Analyse complète de la production d'allulose : aperçu et mise à jour
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Source : mdpi.com , 17 août 2024.
1. Département de science et technologie céréalières, Université des sciences et technologies de Jiangsu, Zhenjiang 212100, Chine
2. Centre de recherche en ingénierie de la transformation biologique des céréales de la province du Jiangsu, Zhenjiang 212100, Chine
3. Département d'informatique, Université des sciences et technologies de Jiangsu, Zhenjiang 212100, Chine
Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans la production de D-allulose, en particulier en ce qui concerne les méthodes de conversion enzymatique.
Parmi les développements les plus importants figurent les techniques d'immobilisation traditionnelles, la découverte de nouvelles enzymes, les études d'évolution dirigée et la modification des voies métaboliques par la biosynthèse.
La conversion enzymatique, notamment l'utilisation de la D-allulose 3-épimérase, reste fondamentale pour la production à l'échelle industrielle.
Des stratégies d'immobilisation innovantes, telles que les billes nano-fonctionnalisées et les nanoparticules magnétiques MOF, ont considérablement amélioré la stabilité et la réutilisabilité des enzymes.
L'évolution dirigée a conduit à une amélioration de la thermostabilité et de l'efficacité catalytique des enzymes, tandis que les méthodes de biologie synthétique, incluant les voies contrôlées par phosphorylation et par thermodynamique, ont optimisé les processus de production.
Les méthodes de criblage à haut débit ont été essentielles pour identifier et affiner les variantes enzymatiques destinées aux applications industrielles.
Ces développements augmentent non seulement l'efficacité de la production et la rentabilité, mais s'alignent également sur des pratiques de fabrication durables et économiquement viables.
Ces cinq dernières années, nous avons assisté à des évolutions cruciales qui pourraient avoir un impact potentiel significatif sur la viabilité commerciale et la demande mondiale d'allulose.
1. Introduction
L'allulose, également connu sous le nom de psicose, est un sucre rare qui a suscité un intérêt mondial en raison de sa faible teneur en calories et de ses bénéfices potentiels pour la santé, notamment dans la gestion du diabète et de l'obésité.
La sensibilisation croissante des consommateurs aux habitudes alimentaires saines a considérablement augmenté la demande mondiale en allulose [ 1 , 2 , 3 , 4 ].
L'Amérique du Nord, et particulièrement les États-Unis, occupe une position de leader dans la production et les développements technologiques, avec des entreprises telles qu'Ingredion et Tate & Lyle.
La diffusion de l'allulose dans divers produits alimentaires et boissons a été forte, ce qui a encore accéléré la demande [ 5 ].
Outre les États-Unis, le Japon et la Corée du Sud sont également des marchés de premier plan, avec des entreprises comme Matsutani Chemical et CJ CheilJedang, qui jouent un rôle pionnier dans la fabrication et l'application de l'allulose [ 6 ].
La production d'allulose nécessite des technologies sophistiquées, principalement la conversion enzymatique et la biologie synthétique [ 7 , 8 , 9 , 10 ].
La conversion enzymatique, qui utilise des enzymes spécifiques pour convertir le fructose en allulose, est largement privilégiée en raison de son rendement élevé et de son efficacité.
L'enzyme D-allulose 3-épimérase est impliquée dans la conversion du fructose en allulose, modifiant la configuration du groupe hydroxyle sur le troisième atome de carbone du fructose, produisant ainsi de l'allulose ( Figure 1 ) [ 11 , 12 ].
En raison de l'équilibre thermodynamique, le taux de conversion du fructose en allulose reste d'environ 30 %.
Dans la réaction enzymatique catalysée par la D-allulose 3-épimérase, les réactions directe (du fructose vers l'allulose) et inverse (de l'allulose vers le fructose) atteignent un équilibre et se stabilisent à ce ratio [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].
Cet équilibre reflète le paysage énergétique libre de la réaction, où la différence d'énergie entre le fructose et l'allulose est minime. Ainsi, à l'état d'équilibre, les vitesses de réaction directe et inverse sont égales, ce qui limite la conversion ultérieure [ 14 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 ].
