Ciclodextrinas como agentes complejantes de compuestos bioactivos

CICLODEXTRINAS COMO AGENTES COMPLEJANTES

DE COMPUESTOS BIOACTIVOS

Dra. Estrella Núñez DelicadoDpto. Tecnología Alimentaria y Nutrición

Universidad Católica San Antonio de Murcia

CICLODEXTRINAS COMO AGENTES COMPLEJANTES DE COMPUESTOS BIOACTIVOS

Dra. Estrella Núñez Delicado

• El desarrollo de alimentos funcionales mediante la adición de compuestos bioactivos y la necesidad de proteger estos compuestos frente a la degradación por distintos agentes, ha llevado implícitos muchos cambios tecnológicos.

• Estos cambios tecnológicos permiten incrementar la presencia de determinados compuestos en alimentos:

Minerales Fitoesteroles

Luteína

Ácidosgrasos

Licopeno Antioxidantes



• La adición de estos compuestos a alimentos, lleva asociados una serie de problemas a resolver, como son:

Estabilidad durante el procesado

Durante el almacenamiento

En el tracto intestinal

Prevenir interacciones con otros componentes del alimento

Que su adición no afecte a las propiedades sensoriales del alimento

Microencapsulación



• Tecnología del atrapamiento (empaquetado) de materiales sólidos, líquidos o gasesos en microcásulas que liberan su contenido a una velocidad controlada durante largos periodos de tiempo, a la vez que los protegen de su degradación.

Microencapsulación

Microencapsulación Ciclodextrinas



• Las ciclodextrinas (CDs) son oligosacáridos cíclicos naturales derivados del almidón, formados por 6, 7 u 8 unidades de glucosa unidas por enlace α-(1,4).

6 7 8

• Son producidas a partir del almidón por la enzima ciclodextringlucanotransferasa (CGTasa).

Ciclodextrinas



• Estructura tronco-cónica

OH secundarios de los azúcares en la boca más ancha del cono.

OH primarios en la boca más estrecha del cono.

H de los C más apolares y el O de los enlaces glucosídicos quedan orientados hacia el interior de la estructura troncocónica.

Cavidad interna hidrofóbica

Superficie externa hidrofílica

Solubles en agua

Complejos de inclusión



• Son ingredientes no tóxicos ya que no son absorbidas en el tracto gastrointestinal.

• Son completamente metabolizadas por la microflora del colon.

• Están consideradas como GRAS desde 1998.

• Desde entonces se han utilizado en alimentos para la microencapsulación de flavores y otros compuestos inestables.

Ciclodextrinas



TIPOS DE CDs

Modificar para:– Aumentar solubilidad.– Modificar su capacidad

de complejación.– Formar estructuras

complejas de CDs insolubles.

CDs naturales

Cada glucosa tiene 3 OH libres modificables química o enzimáticamente sustituyendo el H o el OH por otro grupo químico: etil, metil, hidroxipropil, monosacáridos, disacáridos, etc.

CDs modificadas



• De los cientos de CDs modificadas que existen, solo algunas son sintetizadas a nivel industrial a precios competitivos.

• Debido a la complejidad sus reacciones de síntesis y a los numerosos pasos de purificación que requieren.

Las CDs más usadas industrialmente son derivadas de las β-CDs:

Metil- β-CDs

Hidroxipropil- β-CDs

TIPOS DE CDs



FORMACIÓN DE COMPLEJOS DE INCLUSIÓN

• Propiedad más importante de las CDs.• Consiste en el acoplamiento de una molécula huésped en la cavidad

hidrfóbica de las CDs, mediante la formación de enlaces no covalentes.• Forman complejos de inclusión con un amplio rango de moléculas o

grupos funcinales.• La formación de estos complejos cumple un equilibrio dinámico

gobernado por una constante de complejación (Kc).

c

Liberación progresiva al medio

[ ][ ][ ]CDS

CDSKc −

=




• Las moléculas de agua del interior de la cavidad hidrfóbica son desplazadas por las moléculas huésped más hidrofóbicas que haya en disolución.

• Se obtiene una estructura estabilizada por interacciones hidrofóbicas y de van der Waals, llamado complejo de inclusión.

Complejo de inclusión




• La estabilidad de estos complejos de inclusión, y por lo tanto la magnitud de su constante de complejación, depende del grado de acoplamiento entre la molécula huésped y la ciclodextrina.

• A mayor Kc, mayor estabilidad del complejo.




• Los complejos se pueden formar en solución o en estado sólido. Como disolvente se suele usar agua, pero también se pueden usar sistemas con varios cosolventes.

• Hay dos factores clave que intervienen en su formación:– Estérico: Tamaño de la molécula o grupo funcional a complejar.– Termodinámico: Interacciones termodinámicas entre los componentes del

sistema (ciclodextrina, huésped, disolvente).

cadenas alifáticas, aldehídos, cetonas, ácidos orgánicos, compuestos aromáticos, gases, alcoholes.

compuestos polares: halógenos, oxiácidos y aminas.




