История циклодекстринов

Введение

Циклодекстрины (ЦД) - синтетические соединения, получаемые путем ферментативного расщепления одного из наиболее важных полисахаридов, крахмала. В основе уникальной структуры циклодекстринов лежит гидрофобная полость, имеющая постоянные геометрические размеры и способная инкапсулировать различные молекулы. В результате вхождения молекулы (гость) в полость макромолекулы циклодекстрина (хозяин) могут образовываться комплексы включения типа «гость-хозяин». Благодаря образованию таких комплексов можно улучшить физические, химические и биологические свойства молекулы гостя. Практически во всех отраслях промышленности: в фармацевтике, пищевой индустрии, химии, хроматографии, катализе, биотехнологиях, сельском хозяйстве, косметике, производстве средств гигиены, медицине, в текстильной промышленности и экологии - циклодекстрины и их комплексы нашли свое применение. Несмотря на то, что циклодекстрины известны более 120 лет, применяться в фармацевтической и пищевой отраслях промышленности они начали лишь в 80-х годах прошлого столетия, что стало возможным после начала производства в промышленных масштабах трех незамещенных α-, β- и γ-циклодекстринов. Циклодекстрины «особой чистоты» удалось получить в 1984 году, после чего цена на них уменьшилась, что сделало огромный вклад в их развитие, особенно для β-циклодекстрина. С 1980-х годов зарегистрированы многочисленные патенты и накоплено большое количество научной литератур.

Основная целью данного обзора является описание 120 лет развития циклодекстринов. Я условно разделил их на пять периодов: открытие с 1891 по 1911, период сомнений с 1911 по 1935, разведка в 1935-1950, 1950-1970, когда понятия зрелости, и, наконец, период применения от 1970 года до наших дней. Различные периоды проиллюстрированы учитывая примеры исследований, которые появились в литературе и, в частности, тех, из нескольких великих ученых, которые оставили свой след в истории этих молекул, то есть Вилье из Франции, Шардингер из Австрии, Каррер из Швейцарии, Прингсгеим Фройденберг, Крамера, и Saenger из Германии, Франции и Бендер из США, Кашу из Италии, и Szejtli из Венгрии. Хотя этот исторический обзор не может всестронне описать историю циклодекстринов, он способен оценить работу главных исследователей, которые внесли свой вклад в развитие наших знаний о циклодекстринах на протяжении 120 лет своей истории. Был составлен обширный список данных из около 510 публикаций для достижения данной цели. Тем не менее, из-за крайне большого числа работ, тезисов, патентов, глав из книг, монографий, книг, лекций, в этом обзоре, обсуждение будет ограничено соответствующих публикациями по циклодекстринам. Читатели, интересующиеся подробным описанием и применением циклодекстринов и их производных следует обратиться к превосходной библиотеке базы данных "Циклодекстрин Новости" со CYCLOLAB, Ltd. (Венгрия), который является современным сбором всех статей по циклодестринам, патентов и конференций.

1. ОКРЫТИЕ ЦИЛОДЕКСТРИНОВ: 1891-1911

2.1 Антуан Вильерс

История циклодекстринов начинается в конце 19 века во Франции с работ французского фармацевта и химика Антуана Вильерса, который изучал действие ферментов на различные углеводы, в частности на процесс брожения картофельного крахмала в присутствии бактерий Bacillusaminobacter. Cтудент известного профессора Бертло, Антуан Вильерс родился в Каркассоне на юге Франции. Он был специалистом по токсикологиии и работал на только что открытой кафедре аналитической химии в Школе Фармации в Париже. Как профессор аналитической химии в той же школе, где он оставался с 1886 по 1924, Вильерс особенно привлечены к различным аспектам химии природных веществ, включая углеводов и алкалоидов. Его научная работа была представлена в двух докторских мемуарах (1880) и 29 других междисциплинарных работ, посвященных химии (добывающей, органической, неорганической и физической химии), фармации, и микробиологии. В начале 1890-х годов, в ходе экспериментов по расщеплению и разложению углеводов под действием ферментов, Вильерс отметил появление нежелательных кристаллов с заданными свойствами; он обнаружил молекулы компакт, так произошло открытие молекул циклодекстринов.

В феврале 1891 года в французском научном журнале «The Proceedings of the Académiedes Sciences» (рисунок 2), который издавался Парижским химическим обществом, Вильерс подробно описал, что при определенных условиях (если взять 50г картофельного крахмала и растворить 1 л воды при 100°С и затем добавить в качестве затравки бактерии Bacillusaminobacter, после чего выдерживать в печи при 40°С несколько дней) в результате брожения картофельного крахмала образуются декстрины (в будущем их станут называть циклодекстринами). Термин «декстрины» уже использовался в то время для обозначения продуктов разложения или промежуточных продуктов разложения крахмала. Обратите внимание, что получение декстринов путем расщепления крахмала было открыто еще в 1821 году. Вилье показал, как легко можно превратить крахмал с получением нового углевода под действием бактерий. Когда в крахмальную пасту заражали бактериями, она начинала превращаться в слабокислой жидкости, выделяя очень характерный запах масляной кислоты.