Pour surmonter cet obstacle, des approches innovantes sont nécessaires afin de déplacer l'équilibre vers un rendement en allulose plus élevé.
La biologie synthétique offre une solution prometteuse à cet obstacle lié à l'équilibre.
En modifiant génétiquement les micro-organismes pour optimiser les voies métaboliques, il est possible d'améliorer l'efficacité du processus de conversion.
Cette approche peut déplacer l'équilibre vers un rendement en allulose plus élevé, dépassant les limites thermodynamiques naturelles [ 8 , 24 , 25 , 26 ].
- Figure. Représentation schématique de la réaction où le D-fructose est converti en D-allulose en présence de 3-épimérase.
Des progrès significatifs ont été réalisés dans l'environnement réglementaire de l'allulose.
En 2019, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a reconnu l'allulose comme une substance généralement reconnue comme sûre (GRAS), accélérant sa pénétration sur le marché [ 27 ].
Des entreprises comme Ingredion et Tate & Lyle ont obtenu le statut GRAS, ce qui permet une distribution à grande échelle aux États-Unis.
L'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) évalue également l'utilisation de l'allulose dans l'Union européenne, et les données les plus récentes suggèrent des résultats positifs [ 24 ].
La Chine devient un acteur de plus en plus important sur le marché de l'allulose, en se concentrant sur la réduction de la consommation de sucre et l'amélioration de la santé publique.
Les entreprises chinoises investissent des sommes importantes dans des technologies de production avancées et étendent leurs capacités pour répondre à la demande nationale et internationale.
Baolingbao Biology Co., Ltd. (Yucheng, Chine) possède une capacité de production annuelle de 5 000 tonnes, tandis que Shandong Sanyuan Biotechnology et CJ CheilJedang (Bingzhou, Chine) y contribuent de manière significative avec des capacités annuelles respectives de 3 500 et 4 000 tonnes.
Ces investissements de plusieurs millions de dollars soulignent leur engagement à satisfaire la demande croissante en allulose.
En Chine, le soutien réglementaire a été crucial.
En 2020, la Commission nationale de la santé (NHC) de Chine a approuvé l'allulose en tant que nouvel ingrédient alimentaire, facilitant son intégration dans une gamme plus large d'aliments [ 28 ].
Ce soutien réglementaire, combiné à la capacité de production croissante de la Chine, devrait réduire considérablement les coûts de production et contribuer plus significativement à la santé humaine en fournissant une alternative de sucre rare.
Par conséquent, il est nécessaire de passer en revue les résultats les plus récents dans la technologie de production et la recherche sur l'allulose [ 6 , 17 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 ].
2. Résultats récents
2.1. Transformation enzymatique
La D-allulose 3-épimérase doit être examinée sous quatre angles différents : (1) les méthodes traditionnelles, qui incluent l'immobilisation et la catalyse par cellules entières pour une production à grande échelle, (2) la découverte de nouvelles enzymes, (3) les études d'évolution dirigée, et (4) la modification des voies métaboliques par la biosynthèse.
La conversion enzymatique reste une technologie fondamentale pour la production d'allulose, en particulier l'isomérisation du fructose en allulose à l'aide d'enzymes spécifiques, telles que la D-allulose 3-épimérase.
En raison de l'expansion progressive de la demande du marché, l'identification de nouvelles enzymes 3-épimérases, ainsi que l'application de méthodes d'immobilisation et de biologie synthétique, sont des stratégies essentielles pour améliorer les processus industriels actuels.
Nous avons ici mis à jour les résultats de recherche des cinq dernières années, en nous concentrant sur l'optimisation de l'activité et de la stabilité des enzymes afin d'augmenter l'efficacité de la conversion ( Tableau 1 ) [ 8 , 11 , 34 , 35 ].