• La altura de la estructura tronco-cónica es siempre la misma.• El número de glucosas determina el diámetro de la cavidad interna de las CDs.

Moléculas de bajo peso molecular o compuestos con cadenas alifáticas laterales.

Compuestos aromáticos y heterociclos.

Moléculas grandes como macrociclos y esteroides.



– Cambios en su solubilidad acuosa.

COMPLEJOS DE INCLUSIÓN

– Cambios espectrales:• Espectro UV-Vis. Desplazamiento de máximos.

• Espectro fluorescencia. Aumento de la intensidad.

– Cambios en su volatilidad.

– Cambios en su movilidad cromatográfica.

CAMBIOS FÍSICOS EN EL COMPUESTO ENCAPSULADO



COMPLEJOS DE INCLUSIÓN

– Estabilidad frente a agentes oxidantes:• Oxígeno• Luz• enzimas

– Cambios en su reactividad química.

– Protección frente a su degradación por microorganismos

CAMBIOS QUÍMICOS EN EL COMPUESTO ENCAPSULADO

http://www.chemie.hu-berlin.de/nmr/research-subjects/research-cyclodextrin-en.htm



CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE COMPLEJACIÓN

• Muy importante, ya que indica la afinidad de la ciclodextrina por el huésped.• Se pueden calcular por diferentes métodos:

•Estudios de solubilidad•Estudio de cambios en el espectro de fluorescencia.•Estudio de cambios en el espectro UV-Vis.•Estudios de competencia con colorantes.•Estudio de cambios en la movilidad cromatográfica.•RMN

Uso de la especificidad de las enzimas para actuar sobre el sustrato libre, pero no sobre el complejado.

Físico-químicos Enzimáticos



USOS DE LAS CDs

– Farmacología– Alimentación– Biotecnología– Cosmética– Agricultura– Industria Textil

En farmacología las CDs se usan para:– Aumentar la biodisponibilidad de fármacos:

• Aumentando su límite de solubilidad• Aumentando su velocidad de disolución

– Eliminar el efecto astringente e irritante de determinados fármacos

– Minimizar olores o sabores desagradables– Estabilizar fármacos frente a la oxidación

Omeprazol

Nitroglicerina(dilatador coronario)

Cefalosporina(antibiótico)

Piroxicam(antiinflamatorio)

Clordiazepóxido(Transilium) Dextrometorfan

(antitusivo)

Nicotina(Nicorette)

Hidrocortisona(Dexacort)



CDs EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

• En farmacología, siendo el campo de aplicación de las CDs más estudiado, se gastan menos del 10% de las CDs producidas industrialmente.

• La mayoría son gastadas en la industria alimentaria y cosmética.

• Actualmente en la industria alimentaria las CDs se consideran como ingredientes multifuncionales:

– Vehículos portadores de flavores y otros ingredientes alimentarios:• Compuestos bioactivos• Colorantes alimentarios

– Estabilizantes de:• Emulsiones: Mayonesa y ketchup.• Compuestos edulcorantes.

– Extracción de compuestos bioactivos de subproductos de la industria.



– Protección del flavor y liberación progresiva en alimentos.

CDs COMO INGREDIENTES MULTIFUNCIONALES

– Eliminar el colesterol de productos como leche, queso, mantequilla o huevos.

Citral

LinaloolL-mentol

Frente a la oxidación en presencia de O2

Frente a la descomposición por la luz

Frente a la descomposición por temperatura

Benzaldehído

Ext. ajo

Liberación progresiva

Mantequilla baja en colesterol



– Reducir la astringencia, amargor, malos olores o sabores de alimentos.

– Eliminación de ácidos grasos libres en aceites.


Aceites más aptos para la fritura

Limonina y naringina

– Complejación de compuestos fenólicos en zumos de frutas o vegetales mínimamente procesados para evitar su pardeamiento.

Zumo de uva

DHA (ω-3)




– Preparación de conservantes antimicrobianos (trans-2-hexanalin).

– Complejación de carotenoides para su estabilización y solubilización.

– Como antioxidantes secundarios.

Zumo de manzana

Licopeno

Alargando el tiempo de permanencia de los antioxidantes primarios

– Aumento de la vida media de flavores encapsulados.

Fenilpropanoides y terpenoides



– Solubilización de compuestos antioxidantes, para su adición en la elaboración de alimentos funcionales.

Polifenoles

Resveratrol


– Elaboración de envases activos.

Films con CDs-iodina, CDs-ácido benzoico



• Resveratrol: Estilbeno presente en la piel de la uva (vino tinto), con propiedades promotoras de la salud:

– actividad antioxidante– actividad anticarcinogénica– actividad cardiprotectora– actividad antiinflamatoria

• Está disponible comercialmente como suplemento nutricional obtenido de los subproductos de la uva (piel y semillas).

