Способность циклодекстринов образовывать комплексы включения

Циклодекстрины образуют комплексы включения с самыми разнообразными веществами от малых молекул газов и неорганических солей до относительно больших молекул органических красителей и стероидов. Включение не приводит к каким-либо существенным изменениям размера и формы полости молекулы циклодекстрина, за исключением незначительной ее деформации. В то же время образование соединения включения влияет на физические и химические свойства молекулы «гостя»: таким путем можно стабилизировать соединения, чувствительные к действию света, тепла и кислорода воздуха, увеличить растворимость труднорастворимых веществ.

Использование циклодекстринов при обогащении пищевых продуктов биологически активными веществами направлено в первую очередь на повышение качества получаемых продуктов и их функциональности. При образовании комплексов с циклодекстринами уменьшается их окисление, увеличивается стабильность, проявляется лучшая биодоступность. Стабилизирующий эффект сказывается и на процессе фоторазложения.

Большой интерес представляют комплексы включения циклодекстринов с витаминами, поскольку витамины, как правило, представляют собой очень сложные органические молекулы, которые практически не растворяются в воде и легко разрушаются под действием кислорода воздуха, света, окислителей и при повышенных температурах. Все это создает определенные трудности при создании витаминных препаратов для медицины, пищевой промышленности и для сельского хозяйства. Для ряда витаминов показано, что в виде соединений включения с циклодекстринами они характеризуются более высокой биодоступностью, термической стабильностью. Стабилизирующий эффект сказывается и на процессе фоторазложения витаминов. Разработаны методы получения порошкообразных стабильных форм комплексов включения циклодекстринов с витаминами А, B2, Е, D. Полученные комплексы прошли положительную апробацию при изготовлении различных продуктов питания. Наиболее распространенные методы получения комплексов включения заключаются в соосаждении, растирании в полужидком состоянии, пастообразном состоянии и в сухом виде. Все эти методы подобны и отличаются только последовательным уменьшением используемого количества воды. Вода очень важна для образования комплексов, т.к., являясь движущей силой для включения гидрофобного гостя в гидрофобную полость циклодекстринов, она является средой для растворения как циклодекстрина, так и «гостя». В ряде случаев вода необходима для поддержания целостности комплекса. Вода присутствует в кристаллах комплекса и может участвовать в образовании водородных связей между гидроксилами соседних молекул циклодекстрина, образуя клетку, в которую заключен «гость». Циклодекстрины ограниченно растворимы в воде, причем самый распространенный и самый дешевый ?-циклодекстрин хуже всех. Однако водорастворимость циклодекстринов легко увеличивается путем введения в состав их молекул небольшого количества (2−5) заместителей, например, гидроксипропильных или гидроксиэтильных гидрофильных групп, что часто и применяется на практике [29].

Основные преимущества комплексообразования с циклодекстринами заключаются в следующем: изменение в нужную сторону растворимости «гостя» в заданной среде (чаще всего водной), защита «гостя» от действия света, окисления и других нежелательных внешних физических и химических воздействий, уменьшение летучести (уноса) «гостя» и др.

Циклодекстрины часто используются для «экстракции» какого-либо продукта из смеси. Наиболее широко известно применение циклодекстринов для удаления холестерина из животных продуктов, таких как яйца, молочные продукты, жиры (свиное сало, топленое сало). Для этого циклодекстрины добавляют к продуктам, из которых нужно удалить холестерин, и смешивают. В процессе смешения циклодекстрин образует комплексы включения с холестерином, которые не растворимы в воде и жире. Комплекс удаляют фильтрованием или центрифугированием. Таким образом обеспечивается до 80% удаления холестерина. Комплекс включения «циклодекстрин-холестерин» затем суспендируют в воде и нагревают. Нагрев в воде разрушает комплекс и холестерин всплывает на поверхности воды.

Фруктовые и овощные соки обрабатывают циклодекстрином для того, чтобы избавиться от соединений, которые вызывают коричневый цвет. Соки из винограда, персиков и сельдерея после обработки водонерастворимым производным циклодекстрина долгое время при стоянии не темнеют.

Итак, центральная полость циклодекстрина, сформированная глюкозными связями, липофильна и в водных растворах может обратимо захватывать молекулы подходящего размера или их фрагменты, формируя комплексы включения (1):

свободный ЦД + свободный гостьЦД-гость (комплекс включения) (1).

Формирование и расформирование комплекса включения регулируется константой K, которая может иметь различные названия:

• — константа аффинности, характеризующая прочность связывания молекулы «гостя» в полости ЦД;
• — константа стабильности, выражающая стабильность комплекса в недиссоциированной форме;
• — константа ассоциативности, или константа связывания.

Наивысшее значение K зависит от размера полости ЦД и размера молекулы «гостя» (или его фрагмента). Также оно зависит от хорошего прилаживания «гостевой» молекулы внутри полости ЦД; а взаимная комплементарность повышает прочность комплекса включения [30]. В зависимости от своих размеров молекула «гость» может входить в полость ЦД с узкой или широкой стороны (рис. 3).

Движущая сила образования комплексов включения формируется такими факторами, как «выталкивание» воды из полости, гидрофобность, связывание водородов и электростатические взаимодействия, а также индукционные и дисперсионные силы [31]. Кроме того, следует учитывать такие термодинамические параметры, как стандарты изменений свободной энергии (ДG), энтальпии (ДН) и энтропии (ДS) [32].

Рисунок 3 — Влияние размеров молекулы «гостя» и размеров полости ЦД на формирование комплекса включения: а) б-ЦД — «гость»; б) в-ЦД — «гость» с узкой стороны; в) в-ЦД — «гость» с широкой стороны; г) г-ЦД — «гость» с узкой стороны; д) г-ЦД — «гость» с широкой стороны.

В зависимости от структуры и размера молекулы «гости» могут формировать комплекс включения с различными ЦД. Для молекул с алифатическими цепями лучше подходят б-ЦД (рис. 4), тогда как для молекул с фенильными группами — в-ЦД (рис. 5) или г-ЦД (рис. 6).

Рисунок 4 — Формирование комплекса включения б-ЦД-простагландин Е1.

Рисунок 5 — Формирование комплекса включения в-ЦД-аспирин

Рисунок 6 — Формирование комплекса включения г-ЦД-доксорубицин.

При наличии у «гостя» нескольких фенильных групп появляется возможность получения комплекса включения, которые отличаются друг от друга участками, входящими в полость ЦД. Ярким примером является молекула фексофенадина, которая может образовывать комплексы в-ЦДфексофенадин в соотношении 1:1 и 2:1 в различных зонах прикрепления молекул в-ЦД (рис. 7) [33].

Рисунок 7 — Варианты структур комплексов включения в-ЦД-фексофенандин в соотношении 1:1 и 2:1.

Также установлено, что в растворе с ЦД молекулы («гости») могут образовывать комплексы путём взаимодействия молекул циклодекстрина друг с другом. Сформированные в водном растворе скопления циклодекстринов растворяют препараты внутри своей макроструктуры, не являясь при этом комплексом включения [36, 37].