¿Cuál es el método de preparación de D tagatosa?

https://www.greenspringnatural.com/d-tagatose.htmlLuntagatosa Des un raro azúcar de seis carboncetosa en la naturaleza. Sus propiedades físicas y dulzura son similares a la sacarosa. Tiene bajo contenido de energía, puede reducir el azúcar en la sangre, mejorar la flora intestinal y prevenir la caries dental. Investigadores extranjeros han estudiado sus funciones fisiológicas y métodos de producción con más detalle, y la d-tagatosa se ha utilizado como edulcorbajo en calorías en bebidas saludables, yogur, jugos de frutas y alimentos para diabéticos en muchos países. En 2001, la administración de alimentos y medicamentos de los Estados Unidos (FDA) determinó que era generalmente reconocido como seguro (GRAS) [1]. Se ha investigado poco sobre el tagatoso en China, y hay muchos problemas con su producción industrial y su aplicación también necesita ser estudiada. Senembargo, el número de personas con diabetes y enfermedades cardiovasculares está aumentando año tras año en China, y la demanda de edulcorantes funcionales también está creciendo. Por lo tanto, la d-tagatosa tiene un gran potencial de mercado en China.

1 D-tagatose

1. 1 propiedades físicas y químicas

La d-tagatosa es un isómero de la d-galactosa y un diastereoisóde la d-fructosa (ver figura 1), con una masa molecular relativa de 180,16 u. La d-tagatosa pura es una sustancia blanca, inodoro, no cristalina con un punto de fusión de 134 °C. Es estable en el rango de pHde 2 a 7. Es altamente soluble en agua, con una solubilidad de 58% a 21°C. Su higroscopicidad es similar a la del sorbitol, y su viscode 180 cP (70% (p/p), 20°C) es menor que la de la sacarosa, ligeramente superior a la de sorbitol y fructosa [2]. El dulzor es similar al de la sacarosa, con un nivel de dulzor del 92% de sacarosa, y las calorías producidas son sólo 1/3 de sacarosa. La FDunde EE.UU. lo ha confirmado como un edulcorbajo en calorías con un valor energético de 1,5 kcal/g (aproximadamente 6280,2 J/g). Además, la d-tagatosa es propensa a la reacción de Maillard y puede caramelizar a temperaturas más bajas.

1. 2 funciones fisiológicas

(1) con bajo contenido energético,D-tagatosePuede ser catabolizada a través de la vía de la tagatosa-6-fosfato, que está presente en algunos microorganismos pero no en animales superiores [3]. La tasa de absorción de d-tagatosa en el intestino delgado es muy baja. La parte que no es absorbida por el intestino delgado llega al intestino grueso y es completamente fermentada por los microorganismos intestinales, produciendo una gran cantidad de ácidos grasos de cadena corta que son casi completamente absorbidos y metabolizados. El proceso de fermentación produce cantidades relativamente bajas de energía, y también hay una pérdida de energía debido al aumento de la excreción de productos de desecho microbianos. Por lo tanto, la energía producida por el catabolismo de la tagatosa es mucho menor que la de la sacarosa. Si la tagatosa se utiliza para reemplazar la sacarosa en la dieta, puede reducir eficazmente la incidencia de la obesidad.

(2) reducir el azúcar en la sangre: los estudios han demostrado que no hay un cambio significativo en los niveles de azúcar en la sangre o insulina después de ingerir tagatose. La tagatosa también inhila la absorción de glucosa en el intestino delgado, lo que puede reducir eficazmente el aumento de azúcar en la sangre causado por la ingesta de glucosa en pacientes diabéticos, y tiene una función en la terapia adyuvpara pacientes diabéticos tipo 2.

(3) mejora la flora intestinal. La d-tagatosa es fermentselectivamente en el colon por alguna flora microbiana, promoviendo el crecimiento de bacterias beneficiosas. Es un buen prebiótico. Al mismo tiempo, la gran cantidad de ácidos grasos de cadena corta beneficiosos producidos por la fermentación de la d-tagatosa tiene un buen efecto en la inhibidel cáncer de colon, inhibide bacterias patógenas intest, y la promoción del crecimiento de bacterias beneficiosas [3]. Por lo tanto, la d-tagatosa puede mejorar la flora intestinal y mantener la salud intestinal.

