉(zhuǎn)移酶降解所得到的產(chǎn)物。常見(jiàn)的環(huán)糊精種類(lèi)有3 種,根據(jù)其自身組成結(jié)構(gòu)α-1,4-糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖單元數(shù)目進(jìn)行區(qū)分。如圖1所示,常見(jiàn)的3 種環(huán)糊精為α-、β-和γ-環(huán)糊精,分別含有6、7、8 個(gè)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(nèi)部由于C—H基團(tuán)的屏蔽作用形成非極性疏水空腔,而外部的極性伯羥基對(duì)水分子具有吸引作用,使其具備了獨(dú)特的“外親水、內(nèi)疏水”結(jié)構(gòu)性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)特性使環(huán)糊精具有分子識(shí)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(lǐng)域應(yīng)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(jìn)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(jiàn)環(huán)糊精的空腔結(jié)構(gòu)及內(nèi)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(yīng)用價(jià)值。但是,其自身溶解性差的缺點(diǎn)也逐漸被研究者們所熟知,并嚴(yán)重阻礙了環(huán)糊精的進(jìn)一步應(yīng)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(duì)稱(chēng)的致密結(jié)構(gòu),易結(jié)晶,在水溶液中表現(xiàn)出明顯的自聚集現(xiàn)象。這是因?yàn)槠浞肿觾?nèi)部及分子與分子間的次面仲羥基在晶格中的強(qiáng)結(jié)合力相互作用形成完整的氫鍵,呈現(xiàn)出相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu),進(jìn)而阻止了它與周?chē)肿拥乃袨?,從而表現(xiàn)出較低的水溶性[18-19]。
基于目前工業(yè)應(yīng)用中β-CD表現(xiàn)出的不足,對(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǔ)之上引入修飾基團(tuán),一般C2、C3、C6上的羥基基團(tuán)是重要的結(jié)構(gòu)修飾點(diǎn),其中C6上的羥基最為活潑,而C3上的羥基比C2上的反應(yīng)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(tuán)羥丙基與次面6-羥基進(jìn)行烷基化反應(yīng)得到的產(chǎn)物,該基團(tuán)取代了β-CD外側(cè)的—OH,打破了β-CD分子內(nèi)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(wú)定形、獨(dú)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(guò)不同的化學(xué)反應(yīng),可將環(huán)糊精改性成具有不同物理化學(xué)性質(zhì)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(wèn)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(jiàn)的活性成分,水溶性差的缺點(diǎn)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(duì)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(shí),對(duì)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(shù)制備甲硝唑/HP-β-CD包合物納米纖維網(wǎng),以達(dá)到對(duì)活性成分甲硝唑快速溶出的目的,結(jié)果表明包合物的形成對(duì)甲硝唑的水溶性具有顯著的改善作用。
包合物是一種獨(dú)特的化合物形式,指其中一個(gè)分子被包裹在另一個(gè)分子或分子的聚集物中[24]。β-CD的包合機(jī)制在于它在固相或水溶液中可與各種類(lèi)型的分子建立起特定的相互作用,構(gòu)建非共價(jià)鍵實(shí)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(guò)這種相互作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),完成包合過(guò)程。上述3 種情況并非單獨(dú)存在,而是共存于一個(gè)復(fù)雜的溶液體系中。
2.1.1 包合機(jī)制
當(dāng)客體分子的尺寸大小適配于環(huán)糊精空腔時(shí),則單個(gè)的環(huán)糊精可作為壁材對(duì)客體分子進(jìn)行包埋,形成包合物。該過(guò)程是一個(gè)處在分子水平上的反應(yīng),即分子取代反應(yīng),它是一個(gè)可逆的過(guò)程[25]。環(huán)糊精與客體分子形成穩(wěn)定的包合物并不是簡(jiǎn)單的一步反應(yīng),而是經(jīng)歷包結(jié)物過(guò)渡態(tài)的兩步反應(yīng)。以檸檬醛包合反應(yīng)為例,如圖2所示,一般情況下客體分子檸檬醛不能立即進(jìn)入環(huán)糊精空腔,而是先與周?chē)乃肿影l(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(jié)合重組,最后進(jìn)入環(huán)糊精空腔,與內(nèi)部高能水進(jìn)行分子取代,并通過(guò)范德華力和氫鍵作用使包合物達(dá)到穩(wěn)定平衡[26]。
