dマンノース:何でできているの?

20世紀初頭のタンパク質や核酸の研究ブーム以降、炭水化物の研究は急速に発展した。1960年代には、炭水化物の科学的研究は、炭水化物化学、炭水化物生物学、炭水化物工学の3つの分野に分類された[1]。炭水化物の研究が進むにつれて、私たちの炭水化物に対する理解も進化してきました。例えば、糖の化学的性質を利用して様々な糖誘導体が合成され、糖の機能に関する理解は炭素源としての役割から多様な生物学的機能へと進化してきた[1,2]。さらに、複数の生物活性を持つ多糖には、いずれもd-マンノースが含まれていることが詳細に研究されており、その後の報告により、d-マンノースが様々な生理活性を有することが確認されている。

D mannose is widely distributed でnature, with polysaccharides containing D-mannose units present in large quantities in plant cell walls とoligosaccharides, and free D-mannose is also found in some fruit peels [1,2]. Therefore, D-mannose can be prepared by extracting and purifying plant polysaccharides にobtain のpure product. Additionally, D-mannose can be synthesized chemically or through bioconversion methods. Currently, major domestic and international producers のD-mannose include Nanjing Reagent Co., Ltd., Hubei Jusheng Technology Co., Ltd., BioTech Pharmacal-Inc., Source Naturals, and NOW Foods. As a natural active monosaccharide, D-mannose has been widely used as a carbohydrate nutrient to address diseases such as diabetes and obesity. Additionally, D-mannose possesses anti-inflammatory and immune-modulating functions. In the human body, D-mannose is abundantly present in body fluids and tissue fluids, though it is not easily metabolized by the human body. However, it plays a significant role in immune regulation and glycoprotein synthesis [2,3]. Additionally, D-mannose is commonly used as a sweetener in the food industry, as a medication to prevent urinary tract infections in medicine, to prevent サルモネラinfection in broiler chickens and increase egg production in animal husbandry, and in chemical synthesis to produce trifluoromannose and L-ribose derivatives [4].

1. d-マンノースの調製技術に関する研究

d-マンノースを調製する主な方法には、抽出、化学合成、生物学的方法がある。抽出法は、植物の多糖類とオリゴ糖を加水分解して分離してd-マンノースを作る一般的な方法である。この方法は、大量の植物を必要とし、地理的・季節的要因に左右されます。化学合成では、異性化によってd-グルコースを変換したり、d-アラビノースの炭素鎖を延長したりする。化学的方法は多様であり、さまざまな文献に記載されていますが、複雑な製造プロセスと高いコストが必要です。生物学的方法は、微生物発酵または特定のイソメラーゼを利用して、単糖または多糖類をd-マンノースに変換する。この方法は、反応条件が穏やかで、コストが安いという利点があります。しかし、現在の研究で報告されているイソメラーゼは触媒効率が低く、生成物には多量の副生成物が含まれている可能性がある[4]。

1.1抽出方法

1.1.1コーヒーかすを原料として抽出

Coffee grounds are a byproduct のinstant coffee production and contain abundant polysaccharides, primarily mannan oligosaccharides. Research indicates that mannan oligosaccharides can be hydrolyzed to D-mannose, which can further be reduced to mannanol, both of which play important roles as食品添加物[5]。

20世紀末、孫中亮らは、マンナンオリゴ糖の加水分解過程に関する予備研究を行った[6]。酸と圧力を加え、温度を設定することでマンナンオリゴ糖を加水分解したところ、チューブ型反応器が高温・短時間で最適な加水分解効果を発揮することがわかった。反応生成物の溶液は淡褐色であり、分離と精製を容易にした。21世紀の初めに、黄光民らは、酸加水分解法を用いてコーヒー粕からd-マンノースを製造するプロセス研究を行った[7、8]。硫酸濃度1.5 mol/ l ~ 3.0 mol/ l、温度100°c ~ 130°c、反応時間80分~ 120分の条件下で、加水分解溶液中のd-マンノースの収率は28 ~ 30%であった。その後、脱色、蒸発濃縮、結晶分離、乾燥を経て、純粋なd-マンノースが得られた。2015年、pei junら[9]は、コーヒーかすから高純度のd-マンノースを抽出する方法を発明した。この方法は、調製時の製品分離が容易で、収率が60%を超え、純度が98%を超えるため、プロセスが簡単で費用対効果が高いため、工業生産に適しています。

1.1.2ヤシの種子を原料とした抽出

Palm trees are abundantly found in southern provinces of China and belong to the palm family. The leaves, flowers, roots, and bark of palm trees are all used in traditional medicine. In the 1980s, Fang Jinian etアル[10] referenced the degradation conditions of bamboo polysaccharides and other materials. They added 80% concentrated sulfuric acid to crushed palm tree seeds, diluted the sulfuric acid concentration to 2N, and refluxed at 100°C for 5–6 hours. After separation, concentration, crystallization, purification, and drying, D-mannose was obtained with a yield of 30%. Subsequently, Pan Ziguo [1] from Zhejiang University further studied the extraction and purification process of D-mannitol based on this method. Using palm tree seeds as the raw material, the liquid containing D-mannitol was extracted through acid hydrolysis, alkali neutralization, and enzymatic reaction. The liquid was then decolorized with activated carbon, concentrated, and separated using silica gel. The liquid containing pure D-mannitol was desalted using ion exchange resin, Finally, D-mannitol crystals were crystallized, with a crystallization yield of 86.7% and a total yield of 48.4%. This method improved product yield, reduced production costs, and minimized pollution, providing essential foundational data for the industrial-scale production of the targetproduct and the extraction, separation, and purification of intermediate liquids.

