Растворимость в воде и других растворителях.

Растворимость циклодекстринов в воде при на­гревании возрастает экспоненциально. Для бета-ЦД на холоде (при 10 °С) она составляет величину около 1 %, а в горячей среде при 85 °С, достигает значения около 20 % масс.

Для технологических расчетов концентраций ЦД в водных растворах пользуются также следу­ющими эмпирическими формулами:

для альфа циклодекстрина: С = 247,06 • e^(t/56’⁰³⁾ - 260,26 (t = 15 ч- 55°С);

для бета циклодекстрина: С = 6,34912 • e^(t/2S'⁹³⁾ + 1,089 (t = 15±-85°С);

для гамма циклодекстрина: С = 317,16 • e^(t/43,53) - 317,02 (t = 15 ч-45°С).

Результаты имеют размерность массовых концентраций, выраженных в граммах на литр, или кг/м³.

Явление снижения растворимости циклодекстринов при их охлаждении успешно применяется для перекристаллизации и выделения готовых продуктов из конверсионной смести. При уменьше­нии температуры с 80-100 °С до 20 °С, растворимость бета-циклодекстрина падает более чем в 25-30 раз, и он легко кристаллизуется из пересыщенных растворов. Меняя режим охлаждения, можно получить кристаллы различного фракционного состава — при высокой скорости они полу­чаются более мелкими. Из-за своеобразного характера растворимости бета-циклодекстрина возни­кают технологические проблемы, выражающиеся в образовании корки кристаллов на нагрева­тельных поверхностях концентрирующих аппаратов.

Следует также отметить, что вязкость концентрированных растворов в отличие от растворов линейных декстринов, мало отличается от вязкости воды.

Рис. 8. Зависимость растворимости трех циклодекстринов в воде от температуры раствора

Помимо воды, хорошими раство­рителями для циклических олигоса­харидов являются пиридин, диме- тилсульфоксид, глицерин и другие. Альфа-, бета и гамма-ЦД практиче­ски нерастворимы в чистых спиртах, ацетоне, ацетонитриле, гидрофобных растворителях, таких как гексан, бензол, циклогексан и т.п. Добавле­ние некоторых низкомолекулярных спиртов (например, пропилового) к водному раствору бета-циклодекст­рина приводит сначала к увеличению его насыщенных равновесных кон­центраций, а затем к снижению.

В табл. 2 также представлены дан­ные по растворимости трех цикло­декстринов в 50%-ных растворах различных спиртов.

Добавление некоторых неорганических соединений, например солей или щелочей, может так­же служить причиной значительного увеличения растворимости бета-циклодекстрина.

Химические модификации ЦД. Плохая растворимость бета-ЦД, (около 2% массовых при 25 °С), послужила одной из побудительных причин к попыткам увеличить ее методами химической моди­фикации. Наиболее удачной находкой можно считать синтез гидроксипропилированных произ­водных (ГП-бета-ЦД), имеющих различную степень замещения. Модификация гидроксильных групп глюкопиранозы на внешней стороне кольца гидроксипропильными группами (~СН₂СН(ОН)СН₃), приводит к образованию сети водородных связей между молекулами, спо­собствует увеличению растворимости исходного соединения. Препараты (ГП-бета-ЦД), характе­ризуются различной степенью замещения, т.е. количеством гидроксипропильных групп при­соединенных к гидроксильным остаткам одного кольца. В отличие от бета-циклодекстрина его гидроксипропильные производные неплохо растворяются в 95% этаноле. При степени замещения 5—8 гидроксипропильных групп на молекулу бета-циклодекстрина растворимость в спирте дости­гает 200-225 г/л.

Метилированные ЦД (М-ЦД) известны с начала 1960-х годов и также имеют практическое значение. Интерес к данным химическим модификациям в частности обусловлен их аномальным поведением в растворах. Метилирование до 2/3 от общего числа гидроксильных групп в молекуле бета-циклодекстрина, приводит к росту растворимости исходного продукта в холодной воде, в то время как дальнейшее замещение, к падению. Бета-циклодекстрин с 14 замещенными группами имеет большую растворимость, по сравнению с исходным продуктом, и одновременно с его перме- тилированной модификацией. Отдельно следует отметить, что растворимость гептакис-метилиро- ванных ЦД в воде снижается с увеличением температуры. Кроме того, метилированные-ЦД обла­дают выраженными поверхностно-активными свойствами.

Гидрофобные, т. е. жирорастворимые производные циклодекстринов, в частности, могут быть по­лучены путем присоединения фенильных группировок к внешней поверхности макроциклов. Описа­ны некоторые физические свойства таких соединений, как гептакис 2,6-ди-орто-фенил-бета-ЦД

Табл. 2. Растворимостъ циклодекстринов в спиртах, ацетоне и их смесях с водой (Абелян, 2001)

Усанов Н.

Циклодекстрины: биотехнология и применение

103

и гептакис-2,3,6-гептакис-три-орто-фенил-бета-ЦД, полученных путем этерификации. Перфени- лированный бета-циклодектрин представляет собой вязкий маслообразный продукт, хорошо растворимый в таких растворителях, как гептан, толуол, хлороформ, тетрагидрафуран. Раствори­мость в более полярном диметилсульфоксиде невелика, а в полярной воде и метаноле — практиче­ски отсутствует. При работе с фенильными производными цикл о декстринов могут быть получены комплексы включения и повышена растворимость полярных соединений, например пара-нитро­фенола в таких неполярных растворителях, как гексан и циклогексан.

Работая с химическими модификациями циклодекстринов, следует, однако, учитывать тот факт, что их использование может служить причиной меньшей стабильности образуемых компле­ксов. Например, соединение включения бета-каротина, (препарат известный под названием «Цик- локар»), легко синтезируемое механохимическими методами в присутствии немодифицированно- го бета-циклодектрина, не может быть получено на основе его гидроксипропилированных форм.

Известны и промышленно выпускаются разветвленные модификации циклодекстринов, синте­зированных методами ферментативного присоединения молекул других сахаров, например глюко­зы, мальтозы и др., к внешним (первичным) гидроксильным группам исходных макроциклов. Они фигурируют под названиями гликозил-ЦД, мальтозил-ЦД и т.д. Гликозилированные циклодекст­рины — бесцветные сахаристые вещества, не обладающие ярко выраженным вкусом и пригодные для использования в пищевой промышленности. Растворимость гликозилированных производных бета-циклодекстрина в десятки раз выше, по сравнению с исходным продуктом.

Химическая активность циклодекстринов. Циклодекстрины не являются редуцирующими сахарами, не дают реакций серебряного или медного зеркала, не могут быть определены методами Шомодьи-Нельсона или по восстановлению желтой кровяной соли. Тем не менее, циклодекстри­ны, легко окисляются более активными агентами, например, перманганатом калия, перйодатом.

Частичный гидролиз циклодекстринов под действием соляной кислоты приводит к образова­нию серии ациклических мальтоолигосахаридов. Стабильность циклодекстринового кольца к гид­ролизу в несколько раз выше, по сравнению с линейными декстринами и раскрытие цикла является более медленным процессом, чем последующая деструкция линейного остатка до моле­кул глюкозы. Устойчивость циклодекстринов к щелочному гидролизу существенно выше, чем к кислотному. По сравнению с крахмалом и мальтоолигосахаридами циклодекстрины значитель­но более стабильны в присутствии большинства альфа-амилаз, и почти не подвержены воздейст­вию глюкоамилаз.

6.