Что такое Sweetener D Tagatose?

С ростом спроса на более высокое качество жизни, виды продуктов питания и напитков подсластители постоянно растут. В дополнение к питательным подсластителям, таким как сукроуз, непитательные подсластители становятся основным товаром на рынке подсластителей, поскольку они редко или не производят калорий и могут снизить риск диабета, ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний и рака. В настоящее время широко используемые непитательные подсластители включают фруктоолигосахариды, эритритол, ксилитол и т.д. D- тагатозе, открытый в последние годы, является подсластителем с особыми преимуществами для здоровья и имеет большой рыночный потенциал.

1 введение в Д-тагатозе (D-tagatose)

D-tagatose (CAС. S87-81-0) is a rare natural hexose that exists in nature. It is a diastereoisomer of fructose with a relative molecular mass of 180.16. It has a sweetness similar to sucrose, with a sweetness level of 92% of sucrose, and has virtually no unpleasant aftertaste or off-flavors. It produces only 1/3 of the calories of sucrose, making it a low-calorie sweetener. It is estimated to have a glycemic index of 8.

Тагатоза может метаболизироваться через тагатоз -6- фосфатный путь, который присутствует в некоторых микроорганизмах, но не в высших животных. Только около 20% тагатозы, потребляемой человеком, всасывается в тонкий кишечник, а остальное выборочно распадается и используется кишечными микроорганизмами [1]. Таким образом, тагатоза имеет низкое содержание калорий и оказывает влияние на контроль веса и профилактику диабета [2]. Тагатоза производит низкий уровень кислоты во рту и не снижает рн зубной бляшки, эффективно предотвращая эрозию эмали и возникновение кариеса зубов [3]. Тагатозе также хороший пребиотик. Токсикологические тесты показали, что тагатоза безопасна и нетоксична [4]. Функции здоровья и области применения тагатозы показаны в таблице 1.

2 механизм тагатозы против гипергликемии

Механизм тагатозы против гипергликемии до сих пор полностью не объяснен. На основе экспериментальных исследований был предложен возможный механизм контроля за концентрацией глюкозы в крови с помощью тагатозы. После абсорбции тагатоза метаболизируется в основном в печени, и метаболический путь такой же, как и у фруктозы, т.е. фруктокиназа сначала фосфорилируется в тагатоз -1- фосфат, а затем алдолаза подразделяется на глицеральдегид и дигидроксиацетон фосфат, а скорость разложения примерно в два раза меньше, чем у фруктоза -1- фосфат. Подобно fructose-1- фосфату, повышенные концентрации тагатоса -1- фосфата стимулируют активность глюкозы киназы, что приводит к повышению уровня глюкозы фосфора до уровня глюкозы -6- фосфата и дальнейшей активации глюкогенной синтазы. В то же время, тагатоз -1- фосфат и фруктоз -1- фосфат ингибируют гликоген фосфорил [5]. Общий эффект этих ферментов на синтез гликогена и распад гликогена — уменьшение глюкозы в крови (рис. 1). Как видно на рис. 1, у фруктозы есть механизм, аналогичный тагатозе, для снижения глюкозы в крови, но тагатоза более эффективна [6] и имеет меньше побочных эффектов [7].

3 применение тагатозы

В 2001 годуUS FDA determined that tagatose was Generally Recognized as Safe (GRAS) [8]. In July of the same year, the Joint Expert Committee on Food Additives (JECFA) recommended tagatose as a new low-calorie sweetener that could be used as a food additive with an ADI (acceptable daily intake) of 0–80 mg/(kg•d). Subsequently, tagatose began to be widely used in healthy drinks, yogurt, fruit juice, foods for diabetics, diet foods, chewing gum, cereal foods, meat products, candy, etc., and in medicine for cough syrup, powders, effervescent agents, adhesives for fixing dentures, and oral disinfectants.

In 2003, PepsiCo began using tagatose in Sprite drinks, маркировка первого использования тагатозы в коммерческом продукте. Впоследствии, новая зеландия'. Компания s Miada Sports Nutrition Foods использовала тагатозу в шоколадных изделиях, которые были выпущены на австралийском и новозеландском рынках в мае 2003 года.

