Общие представления о циклодекстринах

Производство циклодекстринов — сравнительно новое и активно развивающееся направление биотехнологии, объединяющее самые различные процессы: микробиологические, биохимические, химические.

Применение циклодекстринов не ограничивается лишь одной сферой пищевой промышленно­сти, распространяясь на такие непохожие отрасли, как фармакология и косметика, тонкий орга­нический синтез и нефтедобыча, сельское хозяйство и процессы защиты окружающей среды. Не будет преувеличением сказать, что практическое использование циклодекстринов возможно во многих сферах человеческой деятельности, связанных с наличием или использованием пищевых субстанций, а также индивидуальных химических веществ или их смесей, а сама технология цик- лодекстринов является суммой современных биотехнологий.

Циклодекстрины относятся к классу углеводов, точнее олигосахаридов, получаемых фермента­тивным путем из крахмала. Их молекулярная структура становится понятной из рис. 1, на кото­ром представлены структурные формулы и компьютерные модели молекул — трех первых членов этого гомологического ряда, состоящих из идентичных звеньев альфа-Л-глюкопиранозы и являю­щихся фрагментами цепей крахмала, свернутых в компактные кольца.

В процессе более чем столетнего изучения обсуждаемого класса природных веществ, для них были предложены и использованы многочисленные варианты названий. Циклодекстрины, являкі- щиеся представителями одного гомологического ряда, различающиеся количеством звеньев глю­козы в макроциклах, обозначают буквами греческого алфавита — а, р, у, 6, е и т.д., в сторону уве­личения длины кольца.

Альфа-циклодекстрин, или а-циклоамилоза, он же циклогексаамилоза, или а-декстрин Шардингера, состоит лишь из шести глюкопиранозных остатков. Молекула а-циклодекстрина яв­ляется наименьшей в ряду макроциклических сахаров. Из-за стерических, или пространственных затруднений, когда одни части молекулы физически мешают другим, а также из-за особенности геометрии связей атомов кислорода, являющихся мостиками между соседними остатками глюко­зы, вариант молекулы-кольца из пяти звеньев в природе, по всей видимости, не существует. Тем не менее, принципиальную возможность химического или иного синтеза пятичленного циклодекст­рина, имеющего очень небольшой диаметр кольца, отрицать нельзя.

Рис. 1. Структурные формулы циклодекстринов и компьютерные модели их молекул ( по F.L.Lichtenthaler, 1995 )

Молекулярное кольцо второго гомолога семейства состоит из семи остатков глюкозы, и это ве­щество называют (3-циклодекстрином, или циклогептаамилозой, а также p-декстрином Шардинге­ра. Это соединение имеет в настоящее время наибольший спрос и сферу применения.

Молекула у-циклодекстрина или циклооктаамилозы, состоит из восьми альфа-Э-глюкопира- нозных звеньев. Это наиболее дорогой из трех гомологов, широкое использование которого пока ог­раничено себестоимостью.

Существуют и другие (высшие) гомологи-члены ряда циклодекстринов, состоящие более чем из восьми остатков глюкозы в макроциклах и обозначаемые буквами греческого алфавита б-, є- и т.д. Несмотря на сравнительно малый объем знаний, касающихся их физико-химических свойств, из­вестно лишь то, что по своим свойствам они напоминают линейные мальтоолигосахариды, т.

Несмотря на обилие синонимов, обозначающих циклические сахара, в настоящее время, почти всегда употребляются термины а-, р-, у- циклодекстрины. В англоязычных статьях также широко используется термин цикломальтодекстрины (cyclomaltodextrines). Применительна замена грече­ских букв, русскими словами альфа-, бета- и гамма-. В качестве русскоязычных аббревиатур ис­пользуются сокращения альфа-ЦД, бета-ЦД и гамма-ЦД, а также ЦД₆, ЦД₇, ЦДв-

Как уже было сказано, в промышленных масштабах циклодекстрины можно получать лишь ферментативным путем. Синтез этих продуктов методами тонких химических технологий воз­можен, но весьма дорог. Фермент, необходимый для биохимической трансформации крахмала, относится к подклассу микробных трансфераз (КФ 2.4.) и, в частности, осуществляет реакцию пе­реноса и присоединения остатков сахаров на ОН-группы других сахаров.

Молекулы циклодекстринов имеют гидрофильную внешнюю поверхность и сквозную гидро­фобную полость, по своим размерам сопоставимую с величиной многих органических и неорга­нических соединений. Гидрофильная поверхность обусловливает хорошую растворимость цик­лических олигосахаридов в воде, а полость является своеобразной ловушкой неполярных субстанций. Молекулы органических и неорганических веществ, попадая в растворы цикл о декст­ринов, проникают в полость и остаются там, удерживаемые силами гидрофобных и других взаимо­действий. Ковалентные химические связи при этом не возникают, но образовавшееся соединение может быть легко выделено в кристаллическом состоянии. Образовавшийся надмолекулярный (супрамолекулярный) комплекс, или комплекс « гость-хозяин», диссоциирует в воде так, что в вод­ном растворе всегда остается некоторое количество исходных веществ. Концентрация последних зависит от природы включаемых веществ и физических факторов, например температуры и pH.

