Etude sur la poudre synthétique de lycopène

Le lycopène (C40H56) est un pigment liposoluble naturelD’origine végétale et microbienne. Chimiquement, c’est un caroténoïde composé d’un hydrocarbure à chaîne droite avec 11 doubles liaisons conjuguées et 2 doubles liaisons non conjuguées [1]. Le lycopène peut récupérer efficacement les radicaux libres dans le corps et éteindre l’oxygène singlet. Sa capacité à éteindre l’oxygène singlet est 2 fois supérieure à celle du β-carotène et 10 fois supérieure à celle de l’α-tocophérol [2]. Il peut être utilisé comme antioxydant efficace pour réduire les effets néfastes du stress oxydatif sur les cellules. De plus en plus d’études ont montré que le lycopène a un effet protecteur ou d’intervention sur les maladies chroniques telles que le diabète de type 2, les tumeurs malignes et l’alzheimer' S maladie, et attire donc beaucoup d’attention dans les domaines de l’alimentation, de l’industrie chimique et de la médecine. L’organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), le comité du Codex sur les additifs alimentaires (CCFA) et l’organisation mondiale de la santé (oms) ont identifié le lycopène comme un nutriment de classe a [3].

Avec la reconnaissance croissante des produits fonctionnels naturels, la recherche sur le lycopène en tant qu’additif alimentaire fonctionnel s’approfondit également. Cependant, le corps humain ne peutSynthétiser le lycopèneDirectement et ne peut l’obtenir qu’à partir de légumes et fruits naturels ou de la flore intestinale, et ses sources et quantités sont assez limitées. Cet article se concentre sur la relation entre la structure principale de la poudre de lycopène, la biodisponibilité et les facteurs influençants, la voie de synthèse microbienne, les stratégies de synthèse de trois souches de levure pour produire du lycopène, et la relation et le rôle de l’application du lycopène dans la prévention de maladies chroniques. Il fournit une base théorique pour la production, l’utilisation et l’exploration fonctionnelle du lycopène.

1 structure chimique et biodisponibilité du lycopène et de ses analogues

 La structure moléculaire de laLa molécule de lycopène contient 13 doubles liaisons, 11 sont conjugués, ce qui rend le lycopène instable et sujet à l’isomérisation sous l’influence de la lumière, de l’oxygène, des acides, des catalyseurs ou d’autres changements environnementaux. Le lycopène existe principalement en deux conformations: l’isomère all-e (isomère all-trans) et l’isomère z-(isomère cis-trans) (Figure 1). Plus de 90% du lycopène naturel dans les fruits et légumes existe sous la forme all-e isomère la plus stable thermodynamiquement [4]; Cependant, des études ont révélé que plus de 50% du lycopène dans le sérum et les tissus humains est métabolisé sous la forme de l’isomère z [4]. Les isomères z courants sont principalement le lycopène 5-cis, 9-cis, 13-cis et 15-cis. Des études ont montré que le 5-cis lycopène a une capacité antioxydante plus élevée et une biodisponibilité plus élevée que d’autres analogues [5].

Par conséquent, l’absorption de 5-cis lycopène peut être plus bénéfique pour la santé humaine que le all-e-lycopène, et a un plus grand potentiel d’application dans les industries alimentaires et pharmaceutiques. Ces dernières années, les chercheurs ont travaillé dur pour développer des méthodes pour obtenir des concentrations élevées de z-lycopène, telles que le traitement thermique, le traitement par micro-ondes, l’irradiation de la lumière, le traitement par électrolyse et le traitement catalytique. Toutefois, ces méthodes peuvent encore être améliorées. Par exemple, le chauffage et le traitement par micro-ondes peuvent causer une dégradation en raison des températures élevées; Le traitement photochimique peut également entraîner une dégradation due à la conversion de l’isomère tout E. Bien que l’utilisation de photosensibilisants puisse empêcher efficacement laPhotodégradation du lycopène, il apporte le défi de l’élimination des photosensibilisants. De même, si des réactifs chimiques tels que des électrolytes et des catalyseurs sont utilisés, l’élimination des substances toxiques est également un grand défi.