Исследования по тагатозе как лечению диабета уже начались. 16 ноября 2009 года Spherix сообщила, что клинические испытания III фазы дали ожидаемые результаты. В 2010 году компания подаст новую заявку на применение препарата тагатозы для лечения сахарного диабета II типа [9].

4 производства тагатозы

There are two methods for producing tagatose: chemical synthesis and biotransformation. Chemical synthesis uses a soluble alkali metal salt or alkaline earth metal salt as a catalyst to promote the formation of tagatose from D-galactose under alkaline conditions, and the formation of a metal hydroxide-tagatose complex, and then neutralization with acid to obtain D-tagatose [10]. Because chemical methods are energy intensive, the products are complex, purification is difficult, there are many side reactions, and chemical pollution is produced, the bioconversion method has better application prospects.

В настоящее время методом биотрансформации для производства тагатозы, который был изучен более подробно, является использование l-арабинозного изомера для катализации преобразования d-галактозы в тагатозу. Естественная функция l-арабинозе изомера (EC 5.3.1.4, l-арабинозе изомера, L-AI) заключается в стимулировании производства l-рибулозы из l-арабинозы. В последние годы было обнаружено, что этот фермент может также стимулировать преобразование d-галактозы в тагатозу. Ген кодирования L-AI широко распространен в прокариотах, включая Acidothermus cellulolyticus (Acidothermus cellulolytics) [11], Alicyclobacillus acidoc aldarius, чей источник AI в дальнейшем именуется AAAI) [12], Geobacillus stearothermophilus (GSAI) [13, 14], Thermoanaerobacter mathranii [1, 5], Thermotoga maritima [16], Thermotoga neapolitana [17], Thermus sp. IM6501 [18]и т.д. Было установлено, что оптимальный температурный диапазон для L-AI составляет 20~ 80 градусов, а оптимальный pH (pHopt) 6,0 ~ 8,0. Ионы металлов, такие как Mn2+ или Co2+, могут повысить его устойчивость. Еще многое предстоит сделать для совершенствования промышленного производства L-AI. Основные направления исследований каталитического производства тагатозы с использованием L-AI описываются ниже.

4.1 повышение каталитической активности фермента

Удельная активность l-арабинозы составляет около 30 U/ мг, а l-арабинозы-менее 10 U/ мг. За рубежом были предприняты первые попытки улучшить субстратную аффинити и каталитическую эффективность L-AI за счет ферментной инженерии. Ким и др. [19]произвольно мутировали и режиссировали модифицированный гсаи. На первом этапе эволюции произошло пять мутаций аминокислотных участков, а удельная активность фермента увеличилась в 11 раз; Во втором раунде произошло еще три мутации участка, а удельная активность фермента увеличилась еще в 5 раз [20]. Среди восьми мутантов мутации A408V и K475N оказывают значительное влияние на фермент#39;s субстратная аффинити и скорость реакции. Недавно исследователи выявили два L-AI с очень сильной субстратной спецификой из Bacillus licheniformis ATCC 14580 и B. subtilis STR. 168, которые используются толькоL- арабиноза как субстрат[21-22]. Сравнивая их основные последовательности с другими L-AI и проводя углубленный структурный анализ, можно надеяться, что правила, регулирующие субстратную специфику L-AI, могут быть выявлены, тем самым обеспечивая основу для ферментной инженерии.

4.2 снижение оптимального рн фермента

PHopt L-AI в основном в щелочном диапазоне, в то время как промышленное преобразование более подходит в кислотном диапазоне, поскольку (1) тагатоза устойчива при pH 2-7, а высокие значения pH увеличивают побочные реакции; (2) лактоза обычно используется в качестве сырья при производстве гидролиза лактозы для производства галактозы, а затем изомеризации галактозы в тагатозу. Гидролиз лактозы обычно проводится в кислотных условиях (pH 5,0 ~ 6,0), а использование кислотного L-AI может упростить процесс и сэкономить затраты.