2.1.1. Immobilisation
L'alginate de sodium, en tant que méthode d'immobilisation de qualité alimentaire, est largement utilisé dans la production actuelle d'allulose, mais de nouvelles méthodes apparaissent constamment, représentant des progrès significatifs dans la stabilisation et l'efficacité des enzymes [ 36 ].
Par exemple, une étude examinant la biotransformation du D-allulose à partir du D-glucose, incluant une séparation par chromatographie en lit mobile simulé (SMBC) et une purification par cristallisation, a révélé un D-allulose d'une pureté impressionnante de 98 % avec un rendement de 70 % [ 12 ].
Ce procédé intégré exploite la haute sélectivité du SMBC pour séparer efficacement le D-allulose du mélange réactionnel, puis obtient une grande pureté par cristallisation.
La capacité d'atteindre une telle pureté et un tel rendement rend ce procédé extrêmement attractif pour la production à l'échelle industrielle, garantissant une conversion et une séparation efficaces.
Une autre innovation est observée dans l'utilisation de billes nano-polyhydroxyalcanoate (PHA) fonctionnalisées en tant que biocatalyseurs stables.
Ces billes nano ont été conçues pour immobiliser la D-allulose 3-épimérase, ce qui a permis d'améliorer la stabilité et la réutilisabilité de l'enzyme.
Plus précisément, l'enzyme immobilisée sur des billes nano PHA a conservé 85 % de son activité initiale après 10 cycles d'utilisation, contrairement à l'enzyme libre qui a perdu 50 % de son activité après seulement 5 cycles.
Cette amélioration significative de la stabilité et de la réutilisabilité réduit les coûts de production et rend le processus plus durable.
Les billes nano PHA fonctionnalisées offrent une plateforme durable qui minimise la dégradation des enzymes, permettant une utilisation à long terme dans les processus industriels.
De plus, la biosynthèse en deux étapes du D-allulose via une cascade multi-enzymatique pour la bioconversion de jus de fruits a démontré la possibilité de combiner plusieurs enzymes en un seul processus [ 37 ].
Cette méthode impliquait l'utilisation successive de fructose isomérase et de D-allulose 3-épimérase, ce qui a amélioré l'efficacité globale et le rendement de la production de D-allulose.
L'étude a rapporté un taux de conversion du D-fructose en D-allulose de 75 %, avec un rendement global de 60 % calculé à partir du substrat initial de jus de fruits.
Ce processus de transformation efficace est particulièrement avantageux lors de l'utilisation de substrats complexes, tels que les jus de fruits, en optimisant chaque étape de la transformation enzymatique.
En utilisant une cascade multi-enzymatique, cette approche assure un rendement global plus élevé et réduit la nécessité d'étapes de traitement supplémentaires, simplifiant ainsi le processus de production.
Enfin, l'immobilisation de la D-allulose 3-épimérase dans des nanoparticules de réseaux métallo-organiques (MOF) magnétiques représente une approche de pointe pour l'immobilisation des enzymes [ 38 ].
Ces nanoparticules MOF magnétiques ont permis une récupération et une réutilisation faciles de l'enzyme, augmentant considérablement l'efficacité du processus biocatalytique.
L'étude a démontré que l'enzyme immobilisée conservait 90 % de son activité après 15 cycles, contrairement à l'enzyme libre dont l'activité tombait à 40 % après le même nombre de cycles.
De plus, les nanoparticules MOF offraient une grande surface pour l'immobilisation de l'enzyme, améliorant sa stabilité et son activité.
Les propriétés magnétiques des nanoparticules ont facilité la séparation du mélange réactionnel à l'aide d'un champ magnétique, rendant le procédé très pratique pour la biocatalyse à grande échelle.
Cette méthode innovante améliore non seulement les performances des enzymes, mais simplifie également le traitement ultérieur, ce qui est crucial pour les applications industrielles.
Ces études soulignent collectivement les progrès significatifs des techniques d'immobilisation qui améliorent la stabilité, la réutilisabilité et l'efficacité globale des enzymes dans la production de D-allulose.
