Bakterier hjælper med at lave kaloriefattigt sukker

Forestil dig et sukker, der kun har 38 procent af kalorierne i traditionelt bordsukker, er sikkert for diabetikere, og vil ikke forårsage huller. Tilføj nu, at dette drømmesødemiddel ikke er en kunstig erstatning, men et ægte sukker, der findes i naturen, og det smager som, godt, sukker. Du vil sikkert gerne bruge det i din næste kop kaffe, ret?

Dette sukker kaldes tagatose. FDA har godkendt det som et fødevaretilsætningsstof, og der har hidtil ikke været rapporter om de problemer, som mange sukkererstatninger har - såsom en metallisk smag, eller værre, forbindelser til kræft – ifølge forskere og FAO/WHO, som certificerede sukkeret som "generelt betragtet som sikkert."

Så hvorfor er det ikke i alle dine yndlingsdesserter? Svaret ligger på bekostning af at producere det. Mens de stammer fra frugter og mejeriprodukter, tagatose er ikke rigeligt og er vanskeligt at udvinde fra disse kilder. Fremstillingsprocessen involverer en konvertering fra lettere opnået galactose til tagatose og er meget ineffektiv, med udbytter, der måske kun når op på 30 pct.

Men forskere ved Tufts University har udviklet en proces, der kan frigøre det kommercielle potentiale af denne kaloriefattige, lavt glykæmisk sukker. I en nylig udgivelse i Naturkommunikation , Adjunkt Nikhil Nair og postdoc Josef Bober, begge fra Ingeniørskolen, kom med en innovativ måde at fremstille sukkeret ved hjælp af bakterier som bittesmå bioreaktorer, der indkapsler enzymerne og reaktanterne.

Ved at bruge denne tilgang, de opnåede udbytter op til 85 procent. Selvom der er mange trin fra laboratoriet til kommerciel produktion, så høje udbytter kan føre til storskalaproduktion og få tagatose på hver supermarkedshylde.

Det foretrukne enzym til fremstilling af tagatose fra galactose kaldes L-arabinose-isomerase (LAI). Imidlertid, galactose er ikke hovedmålet for enzymet, så hastighederne og udbyttet af reaktionen med galactose er mindre end optimale.

I en løsning, enzymet i sig selv er ikke særlig stabilt, og reaktionen kan kun skubbe fremad, indtil omkring 39 procent af sukkeret er omdannet til tagatose ved 37 grader Celsius (ca. 99 grader Fahrenheit), og kun op til 16 procent ved 50 grader Celsius (ca. 122 grader Fahrenheit), før enzymet nedbrydes.

Nair og Bober søgte at overvinde hver af disse forhindringer gennem biofremstilling, ved at bruge Lactobacillus plantarum - en fødevaresikker bakterie - til at fremstille store mængder af LAI-enzymet og holde det sikkert og stabilt inden for rammerne af bakteriecellevæggen.

De fandt ud af, at når det blev udtrykt i L. plantarum, enzymet blev ved med at omdanne galactose til tagatose og pressede udbyttet til 47 procent ved 37 grader Celsius. Men nu hvor LAI-enzymet blev stabiliseret i cellen, det kunne øge udbyttet til 83 procent ved den højere temperatur på 50 grader Celsius uden at forringe væsentligt, og den producerede tagatose i et meget hurtigere tempo.

For at afgøre, om de kunne skubbe reaktionen endnu hurtigere, Nair og Bober undersøgte, hvad der stadig kunne begrænse det. De fandt bevis for, at transporten af ​​udgangsmaterialet, galaktose, ind i cellen var en begrænsende faktor. For at løse det problem, de behandlede bakterierne med meget lave koncentrationer af rengøringsmidler - lige nok til at gøre deres cellevægge utætte, ifølge forskerne. Galactosen var i stand til at komme ind og tagatose frigivet fra cellerne, tillader enzymet at omdanne galactose til tagatose hurtigere, barbering et par timer af den tid, der skal til for at nå 85 procent udbytte ved 50 grader Celsius.

"Du kan ikke slå termodynamik. Men selvom det er sandt, du kan omgå dens begrænsninger ved hjælp af tekniske løsninger, " sagde Nair, som er den korresponderende forfatter til undersøgelsen. "Det er ligesom det faktum, at vandet ikke naturligt vil strømme fra lavere højde til højere højde, fordi termodynamikken ikke tillader det. Men, du kan slå systemet ved, for eksempel, ved hjælp af en sifon, som først trækker vandet op, før det slipper det ud i den anden ende."

Indkapsling af enzymet for stabilitet, køre reaktionen ved højere temperatur, og fodring af det mere udgangsmateriale gennem utætte cellemembraner er alle "hæverter", der bruges til at trække reaktionen fremad.

Selvom der er behov for mere arbejde for at afgøre, om processen kan skaleres op til kommercielle applikationer, biofremstilling har potentiale til at forbedre udbyttet og have en indvirkning på markedet for sødemiddelerstatning, som blev anslået til at være 7,2 milliarder dollars værd i 2018, ifølge markedsundersøgelsesfirmaet Knowledge Sourcing Intelligence.

Nair og Bober bemærker også, at der er mange andre enzymer, der kan drage fordel af at bruge bakterier som bittesmå kemiske reaktorer, der øger enzymstabiliteten til højtemperaturreaktioner og forbedrer hastigheder og udbytter af omdannelse og syntese. Mens de ser frem til at udforske andre applikationer, fra fremstilling af fødevareingredienser til plastik, der vil være meget på deres tallerken.