Получение циклодекстринов
Производство циклодекстринов - сравнительно новое и активно развивающееся направление биотехнологии, основанное на микробиологических, химических и биохимических процессах. Биохимический синтез циклодекстринов (рис. 4) осуществляется из крахмала исключительно при помощи микробного фермента циклодекстринглюканотрансферазы (ЦГТазы).
Рисунок 4 - Схема получения циклодекстринов
ЦГТаза - фермент микробного происхождения, и получение этого фермента является ключевым этапом при производстве циклодекстринов. Поэтому актуальным является выделение продуцента ЦГТазы, который синтезирует фермент с высокой каталитической активностью и специфичностью.
К настоящему моменту ЦГТаза с различными свойствами обнаружена у почвенных микроорганизмов разных родов (Bacillus, Paenibacillus, Brevibacillus, Micrococcus, Thermoanaerobacter и др.) [16-18]. Эти продуценты ЦГТаз относятся к группам мезофильных, термофильных либо алкалофильных бактерий. В результате дальнейших исследований ЦГТаза впервые была идентифицирована у галофильных спорообразующих бацилл и термоактиномицетов [19]. Различают б-, в- и г-специфичные ЦГТазы, которые из крахмала синтезируют б-, в- и г-циклодекстрины. Каждая ЦГТаза обладает только ей присущими свойствами, которые могут быть похожими в рамках видовой специфичности микроорганизмов - продуцентов [20].
Для выделения и очистки каждого гомолога циклодекстринового ряда (б-, в-, г- и других ЦД) требуются различные подходы, но основные этапы получения ЦД схожи. К ним относятся:
- – культивирование продуцентов ЦГТ-аз, выделение ферментов;
- – получение препаратов ЦГТ-аз заданной степени очистки;
- – предобработка субстрата (крахмала) ферментативным методом;
- – ферментативный катализ с использованием ЦГТ-азы - реакция конверсии крахмала с образованием смеси ЦД;
- – разделение, выделение и очистка одного из гомологов ЦД [21].
Для промышленного получения циклодекстринов используются два принципиально разных подхода: метод неконтролируемой конверсии, в ходе которого в биохимический реактор вводятся лишь ЦГТаза и раствор крахмала, и контролируемый, когда в реакционную смесь добавляются еще и комплексообразователи (сольвенты) - органические или неорганические соединения, селективно реагирующие с одним из циклических сахаров с образованием нерастворимых или слаборастворимых комплексов включения, которые сдвигают равновесия реакции в сторону одного из целевых продуктов, в результате чего возрастает его выход. В ряде случаев выход циклодекстринов возрастает, достигая 40-75 % (масс.), по отношению к субстрату, но число подобных сольвентов, нашедших промышленное применение в производстве циклодекстринов, ограничено. К известным сольвентам относится толуол, широко используемый в технологии получения в-ЦД, деканол-1 и циклогексадека-8-ен-1-он, активизирующие накопление б- и г- гомологов ЦД соответственно.
в-Циклодекстрин находит наибольшее практическое применение среди всех циклодекстринов [22], его производство составляет 10 тысяч тонн в год, а цена 5 долларов США за килограмм [23]. Основное производство и потребление ЦД сосредоточено в Японии, хотя технологиями по получению этих продуктов обладают фармацевтические фирмы Венгрии, Франции, Бельгии, а также США [5]. В настоящее время в России отсутствует производство ЦД.
в-Циклодекстрин зарегистрирован в качестве пищевой добавки с кодом E451 [24]. Способность образовывать сильные водородные связи влияет на его растворимость. Он наименее растворим, сравнительно недорогой и способен формировать комплексы включения с лекарственными веществами.