L'utilisation du SMBC et de la cristallisation assure une grande pureté et un rendement élevé, ce qui en fait une méthode robuste pour les applications industrielles.
Les billes nano PHA fonctionnalisées offrent une plateforme durable et rentable pour l'immobilisation des enzymes, prolongeant leur durée de vie et réduisant les coûts.
L'approche par cascade multi-enzymatique optimise le processus de conversion, en particulier pour les substrats complexes, augmentant l'efficacité de production globale.
Les nanoparticules MOF magnétiques offrent une solution de haute technologie pour la récupération et la réutilisation des enzymes, améliorant à la fois la stabilité et l'activité.
Ces méthodes innovantes ouvrent la voie à des processus industriels plus durables et rentables, contribuant finalement à la disponibilité d'alternatives à l'allulose plus saines et au progrès du domaine de la biotechnologie industrielle.
2.1.2. Examen de nouvelles enzymes industrielles
Afin d'explorer de nouvelles enzymes industrielles, de nombreuses études se sont concentrées sur la caractérisation et l'amélioration des D-allulose 3-épimérases, essentielles dans la production de sucres rares.
La D-allulose 3-épimérase recombinante d'Agrobacterium sp. ATCC 31749 a révélé un acide aminé interfacial critique, la Lys-152, essentiel à l'activité catalytique et dont les mutations réduisent l'activité de 70 %, offrant ainsi des perspectives sur la conception enzymatique [ 39 ].
Cette découverte est cruciale car elle pose les bases pour comprendre comment chaque résidu d'acide aminé contribue au fonctionnement de l'enzyme, guidant ainsi les futurs efforts de conception d'enzymes plus efficaces et stables pour des applications industrielles.
La supposée Dolichol-phosphate-mannose synthase de Bacillus sp. a montré un taux de conversion de 35 % du D-fructose en D-allulose à 50 °C, et a conservé 80 % de son activité après 24 heures [ 40 ].
La double fonctionnalité de cette enzyme, qui présente à la fois une activité D-allulose 3-épimérase et une capacité à convertir le D-fructose en D-allulose, pourrait simplifier les processus de production industrielle en réduisant le besoin en enzymes multiples.
Cette stabilité et cette efficacité sont cruciales dans les applications industrielles où les processus de production en continu sont essentiels, car elles offrent des économies potentielles et simplifient les flux de travail de fabrication.
Une autre D-allulose 3-épimérase dérivée de Bacillus sp. a montré une thermostabilité remarquable, avec une demi-vie de 120 minutes à 70 °C, convertissant 30 % du D-fructose en D-allulose à une température optimale de 65 °C [ 10 ].
La capacité de l'enzyme à fonctionner efficacement à haute température la rend particulièrement adaptée aux applications industrielles où la thermostabilité est un facteur critique.
Cette propriété réduit le besoin de systèmes de refroidissement, diminuant ainsi les coûts énergétiques et augmentant l'efficacité globale du processus de production.
La tolérance élevée de l'enzyme aux températures élevées ouvre également la possibilité de son utilisation dans des processus où le maintien de températures plus basses ne serait pas pratique ou rentable.
Un nouveau gène de D-allulose 3-épimérase issu d'un métagénome d'habitat aquatique thermal, exprimé chez Bacillus subtilis, a atteint un taux de conversion de 40 % du D-fructose en D-allulose à 60 °C.
L'enzyme a conservé 75 % de son activité après 48 heures de fonctionnement continu, ce qui indique sa robustesse et son adéquation à une utilisation industrielle [ 13 ].
L'utilisation de la catalyse par cellules entières démontre davantage la capacité de l'enzyme à produire du D-allulose à l'échelle, offrant une méthode rentable et efficace pour produire ce sucre rare.
Cette approche tire parti de la capacité naturelle des cellules entières à effectuer des transformations biochimiques complexes, simplifiant le processus de production et réduisant potentiellement les coûts liés à la purification et à la stabilisation des enzymes.
