一、前言
環糊精是直鏈淀粉經微生物降解的產物。于1891年由德國Villiers氏首先分離出來，1904年Scharidinger表征它為環狀低聚物（Oligoscharides），因此環糊精又名為：Scharidinger Dextrins或Cycloglucans或Cycloamyloses等.1938年，由Freudenberg等人指出：是由吡喃葡萄糖單元通過1,4—糖苷鍵連接構成的大環化合物(1)，從此，引起了人們對此類化合物的興趣，1950年Freudenberg和Cramer兩人提出了不同環糊精分子量的修訂意見，1954年Cramer稱：環糊精的特性是“被包合在環糊精空腔中的化學物質沒有形成任何化學鍵”。這種獨特性能在當時相當奇異，進一步吸引科學家們的關注和開展了廣泛的研究(2)。現在這種分子包合現象的研究，由于許多科學家的努力已形成一門新的學科——主客化學或稱超分子化學。1987年瑞典皇家科學院宣稱：當年諾貝爾化學獎授予美國化學家克拉姆·佩德森和法國化學家萊恩，以表彰他們在化學研究中最治躍的和不斷擴展的領域之一——即主客化學的研究和應用方面所作出的貢獻，其最重要的基礎物質之一便是環糊精（Cyclodextrin簡稱CD）。
人們對環糊精的研發過程可劃分為兩個發展階段。1970年以前，主要是對環糊精的結構和化學性能的研究；1970年以后，開始才進入應用開發階段。近40多年來，各種環糊精及其衍生物在國內外已廣泛應用于各個工業生產領域和科研部門，如醫藥、農藥、日用化妝品、食品以及化學分析、分子識別和催化等方面；甚至進入最前沿的分子信息科學，成為重要的超分子化學學科。最重要的原因是其獨特環狀分子結構（主體），人們利用其空腔的疏水性，可與各種有機化合物（客體）進行包合。形成主客體非鍵合類復合物（Complex）。由此，改變和保護了客體分子的物理化學和生物學性能，形成一種新的化學品。這類新的化學品在我國染整加工中應用探索約始于上世紀末，已有若干應用報導(3~8)，但對環糊精本身性能的介紹不多，作為推動此項新技術的應用，作者將平時摘錄整理成文，作為拾遺補缺資料就教于諸同好。
二、環糊精的由來及其衍生物
（一）環糊精的由來
由玉米、馬鈴薯或其它淀粉為原料，由Bacillus屬桿菌，所產生的環糊精糖苷轉移酶（Cyclodextrin-Glucosyl-Transferase,簡稱CGTase）從呈現螺旋狀的淀粉分子鏈兩端剪斷分子鏈后，把它們連接成一個一個環狀，由于剪斷的淀粉鏈長度不同，這樣就產生了分子量不同的環糊精和寡聚麥芽糖的混合物。經不同的沉淀劑（如：癸醇、甲苯和十六環—8烯—1酮等）處理，可分離出常見的α、β和γ三種環糊精收率約為50%。有文獻稱：1975年日本化學家崛越毅用Alkalophilic Bacillus No.38-2其菌體外產生的一種新CGTase，性能穩定，又能耐70℃30分種，使收率可提高至75~80%，才使環糊精可能進行工業化生產。后又稱：改變細菌產生的CGTase,可更有選擇性和更準確地生產單一的環糊精品種。
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由生物制得環糊精是旋光性的，而直鏈淀粉只能降解出右旋的環糊精，它可由生物降解生成CO2和H2O，所以是一種環保型手性化合物。
（二）環糊精的化學結構
是六個以上葡萄糖分子以α—1，4糖苷連接的環狀低聚物，其中葡萄糖殘基呈4C1椅式結構如圖(9)1（a）所示。最常見的是α—環糊精（r—CD），β—環糊精（β—CD）和γ—環精精（γ—CD）；分別由六個、七個和八個葡萄糖分子構成。經X—射線衍射和核磁共振研究證明：環糊精的立體結構是中空兩端開口的錐形園環形（或稱喇叭形環）如圖1（b）所示。呈近似Cn軸對稱，結構穩定，不易受酸、矸、酶和熱作用而分解。
