引言

        天然产物与糖形成糖苷后，完整分子的性质往往随之改变。糖基的引入不仅增加分子量，还会改变含氧官能团的数量和分布、氢键作用以及分子的亲水—亲脂平衡。这些结构变化进一步影响化合物在水相和有机相之间的分配、固体在水中的溶解行为以及反相色谱中的保留特征。

        槲皮素（quercetin）、异槲皮苷（isoquercitrin）和芦丁（rutin）提供了一个适合比较的结构系列。三者具有相同的槲皮素母核，但糖部分不同。植物糖基转移酶研究表明，槲皮素经3-O-葡萄糖基化可生成异槲皮苷；异槲皮苷的葡萄糖部分进一步发生6″-O-鼠李糖基化可形成芦丁[1]。

        这一结构系列说明了糖基化研究中的一个核心问题：糖基进入天然产物分子后，究竟改变了哪些分子性质？为什么亲水性增强并不能简单等同于“糖越多，水溶性越高”？

        理解这一问题，需要区分分子的水相亲和性、液—液分配与固体水溶性，并同时考虑糖基化对液相溶剂化和固态分子间作用的影响。

1 糖基化引起的分子结构变化

1.1 槲皮素、异槲皮苷和芦丁的结构关系

        槲皮素属于黄酮醇类化合物。异槲皮苷是在槲皮素3位氧原子上连接葡萄糖形成的O-糖苷；在异槲皮苷的葡萄糖6″位进一步连接鼠李糖，可形成芦丁[1]。

三者的结构关系可表示为：

槲皮素

↓ 3-O-葡萄糖基化

异槲皮苷

↓ 葡萄糖6″-O-鼠李糖基化

芦丁

1.2 糖基引入后改变的分子特征

葡萄糖连接到槲皮素3位后，原来的3位羟基形成O-糖苷键，同时分子中引入含有多个羟基和环氧原子的糖部分。

这些结构改变直接影响分子的非共价相互作用特征：

①糖环羟基增加氢键供体和受体位点；

②糖环氧和糖苷键中的氧原子增加氢键受体位点；

③分子的极性分布发生变化；

④亲水部分在整个分子中所占比例增加；

⑤分子构象及分子间相互作用也可能随糖部分变化。

可以用下面的关系表示：

糖基引入

→ 含氧官能团及氢键位点改变

→ 极性和亲水—亲脂平衡改变

→ 与水相、非极性环境及其他分子的相互作用改变

→ 分配、溶解及色谱行为发生相应变化

2 糖基化对亲水—亲脂分配行为的影响

2.1 辛醇/水分配反映什么性质

辛醇/水体系常用于研究有机化合物在相对亲脂环境和水相之间的分配倾向。

化合物达到分配平衡后，在辛醇相中所占比例较高，通常反映较强的亲脂特征；在水相中的比例增加，则反映水相亲和特征增强。

        Rothwell等对黄酮、黄酮醇、黄烷酮和异黄酮等多种化合物进行了辛醇/水分配实验，并采用高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）分析两相中的化合物浓度。该研究的水相条件为pH 7.4。结果显示，在所测试的化合物中，苷元总体比相应结合型衍生物具有更高的亲脂性，结合基团的性质对分配结果具有明显影响[2]。

2.2 极性、液—液分配和水溶性的区别

糖基研究中，极性、亲水—亲脂分配和水溶性容易被混淆，三者实际上描述不同层面的性质。

        Rothwell等将pH 7.4条件下测得的辛醇/水浓度比以log P形式报告[2]。对于可能发生电离的多酚类化合物，解读这类数据时还需要同时考虑水相pH和具体测定条件，而不宜脱离实验条件比较不同来源的数据。

        糖基化使黄酮类化合物的水相亲和特征增强，并不意味着实际水溶性能够按照糖基数量进行直接计算。

3 糖基化与实际水溶性

3.1 槲皮素、异槲皮苷和芦丁的水中表现

Makino等研究不同槲皮素糖苷时，报告了槲皮素、异槲皮苷和芦丁的水中溶解浓度估算值，分别约为50.0、206和196 nmol/mL[3]。

槲皮素及其糖苷的水中溶解浓度估算值[3]

