سيكلودكسترين

السيكلودكسترينات هي عائلة من السكريات قليلة الوحدات الحلقية ، تتكون من حلقة كبيرة من وحدات الجلوكوز الفرعية المرتبطة بروابط جليكوسيدية α-1,4 . تُنتج السيكلودكسترينات من النشا عن طريق التحويل الأنزيمي . وتُستخدم في الصناعات الغذائية والصيدلانية وأنظمة توصيل الأدوية والكيميائية، بالإضافة إلى الزراعة والهندسة البيئية. ^{[ 1 ]}

تتكون السيكلودكسترينات من 5 وحدات أو أكثر من وحدات ألفا-دي-غلوكو بيرانوزيد المرتبطة بروابط 1 → 4، كما هو الحال في الأميلوز (جزء من النشا ). تحتوي السيكلودكسترينات النموذجية على عدد من مونومرات الجلوكوز يتراوح من ست إلى ثماني وحدات في حلقة، مما يخلق شكلاً مخروطياً:

• ألفا (α)-سيكلودكسترين : 6 وحدات فرعية من الجلوكوز
• بيتا (β)-سيكلودكسترين : 7 وحدات فرعية من الجلوكوز
• غاما (γ)-سيكلودكسترين : 8 وحدات فرعية من الجلوكوز

يحتوي أكبر أنواع السيكلودكسترين الموصوفة جيداً على 32 وحدة من 1،4-أنهيدروغلوكوبيرانوزيد. كما تُعرف أيضاً مخاليط غير موصوفة جيداً، تحتوي على ما لا يقل عن 150 وحدة من السكريات قليلة الوحدات الحلقية.

تتكون السيكلودكسترينات النموذجية من 6 إلى 8 وحدات غلوكوبيرانوزيد. ترتبط هذه الوحدات الفرعية بروابط غليكوسيدية 1،4 . تتخذ السيكلودكسترينات شكلاً حلقياً، حيث تُعرّض الفتحة الأكبر حجماً والفتحة الأصغر حجماً مجموعات الهيدروكسيل الثانوية والأولية للمذيب على التوالي. وبسبب هذا الترتيب، يكون باطن الحلقات أقل محبة للماء بكثير من البيئة المائية، وبالتالي فهو قادر على استضافة الجزيئات الكارهة للماء. في المقابل، يكون السطح الخارجي محباً للماء بدرجة كافية لمنح السيكلودكسترينات (أو مركباتها) قابلية الذوبان في الماء. وهي غير قابلة للذوبان في المذيبات العضوية الشائعة.

تُحضّر السيكلودكسترينات بمعالجة النشا إنزيميًا . ^{[ 10 ] [ 11 ]} يُستخدم عادةً إنزيم غليكوزيل ترانسفيراز السيكلودكسترين (CGTase) مع إنزيم ألفا- أميليز . يُحوّل النشا أولًا إلى سائل إما بالمعالجة الحرارية أو باستخدام إنزيم ألفا-أميليز ، ثم يُضاف إنزيم CGTase لإتمام التحويل الإنزيمي. تُنتج إنزيمات CGTase مخاليط من السيكلودكسترينات، وبالتالي ينتج عن التحويل خليط من الأنواع الثلاثة الرئيسية للجزيئات الحلقية، بنسب تعتمد بشكل كبير على الإنزيم المستخدم: لكل إنزيم CGTase نسبة تخليق ألفا: بيتا: غاما خاصة به. ^{[ 12 ]} تستفيد عملية تنقية الأنواع الثلاثة من السيكلودكسترين من اختلاف ذوبان جزيئاتها في الماء: إذ يمكن استخلاص بيتا-سيكلودكسترين، قليل الذوبان (18.5 غ/لتر أو 16.3 ملي مولار عند 25 درجة مئوية)، بسهولة عن طريق التبلور، بينما يُنقى ألفا- وجاما-سيكلودكسترين الأكثر ذوبانًا (145 و232 غ/لتر على التوالي) عادةً باستخدام تقنيات كروماتوغرافية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً . وكبديل، يمكن إضافة " عامل مُعقِّد " أثناء خطوة التحويل الأنزيمي: تُشكِّل هذه العوامل (عادةً مذيبات عضوية مثل التولوين أو الأسيتون أو الإيثانول ) مُعقَّدًا مع السيكلودكسترين المطلوب الذي يترسب لاحقًا . يُحفِّز تكوين المُعقَّد تحويل النشا نحو تخليق السيكلودكسترين المُترسب، مما يزيد من محتواه في المزيج النهائي للمنتجات. طوّر بعض الباحثين عمليات متخصصة لإنتاج ألفا، أو بيتا، أو غاما سيكلودكسترين على وجه التحديد. ^{[ 13 ]} وهذا ذو قيمة كبيرة، خاصة في صناعة الأغذية ، حيث لا يمكن استهلاك سوى ألفا وغاما سيكلودكسترين دون حد أقصى للاستهلاك اليومي.  

