環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架的制備及應(yīng)用

陳雨露，袁芳

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

對營養(yǎng)、健康食品的追求不僅是新時(shí)代食品工業(yè)的主流趨勢，也順應(yīng)著“實(shí)施健康中國戰(zhàn)略”的發(fā)展方向。 食品功能因子可以通過激活酶的活性或其它途徑調(diào)節(jié)人的生理機(jī)能，但大多數(shù)功能因子在水中的溶解度低、自然條件下的理化穩(wěn)定性差，這些均限制了它們在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。 已證實(shí)乳液[2-3]、脂質(zhì)體[4-5]、納米聚合顆粒[6-7]等納米傳遞可以通過包埋的方法將功能因子與外界環(huán)境隔離，從而解決上述難題。 因此，為了擴(kuò)大功能因子在不同食品體系中的應(yīng)用，探索與開發(fā)新型傳遞體系是功能因子保護(hù)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。

金屬有機(jī)骨架（metal-organic frameworks，MOFs）是由有機(jī)橋連配體和金屬連接點(diǎn)構(gòu)成的周期性多孔材料，其具有尺寸和孔徑分布范圍廣、結(jié)構(gòu)可控、孔隙率和比表面積大、功能多樣等特點(diǎn)[8-9]。 目前大多數(shù)金屬有機(jī)骨架是由有機(jī)再生分子和過渡族金屬離子合成，其潛在的毒性和不可降解性限制了它們在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。 有研究使用酶[10]、抗體[11]、核酸[12]等生物分子用于MOFs 的合成之中， 但它們主要應(yīng)用于藥物的封裝，并且這些材料價(jià)格昂貴，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）是直鏈淀粉在環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的酶解作用下產(chǎn)生的一類環(huán)狀糊烴[13]，它們由若干個(gè)α-D-吡喃葡萄糖通過1，4-糖苷鍵連接而成，最常見的是α-CD、β-CD 和γ-CD，分別由6、7、8 個(gè)α-D-吡喃葡萄糖構(gòu)成[14]。 基于環(huán)糊精獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)性質(zhì)，Smaldone 等[15]首次以γ-CD 和KOH為原料制備了天然結(jié)構(gòu)的環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架（cyclodextrin-metal-organic frameworks，CD-MOFs）。 CDMOFs 的合成方法簡單、原料均為食品級、生成物無有毒試劑殘留，是一類綠色、可食用的金屬有機(jī)骨架，目前已將其應(yīng)用于藥物運(yùn)輸、物質(zhì)分離、樣品制備和物理傳感等領(lǐng)域。

盡管CD-MOFs 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段， 但其已經(jīng)突顯出作為食品活性物質(zhì)傳遞體系的巨大潛力。 本文綜述了關(guān)于環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架的結(jié)構(gòu)特性、制備方法、在封裝活性物質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用及提高其穩(wěn)定性的研究， 最后對目前環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架應(yīng)用于食品領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)及未來的研究方向進(jìn)行討論，以期為今后的研究和應(yīng)用提供參考。

1 CD-MOFs

1.1 CD-MOFs 的結(jié)構(gòu)

CD 的分子結(jié)構(gòu)及CD-MOFs 的球棍模型見圖1。

圖1 CD 的分子結(jié)構(gòu)及CD-MOFs 的球棍模型Fig.1 Molecular structure of CD and ball-and-stick model of CD-MOFs

環(huán)糊精分子形貌為“截?cái)唷钡闹锌斟F形，內(nèi)部深為7.8 ?（1 ?=10-10m）的空腔，分布有親脂性的亞甲基（-CH2-）和醚鍵，分子外部表面分布的-OH 朝同一方向排布構(gòu)成親水性外壁，因此環(huán)糊精分子具有“外親水、內(nèi)疏水”的結(jié)構(gòu)特性[16-17]。 α-CD、β-CD 和γ-CD 分子的主平面直徑分別如圖1a～圖1c 所示， 其中γ-CD內(nèi)外表面均有-OCCO-基團(tuán)，更易與金屬或堿金屬離子結(jié)合形成絡(luò)合物[18]。

