¿Qué es la tagatosa edulcorante D?

Con la creciente demanda de una mejor calidad de vida, los tipos de edulcorantes para alimentos y bebidas están en constante aumento. Además de los edulcorantes nutritivos como la sacarosa, los edulcorantes no nutritivos se están convirtiendo en la corriente principal del mercado de edulcorantes porque rara vez o no producen calorías y pueden reducir el riesgo de diabetes, obesidad, enfermedades cardiovasculares y cáncer. Los edulcorantes no nutritivos comúnmente utilizados actualmente incluyen fructooligosacáridos, eritritol, xilitol, etc. La d-tagatosa, descubierta en los últimos años, es un edulcorcon beneficios especiales para la salud y tiene un gran potencial de mercado.

1 Introduction to D-tagatose (en inglés)

La d-tagatosa (CAS87-81-0) es una rara hexosa natural que existe en la naturaleza. Es un diastereoisómero de la fructosa con una masa molecular relativa de 180.16. Tiene un dulzor similar a la sacarosa, con un nivel de dulzor del 92% de sacarosa, y prácticamente no tiene regusto desagradable o sabores desagradables. Produce sólo 1/3 de las calorías de sacarosa, por lo que es un edulcorbajo en calorías. Se estima que tiene un índice glucémico de 8.

La tagatosa puede ser metabolizada a través de la ruta de la tagatosa-6-fosfato, que está presente en algunos microorganismos, pero no en animales superiores. Sólo alrededor del 20% de la tagatosa consumida por los seres humanos es absorbida en el intestino delgado, y el resto es selectivamente descompuesto y utilizado por los microorganismos intestinales [1]. Por lo tanto, la tagatosa es baja en calorías y tiene el efecto de controlar el peso y prevenir la diabetes [2]. La tagatosa produce bajos niveles de ácido en la boca y no baja el pH de la placa dental, previniendo eficazmente la erosión del esmalte y la aparición de caries [3]. La tagatosa también es un buen prebiótico. Las pruebas toxicológicas han demostrado que la tagatosa es segura y no tóxica [4]. Las funciones de salud y los campos de aplicación de la tagatosa se muestran en la tabla 1.

2 mecanismo de la tagatosis contra la hiperglicemia

El mecanismo de la tagatosa contra la hiperglucemia aún no ha sido completamente explicado. Basado en estudios experimentales, se ha propuesto un posible mecanismo para el control de la concentración de glucosa sanguínea por medio de la tagatosa. Después de la absorción, la tagatosa se metaboliza principalmente en el hígado, yla ruta metabólica es la misma que la de la fructosa, es decir, la fructoquinasa se fosforilprimero a la tagatosa-1-fosfato, y luego la aldolasa se descompone en gliceraldehído y dihidroxiacetona fosfato, yla tasa de descomposición es aproximadamente la mitad de la de la fructosa-1-fosfato. Similar a la fructosa-1-fosfato, las concentraciones elevadas de tagatosa-1-fosfato estimulla actividad de la glucosa quinasa, lo que resulta en un aumento del nivel de fosforilación de la glucosa a gluconato6-fosfato y una mayor activación de la glicógeno sintasa. Al mismo tiempo, la tagatosa-1-fosfato yla fructosa-1-fosfato inhila la glucógeno fosforilasa [5]. El efecto global de estas enzimas en la síntesis y degradación del glucógeno es una disminución de la glucosa sanguínea (figura 1) como puede verse en la figura 1, la fructosa tiene un mecanismo similar a la tagatosa para reducir la glucosa sanguínea, pero la tagatosa es más efectiva [6] y tiene menos efectos secundarios [7].

3 aplicación de tagatosa

En 2001, la FDA de los Estados Unidos determinó que la tagatosa era generalmente reconocida como segura (GRAS) [8]. En julio del mismo año, el comité conjunto de expertos en aditivos alimentarios (JECFA) recomendó la tagatosa como un nuevo edulcorbajo en calorías que podría usarse como aditivo alimentario con una ida (ingesta diaria aceptable) de 0-80 mg/(kg•d). Posteriormente, la tagatosa comenzó a ser ampliamente utilizada en bebidas saludables, yogur, jugos de frutas, alimentos para diabéticos, alimentos dietéticos, goma de mascar, cereales, productos cárnicos, dulces, etc., y en medicina para jarabe para la tos, polvos, agentes efervescentes, adhesivos para fijar dentpostizas y desinfectantes orales.

En 2003, PepsiCo comenzó a usar tagatosa en bebidas de Sprite, siendo la primera vez que la tagatosa se había utilizado en un producto comercial. Posteriormente, New Zealand's Miada Sports Nutrition Foods Company utiliza la tagatosa en los productos de chocolate, que se lanzaron en los mercados de Australia y nueva Zelanda en mayo de 2003.

Research into tagatose (en inglés)Como un tratamiento para la diabetes ya ha comenzado. El 16 de noviembre de 2009, Spherix informó que el ensayo clínico de fase III había alcanzado los resultados esperados. La compañía presentará en 2010 una nueva solicitud de fármaco para utilizar la tagatosa en el tratamiento de la diabetes tipo II [9].

