Литературный обзор

Олигосахариды - углеводы, состоящие из нескольких моносахаридных остатков. Олигосахариды (от греч. «olygos» - немногий), состоящие из одинаковых моносахаридных остатков, называют гомополисахаридами, а из разных - гетерополисахаридами [1]. Глюкопираноза - мономер, из которого образуются два наиболее важных полисахарида: крахмал и целлюлоза [2].

Циклодекстрины (ЦД) относятся к классу природных макроциклических олигосахаридов, в которых фрагменты D-глюкопиранозы соединены б-1-4- гликозидными связями. Циклодекстрины, получаемые путем ферментативной изомеризации крахмала, представляют собой белые кристаллические порошки, нетоксичные, практически не имеющие вкуса [3].

Семейство циклодекстринов включает в себя три основных продукта: б-, в-, г-циклодекстрины, состоящие, соответственно, из шести (n = 1), семи (n = 2) и восьми (n = 3) глюкопиранозных остатков, строение которых представлено на рисунке 1 [4].

Рисунок 1 - Строение б-, в- и г-циклодекстринов

История открытия циклодекстринов

История циклодекстринов начинается в конце XIX 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 Bacillus aminobacter. Cтудент известного профессора Бертло, Антуан, 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 гг., Вильерс особенно был увлечен различными аспектами 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 циклодекстринов, так произошло их открытие.

В феврале 1891 г. во французском научном журнале «The Proceedings of the Acadйmiedes Sciences», который издавался Парижским химическим обществом, Вильерс подробно описал, что при определенных условиях (если взять 50 г картофельного крахмала, растворить в 1 л воды при 100 °С и затем добавить в качестве затравки бактерии Bacillus aminobacter, 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. Таким образом, получение декстринов путем расщепления крахмала было открыто еще в 1821 году.

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. Спустя несколько недель инкубации после бактериальной обработки крахмала Вильерс также обнаружил некоторые побочные продукты, в частности высококристаллическое вещество с химическим составом и физико-химическими показателями промежуточными между крахмалом и декстрином: после ферментативной обработки 1000 г крахмала образовалось 3 г 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 г. во втором сборнике научных трудов Вильерс описал химический состав нового кристаллического углевода, и была представлена его простейшая формула [(C6H10O5)2Ч3H2O]. Вильерс отметил, что «белые кристаллы обладают слабым сладковатым вкусом», а также 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 б- декстрин (б-цикодекстрин) и в-декстрин (в-циклодекстрин).

Вильерс рассматривал эти новые соединения в качестве изомеров крахмала, которые практически не растворимы в воде, но растворимы в спирте, не подвергаются ферментации, устойчивы к действию кислоты, но могут превращаться в эфиры под действием хлорангидридов. Тогда он определил, что это были кристаллические углеводы и дал веществу название «целлюлозин».

Однако позже 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 Bacillus amylobacter, что являлось не отдельным штаммом бактерий, а бактериями совместного культивирования (Bacillus macerans), поэтому он получал смесь декстринов. Данная идея была высказана Робертом Кохом еще в 1891 г., и ее поддержал Франц Шардингер в начале XX века. Действительно, изолированный штамм бактерий, способный перерабатывать крахмал в циклодекстрины, без каких-либо побочных продуктов будет получен Шардингером спустя 20 лет.