圖2 環(huán)糊精與檸檬醛分子包合反應(yīng)機(jī)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(jī)制,圖3A所示為單個(gè)主客體結(jié)合狀態(tài),在此基礎(chǔ)之上,β-CD與α-松油醇在分子水平形成二聚體結(jié)構(gòu),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(jié)果很好地解釋了環(huán)糊精“外親水、內(nèi)疏水”的結(jié)構(gòu)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(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)程度,與此同時(shí)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(jī)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(zhì)密切相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中,包合反應(yīng)K約為100~5 000 L/mol時(shí)最合適。當(dāng)K<100 L/mol時(shí),包合物的性質(zhì)極不穩(wěn)定,分子與分子間結(jié)合力較弱,相互作用力較小,導(dǎo)致客體分子過(guò)早地釋放和溶解性改善不明顯;當(dāng)K處在一個(gè)極高的水平(大于5 000 L/mol)時(shí),包合物性質(zhì)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(yīng),起關(guān)鍵作用的不在于化學(xué)性質(zhì),而在于其幾何因素,簡(jiǎn)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(lèi)化合物與β-CD形成包合物的絡(luò)合行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn),β-CD對(duì)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(jìn)行包合。黃酮類(lèi)化合物大多具有多個(gè)羥基,其尺寸與環(huán)糊精空腔的匹配度較高,通過(guò)分子模擬發(fā)現(xiàn)黃酮類(lèi)化合物碳環(huán)已穿過(guò)丙二胺-β-CD的空腔,經(jīng)環(huán)糊精包合的黃酮類(lèi)化合物相比于未包合的黃酮類(lèi)化合物其溶解度得到了極大改善,同時(shí)自身的抗氧化活性也得到了保護(hù)。
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(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)力是環(huán)糊精腔內(nèi)高能水的釋放。環(huán)糊精內(nèi)部存在一個(gè)非極性孔,表面帶有羥基,包合作用主要是通過(guò)客體分子與環(huán)糊精腔壁的疏水相互作用進(jìn)行,除此之外還包括范德華力、氫鍵作用等。這些驅(qū)動(dòng)力有時(shí)為單一作用力,即表現(xiàn)為主要驅(qū)動(dòng)力,但大多數(shù)情況下是多種作用力同時(shí)存在,且相互協(xié)同作用,共同促進(jìn)包合反應(yīng)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(duì)包合物的形成情況進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,PDB中一級(jí)氨基的N—H拉伸峰仍出現(xiàn)在包合物譜圖中,對(duì)應(yīng)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(qiáng)度有較大程度的降低,由此證實(shí)苯胺基團(tuán)被封裝在包合物中的β-CD空腔中,與空腔中功能基團(tuán)發(fā)生了相互作用,且包合物形成過(guò)程中無(wú)新的化學(xué)鍵形成,故PDB與β-CD之間的相互作用是非共價(jià)。此外,包合物更具非晶態(tài)性質(zhì),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(qiáng)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(gè)“三元體系”,其中水為極性溶劑,環(huán)糊精空腔為非極性,當(dāng)客體分子引入一個(gè)帶電基團(tuán)或親水基團(tuán)后,該客體分子與極性溶劑水的相互作用會(huì)增強(qiáng),相應(yīng)地降低了它與環(huán)糊精分子的作用強(qiáng)度;若客體分子為非極性基團(tuán)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(jìng)爭(zhēng)相互作用來(lái)解釋[34]。在帶電方面,當(dāng)客體分子與環(huán)糊精帶相反電荷時(shí),二者的結(jié)合作用較強(qiáng),即表現(xiàn)為環(huán)糊精可以提供更多的結(jié)合位點(diǎn),使得客體分子可以選擇性地與最適配的位點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng),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(guò)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(jī)鹽類(lèi)等,增加K來(lái)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(xiàn)性特征,它可能同時(shí)具備與環(huán)糊精本身發(fā)生包合反應(yīng)的能力,這就導(dǎo)致它與客體分子之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。