ИЗОПРОПАНОЛ – ЭФФЕКТИВНЫЙ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИИ ЦИКЛОДЕСТРИНОВ

  • Polina Yu. Milman Уфимский Институт биологии Уфимского Федерального исследовательского центра РАН
  • Elena A. Gilvanova Уфимский Институт биологии Уфимского Федерального исследовательского центра РАН
Ключевые слова: циклодекстрин, циклодекстринглюканотрансфераза, комплексообразователь, сольвент, изопропиловый спирт, изопропанол

Аннотация

В качестве комплексообразователя для биотехнологии циклодекстринов предложен изопропанол. Показано, что данный сольвент обладает универсальным сродством по отношению к альфа- (α-), бета- (β-) и гамма- (γ-) гомологам циклодекстринов, что приводит к увеличению выходов в равной степени всех циклических форм. Исследуемый комплексант проявил положительный и независимый от специфичности циклизующих ферментов эффект в процессе трансформации крахмала. Выбор основного фермента циклодекстринглюканотрансферазы бактерии Paenibacillus ehimensis IB-739 связан с его кинетической особенностью образовывать гомологи циклодекстринов, имея стабильное и независимое от концентрации субстрата соотношение α:β:γ (32,7:50,3:17,0%) на выходе конверсионного процесса. Полученная с участием данного фермента смесь циклодекстринов, состоящая из трех форм, особенно востребована в процессах, где требуется получить комплекс с веществами, состав которых не является гомогенным. Синергетический эффект сольвента (5 %об.) и фермента циклодекстринглюканотрансферазы бактерии P. еhimensis IB-739 обеспечивал трансформацию 10%-ного картофельного крахмала с выходом циклодекстринов до 77%. Комплексант имеет ряд технических, экономических и экологических преимуществ. Во-первых, низкая токсичность, позволяющая избежать сложностей дальнейшей глубокой очистки циклодекстринов от следовых количеств растворителя (не более 1-3 промилле). Во-вторых, хорошая растворимость в воде, снижающая энергозатраты на перемешивание реакционной среды. В-третьих, присутствие изопропанола в реакционной смеси смягчает требования к асептике процесса. В-четвертых, невысокая стоимость и доступность комплексанта, производство в РФ которого превышает 30 тыс. т/г. В-пятых, температура кипения азеотропной смеси изопропанол: вода составляет 80,4 °С, что обуславливает достаточно низкие затраты на регенерацию сольвента.

Литература

Szejtli J. Past, present, and future of cyclodextrin research. ChemInform. 2004. V. 36. N 17. P. 1825-1845. DOI: 10.1002/chin.200517261.

Zhang J.Q., Jiang K.M., An K., Ren S.H., Xie X.G., Jin Y. Novel water-soluble fisetin/cyclodextrins inclusion complexes: Preparation, characterization, molecular docking and bioavailability. Carboh. Res. 2015. V. 418. P. 20-28. DOI: 10.1016/j.carres.2015.09.013.

Jansook P., Ogawa N., Loftsson T. Cyclodextrins: Structure, physicochemical properties and pharmaceutical applications. Int. J. Pharm. 2018. V. 535. P. 272-284. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2017.11.018.

Martin Del Valle E. Cyclodextrins and their uses: a review. Process. Biochem. 2009. V. 39. P. 1033-1046. DOI: 10.1016/S0032-9592(03)00258-9.

Tahir M.N., Lee Y. Immobilisation of beta-cyclodextrin on glass: characterisation and application for cholesterol reduction from milk. Food Chem. 2013. V. 139. P. 475-481. DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.01.080.

Li Q., Pu H.Y., Tang P.X., Tang B., Sun Q.M., Li H. Propyl gallate/cyclodextrinsupramolecular complexes with enhanced solubility and radical scavenging capacity. Food Chem. 2018. V. 245. P. 1062-1069. DOI: 10.1016/j.foodchem.2017.11.065.

Yoshikiyo K., Yoshioka Y., Narumiya Y., Oe S., Kawahara H., Kurata K. Thermal stability and bioavaila-bility of inclusion complexes of perilla oil with γ-cyclodextrin. Food Chem. 2019. V. 294. P. 56-59. DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.04.093.

Erdős M., Hartkamp R., Vlugt T.J.H., Moultos O.A. Inclusion complexation of organic micropollutants with β‑cyclodextrin. J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. P. 1218-1228. DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b10122.

Gaston J.A.R., Szerman N., Costa H., Krymkiewicz N., Ferrarotti S. Cyclodextringlycosyltransferase from Bacillus circulans DF 9R: activity and kinetic studies. Enzyme Microb. Technol. 2009. V. 45. P. 36-41. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2009.04.002.