(4) Anti-caries: la d-tagatosa es similar a los polioles en la protección de los dientes. Debido aque produce bajos niveles de ácido en la boca y no baja el pHde la placa, puede prevenir eficazmente la aparición de caries y la erosión del esmalte [4].

2 D-Tagatosebiosynelsis (en inglés)

La d-tagatosa puede ser producida por bioconversión o síntesis química. Debido a que la producción química de d-tagatosa es propensa a la formación de impurezas tales como fructosa, sorbitol y manosa, que requieren cristrepetida para eliminar, esto reduce significativamente el rendimiento de d-tagatosa. Por lo tanto, la bioconversión está siendo continuamente investigada como un mejor método.

El método de bioconversión para producir tagatosa utiliza principalmente la l-arabinosa isomerasa para catalizar la conversión de d-galactosa a d-tagatosa. La función natural de la l-arabinosa isomerasa (EC 5.3.1.4, l-arabinosa isomerasa, L-AI) es catalizar la conversión entre la aldose y la conversión mutua de la cetosa [5]. La investigación ha encontrado que también puede catalizar la conversión de d-galactosa a d-tagatosa, pero su afinidad por d-galactosa es menor que su afinidad por l-arabinosa.

2.1 fuentes nacionales

Las condiciones óptimas de reacción para L-AI varían dependiendo de la fuente. La temperatura de reacción óptima para L-AI de bacterias mesofílicas es de 30 a 50 °C, incluyendo Alicyclobacillus acidocaldarius, bacihalodurans, Escherichia coli y Lactobacillusgayon-ii. La temperatura óptima de reacción para L-AI de bacterias termófilas es de 60 a 80 °C, incluyendo Geobacillus Geobacillusstearothermophilus, G. thermodenitrificans, y Thermoanaerobacter mathrani. La temperatura de reacción óptima para L-AI de bacterias hipertermófilos es de 85-90°C, incluyendo termo - toga neapolitana y T. Maritima. Como la tasa de conversión de L-AI a d-tagatosa aumenta con el aumento de la temperatura, la mayoría de las fuentes anteriores de L-AI eran bacterias termófilas, como Bacillus stearothermophilusUS100 y Thermoanaerobacter mathrani. Senembargo, estas bacterias termófilas no son microorganismos de calidad alimentaria, y su seguridad alimentaria es cuestionable. Por lo tanto, los investigadores han comenzado a utilizar microorganismos de calidad alimentaria para producir D-tagatose.

Los seres humanos han estado utilizando bacterias del ácido lácpara producir alimentos fermentados, tales como diversos productos lácteos durante miles de años. Lactococcuslactises actualmente uno de los organismos mejor reconocidos como seguros (GRAS), y también es un huésped de expresión eficaz para muchos productos proteicos diferentes. Además, el pHen el que crecen las bacterias del ácido láces el mismo que en el que se hidroliza la lactosa, lo que las convierte en una excelente opción para la bioconversión de la d-tagatosa. Actualmente, las cepas de calidad alimentaria de las bacterias del ácido lácque se ha demostrado que expresan L-tagatose incluyen Lactobacillus gayon-ii [6], Lactobacillus plantarum[7], Lactobacillus sakei 23K [8], y Lactobacillus fermentum, que fue descubierto en 2011 [9]. (Lactobacillus sakei 23K) [8] y Lactobacillus fermentum [9], una cepa de calidad alimentaria descubierta en 2011. El uso de cepas de calidad alimentaria hace que la producción enzimmicrobiana de la tagatosa sea más segura.

2. 2 modificación Molecular de L-AI

Aunque el gen araun(que expresa la proteína L-AI) se ha identificado en muchas especies, todavía hay muchos problemas con la producción industrial de L-AI. Por lo tanto, la modificación molecular de la L-AI para obtener una enzima que cumpla con los requisitos de la producción industrial se ha convertido en una parte importante de la investigación de la L-AI. Se ha determinado la estructura cristalina de E. coli L-AI, proporcionando una base para identificar la molécula responsable de la isomeride de la galactosa ala tagatosa. Rhimiet al. [10]determinaron los sitios catalíticos esenciales y de reconocimiento de sustrde de la l-arabinosa isomerasa de G. stearoothermophilus US100 sobre la base de la estructura cristalina y la secuencia. Con el fende mejorar la tasa de conversión de d-galactosa, la modificación molecular de L-AI se centra principalmente en mejorar la especificidad del sustr, la resistencia al calor y la reducción del pHóptimo [11].