任敏等[36]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)客體分子與主體包合達(dá)到相對(duì)平衡時(shí),添加其他競(jìng)爭(zhēng)性客體分子或其他有機(jī)溶劑,會(huì)使兩種客體分子產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),原客體分子被取代,完成非自發(fā)性釋放,若在包合過(guò)程中發(fā)生,則會(huì)導(dǎo)致K的降低。Cai Chang等[37]在制備E-白皮杉醇/HP-β-CD包合物時(shí),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(huì)發(fā)生自發(fā)性包合,當(dāng)在反應(yīng)體系中加入不同種類(lèi)的醇作為助溶劑時(shí),由于醇會(huì)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(shí)引發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)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(dǎo)致客體分子與環(huán)糊精的包合率降低,K減小。
環(huán)糊精作為一類(lèi)環(huán)狀寡糖,其單體之間可以共價(jià)或非共價(jià)鍵特異性連接。正是由于這一性質(zhì),環(huán)糊精可作為構(gòu)建超分子復(fù)合物的基礎(chǔ),即多個(gè)環(huán)糊精分子在水動(dòng)力平衡下,通過(guò)分子間弱相互作用力即非共價(jià)鍵相互作用,一定條件下疊加或正協(xié)同轉(zhuǎn)化作為強(qiáng)結(jié)合能,依靠鍵合位點(diǎn)之間的識(shí)別實(shí)現(xiàn)“程序化”自組裝,自發(fā)地形成復(fù)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(jìn)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(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和新的物理化學(xué)性質(zhì),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(guò)程中由于強(qiáng)烈的π堆積,其空間結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生扭曲,此時(shí)在固相或水溶液中以一種非晶態(tài)的、類(lèi)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),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(lái)客體分子并與之結(jié)合提供便利[41-43]。劉瑞寧等[44]通過(guò)對(duì)β-CD改性合成了全-6-脫氧-6-(4-甲酰苯基)-β-CD,利用X射線(xiàn)衍射技術(shù)對(duì)其在固相中的自組裝行為進(jìn)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(luò)依然存在,使得環(huán)糊精分子依然保持原有的截錐狀結(jié)構(gòu)。苯甲?;鶊F(tuán)沿著β-CD的側(cè)壁伸展,分子呈冠狀,兩分子之間形成了頭-對(duì)-頭的二聚體,此時(shí)一維通道結(jié)構(gòu)形成,接著相鄰分子之間通過(guò)氫鍵連接,最終形成了具有多孔隙的三維有機(jī)框架結(jié)構(gòu),且具有兩親性特征。內(nèi)部甲酰苯基構(gòu)成疏水層,外部羥基之間通過(guò)氫鍵作用構(gòu)成親水層,使得更多的水分子集中到其周?chē)?,增?qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,該研究為基于環(huán)糊精構(gòu)筑超分子功能材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。
2.3.1 作用機(jī)制
客體分子與環(huán)糊精進(jìn)行包合反應(yīng)時(shí),其包合物一旦形成,通常認(rèn)定它們處于一種理想狀態(tài),即各包合物之間相互獨(dú)立。但是,大量的研究表明,對(duì)于一個(gè)復(fù)雜得多的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這顯然是一個(gè)過(guò)度簡(jiǎn)化的過(guò)程。換言之,環(huán)糊精既能通過(guò)分子取代形成包合物;也能夠通過(guò)自身多個(gè)單體之間的自組裝形成一種非晶態(tài)的、類(lèi)似膠束狀的高分子質(zhì)量聚合物與客體之間進(jìn)行包合,與外壁上特定的功能基團(tuán)和客體分子之間發(fā)生分子識(shí)別結(jié)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(jī)理大致如圖4所示,大量的環(huán)糊精單體聚集,分子端通過(guò)氫鍵作用相互靠近單體之間發(fā)生聚合,該反應(yīng)首先發(fā)生在相鄰的兩個(gè)單體環(huán)糊精之間,形成納米結(jié)構(gòu)域,此過(guò)程為鏈引發(fā);緊接著,結(jié)構(gòu)域之間進(jìn)一步引發(fā)更多的單體聚合形成空間上的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),此過(guò)程為鏈增長(zhǎng)。與鏈增長(zhǎng)相比,鏈引發(fā)階段所消耗的單體數(shù)量較少,故單體的轉(zhuǎn)化絕大部分是在鏈增長(zhǎng)階段完成的。這種三維空隙能夠通過(guò)外部化學(xué)基團(tuán)對(duì)客體分子進(jìn)行分子識(shí)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(dá)到了穩(wěn)定包合的效果[47-49]。由于非共價(jià)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(lèi)分子優(yōu)異的熱加工性、自我修復(fù)的能力以及對(duì)環(huán)境變化的刺激響應(yīng)性。
