甘味料dタガトースとは?

より良い生活の質への需要の増加に伴い、食品および飲料甘味料の種類は絶えず増加しています。ショ糖などの栄養価の高い甘味料に加えてnon-nutritive甘味料彼らはほとんどまたはカロリーを生成しないため、甘味料市場の主流になっており、糖尿病、肥満、心血管疾患、がんのリスクを減らすことができます。現在一般的に使用されている非栄養の甘味料には、フルクトオリゴ糖、エリトリトール、キシリトールなどがあります。近年発見されたd-タガトースは、特別な健康効果を持つ甘味料であり、大きな市場の可能性を秘めています。

1 d-タガトースへの導入

D-tagatose (CAS87-81-0) is a rare natural hexose that exists in nature. It is a diastereoisomer of fructose with a relative molecular mass of 180.16. It has a sweetness similar to sucrose, with a sweetness level of 92% of sucrose, and has virtually no unpleasant aftertaste or off-flavors. It produces only 1/3 of the calories of sucrose, making it a low-calorie sweetener. It is estimated to have a glycemic index of 8.

タガトースは、一部の微生物には存在するが高等動物には存在しないタガトース-6-リン酸経路を介して代謝される。ヒトが消費するタガトースのうち、小腸で吸収されるのは約20%程度で、残りは腸内微生物によって選択的に分解されて利用されます[1]。そのため、低カロリーで体重管理や糖尿病予防にも効果があります[2]。タガトースは、口の中で低レベルの酸を生成し、歯垢のphを低下させず、エナメル質の浸食と虫歯の発生を効果的に防止します[3]。タガトースはまた、良いプレバイオティクスである。毒性試験により、タガトースは安全で無毒であることが示されている[4]。タガトースの健康機能と応用分野を表1に示す。

2高血糖に対するタガトースのメカニズム

高血糖に対するタガトースの機構はまだ完全には解明されていない。実験的な研究に基づいて、タガトースによる血糖濃度の制御の可能性のある機構が提案されている。吸収後、tagatoseは主に肝臓で代謝されたり代謝経路は同じ果糖、すなわち、fructokinaseまずtagatose-1-phosphateとphosphorylated、そしてaldolaseはglyceraldehyde分解燐酸dihydroxyacetone分解率はfructose-1-phosphateの約半分だ。フルクトース-1-リン酸と同様に、タガトース-1-リン酸濃度の上昇はグルコーキナーゼの活性を刺激し、グルコン酸-6-リン酸へのグルコースのリン酸化レベルを増加させ、さらにグリコーゲン合成酵素を活性化させる。同時に、タガトース-1-リン酸とフルクトース-1-リン酸はグリコーゲンホスホリラーゼを阻害する[5]。これらの酵素がグリコーゲン合成とグリコーゲン分解に及ぼす全体的な効果は、血糖値の低下である(図1)。

3 .タガトースの応用

2001年US FDA determined that tagatose was Generally Recognized as Safe (GRAS) [8]. In July of the same year, the Joint Expert Committee on Food Additives (JECFA) recommended tagatose as a new low-calorie sweetener that could be used as a food additive with an ADI (acceptable daily intake) of 0–80 mg/(kg•d). Subsequently, tagatose began to be widely used in healthy drinks, yogurt, fruit juice, foods for diabetics, diet foods, chewing gum, cereal foods, meat products, candy, etc., and in medicine for cough syrup, powders, effervescent agents, adhesives for fixing dentures, and oral disinfectants.

2003年、ペプシコを結成スプライト飲料にタガトースを使用これは、タガトースが初めて商品化されたことを示しています。その後、新しいZealand'のmiada sports nutrition foods社は、2003年5月にオーストラリアとニュージーランド市場で発売したチョコレート製品にタガトースを使用している。

既に糖尿病の治療薬としての研究が始まっています。2009年11月16日、スフェリックスは第iii相臨床試験が期待された結果を達成したと報告した。同社は、2010年中にii型糖尿病の治療薬として、タガトースの新薬申請を行う予定です[9]。

4 Tagatose生産

There are two methods for producing tagatose: chemical synthesis and biotransformation. Chemical synthesis uses a soluble alkali metal salt or alkaline earth metal salt as a catalyst to promote the formation of tagatose from D-galactose under alkaline conditions, and the formation of a metal hydroxide-tagatose complex, and then neutralization with acid to obtain D-tagatose [10]. Because chemical methods are energy intensive, the products are complex, purification is difficult, there are many side reactions, and chemical pollution is produced, the bioconversion method has better application prospects.

現在では、l-アラビノースイソメラーゼを用いてd-ガラクトースをタガトースに変換する方法が研究されている。l-アラビノース・イソメラーゼ(l-arabinose isomerase、ec 5.3.1.4)は、l-アラビノースからl-リブロースを合成する触媒である。近年、この酵素はd-ガラクトースからタガトースへの変換を触媒することも発見されている。L-AI符号化遺伝子に広く見られたprokaryotes、Acidothermusなどcellulolyticus (Acidothermus cellulolytics)[11]、Alicyclobacillus acidoc aldarius、以下は誰のソースAI AAAI) [12]Geobacillus stearothermophilus (GSAI)[13、14]Thermoanaerobacter mathranii[1 5]、Thermotoga maritima[16]、Thermotoga neapolitana〔17〕、spを務めていらしたThermus IM6501[18]、など最適温度は20~ 80℃、最適phは6.0~ 8.0である。mn2 +やco2 +などの金属イオンは、その安定性を向上させることができる。l-aiの工業生産はまだ改善の余地が大きい。l-aiを用いたタガトースの触媒生産に関する主な研究内容は以下の通りです。

4.1酵素の触媒活性を改善する

l-アラビノースの活性は約30 u /mgであるが、l-アラビノースの活性は10 u /mg以下である。酵素工学によってl-aiの基質親和性と触媒効率を向上させる試みが海外で行われている。kimら[19]改変gsaiをランダムに変異誘導した。進化の最初のラウンドでは、5つのアミノ酸の部位の変異があって、酵素の特異的な活性が11倍に増加した;2回目では、さらに3つの部位変異が認められ、酵素の特異的活性はさらに5倍増加した[20]。8つの変異部位のうち、a408v変異とk475n変異が酵素に大きな影響を与えている'の基質親和性と反応速度。最近、bacillus licheniformis atcc 14580とb . subtilis str. 168から非常に強い基質特異性を有する2つのl-aiが同定された基質としてのl-アラビノース[五輪では銅メダル決定戦]。これらの一次配列を他のl-aiと比較し、高度な構造解析を行うことにより、l-aiの基質特異性を支配する規則を明らかにし、酵素工学の基礎となることが期待されます。

4.2酵素の最適なphを還元する

l-aiのphoptはほとんどアルカリ性であるが、工業的な変換は(1)タガトースがph 2 - 7で安定であり、高いph値は副反応を増加させるため、酸性の範囲でより適している。(2)ラクトースは通常、ラクトースを加水分解してガラクトースを生成し、ガラクトースをタガトースに異性化する製造原料として用いられる。ラクトースの加水分解は通常酸性条件下(ph 5.0~6.0)で行われ、酸性l- aiを使用することでプロセスを簡素化し、コストを削減することができます。

酸性l- aiを得るための最初の方法は、様々な微生物、特にbacillus acidopullulyticus (ph opt 6.0, 65°c, atcc 43030)のような酸性微生物をスクリーニングすることである[12]。また、acidithiobacillus ferrooxidans由来のl-aiのように、phoptが中性の範囲にあるが、ほとんどの活性を維持し、酸性条件下で一定の安定性を維持することができる酸性細菌由来のl-aiも存在する[11]。

酸性l- aiを得るもう一つの方法は酵素工学である。leeら[12,23]は、aaai (phopt = 6)、gsai (phopt = 7)、bhai (b . haloduransのphopt = 8)のアミノ酸配列を比較し、269個のリシン残基がaaaiの酸適応に関与していることが判明したと提案した。その結果、aaai-k269eのphoptはph単位だけアルカリ性に、bhai-e268kのphoptはph単位だけアルカリ性に変化した。ohら[24]は、別のgsai (phopt = 8.5)のval408およびasn475に対して部位特異的ランダム変異誘発を行い、phopt 7.5の2つの変異体q408vおよびr408vを得た。最近、rhimi et al. [25] b . stearothermophilus us100から合理的に設計されたl-ai (bsai)。一方、q268k変異体の耐酸性は野生型よりも優れており、leeらの結果と一致していた。l-aiの最適phの変化は、1つ以上のアミノ酸部位を変異させることで実現できることがわかります。現在のところ、phoptに影響を与えるアミノ酸部位はlys269 (aaai、bhaiのglu268とbsaiのgln268に対応)とval408 (gsai)であることが判明している。上記の2つの部位の二重変異とphoptに影響を与える他のアミノ酸部位の同定は、将来的にl-aiの更なる酸性化のための道筋となる可能性がある。