1.2化学合成法

d-マンノースを合成するために一般的に用いられる化学合成法は、化学試薬を用いてグルコースの微分異性化反応を誘導するものである。しかし、この方法では、処理中の酸濃度と温度を厳密に制御する必要があります。1975年に竹村[11]は、モリブデン酸を触媒として、dグルコース溶液を110°c ~ 160°c、ph 2.3 ~ 4.5で加熱し、グルコースの一部を30 ~ 36%の収率でdマンノースに変換する特許を発表した。この方法は収率が低く,不純物が少ないため,大量生産には不向きである。pH2.3-4.5。モリブデン酸の不安定性のため、liu chunyan[12]はショ糖(t = 100°c、ph = 2.0)を2時間加水分解し、50%のd-グルコースと50%のd-フルクトースを得た。混合物を100°cで2時間加熱すると、d-マンノースの収率は30%となる。その後、zhao guanghuiらは、1% (nh cooh)のsoclh (ph = 3.0)を150°cで2時間触媒し、最大グルコース変換率32.3%を達成した[13]。d-マンノースを調製する化学合成法は、収率が低く操作が煩雑であるため、小規模な実験室調製にしか適していません。

1.3生物方法

1.3.1生物学的発酵法

生物学的手法を用いたd-マンノースの製造には、生物発酵と生物学的変換の2つの方法がある。生物発酵法は、微生物を用いて多糖類や単糖類を発酵させてd-マンノースを得る方法であり、数多くの文献報告がある。hu zhaohuiらによる2007年の文献レビューでは、マンノースタンパク質は酵素加水分解または高温加熱によって酵母から容易に得られることが指摘されている[14]。その後、yang bら[15]は、醤油残渣中のsslo(キシロースとマンノースがsslo分子鎖を構成する)の単糖組成が大豆中のオリゴ糖の組成と異なることを発見し、d-マンノースが微生物発酵由来である可能性を示唆した。2013年、charchoghlyan hら[16]は、土壌からm . chitosanitabidaという細菌株を単離し、epsを加水分解するとグルコース、マンノース、ガラクトースからなる高レベルの細胞外多糖類(esp)が生成した(分子量比18:6:1)。これは、微生物発酵によって遊離d-マンノースを得ることは容易ではないことを示している。

1.3.2   Bioconversion方法

バイオ変換(英:bioconversion)とは、酵素反応を用いてフルクトースやグルコースを温和な温度、圧力、ph条件下でd-マンノースに変換する方法である。これらの酵素反応に関与する酵素には、d-マンノースイソメラーゼ、セロビオースイソメラーゼ、d-リキソースイソメラーゼなどがあり、広く利用されている。報告によると、phが8.0 ~ 8.5で、フルクトース濃度が5%から40%に上昇すると、枯草菌m-1のd-マンノース・イソメラーゼがフルクトースの約25%をd-ガラクトースに変換する[17]。2015年にjiang boら[18]は、pseudomonas pseudomalleiのd-マンノースイソメラーゼを用いて、d-フルクトースをd-マンノースに効率的に変換する製造プロセスを設計し、特許を出願した(cn201510195854.4)。この方法は、大規模生産に適しており、d-マンノースの酵素的工業的調製に新しい方法を提供する。セルロースイソメラーゼは、d-マンノースにグルコースを変換することができる唯一の酵素である。しかし、この酵素は変換効率が低く、変換過程でd-フルクトースを大量に生成するため、大規模な工業生産には適さない[5]。さらに、d-マンノース合成のためのd-リキソースイソメラーゼの使用は、研究者から大きな注目を集めている。huang jiaweiら[5]は、耐熱微生物から熱安定なd-ラクツローイソメラーゼを合成し、d-マンノース合成に適用した。この酵素は、70 ~ 75°cの中性および弱アルカリ性条件下で良好な熱安定性を示し、coが酵素活性を著しく向上させることから、d-ラクトース変換に適しており、フルクトースの触媒効率も良好であることが分かった。

2 d-マンニトールの応用に関する研究

2.1   食品産業におけるd-マンニトールの応用

D-mannitol powder has stable properties, a sweet taste, and low calories, making it commonly used as a sweetener and food additive that can be consumed directly. Currently, the main countries producing food-grade D-mannitol are China and the United States, with products primarily available in capsule or powder form [3]. Adding D-mannose to food can improve texture. Elghaouth et アル[19] demonstrated that inoculating D-mannose into apples nearing spoilage reduced the diameter of rot spots. Yang Bingxun et al. [20] used high-performance liquid chromatography to confirm that D-mannose enhances the immune function beverages.

