Magyar Kémikusok Lapja, 45. évfolyam, 34. szám, 1990


Ciklodextrinek és zárványkomplexeik a biotechnológiában és a vegyiparban

SZEJTLI JÓZSEF


Részletek a cikkbôl


A ciklodextrin-kutatás Magyarországon

A ciklodextrinek története hosszú: már 1891-ben leírta de Villiers, hogy a burgonya rothadásánál egy kristályos anyag keletkezik. Évszázadunk elsô-második évtizedében ezt a jelenséget részletesen egy osztrák mikrobiológus, Franz Schardinger tanulmányozta. Az izolált kristályos anyag szerkezetét csak a 30-as években dérítették fel Freudenberg és munkatársai. Az 50-es években két helyen folyt intenzív kutatás: az USA-ban French és az NSzK-ban Cramer laboratóriumaiban. Fény derült arra, hogy a ciklodextrinek olyan különleges sajátságokkal rendelkeznek, amelyek beláthatatlanul széles körû felhasználási lehetôségeknek nyitnak utat. French 1957-ben publikálta az elsô ciklodextrin monográfiát [1]. A 133 oldalas, egyébként kitûnô ôsszeállitásban mindössze 8 sort szentelt a toxikológia kérdésének mindenféle hivatkozás, részletek nélkül azt közölve, hogy béta-ciklodextrinnel etetett patkányok elpusztultak, tehát a ciklodextrin toxikus. Ezzel a ciklodextrin iránti érdeklôdés 20 évre álomba merült.

A 70-es évek elején a ciklodextrin-irodalom tanulmányozásából azt lehetett következtetni, hogy a ciklodextrinek

rendkívül érdekes, sokat ígérô vegyületcsaládot képeznek,
elôállitásuk bonyolult, drága,
toxicitásuk miatt alkalmazásuk reménytelen.

Két országban: Japánban és Magyarországon a keményítô kémiájával foglalkozó kutatók a két utóbbi állítást nem tudták elhinni. Így Japánban és teljesen függetlenül Magyarországon, a Chinoinban intenzív kutatás indult a ciklodextrinek elôállitására, biológiai és kémiai sajátságaiknak a felderítésére és fôképpen ipari alkalmazási lehetôségeiknek a feltárására.

A Chinoin ciklodextrin-team mindhárom ciklodextrinre kidolgozott gazdaságos ipari technológiát. A ciklodextrin ára az 1978. évi 2000 USD/kg-ról napjainkra már 10 USD/kg alá csökkent és lesz még olcsóbb is. Az állítólagos toxicitás kísérleti hiba volt: a béta-ciklodextrinnel végzett krónikus toxicitási vizsgálatok szerint az az anyag, amit ma gyártunk, egyáltalán nem toxikus. Radioaktív ciklodextrin vizsgálatokkal felderítettük az orálisan beadott béta-ciklodextrin sorsát a szervezetben. Dokumentációnk alapján már több országban (Franciaország, Spanyolország, Hollandia, Belgium, Olaszország, NSzK stb.) a ciklodextrinek valamelyike valamilyen termékben, vagy termékcsoportban emberi fogyasztásra engedélyezve van és számos más országban folyamatban van az engedélyezés. Csupán idô kérdése az FDA [Food and Drug Administration] engedély kiadása az elsô ciklodextrin humán fogyasztásra, illetve alkalmazásra, ami után csupán az USA-ban 32 000 tonnára becsülik a ciklodextrinek piacát. Ez sok új termék, de még több ismert, régi termék új, kedvezôbb tulajdonságokkal rendelkezô, versenyképesebb formáinak a gyártását fogja lehetôvé tenni.