圖4 環(huán)糊精超分子構(gòu)筑超分子體系包合機(jī)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(jià)相互作用,相較于共價(jià)鍵力,非共價(jià)鍵力的鍵能雖小,但相關(guān)研究表明,為了構(gòu)造高穩(wěn)定性的分子識(shí)別模式或組裝體系,多重非共價(jià)鍵之間相互作用所形成的正協(xié)同效應(yīng)在整個(gè)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(jià)力中占據(jù)重要地位,即環(huán)糊精分子自組裝的動(dòng)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(nèi)部。濃度或溫度的變化對(duì)分子內(nèi)氫鍵影響不大,對(duì)分子間氫鍵則影響很大[50]。當(dāng)包合物體系受到外部刺激時(shí),包合于環(huán)糊精疏水性空腔的客體分子將會(huì)因?yàn)闅滏I作用得到很好的保護(hù),而外部連接的客體分子將會(huì)因氫鍵斷裂形成游離態(tài)或因分子運(yùn)動(dòng)加劇形成團(tuán)聚體。超分子聚合物體系的穩(wěn)定性,即氫鍵作用力強(qiáng)弱與濃度顯著相關(guān)[51]。Daoud-Mahammed等[52]研究了疏水改性葡聚糖和β-CD聚合物結(jié)合的新型超分子納米組裝體的穩(wěn)定性,在低濃度時(shí),懸浮液在貯存過(guò)程中平均粒徑雖變化不大,但分子運(yùn)動(dòng)隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng),聚集程度逐漸明顯,分子間相互作用力加強(qiáng),使得粒徑趨于不穩(wěn)定,平均粒徑也相對(duì)應(yīng)逐漸增大。Garcia-Padial等[53]研究天然酚類(lèi)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(shí),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(guò)程中涉及到聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的吸附及環(huán)糊精個(gè)體空腔的包裹作用,同時(shí)氫鍵與范德華力的相互作用使得包合過(guò)程中的負(fù)焓變化波動(dòng)較大,通過(guò)計(jì)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(yīng)較快。
2.3.2 影響包合物穩(wěn)定性的因素
2.3.2.1 分子結(jié)構(gòu)及聚合度
分子結(jié)構(gòu)不同的客體分子,其自身所帶有的基團(tuán)與環(huán)糊精聚合物之間可發(fā)生分子識(shí)別作用[54]。Qiao Xing等[55]通過(guò)多種化學(xué)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(zhǎng)的Asta-E分子與HP-β-CD的進(jìn)行包合并進(jìn)行表征,結(jié)果表明,與長(zhǎng)鏈二十二碳六烯脂肪酸(C22:6)結(jié)合的Asta-E(Asta-C22:6)中含有大量的雙鍵,導(dǎo)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(duì)HepG2細(xì)胞較高的抗增殖活性。Hu Yao等[56]通過(guò)超聲輔助重結(jié)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(guò)機(jī)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(jié)晶過(guò)程,進(jìn)而通過(guò)氫鍵形成全新的結(jié)構(gòu)。通過(guò)選用不同聚合度的DBS制備CD/DBS-NPs,在不同的超聲處理時(shí)間下,揭示了CD/DBS-NPs顆粒結(jié)構(gòu)與裝載橘皮素能力的相關(guān)性。結(jié)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(dá)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(zhì)量較小,構(gòu)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(jié)構(gòu)。加上超聲處理下分子碰撞增強(qiáng),使得DBS和β-CD在CD/DBS-NPs的形成過(guò)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(guò)氨基取代羥基的方法,考察了取代基團(tuán)對(duì)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(guān)鍵因素。羥基(—OH)作為一種親水基團(tuán),它的取代對(duì)環(huán)糊精聚合反應(yīng)的進(jìn)行有直接的影響。β-CD在水溶液中會(huì)進(jìn)行自發(fā)締合,自聚集之后其溶解度會(huì)大幅下降,在水溶液中會(huì)形成沉淀,不利于包合作用的進(jìn)行,客體分子的生物利用率也會(huì)顯著降低。此時(shí)引入水溶性修飾基團(tuán)—OH進(jìn)行取代,能夠使β-CD的溶解度增強(qiáng),不易形成自聚集沉降現(xiàn)象,但當(dāng)引入HP-β-CD質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)50%時(shí),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(guān)聯(lián)。但是,只有當(dāng)濃度足夠大時(shí),才可發(fā)生黏度增大和沉降現(xiàn)象,低濃度時(shí)不顯著,故把握環(huán)糊精在溶液中的濃度非常關(guān)鍵[58]。
