D Mannose: ¿De qué está hecho?

Desde el auge de luninvestigación sobre las proteínas y los ácidos nuclea principios del siglo XX, el estudio de los carbohidratos ha experimentado un rápido desarrollo. En la década de 1960, la investigación científica sobre los hidratos de carbono se podría clasificar en tres campos: la química de los hidratos de carbono, la biología de los hidratos de carbono, y la ingeniería de hidratos de carbono [1]. A medida que la investigación sobre los carbohidratos se ha profundiz, nuestra comprensión de los carbohidratos también ha seguido evolucionando. Por ejemplo, los investigadores han utilizado las propiedades químicas de los azúcares para sintetizar diversos derivados del azúcar, y la comprensión de las funciones del azúcar ha evolucionado de su papel como fuentes de carbono a una serie de funciones biológicas [1,2]. Además, estudios en profundidad han revelado que los polisacáridos con múltiples actividades biológicas contienen d-manosa como un componente, y los informes posteriores han confirmado que la d-manosa posee diversas actividades fisiológicas.

D mannose is widely distributed ennature, with polysaccharides containing D-mannose units present in large quantities in plant cell walls yoligosaccharides, and free D-mannose is also found in some fruit peels [1,2]. Therefore, D-mannose can be prepared by extracting and purifying plant polysaccharides aobtain a pure product. Additionally, D-mannose can be synthesized chemically or through bioconversion methods. Currently, major domestic and international producers deD-mannose include Nanjing Reagent Co., Ltd., Hubei Jusheng Technology Co., Ltd., BioTech Pharmacal-Inc., Source Naturals, and NOW Foods. As a natural active monosaccharide, D-mannose has been widely used as a carbohydrate nutrient to address diseases such as diabetes and obesity. Additionally, D-mannose possesses anti-inflammatory and immune-modulating functions. In the human body, D-mannose is abundantly present in body fluids and tissue fluids, though it is not easily metabolized by the human body. However, it plays a significant role in immune regulation and glycoprotein synthesis [2,3]. Additionally, D-mannose is commonly used as a sweetener in the food industry, as a medication to prevent urinary tract infections in medicine, to prevent Salmonellainfection in broiler chickens and increase egg production in animal husbandry, and in chemical synthesis to produce trifluoromannose and L-ribose derivatives [4].

1. En el campo de la tecnología de preparación de la d-manosa, se han realizado progresos en la investigación

Los principales métodos para preparar d-manosa incluyen extracción, síntesis química y métodos biológicos. La extracción es un método comúnmente utilizado para preparar d-manosa, que consiste en hidrolizar y separar los polisacáridos y oligosacáridos de las plantas para obtener d-manosa. Este método requiere una gran cantidad de material vegetal y está influenciado por factores geográficos y estacionales. La síntesis química implica la conversión de D-glucosa a través de la isomerio la extensión de la cadena de carbono de la d-arabinosa. Los métodos químicos son diversos y se describen en varias publicaciones, pero implican procesos de producción complejos y altos costos. El método biológico utiliza la fermentación microbiana o ciertas isomerasas para convertir monosacáridos o polisacáridos en d-manosa. Este método tiene ventajas tales como condiciones de reacción suaves y bajo costo. Sin embargo, las isomerasas reportadas utilizadas en estudios actuales tienen baja eficiencia catalítica, y los productos pueden contener una cantidad significativa de subproductos [4].

1.1 método de extracción

Extracción 1.1.1 utilizando café molido como materia prima

Coffee grounds are a byproduct deinstant coffee production and contain abundant polysaccharides, primarily mannan oligosaccharides. Research indicates that mannan oligosaccharides can be hydrolyzed to D-mannose, which can further be reduced to mannanol, both of which play important roles asAditivos alimentarios[5].