A Chinoin Gyógyszer- és Vegyészeti Termékek Gyárának Biokémiai Kutató Laboratóriuma 1975-tôl kezdve csak a ciklodextrin kutatással foglalkozott és foglalkozik ma is, bár neve elôször Ciklodextrin Kutató Laboratóriumra változott, majd 1989. január 1-tôl a jelenleg 24 fôvel dolgozó laboratórium CYCLOLAB, Cyclodextrin Kutató-Fejlesztô Leányvállalat néven önállóan gazdálkodik és teljes egészében a ciklodextrin-kutatásból él. Bevételének kb. 90%-a külföldi gyógyszer- és élelmiszeripari vállalatoktól származik, amelyek számára ciklodextrin alkalmazásával kapcsolatos know-how-kat, licenceket, kutatási jelentéseket szállít. A CYCLOLAB-nak a ciklodextrin "monokultúrán" kívül még egy egyedi vonása van: azon kevés magyar vállalatok közé tartozik, amelyek bevételei kizárólagosan tudományos célkutatási eredmények értékesítésébôl (exportjából) származnak. Ahhoz azonban, hogy odáig el lehessen jutni, hogy ha pl. egy külföldi gyógyszergyár a szakirodalom alapján arra a következtetésre jut, hogy valamelyik termékében vagy technológiájában a ciklodextrinek alkalmazását érdemes lenne kipróbálni, akkor a CYCLOLAB-hoz érdemes fordulnia, elôbb egy évtizedig pénzt nem hozó alapkutatást kellett végezni, publikációk, szabadalmak, elôadások tucatjait kellett produkálni. Túlzás lenne azt állitani, hogy a Chinoin vezetésében mindig, mindenki támogatta ezt a tényleg sok pénzbe kerülô témát, de a végsô döntés végül is mindig pozitív volt. A legkeményebb értetlenségbe a tudományos eredmények publikálására irányuló törekvések ütköztek. Ha ezt nem tettük volna meg, nem lenne ismert Laboratóriumunk, nem lenne munkánk.

19741988 között ez a laboratórium 4 könyvet, több mint 140 tudományos közleményt publikált a ciklodextrin kémia minden területérôl. Több mint 70 találmányi bejelentést és 12 doktori értekezést dolgoztak itt ki. Magyararszágon kb. egy tucat kutatóhely dolgozik vagy dolgozott a ciklodextrin-kutatás valamelyik részterületén. 1975-tôl kezdve évente szerveztek egy ciklodextrin munkaértekezletet ezen csoportok résztvevôinek és 1981-ben ez lett az elsô Nemzetkôzi Ciklodextrin Szimpózium, melyet Budapesten tartottak több mint 200 résztvevôvel, 18 országból. Ezt követte a II. Nemzetközi Szimpózium Tokióban 1984-ben, a III. Lancasterben 1986-ban, a IV. Münchenben, az V. szimpóziumot 1990-ben Párizsban fogják tartani, de már az 1992. évi VI. szimpózium helyszíne is megvan: Miami.

Idôközben a ciklodextrin-irodalom robbanásszerû növekedést mutatott. 1988-ban kb. 600 (!) új publikáció, szabadalom, konferencia-kivonat került közlésre. 1986 óta megjelenik egy havi folyóirat, a Cyclodextrin News, amely havonta átlagosan 50 kivonatot közöl, valamint a vonatkozó információkat a ciklodextrinekrôl, szimpóziumokról, könyvekrôl, termelésrôl, marketingrôl, licencekrôl. Manapság nem létezik gyógyszerészeti, aroma, szénhidrát, zárvány, kromatográfia stb. témájú szimpózium anélkül, hogy azon ne tartanának ciklodextrinekkel kapcsolatos elôadásokat. A ciklodextrineket és kémiailag vagy enzimesen modifikált származékaikat lehet használni az:

élelmiszer-,
gyógyszer-,
növényvédôszer-,
kozmetikai,
robbanóanyag-
diagnosztikum-,
mûanyagiparban
stabilizálásra,
szagtalanításra,
oldékonyság növelésre,
biológiai hasznosíthatóság növelésére,
formulázásra,
kellemetlen ízek csökkentésére,
irritáló hatások csökkentésére stb.