        槲皮素与异槲皮苷之间的差异较明显。在该研究条件下，异槲皮苷的估算摩尔溶解浓度约为槲皮素的4倍，说明3-O-葡萄糖基化能够明显改变槲皮素在水中的表现[3]。

        异槲皮苷与芦丁则提供了另一层信息。芦丁的糖部分比异槲皮苷更大，但两者报告的估算摩尔溶解浓度为206和196 nmol/mL，并没有表现出糖基数量增加后摩尔溶解度按比例继续升高的关系[3]。

        这一结构系列同时显示，3-O-葡萄糖基化可显著改变槲皮素的水中溶解表现，但进一步增加鼠李糖残基并未使水中摩尔溶解浓度继续升高。这说明糖基化对水溶性的影响不能仅由糖残基数量或亲水性变化来预测。

3.2 为什么糖基数量不能直接预测水溶性

        对于晶态有机化合物，溶解涉及两个相互联系的过程：一方面，溶质分子需要克服固态中的晶格及分子间作用而脱离固相；另一方面，进入液相后的分子需要与溶剂形成有利的溶剂化作用。

这一过程可概括为：

晶态固体

↓ 脱离固相、克服晶格及分子间作用

分散的溶质分子

↓ 与水形成溶剂化作用

水溶液中的溶质

        糖基会同时影响液相中的溶剂化作用和固态中的分子间作用及结构稳定性。糖基化对水溶性的最终影响是液相溶剂化与固态稳定性共同作用的结果，不能仅根据亲水性或糖残基数量判断。

3.2.1 水相中的溶剂化作用

糖基含有多个羟基和氧原子，可改变分子与水之间形成氢键及其他非共价相互作用的条件。

对于槲皮素类化合物，糖基化后亲水结构在整个分子中的比例增加，与实验观察到的辛醇/水分配变化相符[2]。

但溶剂化条件有利，并不能单独决定固体的平衡溶解状态。溶质首先需要从原有固态结构中脱离。

3.2.2 固态结构对溶解行为的影响

        糖基还会改变分子构象、分子间氢键以及晶体中的堆积方式。固态形态不同，即使主体化合物相同，也可能具有不同的溶解和溶出特征。

        Liu等研究了芦丁乙醇溶剂化物，并与芦丁三水合物进行了比较。研究显示，两种芦丁固态形式具有不同的固态结构，亚稳态芦丁乙醇溶剂化物表现出较高的溶解度和较快的溶出过程[4]。这说明即使主体分子均为芦丁，不同固态形态仍能够改变其实际溶解和溶出表现。

        槲皮素的无定形体系也显示出类似规律。Uchiyama等利用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）和粉末X射线衍射（powder X-ray diffraction，PXRD）研究含α-葡萄糖基芦丁（α-glucosyl rutin，Rutin-G）的槲皮素复合体系，观察到槲皮素和异槲皮苷在与Rutin-G共同蒸发制备后发生无定形化；在该体系中，异槲皮苷还能够抑制无定形槲皮素在溶出介质中的重结晶，从而提高其过饱和状态的稳定性[5]。

这些实验结果说明：

实际溶解行为受到水相溶剂化与固态稳定性的共同影响。

“增加糖基”“增加羟基”或“提高亲水性”均不能单独替代实际溶解度测定。

4 糖基化对反相色谱保留行为的影响

4.1 同一色谱条件下的保留差异

        糖基化引起的亲水—亲脂分配变化还可反映在反相色谱保留行为中。

        Makino等采用十八烷基硅烷键合固定相，在一套梯度HPLC分析条件下测得：芦丁、异槲皮苷和槲皮素的保留时间分别约为9.4、9.9和15.8 min[3]。

        在该反相高效液相色谱（reversed-phase high-performance liquid chromatography，RP-HPLC）体系中，两个糖苷的保留时间短于槲皮素，与糖基化后水相亲和特征增强、在疏水性固定相上的相对保留减弱相符合。

