Сахар, известный как тагатоза, считается безопасным для диабетиков, помимо других преимуществ, но его было сложно производить. Исследователи Тафтса надеются изменить это, чтобы помочь людям снизить потребление обычного сахара, подобного этому.
Представьте себе сахар, который содержит только 38 процентов калорий традиционного столового сахара, безопасен для диабетиков и не вызывает кариеса. Теперь представьте себе, что этот подсластитель мечты не искусственный заменитель, а настоящий сахар, найденный в природе, похожий на него на вкус. Думаем, Вы уже захотели его попробовать со следующей чашкой кофе.
Этот сахар называется тагатозой. FDA одобрило его в качестве пищевой добавки, и до настоящего времени не было сообщений о проблемах, которые есть у многих заменителей сахара, таких как металлический привкус или, что еще хуже, канцерогенность, если ссылаться на исследования и ВОЗ, которые признали, что тагатоза «как правило, считается безопасной».
Так почему же его нет во всех наших любимых десертах? Ответ заключается в расходах на его производство. Тагатозу получают из фруктов и молочных продуктов в незначительных количествах, и ее трудно их них извлечь. Процесс производства включает преобразование более легко получаемой галактозы в тагатозу и является весьма неэффективным, с выходом, который может достигать только 30 процентов. Но исследователи из Университета Тафтса разработали процесс, который может раскрыть коммерческий потенциал этого низкокалорийного, низкогликемического сахара.
В недавней публикации в Nature Communications ассистент профессора Никхил Наир и постдокторант Джозеф Бобер, оба из Школы инженерии, придумали инновационный способ производства сахара с использованием бактерий в качестве крошечных биореакторов, которые инкапсулируют ферменты и реагенты. Используя этот подход, они получили результат, достигающий 85%. Несмотря на то, что от лаборатории к коммерческому производству много шагов, такой высокий процент может послужить основой крупномасштабного производства и присутствия тагатозы на каждой полке супермаркета.
Фермент, который выбирают для получения тагатозы из галактозы, называется L-арабинозоизомераза (LAI). Однако галактоза не является основной мишенью для фермента, поэтому скорости и выходы реакции с галактозой ниже оптимальных. В растворе сам фермент не очень стабилен, и реакция может продвигаться только до тех пор, пока около 39 процентов сахара не преобразуется в тагатозу при 37 градусах Цельсия (около 99 градусов по Фаренгейту) и только до 16 процентов при 50 градусах. Цельсия (около 122 градусов по Фаренгейту), прежде чем фермент разложится.
Наир и Бобер пытались преодолеть каждое из этих препятствий с помощью биопроизводства, используя Lactobacillus plantarum, безопасную для пищевых продуктов бактерию, для получения больших количеств фермента LAI и обеспечения его безопасности и стабильности в границах бактериальной клеточной стенки. Они обнаружили, что при экспрессии в L. plantarum фермент продолжал превращать галактозу в тагатозу и увеличивал выход до 47 процентов при 37 градусах Цельсия. Но теперь, когда фермент LAI стабилизировался в клетке, удалось увеличить выход до 83 процентов при более высокой температуре 50 градусов Цельсия без значительного ухудшения и производить тагатозу с гораздо более высокой скоростью.
Чтобы определить, можно ли дальше ускорять реакцию, Наир и Бобер исследовали, что еще может создавать препятствия её протеканию. Они нашли доказательства того, что транспорт исходного материала, галактозы, в клетку был ограничивающим фактором.
Для решения этой проблемы они обработали бактерии очень низкими концентрациями моющих средств — достаточными, чтобы, по расчётам исследователей, их клеточные стенки протекали. Галактоза способна проникать внутрь и высвобождать тагатозу из клеток, что позволяет ферменту быстрее превращать галактозу в тагатозу, сокращая пару часов времени, необходимого для достижения выхода 85% при температуре 50 градусов Цельсия.
«Вы не можете победить термодинамику. Но, в то же время, вы можете обойти ограничения с помощью технических решений», — говорит Наир, автор исследования. «Это похоже на факт того, что вода не будет течь естественным образом с более низкой отметки на более высокую отметку, потому что термодинамика не позволит. Однако вы можете обойти систему, например, с помощью сифона, который поднимет воду, не позволяя ей течь обычным образом».
Инкапсуляция фермента для достижения стабильности, проведение реакции при более высокой температуре и подача в него большего количества исходного материала через протекающие клеточные мембраны — все это «сифоны», используемые для продвижения реакции вперед. Не смотря на то что требуется больше работы, для того чтобы определить, можно ли развить процесс до коммерческого применения, биопроизводство может повысить выработку и повлиять на рынок заменителей подсластителей, который, согласно оценкам, в 2018 году составил 7,2 миллиарда долларов, согласно маркетинговому исследованию "Knowledge Sourcing Intelligence".
Наир и Бобер также отмечают, что существует много других ферментов, в работе с которыми можно извлечь выгоду из использования бактерий в качестве крошечных химических реакторов, которые увеличивают стабильность фермента для высокотемпературных реакций и улучшают скорости и выходы конверсии и синтеза. Они ожидают изучения других областей применения, от производства пищевых ингредиентов до пластмасс, и работы предстоит много.