Ennek a felsorolásnak nyilván van határa, de azt még nem ismerjük.

A rendkívül szerteágazó lehetôségeket a továbbiakban csak illusztrálni lehetséges néhány területen mint pl.

biotechnológia,
vegyipar,
élelmiszeripar,

de a terjedelem szabta korlátok miatt itt nem kerülhet áttekintésre pl. a ciklodextrinek növényvédôszer-ipari, analitikai kémiai (fôleg kromatográfiai) stb. lehetôségekkel foglalkozó irodalma.


A ciklodextrinek és zárványkomplexeik
A ciklodextrinek kémiája

A ciklodextrinek a keményítô enzimes átalakításának a termékei. A részlegesen elôhidrolizált keményítôt (=aciklikus dextrinek keveréke) a ciklodextrin-glikozil transzferáz enzim alakítja át ciklikus dextrinekké. Ezt az enzimet különbözô mikroorganizmusok, pl. a Bacillus macerans tudja termelni. Az olyan keverék elôállítása, amely a ciklikus és az aciklikus dextrinek keverékébôl áll könnyû, izolálni azonban a ciklodextrineket jó kitermeléssel már nem olyan egyszerû [2,3].

A ciklodextrinek ciklikus, nem redukáló oligoszacharidok. Három különbözô ciklodextrin ismeretes: alfa-, béta- és gamma-ciklodextrin. Ezek mindegyikét mint homogén kristályos anyagot (tisztaság több mint 99,5%) lehet elôállítani. A ciklodextrineket nevezik Schardinger-dextrineknek, cikloamilózoknak, cikloglükánoknak vagy ciklomaltooligózoknak is.

1. ábra. Alfa-, béta- és gamma-ciklodextrin szerkezete és molekuláris méretei
2. ábra. A ciklodextrin
funkcionális szerkezeti sémája

A béta-ciklodextrin szerkezetét és mindhárom ciklodextrin molekuláris dimenziót az 1. ábra szemlélteti. Az alfa-ciklodextrin 6, a béta-ciklodextrin 7, és a gamma-ciklodextrin 8 glükopiranóz egységbôl áll. Mivel valamennyi glükopiranóz egység C-1 konformációt vesz fel, valamennyi szekunder hidroxilcsoport a koszorúszerû ciklodextrin molekula egyik oldalán helyezkedik el és valamennyi primér hidroxilcsoport a másik oldalon. A belsô üregnek a "bélése" hidrogénatomokból és glikozidos oxigénhíd atomokból áll, ezért ez a felület gyengén apoláros (2. ábra). A ciklodextrinek fizikai és szerkezeti sajátságait az 1. táblázatban láthatjuk.

Ez az egyedülálló szerkezet és a fizikai-kémiai sajátságok lehetôvé teszik azt, hogy ezek a molekulák más anyagok molekuláit magukba zárják, ez a lényege az ún. molekuláris kapszulázásnak. Míg a legutóbbi idôkig a ciklodextrineket csaknem kizárólagosan "üres" molekuláris méretû kapszuláknak tekintették, az újabb vizsgálatok felfedték alkalmazásuk széleskörû lehetôségeit, ezért a ciklodextrineket mint egy új ipari nyersanyag csoportot lehet tekinteni.

1. táblázat

Az alfa-, béta- és a gamma-ciklodextrinek jeIlemzôi

alfa béta gamma
Glükopiranóz egységek száma 6 7 8
Molekulatömeg 972 1135 1297
Oldékonyság g 100 ml vízben szobahômérsékleten 14,5 1,85 23,2
Törésmutató (25 oC) 150±0,5 162,5±0,5 177,4±0,5
Üregátmérô, nm 0,470,53 0,60,65 0,750,83
Henger magassága, nm 0,79±0,1 0,79±0,1 0,79±0,1
Molekula külsô átmérôje, nm 1,46±0,4 1,54±0,4 1,75±0,4
Közelítô térfogat, nm3 0,174 0,262 0,427
Közelítô térfogat, 1 mol ciklodextrinben, ml 104 151 256
1 g ciklodextrinben, ml 0,10 0,14 0,20


Molekuláris kapszulázás ciklodextrinekkel

A ciklodextrin molekulát molekuláris méretû üres kapszulának lehet tekinteni (2. ábra). Ha ez egy más anyag molekulájával van kitöltve, akkor nevezzük "zárványkomplex"-nek.