A fines del siglo XX, Sun Zhongliang etAl.[6] realizaron estudios preliminares sobre el proceso de hidrólide los oligosacáride de manano. Mediante la adición de ácido, presión, y el establecimiento de una temperatura específica, hidrolizmanan oligosacáridos y encontraron que un reactor tubular logró el mejor efecto de hidrólia a altas temperaturas y tiempos de reacción cortos. La solución del producto de reacción era de color marrón claro, facilitando la separación y purificación. A principios del siglo XXYo,Huang Guangmin etAl.[7,8] llevaron a cabo una investigación de procesos sobre la producción de d-manosa a partir de mostos de café utilizando un método de hidrólisis ácida. Bajo condiciones de concentración de ácido sulfúrico de 1.5 mol/L a 3.0 mol/L, temperatura de 100°C a 130°C, y tiempo de reacción de 80 minutos a 120 minutos, el rendimiento de d-manosa en la solución de hidrólisis fue de 28% a 30%. Después de los pasos posteriores, incluyendo decoloración, concentración de evapor, separación de cristalización y secado, se obtuvo d-manosa pura. En 2015, Pei Jun et al. [9] inventaron un método para extraer d-manosa de alta pureza de los granos de café. Este método facilita la separación del producto durante la preparación, con un rendimiento superior al 60% y una pureza superior al 98%, y el proceso es sencillo y rentable, por lo que es adecuado para la producción industrial.

1.1.2extracción con semillas de palma como materia prima

Palm trees are abundantly found in southern provinces of China and belong to the palm family. The leaves, flowers, roots, and bark of palm trees are all used in traditional medicine. In the 1980s, Fang Jinian et al. [10] referenced the degradation conditions of bamboo polysaccharides and other materials. They added 80% concentrated sulfuric acid to crushed palm tree seeds, diluted the sulfuric acid concentration to 2N, and refluxed at 100°C for 5–6 hours. After separation, concentration, crystallization, purification, and drying, D-mannose was obtained with a yield of 30%. Subsequently, Pan Ziguo [1] from Zhejiang University further studied the extraction and purification process of D-mannitol based on this method. Using palm tree seeds as the raw material, the liquid containing D-mannitol was extracted through acid hydrolysis, alkali neutralization, and enzymatic reaction. The liquid was then decolorized with activated carbon, concentrated, and separated using silica gel. The liquid containing pure D-mannitol was desalted using ion exchange resin, Finally, D-mannitol crystals were crystallized, with a crystallization yield of 86.7% and a total yield of 48.4%. This method improved product yield, reduced production costs, and minimized pollution, providing essential foundational data for the industrial-scale production of the target product and the extraction, separation, and purification of intermediate liquids.

1.2 método de síntesis química

El método de síntesis química comúnmente utilizado para preparar d-manosa implica el uso de reactivos químicos para inducir una reacción de isomeridiferencial en la glucosa. Sin embargo, este método requiere un controlestricto de la concentración de ácido y la temperatura durante el procesamiento. En 1975, Takemura [11] describió un método de uso del ácido molibdico como catalizador, calentuna solución de D-glucosa a temperaturas de 110°C a 160°C y pHde 2,3 a 4,5, que convirtió parte de la glucosa en d-manosa con un rendimiento de 30% a 36%. Debido al bajo rendimiento y contenido de impurezas del producto, este método no es adecuado para la producción a gran escala. PH2.3-4.5. Debido a la inestabilidad del ácido molibdico, en 2003, Liu Chunyan [12] hidrolizó sacarosa (T = 100°C, pH = 2,0) durante 2 horas, produciendo un 50% de D-glucosa y un 50% de d-fructosa. La mezcla fue calentcon 0,15% (NH −) − MoO − (pH = 3,0) a 100 ₄ C durante 2 horas, resultando en un rendimiento de d-manosa del 30%. Posteriormente, Zhao Guanghui et al. [13] utilizaron 1% (NH −) − MoO − (pH = 3,0) para catalizar la reacción a 150 ₄ C durante 2 horas, logrando una tasa máxima de conversión de glucosa de 32,3%. El método de síntesis química para la preparación de d-manosa tiene bajo rendimiento y es operacionalmente pesado, por lo que es adecuado sólo para la preparación de laboratorio a pequeña escala.