Первый способ получить кислотный L-AI — это проверить различные микроорганизмы, особенно кислотные микроорганизмы, такие как Bacillus acidopullulyticus (pH opt 6.0, 65 ° C, ATCC 43030) [12]. Есть также некоторые L-AI, полученные от acidophilic бактерий, pHopt которых находится в нейтральном диапазоне, но которые могут поддерживать большую часть своей деятельности и поддерживать определенную стабильность в кислотных условиях, таких как L-AI, полученных из кислотных феррооксидов [11].

Другим способом получения кислотного L-AI является энзиматическая инженерия. Ли и др. [12, 23] сравнили последовательности аминокислотных соединений AAAI (pHopt = 6), GSAI (pHopt = 7) и BHAI (от B. halodurans, pHopt = 8) и предложили установить, что 269 остатков лизина отвечают за кислотную адаптацию AAAI. Последующий мутагенез, направленный на сайт, подтвердил эту гипотезу: pHopt of AAAI-K269E смещается на одну единицу pH в щелочный диапазон, в то время как pHopt of BHAI-E268K смещается на одну единицу в кислотный диапазон. Oh et al. [24] провели под руководством сайта случайный мутагенез Val408 и Asn475 другого GSAI (pHopt = 8,5), получив двух мутантов с pHopt 7,5, Q408V и R408V. Недавно rхими et al. [25] рационально спроектированы L-AI (BSAI) от B. stearothermophilus US100. Один мутант Q268K обладал большей кислотной устойчивостью, чем фермент дикого типа, что соответствует результатам В чем дело?et al. Можно видеть, что изменение оптимального pH L-AI может быть достигнуто путем мутации одного или нескольких аминокислотных участков. В настоящее время можно установить, что аминокислотные участки, которые влияют на попт, включают Lys269 (AAAI, что соответствует Glu268 BHAI и Gln268 BSAI) и Val408 (GSAI). Двумя возможными путями дальнейшего подкисления L-AI в будущем являются двойная мутация вышеупомянутых двух участков и выявление других аминокислотных участков, которые влияют на попт.

4.3 достижение термоустойчивости независимо от ионизирующего действия металла

Температура реакции оказывает значительное влияние на реакцию изомеризации галактозы. По мере повышения температуры повышается способность L-AI связывания к галактозе, ускоряется скорость реакции, равновесная точка смещается в сторону продукта, а скорость преобразования значительно увеличивается. Тем не менее, температура выше 80 градусов приведет к браунингу, поэтому подходящая температура реакции для промышленного производства 60-70 градусов. Некоторые термофильные или чрезвычайно термофильные бактерии, такие как T. mathranii[15], G. stearothermophilus[23], G. thermodenitrificans[26], B. stearothermophilus US100[13]и Thertmus sp.[18], были скопированы и идентифицированы как L-AI с оптимальной температурой реакции и хорошей термоустойчивостью.

Однако эти L-AI зависят от ионов металлов для поддержания их термоустойчивости. Поскольку ионы металлов, добавляемые в процессе реакции, должны быть удалены из продукта, это увеличивает издержки и создает загрязнение. Поэтому необходим металлический иононезависимый термостабильный L-AI. L-AI от B. stearothermophilus US100 является металлическим ионным независимым ниже 65 °C и не требует Mn2+ для поддержания ферментной активности выше 65 °C, хотя стабильность нарушена. Только 0,2 ммоль/л Co2+ и 1 ммоль/л Mn2+ необходимы для поддержания термоустойчивости белка [13]. Можно получить L-AI, который полностью независим от ионов металла, путем дальнейшей мутации и скрининга.

Кроме того, определена хрустальная структура L-AI, полученная из Escherichia coli [27], и трехмерная структура L-AI из различных источников может быть построена с помощью молекулярного моделирования, которое обеспечит теоретическую основу для ферментных инженерных исследований.

