Qu’est-ce que l’édulcorant D Tagatose?

Avec la demande croissante pour une meilleure qualité de vie, les types d’édulcorants alimentaires et de boissons ne cessent d’augmenter. En plus des édulcorants nutritifs comme le saccharose, les édulcorants non nutritifs deviennent le courant dominant du marché des édulcorants parce qu’ils produisent rarement ou pas de calories et peuvent réduire le risque de diabète, d’obésité, de maladies cardiovasculaires et de cancer. Les édulcorants non nutritifs couramment utilisés comprennent les fructooligosaccharides, l’érythritol, le xylitol, etc. Le D-tagatose, découvert au cours des dernières années, est un édulcorant avec des avantages spéciaux pour la santé et a un grand potentiel de marché.

1 Introduction à D-tagatose

D-tagatose (CAL l87-81-0) est un hexose naturel rare qui existe dans la nature. C’est un diastéréoisomère de fructose avec une masse moléculaire relative de 180,16. Il a une douceur semblable au saccharose, avec un niveau de sucré de 92% de saccharose, et n’a pratiquement pas d’arrière-goût désagréable ou de mauvaises saveurs. Il ne produit que 1/3 des calories du saccharose, ce qui en fait un édulcorant hypocalorique. On estime qu’il a un indice glycémique de 8.

Le Tagatose (anglais)peut être métabolisé par la voie tagatose-6-phosphate, qui est présente chez certains microorganismes, mais pas chez les animaux supérieurs. Seulement environ 20% du tagatose consommé par l’homme est absorbé dans l’intestin grêle, et le reste est sélectivement décomposé et utilisé par les microorganismes intestinaux [1]. Le tagatose est donc pauvre en calories et a pour effet de contrôler le poids et de prévenir le diabète [2]. Le Tagatose produit de faibles niveaux d’acide dans la bouche et ne diminue pas le pH de la plaque dentaire, empêchant ainsi l’érosion de l’émail et l’apparition de caries dentaires [3]. Le Tagatose est également un bon prébiotique. Des tests toxicologiques ont montré que le tagatose est sûr et non toxique [4]. Les fonctions sanitaires et les domaines d’application du tagatose sont indiqués dans le tableau 1.

2 mécanisme du tagatose contre l’hyperglycémie

Le mécanisme du tagatose contre l’hyperglycémie n’a pas encore été entièrement expliqué. Sur la base d’études expérimentales, un mécanisme possible de contrôle de la concentration de glucose dans le sang par le tagatose a été proposé. Après absorption, le tagatose est principalement métabolisé dans le foie, et la voie métabolique est la même que celle du fructose, c’est-à-dire que la fructokinase est d’abord phosphorylée en tagatose-1-phosphate, puis l’aldolase est décomposée en glycéraldéhyde et dihydroxyacétone phosphate, et le taux de décomposition est environ la moitié de celui du fructose-1-phosphate. Comme le fructose-1-phosphate, des concentrations élevées de tagatose-1-phosphate stimulent l’activité de la kinase de glucose, ce qui entraîne une augmentation du niveau de phosphorylation du glucose en gluconate-6-phosphate et une activation plus poussée de la glycogène synthase. En même temps, le tagatose-1-phosphate et le fructose-1-phosphate inhibent la glycogène phosphorylase [5]. L’effet global de ces enzymes sur la synthèse et la dégradation du glycogène est une diminution de la glycémie (Figure 1). Comme on peut le voir dans la Figure 1, le fructose a un mécanisme similaire au tagatose pour abaisser la glycémie, mais le tagatose est plus efficace [6] et a moins d’effets secondaires [7].