1.3 método biológico

1.3.1 método de fermentación biológica

Hay dos métodos para producir d-manosa usando métodos biológicos: fermentación biológica y conversión biológica. The biological fermentation method involves fermenting polysaccharides or monosaccharides using microorganisms to obtain D-mannose, with numerous literature reports available. In a 2007 literature review by Hu Zhaohui et al. [14], it was noted that mannose proteins can be easily obtained from yeast through enzymatic hydrolysis or heating at high temperatures. Subsequently, Yang B et al. [15] found that the monosaccharide composition of SSLO (where xylose and mannose constitute the SSLO molecularchain) in soy sauce residue differs from that of oligosaccharides in soybeans, suggesting that D-mannose may be derived from microbial fermentation. En 2013, Charchoghlyan H et al. [16] aisló una cepa bacteriana llamada M. chitosanitabida del suelo, que, tras la hidrólisis de EPS, produce altos niveles de polisacáriextracelulares (ESP) compuesto de glucosa, manosa y galactosa (relación de peso molecular 18:6:1). Esto indica que la obtención de d-manosa libre a través de la fermentación microbiana no es sencillo.

1.3.2   Método de bioconversión

La bioconversión es un método que utiliza reacciones enzimpara convertir la fructosa o glucosa en d-manosa bajo condiciones de temperatura, presión y pH suaves. Las enzimas involucradas en estas reacciones enzimincluyen d-manosa isomerasa, cellobioisomerasa, y d-lixosa isomerasa, que están ampliamente disponibles. Según informes, la d-manosa isomerasa de Bacillus subtilis M-1 convierte aproximadamente 25% de fructosa en d-galactosa cuando el pH es 8.0-8.5 y la concentración de fructosa aumenta de 5% a 40% [17]. En 2015, Jiang Bo et al. [18] diseñaron un proceso de producción para la conversión eficiente de d-fructosa a d-manosa usando d-manosa isomerasa de Pseudomonas pseudomallei, y solicitó una patente (CN201510195854.4). Este método es adecuado para la producción a gran escala y proporciona un nuevo enfoque para la preparación industrial enzimde d-manosa. Comparado con la d-manosa isomerasa, la celulisomerasa es la única enzima capaz de convertir glucosa en d-manosa; Sin embargo, esta enzima tiene una baja eficiencia de conversión y produce una gran cantidad de subproductos (d-fructosa) durante el proceso de conversión, lo que la hace inadecuada para la producción industrial a gran escala [5]. Además, el uso de d-lixosa isomerasa para la síntesis de d-manosa ha ganado la atención significativa de los investigadores. Huang Jiawei et al. [5] sintetizuna d-lactulosa isomerasa termoestable a partir de un microorganismo resistente al calor y la aplicó a la síntesis de d-manosa. Encontraron que la enzima exhibuena estabilidad térmica bajo condiciones neuy débilmente alcalinas a temperaturas de 70°C a 75°C, con Co₂ mejorando significativamente la actividad enzim, haciéndolo adecuado para la conversión de d-lactulosa, y también demostrando una buena eficiencia catalítica hacia la fructosa.

2  Progresos de la investigación sobre la aplicación del D-manitol

2.1   Aplicación de D-manitol en la industria alimenticia

D-mannitol powder has stable properties, a sweet taste, and low calories, making it commonly used as a sweetener and food additive that can be consumed directly. Currently, the main countries producing food-grade D-mannitol are China and the United States, with products primarily available in capsule or powder form [3]. Adding D-mannose to food can improve texture. Elghaouth et al. [19] demonstrated that inoculating D-mannose into apples nearing spoilage reduced the diameter of rot spots. Yang Bingxun et al. [20] used high-performance liquid chromatography to confirm that D-mannose enhances the immune function beverages.

2.2 aplicaciones de d-manosa en la industria farmacéutica

La investigación indica que la d-manosa posee diversas actividades fisiológicas, incluyendo la mejora de la inmunidad, la mejora del sistema inmune, y el tratamiento de enfermedades comunes como la diabetes. Actualmente es el único carbonutriente utilizado en aplicaciones clínicas dentro de la industria farmacéutica. Wang Shuting [21] demostró que la d-manosa puede formar haces poliméricos con doxorrubicina como medicamento dirigido, lo que permite el tratamiento del cáncer dirigido y reduce los efectos secundarios tóxicos del medicamento. Ranta [22] usó d-manosa como materia prima para preparar un inmunoestimulante vinculado a los mananos de la pared celular de Candida albicans. Kamel [23] sintetizuna serie de nuevas bases de Schiff utilizando d-manosa como un intermediario sintético, y demostró que estos compuestos poseen actividad antitumoral. Dengler et al. [24] utilizaron de manera innovadora la d-manosa para mejorar la terapia génica no viral.