Вильерс впервые показал возможность применения данного вида бактерий для получения новых углеводов. Когда в крахмальную пасту добавляли бактерии, она начинала превращаться в слабокислую жидкость, выделяя характерный запах масляной кислоты. Впоследствии при более подробном изучении физико-химических свойств циклодекстринов, он отметил, что основная часть продуктов данной ферментативной реакции уже не поддавалась дальнейшему воздействию бактерий и что полученные кристаллы были устойчивы к действию воды и кислоты.

После фракционирования продуктов реакции брожения, выделенные декстрины обладали различными свойствами оптического вращения и не подвергались гидролизу. Йод окрашивал декстрины с высокой оптической активностью, причем интенсивность окраски падала с уменьшением оптической активности, а декстрины с низкой оптической активностью не окрашивались йодом совсем. Наконец, в своей новаторской статье, Вильерс, пришел к выводу, что путем масляного брожения крахмала можно получить декстрины непосредственно, без участия интермедиатов. После бактериальной обработки крахмала Вильерс также обнаружил некоторые побочные продукты после нескольких недель инкубации, в частности высоко кристаллическое вещество с химическим составом и физико-химическими показателями, промежуточными между крахмалом и декстрином. После ферментативной обработки 1000г крахмала было получено 3г нового углевода. Его кристаллы были получены в спирте, который использовался для осаждения новых декстринов. Обладающий высокой научной любознательностью, французский ученый сфокусировался на свойствах побочных продуктов.

В июне 1891 года во втором сборнике научных трудов Вильерс описал химический состав нового кристаллического углевода. Была представлена его простейшая формула [(C6H10O5)2+3H2O], и предложено название «целулозин» из-за сходства с целлюлозой, которая так же устойчива к кислотному гидролизу. Вильерс отметил, что «белые кристаллы обладают слабым сладковатым вкусом», а также обладают высокой степенью оптической активности, которая была гораздо выше, чем у большинства декстринов, формирующихся под действием масляного брожения. Растворимость в воде новых кристаллов была мала, но возрастала с увеличением температуры. При разных условиях эксперимента, было получено два вида кристаллов, вероятнее всего это были α-декстрин (α-цикодекстрин) и β-декстрин (β-циклодекстрин). В 1972 году Манор и Сенджер предложили точно такую ж формулу [(C6H10O5) 6 - H2O] для α-ЦД-гексагидрата, как и предложил в 1891 Вильерс, чтобы описать целлулозин. Вильерс рассматривал эти новые соединения в качестве изомеров крахмала, которые практически не растворимы в воде, растворимы в спирте, не подвергаются ферментации, устойчивы к действию кислоты, но могут быть превращаться в эфиры под действием хлорангидридов. Вильерс пришел к выводу, что свойства этих новых декстринов очень отличаются от свойств всех других сахаров, известных на тот момент. Тем не менее, он не продолжил исследование новых соединений (циклодекстринов), а предпочел сосредоточиться на алкалоидах.

Вероятнее всего, Вильерс использовал культуру Bacillusamylobacter, что являлось не отдельным штаммом бактерий, а бактериями совместного культивирования (Bacillusmacerans), поэтому он получал смесь декстринов. Данная идея была высказана Робертом Кохом еще в 1891 году и ее поддержал Франц Шардингер в начале 20-го века. Действительно, изолированный штамм бактерий, способный перерабатывать крахмал в циклодекстрины, без каких-либо побочных продуктов будет получен Шардингером спустя 20 лет. Известная немецкий школа химии и биохимии, работающая над крахмалом и целлюлозой в начале 20-го века, во время исследований структуры, химической модификации и деградации этих двух полисахаридов, заново открыта для себя эти декстрины, некоторые исследователи, в том числе Ханс Прингсгейм в тот же период, называли их "полиамилозы" (polyamylosen на немецком языке).

2.2 Франц Шардингер (1853-1920).

В начале прошлого века в Вене австрийский химик и бактериолог Франц Шардингер, Главный инспектор Untersuchungsanstalt für Lebensmittel изучал устойчивые к высокой температуре микроорганизмы, которые могут привести к пищевому отравлению. Одним из его многочисленных научно-исследовательских направлений было углубление понимания химии и расщепления крахмала. В 1903 году он обнаружил, что штамм микроорганизмов, весьма устойчивый к высокой температуре и способный растворять крахмал, образует кристаллические побочные продукты, удивительно похожие на целюлозин (cellulosine) (декстрины Вильерса). Шардингер впервые стал называть циклодекстрины декстринами, ранее их называли целюлозинами. Он опубликовал свои результаты в журнале Zeitschrif t für Untersuchung der Nahrungs- and Genuβmittel (Рисунок 4). Schardinger отметил, что cellulosine часто образуются в средах на основе крахмала, содержащих микроорганизмы. Ему удалось выделить штамм бактерий, ответственных за деградацию крахмала и образование кристаллических продуктов; он назвал их штамм II. Используя реакцию с йодом, простые колориметрические испытания, он различал два типа полисахаридов, которые назвал кристаллический декстрин А и кристаллический декстрин B (krystallisiertes декстрины на немецком языке).