2.3.2.3 外源添加物
外源添加物如離液劑、羧酸類(lèi)物質(zhì)等可通過(guò)改變或破壞氫鍵的次級(jí)鍵結(jié)構(gòu),促進(jìn)或抑制環(huán)糊精的自組裝行為,與客體分子進(jìn)行包合,在保證原有晶型不發(fā)生改變的前提下,增強(qiáng)環(huán)糊精的溶解度。其中離液劑,又稱(chēng)促溶劑,包括尿素、電解質(zhì)或堿性緩沖液等[59]。González-Gaitano等[60]利用光子相關(guān)光譜研究NaCl、尿素、NaOH這3 種添加劑對(duì)環(huán)糊精溶液的分散效果,結(jié)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(jié)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(wú)法通過(guò)0.1 mm的過(guò)濾器,即便通過(guò)0.1 mm,甚至0.02 mm的過(guò)濾膜,聚集體也會(huì)在快速聚合動(dòng)力學(xué)作用下再次形成,尿素的加入或極高的pH值會(huì)誘導(dǎo)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(diào)控環(huán)糊精聚合反應(yīng)的進(jìn)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(tuán)能夠與H+發(fā)生特異性結(jié)合,進(jìn)而調(diào)節(jié)其單體分子狀態(tài),最終調(diào)控環(huán)糊精自組裝和解離的進(jìn)程。例如加入羧酸類(lèi)物質(zhì)可改變?nèi)芤旱膒H值,由于空間位阻效應(yīng),該類(lèi)物質(zhì)通過(guò)與客體分子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性相互作用,與環(huán)糊精分子外部上的—OH基團(tuán)形成氫鍵,降低其與客體分子的絡(luò)合能力,使得K也相應(yīng)減小[62-63]。
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(guò)一定的實(shí)驗(yàn)均已證實(shí),當(dāng)環(huán)糊精顆粒接觸角小于90°時(shí)即可形成O/W型乳液。關(guān)于環(huán)糊精穩(wěn)定油相界面穩(wěn)定機(jī)制,主要有以下兩種類(lèi)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(zhuǎn)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(jī)制中,如圖5所示,環(huán)糊精穩(wěn)定油相自組裝結(jié)構(gòu)會(huì)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(jī)制[66]Fig.5 Molecular mechanism of hydrophobic guest stabilization by selfassembly of cyclodextrins at different concentrations[66]
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(guò)程中具有快速聚集和絮凝等缺陷,導(dǎo)致制備而成的環(huán)糊精包合物乳液在放置一段時(shí)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(guò)加入表面活性劑構(gòu)筑復(fù)合型乳化劑來(lái)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(lèi)能夠吸附在氣-液、液-液及固-液等兩相界面處的有機(jī)化合物,具有顯著降低界面張力的能力[69-71]。從其結(jié)構(gòu)上來(lái)看,它具有兩親性,即自身帶有固定的親水親油基團(tuán),能夠在溶液表面與環(huán)糊精疏水性空腔進(jìn)行選擇性結(jié)合,進(jìn)行有序而定向的排列[72]。當(dāng)不同種類(lèi)及性質(zhì)的表面活性劑共存時(shí),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(jìng)爭(zhēng)吸附的反作用,這與乳化劑的界面活性明顯相關(guān)[73-75]。對(duì)于表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定機(jī)制,主要有以下幾種觀點(diǎn):1)競(jìng)爭(zhēng)吸附[76]:指在環(huán)糊精與表面活性劑同時(shí)存在條件下,具有更高表面活性的乳化劑(單獨(dú)的乳化劑或者環(huán)糊精與乳化劑形成的包合物)會(huì)將環(huán)糊精分子由界面處替代下來(lái),進(jìn)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(jī)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(lái)源的聚甘油-3-雙異硬脂酸酯(polyglyceryl-3-diisostearate,PG3D)與β-CD構(gòu)成復(fù)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(rùn)性,所形成的復(fù)合乳化劑對(duì)水分子具有更高的親合性,可在油-水界面進(jìn)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(duì)于只有β-CD穩(wěn)定時(shí),復(fù)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(jī)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(yīng),即在不同表面活性劑濃度下穩(wěn)定機(jī)制不同。