與β-CD 和α-CD 相比，γ-CD 結(jié)構(gòu)更對稱， 因此目前關(guān)于γ-CD-MOFs 的研究較多[19]。 環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架的種類取決于環(huán)糊精的種類（α-CD、β-CD、γ-CD）和金屬離子的選擇（K+、Ca2+、Rb+、Cs+、Na+）。 不同組合形成的CD-MOFs 的空間結(jié)構(gòu)不同。

α-CD-MOFs 在單斜P 21 空間群中結(jié)晶， 也有研究報(bào)道稱α-CD-MOFs 在正交晶體系統(tǒng)中以P 21 的空間群結(jié)晶， 該空間群包含有左旋手性螺旋雙通道（圖1d）[20]。

β-CD-MOFs 在單斜P 21 空間群中結(jié)晶， 相比于γ-CD 分子的對稱結(jié)構(gòu)，β-CD 由7 個(gè)吡喃葡萄糖單元組成，β-CD 的不對稱性使得以其為基礎(chǔ)合成的β-CD-MOFs 的晶體結(jié)構(gòu)與γ-CD-MOFs 有顯著差異。Lu等[21]以β-CD 和Na+為原料首次合成了β-CD-MOFs，X 射線衍射結(jié)果顯示β-CD-MOFs 為3D 骨架結(jié)構(gòu)，左旋螺旋通道貫穿骨架之中（圖1e）。

γ-CD-MOFs 晶體是具有I 432 空間群的立方結(jié)構(gòu)。 6 個(gè)γ-CD 被8 個(gè)K+連接形成對稱的（γ-CD）6立方體結(jié)構(gòu)單元，其中每個(gè)單元中的γ-CD 主平面向內(nèi)，金屬離子與其C6上的-OH 和糖苷上的氧原子配位。8個(gè)K+不僅協(xié)助（γ-CD）6單元的組建，還參與三維多孔結(jié)構(gòu)的形成。（γ-CD）6單元以立方堆積的形式擴(kuò)展延伸（圖1f）[15]。

1.2 CD-MOFs 的特性

基于CD 分子固有的可食用性、生物可降解性、疏水性空腔和大量羥基的存在，CD-MOFs 迅速成為一種具有生物應(yīng)用潛力的多孔材料，可通過改變金屬離子和環(huán)糊精的種類來設(shè)計(jì)CD-MOFs 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等）和孔隙率[22]。當(dāng)堿金屬離子相同，而CD 分子不同時(shí)，所制備的CDMOFs 表現(xiàn)出不同的微觀形貌和孔隙率。 也有研究表明選用不同金屬離子制備的γ-CD-MOFs 也表現(xiàn)出不同的孔徑尺寸、 微觀形貌以及孔隙率（γ-KCD-MOFs為24.13 ?，γ-NaCD-MOFs 為32.86 ?，γ-FeCD-MOFs為30.19 ?）[23]。根據(jù)近幾年針對CD-MOFs 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，表1 總結(jié)了CD-MOFs 獨(dú)特的優(yōu)良性能。

表1 CD-MOFs 的特性Table 1 Properties of CD-MOFs

1.3 CD-MOFs 的合成

1.3.1 影響因素

在一定溫度和氣相壓力的堿性條件下，少量的環(huán)糊精分子便可與堿性金屬離子通過配位鍵結(jié)合，并按照一定規(guī)律延伸[22]。 根據(jù)Lamer 等[24]所述的顆粒生長模型，可將MOFs 的形成分為核的形成、生長和終止3個(gè)過程。 MOFs 的合成對外界環(huán)境要求較高，晶體結(jié)構(gòu)和尺寸受溶劑比、環(huán)境溫度、反應(yīng)時(shí)間、尺寸調(diào)節(jié)劑等因素的影響。