Il y a deux raisons principales qui influent sur la biodisponibilité de la poudre de lycopène: le fait que le lycopène soit complètement libéré de la matrice alimentaire et la force de l’émulsification lipides dépendantes du lycopène et de la formation micellaire [6] (Figure 2).Absorption directe et taux d’utilisation du lycopèneDans les fruits et les légumes par le corps humain est très faible [7]. Cependant, des processus tels que le traitement thermique pendant la transformation des aliments peuvent endommager les membranes cellulaires et favoriser la libération de lycopène à partir de la matrice tissulaire, augmentant ainsi la biodisponibilité du lycopène. La biodisponibilité du lycopène varie considérablement selon la méthode de traitement, l’ordre de grandeur étant: préparations huileuses thermiquement traitées et purifiées > Traitement doux > Tomates crues [8]. Afin d’améliorer encore l’utilisation efficace du lycopène, les chercheurs ont développé avec succès des systèmes de distribution du lycopène tels que des émulsions traditionnelles, des porteurs de nanoémulsion et des porteurs de lipides nanostructurés en fonction de leurs propriétés physico-chimiques et des caractéristiques telles que la structure des cellules du corps (Figure 3). Ces systèmes peuvent considérablement améliorer la biodisponibilité du lycopène en «emballage» pour augmenter la solubilité dans l’eau et la biodisponibilité des ingrédients actifs. Les protéger des conditions défavorables du tube digestif, et les libérer au site d’absorption pour une meilleure absorption.

2 biosynthèse du lycopène

Lycopène naturelEst principalement dérivé de tomates et de fruits tels que le pamplemousse, les melons, la goyave rouge, les carottes rouges et le goji. De plus, des études ont confirmé que certains microorganismes, y compris les bactéries, les champignons et les algues, peuvent accumuler du lycopène dans des conditions physiologiques spécifiques [9]. Par exemple, l’inactivation du lycopène cyclase entraîne l’interruption de la voie caroténoïde, ce qui aide le lycopène à s’accumuler dans Blakeslea trispora [10]. La Commission du Codex Alimentarius (CAC) a approuvé trois sources de lycopène: l’extrait de tomate, la synthèse chimique et l’extrait de Blakeslea trispora.

Parmi eux, la méthode d’extraction de la tomate utilise principalement des légumes et des fruitsMatières premières riches en lycopène, qui sont extraits efficacement à l’aide de divers extractants. L’avantage de cette méthode est qu’elle permet d’obtenir une production naturelle de lycopène de haute qualité en lots, mais cette méthode est sensible à des facteurs externes tels que l’espèce, l’origine et la saison de récolte des matières premières, qui peuvent affecter le rendement. En outre, de grandes quantités de résidus de déchets, de déchets liquides et de gaz résiduaires sont générés pendant la production industrielle, ce qui entraîne des coûts de traitement complets élevés. La méthode de synthèse chimique est relativement mature, avec des conditions de réaction légères, des taux de récupération élevés et des coûts faibles. C’est actuellement la principale technologie pour la production industrielle de lycopène. Cependant, le lycopène possède de nombreuses liaisons C=C doubles, ce qui rend difficile le contrôle de la stéréosélectivité. Le processus de réaction est complexe et a des exigences techniques élevées. Il y a également le problème de sécurité de la pollution par les solvants organiques provenant des réactifs chimiques laissés par la réaction. Ces dernières années, avec l’analyse par les scientifiques de la voie de biosynthèse de la poudre de lycopène naturelle et les grands progrès du génie génétique microbien moderne, d’autres micro-organismes (tels que Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris et Yarrowia lipolytica) peuvent également être utilisés comme hôtes pour la production de lycopène. Parce qu’ils ont les avantages incomparables de l’absence de restrictions saisonnières, un rendement élevé et un seul produit, ils offrent une nouvelle façon de penser pour la grande échelleProduction industrielle de lycopèneEt ont attiré l’attention des chercheurs et des industries alimentaires et pharmaceutiques.