La D-tagatose 3-épimérase de Caballeronia fortuita a montré une large spécificité de substrat, convertissant 25 % du D-fructose en D-allulose à 55 °C, avec une activité de 1,2 U/mg de protéine [ 41 ].
Sa capacité à produire divers sucres rares à partir de différents substrats simplifie le processus de production et réduit les coûts.
Cette polyvalence fait de l'enzyme Caballeronia fortuita un outil précieux pour les industries qui souhaitent produire des alternatives au sucre à haute valeur ajoutée de manière rentable.
Le large éventail de substrats de l'enzyme et son efficacité dans la conversion de plusieurs types de sucres soulignent son potentiel dans diverses applications industrielles, y compris la production de sucres rares pour l'industrie alimentaire et pharmaceutique.
L'enzyme de Christensenella minuta a montré un taux de conversion de 32 % à 50 °C, avec une demi-vie de 150 minutes, ce qui souligne son potentiel dans la production de sucre durable [ 42 ].
L'efficacité de l'enzyme et sa stabilité à des températures modérées la rendent adaptée à diverses applications industrielles, y compris la production d'aliments et de boissons, où des conditions de transformation douces sont préférées pour préserver la qualité du produit.
La robustesse de l'enzyme dans des conditions industrielles pratiques suggère qu'elle peut être intégrée dans les systèmes de production existants avec une modification minimale, augmentant ainsi la durabilité et l'efficacité des processus de production de sucre.
Des techniques d'évolution dirigée ont été appliquées pour améliorer la thermostabilité de la D-allulose 3-épimérase de Clostridium cellulolyticum H10 [ 43 ].
La demi-vie de l'enzyme améliorée est passée de 30 minutes à 180 minutes à 65 °C, atteignant un taux de conversion du D-fructose en D-allulose de 45 %.
Ces améliorations rendent l'enzyme plus viable pour les applications industrielles, où une stabilité prolongée à haute température est souvent requise.
L'application de l'évolution dirigée pour améliorer les propriétés enzymatiques met en évidence la possibilité d'adapter les enzymes aux besoins industriels spécifiques, optimisant ainsi les processus de production.
Cette approche souligne la puissance des méthodes biotechnologiques modernes dans la création d'enzymes aux propriétés améliorées, adaptées à des applications industrielles spécialisées.
La L-ribulose-3-épimérase hyperthermostable de Labedella endophytica a conservé 90 % de son activité après 24 heures à 80 °C, avec une température optimale de 75 °C [ 21 ].
La capacité de l'enzyme à convertir 28 % du D-fructose en D-allulose dans de telles conditions souligne son potentiel dans les processus industriels à haute température.
Sa robustesse en fait un candidat prometteur pour des applications où règnent des conditions extrêmes, telles que la fabrication de certains produits chimiques et pharmaceutiques.
La haute thermostabilité de l'enzyme signifie qu'elle peut être utilisée dans des processus nécessitant des températures durablement élevées, ce qui réduit potentiellement le besoin d'étapes de refroidissement et de stabilisation, abaissant ainsi les coûts de production totaux.
L'enzyme de Novibacillus thermophilus a montré une activité optimale à 70 °C et a conservé 85 % de son activité après 12 heures à cette température [ 44 ].
Elle a atteint une conversion de 38 % du D-fructose en D-allulose, ce qui valide son efficacité dans la synthèse de sucre à l'échelle industrielle.
L'efficacité et la stabilité thermique de l'enzyme la rendent particulièrement avantageuse pour la production de D-allulose dans des processus exigeant une activité enzymatique prolongée.
Un système d'expression de qualité alimentaire présent chez Corynebacterium glutamicum a facilité la conversion de la mélasse de canne en D-allulose avec une efficacité de conversion de 42 %, conservant 80 % de son activité après 24 heures [ 36 ].