Способность циклодекстринов к комплексообразованию — один из наиболее важных моментов, привлекающих внимание к этой группе веществ. Молекулы органических и неорганических веществ, проникая в полость циклодекстринов, меняют свои физико-химические свойства. Нерас­творимые субстанции становятся растворимыми, обладающие горьким вкусом безвкусными, паху­чие — лишенными запаха, летучие — нелетучими, а нестабильные — стабильными. Перечислен­ные трансформации находят свои применения в сферах пищевых, фармацевтических, химических и других технологий, о чем более подробно будет сказано ниже.

Циклодекстрины относятся к природным сахарам биологического происхождения, хотя их энзиматический синтез протекает вне живых организмов — в почве. Инициаторы этого, по-своему уникального процесса — бактерии, изученные еще недостаточно хорошо, чтобы можно было с дос­таточной степенью уверенности утверждать, для чего им необходима подобная активность.

Большая часть известных бактерий, имеющих отношение к образованию циклодекстринов, принадлежит к разряду типичных обитателей почв. В природе реакция происходит вне микробных клеток, под действием фермента циклодекстринглюканотрансферазы (ЦГТазы), катализирующе­го деградацию останков растительного крахмала в почве. Способностью выделять в окружающую среду ЦГТазу, обладают лишь прокариоты. У микроскопических грибов и высших организмов этот фермент не обнаружен. Да и бактерии — носители гена ЦГТазы встречаются довольно редко и мо­гут быть найдены лишь случайно или с использованием специальных методик скрининга. С целью упрощения, их принято называть циклодекстриногенными, циклодекстрин-синтезирующими или ЦГТ-активными бактериями.

Гены, кодирующие ЦГТазу, почему-то не дрейфуют от одной микробной линии к другой, вслед­ствие горизонтального (латерального) переноса генов, а локализованы в среде достаточно редких видовых прокариотических детерминант. Это явление, известное в генетике микроорганизмов под названием гетерофобии, требует фундаментального объяснения и понимания.

Вместе с тем, нельзя сказать, что ген ЦГТазы не может быть встроен искусственно в другие ми­кро- (и макро-) организмы. За два последних десятилетия XX столетия молекулярно-биологиче­скими методами были созданы десятки устойчивых носителей ЦГТазы на основе микроорганизмов самой различной природы, в том числе и дрожжей, принадлежащих к эукариотам. По-видимому, нельзя говорить о несовместимости циклизующей активности с особенностями функционирования эукариотической клетки. Весьма показательны эксперименты с генетически модифицированными растениями картофеля и кукурузы, в которые были внедрены гены микробных ЦГТаз. В результа­те подобной модификации внутриклеточный синтез крахмала в этих растениях стал сопровож­даться накоплением некоторых количеств циклодекстринов.

Внешнее действие амилаз и ЦГТаз на крахмалоподобные биополимеры настолько внешне по­хоже, что существует определенная терминологическая путаница. Ферменты, катализирующие биосинтез ЦД, ошибочно называли циклизующими амилазами, относя их к гидролазам, вообще- то, катализирующим присоединение воды, а не реакцию переноса и присоединения углеводных фрагментов, или трансгликозилирования. Причина находится в том, что в обоих случаях происхо­дит активная деполимеризация крахмала, протекают схожие изменения цвета йодной реакции. Тем не менее, ЦГТазы все-таки относятся к классу трансфераз, имеют соответствующий номер в классификации ферментов (КФ 2.4.1.19).

Выпуском циклодекстринов и их химических модификаций в настоящее время заняты фирмы в различных странах мира. Наиболее дешевым продуктом является бета-ЦД, промышленного про­изводства, доступный по ценам от 7 до 25 долл. США за килограмм в зависимости от объема пар­тии, чистоты и технологии приготовления. Альфа- и гамма-ЦД, имеют себестоимость (и соответст­венно цену) в десятки раз более высокую, хотя и имеющую тенденцию к снижению. Следует под­черкнуть, что в недалеком прошлом (конец 1970-х) бета-ЦЦ был также доступен по цене 1500 долл. СИТА за килограмм. На рынке также доступны препараты циклодекстринглюканотрансфераз, рас­пространяемые некоторыми японскими фирмами. Предпочтением пользуются ферментные препа­раты, полученные на основе природных, генетически не модифицированных продуцентов. Причи­на тому проста — большая часть произведенных циклодекстринов предназначена для использова­ния в пищевой промышленности.

2.