CYCLODEXTRINAS COMO AGENTES COMPLEJANTES DEL RESVERATROL



RESVERATROL COMPLEJADO EN CDs

Dr. Sinclair, Science, 2004: El resveratrol es un compuesto muy difícil de

proteger, porque es rápidamente degradado por la luz, el calor y el oxígeno.

Su solubilidad en agua es muy baja.

Complejado en ciclodextrinas • Aumenta su solubilidad en agua.• Aumenta su estabilidad.• Aumenta su capacidad

antioxidante.



AUMENTA SU SOLUBILIDAD EN AGUA

[HP-β-CDs] (mM)

0 20 40 60 80

[RE

SV

] (m

M)

0

5

10

15

20

25

30

35

S0= 30 µM

Diagrama de fases de resveratrol con HP-β-CDs en agua

1000 veces

( )slopeSslope

Kc −=

10

Kc= 18018 M-1

Línea recta

Complejos 1:1



AUMENTA SU FLUORESCENCIA

Kc= 11035 M-1

[CDs] (mM)

0 2 4 6 8

Flu

ore

scen

ce In

tens

ity

0

50

100

150

200

250

300

( ) [ ][ ] tc

tc

CDsK

CDsKFFFF

+−

+= ∞

10

0

Este método infravalora el valor de Kc

[HP-β-CDs] (mM)

0 2 4 6 8

V (

µM

/min

)

0.0

0.5

1.0

1.5



INHIBE SU OXIDACIÓN ENZIMÁTICA

Oxidación de resveratrol por LOX en presencia de HP- β-CDs

resveratrol 30 µM

resveratrol 20 µM

resveratrol 10 µM

[ ][ ] fM

fm

resvK

resvVv

+=

[ ] [ ] [ ]CDresvCDresv cKff −→←+

[ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ) [ ]

[ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ) [ ]

++−++−−+

++−++−−

=ctcctctctctM

ctcctctctctm

KresvKKresvKCDKresvKCDK

KresvKKresvKCDKresvKCDVv

2/411

2/411

2

2

Kc= 18048 M-1

Kc= 18018 M-1

Kc= 11035 M-1



INHIBE SU OXIDACIÓN ENZIMÁTICA

Cálculo de la concentración de resveratrol libre

[ ][ ] fM

fm

resvK

resvVv

+=

[ ] [ ] [ ]CDresvCDresv cKff −→←+

[resveratrol]f

0 10 20 30

V (

µM

/min

)

0.0

0.5

1.0

1.5

[ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ) [ ] ctcctctctctf KresvKKresvKCDKresvKCDresv 2/411 2

++−++−−=

La enzima solo trabaja sobre resveratrol libre

Su complejación lo estabiliza frente a la oxidación



AUMENTA SU CAPACIDAD ANTIOXIDANTE

Capacidad antioxidante medida mediante ORAC-FL.

Time(min)

0 20 40 60 80 100 120

Re

lativ

e flu

ores

cenc

e in

tens

ity

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 Fluoresceína (FL)= sonda fluorescente

AAPH= Radical libre

Resveratrol= compuesto antioxidante

AUC= área bajo la curva de caída de la fluoresceína

sin resveratrol

2 µM resveratrol




Capacidad antioxidante del resveratrol en presencia y ausencia de HP- β-CDs.

Time(min)

0 20 40 60 80 100 120

Rel

ativ

e F

luor

esce

nce

Inte

nsi

ty

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2A

0.75 µM resveratrol

0.75 µM resveratrol + 2 mM HP- β-CDs

1.5 µM resveratrol

1.5 µM resveratrol + 2 mM HP- β-CDs




[HP-β-CDs] (mM)

0 5 10 15 20

Ne

t AU

C

0

10

20

30

40

50

Capacidad antioxidante del resveratrol en presencia de concentraciones crecientes de HP- β-CDs.

resveratrol 1.5 µM

resveratrol 1.12 µM

resveratrol 0.75 µM

resveratrol 0.5 µM

Aumento casi al doble




HP- β-CDs no interfieren con el método de medida a las concentraciones estudiadas.

FL + AAPH + HP- β-CDs

Time(min)

0 20 40 60 80 100 120

Rel

ativ

e F

luor

esce

nce

Inte

nsity

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

[HP-β-CDs](mM)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Net

AU

C

0

10

20

30

Trolox C + FL + AAPH + HP- β-CDs



CONCLUSIONES RESVERATROL

Las CDs se pueden usar como agentes complejantes del resveratrol con dos fines:

Proteger de su oxidación el resveratrol presente en un alimento e incrementar su capacidad antioxidante.

Adicionar resveratrol en grandes cantidades de forma soluble para la elaboración de bebidas funcionales.



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Ciclodextrinas como agentes complejantes de compuestos bioactivos