γ-环糊精工业化生产的研究进展

柏玉香，吴浩

1(江南大学，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡，214122) 2(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)3(江南大学，食品安全与营养协同创新中心，江苏 无锡，214122)

环糊精(cyclodextrin，CD)是由若干D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键连接而成的环状低聚糖，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。自1891年VILLERS的首次发现，CD在经历了20世纪30年代中期的分离纯化，物理化学性质表征和20世纪70年代初的毒理学研究后，开启了其工业化生产和规模化应用。发展至今，CD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[1]。

根据2019年QYResearch发布的行业研究报告显示，全球CD市场规模为1.94亿美元。在系列CD产品中，β-CD的销量最大且市场趋于饱和，而附加值最高的γ-CD的应用推广将有利于市场的进一步释放。然而γ-CD生产技术被欧美日等国垄断，我国无法参与全球生产竞争，这不仅推高了γ-CD 的价格，也制约了其在食品等大体量产品中的应用。

1 γ-CD概述

γ-CD由8个葡萄糖单元构成，无色、无味、不吸湿，在碱性溶液中非常稳定，仅在pH值低于2的酸性介质中才会水解，并耐受约280 ℃的高温。在食品中应用时，γ-CD的无致敏性优势突出[2]。3种CD的结构及理化特性如图1和表1所示。

a-α-CD的化学结构；b-β-CD的化学结构；c-γ-CD的化学结构

表1 α-CD，β-CD和γ-CD的理化特性对比[2-3]

γ-环糊精的立体结构是略呈锥状的中空圆筒，圆筒内腔是由非极性的氢原子和氧原子构成的疏水性结构，而圆筒外部由于具有较多的羟基因此表现出强亲水性。γ-环糊精的独特分子结构将许多疏水性物质包合在圆筒腔内，从而改善其应用效果[4]。在3种常规CD中，γ-CD具有许多独特优势，如γ-CD具有最大的空腔直径，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[5]。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[6]。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[7]。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[8]。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)。γ-CD的其他应用案例如表2所示。

表2 γ-CD的具体应用

目前γ-CD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-CD的CGT酶称为γ-CGT 酶[16]。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[17]。环化反应机制如图2所示[18]，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-CD。

图2 γ-CGT酶的环化反应机制

γ-CD的应用在国内外都有相关的执行标准(表3)。我国GB 2760—2014-14中明确表示γ-CD可在食品中作为稳定剂、增稠剂使用，且添加量为按需适量使用；美国FDA认定γ-CD为公认安全使用物质(generally recognized as safe, GRAS)，可用作稳定剂、乳化剂和载体；欧盟则将其认定为普通食品。因此它的安全性也为其应用提供了更多可能。

表3 三种CD的食品监管状况

2 酶法规模化生产γ-CD研究进展

早期，CD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3)[1]。

图3 酶法合成γ-CD的流程及其关键点

2.1 淀粉的预处理

原淀粉底物的糊化预处理可以有效破坏原淀粉颗粒致密结构，使其体积膨胀，崩解，淀粉链伸展，进而提高CGT酶的底物可及性和产物得率。然而，随着淀粉浓度增高，底物黏度显著增加，反应效率降低；同时底物中的支链淀粉在转化时，其分支点附近结构无法被CGT酶作用，降低了底物利用率，为此也可以进行脱支预处理；与α-和β-CD相比，组成γ-CD所需要的葡萄糖残基更多，利用酶法预处理提高支链淀粉侧链长将有利于CGT酶合成γ-CD。因此淀粉底物与预处理方法的选择是提高底物转化率和产物得率的2个关键点。淀粉预处理主要环节以及不同预处理酶的作用机理如图4所示。

图4 酶法预处理淀粉及作用机理

2.1.1 淀粉的选择

生产γ-CD的底物有玉米淀粉、糯玉米淀粉、甘薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、可溶性淀粉、麦芽糊精和β-CD等等，但最常用的还是木薯淀粉、玉米淀粉等成本低廉的原淀粉。曹新志等[19]在对比玉米、木薯、马铃薯、蕉藕和甘薯等淀粉底物时，发现蕉藕淀粉和甘薯淀粉的转化率最高。GOH等[20]分别以玉米淀粉、马铃薯淀粉、可溶性淀粉、直链淀粉、糖原、木薯淀粉为底物进行反应，结果表明使用木薯淀粉产生的CD最多，且γ-CD比例最理想。表4中列出了4种常见淀粉利用不同γ-CGT酶进行γ-CD生产的对比分析。结果表明，淀粉来源不同，其中直链淀粉与支链淀粉比例各不相同，各种CGT酶的链长特异性也不同，最终CD得率也有所差异。因此选择合适的淀粉种类，对最终γ-CD得率具有重要影响。