2.1 voie de biosynthèse du lycopène

Dans les organismes vivants,Le lycopène est synthétisé principalement par deux voies biosynthétiques: la voie mévalonate (mevalonate, MVA) et la voie 2-méthyl-d-érythritol-4-phosphate (2-méthyl-d-érythritol-4-phosphate, MEP). Parmi eux, les eucaryotes synthétisent principalement le lycopène et ses dérivés par la voie MVA, tandis que les procaryotes les synthétisent souvent par la voie MEP. Les deux voies de biosynthèse utilisent le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P), qui est produit par le corps et#39; S le métabolisme du sucre, pour catalyser une série d’enzymes métaboliques secondaires pour synthétiser des molécules intermédiaires telles que le pyrophosphate d’isopentenyl (pyrophosphate d’isopentenyl, IPP) et son isomère le diphosphate de 3,3-diméthylallyle (DMAPP) et d’autres molécules intermédiaires. Ensuite, l’ipp et le DMAPP sont condensés, modifiés et allongés par des enzymes pour finalement synthétiser le lycopène (Figure 4).

2.2 ingénierie métabolique de la levure pour la synthèse du lycopène

Dans la nature, des levures telles que Rhodotorula glutinis, Rhodotorula graminis et Phaffia rhodozyma peuvent synthétiser des produits naturels caroténoïdes de manière autonome, mais la quantité et l’activité biologique des produits synthétisés ne peuvent souvent pas répondre aux besoins de la production industrielle [11]. Cependant, les levures de fermentation industrielles couramment utilisées comme Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris et Yarrowia lipolytica sont très sûres, possèdent des outils de modification génétique matures et ont été génétiquement modifiées pour la recherche et la production de lycopène [12]. En réponse à l’absence d’un système métabolique complet chez S. cerevisiae et Y. lipolytica, et au fait que le processus métabolique de la synthèse des caroténoïdes s’arrête à la phase géranylgéranyl diphosphate (GGPP) [13], les chercheurs ont proposé diverses stratégies pour construire des souches de levure producteurs de lycopène (tableau 1). Cependant, l’amélioration du titre final et du rendement de lycopène reste un défi majeur. Il y a plus de stratégies rapportées pour S. cerevisiae que pour P. pastoris et Y. lipolytica, mais il y a moins d’études d’ingénierie systématiques sur S. cerevisiae pour obtenir une production élevée de lycopène. La source des composants hétérologues de la voie et l’efficacité de la voie sontLa clé de la production de lycopèneChez S. cerevisiae [14], et le faible rendement est très probablement causé par le manque de coordination entre la voie endogène et la voie hétérologue.

Par conséquent, afin d’explorer davantage l’adaptabilité de S. cerevisiae elle-même et la voie hétérologue, SHI B et al. [6] ont apporté une solution efficace en dépistant les gènes provenant de différentes sources telles que les bactéries, la levure, les champignons, les algues et les plantes qui sont impliqués dans la biosynthèse du lycopène, y compris le crtE (codant la GGPP synthase), le crtB (Codage octahydro-lycopène synthase) et le crtI (codant l’octahydro-lycopène déshydrogénase) pour améliorer l’activité catalytique; La combinaison des gènes dépistés évite la perte d’étapes clés en raison d’un déséquilibre entre les voies métaboliques endogènes et exogènes; L’élimination des gènes de dérivation endogènes augmente l’apport du précurseur acétylcoenzyme A (acétylcoenzyme A, acétyl-coa) et une utilisation équilibrée du NADPH, un système d’induction de glucose pur A été réalisé et une souche ayant le rendement le plus élevé, BS106 (rendement en lycopène de 3,28 g/L), A été créée. Cette souche fournit une référence pour améliorer la compatibilité de S. cerevisiae' S voie hétérologue pour la production de substances précieuses avec le fond endogène. Actuellement, la production microbienne de composés isoprénoïdes, y compris le lycopène, fait face à deux défis potentiels: la voie naturelle MVA ou MEP est limitée par des cofacteurs; Et la plupart des composés d’isoprénoïdes à longue chaîne sont principalement stockés dans un espace limité en raison de leur hydrophobicité, ce qui empêchera leur accumulation à grande échelle [15].