В начале прошлого века в Вене австрийский химик и бактериолог Франц Шардингер, главный инспектор Untersuchungsanstalt fьr 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 г. он обнаружил, что штамм микроорганизмов, весьма устойчивый к высокой температуре и способный растворять крахмал, образует кристаллические побочные продукты, удивительно похожие на целлюлозин (декстрины Вильерса). Шардингер впервые стал называть циклодекстрины декстринами, ранее их называли целлюлозинами. Он опубликовал свои результаты в журнале Zeitschriftfu? r Untersuchung der Nahrungs and Genuвmittel. Шардингер отметил, что целлюлозины часто образуются в средах на основе крахмала, содержащих микроорганизмы. Ему удалось выделить штамм бактерий, ответственных за распад крахмала и образование кристаллических продуктов (он назвал их штамм II). Используя реакцию с йодом и простые колориметрические испытания, он различал два типа полисахаридов, которые назвал кристаллический декстрин А и кристаллический декстрин B. Форма B напоминала целлюлозин Вильерса. Шардингер получил максимальный выход 30 % кристаллических декстринов из крахмала, где основной формой был декстрин B. Однако, он отметил, что со временем активность штамма II уменьшается.

В 1904 г. Шардингер выделил новый микроорганизм, который назвал rottebazillus I из-за его воздействия на картофельный крахмал, а затем несколько месяцев спустя использовал латинскиое название Bacillus macerans. Он сообщил, что Bacillus были в состоянии дать те же кристаллические декстрины, что он раньше называл «кристаллические полисахариды». Используя характерную реакцию, которую дают производные крахмала с йодом, он предложил различие между кристаллической амилозой и кристаллическим амилодекстрином. Выходы, полученные в результате исследований Шардингера, в 10 раз превышали выходы, полученные Вильерсом. Для объяснения этого результата Шардингер черпал вдохновение из работ Роберта Коха (1843-1910 гг.), немецкого врача и бактериолога, специализирующегося 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 гг. Шардингер дал первое подробное описание приготовления, разделения и очистки двух целлюлозинов, впервые описанных Вильерсом. Он описал их поведение в присутствии спиртов, хлороформа, эфира, раствора йода и показал, что декстрины не восстанавливались медными реагентами и не ферментировались дрожжами. Шардингер также обнаружил, что декстрины могут быть синтезированы из нескольких источников крахмала (картофель, рис, пшеница) и бактерий (образование декстринов зависит от вида бактерий, расщепляющих крахмал). Он пришел к выводу, что около 30 % крахмала превращается в кристаллические декстрины в зависимости от этих параметров. 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 в 1922 г. и Дубе в 1947 г.): серо-зелёный - для сухого б-декстрина (цвет изменяется на синий в присутствии воды) и красновато-фиолетовый (коричневатый) - для в-декстрина (в зависимости от процентного содержания воды).

В 1911 г. Шардингер считал, что номенклатура, которую он предложил в 1904 г., не была на самом деле соответствующей и решил назвать целлюлозины Вильерса «кристаллический б-декстрин» и «кристаллический в-декстрин». Шардингер был первым исследователем, которому удалось изучить и описать основные свойства декстринов. Также он открыл способность декстринов к образованию комплексов с оргaническими 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.

Глaвным результатом работы Шардингера было изолирование микрoорганизмов, способных синтезировать фермент, катализирующий расщепление крaхмала на циклодекстрины. Следует отметить, что наиболее часто используемым источником фермента для производства циклодекстринов даже сегодня остаются бактерии штамма Bacillus macerans. Термины «кристаллический б-декстрин» и «кристаллический в-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 г. 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 смогут справиться с данной проблемой более успешно».

Примерно в 1910 г. немецкий химик и биохимик Ханс Прингсгейм университета Берлина стал важной фигурой в исследованиях циклодекстринов, или, как он предпочитал их называть, полиамилозы. С 1910 года Прингсгейм повторил эксперименты времен Шардингера: выделил чистые б- и в-декстрин и описал их основные свойства, подтвердив тем самым результаты Шардингера. Он также показал, что эти два декстрина хорошо растворимы в воде, но не растворимы в спирте, эфире и хлороформе. Во всех экспериментах, главным образом, получался кристаллический продукт - в-декстрин. Прингсгейм, как и Шардингер, предложил простой способ различать б- и в-декстрины по реакции с йодом: раствор б-декстрин давал желтовато-зеленое окрашивание, а в- декстрин - красновато-коричневый цвет [5].