4.2 保留时间反映具体色谱条件下的实验行为

保留时间并不是化合物脱离实验条件后仍保持不变的物性参数。

RP-HPLC中的保留受到固定相类型、流动相组成、梯度程序、pH、流速和温度等条件影响。

这一实验现象将结构变化与分析实践联系起来：

糖基结构改变

→ 亲水—亲脂分配发生变化

→ 与流动相和反相固定相的相互作用改变

→ 色谱保留发生变化

这也是糖基化影响天然产物提取和色谱分析策略的物理化学基础之一。

5 水溶性与生物利用度属于不同层级的性质

        较好的水相溶解表现并不等同于较高的口服生物利用度。

        Makino等在大鼠实验中观察到，不同槲皮素糖苷的生物利用度差异较大。例如，一些水溶性较高的糖苷仍表现出较低的生物利用度，而异槲皮苷及部分可被肠道酶有效处理的糖苷表现不同。研究同时观察到，不同糖链结构对肠上皮相关酶水解具有明显影响[3]。

        人体研究也说明糖部分会影响槲皮素的吸收过程。Graefe等在12名健康受试者中开展四交叉研究，比较槲皮素-4′-O-葡萄糖苷、芦丁及植物来源样品。槲皮素-4′-O-葡萄糖苷相关处理达到血浆峰浓度的时间约为0.7 h，而芦丁约为7.0 h，峰浓度也存在明显差异[6]。研究者认为糖部分是影响槲皮素体内处置的重要因素之一。

几个概念不宜相互替代：

亲水性增强 ≠ 水溶性按固定比例增加

水溶性提高 ≠ 口服吸收按相同比例提高

吸收发生变化 ≠ 药理作用可以直接由此推定

水溶性描述的是物质进入水相的能力；口服生物利用度还涉及胃肠道中的水解、吸收、转运及代谢等过程，需要独立的药代动力学证据。

        综合槲皮素、异槲皮苷和芦丁的结构与实验结果，糖基化对天然产物理化性质的影响不能简单归结为增加羟基或提高亲水性。糖基的引入既会改变分子在水相和疏水环境之间的分配倾向，也会影响分子构象、分子间作用及固态结构。亲水—亲脂分配、水溶性和生物利用度属于不同层级的性质，需要分别通过相应实验评价，不能仅根据糖残基数量或其中某一项性质直接推算另一项性质。

6 糖基化对槲皮素及相关黄酮醇亲水—亲脂分配与溶解行为研究的代表性化学品

表1 黄酮醇苷元及水合物

表2 槲皮素单糖苷与葡萄糖醛酸苷

表3 槲皮素多糖苷及山奈酚、杨梅素糖苷

表4单糖、糖醛酸与二糖结构单元

注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Zou J, Li H, Wang Z, Ye M. Functional characterization of two efficient glycosyltransferases catalysing the formation of rutin from Sophora japonica L. Organic & Biomolecular Chemistry, 2023, 21(39): 7913-7916. DOI: 10.1039/D3OB01281F.

[2] Rothwell J A, Day A J, Morgan M R A. Experimental determination of octanol-water partition coefficients of quercetin and related flavonoids. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(11): 4355-4360. DOI: 10.1021/jf0483669.

[3] Makino T, Shimizu R, Kanemaru M, Suzuki Y, Moriwaki M, Mizukami H. Enzymatically modified isoquercitrin, α-oligoglucosyl quercetin 3-O-glucoside, is absorbed more easily than other quercetin glycosides or aglycone after oral administration in rats. Biological and Pharmaceutical Bulletin, 2009, 32(12): 2034-2040. DOI: 10.1248/bpb.32.2034.

[4] Liu Y, Zhao X, Zhang Q, et al. Characterization and evaluation of the solubility and oral bioavailability of rutin-ethanolate solvate. AAPS PharmSciTech, 2020, 21: 241. DOI: 10.1208/s12249-020-01779-w.

[5] Uchiyama H, Wada Y, Takamatsu M, Kadota K, Tozuka Y. Improved solubility of quercetin by preparing amorphous solid with transglycosylated rutin and isoquercitrin. Environmental Control in Biology, 2018, 56(4): 161-165. DOI: 10.2525/ecb.56.161.

[6] Graefe E U, Wittig J, Mueller S, et al. Pharmacokinetics and bioavailability of quercetin glycosides in humans. Journal of Clinical Pharmacology, 2001, 41(5): 492-499. DOI: 10.1177/00912700122010366.

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