A zárványkomplexek olyan egységek, amelyek két vagy több molekulából állnak, amelyekben egy molekula "gazda" magába zárja teljes egészében vagy részben, fizikai erôkkel, azaz kovalens kötés nélkül a "vendégmolekulát." A ciklodextrinek tipikus "gazdamolekulák" és a legkülönbözôbb molekulákat képesek magukba zárni, olyanokat, amelyeknek a mérete egy vagy két benzolgyûrû nagyságú, vagy nagyobbakat is, amennyiben van olyan oldalláncuk vagy csoportjuk, amely hasonló méretû, mint a ciklodextrin-üreg és így képeznek kristályos zárványkomplexet.

Vizes oldatban a gyengén apoláros ciklodextrin-üreget vízmolekulák foglalják el, amelyek energetikailag kedvezôtlen (poláros, apoláros kölcsönhatású) helyzetben vannak és ezért könnyen kicserélhetôk alkalmas "vendégmolekulákkal", olyanokkal, amelyek kevésbé polárosak, mint a vízmolekulák. A ciklodextrin a "gazdamolekula" és a "hajtóerô" a komplexképzés irányába a magas entalpiájú vízmolekulák kicserélése valamely alkalmas "vendégmolekulával" (3. ábra).

3. ábra. A p-xilol ciklodextrinnel történô zárvány-
komplex-képzésének sematikus szemléltetése
4. ábra. Oldhatósági fázisdiagram
típusok

Ha egy rosszul oldódó potenciális vendégmolekula vizes szuszpenziójához ciklodextrint adunk, akkor a néhány óráig vagy néhány napig tartó rázással elért egyensúlyi állapotban a vendégmolekula oldékonysága megnövekszik oly mértékben, amelyet az oldékonysági izoterma-típus határoz meg. Az oldékonyság-növekedés lehet monoton, növekedhet valamely meghatározott határértékig, vagy éppenséggel csökkenhet is. Az ilyen ún. fázisoldékonysági diagramot a 4. ábra szemlélteti.

Ha csak oldott komplex képzôdik, akkor a fázisoldékonyság izoterma "A" típusú, ha a komplex oldékonysága limitált, akkor "B" típusú az izoterma. Kivéve azokat az eseteket, amikor csakis oldhatatlan komplex képzôdik (BI típus, lásd az ábrán) a vendég oldékonysága (St) elôször növekszik a vendégmolekula eredeti vizes oldékonysági értéketôl (So), amíg el nem éri "A" pontot, ahol megközelíti a rendszer a komplex oldékonysági értékhatárát. Tovább növelve a ciklodextrin-koncentrációt a vendégmolekula oldékonysága nem növekszik tovább, hanem megkezdôdik a komplex mikrokristályos állapotban tortenô, kicsapódása az oldatból (BS típusú izoterma). A "B" pont elérése azt jelenti, hogy a rendszerben lévô összes szilárd vendégmolekulát átalakítottuk kevésbé oldódó zárványkomplexszé, ezért hiába adunk több ciklodextint a rendszerhez, az asszociációs egyensúly az asszociáció irányába tolódik el és az oldékonyság értéke asszimetrikusan közeledik a zárványkomplex inherens oldékonysági értékéhez (Sc). Elméletileg az oldott koncentráció növekedésének az So-tól A-ig azonosnak kellene lennie az Sc értékkel (azaz "A" pontnál az oldat éppen telített mind a vendégmolekulára, mind pedig a komplexére).

