Cyclodextrin là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Cyclodextrin là oligomer vòng của glucose, trong đó các đơn vị glucose liên kết α-1,4 tạo thành khung hình phễu với khoang trong kỵ nước và bề mặt ngoài ưa nước. Cấu trúc này cho phép cyclodextrin bao giữ phân tử chủ (guest) thông qua tương tác phi cộng hóa trị, cải thiện tính tan và ổn định của các hợp chất kém tan.

Từ khi được phát hiện bởi Villiers năm 1891, cyclodextrin đã trải qua quá trình nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng trong dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm và ngành công nghiệp hóa chất. Khả năng tạo phức bao và điều khiển giải phóng phân tử chủ đã mở ra các hệ vận chuyển thuốc tan kém, chất điều vị vị giác, chất nhũ hóa và tác nhân kiểm soát mùi vị.

Các loại cyclodextrin tự nhiên gồm α-, β- và γ- với 6, 7 và 8 đơn vị glucose tương ứng. Ngoài dạng tự nhiên, cyclodextrin còn được biến đổi hóa học thành các dẫn xuất như hydroxypropyl-β-CD, methyl-β-CD để tăng độ tan và giảm độc tính.

Cấu trúc hóa học và phân loại

Cyclodextrin được tổng hợp qua phản ứng thủy phân tinh bột do enzyme cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase) xúc tác, tạo nên vòng α-1,4-glucan. Sự phân loại dựa vào số lượng đơn vị glucose (n):

• α-Cyclodextrin (α-CD): n = 6, đường kính khoang ~4,7–5,3 Å.
• β-Cyclodextrin (β-CD): n = 7, đường kính khoang ~6,0–6,5 Å.
• γ-Cyclodextrin (γ-CD): n = 8, đường kính khoang ~7,5–8,3 Å.

Các dẫn xuất phổ biến được tạo ra bằng cách gắn các nhóm thế lên hydroxyl ngoài vòng, ví dụ:

• Hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD): tăng độ tan và giảm kết tinh.
• Methyl-β-CD (Me-β-CD): cải thiện khả năng bao giữ nonpolar.
• Sulfobutyl ether-β-CD (SBE-β-CD): tăng khả năng dung môi và tải ion.

Thông số cơ bản của cyclodextrin tự nhiên:

Loại	Số glucose (n)	Đường kính khoang (Å)	Độ tan (g/100 mL @25 °C)
α-CD	6	4,7–5,3	14,5
β-CD	7	6,0–6,5	1,85
γ-CD	8	7,5–8,3	23,2

Tính chất lý-hóa

Cyclodextrin tan trong nước nhờ các nhóm hydroxyl ngoài vòng, trong khi khoang bên trong kỵ nước tạo điều kiện bao giữ phân tử không phân cực. Độ tan của từng loại cyclodextrin phụ thuộc vào kích thước khoang và cấu trúc tinh thể.

Ở dạng bột, cyclodextrin thể hiện nhiệt độ phân hủy bắt đầu khoảng 200 °C, phù hợp cho các ứng dụng cần nhiệt độ xử lý cao. Độ ẩm môi trường ảnh hưởng đến trạng thái hydrat hóa, cần bảo quản nơi khô ráo để duy trì tính ổn định.

• Độ tan: α-CD và γ-CD tan đáng kể hơn β-CD do cấu trúc khoang khác nhau.
• Ổn định nhiệt: Phân tích DSC cho thấy quá trình mất nước kết tinh trước khi phân hủy glycosidic.
• Khả năng giữ ẩm: Cyclodextrin hút ẩm từ môi trường, thay đổi thể tích tinh thể.

Kỹ thuật DSC (Differential Scanning Calorimetry) và TGA (Thermogravimetric Analysis) thường được sử dụng để đánh giá tính ổn định nhiệt và trạng thái hydrat của cyclodextrin.

Cơ chế hình thành phức bao (inclusion complex)

Phức cyclodextrin–guest hình thành khi phân tử guest xâm nhập vào khoang cyclodextrin bằng tương tác kỵ nước, lực Van der Waals và liên kết hydrogen với nhóm hydroxyl miệng phễu. Tổn thất nước trong khoang và tương tác hấp phụ tạo ra lợi nhiệt động để khởi tạo phức.

Hằng số ổn định K_f mô tả độ bền phức qua phương trình:

$K_f = \frac{[\mathrm{CD\!-\!guest}]}{[\mathrm{CD}]\,[\mathrm{guest}]}$

• K_f cao: phức bền, phù hợp cho bảo vệ và vận chuyển lâu dài.
• K_f thấp: phức dễ giải phóng guest, thích hợp cho giải phóng có kiểm soát.