La evolución directa del gen L-AI fue considerada el método más efectivo para mejorar la velocidad de reacción [12]. Los investigadores obtuvieron un L-AI mude de G. stearothermophilusa través de la reacción en cadena de la polimerasa. La enzima tenía tres cambios de sitio de aminoácidos en comparación con la enzima silvestre, V322M, A393T y A408V. Esta variante de L-AI ha mejorado la actividad catalítica hacia la d-galactosa, la temperatura óptima, la eficiencia catalítica y el rendimiento de la d-tagatosa [13]. El grupo de investigación de Deok-Kun Ohllevó a cabo mutagenesis dirigida al sitio en L-AI de G. thermodenitrificanspara obtener una enzima con dos sitios mutantes (C450S-N475K). AI de G. thermodenitrificans fue sometido a mutagenesis dirigida al sitio para obtener una enzima mutante doble (C450S-N475K). Esta doble enzima mutante tuvo un rendimiento de d-tagatosa del 58%, en comparación con el 46% para la enzima de tipo silvestre [14].

Los estudios han demostrado que el Mn2 + y /o Co2 + son necesarios para la actividad y la estabilidad térmica de muchos L-AI. Sin embargo, en la producción de d-tagatosa por el método de la enzima biológica, la adición de altas concentraciones de iones metálicos también aumentará el costo de post-procesamiento. Por lo tanto, la búsqueda de iones metálicos independientes de L-AI con estabilidad térmica también se ha convertido en una dirección importante de la modificación molecular de L-AI. En la actualidad, la estructura tridimensional de E. coli L-AI se ha determinado, y un posible sitio de Unión al metal se ha especulado mediante la comparación de su estructura cristalina con la estructura cristalina de E. coli l-trehalosa isomerasa [15].

La producción industrial de d-tagatosa requiere L-AI para reaccionar en el rango de pHácido. Debido a que la d-tagatosa es estable a pH de 2 a 7, las condiciones ácidas pueden reducir las reacciones de pardeamiento. Por otra parte, la lactosa se utiliza generalmente como materia prima en la producción, y la lacnecesita ser hidrolizada a galactosa primero, y la hidrólisis de la lacocurre generalmente bajo condiciones ácidas (pH 5 a 6). La L-AI tolerante a ácidos adquirida incluye dos mutantes, Q408V y R408V (pHopt 7.5), obtenidos de una mutación GSAI (pHopt 8.5) dirigida al sitio [16]. En la actualidad, los sitios de aminoácidos que afectan a pHopt pueden ser determinados, incluyendo Val408 (GSAI) y Lys269 (AAAI, correspondiente a Glu268 de BHAI y Gln268 de BSAI). En el futuro, estos dos sitios pueden ser mutados u otros sitios de aminoácidos que afectan a pHopt se pueden encontrar sobre la base de la estructura cristalina de L-AI.

2. 3 expresión de L-AI

En la actualidad, Escherichia coli se utiliza a menudo como una célula huésped para producir L-AI. Sin embargo, la producción de endotoxinas en E. coli puede plantear un problema de seguridad. Por lo tanto, después de obtener el gen L-AI adecuado para la producción industrial y su aplicación, expresarlo en bacterias genéticamente modificadas de calidad alimentaria se ha convertido en un nuevo foco de investigación. Xuet al. [17] utilizaron el Lactobacillus fermentum CGMCC2921en lugar de Escherichia coli como vector de expresión de L-AI y lograron la expresión a gran escala de L-AI.Nooraet al. [18] transfiel gen L-AI a la bacteria del ácido láclactococcus lactis, lo que permite la expresión de L-AI en un sistema de expresión indupor la reducción de fosfato.

2. 4 producción de D- tagatosa utilizando biocatalizadores inmovilizados

Después de obtener bacterias modificadas con alta expresión de l-ai, se requiere la inmovilización de la enzima o de las células productoras de enzimas para mejorar la resistencia mecánica de la enzima y reducir la pérdida de actividad enzim. El grupo de investigación Ohen la universidad nacional de Seúl en Corea del sur utilizó diferentes métodos de inmovilización como la adsorde gel de sílice, la microencapsulación, la incorporación de alginato de sodio, y la reticulde glutaraldehído para inmovilizar Escherichia coli L-AI y comparar los efectos de diferentes métodos de inmovilización en elTasa de conversión de D-tagatose. Los resultados mostraron que el mejor efecto fue el preparado enzimobtenido por el método de alginato sódico clorcálcico para obtener granos inmovilizados y luego reticulcon glutaraldehído.

