来自植物母液的羟丙基-环糊精包合物与生物活性分子的核磁共振光谱及热力学表征

《ACS Omega》：Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic and Thermodynamic Characterization of Hydroxypropyl-cyclodextrin Inclusion Complexes with Bioactive Molecules from Plant Mother Tinctures

植物提取物中苦味生物活性分子与HP-CD的包合作用研究基于1H NMR光谱分析，发现HP-γ-CD因更大腔体和更灵活结构，对莰酮、百里酚、桉叶油等分子形成更稳定的1:1复合物（K11值达3507-3791），且芳香环质子化学位移变化显著。氢键和疏水作用共同主导包合稳定性，其中HP-γ-CD对莰酮的包合常数最高（3791）。研究为植物药苦味掩蔽提供了分子机制依据，后续将结合感官测试验证实际效果。

　　植物世界以其多样化的自然资源而著称，其中许多生物活性分子在化妆品、食品和制药领域具有重要价值。这些生物活性分子通常通过口服或外用方式被用于草药制剂中，如薄荷、鼠尾草、车前草和百里香等。这些植物在传统医学中常被用于缓解咳嗽和治疗呼吸道感染。在药物研发过程中，药物的感官特性，尤其是许多活性成分的苦味，对药剂的接受度和使用率具有重要影响。因此，制药工业采取了多种措施来掩盖这些不愉快的感官特性。本研究探讨了使用环糊精（CDs）作为载体，将这些植物提取物中的生物活性分子与环糊精形成包合物，以改善其口感。

环糊精是一种通过淀粉酶解产生的环状寡糖，具有独特的结构，即一个由亲水性外部包裹的疏水性腔体。这种结构使其能够与广泛的有机和无机分子形成包合物。环糊精能够通过将活性化合物包裹在其中，从而防止苦味官能团与舌头上的味觉受体直接接触，从而改善药物的口感。羟丙基取代的环糊精（HP-CDs）因其改善的水溶性和更高的包合效率，特别适用于掩盖植物提取物中的不愉快味道。

本研究中，选择的生物活性分子（BAMs）包括薄荷醇（thymol）、百里香酚（carvacrol）和桉树油（eucalyptol），它们是薄荷、车前草、桉树和百里香提取物中导致不愉快口感的主要成分。通过使用氢核磁共振（¹H NMR）光谱技术，研究了这些生物活性分子与羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）和羟丙基-γ-环糊精（HP-γ-CD）形成包合物的过程。研究发现，所有生物活性分子的包合物均为1:1的摩尔比，表明这些分子与环糊精的结合模式一致。

通过分析生物活性分子的¹H化学位移变化，计算了结合常数，结果显示HP-γ-CD与生物活性分子的结合更为稳定，这归因于其较大的腔体和更高的柔韧性，这些特性有利于形成更稳固的包合物。二维旋转框架Overhauser效应光谱（2D ROESY）实验提供了关于结合模式的深入见解。此外，一个简单的热力学模型突显了氢键对包合过程的贡献。进一步研究发现，当百里香酚与桉树油混合时，百里香酚依然表现出最强的稳定性，即使在两者同时与HP-CD结合的情况下也是如此。

本研究还探讨了包合物的热力学特性以及其对药物口感的潜在影响。通过分析结合常数和热力学参数，确认了这些包合物的高稳定性和自发形成特性。结果显示，HP-γ-CD在所有研究的生物活性分子中表现出最高的结合亲和力，这反映了环糊精与活性分子之间在几何和疏水性方面的良好互补性。这些发现提供了分子层面的洞察，揭示了环糊精与活性分子之间相互作用的稳定性和几何结构。

此外，研究还探讨了HP-CD对植物提取物口感的影响。通过将这些环糊精添加到薄荷、百里香、车前草和桉树提取物中，观察到了显著的化学位移变化，特别是在薄荷醇和百里香酚的芳香质子以及桉树油的环己烷基团的甲基部分。这些变化明确表明了这些生物活性分子被环糊精包裹的情况。这些结果与之前对纯生物活性分子的包合研究一致，进一步验证了HP-CD作为植物提取物中不愉快味道的掩盖剂的可行性。

研究还通过2D ROESY和NOESY NMR实验获得了关于包合物结构的更详细信息。这些实验提供了关于环糊精与活性分子之间空间相互作用的互补和验证信息。通过这些实验，研究人员观察到了活性分子与环糊精内部腔体质子（如H₃和H₅）之间的空间相互作用，从而确认了包合现象。这些NOE和ROE相互作用表明了百里香酚的芳香部分被插入到HP-γ-CD的疏水腔体中，尤其是通过环糊精的狭窄边缘。

在热力学方面，研究发现氢键在提高包合物稳定性方面发挥了关键作用。通过一个简单的热力学模型，结合两种类型的结合自由能，研究人员能够将标准包合自由能（Δ_compG⁰）分解为氢键贡献和非氢键贡献。结果显示，百里香酚和薄荷醇由于它们的芳香环上的羟基能够与环糊精腔体内的糖苷键形成氢键，因此它们的包合物更为稳定。相比之下，桉树油由于其刚性的双环结构和缺乏极性基团，无法形成稳定的氢键，因此其与环糊精的结合较弱。

研究还探讨了生物活性分子之间的竞争性包合行为。在HP-CD存在的情况下，这些疏水性化合物会优先逃离极性的水性环境，被单独包裹在环糊精的疏水腔体中。这种竞争性包合行为显著减少了或防止了活性分子在溶液中的直接相互作用。通过观察¹H NMR光谱中的化学位移模式，研究人员发现每种分子能够独立地被包裹在环糊精中，从而保持其稳定性。

研究还强调了HP-CD在药物制剂中的潜在应用。通过使用¹H NMR光谱技术，研究人员能够系统地分析化学位移变化和分子间交叉峰，从而确认了1:1的包合物结构。结果显示，HP-γ-CD与百里香酚的结合亲和力最高，表明其在掩味方面具有更大的潜力。此外，研究还指出，虽然这些结果证实了HP-CD对生物活性分子的有效包裹，但实际的掩味效果仍需通过实验进一步验证。未来的研究计划将通过全面的感官分析和电子舌头（e-tongue）测试，定量评估环糊精包合对风味感知的影响。

综上所述，本研究不仅提供了关于生物活性分子与环糊精形成包合物的结构和热力学特性的重要见解，还为开发使用环糊精的掩味药物制剂提供了科学依据。通过这些研究，可以更好地理解环糊精与生物活性分子之间的相互作用，从而优化药物配方，提高其口感和患者依从性。这些发现对于制药行业在开发含有植物提取物的药物制剂时具有重要的指导意义。