Análise abrangente da produção de alulose: visão geral e atualização

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Fonte: mdpi.com , 17 de agosto de 2024.

 

1. Departamento de Ciência e Tecnologia dos Cereais, Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangsu, Zhenjiang 212100, China

2. Centro de Investigação em Engenharia de Bioprocessamento de Cereais da Província de Jiangsu, Zhenjiang 212100, China

3. Departamento de Computação, Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangsu, Zhenjiang 212100, China

Nos últimos anos, foram realizados progressos significativos na produção de D-alulose, com especial destaque para os métodos de conversão enzimática.

Os desenvolvimentos mais importantes incluem técnicas tradicionais de imobilização, a descoberta de novas enzimas, estudos de evolução dirigida e a modificação de vias metabólicas de biossíntese.

A conversão enzimática, particularmente através da utilização da D-alulose-3-epimerase, continua a ser fundamental para a produção à escala industrial.

As estratégias de imobilização inovadoras, como as esferas nano funcionalizadas e as nanopartículas magnéticas de MOF, melhoraram significativamente a estabilidade e a reutilização das enzimas.

A evolução dirigida conduziu a melhorias na termoestabilidade e na eficiência catalítica das enzimas, enquanto os métodos de biologia sintética, incluindo vias controladas por fosforilação e termodinamicamente orientadas, otimizaram os processos de produção.

Os métodos de triagem de alto rendimento têm sido cruciais na identificação e refinamento de variantes enzimáticas para aplicações industriais.

Colectivamente, estes desenvolvimentos não só aumentam a eficiência e a rentabilidade da produção, como também se alinham com práticas de fabrico sustentáveis e economicamente viáveis.

Nos últimos cinco anos, testemunhámos desenvolvimentos críticos que poderão ter um impacto potencial significativo na viabilidade comercial e na procura global de alulose.

 

1. Introdução

A alulose, também conhecida como psicose, é um açúcar raro que despertou um interesse mundial considerável devido ao seu baixo conteúdo calórico e potenciais benefícios para a saúde, especialmente na gestão da diabetes e da obesidade.

A crescente consciencialização dos consumidores sobre hábitos alimentares saudáveis aumentou significativamente a procura global de alulose [ 1 , 2 , 3 , 4 ].

A América do Norte, especialmente os Estados Unidos, lidera a produção e os desenvolvimentos tecnológicos, com empresas como a Ingredion e a Tate & Lyle.

A adopção da alulose em diversos produtos alimentares e bebidas tem sido robusta, o que acelerou ainda mais a procura [ 5 ].

Para além dos Estados Unidos, o Japão e a Coreia do Sul são também mercados de destaque, com empresas como a Matsutani Chemical e a CJ CheilJedang, que desempenham um papel pioneiro na produção e aplicação da alulose [ 6 ].

A produção de alulose exige tecnologias sofisticadas, principalmente a conversão enzimática e a biologia sintética [ 7 , 8 , 9 , 10 ].

A conversão enzimática, que utiliza enzimas específicas para converter frutose em alulose, é amplamente preferida devido ao seu elevado rendimento e eficiência.

Na conversão de frutose em alulose, participa a enzima D-alulose-3-epimerase, que altera a configuração do grupo hidroxilo no terceiro átomo de carbono da frutose, originando assim alulose (Figura 1) [ 11 , 12 ].

A taxa de conversão de frutose em alulose permanece em cerca de 30% devido ao equilíbrio termodinâmico.

Na reação enzimática catalisada pela D-alulose-3-epimerase, as reações direta (de frutose para alulose) e inversa (de alulose para frutose) atingem o equilíbrio, estabilizando-se nesta proporção [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

Este equilíbrio reflete o panorama de energia livre da reação, onde a diferença de energia entre a frutose e a alulose é mínima. Assim, no estado de equilíbrio, as velocidades das reações direta e inversa são iguais, o que limita uma conversão adicional [ 14 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 ].

Para superar este obstáculo, são necessárias abordagens inovadoras para deslocar o equilíbrio no sentido de um maior rendimento de alulose.

A biologia sintética oferece uma solução promissora para este obstáculo de equilíbrio.

Através da modificação genética de microrganismos para otimizar as vias metabólicas, é possível aumentar a eficiência do processo de conversão.

Esta abordagem pode deslocar o equilíbrio para um rendimento mais elevado de alulose, superando as limitações termodinâmicas naturais [ 8 , 24 , 25 , 26 ].