Ce système améliore la production et l'application de l'enzyme dans l'industrie alimentaire, fournissant une méthode rentable et évolutive pour produire du D-allulose à partir de matières premières facilement accessibles, comme la mélasse de canne. Cette innovation a des conséquences significatives pour l'industrie alimentaire, où il existe une demande croissante pour des alternatives plus saines à l'allulose.
En utilisant un système d'expression de qualité alimentaire, cette approche garantit que le D-allulose produit répond aux normes de sécurité et réglementaires pour une utilisation dans les produits alimentaires.
De même, la D-tagatose 3-épimérase de Sinorhizobium sp. a atteint un taux de conversion du D-fructose en D-allulose de 35 % à 55 °C, conservant 85 % de son activité après 24 heures [ 45 ].
La performance robuste de l'enzyme dans de telles conditions suggère qu'elle peut être utilisée dans un environnement industriel, particulièrement là où un fonctionnement continu est requis.
Enfin, la D-allulose-3-épimérase recombinante de Thermoclostridium caenicola a montré un taux de conversion de 38 % du D-fructose en D-allulose à 60 °C et a conservé 80 % de son activité après 24 heures [ 22 ].
Ensemble, ces enzymes présentent un potentiel significatif pour une intégration dans des systèmes de production à grande échelle, où leur performance constante à long terme est essentielle pour maintenir l'efficacité du processus et réduire les coûts, ouvrant la voie à une application plus large du D-allulose dans divers produits.
Ces études mettent en lumière les avancées significatives réalisées dans la caractérisation des enzymes, l'amélioration de la thermostabilité et les applications biocatalytiques efficaces, qui font progresser la production industrielle de D-allulose et d'autres sucres rares.
En se concentrant sur des enzymes présentant une grande stabilité et activité dans des conditions industrielles, ces études conduisent à des processus de production plus efficaces et plus rentables, contribuant finalement à la disponibilité d'alternatives plus saines à l'allulose.
Tableau 1. Recherches typiques récentes sur les propriétés de la 3-épimérase.
2.1.3. Étude d'évolution dirigée
Les récents progrès réalisés dans le développement de la D-allulose-3-épimérase (DAEase) ont amélioré sa thermostabilité, son efficacité catalytique et sa résistance aux acides, ce qui est crucial pour la production industrielle de D-allulose [ 22 ].
L'application de l'évolution dirigée – une méthode de mutation et de sélection itératives – a démontré que des mutations d'un seul acide aminé peuvent améliorer considérablement les propriétés de l'enzyme.
Lorsque la mutation unique échoue, les mutations neutres stabilisent souvent la protéine, permettant des changements bénéfiques ultérieurs ou modifiant les fonctions « choisies » pour développer de nouvelles capacités.
Ces connaissances en évolution dirigée ont été appliquées à la DAEase, ce qui a conduit à une amélioration des performances de l'enzyme et à une production industrielle plus efficace et durable de D-allulose à faible teneur en calories [ 48 ].
Grâce à l'évolution dirigée, les mutants de DAEase de Clostridium cellulolyticum H10, tels que D281G et C289R, ont montré une demi-vie significativement accrue à 65 °C ; le triple mutant A107P/D281G/C289R a augmenté la demi-vie de 58,85 fois et amélioré la thermostabilité de 14,39 °C [ 43 ].
De même, des outils informatiques ont identifié des mutations utiles dans la DAEase de Thermoclostridium caenicola, aboutissant à la création du mutant à quatre points Var3, doté d'une rigidité et d'une stabilité accrues grâce à de nouvelles liaisons hydrogène et à une distribution de charge électrostatique optimisée [ 49 ].
Une approche basée sur la séquence et la structure a identifié la TtDAE hautement thermostable issue de Thermogutta terrifontis ; le variant M4 a augmenté l'efficacité catalytique de 5,12 fois et a montré une température de fusion significativement plus élevée [ 48 ].
Les substitutions d'acides aminés proline de la DAEase de Clostridium bolteae, en particulier le double mutant Cb-51P/89P, ont conduit à une augmentation de 2,32 fois de la demi-vie à 55 °C [ 50 ].
