Cyclodextrine

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Allgemeine Strukturformel für Cyclodextrine

Cyclodextrine (CD) sind eine Klasse von Verbindungen, die zu den cyclischen Oligosacchariden gehören. Sie stellen ringförmige Abbauprodukte von Stärke dar. Sie bestehen aus α-1,4-glykosidisch verknüpften Glucosemolekülen. Dadurch entsteht eine toroidale Struktur mit einem zentralen Hohlraum. Cyclodextrine wurden erstmals von Villiers und Schardinger beschrieben, blieben aber lange Zeit eine Laborkuriosität. Sie wurden erstmals von Villiers 1891 isoliert und 1903 von Schardinger als Oligosaccharide charakterisiert.

Strukturformel für α-Cyclodextrin

Nomenklatur[Bearbeiten]

Je nach Anzahl der sie aufbauenden Glucoseeinheiten werden die Cyclodextrine unterschiedlich benannt. Mithilfe eines griechischen Buchstabens als Präfix unterscheidet man:

  • α-Cyclodextrin: n = 6 Glucosemoleküle (Hohlraumdurchmesser/-höhe: 4,7..5,3/7,9 Å)
  • β-Cyclodextrin: n = 7 Glucosemoleküle (Hohlraumdurchmesser/-höhe: 6,0..6,5/7,9 Å)
  • γ-Cyclodextrin: n = 8 Glucosemoleküle (Hohlraumdurchmesser/-höhe: 7,5..8,3/7,9 Å)
  • δ-Cyclodextrin: n = 9 Glucosemoleküle

Über die oben erwähnten Cyclodextrine hinaus werden in der Fachliteratur Cyclodextrine mit wesentlich mehr Glucoseeinheiten detailliert beschrieben. Diese sind allerdings aufgrund der geringen Mengen und hohen Preise nicht von ökonomischer Bedeutung. Die weiteste technische Verbreitung haben β-Cyclodextrin und Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin. In der Lebensmittelindustrie werden α-Cyclodextrin und γ-Cyclodextrin eingesetzt. Da α-Cyclodextrin ein löslicher Ballaststoff ist, kann er es als solches auch im Inhaltsverzeichnis aufgeführt sein, z.B. als Alpha-Cyclodextrin (löslicher Ballaststoff).

Gewinnung und Herstellung[Bearbeiten]

Hergestellt werden Cyclodextrine biotechnologisch durch den enzymatischen Abbau von Stärke, etwa aus Mais oder Kartoffeln. Die hierfür eingesetzten Enzyme werden als Cyclodextrin-Glycosyltransferasen, kurz CGTasen bezeichnet. Bei der Einwirkung auf Stärke schneidet die CGTase aus der helikal gewundenen Struktur des Kohlehydrats einzelne Stücke heraus und verbindet diese zu einem ringförmigen Oligosaccharid – dem Cyclodextrin. Industriell interessant ist insbesondere die sortenreine Gewinnung von Cyclodextrinen, um die verschiedenen Hohlraumdurchmesser je nach einzuschließender Substanz auswählen zu können. Es stehen selektive Enzyme zur Verfügung, die jeweils gezielt α-, β- und γ-Cyclodextrin produzieren. Dies ist besonders für die Lebensmittelindustrie von Bedeutung, da nur α- und γ-Cyclodextrin unbegrenzt verzehrt werden sollten.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Allen niederen Cyclodextrinen eigen ist die hydrophobe Kavität im Innern und die polare Außenfläche. Dadurch sind die Cyclodextrine in der Lage, so genannte Einschlussverbindungen mit apolaren organischen Verbindungen zu bilden.

In alkalischen sowie in sauren Lösungen bis pH 2 sind Cyclodextrine sehr stabil. Sie haben keine festen Schmelzpunkte, sind aber bis etwa 200 °C stabil. Darüber beginnen sie sich zu zersetzen. Sie gelten als nicht toxisch und sind weitgehend stabil gegenüber menschlichen Verdauungsenzymen, weshalb α-Cyclodextrin auch als löslicher Ballaststoff eingesetzt werden kann.

Verwendung[Bearbeiten]

Die Fähigkeit zu Einschlussverbindungen mit apolaren organischen Verbindungen und die Wasserlöslichkeit machen Cyclodextrine zu einem immer wichtigeren Gegenstand der pharmazeutischen Forschung, da die Komplexe mit Pharmazeutika in der Regel besser wasserlöslich sind als die reinen Pharmazeutika und daher auch im Körper leichter verfügbar sind. Weiterhin ist ihre Fähigkeit, die eingeschlossene Substanz vor umgebenden Verbindungen (zum Beispiel Sauerstoff) zu schützen sowie die eingeschlossenen Substanzen über einen längeren Zeitraum abzugeben, von großem Interesse.