主要表現(xiàn)為:對(duì)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(dǎo)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(zhì)穩(wěn)定時(shí),考察了酪蛋白酸鈉(sodium caseinate,SC)的加入濃度、加入次序?qū)τ?水界面穩(wěn)定機(jī)制的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)有SC存在且濃度較低時(shí),在油-水界面會(huì)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(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性的乳液聚結(jié),導(dǎo)致液滴絮凝、粒徑增大;當(dāng)SC濃度逐漸增大時(shí),對(duì)油相具有更高的親合性,可形成完全覆蓋,乳液恢復(fù)穩(wěn)定,粒徑減小。
分子模擬作為一種新興技術(shù)正以其高效、直觀、經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)在食品領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。該技術(shù)能夠很好地預(yù)測(cè)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(yīng)的機(jī)理,如范德華力、氫鍵和疏水相互作用,為食品科學(xué)研究提供更多的微觀基礎(chǔ)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(duì)其進(jìn)行了表征和分子對(duì)接模擬。通過(guò)分子對(duì)接和核磁共振氫譜對(duì)MAA與HP-β-CD包合物的行為機(jī)制進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果一致。即MAA分子貫穿于HP-β-CD的空腔內(nèi),整個(gè)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(jìn)入空腔,這可能是由于D環(huán)上有一個(gè)羥基且氫質(zhì)子較多,有利于包合物的形成,使包合物更穩(wěn)定。此時(shí)MAA與HP-β-CD以1∶1的物質(zhì)的量比形成包合物,經(jīng)過(guò)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(xiàn)晶體學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)天然及甲基化環(huán)糊精與檸檬醛異構(gòu)體包合的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在模擬的水環(huán)境中,檸檬醛與不同類(lèi)型環(huán)糊精親和力差異較大,形成包合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性各不相同;此外,雖然都形成了“頭對(duì)頭”的二聚體,形態(tài)上具有高度無(wú)序的結(jié)構(gòu),但是Z-檸檬醛相較于E-檸檬醛具有更“彎曲”的構(gòu)象,這與連接主-客體的相互作用力顯著相關(guān)[86]。由此可見(jiàn),借助分子模擬,不僅可以獲得實(shí)驗(yàn)不易獲得的參數(shù),如主客體化學(xué)計(jì)量比、結(jié)合構(gòu)象及結(jié)合能等,還可通過(guò)合適的數(shù)據(jù)分析方法,從主客體的化學(xué)角度分析包合物的穩(wěn)定性、包合過(guò)程中相互作用力等重要信息,更有利于理解包合反應(yīng)過(guò)程。準(zhǔn)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(guò)程的分子模擬技術(shù)提供便利。
環(huán)糊精對(duì)客體分子進(jìn)行包合后,其中空的截錐狀結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一層保護(hù)膜。但是,這層膜并不是密不透風(fēng)的,其僅僅是對(duì)客體分子起到緩慢釋放的作用,對(duì)其分子結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)不構(gòu)成任何影響[87]。包合物的釋放機(jī)制如圖7所示,通過(guò)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(duì)環(huán)糊精單體之間、腔內(nèi)客體與腔壁之間所連接的氫鍵等一系列非共價(jià)鍵力進(jìn)行破壞,內(nèi)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(guò)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),整個(gè)過(guò)程薄荷油釋放平緩,且薄荷油在第10天時(shí)保留率高達(dá)80.15%,與單純的β-CD包合方法相比,對(duì)環(huán)糊精進(jìn)行改性聚合后形成的微球大幅增強(qiáng)了薄荷油的緩釋性能,對(duì)薄荷油的保護(hù)作用亦更加顯著。