3 Application de tagatose

En 2001, la FDA des États-Unis a déterminé que le tagatose était généralement reconnu comme sans danger (GRAS) [8]. En juillet de la même année, le comité mixte d’experts des additifs alimentaires (JECFA) a recommandé le tagatose comme nouvel édulcorant hypocalorique pouvant être utilisé comme additif alimentaire avec une dja (dose journalière acceptable) de 0-80 mg/(kg/j). Par la suite, le tagatose a commencé à être largement utilisé dans les boissons saines, le yogourt, les jus de fruits, les aliments pour diabétiques, les aliments diététiques, la gomme à mâcher, les aliments céréaliers, les produits carnés, les bonbons, etc., et en médecine pour le sirop contre la toux, les poudres, les agents effervescence, les adhésifs pour fixer les proies dentaires, et les désinfectants buccaux.

En 2003, PepsiCo a commencé à utiliser du tagatose dans les boissons sprites, ce qui marque la première utilisation du tagatose dans un produit commercial. Par la suite, la nouvelle zélande' S Miada Sports Nutrition Foods Company a utilisé le tagatose dans les produits de chocolat, qui ont été lancés sur les marchés australien et néo-zélandais en mai 2003.

Recherche sur le tagatoseComme un traitement pour le diabète a déjà commencé. Le 16 novembre 2009, Spherix a indiqué que l’essai clinique de Phase III avait atteint les résultats attendus. L’entreprise soumettra une nouvelle demande de médicament en 2010 pour l’utilisation du tagatose dans le traitement du diabète de type II [9].

4 production de Tagatose

Il existe deux méthodes pour produire le tagatose: la synthèse chimique et la biotransformation. La synthèse chimique utilise un sel de métal alcalin soluble ou un sel alcalin de métal terreux comme catalyseur pour favoriser la formation de tagatose à partir du D-galactose dans des conditions alcalines, et la formation d’un complexe d’hydroxyde-tagatose métallique, puis la neutralisation avec de l’acide pour obtenir du D-tagatose [10]. Parce que les méthodes chimiques consomment beaucoup d’énergie, les produits sont complexes, la purification est difficile, il y a beaucoup de réactions secondaires, et la pollution chimique est produite, la méthode de bioconversion a de meilleures perspectives d’application.

Actuellement, la méthode de biotransformation pour la production de tagatose qui a été plus étudiée est l’utilisation de L-arabinose isomérase pour catalyser la conversion du D-galactose en tagatose. La fonction naturelle de L-arabinose isomérase (EC 5.3.1.4, L-arabinose isomérase, L-AI) est de catalyser la production de L-ribulose à partir de L-arabinose. Ces dernières années, il a été découvert que cette enzyme peut également catalyser la conversion du D-galactose en tagatose. Le gène codant L-AI est largement présent dans les procaryotes, notamment Acidothermus cellulolyticus (Acidothermus cellulolytics) [11], Alicyclobacillus acidoc aldarius, dont la source AI est ci-après appelée AAAI [12], Geobacillus stearothermophilus (GSAI) [13, 14], Thermoanaerobacter mathranii [1 5], Thermotoga maritima [16], Thermotoga neapolitana [17], Thermus sp. IM6501 [18], etc. On a constaté que la plage de température optimale pour L-AI est de 20~ 80 ℃, et le pH optimal (pHopt) est de 6,0 ~ 8,0. Les ions métalliques tels que Mn2+ ou Co2+ peuvent améliorer sa stabilité. Il y a encore beaucoup à améliorer dans la production industrielle de L-AI. Les principales orientations de recherche pour la production catalytique de tagatose à l’aide de L-AI sont décrites ci-après.