1.3.1.1 溶劑比

一定氣相壓力的存在可以加速CD-MOFs 的形成，氣相壓力可通過在密閉容器中添加易揮發(fā)性有機(jī)試劑獲得，可通過調(diào)節(jié)溶劑比（有機(jī)相和水相之比）獲得不同的氣相壓力。 這種方法可縮短合成時(shí)間，不需高溫即可直接得到結(jié)晶粉末，且合成過程中所使用的有機(jī)溶劑有不同的官能團(tuán)、極性、沸點(diǎn)，可以用于調(diào)節(jié)生成物的結(jié)構(gòu)。 甲醇是最簡單的飽和一元醇，沸點(diǎn)低，常用于CD-MOFs 的合成[25]。

1.3.1.2 環(huán)境溫度

熱力學(xué)相關(guān)的因素是促進(jìn)晶體成核和生長的主要驅(qū)動力，反應(yīng)物成核和生長需要熱能，快速升溫可加快MOFs 晶體成核和生長過程之間的轉(zhuǎn)換[26]。此外，向溶劑中添加有機(jī)試劑時(shí)，CD 的溶解度降低，升高溫度可適當(dāng)提高CD 的溶解度。

1.3.1.3 反應(yīng)時(shí)間

雖然尚未有研究證明CD-MOFs 的成核及生長過程是獨(dú)立存在的， 但前期研究已證明該MOFs 的合成是通過從有機(jī)試劑中析出獲得，晶體前體的形成需要能量， 延長加熱時(shí)間有可能導(dǎo)致更多CD-MOFs 前體的生成，從而得到納米級別的CD-MOFs[24]。

1.3.1.4 尺寸調(diào)節(jié)劑

抑制晶體的生長過程也是獲得納米級MOFs 晶體的方法之一， 表面活性劑可通過覆蓋在MOFs 前體的表面，影響金屬離子和有機(jī)物的配位，進(jìn)而抑制MOFs的生長[27]，其中陽離子表面活性劑可作為電荷調(diào)節(jié)劑或空間填充的模板用于室溫（25℃） 和水熱條件下MOFs 晶體的合成。 已有研究用十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）[28]和聚乙二醇20000（polyethylene glycol， PEG 20000）[29]用于縮小γ-CD-MOFs 的尺寸，可分別將晶體尺寸控制在（4.1±1.3）μm 和100 nm～300 nm。

1.3.2 合成方法

1.3.2.1 慢速蒸發(fā)法

溶劑的緩慢蒸發(fā)通常在密封環(huán)境中并于特定溫度下發(fā)生，這是制備MOFs 的常規(guī)方法，無需任何外部能量供應(yīng)，且操作簡便。 Smaldone 等[15]在室溫（25 ℃）條件下用一周的時(shí)間合成了直徑范圍為40 μm～500 μm的γ-CD-MOFs。 為了獲得尺寸較小的晶體，F(xiàn)urukawa等[30]通過向水相中加入少量甲醇獲得了粒徑約為1 μm～10 μm 的γ-CD-MOFs。也有研究以α-CD 和RbOH 為原料，在二異丙基醚蒸汽環(huán)境中合成了肉眼可見的針狀晶體[31]。但上述方法都存在耗時(shí)較長的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)化過程生產(chǎn)。

1.3.2.2 溶劑熱法

溶劑熱法是制備MOFs 最常見的方法， 這種方法制備的金屬有機(jī)骨架的產(chǎn)率較高， 可以精確地控制晶體的尺寸、形狀和結(jié)晶度，因此這種方法對溫度、反應(yīng)物濃度和環(huán)境pH 值的要求極高[22]。 母液中的金屬離子和有機(jī)分子在高溫高壓下配位結(jié)合， 因此合成過程中環(huán)境溫度應(yīng)高于有機(jī)溶劑沸點(diǎn)以便于溶劑揮發(fā)并提供環(huán)境壓力[22]。 SHA 等[32]使用該方法以天然β-CD 和Na+/K+為原材料快速制備了β-CD-MOFs。 基于此方法，Liu等[33]以Cs+為金屬離子，開發(fā)出一種新型的模板誘導(dǎo)法合成了兩種螺旋結(jié)構(gòu)的β-CD-MOFs。 去除MOFs 晶體中殘留的有機(jī)試劑是一個(gè)復(fù)雜的過程， 可通過真空干燥或用乙醇、甲醇洗滌的方式將其去除。