Wang L., Wu D., Chen J., Wu J. Enhanced production of γ-cyclodextrin by optimization of reaction of γ-cyclodextringlycosyltransferase as well as synchronous use of isoamylase. Food Chem. 2013. V. 141. N 3. P. 3072-3076. DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.05.149.

Blackwood A.D., Bucke C. Addition of polar organic solvents canim prove the product selectivity of cyclodextringlycosyltransferase. Solvent effects on CGTase. Enzyme Microb. Technol. 2000. V. 27. P. 704-708. DOI: 10.1016/S0141-0229(00)00270-2.

Biwer A., Antranikian G., Heinzle E. Enzymatic production of cyclodextrins. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002. V. 59. P. 609-617. DOI: 10.1007/s00253-002-1057-x.

Zhekova B., Dobrev G., Stanchev V., Pishtiyski I. Approaches for yield increase of β-cyclodextrin formed by cyclodextringlucanotransferase from Bacillus megateri-um. World J. Microbiol. Biotechnol. 2009. V. 25. P. 1043-1049. DOI: 10.1007/s11274-009-9985-6.

Shewale B.D., Sapkal N.P., Raut N.A., Gaikwad N.J., Fursule R.A. Effect of hydroxylpropyl-beta-cyclodextrin on solubility of Carvedilol. Indian J. Pharm. Sci. 2008. V. 70. P. 255-257. DOI: 10.4103/0250-474X.41470.

Ol’khovich M.V., Sharapova A.V., Blokhina S.V., Trostin A.N. Study of inclusion complexes of 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin with biologically active salinazide and vanillin isoniazide. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.] 2017. V. 60. N 4. P. 68-74 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.2017604.5570.

Usanov N.G., Gilvanova E.A., Elizariev P.A., Prutsakova E.A., Melentyev A.I. Improved method of photometric determination of cyclodextringlucanotransferase activity. Appl. Biochem. Microbiol. 2007. V. 43. N 1. P. 118-124 (in Russian). DOI: 10.1134/S000368380701019X.

Li Z., Wang M., Wang F., Gu Z., Du G., Wu J. Gamma-Cyclodextrin: a review on enzymatic production and ap-plications. Appl. Microbiol. Biotech. 2007. V. 77. P. 245-255. DOI: 10.1007/s00253-007-1166-7.

Kamaruddin K., Illias R.M., Aziz S.A., Said M., Hassan O. Effects of buffer properties on cyclodextringlucanotransferase reac-tions and cyclodextrin production from raw sago (Cycasrevoluta) starch. Biotechnol. Appl. Biochem. 2005. V. 41. P. 117-125. DOI: 10.1042/BA20040040.

Alves-Prado H.F., Carneiro A.A., Pavezzi F.C., Gomes E., Boscolo M., Franco C.M., da Silva R. Production of cyclodextrins by CGTase from Bacillus clausii using different starches as substrates. Appl. Biochem. Biotechnol. 2008. V. 146. P. 3-13. DOI: 10.1007/s12010-007-8093-z.

Fedorova P.Yu., Gilvanova E.A., Usanov N.G. Comparison of the kinetic properties of various cyclodextringlu-canotransferases. Izvestia Samar.Nauch. Tsentra. 2011. V. 13. N 5. P. 203-206 (in Russian).

Meng X.F., Gangoiti J., Kok N., Leeuwen S.S., Pijning T., Dijkhuizen L. Biochemical characterization of two GH70 family 4,6-α-glucanotransferases with distinct product specificity from Lactobacillus aviaries subsp. aviaries DSM 20655. Food Chem. 2018. V. 253. P. 236-246. DOI:10.1016/j.foodchem.2018.01.154.

Gracheva I.M., Ivanova L.A. Biotechnology of biologi-cally active substances. M.: Elevar. 2006. 453 p. (in Rus-sian)

Kaulpiboon J., Hansakul P. Comparative studies on the synthesis of cyclodextrin from two bacterial CGTases in the presence of organic solvents. Thammasat Int. J. Sc. Tech. 2007. V. 12. N 2. Р. 10-17.

Li C., You Y., Lu Z., Gu Z., Hong Y., Cheng L., Ban X., Li Z. Alcohol complexing agents influence bacterial α-cyclodextrin production. Food Sci. Technol. 2021. V. 135. Р. 2-9. DOI: 10.1016/j.lwt.2020.110031.

Опубликован
2021-12-09
Как цитировать
Milman, P. Y., & Gilvanova, E. A. (2021). ИЗОПРОПАНОЛ – ЭФФЕКТИВНЫЙ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИИ ЦИКЛОДЕСТРИНОВ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 65(1), 76-82. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226501.6424
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы