En omfattande analys av allulosproduktion: översikt och uppdatering
Allulose StoreSidöversikt
Källa: mdpi.com , 17 augusti 2024.
1. Institutionen för spannmålsvetenskap och teknik, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, Kina
2. Jiangsu Provincial Research Center for Grain Bio-processing Engineering, Zhenjiang 212100, Kina
3. Institutionen för datavetenskap, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, Kina
Under de senaste åren har betydande framsteg gjorts inom produktionen av D-allulos, med särskilt fokus på enzymatiska konverteringsmetoder.
De viktigaste utvecklingarna inkluderar traditionella immobiliseringstekniker, upptäckten av nya enzymer, studier av riktad evolution samt modifiering av biosyntetiska metabola vägar.
Enzymatisk konvertering, särskilt genom användning av D-allulos-3-epimeras, förblir fundamental för produktion i industriell skala.
Innovativa immobiliseringsstrategier, såsom funktionaliserade nanokulor och magnetiska MOF-nanopartiklar, har avsevärt förbättrat enzymernas stabilitet och återanvändbarhet.
Riktad evolution har lett till förbättrad termostabilitet och katalytisk effektivitet hos enzymerna, medan syntetiska biologiska metoder, inklusive fosforyleringsstyrda och termodynamiskt styrda vägar, har optimerat produktionsprocesserna.
Högkapacitets-screeningsmetoder har varit avgörande för identifiering och förfining av enzymvarianter för industriella tillämpningar.
Tillsammans ökar dessa förbättringar inte bara produktionseffektiviteten och kostnadseffektiviteten, utan ligger också i linje med hållbara och ekonomiskt lönsamma produktionsmetoder.
Under de senaste fem åren har vi sett kritiska utvecklingar som kan få betydande potentiell inverkan på allulosens kommersiella lönsamhet och globala efterfrågan.
1. Introduktion
Allulos, även känt som psikos, är ett sällsynt socker som väckt stort intresse världen över på grund av sitt låga kaloriinnehåll och potentiella hälsofördelar, särskilt vid hantering av diabetes och fetma.
Den ökande medvetenheten om hälsosamma kostvanor har lett till en betydande ökning av den globala efterfrågan på allulos [ 1 , 2 , 3 , 4 ].
Nordamerika, särskilt USA, leder utvecklingen inom produktion och tekniska framsteg med företag som Ingredion och Tate & Lyle.
Användningen av allulos i olika livsmedels- och dryckesprodukter har varit omfattande, vilket ytterligare har accelererat efterfrågan [ 5 ].
Utöver USA är Japan och Sydkorea också framträdande marknader, där företag som Matsutani Chemical och CJ CheilJedang banar väg för produktion och tillämpning av allulos [ 6 ].
Produktionen av allulos kräver sofistikerad teknik, främst enzymatisk konvertering och syntetisk biologi [ 7 , 8 , 9 , 10 ].
Enzymatisk konvertering, som använder specifika enzymer för att omvandla fruktos till allulos, är allmänt föredragen på grund av dess höga utbyte och effektivitet.
Vid omvandlingen av fruktos till allulos deltar enzymet D-allulos-3-epimeras, som ändrar konfigurationen av hydroxylgruppen på fruktosens tredje kolatom, vilket resulterar i allulos (figur 1) [ 11 , 12 ].
Omvandlingsgraden från fruktos till allulos stannar vid cirka 30 % på grund av termodynamisk jämvikt.
I den enzymatiska reaktionen som katalyseras av D-allulos-3-epimeras hamnar framåtreaktionen (från fruktos till allulos) och den omvända reaktionen (från allulos till fruktos) i jämvikt och stabiliseras vid detta förhållande [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].
Denna jämvikt speglar reaktionens fria energilandskap, där energiskillnaden mellan fruktos och allulos är minimal. Vid jämvikt är därför hastigheterna för framåt- och bakåtreaktionen lika, vilket begränsar ytterligare omvandling [ 14 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 ].
