蘇 瓊，任 敏，王彥斌*，梁俊璽

1西北民族大學(xué)化工學(xué)院；2環(huán)境友好復(fù)合材料國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3甘肅省生物質(zhì)功能復(fù)合材料工程研究中心；4甘肅省高校環(huán)境友好復(fù)合材料及生物質(zhì)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730030

細(xì)菌污染是一個(gè)全球性問題，廣泛存在于我們生活的環(huán)境中，每年因細(xì)菌傳播所引起的疾病不計(jì)其數(shù)，因此抗菌被越來越多的人關(guān)注，且多重耐藥細(xì)菌的數(shù)量在不斷增加，如何提高抗菌劑抗菌性能、抑制細(xì)菌感染成為急需解決的問題。抗菌劑能夠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)、擾亂細(xì)胞功能，從而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞的快速死亡?？咕鷦┲饕袩o機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑三大類。無機(jī)抗菌劑耐高溫、不易揮發(fā)，抗菌效果安全持續(xù)，金屬納米粒子、離子或氧化物通過直接接觸、釋放滲透或光催化即可發(fā)揮抗菌作用，但受毒性所限，無機(jī)抗菌劑僅限于銀、鈦等少數(shù)幾種金屬，且價(jià)格高，抗菌遲效。有機(jī)抗菌劑殺菌速度快、殺菌能力強(qiáng)、種類多，有醇系、酯系、酸系等類型，是最宜廣泛使用的抗菌劑，但溶解性、耐熱性較差，毒性大，易產(chǎn)生耐藥性，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定限制[1]；天然抗菌劑是從植物中提取得到的，包括酯、肽和酚類，如香芹酚、肉桂醛等抗菌劑，無毒、抗菌性能良好，適應(yīng)環(huán)境友好的要求，但揮發(fā)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差，影響了其使用和抗菌效果[2]。如何改善抗菌劑的理化性質(zhì)是目前有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑廣泛應(yīng)用面臨的最大問題。環(huán)糊精(cyclodextrin，CD)具有包合客體分子從而改變客體分子性質(zhì)、影響客體分子作用等特點(diǎn)，將環(huán)糊精作為主體分子，抗菌劑作為客體分子，進(jìn)行主客體識(shí)別包合可達(dá)到增強(qiáng)有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑抗菌性能、擴(kuò)大使用范圍的目的[3,4]。

環(huán)糊精及其衍生物具有內(nèi)疏水外親水的特殊結(jié)構(gòu)，疏水內(nèi)腔使其能夠選擇性地結(jié)合各種疏水性客體分子而形成主客體識(shí)別的包合物，從而導(dǎo)致客體分子的氣味、水溶性、揮發(fā)性、穩(wěn)定性、生物利用度等發(fā)生一系列變化。大部分有機(jī)抗菌劑與天然抗菌劑都具有疏水性，但由于它們的理化性質(zhì)較差導(dǎo)致應(yīng)用范圍較窄，利用環(huán)糊精的特殊結(jié)構(gòu)，將抗菌劑包合在其空腔中，在不改變抗菌劑原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)抗菌劑的理化性質(zhì)加以改善，并提高抗菌劑的抗菌性能。本文分析了β-環(huán)糊精及其衍生物與有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑主客體識(shí)別的機(jī)理及作用，比較了β-環(huán)糊精及其衍生物包合不同抗菌劑時(shí)抗菌劑理化性質(zhì)及抗菌性能的變化，對(duì)β-環(huán)糊精及其衍生物與有機(jī)抗菌劑、天然抗菌劑的主客體識(shí)別的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，為環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑的深入研究及應(yīng)用提供參考。