1.3.2.3 微波合成法

微波照射反應(yīng)物可以極為明顯地加快MOFs 的合成過程，這種方法用于制備納米級的CD-MOFs。 微波合成法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、效率高、反應(yīng)時(shí)間短、所獲晶體的尺寸較小以及可短時(shí)間控制晶體形態(tài)等[19，22]。Liu等[29]使用微波合成法探究時(shí)間、溫度、溶劑比和尺寸調(diào)節(jié)劑添加量對晶體結(jié)晶度和微觀形貌的影響，實(shí)現(xiàn)了快速制備微米級和納米級的γ-CD-MOFs。 但是該方法操作復(fù)雜、成本較高，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有一定的局限性。

1.3.2.4 其它方法

盡管溶劑熱合成法和微波合成法均可以快速有效地合成CD-MOFs，但晶體生長過程和洗滌過程中需要加入大量甲醇、乙醇、二氯甲烷等有機(jī)試劑幫助晶體生長和去除殘留有機(jī)分子，因此從環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源角度來看，這些方法仍存在一定局限性。 為了快速合成環(huán)境友好型的納米CD-MOFs，近年來研究人員嘗試使用種子介導(dǎo)法、超聲法和水系合成法制備環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架。

在種子介導(dǎo)法中，研究人員使用短鏈直鏈淀粉作為晶種，使得γ-CD 和K+在其表面進(jìn)行組裝，該方法通過增加γ-CD 在母液中的有序性、 減少分子聚集而獲得（1.8±0.4）μm 的γ-CD-MOFs，且通過介導(dǎo)合成的晶體的熱穩(wěn)定性和結(jié)晶度均優(yōu)于傳統(tǒng)制備方法[34]；超聲法是在種子介導(dǎo)法的基礎(chǔ)上，通過增加超聲處理制備具有尺寸更?。?34 nm ～894 nm）的γ-CD-MOFs，該方法實(shí)現(xiàn)了在數(shù)分鐘內(nèi)合成納米級的γ-CD-MOFs，且γ-CD-MOFs 晶體的尺寸隨超聲時(shí)間的增加逐漸減小[35]；水系合成法即通過快速降溫的手段獲得致密的晶體，然后通過加入乙醇將致密晶體分散，最終獲得γ-CD-MOFs[36]。

2 CD-MOFs 遞送功能成分的研究進(jìn)展

70%～90%的環(huán)糊精應(yīng)用于食品工業(yè)，其疏水性空腔可以容納水不溶性食品添加劑或功能成分并形成環(huán)糊精包合物，環(huán)糊精包合物形成的機(jī)制可以描述為“客體分子”進(jìn)入“宿主”之中，其形成的驅(qū)動力可能是環(huán)糊精分子內(nèi)部具有高焓值的水分子的釋放，也可能是主客體之間氫鍵、范德華力、疏水相互作用、環(huán)張力等多種作用力作用的結(jié)果[37]。 將活性成分與環(huán)糊精形成包合物，可以提高這類物質(zhì)的水溶性、穩(wěn)定性以及生物利用度。

在CD-MOFs 晶體中， 除了CD 分子的內(nèi)部空腔外，晶體中的多孔結(jié)構(gòu)也可以基于“主-客體”形式對活性物質(zhì)進(jìn)行封裝。 如果客體分子（活性成分）的大小和形狀與CD-MOFs 的孔徑大小和形狀相匹配， 那么客體分子也可以通過氫鍵、范德華力、配位鍵等作用力封裝或吸附在CD-MOFs 的多孔框架內(nèi)部及表面[22，38]。

2.1 功能成分的封裝方法

CD-MOFs 在水溶液中的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此其對活性物質(zhì)的封裝常在有機(jī)溶劑中進(jìn)行。 常見的封裝方法有浸漬法、超聲法、共結(jié)晶法和研磨法等。