表4 产γ-CD的淀粉来源及其转化率

2.1.2 预处理方法的选择

目前的预处理方法包括物理法以及酶法两大类。在物理法中，MIMI等[25]的超声法处理和GATT等[26]的挤压法处理都提高了最终CD的得率。MIMI等[25]发现适度的热处理与超滤系统结合起来既能提高CD转化率也能保护膜的性能。而目前工业生产应用最广泛的是酶法预处理，所使用的酶包括异淀粉酶、普鲁兰酶、4α-GTase、α-淀粉酶或CGT酶等。RENDLEMAN等[27]利用脱支酶预处理淀粉，充分利用淀粉中的支链淀粉。WANG等[28]利用异淀粉酶与CGT酶双酶法反应，也是利用异淀粉酶水解了α-1，6-糖苷键，提高了淀粉的利用率。LI等[22]利用4α-GTase预处理淀粉，提高了支链淀粉侧链长度。这几种酶预处理方法都是通过改善底物结构组成来提高后期CD转化率。而α-淀粉酶或CGT酶预处理的主要目的是降低淀粉底物黏度，提高转化效率和节约底物搅拌所需能源[29]。其中α-淀粉酶可以在高温条件下将淀粉糊化液化，但α-淀粉酶的过度液化会造成底物的浪费和产物CD的降解，产生很多不能被CGT酶利用的单糖和低聚合度寡糖，因此需要严格控制α-淀粉酶液化过程。而CGT酶在预处理液化淀粉时只会产生极少量的小糖，在预处理淀粉时展现了独特优势。NORMAN等[30]从嗜热厌氧菌中分离得到耐90 ℃高温的β-CGT酶，在没有钙离子的存在下能够预处理液化35%浓度的淀粉浆液，可应用于高浓度淀粉预处理及CD生产中。BENAVENT等[31]研究了CGT酶50 ℃下对玉米和马铃薯淀粉的作用，以此理解淀粉结构和CD生产之间的关系，但这种有限的水解对2种淀粉的糊化行为影响很小。目前预处理中所用的CGT酶都是具有高耐热性的β-CGT酶，应用范围也主要是β-CD的生产，而大多数的γ-CGT酶都不具有耐热性，因此发现一种耐热型γ-CGT酶或设计一种新淀粉预处理工艺将中温γ-CGT酶应用于淀粉预处理显得尤为重要。

2.2 酶法转化淀粉液化物

酶法转化的工艺环节是γ-CD生产的核心环节，不同种类的CGT酶以及不同的络合剂都能对γ-CD的生产造成很大的影响。对于这2个关键因素，研究者们进行了大量研究，期望寻找到最合适的酶与络合剂从而得到更高品质的γ-CD。络合剂法制备γ-CD的过程如图5所示。

图5 络合剂法制备γ-CD

2.2.1 酶的选择

酶法生产γ-CD的关键因素之一是酶的选择，CGT酶特异性转化淀粉生成γ-CD的活力越高，底物利用率也就越高，同时后期分离纯化的成本也将降低。如表5所示，4种已知序列的γ-CGT 酶被筛选出来。TAKADA等[32]表征了来源于Bacillusclarkiistrain 7364的γ-CGT酶，该酶可以将13.7%的淀粉转化为环糊精，环糊精中γ-CD占比达79%左右。HIRANO等[33]表征了来源于Bacillussp.G-825-6的γ-CGT酶，该酶不在任何条件下生成α-CD，且以10%可溶性淀粉为底物时，γ-CD与β-CD的比值总是大于4.7。郑丹妮等[23]表征了来源于Bacillussp.FJAT-44876的γ-CGT酶，该酶同样不生成α-CD并可将22.38%的淀粉转化为环糊精，且在添加10%(体积分数)的乙醇时γ-CD占比将达到78.2%左右。这些来源的γ-CGT酶都具备工业化应用的潜力。

表5 已知序列的γ-CGT酶的主要来源及生产条件

目前已发现的γ-CGT酶存在产物特异性差、温度稳定性差以及pH稳定性差等问题，突变某些重要氨基酸残基是解决这些问题的重要手段。在产物特异性方面，GOH等[20]构建了Bacillussp.G1 CGT酶的H43T突变株，将亚位点-3附近的组氨酸突变为有着更短侧链的苏氨酸，对大尺寸CD产生明显偏好，提高了产物中γ-CD的比例。WANG等[35]发现Bacillusclarkiistrain 7364 Y186 W突变体表现出了明显高于野生型的产物特异性，γ-CD占比达到了94.6%左右。在热稳定性方面，LI等[36]通过突变重要残基提高了来源于Paenibacillussp.的CGT酶的比活性和热稳定性，这些重要残基往往与疏水相互作用和静电相互作用有关。