4 producción de tagatosa

Hay dos métodos para producir la tagatosa: síntesis química y biotransformación. La síntesis química utiliza una sal de metal alcalino soluble o una sal de metal alcaltérreo como catalizador para promover la formación de la tagatosa a partir de d-galactosa en condiciones alcalinas, y la formación de un complejo hidroxide-tagatosa de metal, y luego neutralización con ácido para obtener D-tagatose [10]. Debido a que los métodos químicos son intensivos en energía, los productos son complejos, la purificación es difícil, hay muchas reacciones secundarias, y la contaminación química se produce, el método de bioconversión tiene mejores perspectivas de aplicación.

En la actualidad, el método de biotransformación para la producción de tagatosa que más se ha estudiado es el uso de la l-arabinosa isomerasa para catalizar la conversión de d-galactosa a tagatosa. La función natural de la l-arabinosa isomerasa (EC 5.3.1.4, l-arabinosa isomerasa, L-AI) es catalizar la producción de l-ribulosa a partir de l-arabinosa. En los últimos años, se ha descubierto que esta enzima también puede catalizar la conversión de d-galactosa a tagatosa. El gen que codifica L-AI se encuentra ampliamente en procariotas, incluyendo Acidothermus cellulolyticus (Acidothermus cellulolytics) [11], Alicyclobacillus acidoc aldarius, cuya fuente AI se conoce en adelante como AAAI) [12], Geobacillus stearothermophilus (GSAI) [13, 14], Thermoanaerobacter mathranii [1 5], Thermotoga maritima [16], Thermotoga neapolitana [17], Thermus sp. IM6501 [18], etc. Se ha encontrado que el rango de temperatura óptimo para L-AI es de 20~ 80 ℃, y el pH óptimo (pHopt) es de 6.0~ 8.0. Iones metálicos como Mn2+ o Co2+ pueden mejorar su estabilidad. Aún queda mucho por mejorar en la producción industrial de L-AI. Las principales direcciones de investigación para la producción catalítica de tagatosa usando L-AI se describen a continuación.

4.1 mejorar la actividad catalítica de la enzima

La actividad específica de la l-arabinosa es de aproximadamente 30 U/mg, mientras que la de la l-arabinosa es de menos de 10 U/mg. Los primeros intentos se han hecho en el extranjero para mejorar la afinidad del sustry la eficiencia catalítica de la L-AI a través de la ingeniería enzim. Kim Kim Kimet al. [19]mutaron y dirigieron GSAI modificados al azar. En la primera ronda de evolución se produjeron cinco mutaciones en el sitio de los aminoácidos y la actividad específica de la enzima aumentó 11 veces; En la segunda ronda, hubo tres mutaciones de sitio más, y la actividad específica de la enzima aumentó otras 5 veces [20]. Entre los ocho sitios mutantes, las mutaciones A408V y K475N tienen un impacto significativo en la enzima#39;s afinal sustry velocidad de reacción. Recientemente, los investigadores han identificado dos L-AI con una especificidad de sustrextremadamente fuerte de Bacillus licheniformis ATCC 14580 y B. subtilis STR. 168, que sólo utilizan l-arabinosa como sustr[21-22]. Mediante la comparación de sus secuencias primarias con otras L-AI y la realización de análisis estructural avanzado, se espera que las reglas que rigen la especificidad del sustrde L-AI puede ser revelado, proporcionando así una base para la ingeniería enzim.

4.2 reducir el pH óptimo de la enzima

El fopt de L-AI está principalmente en el rango alcalino, mientras que la conversión industrial es más adecuada en el rango ácido porque (1) la tagatosa es estable a pH 2-7, y los valores altos de pH aumentan las reacciones secundarias; (2) la lactosa se utiliza generalmente como materia prima en la producción para hidrolizar la lacpara producir galactosa, y luego isomerizgalactosa para la tagatosa. La hidrólide la lacse suele llevar a cabo en condiciones ácidas (pH 5.0~6.0), y el uso de L-AI ácido puede simplificar el proceso y ahorrar costes.

La primera manera de obtener L-AI ácido es para la detección de diversos microorganismos, especialmente los microorganismos acidófilos, tales como Bacillus acidopullulyticus (pH opt 6,0, 65 ° C, ATCC 43030) [12]. También hay algunos L-AI derivados de bacterias acidófilas cuyo pHopt está en el rango neutro, pero que puede mantener la mayor parte de su actividad y mantener una cierta estabilidad en condiciones ácidas, tales como L-AI derivado de Acidithiobacillus ferrooxidans [11].