圖7 環(huán)糊精-客體包合物釋放機(jī)制示意圖Fig.7 Schematic diagram of the release mechanism of cyclodextringuest inclusion complex
微膠囊控制釋放系統(tǒng)是由芯材和高分子壁材組成,通過(guò)改變芯材和壁材的組成方式或外界環(huán)境(例如溫度、相對(duì)濕度等)獲得所需的緩釋效果。包合物的緩釋過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程,此過(guò)程不僅有客體分子的釋放,同時(shí)還伴隨著少量水分子的釋放作為能量供應(yīng)。在同樣的外界條件下,常用的釋放動(dòng)力學(xué)模型有很多,若擬合曲線(xiàn)與釋放過(guò)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(jiàn)的釋放動(dòng)力學(xué)模型及其函數(shù)形式對(duì)應(yīng)的釋放機(jī)理類(lèi)型。
表1 常用的包合物釋放動(dòng)力學(xué)模型Table 1 Commonly used kinetic models for release of inclusion complexes
3.2.1 芯壁比
包合物中客體分子從微膠囊中釋放時(shí),其擴(kuò)散阻力主要來(lái)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(jìn)一步減緩。換言之,壁材含量越高,半透膜的形成速度越快,風(fēng)味物質(zhì)釋放越少。但是,為達(dá)到緩釋的目的,增加環(huán)糊精濃度、提高芯壁比的同時(shí),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(huì)隨之增大,造成溶解度大幅下降。在降溫過(guò)程中亦會(huì)有環(huán)糊精膠束的析出,破壞客體分子的界面吸附過(guò)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(dāng)包合的客體分子為揮發(fā)性化合物組分時(shí),由于客體分子與外界環(huán)境之間總是處于不停的物質(zhì)交換及流動(dòng)中,它們的釋放通常不會(huì)在空氣中持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)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(nèi)酯封裝魚(yú)油,考察了凍干魚(yú)油包覆物在不同相對(duì)濕度和貯藏溫度下的穩(wěn)定性,確定了魚(yú)油的釋放速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn),冷凍干燥后處于低溫低濕下的凍干魚(yú)油復(fù)合物在魚(yú)油和混合壁材(水溶性聚合物環(huán)糊精和聚己內(nèi)酯)質(zhì)量比10∶20條件下3 d內(nèi)可在壁材內(nèi)保留高達(dá)97%的魚(yú)油。Yin Hao等[92]在制備了HPβ-CD-1,8-桉樹(shù)腦包合物后,對(duì)1,8-桉樹(shù)腦釋放特性進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),溫度和相對(duì)濕度對(duì)其釋放均有顯著影響,即溫度越高、相對(duì)濕度越大,釋放速率越快。釋放過(guò)程中,加大相對(duì)濕度,環(huán)糊精對(duì)水的吸收導(dǎo)致了環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)的改變,結(jié)構(gòu)進(jìn)一步瓦解加快了內(nèi)部客體分子的釋放進(jìn)程,增加了環(huán)糊精在溶液中的溶解度,溫度的升高亦能達(dá)到相同的效果,但作用機(jī)制不同,此過(guò)程與分子運(yùn)動(dòng)的加劇緊密相關(guān)。
在食品領(lǐng)域,環(huán)糊精因其無(wú)毒、低成本、包合性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于不穩(wěn)定風(fēng)味物質(zhì)的包埋中。借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠很好地預(yù)測(cè)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(yīng)的機(jī)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(xué)在超分子領(lǐng)域的研究提供更多的思路。鑒于單獨(dú)環(huán)糊精包埋客體存在低穩(wěn)定性、低裝載量等缺點(diǎn),可通過(guò)加入表面活性劑解決。表面活性劑通過(guò)在液-液兩相界面吸附,其本身帶有的親水親油基團(tuán)在溶液的表面進(jìn)行定向排列,可達(dá)到降低油-水兩相間界面張力的效果。其原理在于,在包合過(guò)程中,環(huán)糊精首先與表面活性劑結(jié)合,自組裝形成納米晶體,再與客體分子進(jìn)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(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定,與此同時(shí)還增強(qiáng)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(zhì),其機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性、化學(xué)性能可調(diào)性也大幅提升,為風(fēng)味物質(zhì)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(shí),環(huán)糊精與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定客體分子包埋機(jī)制也值得進(jìn)一步深入研究。