2.2製薬業界におけるd-マンノースの応用

d-マンノースは、免疫力の向上、免疫システムの改善、糖尿病などの一般的な疾患の治療など、多様な生理活性を有していることが明らかになっています。現在、製薬業界で臨床応用に使用されている唯一の炭水化物栄養素です。wang shuting[21]は、d-マンノースがドキソルビシンと重合束を形成し、標的がん治療を可能にし、薬剤の毒性副作用を低減できることを実証した。ranta[22]は、カンジダ・アルビカンスの細胞壁マンナンに結合した免疫刺激剤を調製するための原料としてd-マンノースを使用しました。kamel[23]は、d-マンノースを合成中間体として用いて一連の新規シッフ塩基を合成し、これらの化合物が抗腫瘍活性を有することを示した。denglerら[24]は、非ウイルス遺伝子治療を改善するために革新的にd-マンノースを利用した。

2.3養殖業におけるd-マンノースの応用

Excessive use of antibiotics in aquaculture can lead to the proliferation of drug-resistant bacteria and environmental pollution [25,26]. Van [26] and Zhang Zhaofu [27] et al. demonstrated that D-mannose has an inhibitory effect on Salmonella infection in chicks, with no side effects, and can serve as an alternative to antibiotics for treating Salmonella infections. Berge et al. [28] demonstrated that adding D-mannose to livestock feed inhibits the proliferation of pathogens in the intestine, protects intestinal health, enhances immune and disease resistance, and improves feed utilization.

2.4化学合成の分野におけるd-マンノースの応用

d-マンノースは様々な誘導体に合成することができ、臨床応用において重要な役割を果たしている[29]。楊志潔ら[30]は、d-マンノースを出発材料として、アセチル化、加水分解、スルホン化を経て、純度99%のトリフルオロマンノースを調製した。ヌクレオシドの一次構造はd-リボースであるが、l-リボースはd-リボースの異性体である。d-リボースと比較して、l-リボースは抗ウイルスおよび抗腫瘍活性が高く、細胞毒性が低い[31]。現在、l-リボースは主に化学的に合成されており、典型的にはd-マンノースを出発物質として用い、d-マンノースのacid-1,4-ラクトン化によってl-リボースに変換される[31,32]。高橋ら[32,33]は、光信条件下でd-マンノースが環化を含む8段階でl-リボースに合成できることを示した。seoら[32,34]は、d-マンノースのacid-1,4-ラクトンを原料としてl-リボースを調製することにより、収率を改善した。

2.5化粧品業界におけるd-マンノースの応用

アロエなどの機能日焼け、美容強化とこともある(35)グルクロン酸とβ-(1→4)-mannan long-chain高分子あるれbioactive[36]構成要素について説明する。研究によると、dマンノースには肌のコンディショニング効果があり、洗浄後の肌をより柔らかく滑らかにします[37]。wivellら[38]は、d-グルコース、d-グルクロン酸、d-マンノースのモル比が2.8:2 0:2である場合、皮膚の保湿とクレンジング効果が最適であることを実証しています。

2.6生化学研究におけるd-マンノースの応用

joersboら[39]は形質転換されたテンサイをスクリーニングするために形質転換細胞スクリーニング剤としてd-マンノースを使用し、外植植物の発芽率が最大30%を達成した。また、d-マンノース耐性細胞は、様々な栽培条件下でイネの形質転換に適していることが示された。wangら[40]は、ポリエチレングリコール中のトウモロコシのプロトプラast形質転換にd-マンノースが良好な効果を示すことを発見した。

3概要と展望

d-マンノース調製のための生産プロセスは、主に労働集約的であり、原材料の季節的および地域的な変動の影響を受けやすく、環境破壊と汚染の傾向がある抽出方法を含む。化学合成は小規模な実験室での生産には適していますが、大規模な工業生産には適していません。近年、生物学的手法は、シンプルでグリーンで安全であるため、研究のホットスポットとなっています。しかし、これまでに発見されたイソメラーゼのほとんどは、触媒活性が低く、反応条件の影響を受けやすく、生産過程を阻害することがある一方で、酵素自体は高価である。したがって、高い触媒効率と安定性を有する低コストのイソメラーゼを同定することは、現在の研究者にとって大きな課題である。

The widespread application of D-mannose has created a broad market prospect, especially as it can serve as a substitute for high-calorie sugars and a new food additive, offering significant market application value. In the field of fine chemicals, D-mannose not only reduces costs but also, due to its natural properties and excellent skin care effects, brings significant economic benefits to enterprises. In the pharmaceutical field, drugs modified with D-mannose exhibit significant anti-inflammatory, anti-cancer, and anti-tumor effects, offering promising prospects for future applications in new drug development.

参照

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