2.1.1 浸漬法

浸漬法是CD-MOFs 封裝活性物質(zhì)常用的方法，通常包括3 個(gè)步驟：1）首先對合成的CD-MOFs 進(jìn)行活化，或根據(jù)需要對堿性CD-MOFs 進(jìn)行中性化處理；2）將活性物質(zhì)溶于乙醇、甲醇等有機(jī)試劑后，加入干燥的CD-MOFs 粉末，并在室溫（25℃）條件下勻速攪拌或搖晃溶液；3）一段時(shí)間后離心去除上清液并收集沉淀。這種封裝方法雖然操作簡單，但是耗時(shí)較長。Yang等[39]使用β-CD-MOFs 封裝槲皮素和大黃素，發(fā)現(xiàn)48 h 后二者均達(dá)到最大包封量；使用β-CD-MOFs[33]和α-CD-MOFs[20]對5-氟尿嘧啶進(jìn)行封裝則分別需要7 d和2.5 d 的時(shí)間。

2.1.2 超聲法

超聲法是在浸漬法的基礎(chǔ)上對混合溶液增加超聲處理，一方面使混合物均勻分散，另一方面為體系提供能量以加快活性物質(zhì)與CD-MOFs 的結(jié)合。 有研究將200 mg γ-CD-MOFs 粉末加入4 mL 三氯蔗糖乙醇溶液中，通過超聲處理使得固體粉末分布均勻并實(shí)現(xiàn)高濃度反應(yīng)物條件下的封裝處理[29]。

2.1.3 共結(jié)晶法

CD-MOFs 是在堿性條件下合成的，一般需要對合成后的CD-MOFs 進(jìn)行中性化處理才能用于活性成分的封裝， 已有研究證實(shí)中性化處理不改變CD-MOFs的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)[40]。但對于耐堿性的活性成分，也可在CD-MOFs 合成過程中進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)中，即共結(jié)晶法封裝。 共結(jié)晶法是一種新興的活性物質(zhì)封裝方法，Sun等[41]將該方法分為溶劑介導(dǎo)的共結(jié)晶、固態(tài)共結(jié)晶、高通量共結(jié)晶三類， 其中溶劑介導(dǎo)的共結(jié)晶被應(yīng)用于CD-MOFs 封裝活性物質(zhì)。

有報(bào)道將阿魏酸（ferulic acid，F(xiàn)A）添加進(jìn)γ-CD 和KOH 的去離子水混合溶液中（摩爾比為γ-CD∶KOH ∶FA=1 ∶8 ∶8）， 隨后在甲醇蒸汽中孵育14 d， 得到包封有FA 的γ-CD-MOFs。 在上述試驗(yàn)中，熒光顯微鏡和差示掃描量熱分析結(jié)果顯示部分FA 封裝在γ-CD 中，剩余FA 則被封裝在γ-CD-MOFs 的多孔結(jié)構(gòu)中[42]。 Li 等[43]通過在5.0 mL 水溶液中混合蘭索拉唑（81.3 mmol/L）、γ-CD（0.125 mmol/L）和KOH（200 mmol/L），成功制備出包封有蘭索拉唑的γ-CD-MOFs 晶體，與空載的γ-CDMOFs 相比，復(fù)合晶體的尺寸、結(jié)晶度和微觀形貌均無明顯變化。 不過Hartlieb 等[44]指出使用β-CD-MOFs 封裝布洛芬時(shí)，浸漬法優(yōu)于共結(jié)晶法。

2.1.4 研磨法

活性物質(zhì)也可以通過機(jī)械式的研磨進(jìn)入CDMOFs 中。典型的操作為按照一定化學(xué)計(jì)量比稱取活性物質(zhì)和CD-MOFs 并溶于有機(jī)試劑中，然后在特定溫度下研磨一定時(shí)間，最后對所得沉淀洗滌、烘干即可得到復(fù)合物。 在使用該法進(jìn)行β-CD-MOFs 封裝FA 的研究中，F(xiàn)A 的最佳封裝條件為：FA 與β-CD-MOFs 摩爾比3 ∶1、研磨時(shí)間1 h、研磨溫度40 ℃[41]；在阿奇霉素的研磨封裝試驗(yàn)中，最佳的制備條件為：摩爾比1 ∶1，封裝時(shí)間2 h，封裝溫度40 ℃[45]。