2.2.2 络合剂的选择

20世纪早期，国外研究者就已证实添加适宜的络合剂可有利于提高某一类CD的合成[37]，研究表明络合剂可与CD形成复合物，这种复合物的形成可阻碍CD产物与 CGT 酶活性位点的结合从而解除产物抑制作用，使得反应向有利于CD生成的方向进行。所以添加特定的络合剂可以促使产物向与加入有机溶剂的分子尺寸相匹配的某一种特定CD转化，从而改变α-CD、β-CD和γ-CD比例，增加目的产物得率(表6)。SATO等[38-39]加入四环和五环类萜如甘草酸和甜菊苷可以使γ-CD的转化率从15%提升到40%左右。曹新志[3]在研究γ-CD生产中发现添加适量甘草酸可以提高γ-CD产量，同时还发现甘草酸能抑制β-CD的生成。SERES等[40]发现以甲基乙基酮和1-萘酚的1∶1(摩尔比)混合物作为络合剂比单独使用1-萘酚作为络合剂更有利于γ-CD的生产。RENDLEMAN等[41]发现某些碳十二环状化合物可以提高γ-CD产量。现已发现，具有不饱和六元环和十个碳原子的食品级无毒烃可在生产和分离β和γ-CD中体现优势，例如AMMERAAL[42]利用柑桔皮油中的食品级柠檬烯络合剂从CD混合物中沉淀提取了γ-CD。

表6 不同络合剂生产γ-CD的比较

2.2.3 络合剂的回收

尽管目前工业中生产CD主要使用络合剂法，但仍然存在许多问题，例如络合剂的残留将导致它们在药品或食品的应用受限。因此得到CD复合物后需要利用蒸气抽提、液液萃取等方式去除络合物中的络合剂，络合剂去除得越彻底，CD纯度越高，也越安全，因此络合剂的去除方法对γ-CD的生产十分重要。吴敬等[43,45-46]采用水蒸气共沸蒸馏法回收有机溶剂，通过该方法可以几乎全部去除络合物中环十二酮。WU等[45]利用大孔吸附树脂以及酸沉淀法来分离除去反应中的甘草酸，2种分离方法结果并不理想，因此去除络合物中甘草酸的工艺有待进一步研究。沉淀物和水悬浮液中柠檬烯油的除去可以通过沸腾、有机溶剂洗涤、蒸气注入等方式，其中蒸气抽提法获得了最佳结果[42]。

2.2.4 产物的质量控制与检测标准

在生产纯化后，需要通过检测分析对γ-CD进行质量控制[4]。目前常用的检测手段是HPLC分析，通过外标法既可区分γ-CD和其他CD，也可初步确定γ-CD 产量。但产物中还有可能存在糊精类杂质，因此需要进行红外光谱(infrared spectroscopy，IR)分析以及MS分析，确保产物与γ-CD标准品的分析图谱一致。为了确保络合剂与CD实现分离，需要进一步进行GC分析，对标产物与络合剂标准品来计算残留量。为符合产品安全制备标准，残留量应低于6 mg/L。表7为德国瓦克公司生产的γ-CD的质量指标表。

表7 γ-CD的质量指标

3 γ-CD生产中限制性因素分析

国内外许多微生物和加工实验室都进行过γ-CGT 酶发酵和γ-CD淀粉转化技术的开发，但仅有极少数团队掌握了γ-CD的生产技术，同时产量也十分有限，这其中限制γ-CD规模化生产的三大因素是过高的酶制剂成本、产物的抑制作用以及复杂的纯化工艺(图6)。

图6 现阶段γ-CD生产的限制性因素

3.1 过高的酶制剂成本

具有高环化活性的CGT酶的规模化生产是CD生产的基本需求。已经报道的多种γ-CGT酶及其突变体的环化活性相比较目前工业生产中所用的β-CGT 酶(日本天野酶公司的CGTase “Amano”产品以及丹麦诺维信公司的Toruzyme®产品)的环化活性仍有较大差距。除此之外还研究了酶在反应周期中的重复使用，从而降低总生产成本，其中针对酶固定化方法的研究包括载体、交联试剂和固定化酶稳定性等方面的研究，但对于γ-CGT酶的高效重复利用方法仍在研究阶段。