Al comparar la capacidad de las enzimas libres, las enzimas inmovilizy las células inmovilizpara producir d-tagatosa, los investigadores encontraron que usando la misma cantidad de células, el rendimiento de d-tagatosa producido por las células inmovilizera era el más alto. Además, el uso de células productoras de L-AI como catalizadores puede proteger mejor la enzima, prevenir la desnaturalización de la enzima, aumentar el número de lotes de reacción, y reducir las impurezas en la solución de conversión. Fu Fenggen et al. [19] estudiaron la capacidad de las células recombinde E. coli inmovilizpara producir d-tagatosa. Los resultados mostraron que el uso de d-tagatosa como sustrbajo condiciones óptimas de reacción durante 24 horas, el inmovilizó la mayor tasa de conversión de d-tagatosa, hasta un 65,8%, y la tasa de conversión promedio de 60,6% para 8 lotes consecutivos, sentando las bases para la producción industrial de d-tagatosa.

2.5 efecto del ácido bórico sobre el rendimiento de d-tagatosa

Además de aumentar la temperatura de reacción, otra forma de cambiar el equilibrio de reacción hacia la d-tagatosa es añadir ácido bórico [B(OH)4-] a la mezcla de reacción. El ácido bórico forma complejos complejos con diferentes azúcares, generalmente mostrando una mayor afinpor las cetosis que por las aldosis. Esta propiedad ha sido explotada, por ejemplo, para mejorar la formación de cetosa de aldoses en la separación cromatográfica de carbohidratos. Se ha demostrado que las sales de borato forman un complejo más estrecho con cetosas, por ejemplo, se unen más fácilmente con d-tagatosa que con d-galactosa, con l-ribulosa que con l-arabinosa, y con D-allulose que con d-fructosa. Además de aumentar la conversión, la presencia de un buffer de borato también puede aumentar la velocidad de reacción.

Se ha informado que la d-tagatosa, l-ribulosa y -d-allulosa tienen tasas máximas de conversión de 74, 89 y 64%, respectivamente, en presencia de ácido bórico. La adición de ácido bórico al proceso de producción de cetosa puede romper el equilibrio químico original y aumentar el rendimiento del producto objetivo. El ácido bórico en la solución de conversión se elimina de un complejo carbocarboborato utilizando una columna especial de intercambio iónico de borato [20], que no afecta a la pureza del producto. Según Noora et al. [18], el rendimiento de d-tagatosa fue de 74% usando L-AI derivado de Thermotoga neapolitana a 60°C, pH 9,0, y con la adición de ácido bórico, que fue 24% mayor que el grupo control sin ácido bórico. Fu Fenggen et al. [19] investigaron el efecto de la relación molar de ácido bórico a sustrsobre el rendimiento en el sistema de reacción de isomerien un estudio sobre la producción de d-tagatosa por células de Escherichia coli recombininmoviliz. Los resultados mostraron que la adición de una cantidad adecuada de ácido bórico puede cambiar el equilibrio químico original y lograr altos rendimientos de d-tagatosa.

2. 6 separación y purificación de la d-tagatosa

Tanto los métodos de bioconversión como los de conversión química utilizan d-galactosa como materia prima, y el producto final de la reacción es una mezcla de d-tagatosa y d-galactosa. Por lo tanto, la separación y purificación de la d-tagatosa es también un factor que afecta el rendimiento de la d-tagatosa.

Los métodos de separación comúnmente utilizados incluyen cromatode intercambio catiónico o separación de resina simple. Huang Wenxia et al. [21] usaron cromatode resina de intercambio ica2 + y desaliniy decoloración de resina de intercambio catiónico para separar y purid-tagatose. La tasa de recuperación de d-tagatosa alcanzó el 83%, y la pureza alcanzó el 98. El principio de separación se basa principalmente en la diferencia en el grado de complejación de diferentes monosacáridos con Ca2 + para separar y purilos. También se ha informado en la literatura que la d-tagatosa puede ser puridegradselectivamente d-galactosa usando una célula de levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae L1). La pureza de la d-tagatosa obtenida por este método puede alcanzar más del 95%. Aunque la d-galactosa no reaccionada no puede ser recuperada para su reutilización, este método tiene las ventajas de una alta eficiencia de separación, bajo costo y operación sencilla, proporcionando más opciones para la producción industrial de d-tagatosa.