1 β-環(huán)糊精及其衍生物與抗菌劑主客體識(shí)別機(jī)理及作用

β-環(huán)糊精空腔具有非極性，可與合適的立體結(jié)構(gòu)和尺寸匹配的不同客體分子進(jìn)行主客體識(shí)別而得到不同的包合常數(shù)和包合強(qiáng)度，其主要原因在于分子間作用力的不同[3]。通常情況下β-環(huán)糊精的內(nèi)腔被水溶液中的水分子占據(jù)，當(dāng)溶液中加入大小和形狀合適的非極性客體分子時(shí)，β-環(huán)糊精空腔中的水分子會(huì)被客體分子取代，形成主客體包合物。形成主客體包合物的主要原因有：(1)釋放高能水。β-環(huán)糊精不能與內(nèi)腔中的水分子形成氫鍵，且內(nèi)腔疏水使水分子與內(nèi)腔之間沒有其他相互作用，導(dǎo)致腔內(nèi)的水分子能量較高，易進(jìn)入溶劑而釋放能量[5]。(2)疏水效應(yīng)。β-環(huán)糊精內(nèi)疏外親，客體分子與環(huán)糊精包合時(shí)，兩者的疏水效應(yīng)是包合的重要條件[6]。(3)客體分子與環(huán)糊精內(nèi)腔之間的靜電和范德華力。分子大小和電子云密度會(huì)影響環(huán)糊精與客體分子間靜電和范德華作用力的形成[7]。(4)氫鍵作用。含極性基團(tuán)的客體分子與環(huán)糊精羥基之間形成氫鍵[8]。Arumugam等[9]研究依托泊苷(etoposide，EPS)與β-環(huán)糊精的包合行為及其體外抗菌作用，結(jié)果表明，與純抗癌藥物EPS相比，包合物對(duì)革蘭氏陰性菌和陽性菌均有較強(qiáng)的抑制作用，其原因是純抗癌藥物與細(xì)菌細(xì)胞壁疏水表面之間存在疏水-疏水排斥作用，而在EPS-β-CD包合體系中，抗癌藥物EPS的疏水部分被包埋在β-環(huán)糊精的疏水空腔中，β-環(huán)糊精的羥基氧原子與藥物分子之間存在相互作用的氫鍵和范德華力，利用包合物與細(xì)菌細(xì)胞壁疏水成分之間的相互作用控制細(xì)胞生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

環(huán)糊精包括α-CD、β-CD和γ-CD三種類型，分別由6、7、8個(gè)葡萄糖單元組成。α-CD空腔較小，通常只能包合較小的客體分子，γ-CD的空腔大，但生產(chǎn)成本高無法在工業(yè)上大量生產(chǎn)。Gurarslan等[10]探討了吡丙醚與α、β、γ-CD的包合情況，客體吡丙醚與主體β-CD、γ-CD之間能形成包合物，但不與α-CD形成包合物。β-CD分子空腔適中，是表現(xiàn)良好的主體分子，在三種環(huán)糊精中應(yīng)用最廣。但β-CD具有性質(zhì)單一、溶解度低等缺點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)用范圍相對(duì)較小，功能化環(huán)糊精可有效地改善β-環(huán)糊精的理化性質(zhì)，如溶解度、穩(wěn)定性等，且可通過引入不同的活性基團(tuán)改變其對(duì)客體分子的鍵合能力。

功能化β-環(huán)糊精可通過共價(jià)交聯(lián)或非共價(jià)改性與多種基體材料進(jìn)行主客體識(shí)別。Cui等[11]在超聲輔助下研究了合成孜然醛(cuminaldehyde，CUM)與2-羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)的包合物(inclusion complex，IC)。研究得出：CUM的醛基插入到HP-β-CD空腔中，如圖1所示，氫鍵(綠色部分)以及客體分子與HP-β-CD之間的范德華力相互作用形成IC。為了獲得CUM/HP-β-CD-IC的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和能量特性，在PM3理論水平上進(jìn)行了半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。B方向的絡(luò)合能和結(jié)合能(ΔEcomplex=EIC-ECUM-EHP-β-CD)均低于A方向，因此B方向所形成的包合物的穩(wěn)定性大于A方向。

圖1 CUM與HP-β-CD的包合[11]Fig.1 Inclusion of CUM with HP-β-CD[11]注：a.包合方向；b.B方向主視圖；c.B方向側(cè)視圖；d.A方向主視圖；e.A方向側(cè)視圖。Note:a.Inclusion orientation;b.Horizontal view of B orientation;c.Side view of B orientation;d.Front view of A orientation;e.Side view of A orientation.