CGT酶固定化具有许多潜在的优势，如提高酶的热稳定性，实现酶的重复利用和满足和反应介质分离及连续化生产要求。FENELON等[47]分别以天然载体植物海绵以及高分子质量葡萄糖聚合物可得然胶作为载体进行了酶固定化实验，其中可得然胶作为载体固定化后可以进行CD生产，但酶活性有所下降。RAKMAI等[48]将酶固定在混合藻酸盐-明胶凝胶珠中时，酶具有很高的稳定性并且提高了CD产率。ZHANG等[49]在聚乙烯亚胺存在下，成功将酶固定在聚多巴胺-Fe3O4纳米颗粒上并保留了酶活。目前酶固定化技术仍存在不少问题，如酶蛋白转化率较低且反应不稳定、增加了工业成本等等，因此固定化酶的工艺仍然有待改进。

3.2 产物的抑制作用

在酶法生产过程中，随着反应体系中CD含量的增加，会出现明显的产物抑制的现象，这主要是因为酶与CD产物相结合，这种结合既会阻止底物环化反应的进行，也会促进CD发生偶合反应形成直链糊精。为了克服生产过程中的产物抑制问题，通常选择合适的络合剂与生成的CD形成络合物沉淀，减少CD发生偶合反应的可能性，此外国内外学者还研究了超滤系统以及双水相系统等方法来实现产物与反应体系的分离。

超滤系统是解决CD产物抑制的一种重要的工具，通过超滤系统分离CD，剩余未反应的部分及CGT酶返回添加底物继续反应，这能使CGT酶的环化反应稳定进行，这将有利于CD的生产[50-51]。FENELON等[47]利用10 kDa 和50 kDa的超滤膜进行分离操作，而实验中CGT酶分子质量约为78 kDa，α-CD、 β-CD和γ-CD的分子质量分别为972、1 135和1 297 Da，因此通过超滤系统可以将CD组分与酶组分分离开，达到减弱产物抑制、提高酶利用率并且纯化CD的目的。双液相系统(aqueous two phase system，ATPS)萃取生物转化技术是一种将生物转化和分离纯化整合到一个步骤过程中的技术。马来西亚的LIN等[52]使用以聚乙二醇/磷酸钾溶液为两相的ATPS，评估了来源于蜡状芽孢杆菌的CGT酶从可溶性淀粉中提取的γ-CD的生物转化。该技术成功重复循环了3次，证实了其低成本和安全的优势。此后LIN等[53]继续使用环氧乙烷-环氧丙烷/磷酸钾液体双相系统同样成功重复循环了4次，证明了与传统方法相比，磷酸钾液体双相系统萃取生物转化技术是一种更好的替代技术。这种技术通过双液相系统，可以将产物分离到一相体系中，而酶法转化淀粉则在另一相体系中进行，从而克服产物抑制问题。

3.3 复杂的纯化工艺

现有CGT酶生产γ-CD时产物特异性差，通常会伴随α-CD、β-CD以及微量杂质糊精产生，且γ-CD的溶解度相对较高，不容易通过浓缩、结晶的方法从反应液中分离纯化出来。因此，国内外还研究了许多分离纯化技术以及工艺优化条件来达到纯化单一CD的目标。

柱分离系统是使产物溶液依次与离子交换树脂和凝胶色谱柱接触，将还原糖或CD吸附在柱上，从而将两者分离。OKADA等[54]提出了一种纯化方法，该方法首先将产物溶液通过装有碱金属或强酸性阳离子交换树脂的柱，分离出CD馏分，再浓缩并通过冷却沉淀的方式去除部分β-CD，最后通过凝胶色谱柱分离得到γ-CD。KORPELA等[55]测试了具有各种附着配体的载体材料，发现包含极性基团或通过极性官能团连接到基质上的多孔亲水性配体在柱分离中最有效。γ-CD可以特异性的与包含萘配体(优选通过1或8位结合)的凝胶相互作用，因此先用1,8-萘酸酐衍生化的Biogel P-6色谱柱分离后，再用Dowex RTM柱分离，得到了高纯度的γ-CD。目前的许多研究中都可以得到混合的环糊精溶液，但从混合液中分离γ-CD仍然是一个挑战。JI等[56]利用环糊精水解酶(PpCD酶)达到了纯化γ-CD的目的，这是因为PpCD酶对α-CD、β-CD的水解速率远远高于γ-CD的水解速率。尽管这种方法可能会造成部分γ-CD的损失，但可以提高γ-CD产品品质并且符合清洁标签，因此该法在γ-CD生产中具有很大的潜力。

4 前景与展望

尽管目前对γ-CD的功能特性以及其应用研究已取得较大进展，但对其工业化制备限制性因素的研究较少。首先，反应液中目的γ-CD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-CD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，需要探索一条新的淀粉预处理工艺。未来，随着γ-CD 在食品、医药等领域的广泛应用，必然会推动γ-CD 生产瓶颈问题的研究，最终实现γ-CD的国产化和规模化生产。