Otra forma de obtener L-AI ácido es la ingeniería enzim. Leeet al. [12,23] compararon las secuencias de aminoácidos de AAAI (pHopt = 6), GSAI (pHopt = 7) y BHAI (de B. halodurans, pHopt = 8) y propusieron que 269 residuos de lisina fueron determinados como responsables de la adaptación ácida de AAAI. El fopt de AAAI-K269E se desplazó por una unidad de pH al rango alcalino, mientras que el fopt de BHAI-E268K se desplazpor una unidad al rango ácido. Oh et al. [24] realizaron mutagenesis aleatoria dirigida al sitio en Val408 y Asn475 de otro GSAI (pHopt = 8.5), obteniendo dos mutantes con un pHopt de 7.5, Q408V y R408V. Recientemente, Rhimi et al. [25] ingeniaron racionalmente L-AI (BSAI) de B. stearothermophilus US100. Un mutante, Q268K, tenía mejor resistencia a los ácidos que la enzima de tipo natural, lo que es consistente con los resultados de Lee et al. Se puede ver que el cambio en el pH óptimo de L-AI se puede lograr mediante la mutación de uno o más sitios de aminoácidos. En la actualidad, se puede determinar que los sitios de aminoácidos que afectan a pHopt incluyen Lys269 (AAAI, correspondiente a Glu268 de BHAI y Gln268 de BSAI) y Val408 (GSAI). La doble mutación de los dos sitios anteriores y la identificación de otros sitios de aminoácidos que afectan a pHopt son posibles caminos para una mayor acidide L-AI en el futuro.

4.3 lograr una estabilidad térmica independiente del ion metálico

La temperatura de reacción tiene un efecto significativo en la reacción de isomeride de galactosa. A medida que la temperatura aumenta, la capacidad de reacción de enlace de L-AI a galactosa aumenta, la velocidad de reacción se acelera, el punto de equilibrio se desplaza hacia el producto, y la tasa de conversión aumenta significativamente. Sin embargo, una temperatura superior a 80 °C dará lugar a Browning, por lo que la temperatura de reacción adecuada para la producción industrial es de 60-70 °C. Algunas bacterias termófilas o extremadamente termófilas, como T. mathranii[15], G. stearothermophilus[23], G. thermodenitrificans[26], B. stearothermophilus US100[13]y Thertmus sp.[18], han sido clonadas e identificadas como L-AI con una temperatura de reacción óptima y buena estabilidad térmica.

Sin embargo, estos L-AI dependen de iones metálicos para mantener su estabilidad térmica. Dado que los iones metálicos añadidurante la reacción deben ser eliminados del producto, esto añade coste y crea contaminación. Por lo tanto, se necesita un ión metálico independiente térmicamente estable L-AI. Una L-AI de B. stearothermophilus US100 es independiente de iones metálicos por debajo de 65 °C y no requiere Mn2+ para mantener la actividad enzimpor encima de 65 °C, aunque la estabilidad se ve afectada. Solo 0,2 mmol/L Co2+ y 1 mmol/L Mn2+ son necesarios para mantener la estabilidad térmica de la proteína [13]. Es posible obtener un L-AI que es completamente independiente de iones metálicos a través de la mutación adicional y la detección.

Además, la estructura cristalina de la L-AI derivada de Escherichia coli se ha determinado [27], y la estructura tridimensional de la L-AI de diversas fuentes se puede construir a través de la simulación molecular, que proporcionará una base teórica para la investigación de ingeniería enzim.

4.4 producción e inmovilización de preparados enzimáticos

En la actualidad, la expresión heteróloga de L-AI se lleva a cabo principalmente en Escherichia coli. Sin embargo, dado que la tagatosa se utiliza en alimentos y medicamentos, su expresión en microorganismos no seguros para los alimentos puede plantear problemas de seguridad. Por lo tanto, después de la ingeniería de la enzima para obtener L-AI adecuado para aplicaciones de producción industrial, el siguiente paso es expresarlo en microorganismos seguros para los alimentos. Los microorganismos seguros para los alimentos de uso común incluyen Bacillus, Corynebacterium y levadura.

Después de obtener bacterias modificadas con alta expresión de L-AI, los biocatalizadores pueden ser preparados usando enzimas inmovilizo células inmoviliz. Actualmente, el método de alginato de sodio clorde calcio se utiliza principalmente para inmovilizar las preparaciones de la enzima L-AI. Sin embargo, tomar prestados los métodos de enzimas inmovilizy células inmovilizque se utilizan actualmente con éxito en la industria puede mejorar aún más la eficiencia, aumentar la vida media y reducir los costos.

5 perspectivas

TagatoseSe ha descubierto durante varias décadas, y los investigadores extranjeros han llevado a cabo investigaciones relativamente exhaussobre sus propiedades físicas y químicas y funciones fisiológicas. Se ha utilizado como aditivo alimentario y farmacéutico en la producción de productos en muchos países, y se han formulado normas y regulaciones relevantes. Business Consulting (BBC) predice que la cuota de mercado de tagatose mostrará una clara tendencia al alza. Ha habido poca investigación sobre la tagatosa en China, y sólo en los últimos años ha habido alguna investigación relacionada. La producción Industrial y la aplicación de la tagatosa aún no se ha informado, y el mercado para el consumo de tagatosa todavía está en blanco. Por lo tanto, hay un enorme potencial para la producción nacional y la aplicación de la tagatosa, a la espera de ser desarrollado por los investigadores nacionales.

referencia

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