表1 CUM不同部位的包合[11]Table 1 Inclusion of CUM in different parts[11]

2 β-環(huán)糊精及其衍生物與抗菌劑主客體識(shí)別對(duì)抗菌劑性能的影響

抗菌劑與β-環(huán)糊精及其衍生物的主客體協(xié)同作用可有效地改善抗菌劑的理化性質(zhì)并提高抗菌性能。有機(jī)抗菌劑穩(wěn)定性和分散性較差且還具有一定毒性，天然抗菌劑大多揮發(fā)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差，但通過與環(huán)糊精主客體識(shí)別可有效改善抗菌劑的理化性質(zhì)從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，β-環(huán)糊精及其衍生物包合不同抗菌劑時(shí)抗菌劑理化性質(zhì)及抗菌性能的變化如表2所示。

表2 β-環(huán)糊精及其衍生物包合不同抗菌劑的抗菌性能比較Table 2 Comparison of the antibacterial properties of β-CD and its derivatives wrapped with different antibacterial agents

3 β-環(huán)糊精及其衍生物與有機(jī)抗菌劑的主客體識(shí)別

有機(jī)抗菌劑具有廣譜高效的殺菌能力，且來源廣泛、成本低廉、加工工藝簡(jiǎn)單，它能使微生物代謝酶失活，影響微生物的新陳代謝，達(dá)到殺菌目的；也能與細(xì)胞內(nèi)蛋白酶反應(yīng)并破壞細(xì)胞機(jī)能以及阻斷DNA合成并抑制微生物繁殖[20]。有機(jī)抗菌劑大多具有毒性高、生物利用度低、溶解度差等缺陷，而利用抗菌劑與β-環(huán)糊精及其衍生物的主客體識(shí)別包合作用可提高有機(jī)抗菌劑療效、降低毒性、減少不良副作用、提高生物利用度，并減少抗菌素耐藥性的出現(xiàn)[21]。

3.1 β-環(huán)糊精與有機(jī)抗菌劑的主客體識(shí)別

β-環(huán)糊精能夠提高客體分子的廣泛接受性、親脂性及在生物膜上的水溶性和擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力[22]，它的親水性能夠改善難溶性客體的溶解度、增強(qiáng)理化性質(zhì)及化學(xué)穩(wěn)定性[23]，利用β-環(huán)糊精此特殊性質(zhì)來改善有機(jī)抗菌劑的理化性質(zhì)從而增強(qiáng)抗菌性能，在醫(yī)藥、紡織、食品等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

在醫(yī)藥工業(yè)方面，環(huán)糊精是一種環(huán)狀碳水化合物，具有水溶性、生物相容性和疏水性空腔，大量文獻(xiàn)證實(shí)了它具有藥物載體的用途。藥物作為客體分子部分或全部包合在環(huán)糊精腔內(nèi)形成包合物，這一特征有助于改善藥物在水介質(zhì)中的溶解性、減少藥物在進(jìn)入靶器官或組織之前對(duì)降解機(jī)制的暴露、掩蓋藥物苦味、降低藥物毒性、控制藥物釋放和調(diào)節(jié)其他化合物的藥理活性[24]。Aulestia等[25]開發(fā)了一種新型的含酚類藥物愈創(chuàng)木酚(guaiacol，Gu)干槽癥敷料，采用冷凍干燥法制備了Gu/β-CD包合物，并對(duì)其生物學(xué)特性進(jìn)行研究，觀察大鼠治療后Gu/β-CD誘導(dǎo)的牙槽骨愈合過程，結(jié)果表明β-環(huán)糊精包合增強(qiáng)了Gu的抗菌作用，降低了其對(duì)成骨細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用。Zhang等[26]利用β-環(huán)糊精與抗菌肽ABP-DHC-Cecropin A主客體識(shí)別，在抗菌性能未顯著降低的情況下改善了ABP-DHC-Cecropin A的理化性質(zhì)。Inoue等[27]以洗必泰(chlorhexidine，CHX)為藥物模型，NaIO4為氧化劑，合成以CHX為客體、β-CD為主體的包合物，使β-環(huán)糊精釋放速率增加10倍，且對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的生長(zhǎng)抑制作用要比單獨(dú)使用CHX大。

在紡織工業(yè)方面，Atav等[28]采用捏合和物理混合技術(shù)，以環(huán)己烷單羧酸銀與β-環(huán)糊精制備包合物并研究其耐洗滌性的抗菌效果，含有包合物的棉織物被反復(fù)洗滌50次后仍具有抗菌性。Novikov等[12]合成了β-環(huán)糊精與三氯生(triclosan，TCS)的包合物，并測(cè)試TCS/β-CD包合物應(yīng)用在紡織品中的抗菌性能。結(jié)果表明，與TCS相比，TCS/β-CD對(duì)金黃色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)分別降低了4倍和2倍，且β-環(huán)糊精在整個(gè)過程中增加了TCS在水溶液中的分散性和棉花表面抗菌性能的耐久性。