4.4 производство и иммобилизация ферментов

В настоящее время гетерологическое выражение L-AI в основном осуществляется в Escherichia coli. Однако, с тех порТагатоза используется в пище и медицине, его выражение в небезопасных для пищевых продуктов микроорганизмах может создавать проблемы безопасности. Таким образом, после разработки фермента для получения L-AI, пригодного для промышленного производства, следующий шаг заключается в Том, чтобы выразить его в безопасных для пищевых продуктов микроорганизмах. Широко используемые безопасные для пищевых продуктов микроорганизмы включают бациллы, коринебактерии и дрожжи.

После получения искусственных бактерий с высоким L-AI выражением, биокаталисты могут быть подготовлены с использованием иммобилизованных ферментов или иммобилизованных клеток. В настоящее время метод альгинадия-хлорида кальция используется главным образом для иммобилизации ферментов L-AI. Однако заимствование методов иммобилизованных ферментов и иммобилизованных клеток, которые в настоящее время успешно используются в промышленности, может способствовать дальнейшему повышению эффективности, увеличению периода полураспада и сокращению затрат.

Перспективы на будущее

Тагатозе был открыт в течение нескольких десятилетий, и иностранные исследователи провели относительно тщательные исследования его физических и химических свойств и физиологических функций. Она используется в качестве пищевой и фармацевтической добавки при производстве продукции во многих странах, и разработаны соответствующие стандарты и правила. Бизнес консалтинг (BBC) прогнозирует, что рыночная доля тагатозе покажет явную тенденцию к росту. В китае мало исследований по тагатозе, и только в последние годы были проведены некоторые связанные с этим исследования. Данные о промышленном производстве и применении тагатозы еще не представлены, а рынок потребления тагатозы по-прежнему пуст. Таким образом, существует огромный потенциал для отечественного производства и применения тагатозы, который должен быть разработан отечественными исследователями.

Ссылка на сайт

[1] Normen L, Laerke H N, Jensen B B, et al. Мелкокишечное поглощение d-тагатозы и связанное с этим воздействие на углеводную способность пищеварения: илеостомическое исследование [J]. М. : клин нутр, 2001, 73(1): 105 — 110.

[2] Donner TW, Wilber J F, Ostrowski D. D-tagatose, новый гексатоза: острое воздействие на углеводов толерантность у лиц с диабетом типа 2 и без него [J]. Метаб сахарного диабета, 1999, 1(5): 285 — 291.

[3] подсластитель Wong D. определен безопасным в лекарствах, мытье рта и зубных пастах [J]. Дент сегодня, 2000, 19(5): 32, 34-35.

[4] Levin G V. Use of tagatose to enhance key blood factors: US, 6015793[P]. 2000-01-18.

[5] Ercan-Fang N, Gannon M C, Rath V L, et al. Интегрированное воздействие нескольких модуляторов на гликоген-фосфорилазу печени человека a[J]. Am JPhysiolEndocrinol Metab, 2002, 283(1): E29-37.

[6]Buemann B, Toubro S, Holst J J, et al. D- тагатоза, стереоизомер d-фруктозы, увеличивает концентрацию мочевой кислоты в крови [J]. Метаболизм, 2000, 49(8): 969-976.

[7] американская диабетическая ассоциация. Научно обоснованные принципы и рекомендации в области питания для лечения и профилактики диабета и связанных с ним осложнений [J]. Диабет, 2002, 25(1): 202-212.

[8] управление продовольствия и лекарственных средств, HHS. - с нами. Маркировка продуктов питания: медицинские требования; Д-тагатоза и кариес зубов. Последнее правило [J]. ФРС регист, 2003, 68(128): 39831-39833.

[9]Spherix, Incorporated. D-tagatose[кол]. [2010-03-18]. http://www. Spherix.com/ biospherics _d- tagtose.html.

[10] Beadle J R, Saunders J P, Wajda Jr. T J. процесс производства тагатозе: US, 5078796[P]. 1992-01-07.

[11] Чэн л, му у, чжан т и др. L- арабинозный изомер из Acidothermus cellulolytics ATCC 43068: клонирование, выражение, очищение и характеристика [J]. Appl Microbiol Biotechnol,2009.