2.2 CD-MOFs 封裝功能因子的結(jié)構(gòu)表征手段

對功能因子進(jìn)行封裝之后，為了進(jìn)一步了解CDMOFs 對功能因子的封裝機(jī)理， 以便于糾正或改進(jìn)試驗(yàn)操作， 需要對所形成的復(fù)合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的表征，常用的表征方法有電子掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）、X-射線衍射分析（X-ray diffraction，XRD）、傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy， FTIR）、差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）、熱重（thermal gravimetric，TG）分析及氣體吸附-解吸分析（gas absorption operation）等，表2 總結(jié)了各個(gè)表征方法的目的[28-36]。

表2 CD-MOFs 的常用表征方法Table 2 Characterization method of CD-MOFs

2.3 CD-MOFs 提高活性物質(zhì)穩(wěn)定性及生物利用度的研究

CD-MOFs 封裝活性物質(zhì)的示意圖見圖2。

圖2 CD-MOFs 封裝活性物質(zhì)的示意圖Fig.2 Schematic diagram of CD-MOFs encapsulating active substance

為了直觀地揭示活性成分在CD-MOFs 中的存在狀態(tài)，已有學(xué)者使用分子對接技術(shù)解釋了活性物質(zhì)在CD-MOFs 中的包封原理， 即部分活性物質(zhì)存在于CD分子對的疏水性空腔中， 剩余部分存在于CD-MOFs的多孔結(jié)構(gòu)之中（圖2a）[46]。 也有研究指出CD-MOFs的高效封裝歸因于多個(gè)活性分子在其孔狀結(jié)構(gòu)中形成納米團(tuán)簇，這種結(jié)構(gòu)的形成有助于提高活性物質(zhì)的包封率、溶解度和生物利用度（圖2b）[46]。

CD-MOFs 作為宿主的包封目的主要是提高藥物的溶解性和穩(wěn)定性，從而在實(shí)際應(yīng)用中提高生物利用度。 基于上述特殊的封裝方式，CD-MOFs 在提高活性物質(zhì)溶解度、穩(wěn)定性、包封率和生物利用度方面已取得突出的成果。

2.3.1 提高溶解度

如何提高活性物質(zhì)的溶解度、拓寬它們在不同食品基質(zhì)中的應(yīng)用一直是傳遞載體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Moussa 等[47]使用慢速蒸發(fā)法制備γ-CD-MOFs，并在甲醇溶液中成功進(jìn)行姜黃素的封裝。FTIR 結(jié)果顯示二者的結(jié)合是由于姜黃素的酚羥基與γ-CD-MOFs 中的羥基形成氫鍵導(dǎo)致，XRD 結(jié)果顯示姜黃素的加入沒有改變γ-CD-MOFs 的結(jié)晶度， 封裝后姜黃素在水中的溶解度和穩(wěn)定性均極大提高，這主要?dú)w因于姜黃素在γ-CD-MOFs 的封裝。 有報(bào)道稱經(jīng)γ-CD-MOFs 封裝后，阿齊沙坦的溶解度可提高至原來的340 倍[46]。

Sha 等[48]以5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）、水飛薊素（silymarin，SL）、甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）、阿魏酸（ferulic acid， FA）和槲皮素（quercetin， QT）等活性成分為模型鑒定Na-α-CD-MOFs 的封裝對活性物質(zhì)溶解度的影響， 同時(shí)以單一α-CD 的封裝作為對照組。結(jié)果顯示Na-α-CD-MOFs 和α-CD 的封裝均能有效提高上述活性物質(zhì)的溶解度，但Na-α-CD-MOFs的提高效果更明顯， 且Na-α-CD-MOFs 的負(fù)載率為α-CD 的負(fù)載率的2 倍～5 倍，結(jié)果如表3 所示。

表3 Na-α-CD-MOFs 封裝后各個(gè)活性物質(zhì)的負(fù)載率和溶解度Table 3 Loading efficiency and solubility of each active substance encapsulated by Na-α-CD-MOFs