β-環(huán)糊精包合抗菌劑在多個(gè)領(lǐng)域都有著非常好的應(yīng)用效果，不僅能夠使抗菌劑的理化性質(zhì)得到改善還能提高其抗菌性能，從而增加抗菌劑的利用率。但β-環(huán)糊精仍然存在溶解性和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，因此通過功能化β-環(huán)糊精改善其溶解性并提高穩(wěn)定性，從而得到廉價(jià)無毒的半天然產(chǎn)物，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

3.2 功能化β-環(huán)糊精與有機(jī)抗菌劑的主客體識(shí)別

功能化可使β-環(huán)糊精的性質(zhì)得到改善，且不同功能化的β-環(huán)糊精在主客體識(shí)別中對(duì)有機(jī)抗菌劑的改善作用也不同。Lu等[15]為改善六氫-β-酸(hexahydro-β-acid，HBA)的水溶性，采用研磨法制備了HBA與2-O-甲基-β-環(huán)糊精(M-β-CD)的包合物，如圖2所示。結(jié)果表明，M-β-CD包合提高了HBA的水溶性，且HBA/M-β-CD包合物能夠在較低的活性化合物濃度下抑制多種食品相關(guān)微生物，使菌絲塌陷、變形甚至斷裂。Guo等[18]采用攪拌共蒸發(fā)法制備了奎斯汀與2-羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)的包合物，利用瓊脂擴(kuò)散法比較奎斯汀和奎斯汀/HP-β-CD包合物對(duì)哈維氏弧菌的拮抗活性。結(jié)果表明，奎斯汀和奎斯汀/HP-β-CD包合物均對(duì)哈維氏弧菌有拮抗作用，其MIC分別為0.10 μmol/L和0.05 μmol/L，而HP-β-CD無抑菌活性，因此可推斷奎斯汀/HP-β-CD包合物的形成增強(qiáng)了奎斯汀對(duì)哈維氏弧菌的拮抗作用。Abarca等[29]采用擠出法制備了聚乳酸/β-CD-2-壬酮包合物的活性薄膜，所制備出的活性膜具有較高的抗真菌活性，且對(duì)灰霉菌絲生長(zhǎng)的抑制率在60%左右。

圖2 HBA/M-β-CD包合物的形成[15]Fig.2 Formation of HBA/M-β-CD inclusion complex[15]

β-環(huán)糊精及其衍生物與有機(jī)抗菌劑主客體識(shí)別均可有效地改善抗菌劑的分散性、水溶性、降低毒性以及提高抗菌性能，功能化環(huán)糊精可進(jìn)一步提高溶解度和熱穩(wěn)定性。雖然環(huán)糊精包合有機(jī)抗菌劑能有效降低有機(jī)抗菌劑毒性，但不能完全消除，因此無毒、環(huán)境友好的天然抗菌劑成為發(fā)展的方向，但由于天然抗菌劑具有揮發(fā)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致在使用過程中受到限制。利用環(huán)糊精及其衍生物的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)天然抗菌劑進(jìn)行主客體識(shí)別可有效地改善天然抗菌劑的理化性質(zhì)，從而拓寬天然抗菌劑的應(yīng)用范圍。

4 β-環(huán)糊精及其衍生物與天然抗菌劑的主客體識(shí)別

環(huán)糊精與活性物質(zhì)和功能性添加劑的分子包合在不同工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)棣?環(huán)糊精包合的分子可以免受熱、光、濕、氧或其他極端條件的影響，從而提高活性分子的穩(wěn)定性、保質(zhì)期和生物利用度。天然抗菌劑是從植物中提取得到的，如香芹酚、肉桂醛、丁香酚、大蒜油和姜黃素等抗菌劑，可避免使用有機(jī)抗菌劑所帶來的一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，但天然抗菌劑大多具有穩(wěn)定性低、水溶性差、揮發(fā)性快等缺陷，從而在使用過程中嚴(yán)重降低了其抗菌性能。利用β-環(huán)糊精對(duì)天然抗菌劑進(jìn)行包合可有效地改善天然抗菌劑的理化性質(zhì)，從而增強(qiáng)抗菌性能。Marques等[30]研究制備食品防腐劑的抗菌香囊，用GC-FID和GC-MS分析了羅勒、多香果木等植物精油(essential oils，EOs)與β-環(huán)糊精結(jié)合制備的包合物，并對(duì)食源性金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、單核細(xì)胞增多性乳桿菌等菌種進(jìn)行了抑菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精腔體中的EOs的熱穩(wěn)定性和抗菌性均得到提高。