في الكيمياء فوق الجزيئية ، تُعدّ السيكلودكسترينات موادًا أولية لبنى جزيئية متشابكة ميكانيكيًا ، مثل الروتاكسانات والكاتينانات . على سبيل المثال، تُشكّل ألفا-سيكلودكسترين مُركّبًا تنسيقيًا من الدرجة الثانية مع أنيون رباعي برومو أورات ([AuBr4]-) . ^{[ 20 ]}

أظهرت الدراسات أن مركبات بيتا-سيكلودكسترين مع بعض ملونات الطعام الكاروتينويدية تعمل على تكثيف اللون، وزيادة الذوبان في الماء، وتحسين الثبات الضوئي. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

استُخدمت المركبات المتكونة بين بيتا-سيكلودكسترين ومشتقات الأدمانتان لصنع مواد ذاتية الإصلاح، مثل الهيدروجيلات ^{[ 23 ]} والأسطح منخفضة الاحتكاك. ^{[ 24 ]}

باستخدام تفاعل المضيف والضيف بين بيتا-سيكلودكسترين وبيرفلوروهكسان ، تم ابتكار جسيمات نانوية نشطة صوتيًا . ^{[ 25 ]} دُمجت هذه الجسيمات النانوية مع تقنية تفتيت الأنسجة ، مما أدى إلى تطوير تقنية تفتيت الأنسجة بوساطة الجسيمات النانوية (NMH). تعالج تقنية NMH قيود تفتيت الأنسجة التقليدي ، مثل عدم الانتقائية والحاجة إلى ضغط عالٍ. ^{[ 26 ]} تتمتع هذه الطريقة الجديدة الواعدة بتطبيقات محتملة في استئصال الخلايا لأغراض متنوعة، بما في ذلك علاج السرطان . ^{[ 27 ]}

أُطلق على السيكلودكسترينات اسم "السليلوزين" عند وصفها لأول مرة من قِبل أ. فيلييرز عام 1891. ^{[ 28 ]} بعد ذلك بوقت قصير، حدد ف. شاردينجر ثلاثة أنواع من السيكلودكسترينات الطبيعية: ألفا، وبيتا، وجاما، والتي تُعرف باسم "سكريات شاردينجر". على مدى 25 عامًا، بين عامي 1911 و1935، كان هانز برينغشيم في ألمانيا الباحث الرائد في هذا المجال، ^{[ 29 ]} حيث أثبت أن السيكلودكسترينات تُشكّل مُركّبات مائية مستقرة مع العديد من المواد الكيميائية الأخرى. بحلول منتصف سبعينيات القرن العشرين، تم توصيف كل نوع من أنواع السيكلودكسترينات الطبيعية من الناحية التركيبية والكيميائية، كما دُرست العديد من المُركّبات الأخرى. منذ سبعينيات القرن العشرين، أجرى سزيتلي وآخرون دراسات مُستفيضة لاستكشاف التغليف بواسطة السيكلودكسترينات ومشتقاتها للتطبيقات الصناعية والصيدلانية. ^{[ 30 ]} من بين العمليات المستخدمة في تكوين المركبات المعقدة، يبدو أن عملية العجن هي واحدة من أفضلها. ^{[ 31 ]}

تحظى السيكلودكسترينات باهتمام واسع، ويعود ذلك جزئيًا إلى أنها تبدو غير سامة في الدراسات الحيوانية . تبلغ الجرعة المميتة الوسطية (LD50 ) (عن طريق الفم، في الجرذان) حوالي غرامات لكل كيلوغرام. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، فإن محاولات استخدام بيتا-سيكلودكسترين للوقاية من تصلب الشرايين ، ^{[ 32 ]} وتراكم الليبوفوسين المرتبط بالعمر، ^{[ 33 ]} والسمنة ، تواجه عقبة تتمثل في تلف العصب السمعي ^{، [ 34 ]} وتأثيره السام على الكلى . ^{[ 35 ]}