4.3金属イオンに依存しない熱安定性を実現

反応温度はガラクトースの異性化反応に大きな影響を与えます。温度が上昇すると、l- aiのガラクトースへの結合反応能力が上昇し、反応速度が加速し、平衡点が生成物に移動し、変換速度が大幅に上昇する。しかし、80°cを超えると褐変するため、工業生産に適した反応温度は60 ~ 70°cです。t . mathranii[15]、g . stearothermophilus[23]、g . thermodenitrificans[26]、b . stearothermophilus us100[13]、thertmus sp.[18]などの好熱性または超好熱性細菌が複製され、最適な反応温度と良好な熱安定性を有するl-aiとして同定されている。

しかし、これらのl-aiは金属イオンに依存して熱安定性を維持しています。反応中に添加された金属イオンを生成物から除去する必要があるため、コストがかかり、汚染が発生します。そのため、金属イオンに依存しない熱的に安定なl-aiが必要となります。b . stearothermophilus us100のl-aiは65°c以下では金属イオンに依存せず、65°c以上で酵素活性を維持するのにmn2 +を必要としない。このタンパク質の熱安定性を維持するのに必要なのは、0.2 mmol/ l co2 +と1 mmol/ l mn2 +だけです[13]。さらに突然変異やスクリーニングを行うことで、金属イオンに全く依存しないl-aiを得ることが可能です。

また、大腸菌由来のl- aiの結晶構造が決定され[27]、分子シミュレーションにより様々な由来のl- aiの立体構造を構築することが可能となり、酵素工学研究の理論的基盤となることが期待されます。

4.4酵素製剤の生産と固定化

現在、l-aiの異種発現は主に大腸菌で行われている。しかし、タガトースは食品や医薬品に用いられる非食品安全な微生物での発現は安全上の問題を引き起こす可能性がある。したがって、工業生産に適したl-aiを得るために酵素をエンジニアリングした後、次のステップは食品に安全な微生物でそれを発現することです。一般的に使用されている食品安全な微生物には、バシラス、コリネ菌、酵母などがあります。

高いl-ai発現を有する人工細菌を得た後、固定化酵素または固定化細胞を用いて生体触媒を調製することができる。現在、l- ai酵素製剤の固定化には、主にアルギン酸-塩化カルシウム法が用いられています。しかし、現在産業界で成功的に利用されている固定化酵素や固定化細胞の手法を用いれば、さらに効率を高め、半減期を延ばし、コストを下げることができる。

5展望

Tagatose has been discovered for several decades, and foreign researchers have conducted relatively thorough research on its physical and chemical properties and physiological functions. It has been used as a food and pharmaceutical additive in the production of products in many countries, and relevant standards and regulations have been formulated. Business Consulting (BBC) predicts that the market share of tagatose will show a clear upward trend. There has been little research on tagatose in China, and only in recent years has there been some related research. Industrial production and application of tagatose has not yet been reported, and the market for tagatose consumption is still blank. Therefore, there is huge potential for タガトースの国内生産と応用国内研究者が開発するのを待っている。

参照

[1] normen l, laerke h n, jensen b b, et al。d-タガトースの小腸吸収と糖質消化性への影響:回虫病研究[j]。^ a b c d e f g h i(2001)、105-110頁。

[2] donner tw, wilber j f, ostrowski d . d-tagatose, a novel hexose: acute effects on carbohydrate tolerance in patients with type 2 diabetes[j]。糖尿病obes metab, 1999, 1(5): 285- 291。

[3] wong d . sweetener determined safe in drugs, mouthwashes, and toothpastes[j]。^ a b c d e f g h i(2000年)、3 - 5頁。

[4] levin g v .主要な血液因子を増強するためのタガトースの使用:us, 6015793[p]。2000-01-18。

[5] ercan-fang n, gannon m c, rath v l, et al。ヒト肝グリコーゲンホスホリラーゼaに対する複数の調節因子の統合効果[j]。am jphysiolendocrinol metab, 2002, 283(1): e29-37。

[6] buemann b, toubro s, holst j j, et al。d-フルクトースの立体異性体であるd-タガトースは、血液中の尿酸濃度を増加させる[j]。^ ab c d e f g h i(2000年)、9-9頁。

[7]米国糖尿病協会。糖尿病および関連合併症の治療および予防のための根拠に基づく栄養原則および勧告[j]。糖尿病、以後、25(1):202-212てしまった。

[8]米国食品医薬品局(fda)、hhs。、私たち…食品の表示:健康表示;d -タガトースと虫歯。最終規則か[J]。^「federal regist, 2003, 68(128): 39831-39833」。federal regist(2003年). 2016年3月8日閲覧。

[9] Spherix株式会社ですD-tagatose [OL]。[2010-03-18]。http://www。spherix.com/ biospherics _d-tagatose.html。

[10] beadle j r, saunders j p, wajda jr . t j .製造プロセスtagatose: us, 5078796[p]。1992-01-07。