4.1 β-環(huán)糊精及其衍生物與植物精油的主客體識(shí)別

植物精油通常是通過蒸餾方法從木本植物中分離提取的，主要是具有強(qiáng)烈香氣或無味的萜類化合物，大多數(shù)是親脂性的，幾乎不溶于水。精油有很多廣泛的生物學(xué)特性，例如抗炎、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、抗氧化等，通過改變細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能而發(fā)揮抗菌作用，對(duì)醛類、酚類和含氧萜類精油化合物的抑菌作用機(jī)理的研究表明，這些化合物具有提高膜通透性的作用，油脂成分溶解在膜中，從而引起腫脹、降低膜功能、改變細(xì)胞形態(tài)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[31]。

4.1.1β-環(huán)糊精及其衍生物與肉桂精油的主客體識(shí)別

肉桂醛是芳香肉桂植物產(chǎn)生的肉桂精油(cinnamon essential oils，CEO)的主要成分，在被蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特氏菌等致病細(xì)菌污染的食品和動(dòng)物飼料中均具有抗菌性能[32]，但肉桂醛由于穩(wěn)定性和水溶性較差而導(dǎo)致應(yīng)用范圍較窄。Lin等[33]采用靜電紡絲技術(shù)將CEO∕β-CD包合物復(fù)合到聚氧化乙烯納米纖維中，制備了一種新型抗菌包裝材料。結(jié)果表明，β-環(huán)糊精包合物實(shí)現(xiàn)了蛋白脂質(zhì)體中CEO的可控釋放，且在25 ℃和37 ℃時(shí)，CEO∕β-CD蛋白脂質(zhì)體納米纖維中蠟樣芽孢桿菌的數(shù)量減少了近99.999%。Yildiz等[34]研究了肉桂醛與兩種不同類型的羥丙基-環(huán)糊精(HP-β-CD和HP-γ-CD)在不同摩爾比(肉桂醛/CD為1∶1和2∶1)下的包合，如圖3a所示。包合物的形成顯著增加了肉桂醛的水溶性和穩(wěn)定性，但對(duì)大腸桿菌的抑菌活性保持不變。

圖3 改性環(huán)糊精與天然抗菌劑的包合Fig.3 Inclusion of modified-CD with natural antimicrobial agents注：a.肉桂醛和HP-CD的包合[34]；b.BAI與HP-β-CD的包合[19]。Note:a.Inclusion between cinnamaldehyde and HP-CD[34];b.Inclusion between BAI and HP-β-CD[19].

4.1.2β-環(huán)糊精及其衍生物與茶樹精油主客體識(shí)別

4.1.3β-環(huán)糊精及其衍生物與其他植物精油的主客體識(shí)別

丁香醛(cuminaldehyde，CA)和異丁香酚(isoeugenol，ISOE)是疏水性精油(volatile essential oil components，EOC)，由于水溶性低和揮發(fā)性大，其應(yīng)用受到很大限制。Siva等[16]采用超聲法制備丁香醛和異丁香酚精油與甲基-β-環(huán)糊精包合物(EOC/M-β-CD-IC)，如圖4所示。M-β-CD的包合增強(qiáng)了EOC的溶解度，利用EOC/M-β-CD-IC處理革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，細(xì)菌數(shù)量分別減少了100%±0.6%和100%±0.2%，比單獨(dú)使用EOC抑菌效果強(qiáng)。環(huán)糊精包合精油可以降低精油在食品加工或儲(chǔ)存過程中的揮發(fā)性和損失。Somrani等[37]研究表明，大蒜、洋蔥和肉桂精油對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特氏菌具有抗菌活性，是一種很有前途的食品加工天然抗菌替代品。但由于大蒜油具有強(qiáng)烈氣味、熱穩(wěn)定性低和低閃點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)用率低，為了解決此問題，Piletti等[38]研究大蒜油在β-CD中的包合工藝以及對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能，結(jié)果表明，大蒜油/β-CD包合物提高了大蒜油的熱穩(wěn)定性，且對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌效果，但對(duì)大腸桿菌的抑菌效果高于金黃色葡萄球菌的抑菌效果。