De plus, les efforts d'ingénierie pour la résistance aux acides ont abouti au triple mutant M3 (I114R/K123E/H209R), dont l'activité a été multipliée par 3,36 et la résistance aux acides par 10,6 à un pH de 4,5, le rendant adapté à la production de jus fonctionnels [ 51 ].
La conception rationnelle de la DAEase de Halanaerobium congolense a donné les mutants Y7H/C66L/I108A et Y7H/C66L/I108A/R156C/K260C, ce dernier montrant une demi-vie de 5,2 heures à 70 °C, avec une température de fusion augmentée de 6,5 °C [ 52 ].
Ces études mettent en évidence la synergie entre les prédictions informatiques et la validation expérimentale, révélant que l'amélioration de la stabilité et de l'activité des enzymes par des modifications génétiques ciblées est cruciale pour les applications industrielles.
L'utilisation de substitutions de proline et de ponts disulfures combinée à l'analyse du facteur B souligne l'importance de la compréhension de la dynamique des protéines pour une conception efficace des enzymes [ 53 ].
Le développement de variants résistants aux acides élargit encore l'application de la DAEase dans les environnements acides, démontrant la polyvalence et le potentiel de l'enzyme.
Dans l'ensemble, ces efforts de recherche ciblent les limites actuelles de la DAEase et établissent un précédent pour de futures études visant l'optimisation supplémentaire des biocatalyseurs, ouvrant la voie dans la biotechnologie et au-delà.
2.1.4. Méthode de biologie synthétique
La catalyse à cellules entières traditionnelle utilise généralement Corynebacterium glutamicum ou Bacillus subtilis modifiés, et de nouvelles voies métaboliques sont constamment explorées [ 8 ].
Les recherches récentes sur la participation de l'ATP à la catalyse métabolique sont remarquables et pourraient apporter des changements significatifs aux méthodes de biologie synthétique.
Les méthodes de biologie synthétique peuvent augmenter le taux de conversion de l'allulose et perturber l'équilibre entre le fructose et l'allulose.
La production de D-allulose par biologie synthétique a suscité un intérêt considérable en raison de ses avantages pour la santé et de sa valeur économique. Cette analyse compare trois méthodes de premier plan : la production contrôlée par phosphorylation, la production contrôlée par la thermodynamique et l'utilisation d'Escherichia coli génétiquement modifié, en soulignant leurs voies intégrées et leur efficacité [ 34 ].
La production contrôlée par phosphorylation se distingue par son association avec un système de régénération de l'ATP. Dans cette méthode, le D-glucose est converti en D-allulose à travers une série d'étapes enzymatiques.
Les enzymes clés incluent l'hexokinase, qui phosphoryle le D-glucose en glucose-6-phosphate, et la glucose-6-phosphate isomérase, qui le convertit en fructose-6-phosphate.
Le fructose-6-phosphate est davantage converti en allulose-6-phosphate par la D-tagatose-3-épimérase, puis finalement déphosphorylé en D-allulose.
La créatine kinase participe également au système de régénération de l'ATP, aidant à maintenir des niveaux élevés d'ATP, augmentant ainsi l'efficacité et le rendement du processus de production [ 54 ].
Une voie hautement efficace pour la synthèse du D-allulose à partir du D-fructose utilise la D-psicose épimérase et la L-ramnulose kinase, intégrées à un système de régénération de l'ATP via la polyphosphate kinase (Figure 2) [ 55 ].
Cette méthode atteint un taux de conversion impressionnant de 99 % en optimisant les conditions de réaction clés, en réduisant considérablement la consommation d'ATP à 10 % de la quantité théorique et en employant un mode d'alimentation par lots pour atténuer l'inhibition du polyphosphate.
Traditionnellement, l'acide borique était utilisé pour favoriser la réaction de synthèse du D-allulose par le biais de complexes formés avec le fructose, déplaçant ainsi l'équilibre vers la production d'allulose (Figure 3).