Ez azonban csupán elméleti eset, mivel a legtöbb esetben a képzôdôtt komplex sztöchiometriája a koncentráció-viszonyoktól is függ, és míg kezdetben csaknem kizárólagosan 1:1 mólarányú komplex képzôdik, magasabb ciklodextrin-koncentrációknál a sztöchiometria bonyolultabbá válik (1:2, 2:3 stb.). A domináns sztöchiometria és komplex szerkezet nem szükségszerûen azonos oldatban és szilárd fázisban.

Ha a vizsgált ciklodextrinkoncentráció-tartományon belül a komplex oldékonysági határát nem érjük el, akkor az izoterma "A" típusú. "A" azt jelenti, hogy az oldékonyság lineárisan növekszik, valószínüleg változatlan sztöchiometria mellett. Az "Ap" típusú izoterma a linearitástól történô pozitív irányú eltérést jelenti, azaz a komplex sztöchiometriája változik, az eredetileg 1:1 mólarányú komplex további vendégmolekulákkal asszociálódik és 2:3 stb. mólarányú komplexek képzôdnek. Ha az izoterma "AN" típusú, akkor a rendszer még bonyolultabb, mert ez utalhat arra, hogy a komplexen belül a gazdamolekula aránya növekszik 1:1-rôl 2:1-re, vagy a vendégmolekula, illetve a komplex hidratációja változik pl. a vendégmolekula ionizációja következtében.

A komplex stabilitási állandó értékét (Kc, asszociációs konstans) az 1:1 mólarányú komplexekre a kezdeti lineáris szakasz tengelymetszetébôl és iránytangensébôl a következô módon számítjuk ki:

A zárványkomplexek sztöchiometriáját az AB platószakasz hosszából lehet számítani a következô egyenlet szerint:

A plató hosszának megfelelô ciklodextrin-mennyiség szükséges az "A" pontnál a rendszerben még megtalálható szilárd szabad vendégmolekulának teljes egészében komplexszé történô alakításához. A "BI" típusú diagramnál kezdeti emelkedô szakasz nem figyelhetô meg, mert a zárványkomplex gyakorlatilag oldhatatlan, így ez a típusú izoterma nem alkalmas a Kc értékének számításához.

Az "AL" típusú diagramból az elsô egyenlettel lehet számítani a Kc értékét. Az "Ap" típusú diagramból a Kc értékét iterációval lehet számítani, míg az "AN" típusú diagramokból a Kc érték ugyancsak nem számítható.

A ciklodextrin komplexek viszonylag stabilisak, vízoldékonyságuk a tiszta ciklodextrinekhez képest erôsen lecsökken, ezért gyorsan kiválnak az oldatból kristályos formában. Egy, két vagy három ciklodextrin molekula tartalmazhat egy vagy több bezárt vendégmolekulát. Ez a lényege a molekuláris, kapszulázásnak.

Ugyanaz a vendégmolekula teljesen különbözô stabilitású komplexet képezhet a különbözô ciklodextrinekkel. Bár a bezárt molekula fizikai-kémiai sajátságai az üregben nagymértékben megváltoznak, ezek a komplexek könnyen disszociálnak már fiziológiai korülmények között is és így a vendégmolekula ki tudja fejteni a kívánt hatását.

A ciklodextrin zárványkomplexek elôállítása egyszerû, de a körülményeknek "testre szabott"-nak kell lenniük mindenfajta vendégmolekulára. A komplexálást el lehet végezni homogén oldatban vagy szuszpenzióban vagy a komponensek egyszerû összekeverésével.

A kristályos ciklodextrin komplexek szerkezete nem szükségszerûen azonos azzal, ami vizes oldatban létezik. Oldott állapotban a vendégmolekulák vagy alkalmas csoportjaik a ciklodextrin-üregben helyezkednek el és az egész komplex molekulát többrétegû hidrátburok veszi körül. Kristályos állapotban azonban a vendégmolekulák nem csupán a ciklodextrin-üregben helyezkednek el, hanem a ciklodextrin molekulák között is és úgyszintén néhány ciklodextrin molekula csak vizet fog tartalmazni, következésképpen ezek a kristályrácsba víz komplexként épülnek be.