Pour résoudre ces deux problèmes, LUO Z S et al. [16] ont introduit la voie d’utilisation de l’isopentenol (IUP), qui convertit l’isopentenol directement en pip, améliore la voie MVA et augmente le flux de la pip et des produits en aval [14]. La combinaison de l’iup avec une hydrophobicité élevée convertit Y. lipolytica en un organisme producteur de lipides qui est plus favorable à l’accumulation de composés d’isopentenyle liposolubles. Ces stratégies peuvent être largement utilisées à des fins commerciales. P. pastoris a été choisi comme producteur de substances caroténoïdes parce qu’il présente également des avantages commerciaux importants. P. pastoris a une qualité cellulaire élevée et peut atteindre des densités plus élevées que d’autres levures comme S. cerevisiae sans accumuler d’éthanol et sans utiliser divers types de matière organique comme source de carbone. Par conséquent, BHATAYA A et al. [17] ont d’abord appliqué la technologie de génie métabolique à P. pastoris, en concevant et en construisant deux plasmides: le plasmide pGAPZB-EpBPI*P code la superoxyde dismutase ciblée, tandis que le plasmide pGAPZB-EBI* code l’enzyme non ciblée. Après la transformation de ces deux plasmides en P. pastoris, une souche à haut rendement du clone de type v de P. pastoris, produisant du lycopène. contenant le plasmide pGAPZB-EpBPI*P, a pu être criblée, posant ainsi les bases de laDéveloppement de la production de lycopèneEn utilisant P. pastoris.

Avec le développement rapide de la biologie synthétique, de l’ingénierie des protéines et de l’ingénierie métabolique, la levure génétiquement modifiée a non seulement amélioré l’efficacité de la production de lycopène, mais a également augmenté l’utilisation de substrats bon marché, réduisant encore davantage les coûts de production. Les micro-organismes synthétiques fourniront sans aucun doute de nouvelles options pour la synthèse hétérologue de produits naturels.

3 bioactivité antioxydante du lycopène

Des études ont révélé qu’il existe un lien entre le développement et la progression de maladies chroniques comme les tumeurs malignes et le stress oxydatif. Le lycopène, en tant qu’antioxydant naturel, a pour effet de réduire les dommages causés par le stress oxydatif. La principale activité antioxydante de la poudre de lycopène est d’agir sur les radicaux libres tels que le peroxyde d’hydrogène, le dioxyde d’azote et les radicaux hydroxyles pour lutter contre l’oxydation des protéines, des lipides et de l’adn. quandLe lycopène est exposé aux oxydantsOu radicaux libres, les doubles liaisons peuvent être clivées ou augmentées, détruisant la chaîne de polyène. Les réactions possibles du lycopène avec des substances actives sont [32]: la formation d’adduits, le transfert d’électrons aux radicaux libres et l’extraction d’hydrogène à partir d’allèles (Figure 5). La description suivante se concentre sur la relation entre plusieurs maladies chroniques et le stress oxydatif et la façon dont le lycopène inhibe les mutations qui conduisent à des maladies chroniques.

Les cellules tumorales ont généralement des niveaux excessivement élevés d’espèces réactives d’oxygène (ROS) [33] et éprouvent un stress oxydatif. Les ROS sont des produits métaboliques normaux des cellules qui jouent un rôle clé dans la transduction des signaux. Des niveaux élevés de ROS dans les cellules tumorales sont impliqués dans divers stades de la tumorigénèse, tels que la croissance des cellules tumorales, la prolifération, l’invasion, l’angiogenèse et les métastases [34]. Il a été constaté que le lycopène et le cisplatine ont un effet synergique en inhibant la croissance des cellules humaines de carcinome du col de l’utérus (HeLa). Les taux de survie pendant 72 heures des cellules HeLa traitées avec du lycopène (10 μmol/L) et du cisplatine (1 μmol/L) étaient respectivement de 65,6 % et 71,1 %, et la viabilité cellulaire a diminué à 37,4 % après l’association. En outre, par rapport au groupe témoin, le groupe cellulaire traité au lycopène a montré une expression accrue du facteur nucléaire e2 (NRF2), et le niveau de NRF2 dans le groupe combiné était significativement plus élevé que dans le groupe cellulaire traité au cisplatine seul. Ces résultats indiquent que le lycopène est susceptible d’exercer un effet anticancéreux en activant NRF2 pour atténuer le stress oxydatif [35] (Figure 6).