環糊精的環呈兩親性，在開口的錐形圓環寬口外圍排列著的C3—OH和C2—OH基，其間存在著氫鍵，使分子邊緣變硬，氫鍵的強度為：α—CD＜β—CD＜γ—CD。在錐形園環窄口外圍的柔性C6—OH也能通過氫鍵聯結。由于兩端羥基分布不均產生偶極效應使整個分子動搖，而易在水溶液中離解，但在晶體中通常不存在此現象。據研究稱（10）在α—環糊精中，氫鍵是所有的C3—OH基（電子給予體）和C2—OH基（電子受體）它們是互變的；但在β—環糊精和γ—環糊精中則所有C3—OH基為電子受體，而C2—OH基為電子予體。
由于是這些親水團都在環狀大分子的錐園環外側，空腔內側排列著配糖氧原子，它的非鍵合電子對指向中心，使空腔內產生很高的電子密度，且表現出某些路易斯堿的性質。而吡喃葡萄糖環上的氫原子（C3-H及C5-H）位于空腔內并覆蓋了配糖氧原子，有人稱這種氧原子與氫原子組成類似醚基異構體，使空腔內部成為疏水性(11)。在水溶液中，此疏水性的空腔約含有3（α—CD）、7（β—CD）、或9（C—CD）個并不寬敞的貨艙（其熵很低）以及極容易被水分子取代，水在腔中的質量很小，好象腔內有足夠空間可容納幾個分子。因而，親水性環糊精可以與非極性、大小適合的脂肪和芳香族化合物結合，結合力是由疏水性一液體表面的還原作用和水分子從腔中釋出所產生的焓和熵驅動的。由此構筑成一種全新的超分子物質。
（三）環糊精的性能(2)(12~14)
環糊精為白色結晶粉末，非還原性，由于環糊精表面存在多個羥基，可溶于水，在三種環糊精中，以β—環糊精的水溶性最小，也可溶于極性大，如二甲基亞砜和二甲基甲酰胺，而難溶于一般有機溶劑。環糊精在一般情況下，以水合物的形式存在，如α—環糊精有兩個水分子包合在空腔中，有4個水分子與葡萄糖的羥基成氫鍵結合，對中空園錐體的結構起了穩定作用。
商品環糊精的純度可達99%，含水分為9%±1%，灰分0.02%以下。α—、β—和γ—環糊精三個品種的主要性能如表1，所示。
表1 環糊精的主要數據
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注：本表系作者根據多種文獻資料匯總而成
環糊精在堿性溶液（PH＜14）中很穩定，在酸性溶液（PH＞3）中可被水解，但與其它線形糖比可以說是耐水解的。環糊精分子可被α—淀粉酶及大腸內細菌生物降解，但不為葡萄糖淀粉酶降解。
（四）環糊精的安全性(2)(15~16)
由表1可知：環糊精幾乎無毒。1988年D.Duchene在第四屆環糊精國際年會上報導稱：每天給老鼠和狗喂β—環糊精100~600mg，長達6個月之久，它們都沒有任何中毒現象。同年J.Szejti的研究報告指出：環糊精不會對人和動物造成變異和致畸。
從另一個側面來看，環糊精早就廣泛應用于醫藥、化妝品和食品等行業，這些行業對環糊精的安全性有更為嚴格的要求，例如，近年來環糊精在國外作為食品的新型添加劑，我國食品行業也已在使用中，各種食品添加劑能否使用，適用范圍和最大使用量，各國都有嚴格的要求，并受到法律和法規的制約，以確保絕對安全。這些規定都是建立在一整套嚴密而科學的毒性評價基礎上的，目前，國際上公認的食品添加劑安全性指標有：ADI，LD50和GRAS。
每天允許攝入量（ADI是Acceptable Daily Intakes縮寫）是每日人體每千克體重允許攝入的毫克數。系根據對小動物（大/小鼠等）的長期毒性試驗中所求得的最大無作用量（MNL），取其1/100~1/500作為ADI值。食品添加劑在食品中最大使用量，一般是根據聯合國FAO/WHO（聯合國糧食與農業組織/世界衛生組織）所屬的食品添加劑專家聯合委員會（JECFA）推薦的“丹麥預算法（DBM）”來推算的，這是目前世界各國公認和采用的方法，即食品添加劑的最大使用量為40×ADI。
半致死量（LD50）也是任何食品添加劑必須進行毒理學評價的第一階段急性毒性試驗指標。它一般說明了食品添加劑急性毒性的大小。我國衛生部1994年在“食品安全毒理學評價標準”中將食品中化學物質依據其LD50分成占六類，如表2所示
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