[12] Lee  S  J, Ли ди у,Choe E A, et al. Характеристика термокислотного l-арабинозного изомера из Alicyclobacillus acidocaldarius: роль лис -269 в pH optim[J]. Appl Environ Microbiol, 2005, 71(12): 7888-7896.

[13]  Рахими м, бежар S. клонирование, очистка и биохимическая характеристика металлических ионов, независимых и термоактивных изомеров l- арабинозы из штамма Bacillus stearothermophilus US100 [J]. Biochim Biophys Acta, 2006, 1760(2): 191 — 199.

[14] Чон э с, ким х джей, о д к. производство тагатозы иммобилированными рекомбинатными клетками Escherichia coli, содержащими Geobacillus stearothermophilus L-arabinose изомеров мутанта в пакетной кровати биореактор [J]. Biotechnol Prog, 2005, 21(4): 1335-1340.

[15] Йоргенсен F, хансен O C, Stougaard P. ферментативное преобразование d-галактозы в d-тагатозу: гетерологическое выражение и характеристика термостабильного l-арабинозного изомера из термоанаэробактера mathranii[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2004, 64(6): 816-822.

[16] Lee D W,  Чан х джей, чхве э а и др. Характеристика термостабильного l-арабинозы (d-галактозы) изомера из гипертермической eubacterium Thermotoga maritima[J]. Appl Environ Microbiol, 2004, 70(3): 1397-1404.

[17] Ким б СИ, ли х, ли х с и др. Клонирование, выражение и характеристика l-арабинозного изомера из Термотога неаполитана: биопреобразование d-галактозы в d-тагатозу с использованием фермента [J]. FEMS MicrobiolLett, 2002, 212(1): 121-126.

[18]  Ким джей у, ким и у, ро х джей и др. Производство тагатозы рекомбинатным термостабильным l-арабинозем из термоса sp. IM6501[J]. BiotechnolLett, 2003, 25(12): 963-967.

[19]  Ким п, юн С H, Со м джей и др. Повышение коэффициента преобразования тагатозы путем генетической эволюции термостабильного изомера галактозы [J]. BiotechnolAppl Biochem, 2001, 34(Pt 2): 99-102.

[20]Oh H J, Ким ким кимH J, Oh D K. увеличение производства D- тагатозы путем локального мутагенеза l-арабинозного изомера из термоденитриканса Geobacillus [J]. Biotechnol Lett, 2006, 28(3):145-149.

[21] Kim  J-H, Prabhu P, Jeya M, и др. Характеристика l-арабинозного изомера из Bacillus subtilis[J]. Appl MicrobBiot, 2009, 85(6): 1839 — 1847.

[22]Prabhu P, Tiwari M K, Jeya M, et al. Клонирование и характеристика нового l-арабинозного изомера из Bacillus licheniformis[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2008, 81(2): 283-290.

[23] Ли ди у, чхве э а, ким с б и др. Особая зависимость металла от каталитических и структурных функций в изомеразах l-арабинозы от мезофильных бациллов галодуранов и термофильных геобациллов stearothermophilus[J]. Arch Biochem Biophys, 2005, 434(2): 333-343.

[24] о д 'кей, о х джей, ким х джей и др. Изменение оптимального pH в l-арабинозем изомере из геобакиллуса стеаротермимофила для d-галактозной изомеризации [J]. J Mol Catal B-фермент, 2006, 43(1-4): 108-112.

[25] рахими м, агаджари н, жуй м и др. Рациональный дизайн Bacillus stearothermophilus US100 L-arabinose изомеров: потенциальные приложения для производства d-тагатозы [J]. Биохимия, 2009, 91(5):650 — 653.

[26] ким х джей, O D K. очистка и характеристика l-арабинозного изомера из изолированного штамма термоденитрификанов Geobacillus, производящих D- тагатозу [J]. J биотехнол, 2005, 120(2): 162 — 173.

[27]Manjasetty B A, Chance M R. Crystal structure of Escherichia coli L-arabinose isomerase (ECAI), предполагаемая цель биологического производства тагатозы [J]. J Mol Biol, 2006, 360(2): 297-309.