 

1. Figura. Representação esquemática da reação, onde a D-frutose é convertida em D-alulose na presença de 3-epimerase.

 

Houve um avanço significativo no quadro regulamentar da alulose.

Em 2019, a Agência de Administração de Alimentos e Medicamentos dos Estados Unidos (FDA) reconheceu a alulose como uma substância geralmente reconhecida como segura (GRAS), acelerando a sua penetração no mercado [ 27 ].

 

Empresas como a Ingredion e a Tate & Lyle obtiveram o estatuto GRAS, o que permite uma comercialização generalizada nos Estados Unidos.

A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) está também a avaliar a aplicação da alulose na União Europeia, sendo que os dados mais recentes sugerem um resultado positivo [ 24 ].

 

A China está a tornar-se um interveniente cada vez mais importante no mercado da alulose, focando-se na redução do consumo de açúcar e na melhoria da saúde pública.

As empresas chinesas estão a investir montantes significativos em tecnologias de produção avançadas e a expandir as suas capacidades para satisfazer a procura tanto interna como internacional.

A Baolingbao Biology Co., Ltd. (Yucheng, China) possui uma capacidade de produção anual de 5000 toneladas, enquanto a Shandong Sanyuan Biotechnology e a CJ CheilJedang (Bingzhou, China) contribuem significativamente com capacidades de 3500 e 4000 toneladas anuais, respetivamente.

Estes investimentos de milhões de dólares destacam o seu compromisso em satisfazer a crescente procura por alulose.

Na China, o apoio regulamentar tem sido fundamental.

A Comissão Nacional de Saúde da China (NHC) aprovou a alulose como um novo ingrediente alimentar em 2020, facilitando a sua incorporação numa gama mais vasta de alimentos [ 28 ].

 

Prevê-se que este apoio regulamentar, combinado com a crescente capacidade de produção da China, reduza significativamente os custos de produção e contribua de forma mais expressiva para a saúde humana através da disponibilização de uma alternativa de açúcar raro.

Portanto, é necessário rever os resultados mais recentes na tecnologia de produção e na investigação da alulose [ 6 , 17 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 ].

 

2. Resultados mais recentes

2.1. Transformação enzimática

A D-alulose-3-epimerase deve ser discutida sob quatro perspetivas diferentes: (1) Métodos tradicionais, que incluem a imobilização e a catálise de células completas para produção em larga escala, (2) descoberta de novas enzimas, (3) estudos de evolução dirigida, e (4) biosíntese através da modificação de vias metabólicas.

A conversão enzimática continua a ser uma tecnologia fundamental para a produção de alulose, especialmente a isomerização da frutose em alulose utilizando enzimas específicas, como a D-alulose-3-epimerase.

Devido à expansão gradual da procura de mercado, a identificação de novas enzimas 3-epimerase, bem como a aplicação de métodos de imobilização e de biologia sintética, são estratégias de importância crítica para o aperfeiçoamento dos processos industriais atuais.

Aqui, atualizámos os resultados de investigação dos últimos cinco anos, concentrando-nos na otimização da atividade e estabilidade das enzimas para aumentar a eficiência da conversão ( Tabela 1 ) [ 8 , 11 , 34 , 35 ].

 

2.1.1. Imobilização

O alginato de sódio, como método de imobilização de qualidade alimentar, é amplamente utilizado na produção atual de alulose, mas surgem continuamente novos métodos que representam progressos significativos na estabilização e eficiência das enzimas [ 36 ].

Por exemplo, um estudo que investigou a biotransformação de D-alulose a partir de D-glucose, que incluiu a separação por cromatografia de leito móvel simulado (SMBC) e a purificação por cristalização, demonstrou uma D-alulose com 98% de pureza e um rendimento de 70% [ 12 ].

Este processo integrado aproveita a elevada seletividade do SMBC para a separação eficiente da D-alulose da mistura reacional, seguida da cristalização para obter uma elevada pureza.

A capacidade de atingir tal pureza e rendimento torna este processo extremamente atrativo para a produção à escala industrial, garantindo uma conversão e separação eficientes.

Outra inovação pode ser observada na aplicação de pérolas de nano polihidroxialcanoato (PHA) funcionalizado como biocatalisadores estáveis.

Estas esferas nano foram concebidas para imobilizar a D-alulose-3-epimerase, o que resultou numa maior estabilidade e reutilização da enzima.

Especificamente, a enzima imobilizada em esferas nano de PHA manteve 85% da sua atividade inicial após 10 ciclos de utilização, em comparação com a enzima livre, que perdeu 50% da sua atividade após apenas 5 ciclos.

Esta melhoria significativa na estabilidade e reutilização reduz os custos de produção e torna o processo mais sustentável.

As esferas nano de PHA funcionalizado proporcionam uma plataforma duradoura que minimiza a degradação das enzimas, permitindo uma utilização a longo prazo nos processos industriais.

Além disso, a biossíntese de dois passos da D-alulose através de uma cascata multienzimática para a bioconversão de sumos de fruta demonstrou a possibilidade de combinar múltiplas enzimas num único processo [ 37 ].

Este método envolveu a aplicação sucessiva de frutose isomerase e D-alulose-3-epimerase, o que melhorou a eficiência global e o rendimento da produção de D-alulose.

O estudo relatou uma taxa de conversão de D-frutose em D-alulose de 75%, com um rendimento total calculado a partir do substrato de sumo de fruta inicial de 60%.

Este processo de conversão eficiente é particularmente vantajoso na utilização de substratos complexos, como sumos de fruta, ao otimizar cada passo da conversão enzimática.

Ao utilizar a cascata multienzimática, esta abordagem garante um rendimento total mais elevado e reduz a necessidade de passos de processamento adicionais, simplificando assim o processo de produção.

Finalmente, a fixação da D-alulose-3-epimerase em nanopartículas de estrutura organometálica magnética (MOF) representa uma abordagem de vanguarda para a imobilização de enzimas [ 38 ].

Estas nanopartículas MOF magnéticas permitiram uma extração e reutilização simples da enzima, aumentando significativamente a eficiência do processo biocatalítico.

O estudo demonstrou que a enzima imobilizada manteve 90% da sua atividade após 15 ciclos, em comparação com a enzima livre, cuja atividade caiu para 40% após o mesmo número de ciclos.

Além disso, as nanopartículas MOF proporcionaram uma grande superfície para a fixação da enzima, melhorando a estabilidade e a atividade da mesma.

As propriedades magnéticas das nanopartículas facilitaram a separação simples da mistura reacional através de um campo magnético, tornando o procedimento extremamente prático para a biocatálise em larga escala.

Este método inovador não só melhora o desempenho das enzimas, como também simplifica o processamento posterior, o que é de importância crítica para as aplicações industriais.

Colectivamente, estes estudos realçam os progressos significativos nas técnicas de imobilização que melhoram a estabilidade, a reutilização e a eficiência global das enzimas na produção de D-alulose.

A utilização de SMBC e cristalização garante uma elevada pureza e rendimento, tornando-o um método robusto para aplicações industriais.

As esferas nano de PHA funcionalizado proporcionam uma plataforma sustentável e rentável para a imobilização de enzimas, prolongando a vida útil das enzimas e reduzindo os custos.

A abordagem de cascata multienzimática otimiza o processo de conversão, especialmente para substratos complexos, aumentando a eficiência global da produção.

As nanopartículas MOF magnéticas oferecem uma solução de alta tecnologia para a extração e reutilização de enzimas, melhorando tanto a estabilidade como a atividade.

Estes métodos inovadores abrem conjuntamente o caminho para processos industriais mais sustentáveis e rentáveis, contribuindo em última análise para a disponibilidade de alternativas de alulose mais saudáveis e para o avanço do campo da biotecnologia industrial.

 

2.1.2. Investigação de novas enzimas industriais

Com o objetivo de explorar novas enzimas industriais, vários estudos centraram-se na caracterização e melhoramento das D-alulose-3-epimerases, fundamentais na produção de açúcares raros.

A D-alulose-3-epimerase recombinante de Agrobacterium sp. ATCC 31749 revelou um aminoácido interfacial crítico, a Lys-152, essencial para a atividade catalítica, e cujas mutações reduzem a atividade em 70%, proporcionando uma visão valiosa para o design de enzimas [ 39 ].

Esta descoberta é crucial, pois estabelece a base para compreender como os resíduos de aminoácidos individuais contribuem para o funcionamento da enzima, orientando assim futuros esforços para o design de enzimas mais eficientes e estáveis para aplicações industriais.

A suposta sintase de dolicol-fosfato-manose de Bacillus sp. apresentou uma taxa de conversão de 35% de D-frutose para D-alulose a 50 °C, mantendo 80% da sua atividade após 24 horas [ 40 ].

A dupla funcionalidade desta enzima, que exibe tanto a atividade de D-alulose 3-epimerase como a capacidade de converter D-frutose em D-alulose, pode simplificar os processos de produção industrial ao reduzir a necessidade de múltiplas enzimas.

Esta estabilidade e eficiência são cruciais em aplicações industriais onde processos de produção contínuos são indispensáveis, oferecendo potenciais poupanças de custos e simplificando os fluxos de trabalho de fabrico.

Outra D-alulose-3-epimerase de Bacillus sp. mostrou uma termoestabilidade notável, com um tempo de meia-vida de 120 minutos a 70 °C, convertendo 30% da D-frutose em D-alulose à temperatura ótima de 65 °C [ 10 ].

A capacidade de a enzima operar de forma eficiente a altas temperaturas torna-a particularmente adequada para aplicações industriais onde a termoestabilidade é um fator crítico.

Esta característica reduz a necessidade de sistemas de refrigeração, diminuindo assim os custos energéticos e aumentando a eficiência global do processo de produção.

A elevada tolerância à temperatura da enzima também abre oportunidades para a sua aplicação em processos onde a manutenção de temperaturas mais baixas não seria prática ou rentável.

Um novo gene de D-alulose 3-epimerase proveniente de um metagenoma de um habitat aquático térmico, expresso em Bacillus subtilis, atingiu uma taxa de conversão de 40% de D-frutose para D-alulose a 60 °C.

A enzima manteve 75% da sua atividade após 48 horas de operação contínua, indicando a sua robustez e adequação para uso industrial [ 13 ].

A aplicação da catálise de células completas demonstra ainda mais a capacidade da enzima para a produção de D-alulose em escala, oferecendo um método rentável e eficaz para a produção deste açúcar raro.

Esta abordagem aproveita a capacidade natural das células completas para realizar transformações bioquímicas complexas, simplificando o processo de produção e reduzindo potencialmente os custos associados à purificação e estabilização de enzimas.

A D-tagatose 3-epimerase de Caballeronia fortuita apresentou uma vasta especificidade de substrato, convertendo 25% da D-frutose em D-alulose a 55 °C, com uma atividade de 1,2 U/mg de proteína [ 41 ].

A sua capacidade para produzir vários açúcares raros a partir de diferentes substratos simplifica o processo de produção e reduz os custos.

Esta versatilidade torna a enzima de Caballeronia fortuita um recurso valioso para indústrias que pretendem produzir alternativas de açúcar de alto valor de forma rentável.

A vasta gama de substratos da enzima e a sua eficiência na conversão de múltiplos açúcares realçam o seu potencial em diversas aplicações industriais, incluindo a produção de açúcares raros para as indústrias alimentar e farmacêutica.

A enzima de Christensenella minuta apresentou uma taxa de conversão de 32% a 50 °C, com um tempo de meia-vida de 150 minutos, o que realça o seu potencial na produção de açúcar sustentável [ 42 ].

A eficiência da enzima e a sua estabilidade a temperaturas moderadas tornam-na adequada para várias aplicações industriais, incluindo a indústria alimentar e de bebidas, onde condições de processamento moderadas são preferidas para preservar a qualidade do produto. 

A robustez da enzima em condições industriais práticas sugere que pode ser integrada nos sistemas de produção existentes com modificações mínimas, aumentando a sustentabilidade e a eficiência dos processos de produção de açúcar.

Foram aplicadas técnicas de evolução direcionada para aumentar a termoestabilidade da D-alulose 3-epimerase de Clostridium cellulolyticum H10 [ 43 ].

A enzima melhorada apresentou um aumento no tempo de meia-vida de 30 para 180 minutos a 65 °C, tendo atingido uma taxa de conversão de 45% de D-frutose em D-alulose. 

Estas melhorias tornam a enzima mais viável para aplicações industriais, onde a estabilidade a altas temperaturas por períodos prolongados é frequentemente necessária.

A aplicação da evolução direcionada para melhorar as propriedades enzimáticas realça o potencial de adaptar as enzimas a necessidades industriais específicas, otimizando assim os processos de produção.

Esta abordagem destaca o poder dos métodos biotecnológicos modernos na criação de enzimas com propriedades aprimoradas, ajustadas para aplicações industriais especializadas.

A L-ribulose-3-epimerase hipertermoestável de Labedella endophytica manteve 90% da sua atividade após 24 horas a 80 °C, com uma temperatura ótima de 75 °C [ 21 ].

A capacidade da enzima de converter 28% da D-frutose em D-alulose nessas condições sublinha o seu potencial em processos industriais de alta temperatura.

A sua robustez torna-a uma candidata promissora para aplicações em que prevalecem condições extremas, por exemplo, no fabrico de certos produtos químicos e farmacêuticos.

A elevada termoestabilidade da enzima significa que pode ser utilizada em processos que requerem temperaturas elevadas de forma prolongada, o que reduz potencialmente a necessidade de etapas de arrefecimento e estabilização, diminuindo assim os custos totais de produção.

A enzima de Novibacillus thermophilus apresentou atividade ótima a 70 °C e manteve 85% da sua atividade após 12 horas a esta temperatura [ 44 ].

Atingiu uma conversão de 38% de D-frutose em D-alulose, o que comprova a sua eficácia na síntese de açúcar à escala industrial.

A eficiência e a estabilidade térmica da enzima tornam-na particularmente vantajosa para a produção de D-alulose em processos que exigem atividade enzimática prolongada.

Um sistema de expressão de qualidade alimentar presente em Corynebacterium glutamicum facilitou a conversão de melaço de cana em D-alulose com uma eficiência de conversão de 42%, mantendo 80% da sua atividade após 24 horas [ 36 ].

Este sistema aumenta a produção e a aplicação da enzima na indústria alimentar, fornecendo um método económico e escalável para produzir D-alulose a partir de matérias-primas facilmente disponíveis, como o melaço de cana. Esta inovação tem implicações significativas para a indústria alimentar, onde existe uma procura crescente por alternativas de alulose mais saudáveis. 

Ao utilizar um sistema de expressão de qualidade alimentar, esta abordagem garante que a D-alulose produzida cumpre as normas de segurança e regulamentação para utilização em produtos alimentares.

Da mesma forma, a D-tagatose 3-epimerase de Sinorhizobium sp. atingiu uma taxa de conversão de 35% de D-frutose em D-alulose a 55 °C, mantendo 85% da sua atividade após 24 horas [ 45 ].

O desempenho robusto da enzima nessas condições sugere que pode ser aplicada em ambientes industriais, especialmente onde é necessária uma operação contínua.

Por fim, a D-alulose-3-epimerase recombinante de Thermoclostridium caenicola apresentou uma taxa de conversão de 38% de D-frutose em D-alulose a 60 °C, mantendo 80% da sua atividade após 24 horas [ 22 ].

Estas enzimas, em conjunto, mostram um potencial significativo para integração em sistemas de produção de grande escala, onde o seu desempenho constante a longo prazo é essencial para manter a eficiência do processo e reduzir custos, abrindo caminho para uma aplicação mais ampla da D-alulose em diversos produtos.

Estes estudos, coletivamente, destacam os avanços significativos na caracterização de enzimas, na melhoria da termoestabilidade e em aplicações biocatalíticas eficientes, que impulsionam a produção industrial de D-alulose e de outros açúcares raros.

Ao concentrarem-se em enzimas com elevada estabilidade e atividade em condições industriais, estes estudos conduzem a processos de produção mais eficientes e económicos, contribuindo em última análise para a disponibilidade de alternativas de alulose mais saudáveis.

 

Tabela 1. Pesquisas recentes e típicas sobre as propriedades da 3-epimerase.

2.1.3. Estudo de evolução direta

Os avanços recentes no desenvolvimento da D-alulose-3-epimerase (DAEase) melhoraram a sua termoestabilidade, eficiência catalítica e resistência a ácidos, o que é crucial para a produção industrial de D-alulose [ 22 ].

A aplicação da evolução direcionada – um método de mutação e seleção iterativa – demonstrou que mutações de um único aminoácido podem melhorar significativamente as propriedades da enzima.

Quando uma única mutação falha, as mutações neutras estabilizam frequentemente a proteína, permitindo alterações vantajosas subsequentes ou alterando funções "escolhidas" para desenvolver novas capacidades.

Estes conhecimentos de evolução direcionada foram aplicados à DAEase, o que levou à melhoria do desempenho da enzima e a uma produção industrial mais eficiente e sustentável de D-alulose com baixo teor calórico [ 48 ].

Através da evolução direcionada, mutantes da DAEase de Clostridium cellulolyticum H10, como D281G e C289R, exibiram um tempo de meia-vida significativamente aumentado a 65 °C, sendo que o triplo mutante A107P/D281G/C289R aumentou o tempo de meia-vida 58,85 vezes e melhorou a termoestabilidade em 14,39 °C [ 43 ].

Da mesma forma, ferramentas computacionais identificaram mutações úteis na DAEase de Thermoclostridium caenicola, resultando no mutante de quatro pontos Var3, que possui maior rigidez e estabilidade devido a novas ligações de hidrogénio e a uma distribuição de carga eletrostática otimizada [ 49 ].

Uma abordagem baseada em sequência e estrutura identificou a TtDAE altamente termoestável de Thermogutta terrifontis; a variante M4 aumentou a eficiência catalítica 5,12 vezes e exibiu uma temperatura de fusão significativamente mais elevada [ 48 ].

As substituições de aminoácidos prolina na DAEase de Clostridium bolteae, especialmente o duplo mutante Cb-51P/89P, levaram a um aumento de 2,32 vezes no tempo de meia-vida a 55 °C [ 50 ].

Além disso, os esforços de engenharia para resistência a ácidos resultaram no triplo mutante M3 (I114R/K123E/H209R), cuja atividade aumentou 3,36 vezes e a resistência a ácidos 10,6 vezes a um pH de 4,5, tornando-o adequado para a produção de sumo funcional [ 51 ].

O desenho racional da DAEase de Halanaerobium congolense resultou nos mutantes Y7H/C66L/I108A e Y7H/C66L/I108A/R156C/K260C, sendo que este último apresentou um tempo de meia-vida de 5,2 horas a 70 °C, e a sua temperatura de fusão aumentou 6,5 °C [ 52 ].

Estes estudos realçam a sinergia entre as previsões computacionais e a validação experimental, revelando que o aumento da estabilidade e da atividade das enzimas através de modificações genéticas direcionadas é fundamental para aplicações industriais.

A aplicação de substituições de prolina e pontes dissulfeto, combinada com a análise do fator B, sublinha a importância de compreender a dinâmica das proteínas para um design enzimático eficiente [ 53 ].

O desenvolvimento de variantes resistentes a ácidos alarga ainda mais a aplicação da DAEase em ambientes ácidos, demonstrando a versatilidade e o potencial da enzima. 

Globalmente, estes esforços de investigação visam as limitações atuais da DAEase e estabelecem um precedente para estudos futuros destinados a otimizar ainda mais os biocatalisadores, abrindo caminho na biotecnologia e não só.

 

2.1.4. Método de biologia sintética

A catálise convencional de células completas utiliza tipicamente Corynebacterium glutamicum ou Bacillus subtilis modificados, estando continuamente a ser exploradas novas vias metabólicas [ 8 ].

São notáveis as investigações recentes sobre a participação do ATP na catálise metabólica, que podem trazer mudanças significativas nos métodos de biologia sintética.

Os métodos de biologia sintética podem aumentar a taxa de conversão de alulose e perturbar o equilíbrio entre frutose e alulose.

A produção de D-alulose através de biologia sintética tem despertado um interesse significativo devido aos seus benefícios para a saúde e valor económico. Esta análise compara três métodos proeminentes: produção controlada por fosforilação, produção controlada pela termodinâmica e a utilização de Escherichia coli metabolicamente modificada, destacando as suas vias integradas e eficiência [ 34 ].

A produção controlada por fosforilação destaca-se pela sua ligação ao sistema de regeneração de ATP. Neste método, a D-glicose é convertida em D-alulose através de uma série de etapas enzimáticas.

As principais enzimas incluem a hexoquinase, que fosforila a D-glicose em glucose-6-fosfato, e a glucose-6-fosfato isomerase, que a converte em frutose-6-fosfato.

A frutose-6-fosfato é convertida posteriormente em alulose-6-fosfato pela D-tagatose-3-epimerase e, finalmente, desfosforilada em D-alulose.

O sistema de regeneração de ATP envolve também a creatina quinase, que ajuda a manter elevados níveis de ATP, aumentando a eficiência e o rendimento do processo de produção [ 54 ].

Uma via altamente eficiente para a síntese de D-alulose a partir de D-frutose utiliza D-psicose epimerase e L-ramnulose quinase, integradas com um sistema de regeneração de ATP através da polifosfato quinase (Figura 2) [ 55 ].

Este método atinge uma taxa de conversão impressionante de 99% através da otimização das condições-chave de reação, reduzindo significativamente o consumo de ATP para 10% da quantidade teórica e utilizando um modo de alimentação em lote para moderar a inibição por polifosfato.

Tradicionalmente, o ácido bórico tem sido utilizado para promover a reação de síntese de D-alulose através de complexos formados com frutose, deslocando assim o equilíbrio para a produção de alulose (Figura 3).

No entanto, embora o ácido bórico aumente significativamente o rendimento de conversão ao explorar a sua elevada afinidade de ligação à D-alulose, apresenta riscos ambientais e de saúde devido à sua toxicidade e à dificuldade de remoção do produto final.

Em contrapartida, a abordagem enzimática aproveita a eficiência catalítica natural das enzimas e o ciclo de regeneração de ATP para promover a reação de forma sustentável, sem aditivos nocivos.

Este desenvolvimento realça o potencial da engenharia metabólica para aumentar a eficiência das enzimas e a economia na produção bioquímica.

A integração bem-sucedida da regeneração de ATP não só reduz custos, como também elimina a necessidade de ácido bórico, tornando o processo mais amigo do ambiente [56].

 

Figura 2. Conversão de D-frutose em D-alulose pelo método de fosforilação.

 

 

Figura 3. Estrutura química dos complexos açúcar-borato. ( A ) Frutose como cis-C-4,5 diol-borato de β-d-frutopiranose. ( B ) Psicose como cis-C-3,4 diol-borato de α-d-furanopsicose

 

3. Resumo

Os desenvolvimentos tecnológicos na produção de alulose não se centram apenas na melhoria da eficiência, mas também na resolução de preocupações ambientais e económicas.

Métodos de produção sustentáveis, como a utilização de matérias-primas renováveis e os princípios da química verde, estão a ser integrados nos processos de produção.

Por exemplo, a utilização de subprodutos agrícolas como substrato para fermentação microbiana reduz o desperdício e acrescenta valor a materiais que, de outra forma, teriam pouco valor.

As análises económicas destes métodos de produção avançados demonstraram que a otimização do desempenho das enzimas e a aplicação de sistemas de produção integrados podem reduzir significativamente os custos de produção de alulose.

Estas reduções de custos são críticas para que a alulose represente uma alternativa competitiva aos edulcorantes tradicionais no mercado.

O rápido progresso da conversão enzimática, da biologia sintética e dos sistemas de produção integrados está a revolucionar a produção de alulose.

Estas tecnologias não só aumentam a eficiência e a escalabilidade da produção de alulose, como também estão em linha com as tendências globais de processos de fabrico sustentáveis e economicamente viáveis.

A investigação futura deve continuar a centrar-se na melhoria da estabilidade e atividade das enzimas através de técnicas avançadas de design de proteínas.

Além disso, a descoberta de novos hospedeiros microbianos e a otimização das suas vias metabólicas podem melhorar ainda mais os sistemas de produção microbiana. A integração de sistemas de produção contínua e o desenvolvimento de técnicas de processamento a jusante (downstream) mais eficientes serão fundamentais para a viabilidade comercial da alulose.

A colaboração entre a indústria e o meio académico é essencial para transformar estes desenvolvimentos tecnológicos em aplicações práticas.

Aproveitando a experiência e os recursos de ambos os setores, será possível superar os desafios que ainda persistem na produção de alulose e explorar plenamente o seu potencial como alternativa de açúcar saudável e sustentável.

 

4. Conclusões

A tendência global da produção de alulose caracteriza-se pela mudança para métodos de base biológica sustentáveis e eficientes.

Os principais intervenientes estão a investir em tecnologias avançadas para otimizar os processos de produção, com a China a contribuir significativamente através dos seus investimentos em I&D e desenvolvimento tecnológico.

A cooperação entre a indústria e o meio académico é indispensável para superar os desafios de produção e satisfazer a crescente procura global por alulose.

As recentes aprovações regulamentares, nomeadamente por parte da FDA e a esperada aprovação da EFSA, aumentam ainda mais o potencial de mercado da alulose, o que indica um futuro promissor para este inovador substituto do açúcar.

Além disso, a recente aprovação da Comissão Nacional de Saúde da China aumenta significativamente o potencial de mercado interno da alulose, apoiando a sua integração numa vasta gama de alimentos e alinhando-se com as tendências globais de saúde.

 

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