圖4 EOC/M-β-CD-IC合成示意圖[16]Fig.4 Synthetic schematic diagram of EOC/M-β-CD-IC[16]

植物精油對(duì)食源性致病菌和抗氧化劑顯示出很強(qiáng)的抗菌活性。Rocha等[39]制備了棕櫚精油和八角茴香精油的環(huán)糊精包合物包裝材料，將其應(yīng)用于減緩青霉菌生長(zhǎng)而延長(zhǎng)蘋果的保質(zhì)期，結(jié)果表明，包合物能有效地減少真菌的生長(zhǎng)、乙烯和CO2的產(chǎn)量。Das等[17]利用隨機(jī)甲基化-β-CD包合精油(百里香油、檸檬油、薰衣草油、薄荷油)，研究其活性成分的理化性質(zhì)、抗氧化活性和抑菌活性，與游離精油相比，包合精油的抑菌、抗真菌活性均提高了2～4倍。

植物精油抗菌劑的無毒性使其受到追捧，但其理化性質(zhì)的缺陷使其應(yīng)用受到一定限制，將植物精油與環(huán)糊精主客體識(shí)別包合可有效改善客體分子精油抗菌劑的理化性質(zhì)，有效提高抗菌性，這是改善疏水性抗菌劑抗菌性能的重要方法。同時(shí)，不同精油對(duì)不同細(xì)菌的抗菌性均不同，環(huán)糊精包合精油抗菌劑對(duì)不同細(xì)菌的抗菌效果也不同，因此可根據(jù)不同細(xì)菌選用不同植物精油抗菌劑進(jìn)行包合，在改善精油理化性質(zhì)的同時(shí)還需考慮其對(duì)不同細(xì)菌的抗菌作用。

4.2 β-環(huán)糊精及其衍生物與其他天然抗菌劑的主客體識(shí)別

天然提取物是具有生物特性的化學(xué)物質(zhì)混合物，主要來自藥用植物的葉、莖、果實(shí)或根，其生物活性包括抗氧化、抗菌、抗癌、抗真菌、抗寄生蟲、降血糖和抗高血壓等特性。天然提取物及其他天然物抗菌機(jī)制主要有：抑制微生物核酸合成，改變細(xì)胞膜功能，抑制能量代謝，減少細(xì)胞附著和生物膜形成，通過抑制細(xì)胞膜上的孔蛋白，改變膜通透性，減弱致病性等[40]。盡管植物提取物適合于治療各種疾病，但研究表明，植物提取物用于代謝系統(tǒng)較為復(fù)雜的生物體時(shí)，由于其組成復(fù)雜、毒性大、溶解度低等缺點(diǎn)，其治療作用仍受到限制，利用環(huán)糊精包合可有效地改變天然提取物的理化性質(zhì)。Yang等[41]采用單相法將川芎揮發(fā)油包合在HP-β-CD中，顯著提高了川芎揮發(fā)油的溶解度及穩(wěn)定性，包合物在60 ℃條件下10天穩(wěn)定性良好。Lin等[42]將青蒿素(artemisinin，ART)包合在β-CD中，測(cè)試結(jié)果表明包合物有效提高了ART的溶解度，且對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抗菌作用有明顯提高。