2.3 aplicaciones de d-manosa en la industria acuícola

Excessive use of antibiotics in aquaculture can lead to the proliferation of drug-resistant bacteria and environmental pollution [25,26]. Van [26] and Zhang Zhaofu [27] et al. demonstrated that D-mannose has an inhibitory effect on Salmonella infection in chicks, with no side effects, and can serve as an alternative to antibiotics for treating Salmonella infections. Berge et al. [28] demonstrated that adding D-mannose to livestock feed inhibits the proliferation of pathogens in the intestine, protects intestinal health, enhances immune and disease resistance, and improves feed utilization.

2.4 aplicaciones de d-manosa en el campo de la síntesis química

La d-manosa puede ser sintetizen varios derivados y juega un papel importante en aplicaciones clínicas [29]. Yang Zhi-jie et al. [30] usaron d-manosa como material de partida y, mediante acetilación, hidrólisis y sulfon, preparla trifluoromanosa con una pureza de 99%. En la naturaleza, la forma estructural primaria de los nucleósidos es la d-ribosa, mientras que la l-ribosa es un isómero de la d-ribosa. En comparación con la d-ribosa, la l-ribosa exhibe mejor actividad antiviral y antitumoral y menor citotoxicidad [31]. Actualmente, la l-ribosa es principalmente sintetizquímicamente, típicamente usando d-manosa como material de partida, que se convierte en l-ribosa a través del ácido d-manosa 1,4-lactoni[31,32]. Takahashi et al. [32,33] demostraron que la d-manosa se puede sintetizar en l-ribosa a través de ocho pasos, incluida la ciclolización, en condiciones de Mitsunobu. Seo et al. [32,34] mejoraron el rendimiento mediante el uso del ácido 1,4-lactona de d-manosa como materia prima para preparar l-ribosa.

2.5 aplicaciones de d-manosa en la industria cosmética

El Aloe vera posee funciones tales como protección solar, belleza e hidrat[35], siendo sus principales componentes bioactivos el ácido glucurónico y los polímeros de cadena larga de − -(1 − 4) -manano [36]. Los estudios han mostrado que la d-manosa tiene efectos de acondicionamiento de la piel, haciendo que la piel sea más suave y suave después de lavarse [37]. Wivell et al. [38] demostraron que cuando la proporción molar de D-glucosa, d-ácido glucurónico y d-manosa es 2,8:2,0:2.0, los efectos hidratantes y limpiadores de la piel son ópti.

2.6 aplicaciones de d-manosa en investigación bioquímica

Joersbo et al. [39] usaron d-manosa como agente de detección de células transgépara detectar remolacha azucaretransformada, logrando una tasa de germinde hasta 30% de los explantes. Además, se demostró que las células resistentes a la d-manosa eran adecuadas para el arroz transgénico primario bajo diversas condiciones de cultivo. Wang et al. [40] encontraron que la d-manosa tenía un buen efecto en la transformación de protoplastdel maíz en un medio de polietileno glicol.

3 resumen y perspectivas

El proceso de producción para la preparación de d-manosa implica principalmente métodos de extracción, que son intensivos en mano de obra, susceptibles a las variaciones estacionales y regionales en las materias primas, y propensos a daños ambientales y la contaminación. La síntesis química es adecuada para la producción de laboratorio a pequeña escala, pero no para la producción industrial a gran escala. Los métodos biológicos han sido un foco de investigación en los últimos años, ya que son simples, verdes y seguros. Sin embargo, la mayoría de las isomerasas descubiertas hasta ahora tienen baja actividad catalítica, son fácilmente afectadas por las condiciones de reacción, y pueden interrumpir los procesos de producción, mientras que las enzimas en sí son caras. Por lo tanto, la identificación de una isomerasa de bajo costo con alta eficiencia catalítica y estabilidad es un gran reto para los investigadores actuales.

The widespread application of D-mannose has created a broad market prospect, especially as it can serve as a substitute for high-calorie sugars and a new food additive, offering significant market application value. In the field of fine chemicals, D-mannose not only reduces costs but also, due to its natural properties and excellent skin care effects, brings significant economic benefits to enterprises. In the pharmaceutical field, drugs modified with D-mannose exhibit significant anti-inflammatory, anti-cancer, and anti-tumor effects, offering promising prospects for future applications in new drug development.

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