För att övervinna detta hinder krävs innovativa metoder för att förskjuta jämvikten mot ett högre allulosutbyte.
Syntetisk biologi erbjuder en lovande lösning på detta jämviktsproblem.
Genom genetisk modifiering av mikroorganismer för att optimera metabola vägar kan omvandlingsprocessens effektivitet ökas.
Detta tillvägagångssätt kan förskjuta jämvikten mot ett högre utbyte av allulos och överskrida de naturliga termodynamiska begränsningarna [ 8 , 24 , 25 , 26 ].
- Figur. Schematisk representation av reaktionen där D-fruktos omvandlas till D-allulos i närvaro av 3-epimeras.
Betydande framsteg har skett inom regelverket för allulos.
År 2019 erkände den amerikanska livsmedelsmyndigheten (FDA) allulos som ett allmänt erkänt säkert ämne (GRAS), vilket accelererade dess marknadsintroduktion [ 27 ].
Företag som Ingredion och Tate & Lyle har erhållit GRAS-status, vilket möjliggör omfattande distribution i USA.
Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) utvärderar också användningen av allulos inom Europeiska unionen, och de senaste uppgifterna tyder på positiva resultat [ 24 ].
Kina blir en alltmer betydande aktör på allulosmarknaden med fokus på att minska sockerförbrukningen och förbättra folkhälsan.
Kinesiska företag investerar betydande belopp i avancerad produktionsteknik och expanderar sin kapacitet för att möta både den inhemska och internationella efterfrågan.
Baolingbao Biology Co., Ltd. (Yucheng, Kina) har en produktionskapacitet på 5 000 ton per år, medan Shandong Sanyuan Biotechnology och CJ CheilJedang (Bingzhou, Kina) bidrar väsentligt med en kapacitet på 3 500 respektive 4 000 ton per år.
Dessa investeringar i mångmiljonklassen understryker deras engagemang för att möta den växande efterfrågan på allulos.
I Kina har regulatoriskt stöd varit av kritisk betydelse.
Kinas nationella hälsokommission (NHC) godkände 2020 allulos som en ny livsmedelsingrediens, vilket underlättar dess införlivande i ett bredare utbud av livsmedel [ 28 ].
Detta regulatoriska stöd, i kombination med Kinas växande produktionskapacitet, förväntas avsevärt minska produktionskostnaderna och bidra mer väsentligt till människors hälsa genom att tillhandahålla ett sällsynt socker som alternativ. Därför är det nödvändigt att granska de senaste resultaten inom produktionsteknik och forskning kring allulos [ 6 , 17 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 ].
2. Senaste resultat
2.1. Enzymatisk omvandling
D-allulos-3-epimeras bör diskuteras utifrån fyra olika aspekter: (1) Traditionella metoder som inkluderar immobilisering och helcellskatalys för storskalig produktion, (2) upptäckt av nya enzymer, (3) studier av riktad evolution, och (4) modifiering av biosyntetiska metabola vägar.
Enzymatisk konvertering förblir den grundläggande tekniken för produktion av allulos, särskilt isomerisering av fruktos till allulos med användning av specifika enzymer såsom D-allulos-3-epimeras.
På grund av den gradvisa expansionen av marknadsefterfrågan är identifiering av nya 3-epimeras-enzymer samt användningen av immobiliserings- och syntetiska biologiska metoder kritiska strategier för att förbättra nuvarande industriella processer.
Här har vi uppdaterat forskningsresultaten från de senaste fem åren med fokus på optimering av enzymaktivitet och stabilitet för att öka konverteringseffektiviteten ( tabell 1 ) [ 8 , 11 , 34 , 35 ].
2.1.1. Immobilisering
Natriumalginat, som en livsmedelsgodkänd immobiliseringsmetod, är utbredd i den nuvarande produktionen av allulos, men nya metoder dyker ständigt upp som representerar betydande framsteg för att stabilisera enzymer och förbättra deras effektivitet [ 36 ].