4.2.1β-環(huán)糊精及其衍生物與姜黃素的主客體識(shí)別

姜黃素是姜黃屬植物根莖中的主要成分之一，是常用的抗菌劑和食品添加劑，世衛(wèi)組織規(guī)定姜黃素作為食品添加劑的每日可接受攝入量為0～3 mg/kg，且它具有潛在的抗癌用途[43]，但姜黃素的水溶性差導(dǎo)致利用率低下。Shlar等[44]采用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究了姜黃素在黑暗和光照條件下的抗菌作用機(jī)理，將大腸桿菌細(xì)胞暴露在水分散姜黃素/甲基-β-環(huán)糊精包合物中，與相同光照條件下的未處理細(xì)胞進(jìn)行比較。結(jié)果表明：姜黃素包合物的水溶性明顯提高，在黑暗條件下，姜黃素處理的細(xì)菌細(xì)胞通過改變其NADH和NADPH濃度調(diào)節(jié)其氧化還原狀態(tài)。另一方面，從H2DCFDA熒光分析可以看出，光誘導(dǎo)的姜黃素產(chǎn)生了更高水平的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，這種氧化超越了細(xì)胞保護(hù)機(jī)制，擾亂了細(xì)胞內(nèi)的鐵池，干擾了Fe-S簇的生物發(fā)生，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。隨后Shlar又以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜為載體，研制姜黃素/環(huán)糊精包合物抗菌涂料，結(jié)果表明：在光照和黑暗條件下包合物均顯示出抗菌性，且光照條件下的抗菌性能優(yōu)于黑暗條件下的抗菌性能[45]。

4.2.2β-環(huán)糊精及其衍生物與其他天然抗菌劑的主客體識(shí)別

納他霉素[46]是一種由鏈霉菌發(fā)酵產(chǎn)生的天然抗真菌化合物，屬于多烯大環(huán)內(nèi)酯類，既可以有效地抑制各種霉菌、酵母菌的生長(zhǎng)，又能抑制真菌毒素的產(chǎn)生，可用于食品防腐保鮮涂層以及抗真菌治療，但水溶性低，在食品涂料中的應(yīng)用具有一定的挑戰(zhàn)性。Yang等[47]研究了納他霉素(natamycin，N)與甲基-β-環(huán)糊精的包合，納他霉素的疏水部分(C16～C26)部分插入M-β-CD的寬邊空腔中而形成包合物(N/M-β-CD)；并將此包合物摻入蠟質(zhì)玉米淀粉中制成了一種可食用淀粉基食品涂料(N/M-β-CD S)。該復(fù)合涂膜能減少櫻桃番茄果實(shí)貯藏過程中的失重，延緩果實(shí)成熟，抑制灰霉病菌引起的果實(shí)腐爛。Yan等[19]研究了用壓縮抗溶劑沉淀法制備黃芩素(baicalein，BAI)/HP-β-CD包合物，以此改善BAI的抗菌活性，如圖3b所示。采用瓊脂擴(kuò)散法研究了BAI和BAI包合物對(duì)金黃色葡萄球菌(staphylococcus aureus，SAU)的抗菌活性。測(cè)試結(jié)果表明BAI和BAI包合物均對(duì)SAU有拮抗作用，MIC值分別為0.043 mmol/L和0.025 mmol/L，而HP-β-CD無抑菌活性，因此可證明BAI/HP-β-CD包合物的形成增強(qiáng)了BAI對(duì)SAU的拮抗作用。Ye等[14]制備了反式茴香腦/β-CD包合物，并將其包合到明膠中制成可食性薄膜，結(jié)果表明：包合物的加入不僅提高了可食性薄膜的拉伸強(qiáng)度、表面疏水性，降低了薄膜的含水率，而且包合物中反式茴香腦的存在使可食性薄膜具有良好的抗菌活性，抗菌活性隨反式茴香腦含量的增加而增加。

植物提取物及其他天然抗菌劑成分復(fù)雜，而這些提取物的提取常常需要使用有機(jī)溶劑，不僅使配方復(fù)雜，而且很難直接用于人體和食品中。利用具有空腔結(jié)構(gòu)的環(huán)糊精對(duì)植物提取物及其他天然抗菌劑進(jìn)行包合，可有效降低毒性、增加溶解度，改變水溶性，使之能有效地應(yīng)用。

5 結(jié)語

細(xì)菌感染危害人類的身心健康，抗菌劑能夠抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，擾亂細(xì)胞的功能，從而引起細(xì)菌快速死亡，因此，抗菌劑的使用是抑制細(xì)菌傳播和感染的有效手段，而抗菌劑的抗菌性能直接決定了其能否有效地發(fā)揮抗菌作用。大多數(shù)有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑由于溶解度低、揮發(fā)快、穩(wěn)定性差，限制了其使用，可通過與其他物質(zhì)的協(xié)同作用改善其理化性質(zhì)，提高生物利用度。β-環(huán)糊精及其衍生物的特殊結(jié)構(gòu)將抗菌劑包合在環(huán)糊精空腔中，這種主客體包合作用有效地降低了有機(jī)抗菌劑的毒性，提高了其分散性、水溶性和抗菌性能；有效地改善了天然抗菌劑的揮發(fā)性、穩(wěn)定性和抗菌性能，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑在醫(yī)藥、食品、紡織、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著細(xì)菌感染的日益普遍，對(duì)抗菌劑的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)抗菌劑抗菌性能的要求也越來越高，如何減少抗菌劑耐藥性的出現(xiàn)、進(jìn)一步提高療效、降低使用劑量是抗菌劑使用過程中仍存在的問題。環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑的主體分子β-環(huán)糊精生產(chǎn)成本低，應(yīng)用最廣泛，但β-環(huán)糊精自身在水中的低溶解度和有限的疏水區(qū)域使其在應(yīng)用上受到一定限制，化學(xué)修飾環(huán)糊精是改變環(huán)糊精理化特性的主要方法，即在不影響其基本骨架的情況下引入活性基團(tuán)改變其性質(zhì)并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，但目前主要限于通過簡(jiǎn)單的甲基化、2-羥丙基化提高環(huán)糊精的水溶性，作用單一，需要進(jìn)一步探索環(huán)糊精的修飾改性，如不同位點(diǎn)羥基的改性、烷基化程度、不同功能基團(tuán)改性對(duì)環(huán)糊精理化性質(zhì)的影響，對(duì)客體分子抗菌劑的鍵合能力及抗菌性能的影響。

環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑的客體分子有機(jī)抗菌劑種類多，分子結(jié)構(gòu)多樣，為主客體識(shí)別帶來一定困難，目前主客體識(shí)別包合有機(jī)抗菌劑研究?jī)H限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理化性能較差的一些分子，但有機(jī)抗菌劑作用強(qiáng)，隨著對(duì)抗菌劑需求的日益增長(zhǎng)，尚需進(jìn)一步加快對(duì)有機(jī)抗菌劑主客體識(shí)別研究，尤其是耐藥性方面的研究。天然抗菌劑成分復(fù)雜，提取和加工難度大，需要尋找一種合適的主客體識(shí)別包合方法，能夠選擇性對(duì)有效活性成分進(jìn)行包合，提高抗菌活性，同時(shí)降低不良副作用；天然抗菌劑因其無毒、環(huán)境友好，在可食用抗菌材料中的研究與應(yīng)用引人注目。

環(huán)糊精主客體識(shí)別包合物的形成是通過其疏水空腔包合客體分子抗菌劑的疏水部分實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于非疏水性抗菌劑的包合需要先引入與空腔大小相匹配的疏水基團(tuán)，因此需要進(jìn)行合適疏水基的篩選，在不增加生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)環(huán)糊精與非疏水性抗菌劑的連接，增加環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑的種類，擴(kuò)大環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑的應(yīng)用；基于此，也可實(shí)現(xiàn)環(huán)糊精與無機(jī)抗菌劑的主客體識(shí)別。無機(jī)抗菌劑耐熱性好、加工方便，利用金屬本身具有的抗菌能力或通過光催化作用發(fā)揮抗菌作用，但不論是金屬或其氧化物均易團(tuán)聚，分散性較差，影響其抗菌作用的發(fā)揮，若對(duì)其表面進(jìn)行疏水修飾改性，既可實(shí)現(xiàn)與環(huán)糊精主客體識(shí)別包合，又可有效阻止其團(tuán)聚，增加活性位點(diǎn)，提高抗菌效率。

環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑包合物目前主要的應(yīng)用是直接作用于各種細(xì)菌，或?qū)衔飺诫s入淀粉、明膠、納米纖維等做成抗菌涂膜涂層或包裝材料，應(yīng)用較窄，因此，在環(huán)糊精修飾改性同時(shí)引入功能活性基，如烯基改性制得環(huán)糊精單體，進(jìn)而制備環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌劑單體，可實(shí)現(xiàn)與其它有機(jī)高分子基體的組裝，制得一系列環(huán)糊精主客體識(shí)別抗菌功能材料；同時(shí)，環(huán)糊精的不同主客體識(shí)別抗菌劑之間也可復(fù)配和交聯(lián)，從而發(fā)揮其協(xié)同作用，拓寬抗菌劑的廣譜抗菌應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)更高、更全面、更長(zhǎng)久的抗菌性能。