A kristályos komplexek ezért csak ritkán szigorúan sztöchiometrikus összetételûek. Azonban eléggé stabilisak akkor is, ha a ciklodextrin-üreget csak részben telítik az apoláros vendégmolekulák. A zárványkomplexeket lehet tanulmányozni vizes oldatokban különbözô spektroszkópiai módszerekkel (UV, fluoreszcencia, cirkulár dikroizmus, NMR) diffúzió, a bezárt molekula modifikált reaktivitása alapján stb. Szilárd állapotban röntgendiffrakció, termoanalízis (különösen a termális evolúciós analízis és a differenciális scanning calorimetria), vákuumszublimáció (szublimálható vendégek esetében), vákuumszárítás (illékony vendég esetében) stb. bizonyíthatják azt, hogy a komplexálási kísérlet eredménye valódi zárványkomplex, vagy pedig csupán egy keveréke a vendégmolekuláknak és a ciklodextrinnek.

A ciklodextrineknek legtöbb ipari alkalmazása a komplexálással kapcsolatos. Sok esetben a komplexeket többé-kevésbé tiszta formában izolálják is és mint kristályos anyagot alkalmazzák (gyógyszer és aromaanyag komplexek), míg más esetekben a komplexálás csak egy átmeneti állapotot jelent és megfigyelhetôvé csupán csak a végeredmény (ciklodextrin katalízis, keverékek szétválasztása stb.) válik.


A zárványkomplex-képzés primér következményei

A legfontosabb primér következményei a gyengén oldódó vendégmolekula és a ciklodextrin kölcsönhatásának vizes oldatokban a következôk:

a) A vendégmolekula koncentrációja az oldott fázisban jelentôsen megnövekszik, míg az oldott ciklodextrin koncentrációja csökken. Ez utóbbi azonban nem mindig igaz: ionizált vendégmolekulák, vagy hidrogénkötést létesítô (pl. fenolok) vegyületek novelhetik a ciklodextrin oldékonyságát.

b) A vendégmolekula spektrális sajátságai megváltoznak. Az anizotróp árnyékolású atomok kémiai eltolódása az NMR spektrumban megváltozik és ha akirális vendégmolekulák épülnek be a királis ciklodextrin-üregbe, akkor optikailag aktívvá is válnak, és erôs indukált Cotton-effektusokat mutatnak a cirkulár dikroizmus spektrumon, néha az UV maximum néhány nanométerrel eltolódik, a fluoreszcencia erôsen fokozódik, mivel a fluoreszkáló molekulák a vizes közegbôl apoláros környezetbe kerülnek stb.

c) A bezárt molekulák reaktivitása megváltozik. A legtöbb esetben a reaktivitás csökken, pl. a vendégmolekula stabilizálódik, de sok esetben a ciklodextrin mesterséges enzimként viselkedve gyorsít bizonyos reakciókat, modifikálja a reakció-utakat.

d) A diffúzió és az illékonyság (illékony molekula esetében) jelentôsen csökkennek.

e) A korábban hidrofób vendégmolekulák a komplexálás következtében hidrofillé válnak, ezért pl. kromatográfiás mobilitásuk is megváltozik.

Szilárd állapotban

a) A komplexált anyag molekulárisan diszpergálva lesz egy szénhidrát mátrixban, mikrokristályos port képez még gáz alakú vendégmolekulákkal is.

b) Mindenfajta reakció ellen hatékonyan védve lesznek a vendégmolekulák, kivéve az olyan reakciókat, amelyekben a ciklodextrin hidroxilcsoportok szerepet játszhatnak.

c) A szublimáció és az illékonyság nagyon alacsony szintre csökkennek.


Következô rész
Vissza az Elôadóba
http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/