Till exempel visade en studie av biotransformation av D-allulos från D-glukos, som inkluderade separation med simulerad rörlig bäddkromatografi (SMBC) och rening genom kristallisering, en D-allulos med en imponerande renhet på 98 % vid ett utbyte på 70 % [ 12 ].
Denna integrerade process utnyttjar den höga selektiviteten hos SMBC för effektiv separering av D-allulos från reaktionsblandningen, följt av kristallisering för att uppnå hög renhet.
Förmågan att uppnå sådan hög renhet och utbyte gör denna process extremt attraktiv för industriell produktion, vilket säkerställer effektiv konvertering och separation.
Ytterligare innovation kan ses i användningen av funktionaliserade polyhydroxialkanoat-nanokulor (PHA) som stabila biokatalysatorer.
Dessa nanokulor är utformade för att immobilisera D-allulos-3-epimeras, vilket har resulterat i ökad enzymstabilitet och återanvändbarhet.
Specifikt behöll enzymet som immobiliserats på PHA-nanokulor 85 % av sin initiala aktivitet efter 10 användningscykler, till skillnad från det fria enzymet som förlorade 50 % av sin aktivitet efter bara 5 cykler.
Denna betydande förbättring av stabilitet och återanvändbarhet minskar produktionskostnaderna och gör processen mer hållbar.
Funktionaliserade PHA-nanokulor ger en hållbar plattform som minimerar enzymnedbrytning, vilket möjliggör långsiktig användning i industriella processer.
Dessutom visade tvåstegs-biosyntes av D-allulos via en multienzymkaskad för biokonvertering av fruktjuicer potentialen i att kombinera flera enzymer i en enda process [ 37 ].
Denna metod involverade sekventiell användning av fruktos-isomeras och D-allulos-3-epimeras, vilket förbättrade den totala effektiviteten och utbytet av D-allulosproduktionen.
Studien rapporterade en 75-procentig omvandlingsgrad av D-fruktos till D-allulos, med ett totalt utbyte på 60 % beräknat från det initiala fruktjuice-substratet.
Denna effektiva omvandlingsprocess är särskilt fördelaktig vid användning av komplexa substrat som fruktjuicer genom att optimera varje steg i den enzymatiska omvandlingen.
Genom att använda multienzymkaskaden säkerställer detta tillvägagångssätt ett högre totalutbyte och minskar behovet av ytterligare bearbetningssteg, vilket förenklar produktionsprocessen.
Slutligen representerar immobilisering av D-allulos-3-epimeras i magnetiska metall-organiska ramverk (MOF) av nanopartiklar en banbrytande metod för enzymimmobilisering [ 38 ].
Dessa magnetiska MOF-nanopartiklar möjliggjorde enkel utvinning och återanvändning av enzymet, vilket avsevärt ökade biokatalysprocessens effektivitet.
Studien visade att det immobiliserade enzymet behöll 90 % av sin aktivitet efter 15 cykler, jämfört med det fria enzymet vars aktivitet föll till 40 % efter samma antal cykler.
Dessutom gav MOF-nanopartiklarna en stor yta för enzymimmobilisering, vilket förbättrade enzymets stabilitet och aktivitet.
Nanopartiklarnas magnetiska egenskaper underlättade enkel separation från reaktionsblandningen med hjälp av ett magnetfält, vilket gör processen mycket praktisk för storskalig biokatalys.
Denna innovativa metod förbättrar inte bara enzymprestandan utan förenklar också vidare bearbetning, vilket är kritiskt för industriella tillämpningar.
Sammantaget belyser dessa studier de betydande framstegen inom immobiliseringstekniker som förbättrar enzymernas stabilitet, återanvändbarhet och övergripande effektivitet vid produktion av D-allulos.
Användningen av SMBC och kristallisering säkerställer hög renhet och utbyte, vilket gör det till en robust metod för industriella tillämpningar.
Funktionaliserade PHA-nanokulor ger en hållbar och kostnadseffektiv plattform för immobilisering av enzymer, förlänger enzymernas livslängd och minskar kostnaderna.
Metoden med multienzymkaskad optimerar omvandlingsprocessen, särskilt för komplexa substrat, vilket ökar den totala produktionseffektiviteten.
Magnetiska MOF-nanopartiklar erbjuder en högteknologisk lösning för enzymutvinning och återanvändning, vilket förbättrar både stabilitet och aktivitet.
Dessa innovativa metoder banar tillsammans väg för mer hållbara och kostnadseffektiva industriella processer, vilket i slutändan bidrar till tillgängligheten av hälsosammare allulosalternativ och främjar området för industriell bioteknik.
2.1.2. Forskning kring nya industriella enzymer
För att utforska nya industriella enzymer har många studier fokuserat på att karakterisera och förbättra D-allulos-3-epimeraser, vilka är centrala för produktionen av sällsynta sockerarter.
Rekombinant D-allulos-3-epimeras från Agrobacterium sp. ATCC 31749 avslöjade en kritisk ytaminosyra, Lys-152, som är väsentlig för katalytisk aktivitet och vars mutationer minskar aktiviteten med 70 %, vilket ger insikter för enzymdesign [ 39 ].
Denna upptäckt är avgörande eftersom den lägger grunden för förståelsen av hur enskilda aminosyrarester bidrar till enzymets funktion, vilket därmed vägleder framtida ansträngningar att designa effektivare och stabilare enzymer för industriella tillämpningar.
Ett förmodat dolichol-fosfat-mannos-syntas från Bacillus sp. visade en 35-procentig omvandlingsgrad från D-fruktos till D-allulos vid 50 °C och bibehöll 80 % aktivitet efter 24 timmar [ 40 ].
Detta enzyms dubbla funktionalitet, som uppvisar både D-allulos-3-epimeras-aktivitet och förmågan att omvandla D-fruktos till D-allulos, kan förenkla industriella produktionsprocesser genom att minska behovet av flera enzymer.
Denna stabilitet och effektivitet är avgörande i industriella tillämpningar där kontinuerliga produktionsprocesser är nödvändiga, eftersom det erbjuder potentiella kostnadsbesparingar och förenklar tillverkningsarbetsflöden.
Ett annat D-allulos-3-epimeras från Bacillus sp. visade anmärkningsvärd värmestabilitet, med en halveringstid på 120 minuter vid 70 °C, och omvandlade 30 % av D-fruktos till D-allulos vid en optimal temperatur på 65 °C [ 10 ].
Enzymets förmåga att fungera effektivt vid höga temperaturer gör det särskilt lämpligt för industriella tillämpningar där värmestabilitet är en kritisk faktor.
Denna egenskap minskar behovet av kylsystem, vilket sänker energikostnaderna och ökar produktionsprocessens totala effektivitet.
Enzymets höga temperaturtolerans öppnar också möjligheter för användning i processer där bibehållande av lägre temperaturer inte skulle vara praktiskt eller kostnadseffektivt.
En ny D-allulos-3-epimeras-gen från ett metagenom i en termisk vattenmiljö, som uttrycktes i Bacillus subtilis, uppnådde en 40-procentig omvandlingsgrad från D-fruktos till D-allulos vid 60 °C.
Enzymet behöll 75 % av sin aktivitet efter 48 timmars kontinuerlig drift, vilket indikerar dess robusthet och lämplighet för industriell användning [ 13 ].
Användningen av helcellskatalys demonstrerar ytterligare enzymets förmåga till skalbar D-allulosproduktion och erbjuder en kostnadseffektiv och resultatinriktad metod för framställning av detta sällsynta socker.
Detta tillvägagångssätt utnyttjar helcellers naturliga förmåga att utföra komplexa biokemiska omvandlingar, vilket förenklar produktionsprocessen och potentiellt minskar kostnaderna förknippade med enzymrening och stabilisering.
D-tagatos-3-epimeras från Caballeronia fortuita visade bred substratspecificitet och omvandlade 25 % av D-fruktos till D-allulos vid 55 °C, med en aktivitet på 1,2 U/mg protein [ 41 ].
Förmågan att producera olika sällsynta sockerarter från olika substrat förenklar produktionsprocessen och minskar kostnaderna.
Denna mångsidighet gör Caballeronia fortuita-enzymet till ett värdefullt verktyg för branscher som vill producera socker-alternativ med högt värde på ett kostnadseffektivt sätt.
Enzymets breda substratspektrum och effektivitet vid omvandling av flera typer av socker understryker dess potential i ett brett spektrum av industriella tillämpningar, inklusive produktion av sällsynta sockerarter för livsmedels- och läkemedelsindustrin.
Enzymet från Christensenella minuta visade en 32-procentig omvandlingsgrad vid 50 °C med en halveringstid på 150 minuter, vilket understryker dess potential för hållbar sockerproduktion [ 42 ].
Enzymets effektivitet och stabilitet vid måttliga temperaturer gör det lämpligt för olika industriella tillämpningar, inklusive livsmedels- och dryckesproduktion, där skonsamma bearbetningsförhållanden föredras för att bibehålla produktkvaliteten.
Enzymets robusthet under praktiska industriella förhållanden antyder att det kan integreras i befintliga produktionssystem med minimal modifiering, vilket ökar hållbarheten och effektiviteten i sockerproduktionsprocesser.
Riktade evolutionstekniker har använts för att förbättra termostabiliteten hos D-tagatos-3-epimeras från Clostridium cellulolyticum H10 [ 43 ].
Det förbättrade enzymets halveringstid ökade från 30 minuter till 180 minuter vid 65 °C, och en konverteringsgrad på 45 % från D-fruktos till D-allulos uppnåddes.
Dessa förbättringar gör enzymet mer hållbart i industriella tillämpningar, där det ofta finns ett behov av längre stabilitet vid höga temperaturer.
Användningen av riktad evolution för att förbättra enzymegenskaper belyser potentialen att skräddarsy enzymer för specifika industriella behov, och därigenom optimera produktionsprocesser.
Detta tillvägagångssätt framhäver kraften hos moderna biotekniska metoder för att skapa enzymer med förbättrade egenskaper anpassade för specialiserade industriella tillämpningar.
Det hypertermostabila L-ribulos-3-epimeraset från Labedella endophytica behöll 90 % av sin aktivitet efter 24 timmar vid 80 °C, med en optimal temperatur på 75 °C [ 21 ].
Enzymets förmåga att under sådana förhållanden omvandla 28 % av D-fruktos till D-allulos understryker dess potential i högtemperaturindustriella processer.
Dess robusthet gör det till en lovande kandidat för tillämpningar där extrema förhållanden råder, till exempel vid tillverkning av vissa kemikalier och läkemedel.
Enzymets höga termostabilitet innebär att det även kan användas i processer som kräver långvarigt höga temperaturer, vilket potentiellt minskar behovet av kyl- och stabiliseringssteg och därmed sänker de totala produktionskostnaderna.
Enzymet från Novibacillus thermophilus uppvisade optimal aktivitet vid 70 °C och behöll 85 % av sin aktivitet efter 12 timmar vid denna temperatur [ 44 ].
Det uppnådde en 38-procentig omvandling av D-fruktos till D-allulos, vilket bekräftar dess effektivitet i storskalig sockersyntes.
Enzymets effektivitet och termiska stabilitet gör det särskilt fördelaktigt för produktion av D-allulos i processer som kräver långvarig enzymaktivitet.
Ett livsmedelsklassat expressionssystem i Corynebacterium glutamicum underlättade omvandlingen av rörsocker-melass till D-allulos med 42 % konverteringseffektivitet, och bibehöll 80 % av aktiviteten efter 24 timmar [ 36 ].
Detta system förbättrar enzymproduktionen och dess tillämpning inom livsmedelsindustrin, vilket ger en kostnadseffektiv och skalbar metod för att producera D-allulos från lättillgängliga råvaror, såsom rörsocker-melass. Denna innovation har betydande konsekvenser för livsmedelsindustrin, där efterfrågan på hälsosammare allulos-alternativ ständigt ökar.
Genom att använda ett livsmedelsklassat expressionssystem säkerställer detta tillvägagångssätt att den producerade D-allulosen uppfyller säkerhets- och regulatoriska standarder för användning i livsmedel.
På samma sätt uppnådde D-tagatos-3-epimeras från Sinorhizobium sp. en konverteringsgrad på 35 % från D-fruktos till D-allulos vid 55 °C, och behöll 85 % av sin aktivitet efter 24 timmar [ 45 ].
Enzymets robusta prestanda under dessa förhållanden tyder på att det kan användas i industriell miljö, särskilt där kontinuerlig drift krävs.
Slutligen uppvisade det rekombinanta D-allulos-3-epimeraset från Thermoclostridium caenicola en 38-procentig omvandlingsgrad från D-fruktos till D-allulos vid 60 °C, och bibehöll 80 % av sin aktivitet efter 24 timmar [ 22 ].
Sammantaget visar dessa enzymer en betydande potential för integrering i storskaliga produktionssystem, där deras långsiktigt konstanta prestanda är avgörande för att bibehålla processeffektivitet och minska kostnader, vilket banar väg för en bredare tillämpning av D-allulos i olika produkter.
Dessa studier belyser tillsammans de betydande framsteg som gjorts inom enzymkarakterisering, förbättring av termostabilitet och effektiva biokatalytiska tillämpningar, vilka främjar den industriella produktionen av D-allulos och andra sällsynta sockerarter.
Genom att fokusera på enzymer med hög stabilitet och aktivitet under industriella förhållanden leder dessa studier till mer effektiva och kostnadseffektiva produktionsprocesser, vilket i slutändan bidrar till tillgängligheten av hälsosammare allulos-alternativ.
Tabell 1. Senaste typisk forskning om 3-epimerasets egenskaper.
2.1.3. Riktad evolutionsstudie
Senaste framsteg i utvecklingen av D-allulos-3-epimeras (DAEas) har förbättrat dess termostabilitet, katalytiska effektivitet och syrabeständighet, vilket är avgörande för industriell produktion av D-allulos [ 22 ].
Användningen av riktad evolution – en metod för iterativ mutation och selektion – har bevisat att enstaka aminosyramutationer avsevärt kan förbättra enzymets egenskaper.
När en enstaka mutation misslyckas, stabiliserar neutrala mutationer ofta proteinet, vilket möjliggör senare gynnsamma förändringar, eller förändrar "valda" funktioner för att utveckla nya förmågor.
Dessa kunskaper om riktad evolution har tillämpats på DAEas, vilket lett till förbättrad enzymprestanda och en mer effektiv, hållbar industriell produktion av kalorifattig D-allulos [ 48 ].
Genom riktad evolution uppvisade mutanter av DAEas från Clostridium cellulolyticum H10, såsom D281G och C289R, signifikant ökad halveringstid vid 65 °C, medan trippelmutanten A107P/D281G/C289R ökade halveringstiden 58,85 gånger och förbättrade termostabiliteten med 14,39 °C [ 43 ].
På liknande sätt identifierade datorverktyg användbara mutationer i DAEas från Thermoclostridium caenicola, vilket resulterade i fyrpunktsmutanten Var3, som besitter ökad styvhet och stabilitet tack vare nya vätebindningar och en optimerad elektrostatisk laddningsfördelning [ 49 ].
En sekvens- och strukturbaserad metod identifierade det högst termostabila TtDAE från Thermogutta terrifontis; M4-varianten ökade den katalytiska effektiviteten 5,12 gånger och uppvisade en signifikant högre smälttemperatur [ 48 ].
Prolin-aminosyrasubstitutioner i DAEas från Clostridium bolteae, särskilt dubbelmutanten Cb-51P/89P, ledde till en 2,32-faldig ökning av halveringstiden vid 55 °C [ 50 ].
Vidare resulterade ingenjörsinsatser för syrabeständighet i trippelmutanten M3 (I114R/K123E/H209R), vars aktivitet ökade 3,36 gånger och syrabeständighet 10,6 gånger vid pH 4,5, vilket gjorde den lämplig för produktion av funktionell juice [ 51 ].
Rationell design av DAEas från Halanaerobium congolense resulterade i mutanterna Y7H/C66L/I108A och Y7H/C66L/I108A/R156C/K260C, där den senare uppvisade en halveringstid på 5,2 timmar vid 70 °C och en smälttemperatur som ökade med 6,5 °C [ 52 ].
Dessa studier belyser synergin mellan datorbaserade förutsägelser och experimentell validering, och avslöjar att förbättring av enzymernas stabilitet och aktivitet genom målinriktade genetiska modifieringar är avgörande för industriella tillämpningar.
Användningen av prolinsubstitutioner och disulfidbryggor i kombination med B-faktoranalys understryker vikten av att förstå proteindynamik för effektiv enzymdesign [ 53 ].
Utvecklingen av syrabeständiga varianter utökar ytterligare tillämpningen av DAEas i sura miljöer och visar enzymets mångsidighet och potential.
Sammantaget adresserar dessa forskningsinsatser de nuvarande begränsningarna hos DAEas och skapar ett prejudikat för framtida studier som syftar till att ytterligare optimera biokatalysatorer, vilket banar väg inom bioteknik och vidare.
2.1.4. Syntetisk biologisk metod
Traditionell helcellskatalys använder vanligtvis modifierad Corynebacterium glutamicum eller Bacillus subtilis, och nya metaboliska vägar undersöks kontinuerligt [ 8 ].
Noterbar är den senaste forskningen om ATP:s roll i metabolisk katalys, vilket kan leda till betydande förändringar i syntetiska biologiska metoder.
Syntetiska biologiska metoder kan öka konverteringsgraden för allulos och rubba balansen mellan fruktos och allulos.
Produktion av D-allulos genom syntetisk biologi har väckt stort intresse på grund av dess hälsofördelar och ekonomiska värde. Denna analys jämför tre framstående metoder: fosforyleringsstyrd produktion, termodynamikstyrd produktion och användningen av metaboliskt modifierad Escherichia coli, och lyfter fram deras integrerade vägar och effektivitet [ 34 ].
Den fosforyleringsstyrda produktionen utmärker sig genom sin koppling till ATP-regenereringssystemet. I denna metod omvandlas D-glukos till D-allulos genom en serie enzymatiska steg.
Viktiga enzymer inkluderar hexokinas, som fosforylerar D-glukos till glukos-6-fosfat, och glukos-6-fosfatisomeras, som omvandlar det till fruktos-6-fosfat.
Fruktos-6-fosfat omvandlas vidare av D-tagatos-3-epimeras till allulos-6-fosfat och defosforyleras slutligen till D-allulos.
ATP-regenereringssystemet involverar också kreatinkinas, vilket hjälper till att upprätthålla höga ATP-nivåer, vilket ökar produktionsprocessens effektivitet och utbyte [ 54 ].
En mycket effektiv väg för syntes av D-allulos från D-fruktos använder D-psikos-epimeras och L-ramnulos-kinas, vilka är integrerade med ett ATP-regenereringssystem via polyfosfatkinas (figur 2) [ 55 ].
Denna metod uppnår en imponerande konverteringsgrad på 99 % genom att optimera kritiska reaktionsförhållanden, avsevärt minska ATP-förbrukningen till 10 % av den teoretiska mängden, samt använda ett stegvis doseringsläge för att dämpa polyfosfathämning.
Traditionellt har borsyra använts för att främja syntesreaktionen av D-allulos genom komplex med fruktos, vilket förskjuter jämvikten mot allulosproduktion (figur 3).
Men även om borsyra avsevärt ökar konverteringsutbytet genom att utnyttja sin höga bindningsaffinitet till D-allulos, medför den miljömässiga och hälsomässiga risker på grund av sin toxicitet och svårigheten att avlägsna den från slutprodukten.
Däremot utnyttjar den enzymatiska metoden enzymers naturliga katalytiska effektivitet och ATP-regenereringscykeln för att främja reaktionen hållbart utan skadliga tillsatser.
Denna utveckling framhäver potentialen inom metabolisk ingenjörskonst för att öka enzymers effektivitet och ekonomi i biokemisk produktion.
Den framgångsrika integreringen av ATP-regenerering minskar inte bara kostnader utan eliminerar även behovet av borsyra, vilket gör processen mer miljövänlig [56].
Figur 2. Omvandling av D-fruktos till D-allulos genom fosforyleringsmetod.
Figur 3. Kemisk struktur av socker-borat-komplex. ( A ) Fruktos som β-d-frukto-pyranos-cis-C-4,5-diol-borat. ( B ) Psikos som α-d-furano-psikos-cis-C-3,4-diol-borat
3. Sammanfattning
Teknologiska förbättringar inom allulosproduktion fokuserar inte bara på att förbättra effektiviteten utan också på att hantera miljömässiga och ekonomiska problem.
Hållbara produktionsmetoder, såsom användning av förnybara råvaror och principer för grön kemi, integreras i produktionsprocesserna.
Till exempel minskar användningen av jordbruksbiprodukter som substrat för mikrobiell fermentering avfall och ger värde åt material med annars lågt värde.
Ekonomiska analyser av dessa avancerade produktionsmetoder har visat att optimering av enzymprestanda och användning av integrerade produktionssystem avsevärt kan minska produktionskostnaderna för allulos.
Dessa kostnadsminskningar är av avgörande betydelse för att allulos ska kunna utgöra ett konkurrenskraftigt alternativ till traditionella sötningsmedel på marknaden.
Den snabba utvecklingen inom enzymatisk omvandling, syntetisk biologi och integrerade produktionssystem revolutionerar allulosproduktionen.
Dessa teknologier ökar inte bara allulosproduktionens effektivitet och skalbarhet, utan är också i linje med globala trender mot hållbara och ekonomiskt bärkraftiga tillverkningsprocesser.
Framtida forskning bör fortsätta att fokusera på att förbättra enzymernas stabilitet och aktivitet genom avancerade proteindesigntekniker.
Dessutom kan upptäckten av nya mikrobiella värdorganismer och optimering av deras metaboliska vägar ytterligare förbättra mikrobiella produktionssystem. Integrering av kontinuerliga produktionssystem och utveckling av effektivare nedströmsprocesser kommer att vara avgörande för allulosens kommersiella bärkraft.
Samarbete mellan industri och akademi är nödvändigt för att omsätta dessa tekniska förbättringar till praktiska tillämpningar.
Genom att utnyttja expertisen och resurserna från båda sektorerna kommer det att vara möjligt att övervinna de utmaningar som fortfarande kvarstår inom allulosproduktion och till fullo utnyttja dess potential som ett hälsosamt och hållbart sockeralternativ.
4. Slutsatser
Den globala trenden för allulosproduktion kännetecknas av en förflyttning mot hållbara och effektiva biobaserade metoder.
Nyckelaktörer investerar i avancerad teknologi för att optimera produktionsprocesser, där Kina bidrar avsevärt genom sina investeringar i FoU och teknisk utveckling.
Samarbetet mellan industri och akademi är avgörande för att övervinna produktionsutmaningar och möta den växande globala efterfrågan på allulos.
Nyligen erhållna regulatoriska godkännanden, särskilt från FDA och det förväntade godkännandet från EFSA, ökar allulosens marknadspotential ytterligare, vilket signalerar en ljus framtid för detta innovativa sockerersättningsmedel.
Dessutom ökar det kinesiska nationella hälsokommitténs nyligen erhållna godkännande allulosens inhemska marknadspotential avsevärt, vilket stödjer dess integrering i ett brett utbud av livsmedel och ligger i linje med globala hälsotrender.