Форма B напоминала целюлозин Вильерса. Шардингер обнаружил, что это было возможно, чтобы изолировать чистые фракции: он получил максимальный выход 30% кристаллических декстринов из крахмала, основной формой был декстрин B. Однако, он отметил, что со временем, активность штамма II уменьшается. В 1904 году он выделил новый микроорганизм, который он назвал rottebazillus I из-за его воздействия на картофельный крахмал, а затем несколько месяцев спустя он использовал латинскиое название Bacillus macerans. Шардингер сообщил, что Bacillus были в состоянии дать те же кристаллические декстрины, как раньше, что он раньше называл кристаллические полисахариды ("krystallisiertes полисахаридов»). Использование характерный реакцию, которую дают производные крахмала с йодом, он предложил различие между кристаллической амилозы и кристаллической аминоцекстрином. Выходы, полученные с помощью Schardinger были в 10 раз превыщали Вильерса. Для объяснения этого результата, он черпал вдохновение из работ Роберта Коха (1843-1910), немецкий врач и бактериолог, специализирующийся на микроорганизмах (профессор Кох считается основателем современной бактериологии), который выдвинул идею, что, в условиях стерилизации, описанных Вильерсом, применяемые штаммы не были чистыми.

Между 1905 и 1911, Шардигер дал первое подробное описание приготовления, разделения и очистки двух целлулозинов, впервые описанных Вильерсом. Он также изучал описал их поведение в присутствии спиртов, хлороформа, эфира, и раствор йода. Он показал, что декстрины были не восстанавливались медными реагентами и неферментировались дрожжами. Schardinger также обнаружили, что декстрины могут быть синтезированы из нескольких источников крахмала (картофель, рис, пшеница) и бактерий (образование декстринов зависит от вида бактерий, расщепляющих крахмала). Он пришел к выводу, что около 25-30% крахмала превращается в кристаллические декстрины в зависимости от этих параметров. Он также на основе его метод разделения на простоты кристаллизации β-декстрина из воды и его низкую растворимость при комнатной температуре с последующим осаждением из α-декстрин из маточного раствора при добавлении спирта. Различие между двумя формами декстринов всегда делалась благодаря их способности образовывать комплексы разных цветов с йодом (эта реакция будет изучена снова другими исследователями в том числе Эйлером и Myrbäck в 1922 году и Дубе в 1947 г.). Цвета были Серо-зелёные для сухой α-декстрин (цвет изменяется на синий в присутствии воды) и красновато-фиолетовый (коричневатые) для β-декстрина (в зависимости от того влажный или сухой). В 1911 году Шардингер считал, что номенклатура, которую он предложил в 1904 году не было на самом деле соответствующей и решил назвать целюлозины Вильерса "кристаллический α-декстрин и кристаллической β-декстрина.

Шардингер был первым исследователем, которому удалось изучить и описать основные свойства декстринов. Также он открыл способность декстринов к образованию комплексов с органическими молекулами. В самом деле, Шардингер известен как "отец-основатель" химии циклодекстринов. Он также предположил, что загадочные кристаллические вещества являлись циклическими "полисахаридами". К такому же выводу спустя 30 лет придет немецкий химик Фройденберг.

Шардингеру на самом деле так и не удалось выяснить их структуру, так как только в конце 1940-х годов будет проведен первый рентгеноструктурный анализ кристаллов циклодекстринов, который подтвердит гипотезу циклического строения. Главным результатом работы Шардингера было изолирование микроорганизмов, способных синтезировать фермент, катализирующий расщепление крахмала на циклодекстрины. Следует отметить, что наиболее часто используемым источником фермента для производства циклодекстринов даже сегодня остаются бактерии штамма Bacillusmacerans.

Термины «кристаллический α-декстрин» и «кристаллический β-декстрин» были впервые использованы Шардингером, поэтому в течение многих лет (почти до 1970-х годов) циклодекстрины называли декстринами Шардингера в его честь, хотя их открытие по-прежнему принадлежит профессору Антуану Вильерсу. Профессор Франц Шардингер решил прекратить свои исследования циклодекстринов в 1911 году. Свое решение Шардингер прокомментировал так: «Я понимаю, что еще многие вопросы декстринов остаются нерешенными; в ответ на это, я должен оставить их другим исследователям, которые в силу более благоприятных обстоятельств, могут справиться с данной проблемой более успешно».