Бактерії допомагають зробити низькокалорійний цукор

бактерії

Поділіться

Уявіть, що цукор містить лише 38 відсотків калорій традиційного столового цукру, безпечний для діабетиків і не спричиняє порожнин. Тепер додайте, що цей підсолоджувач мрії - це не штучний замінник, а справжній цукор, що зустрічається в природі, і на смак схожий на цукор. Ви, мабуть, захочете використати це у своїй наступній чашці кави, вірно?

Цей цукор називається тагатозою. FDA схвалила його як харчову добавку, і на сьогоднішній день не надходило повідомлень про проблеми, які мають багато замінників цукру - наприклад, металевий смак або, що ще гірше, пов’язані з раком - за даними дослідників та ФАО/ВООЗ, які засвідчив, що цукор "загалом вважається безпечним".

То чому цього немає у всіх ваших улюблених десертах? Відповідь полягає у витратах на його виробництво. Отриманий із фруктів та молочних продуктів, тагатози не багато, і його важко видобути з цих джерел. Процес виробництва передбачає перехід з більш легко отримуваної галактози в тагатозу і є дуже неефективним, при цьому урожайність може досягати лише 30 відсотків.

Але дослідники з університету Тафтса розробили процес, який може розкрити комерційний потенціал цього низькокалорійного цукру з низьким вмістом глікемії. У нещодавній публікації в Nature Communications доцент Нікхіл Наїр і доктор наук Йозеф Бобер, обидва з Інженерної школи, придумали інноваційний спосіб виробництва цукру з використанням бактерій як крихітних біореакторів, які інкапсулюють ферменти та реагенти.

Використовуючи такий підхід, вони досягли врожайності до 85 відсотків. Хоча від лабораторії до комерційного виробництва є багато кроків, такий високий урожай може призвести до масштабного виробництва та отримання тагатози на кожній полиці супермаркету.

Вибраний фермент для виготовлення тагатози з галактози називається L-арабінозна ізомераза (LAI). Однак галактоза не є основною мішенню для ферменту, тому швидкість і вихід реакції з галактозою є менш оптимальними.

У розчині сам фермент не дуже стабільний, і реакція може просуватися вперед лише до тих пір, поки приблизно 39 відсотків цукру не перетвориться в тагатозу при 37 градусах Цельсія (близько 99 градусів за Фаренгейтом) і лише до 16 відсотків при 50 градусах За Цельсієм (близько 122 градусів за Фаренгейтом), перш ніж фермент розкладеться.

Найр і Бобер прагнули подолати кожну з цих перешкод за допомогою біовиробництва, використовуючи Lactobacillus plantarum - харчову бактерію - для виготовлення великих кількостей ферменту LAI та забезпечення його безпеки та стабільності в межах клітинної стінки бактерій.

Вони виявили, що при експресії в L. plantarum фермент продовжував перетворювати галактозу в тагатозу і збільшував урожай до 47 відсотків при 37 градусах Цельсія. Але тепер, коли фермент LAI стабілізувався всередині клітини, він міг збільшити урожай до 83 відсотків при більш високій температурі 50 градусів Цельсія, не погіршуючи суттєво, і він виробляв тагатозу набагато швидше.

Щоб визначити, чи зможуть вони пришвидшити реакцію ще швидше, Найр і Бобер дослідили, що все-таки може її обмежити. Вони знайшли докази того, що транспорт вихідної речовини, галактози, до клітини є обмежуючим фактором. Щоб вирішити цю проблему, вони обробляли бактерії дуже низькими концентраціями миючих засобів - рівно стільки, щоб зробити їх клітинні стінки негерметичними, на думку дослідників. Галактоза змогла потрапити і тагатоза вивільнилася з клітин, що дозволило ферменту швидше перетворювати галактозу в тагатозу, збриваючи пару годин часу, необхідного для досягнення 85-відсоткового виходу при 50 градусах Цельсія.

"Ви не можете перемогти термодинаміку. Але хоча це правда, ви можете обійти його обмеження за допомогою інженерних рішень », - сказав Наїр, автор-кореспондент дослідження. "Це як той факт, що вода не буде природним чином надходити з нижчого на вище, тому що термодинаміка цього не дозволяє. Тим не менш, ви можете перемогти систему, наприклад, використовуючи сифон, який спочатку підтягує воду, перш ніж випустити її з іншого кінця ».

Інкапсуляція ферменту для стабільності, протікання реакції при більш високій температурі та подача його більше вихідного матеріалу через негерметичні клітинні мембрани - все це «сифони», що використовуються для витягування реакції вперед.

Незважаючи на те, що потрібна додаткова робота, щоб визначити, чи можна процес масштабувати до комерційних застосувань, біовиробництво має потенціал для поліпшення врожайності та впливу на ринок замінників підсолоджувачів, який, за оцінками ринку, у 2018 році коштував 7,2 млрд доларів, згідно з даними ринку дослідницька фірма Knowledge Sourcing Intelligence.

Найр і Бобер також відзначають, що існує багато інших ферментів, які можуть отримати користь від використання бактерій як крихітних хімічних реакторів, що підвищують стабільність ферментів при високотемпературних реакціях і покращують швидкість і вихід конверсії та синтезу. Оскільки вони сподіваються на вивчення інших застосувань, від виробництва харчових інгредієнтів до пластмас, на їх тарілці буде багато.