[11] cheng l, mu w, zhang t, et al。acidothermus cellulolyticsからのl-アラビノースイソメラーゼatcc 43068: cloning, expression, purification, and characterization[j]。2009年たらMicrobiol Biotechnolと思われる。

[12]  李 S  j, lee d w, choe e a, et al。alicyclobacillus acidocaldariusのthermoacidophilic l-アラビノースイソメラーゼの特徴:ph最適化におけるlys-269の役割[j]。^ a b cアポロドーロス、2005年、71(12):7888-7896。

[13] ^ a b c d e『モーニング嬢 s . bacillus stearothermophilus us100株からの金属イオン非依存で熱活性のl-アラビノースイソメラーゼのクローニング、精製および生化学的特性評価[j]。^「biochim biophys acta, 2006, 1760(2): 191—199」。biochim biophys . 2010年3月19日閲覧。

[14] jung e s, kim h j, oh d k .固定化された組換え大腸菌細胞を含むタガトース産生 geobacillus stearothermophilusパックベッド型バイオリアクターにおけるl-アラビノースイソメラーゼ変異体[j]。^「biotechnol prog 2005, 21(4): 1335-1340」。biotechnol prog(2005年). 2009年9月21日閲覧。

【15位】 ヨルゲンセンfハンセンo c stougaard p .酵素によるd-ガラクトースからd-タガトースへの変換:thermoanaerobacter mathraniiからの熱安定性l-アラビノースイソメラーゼの異種発現と特徴付け[j]。^ appl microbiol biotechnol, 2004, 64(6): 816-822。

[16] 李D W zhang h j, choe e a, et al。超好熱性eubacterium thermotoga maritima由来の熱安定性l-アラビノース(d-ガラクトース)イソメラーゼの特徴[j]。^ a b c d e『仙台市史』通史編、仙台市、2004年(平成16年)、147 - 147頁。

〔17〕 金B c, lee y h, lee h s, et al。l-アラビノースイソメラーゼのクローニング、発現および特性化 thermotoga neapolitana:酵素を用いたd-ガラクトースからd-タガトースへの生物学的変換[j]。2002年FEMS MicrobiolLett、212(1):121-126。

[18] kim j w, kim y w, roh h j, et al。thermus sp. im6501からの組換え熱安定性l-アラビノースイソメラーゼによるタガトースの生成[j]。^「biotechnollett, 2003, 25(12): 963-967」。biotechnollett . 2009年12月25日閲覧。

[19] 尹金P S H seo m j, et al。熱安定性ガラクトースイソメラーゼの遺伝的進化によるタガトース変換速度の向上[j]。^「biotechnolappl biochem, 2001 (pt 2)」。biotechnolappl . 2013年9月29日閲覧。

[20] oh h j, kim h j, oh d k . geobacillus thermodenitrificans由来のl-アラビノースイソメラーゼの部位特異的変異誘発によるd-タガトース産生速度の増加[j]。^「biotechnol lett 2006, 28(3):145-149」。biotechnol(2006年). 2009年3月28日閲覧。

[21] 金 j-h, prabhu p, jeya m, et al。bacillus subtilis由来のl-アラビノースイソメラーゼの特徴[j]。^ appl microbbiot, 2009, 85(6): 1839—1847。

[22] prabhu p, tiwari m k, jeya m, et al。bacillus licheniformisからの新規l-アラビノースイソメラーゼのクローニングと特性評価[j]。^ a b c d e f g h i l l biotechnol, 2008, 81(2): 283-290。

[23] lee d w, choe e a, kim s b, et al。mesophilic bacillus haloduransおよびthermophilic geobacillus stearothermophilusのl-アラビノースイソメラーゼにおける触媒機能および構造機能に対する金属依存性[j]。^ a b archbiochem biophys, 2005, 434(2): 333-343。

[24] oh d k, oh h j, kim h j, et al。geobacillus stearothermophilusのl-アラビノースイソメラーゼ中の最適phのd-ガラクトース異性化修飾[j]。j mol catal b - enzym, 2006, 43(1-4): 108-112。

[25] rhimi m, aghajari n, juy m, et al。bacillus stearothermophilus us100のl-アラビノースイソメラーゼの合理的設計:d-タガトース産生の可能性[j]。2009年Biochimie、91(5):650-653。

[26] kim h j oh d k . d-タガトースを産生するgeobacillus thermodenitrificansの単離された株からのl-アラビノースイソメラーゼの精製と特性評価[j]。j biotechnol, 2005, 120(2): 162-173。

[27] manjasetty b a, chance m r .生物学的なタガトース産生の標的と推定される大腸菌のl-アラビノースイソメラーゼ(ecai)の結晶構造[j]。^ a b c d e f g h i l l, 2006, pp . 360(2): 297-309。