α-Cyclodextrin ist seit 2008 in der Europäischen Union als lösliche Nahrungsfaser zugelassen.[1] Im Juni 2013 hat die Kommission der Europäischen Union α-Cyclodextrin einen nachweislich gesundheitsfördernden Effekt (Health Claim) bescheinigt. Das EU-Gutachten bestätigt, dass α-Cyclodextrin den Blutzuckeranstieg nach stärkehaltigen Mahlzeiten verringern kann. [2] Aufgrund seiner oberflächenaktiven Eigenschaften findet es Einsatz als emulgierende Faser in der Lebensmittel- (Mayonnaisen) und Kosmetikindustrie (Hautcremes), sowie als Aufschlagmittel für Desserts, Süß- und Backwaren. Beta-Cyclodextrin ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff der Nummer E 459 mit unterschiedlichen Höchstmengenbeschränkungen für bestimmte Lebensmittel zugelassen, im Einzelnen bei der Aromatisierung von Tees oder Instant-Getränkepulvern (mit 0,5 Milligramm pro Kilogramm in der vorgesehenen Verzehrzubereitung) und Knabbererzeugnissen (mit 1 Milligramm pro Kilogramm) sowie bei tablettierten Lebensmitteln (nach Bedarf – quantum satis).[3] Gamma-Cyclodextrin wurde von der EU für die Wacker Chemie AG als neuartige Lebensmittelzutat für Nahrungsmittel- und Getränkeanwendungen zugelassen.[4]

Darüber hinaus begegnen dem Verbraucher Cyclodextrine unter dem Handelsnamen Febreze, Bounce oder Oust. Die in diesen Produkten befindlichen Cyclodextrinderivate binden die für unangenehme Gerüche verantwortlichen Verbindungen und sind gleichermaßen Träger von Duftstoffen. In manchen Ländern (zum Beispiel USA, Japan) sind Cyclodextrine als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen, da sie unter anderem den Geschmack und Geruch der eingeschlossenen Substanzen aufheben oder wieder freigeben können. Das Einsatzspektrum von Cyclodextrinen umfasst heute von verschiedenen Medikamentenzubereitungen über Pappkartons bis hin zur Medizin, Landwirtschaft und Sensorik diverse Einsatzbereiche. Das deutsche Textilforschungsinstitut in Krefeld erforscht intensiv die Nutzung von kovalent an die Stofffasern gebundenen Cyclodextrinen für „intelligente“ Textilien. Diese können sowohl über die Haut aufzunehmende Medikamente enthalten als auch Schweißgeruch binden.

In der analytischen Chemie und mit besonders großem Erfolg in der Gaschromatographie werden spezielle Cyclodextrinderivate eingesetzt, um Gemische von Enantiomeren zu trennen. Ebenso erfolgreich sind Cyclodextrinderivate in der Kapillarelektrophorese (englisch CE) etabliert. Mit sulfatierten, geladenen Cyclodextrinen wird dadurch sogar eine Trennung von neutralen Enantiomeren möglich, die mittels CE ansonsten nicht zugänglich wären.[5]

Literatur[Bearbeiten]

  • Villiers A., Sur la transformation de la fécule en drextrine par le ferment butyrique, Compt. Rend. Fr. Acad. Sci. 1891:435-8
  • Biwer A, Antranikian G, Heinzle E. Enzymatic production of cyclodextrins. Appl Microbiol Biotechnol 2002;59:609-17. PMID 12226716.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Genehmigung des Inverkehrbringens von α-Cyclodextrin als neuartige Lebensmittelzutat (2008/413/EG)
  2. Verordnung (EU) Nr. 536/2013 der Kommission vom 11. Juni 2013 zur Änderung der Verordnung (EU) Nr. 432/2012 zur Festlegung einer Liste zulässiger anderer gesundheitsbezogener Angaben über Lebensmittel als Angaben über die Reduzierung eines Krankheitsrisikos sowie die Entwicklung und die Gesundheit von Kindern Text von Bedeutung für den EWR (Anhang, 2012;10(6):2713 | 2926 |)
  3. Begrenzt zugelassene Zusatzstoffe, Anlage 4 (zu § 5 Absatz 1 und § 7) der Zusatzstoff-Zulassungsverordnung vom 29. Januar 1998 (Bundesgesetzblatt I, Seiten 230, 231), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 28. März 2011 (Bundesgesetzblatt I, Seite 530) geändert worden ist
  4. WACKER erhält Zulassung von gamma-Cyclodextrin als neue Lebensmittelzutat für Nahrungsmittel und Getränke in der EU. Presseinformation Wacker Chemie AG, 28. Juni 2012
  5. C. Bicchi; Cyclodextrin derivatives as chiral selectors for direct gas chromatographic separation of enantiomers in the essential oil, aroma and flavour fields in Journal of Chromatography A 1999, 843, 99–121; online abgerufen am 1. Januar 2013

Weblinks[Bearbeiten]