La régulation anormale du signal NRF2 est associée à de nombreuses maladies liées au stress oxydatif. L’activation de NRF2 est considérée comme un moyen d’induire une capacité antioxydante et d’atténuer la pathologie, principalement par l’induction d’enzymes antioxydantes médiées par le signal NRF2. Dans une autre étude, il a été constaté que le lycopène peut inhibe l’activation du facteur nucléaire κ-light-chain-enhancer des cellules B activées (NF-κB) et l’expression des gènes cibles NF-κB (cIAP1, cIAP2, et survivin) en réduisant les niveaux de ROS intracellulaires et mitochondriaux, induisant l’apoptose dans les cellules cancéreuses PANC-1 du pancréas. Ces résultats suggèrent que la supplémentation en lycopène peut potentiellement prévenir le cancer du pancréas [36].

L’inflammation est le corps ' sa propre réponse de défense. Dans l’équilibre normal du corps, l’inflammation sert à éliminer les facteurs initiaux causant des dommages cellulaires, à éliminer les cellules nécrotiques et les tissus endommagés causés par les dommages et l’inflammation, et à effectuer la réparation tissulaire. Cette réponse naturelle, l’inflammation aiguë, est un mécanisme clé de survie utilisé par tous les vertébrés supérieurs [37-38]. Cependant, si l’inflammation aiguë ne peut pas être résolue, elle peut entraîner une inflammation chronique et peut être un processus destructeur. Les tissus endommagés libèrent dans le corps des cytokines pro-inflammatoires et d’autres médiateurs biologiques inflammatoires.#39; S l’inflammation des tissus de bas grade en inflammation systémique [39]. En outre, les maladies auto-immunes et l’exposition à long terme à des irritants peuvent également conduire à un état inflammatoire systémique. Une réponse inflammatoire excessive affectera négativement le corps et#Les cellules peuvent devenir cancéreuses sous stimulation prolongée de l’infiltration inflammatoire [40]. Des études ont rapporté que le lycopene peut améliorer le trouble mitochondrial induit par le lipopolysaccharide dans le cerveau et le foie des souris, réduire les niveaux d’expression des cytokines pro-inflammatoires TNF-a, IL-1β et IL-6, et soulager la neuroinflammation et l’hépatite [41].

4 Conclusions et perspectives

Cet article fournit une revue systématique des progrès récents de la recherche sur la structure, la biodisponibilité, les stratégies de synthèse microbienne hétérologue, et la protection contre le stress oxydatifDans les maladies chroniques de la poudre de lycopène....... Le lycopène est un membre de la famille des caroténoïdes, et sa capacité antioxydante a des avantages significatifs pour la santé. Cette propriété a suscité un vif intérêt pour son utilisation dans les formulations alimentaires. Pour utiliser ce composé, il est nécessaire de s’assurer que les processus d’extraction et de rétention tiennent pleinement compte des facteurs affectant la stabilité et la biodisponibilité du lycopène afin d’obtenir un produit fonctionnel très efficace et très utilisable.

Il existe de nombreuses techniques traditionnelles d’extraction des substances bioactives, y compris l’extraction mécanique et ultrasonique, et l’extraction avec des solvants organiques sûrs. Cependant, en raison des développements dans divers domaines, de nouvelles méthodes alternatives ont émergé, y compris le mélange à haut cisaillement, l’homogénéisation à haute pression et le traitement microfluidique, qui ont un grand potentiel pour l’extraction du lycopène. En outre, le broyage ultra-fin est une nouvelle option qui non seulement améliore le taux d’extraction du lycopène, mais est également un bon choix pour les solvants de qualité alimentaire. En termes de protection du lycopène,Systèmes de livraison de lycopèneSont devenus une méthode alternative pour protéger et améliorer l’utilisation du lycopène dans le corps. Le développement de porteurs de nanoémulsion, de porteurs de lipides nanostructurés, d’hydrogels et de liposomes est un bon choix pour améliorer la protection du lycopène.

En outre, l’utilisation de la levure industrielle comme cellule hôte pour produire du lycopène est également une toute nouvelle idée. La levure qui n’a pas une voie de synthèse de poudre de lycopène peut devenir unSouche produisant du lycopèneEn introduisant des gènes provenant d’une source externe. Cette stratégie améliore l’efficacité de production du lycopène et réduit les coûts de production. Sous la prémisse d’atteindre des rendements élevés de lycopène, les chercheurs peuvent également développer d’autres méthodes efficaces pour synthétiser d’autres caroténoïdes de haute valeur.

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