4.1 amélioration de l’activité catalytique de l’enzyme

L’activité spécifique de la L-arabinose est d’environ 30 U/mg, tandis que celle de la L-arabinose est inférieure à 10 U/mg. Des premières tentatives ont été faites à l’étranger pour améliorer l’affinité du substrat et l’efficacité catalytique de la L-AI par l’ingénierie enzymatique. Kimet al. [19] [traduction]ont muté au hasard et dirigé la GSAI modifiée. Dans le premier cycle d’évolution, il y a eu cinq mutations du site des acides aminés, et l’activité spécifique de l’enzyme a augmenté 11 fois; Au deuxième tour, il y a eu trois autres mutations de site, et l’activité spécifique de l’enzyme a encore augmenté 5 fois [20]. Parmi les huit sites mutants, les mutations A408V et K475N ont un impact significatif sur l’enzyme.#39; S affinité du substrat et vitesse de réaction. Récemment, des chercheurs ont identifié deux L-AI avec une spécificité de substrat extrêmement forte de Bacillus licheniformis ATCC 14580 et B. subtilis STR. 168, qui n’utilisent que la L-arabinose comme substrat [21-22]. En comparant leurs séquences primaires avec d’autres L-AI et en effectuant une analyse structurale avancée, on espère que les règles régissant la spécificité du substrat de la L-AI pourront être révélées, fournissant ainsi une base pour l’ingénierie enzymatique.

4.2 réduction du pH optimal de l’enzyme

Le pHopt de L-AI est principalement dans la gamme alcaline, tandis que la conversion industrielle est plus appropriée dans la gamme acide parce que (1) tagatose est stable à pH 2-7, et des valeurs de pH élevées augmentent les réactions secondaires; (2) le lactose est habituellement utilisé comme matière première dans la production pour hydrolyser le lactose pour produire du galactose, puis isomériser le galactose en tagatose. L’hydrolyse du Lactose est généralement effectuée dans des conditions acides (pH 5,0 ~ 6,0), et l’utilisation de L-AI acide peut simplifier le processus et économiser des coûts.

La première façon d’obtenir de la L-AI acide est de cribler divers microorganismes, en particulier les microorganismes acidophiles, tels que Bacillus acidopullulyticus (pH opt 6,0, 65 ° C, ATCC 43030) [12]. Il existe aussi du L-AI dérivé de bactéries acidophiles dont le pHopt est dans la gamme neutre, mais qui peuvent maintenir la majeure partie de leur activité et maintenir une certaine stabilité dans des conditions acides, comme le L-AI dérivé d’acidithiobacillus ferrooxidans [11].

Une autre façon d’obtenir du L-AI acide est l’ingénierie enzymatique. Lee Leeet al. [12, 23] ont comparé les séquences d’acides aminés de l’aaai (pHopt = 6), de la GSAI (pHopt = 7) et du BHAI (de B. halodurans, pHopt = 8) et ont proposé que 269 résidus de lysine étaient responsables de l’adaptation acide de l’aaai. Une mutagenèse ultérieure dirigée vers le site a confirmé cette hypothèse: le pHopt d’aaai-k269e s’est déplacé d’une unité de pH vers la gamme alcaline, tandis que le pHopt de BHAI-E268K s’est déplacé d’une unité vers la gamme acide. Oh et al. [24] ont effectué une mutagénèse aléatoire dirigée au site sur Val408 et Asn475 d’une autre GSAI (pHopt = 8,5), obtenant deux mutants avec un pHopt de 7,5, Q408V et R408V. Récemment, Rhimi et al. [25] rationnellement conçu L-AI (BSAI) de B. stearothermophilus US100. Un mutant, le Q268K, avait une meilleure résistance aux acides que l’enzyme de type sauvage, ce qui est conforme aux résultats de Lee et al. On voit que la modification du pH optimal de la L-AI peut être obtenue par la mutation d’un ou de plusieurs sites d’acides aminés. Actuellement, on peut déterminer que les sites d’acides aminés qui influent sur le pHopt comprennent le Lys269 (AAAI, correspondant au Glu268 de BHAI et au Gln268 de BSAI) et le Val408 (GSAI). La Double mutation des deux sites ci-dessus et l’identification d’autres sites d’acides aminés qui affectent le pHopt sont des voies possibles pour une acidification ultérieure de la L-AI à l’avenir.