Phương pháp xác định K_f bao gồm phân tích UV-Vis, HPLC, và ITC (Isothermal Titration Calorimetry). Đặc biệt, ITC cung cấp đồng thời các giá trị ΔH và ΔS, giúp hiểu rõ cơ chế nhiệt động của quá trình bao giữ.

```\

Phương pháp sản xuất

Quy trình công nghiệp sản xuất cyclodextrin bắt đầu từ tinh bột ngũ cốc (cassava, ngô, khoai mì) thủy phân một phần bằng enzyme α-amylase để tạo dextrin, sau đó CGTase (cyclodextrin glycosyltransferase) xúc tác chuyển dextrin thành cyclodextrin vòng. Hiệu suất sản xuất α-CD, β-CD và γ-CD phụ thuộc vào chủng CGTase và điều kiện pH, nhiệt độ.

Sau phản ứng, hỗn hợp cyclodextrin và dextrin được phân tách qua kết tủa chọn lọc hoặc hấp phụ lên nhựa trao đổi ion. Kết tủa dùng ethanol hoặc isopropanol tạo ra β-CD do độ tan thấp nhất, trong khi α-CD và γ-CD thu hồi bằng sắc ký chuẩn chia pha hoặc kết tủa lặp lại.

• Enzyme CGTase từ Bacillus macerans hoặc Klebsiella oxytoca.
• Kết tủa phân đoạn bằng dung môi hữu cơ.
• Sắc ký cải tiến để tách α-, β- và γ-CD với độ tinh khiết >98 %.

Ứng dụng trong dược phẩm

Trong công nghiệp dược, cyclodextrin cải thiện độ tan và sinh khả dụng của thuốc kém tan như itraconazole, ketoconazole, paclitaxel. Bao giữ trong khoang cyclodextrin giảm sự kết tinh, tăng độ hòa tan và ổn định khi tiếp xúc với độ ẩm.

Cyclodextrin còn giảm độc tính đường uống và đường tiêm, ngăn ngừa tương tác giữa phân tử thuốc với màng sinh học. Dẫn xuất hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD) và sulfobutyl ether-β-CD (SBE-β-CD) đã được FDA phê duyệt trong nhiều công thức thuốc tiêm truyền (PubMed).

• Dạng viên nén: tăng độ hoà tan chậm, kiểm soát giải phóng.
• Nang cứng/Gel: bảo vệ hoạt chất trong môi trường acid dạ dày.
• Thuốc tiêm: giảm hemolysis, tăng ổn định dung dịch.

Ứng dụng trong thực phẩm và mỹ phẩm

Cyclodextrin khử mùi hôi, ổn định hương vị và màu sắc của thực phẩm nhờ khả năng bao giữ hợp chất bay hơi như aldehyde, ketone. β-CD được sử dụng trong sản xuất nước giải khát, rượu vang và tinh dầu thực phẩm để duy trì hương thơm lâu dài (EFSA).

Trong mỹ phẩm, methyl-β-CD và HP-β-CD cải thiện độ tan của hoạt chất chống oxy hóa (vitamin E, coenzyme Q10), tăng hiệu quả hấp thu qua da và ổn định công thức. Cấu trúc phễu giúp giảm kích ứng da khi chứa các dẫn chất hoạt tính mạnh.

• Chất nhũ hóa: tạo hệ nanoemulsion bền vững.
• Chất ổn định mùi: giải phóng mùi hương theo cơ chế kiểm soát.
• Chất bảo quản: giảm phân hủy oxy hóa của thành phần dễ hỏng.

Kỹ thuật phân tích và xác định phức

Phức cyclodextrin–guest được theo dõi qua phổ UV–Vis, FTIR và NMR. Sự thay đổi bước sóng hấp thụ UV hoặc dịch chuyển tín hiệu IR cho biết sự bao giữ. Trong 1H NMR, tín hiệu của proton khoang trong cyclodextrin đổi hóa shift khi guest xâm nhập.

Isothermal Titration Calorimetry (ITC) đo lượng nhiệt sinh ra hoặc hấp thụ để tính ΔH, ΔS và K<sub>f</sub> trực tiếp. Kỹ thuật HPLC với cột pha đảo tách phức và guest riêng biệt cho phép xác định nồng độ phức.

• FTIR: biến đổi dải O–H và C–O.
• HPLC: pha đảo, coban-dedicated column.
• MS: xác định khối lượng phức và phân mảnh.

Độc tính và an toàn

Cyclodextrin tự nhiên được FDA công nhận là GRAS, an toàn ở liều đường uống lên đến 5 g/ngày (FDA Guidance). Dẫn xuất hydroxypropyl-β-CD và sulfobutyl ether-β-CD đã được chấp thuận cho đường tiêm với giới hạn liều riêng biệt để tránh tổn thương thận.

Độc tính cấp tính và mạn tính được đánh giá qua thử nghiệm trên động vật: cyclodextrin không gây đột biến gen, không gây ung thư và không ức chế miễn dịch. Tuy nhiên, liều cao β-CD có thể gây tổn thương thận do kết tinh trong ống thận, cần hạn chế liều dùng trong chế phẩm đường tiêm.

Loại CD	Liều an toàn (mg/kg/ngày)	Ghi chú
α-CD	1,000	GRAS
β-CD	500	Hạn chế đường tiêm
HP-β-CD	1,000	Đường uống và tiêm
SBE-β-CD	600	Đường tiêm

Tài liệu tham khảo

• Szejtli J. (1998). Cyclodextrin Technology. Kluwer Academic Publishers.
• Loftsson T., Duchêne D. (2007). “Cyclodextrins and their pharmaceutical applications,” International Journal of Pharmaceutics, 329(1–2), 1–11.
• Del Valle E. M. M. (2004). “Cyclodextrins and their uses: a review,” Process Biochemistry, 39(9), 1033–1046.
• EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food (2015). “Re-evaluation of β-cyclodextrin (E 459) as necessary food additive,” EFSA Journal, 13(7), 4135.
• FDA. (2012). “Generally Recognized as Safe (GRAS) Notice Substances—Cyclodextrin.” FDA Guidance.