2.3.2 提高穩(wěn)定性

提高活性物質(zhì)在食品加工、運(yùn)輸、儲存過程中的穩(wěn)定性也是食品工業(yè)關(guān)注的重要內(nèi)容。 三氯蔗糖是一種新型蔗糖氯化衍生物產(chǎn)品，也是唯一用蔗糖制作的無熱量的高倍甜味劑，但它在高溫條件下容易分解為有毒的氯代芳烴，限制了它在熱加工產(chǎn)品中的應(yīng)用。 Lv等[49]用γ-CD-MOFs 包封三氯蔗糖，復(fù)合物中的三氯蔗糖熱穩(wěn)定性顯著提高，表現(xiàn)為90 ℃時(shí)，天然三氯蔗糖1 h 內(nèi)降解（86.2±0.2）%，而復(fù)合物中的三氯蔗糖在24 h 內(nèi)僅降解了（13.7±0.7）%。 白藜蘆醇（resveratrol，Res）作為天然多酚物質(zhì)，具有抗癌和抗菌活性，但具有生物活性的反式-Res 在可見光照射、 高溫和某些pH值條件下易發(fā)生異構(gòu)化或降解反應(yīng)，Qiu 等[50]使用種子介導(dǎo)法合成γ-CD-MOFs 用于封裝Res， 結(jié)果顯示，Res 在酸性條件下的穩(wěn)定性顯著提高。 段效暉[51]使用K2CO3制備微米級和納米級的K2CO3-γ-CD-MOFs 用于封裝奧美拉唑，發(fā)現(xiàn)在高溫、高濕和強(qiáng)光照條件下奧美拉唑的穩(wěn)定性均有改善，表現(xiàn)為在10 d 的單因素穩(wěn)定性試驗(yàn)中未見明顯差異。

2.3.3 提高包封效率

高效的封裝是食品傳遞體系的首要參考標(biāo)準(zhǔn)。 Liu等[29]使用γ-CD-MOFs 封裝芬布芬（fenbufen，F(xiàn)BF），首先在30 ℃條件下，將25 mg 的CD-MOFs 加入到50 mL的FBF 溶液（600 μg/mL）中，隨后將懸浮液搖動并溫育24 h，最后達(dá)到了196 mg/g（FBF/CD-MOFs）的包封效率。 Qiu 等[52]以尼羅紅作為疏水性活性物質(zhì)的模型，探究γ-CD-MOFs 的包封能力，結(jié)果顯示尼羅紅與其形成了摩爾比為1∶1 的復(fù)合物。

2.3.4 提高生物利用度

陳雨露等[17]采用釋放動力學(xué)研究α-CD-MOFs 對胸苷酸酶合成抑制藥（5-fluorouracil，5-FU）在體外模擬消化中的釋放， 結(jié)果顯示50 min 內(nèi)5-FU 的釋放量達(dá)93.9%，直到350 min 時(shí)仍殘留大量5-FU。 He 等[46]使用USP II 釋放儀對γ-CD-MOFs 封裝后的阿齊沙坦（azilsartan，AZL）進(jìn)行體外模擬釋放試驗(yàn)，結(jié)果顯示在pH 6.8 的磷酸鹽緩沖液中，90%以上的AZL 在最初30 min 內(nèi)釋放； 在pH 4.5 的乙酸鹽緩沖液中，（45.54±3.55）%的AZL 從γ-CD-MOFs 中快速釋放； 在pH 1.0的HCl 溶液中實(shí)現(xiàn)（29.64±0.55）%的AZL 快速釋放。此外， 大鼠口服給藥實(shí)驗(yàn)顯示γ-CD-MOFs 封裝后的AZL 的生物利用度約是游離AZL 的9.7 倍、 是γ-CD封裝后的1.5 倍。 研究證實(shí)輔酶Q10 可高效封裝于γ-CD-MOFs 中，在蒸餾水和禁食狀態(tài)的模擬胃液中，γ-CD-MOFs 中的輔酶Q10 的溶出速率均顯著高于游離輔酶Q10[53]。

因此，CD-MOFs 在控制活性物質(zhì)的釋放和提高活性物質(zhì)生物利用度方面是有效的，這可能歸因于CDMOFs 對活性物質(zhì)的包封同時(shí)發(fā)生在其內(nèi)部CD 的疏水性空腔及多孔結(jié)構(gòu)之中。

3 改善CD-MOFs 穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

CD-MOFs 在傳遞和保護(hù)活性物質(zhì)、提高活性物質(zhì)溶解度和生物利用度等方面已初顯功效，但對于以水為基質(zhì)的食品體系來說， 提高CD-MOFs 的水穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。 有研究采用膽固醇包覆和交聯(lián)的方法提高γ-CD-MOFs 的水穩(wěn)定性[40，51]。前者的試驗(yàn)中將膽固醇包覆于封裝有奧美拉唑（omeprazole，OME）的γ-CD-MOFs 表面，發(fā)現(xiàn)復(fù)合樣品不溶于水，能明顯改善OME 在酸性條件下的穩(wěn)定性，且膽固醇的包覆不會影響原復(fù)合物在儲存條件下的穩(wěn)定性[51]。 后者則通過加入交聯(lián)劑制備了不溶于水，且形態(tài)、粒徑大小幾乎沒變化的γ-CD-MOFs[40]。

Hartlieb 等[54]采用后修飾法，通過雙分子親核取代反應(yīng)用氨基官能化CD-MOFs，從而制備出水不溶性的CD-MOFs 用于CO2的吸附。立方凝膠顆粒的制備示意圖見圖3。

圖3 立方凝膠顆粒的制備示意圖Fig.3 Schematic illustration of the synthesis of cubic gel particles

如圖3 所示，F(xiàn)urekawa 等[30]采用自下而上的方法使用環(huán)氧化合物在γ-CD-MOFs 中將γ-CD 分子交聯(lián)，最后去除配位的金屬離子從而得到不溶于水的納米級或微米級的環(huán)糊精立方凝膠顆粒，該立方凝膠顆粒保留了原始γ-CD-MOFs 的形狀和尺寸， 為多面體凝膠顆粒的制備提供理論依據(jù)。

4 總結(jié)

本文總結(jié)并討論了環(huán)糊精金屬有機(jī)骨架的制備及應(yīng)用，值得關(guān)注的是，CD-MOFs 已經(jīng)在傳遞和保護(hù)活性物質(zhì)方面嶄露頭角。 CD-MOFs 的原料可選擇性強(qiáng)、來源廣、價(jià)格低廉，可根據(jù)宿主（CD-MOFs）和客體（活性物質(zhì)）的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，選擇恰當(dāng)?shù)姆庋b方式將同一種甚至不同種活性物質(zhì)封裝進(jìn)入CD-MOFs 中。通過總結(jié)過去的研究， 發(fā)現(xiàn)與單一CD 分子的封裝相比，CD-MOFs 可以更快速高效地封裝活性物質(zhì)，同時(shí)起到改善活性物質(zhì)不良理化性質(zhì)、溶解度、釋放速率和生物利用度的作用。但CD-MOFs 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，針對今后的研究方向提出如下幾點(diǎn)建議：1）在合成方面， 可嘗試使用高價(jià)態(tài)的生物相容性金屬離子（Fe3+、Mg2+、Ca2+等）制備CD-MOFs，實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)和尺寸的可控化制備；2）在活性物質(zhì)的封裝方面，制定出一套合理的匹配方案， 以便于在了解活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的條件下， 即可快速選擇合適的CD-MOFs 種類、封裝方法和封裝條件；3）開發(fā)無毒、簡便、高效的方法提高CD-MOFs 在水中的穩(wěn)定性；4）在理化研究的基礎(chǔ)上，探究封裝有活性物質(zhì)的CD-MOFs 對食品體系的質(zhì)構(gòu)特性、穩(wěn)定性和感官特性的影響；5）嘗試將CD-MOFs應(yīng)用于食品保鮮、防腐、檢測等領(lǐng)域。