4.3 atteindre une stabilité thermique indépendante des ions métalliques

La température de réaction a un effet significatif sur la réaction d’isomérisation du galactose. Lorsque la température augmente, la capacité de réaction de liaison du L-AI au galactose augmente, le taux de réaction accélère, le point d’équilibre se déplace vers le produit, et le taux de conversion augmente de manière significative. Cependant, une température supérieure à 80 °C conduira au brunissement, de sorte que la température de réaction appropriée pour la production industrielle est de 60-70 °C. Certaines bactéries thermophiles ou extrêmement thermophiles, telles que T. mathranii[15], G. stearothermophilus[23], G. thermodenitrificans[26], B. stearothermophilus US100[13] [en]et Thertmus sp.[18], ont été clées et identifiées comme L-AI avec une température de réaction optimale et une bonne stabilité thermique.

Cependant, ces L-AI dépendent d’ions métalliques pour maintenir leur stabilité thermique. Comme les ions métalliques ajoutés au cours de la réaction doivent être retirés du produit, cela ajoute des coûts et crée de la pollution. Par conséquent, un L-AI thermiquement stable, indépendant des ions métalliques, est nécessaire. Un L-AI de B. stearothermophilus US100 est indépendant des ions métalliques au-dessous de 65 °C et ne nécessite pas Mn2+ pour maintenir l’activité enzymatique au-dessus de 65 °C, bien que la stabilité en soit altérée. Seulement 0,2 mmol/L Co2+ et 1 mmol/L Mn2+ sont nécessaires pour maintenir la stabilité thermique de la protéine [13]. Il est possible d’obtenir une L-AI complètement indépendante des ions métalliques par mutation et criblage ultérieurs.

De plus, la structure cristalline de la L-AI dérivée d’escherichia coli a été déterminée [27], et la structure tridimensionnelle de la L-AI provenant de diverses sources peut être construite par simulation moléculaire, ce qui fournira une base théorique pour la recherche en génie enzymatique.

4.4 Production et immobilisation des préparations enzymatiques

A l’heure actuelle, l’expression hétérologue de la L-AI est principalement réalisée chez Escherichia coli. Cependant, étant donné que le tagatose est utilisé dans les aliments et les médicaments, son expression dans les micro-organismes non alimentaires peut poser des problèmes de sécurité. Par conséquent, après l’ingénierie de l’enzyme pour obtenir L-AI adapté aux applications de production industrielle, la prochaine étape consiste à l’exprimer dans des micro-organismes alimentaires sûrs. Les microorganismes alimentaires couramment utilisés comprennent le bacille, le Corynebacterium et la levure.

Après l’obtention de bactéries artificielles à haute expression L-AI, des biocatalystes peuvent être préparés à l’aide d’enzymes immobilisées ou de cellules immobilisées. Actuellement, la méthode du chlorure d’alginate de sodium est principalement utilisée pour l’immobilisation des préparations enzymatique L-AI. Cependant, emprunter les méthodes d’enzymes immobilisées et de cellules immobilisées qui sont actuellement utilisées avec succès dans l’industrie peut améliorer davantage l’efficacité, augmenter la demi-vie et réduire les coûts.

5 perspectives d’avenir

Tagatose A été découvert depuis plusieurs décennies, et des chercheurs étrangers ont mené des recherches relativement approfondies sur ses propriétés physiques et chimiques et ses fonctions physiologiques. Il a été utilisé comme additif alimentaire et pharmaceutique dans la production de produits dans de nombreux pays, et les normes et règlements pertinents ont été formulés. Business Consulting (BBC) prévoit que la part de marché du tagatose montrera une nette tendance à la hausse. Il y a eu peu de recherches sur le tagatose en Chine, et ce n’est qu’au cours des dernières années qu’il y a eu des recherches connexes. La production industrielle et l’application de tagatose n’ont pas encore été signalées, et le marché de la consommation de tagatose est toujours vide. Par conséquent, il existe un énorme potentiel pour la production nationale et l’application du tagatose, qui attend d’être développé par des chercheurs nationaux.

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