Cependant, bien que l'acide borique augmente considérablement le rendement de conversion en exploitant sa forte affinité de liaison au D-allulose, il présente des risques environnementaux et sanitaires en raison de sa toxicité et de la difficulté de son élimination du produit final.
En revanche, l'approche enzymatique exploite l'efficacité catalytique naturelle des enzymes et le cycle de régénération de l'ATP pour favoriser durablement la réaction sans additifs nocifs.
Cette amélioration souligne le potentiel de l'ingénierie métabolique pour renforcer l'efficacité des enzymes et la rentabilité de la production biochimique.
L'intégration réussie de la régénération de l'ATP réduit non seulement les coûts, mais élimine également le besoin d'acide borique, rendant ainsi le processus plus écologique [56].
Figure 2. Conversion du D-fructose en D-allulose par méthode de phosphorylation.
Figure 3. Structure chimique des complexes sucre-borate. ( A ) Fructose en tant que β-d-fructopyranose cis-C-4,5 diol-borate. ( B ) Psicose en tant que α-d-furanopsicose cis-C-3,4 diol-borate
3. Résumé
Les avancées technologiques dans la production d'allulose ne se concentrent pas seulement sur l'amélioration de l'efficacité, mais aussi sur la résolution des préoccupations environnementales et économiques.
Les méthodes de production durables, telles que l'utilisation de matières premières renouvelables et les principes de la chimie verte, sont intégrées dans les processus de production.
Par exemple, l'utilisation de sous-produits agricoles comme substrats de fermentation microbienne réduit les déchets et ajoute de la valeur à des matériaux autrement peu coûteux.
Les analyses économiques de ces méthodes de production avancées ont montré que l'optimisation des performances des enzymes et l'utilisation de systèmes de production intégrés peuvent réduire considérablement les coûts de production de l'allulose.
Ces réductions de coûts sont essentielles pour faire de l'allulose une alternative compétitive aux édulcorants traditionnels présents sur le marché.
Le développement rapide de la conversion enzymatique, de la biologie synthétique et des systèmes de production intégrés révolutionne la production d'allulose.
Ces technologies augmentent non seulement l'efficacité et l'évolutivité de la production d'allulose, mais sont également conformes aux tendances mondiales vers des processus de fabrication durables et économiquement viables.
Les recherches futures doivent continuer à se concentrer sur l'amélioration de la stabilité et de l'activité des enzymes grâce à des techniques avancées de conception de protéines.
De plus, la découverte de nouveaux organismes hôtes microbiens et l'optimisation de leurs voies métaboliques pourraient encore améliorer les systèmes de production microbiens. L'intégration de systèmes de production continus et le développement de techniques de traitement en aval plus efficaces seront essentiels à la viabilité commerciale de l'allulose.
La collaboration entre l'industrie et le milieu universitaire est indispensable pour transformer ces développements technologiques en applications pratiques.
En tirant parti de l'expertise et des ressources des deux secteurs, il sera possible de surmonter les défis persistants dans la production d'allulose et d'exploiter pleinement son potentiel en tant qu'alternative au sucre saine et durable.
4. Conclusions
La tendance mondiale de la production d'allulose est caractérisée par une transition vers des méthodes biosourcées durables et efficaces.
Les acteurs clés investissent dans des technologies avancées pour optimiser les processus de production, la Chine contribuant de manière significative par ses investissements dans la R&D et les développements technologiques.
La collaboration entre l'industrie et le milieu universitaire est essentielle pour surmonter les défis de production et répondre à la demande mondiale croissante pour l'allulose.
Les récentes approbations réglementaires, notamment par la FDA et l'approbation attendue de l'EFSA, augmentent encore le potentiel commercial de l'allulose, ce qui augure un brillant avenir pour cet édulcorant innovant.
De plus, la récente approbation de la Commission nationale de la santé chinoise augmente considérablement le potentiel du marché intérieur pour l'allulose, soutenant son intégration dans une large gamme de produits alimentaires et s'alignant sur les tendances mondiales en matière de santé.