3. Aplicaciones de la d-tagatosa

3.1. Aplicaciones en alimentos

Debido a que la d-tagatosa tiene propiedades físicas y dulzor similares a la sacarosa, y también tiene propiedades físicas y químicas tales como resistencia al ácido, resistencia alcalina y resistencia al calor, tiene amplias perspectivas de aplicación en la industria alimentaria como un edulcorfuncional. Puede ser utilizado en bebidas saludables, yogur, chocolate, goma de mascar, alimentos para diabéticos, alimentos dietéticos, alimentos de cereales, etc.

Actualmente, los principales edulcorantes utilizados comúnmente en la industria de las bebidas son el ciclamato, aspartamo, sacarina, acesulfame, stevia, etc. Todos estos son edulcorantes fuertes que son propensos a producir resabores indeseables como sabores metálicos, amargos y astringentes. Sin embargo, la adición de tagatosa no causa ningún regusto indeseable. Además, la d-tagatosa es un buen prebiótico que puede ser fermentado y utilizado por probióticos, promoviendo el crecimiento de probióticos como Lactobacillus casei y Lactobacillus rhamnosus.

Los estudios han demostrado que la d-tagatosa puede promover el crecimiento de Lactobacillus casei y Lactobacillus rhamnosus, mejorar su actividad beneficiosa y la tasa de supervivencia en el intestino. Por lo tanto, la d-tagatosa se puede utilizar en suplementos probióticos y también en el yogur, donde proporciona dulzura mientras aumenta el número de bacterias vivas en el yogur, mejorando su valor nutricional y dándole un sabor más rico y completo. En 2001, la administración de alimentos y medicamentos de los Estados Unidos aprobó oficialmente el uso de d-tagatosa como edulcoren la industria de alimentos y bebidas. En 2003, PepsiCo comenzó a usar tagatosa en bebidas Sprite, y desde entonces se ha utilizado ampliamente en los Estados Unidos como un sustituto de la sacarosa en bebidas saludables, yogur, jugo de frutas y otros productos.

La tagatosa Dtiene la característica de ser propensa a la caramelización a bajas temperaturas. Estudios han encontrado que la d-tagatosa sufre una reacción de Maillard con aminoácidos para producir sustancias volátiles como 2-acetilfurano, 2-etilpirazina, 2-acetiltiazol y otras sustancias volátiles que reducen azúcares como la glucosa y la galactosa [22]. Se utiliza en productos horneados no sólo para producir un color ideal, sino también un sabor más suave. Debido a que la tagatosa tiene menor viscoque la sacarosa y se cristaliza fácilmente, si se utiliza para hacer hielo y se aplica a la superficie de los alimentos de cereales, puede aumentar la dulzura del producto y extender su vida útil.

3. 2  Aplicaciones en medicina, cosmética y otros campos

La d-tagatosa puede usarse en medicina como tratamiento para la diabetes tipo 2. Los estudios han demostrado que la d-tagatosa puede reducir los síntomas de la diabetes tipo 2 mediante la reducción de peso corporal y el aumento del contenido de lipoproteína de alta densidad (HLP). También puede usarse en jarabe para la tos, adhedentales y desinfectantes orales. La d-tagatosa se usa en cosméticos como estabilizador e hidratante. Debido a que la d-tagatosa es eficaz contra la caries dental y el mal aliento, puede usarse en dentdenty enjuague bucal. Actualmente, muchas pastas dentales utilizan D-sorbitol o glicer, o ambos, como humectantes. Sin embargo, el D-sorbitol es sólo la mitad de dulce que la sacarosa, mientras que la d-tagatosa es tan dulce como la sacarosa y tiene una higroscopicidad similar al sorbitol. La adición de d-tagatosa a la pasta de dientes y enjuague bucal puede mejorar la dulzura y satisfacer los requisitos de sabor, manteniendo una buena humectación y estabilidad.

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