Marta Wanarska
Katedra Mikrobiologii, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska; Blirt S.A.
strony wersji drukowanej: 20-22


Właściwości i zastosowanie D-tagatozy
D-Tagatoza, podobnie jak D-glukoza czy D-fruktoza, jest cukrem prostym, jednak w odróżnieniu od dwóch pozostałych występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach. Najbogatszym naturalnym źródłem D-tagatozy jest polisacharyd wytwarzany przez tropikalne drzewo Sterculia setigera, rosnące w niektórych krajach Afryki Północnej. W niewielkich ilościach cukier ten znaleźć można również w mleku sterylizowanym metodą UHT, niektórych serach oraz jogurcie. Pod względem chemicznym D-tagatoza jest ketoheksozą, epimerem D-fruktozy oraz izomerem D-galaktozy (Rys. 1).


Rys. 1. Wzory strukturalne D-fruktozy, D-galaktozy i D-tagatozy.


 Jest to związek dobrze rozpuszczalny w wodzie, stabilny w pH 2-7 i wykazujący słodki smak. Słodkość D-tagatozy wynosi 92% słodkości sacharozy, jednak jej kaloryczność jest znacznie niższa (37,5% wartości kalorycznej sacharozy). Wysoka słodkość oraz niska wartość kaloryczna D-tagatozy sprawiają, iż stanowi ona atrakcyjny zamiennik nie tylko sacharozy, ale również alkoholi cukrowych stosowanych w przemyśle spożywczym jako niskokaloryczne środki słodzące. Wartość kaloryczną i właściwości słodzące nie-których cukrów i alkoholi cukrowych przedstawiono w tabeli 1.


Tabela 1. Wartość kaloryczna i właściwości słodzące niektórych cukrów i alkoholi  cukrowych.



Dodatkową zaletą D-tagatozy w porównaniu do alkoholi cukrowych jest fakt, iż nie wywołuje ona biegunek, jak ma to miejsce przy nadmiernym spożyciu polioli. Ponadto, cukier ten działa synergistycznie z syntetycznymi słodzikami takimi jak aspartam czy acesulfam K, wzmacniając ich słodkość i jednocześnie obniżając powodowany przez nie gorzki posmak. D-tagatoza wzmacnia też smak miętowy, cytrynowy, śmietankowy i toffi. Niska wartość kaloryczna D-tagatozy wynika z jej słabej absorpcji w jelicie cienkim człowieka. Większość spożytego cukru przechodzi do jelita grubego, gdzie jest fermentowana przez mikroflorę jelitową do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, które są następnie wchłaniane i metabolizowane. Spożywanie D-tagatozy intensyfikuje zatem rozwój prawidłowej mikroflory jelitowej, a w konsekwencji ogranicza rozwój bakterii chorobotwórczych, np. z rodzaju Salmonella. Ponadto, D-tagatoza jest środkiem słodzącym bezpiecznym dla diabetyków, ponieważ jej spożycie nie powoduje gwałtownego wzrostu stężenia glukozy we krwi, jak ma to miejsce w przypadku sacharozy. Dzięki swoim niezwykłym właściwościom, a także statusowi substancji bezpiecznej (GRAS, ang. Generally Recognized As Safe), D-tagatoza znaleźć może szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym, m. in. przy produkcji niskokalorycznych słodyczy, napojów (również gazowanych, gdyż jest stabilna w niskim pH), dżemów czy płatków śniadaniowych. Można ją również wykorzystać jako substytut sacharozy w każdym gospodarstwie domowym, do słodzenia kawy czy herbaty, a także pieczenia i gotowania, gdyż jest odporna na wysoką temperaturę. Jako środek słodzący D-tagatoza dopuszczona jest do obrotu w USA, Australii, Nowej Zelandii, Brazylii, Korei Południowej, Japonii oraz krajach Unii Europejskiej.
 
Potencjał aplikacyjny D-tagatozy jako środka słodzącego nie ogranicza się tylko do produktów spożywczych. Może być ona wykorzystana również w przemyśle farmaceutycznym przy produkcji leków, a także w przemyśle kosmetycznym. Cukier ten nie jest fermentowany przez bakterie zasiedlające jamę ustną, dlatego nie powoduje próchnicy, a ponadto redukuje płytkę nazębną, może być zatem składnikiem past do zębów oraz płynów do płukania ust.

Największe nadzieje budzi jednak możliwość wykorzystania D-tagatozy w leczeniu cukrzycy typu 2 i otyłości. Obecnie trwa trzecia faza badań klinicznych. Cukrzyca typu 2 jest przewlekłą, postępującą, metaboliczną chorobą o charakterze epidemicznym, powodującą bardzo duże szkody ludzkie, społeczne i ekonomiczne. Według danych Światowej Organizacji Zdrowia 346 mln ludzi na świecie choruje na cukrzycę, w tym 90% na cukrzycę typu 2, która bardzo często skojarzona jest z otyłością. Epidemia cukrzycy dotyczy także Polski. Szacuje się, że w Polsce na cukrzycę choruje ok. 2 mln ludzi.
 
W przyszłości D-tagatoza może znaleźć jeszcze szersze zastosowanie, zwłaszcza w przemyśle farmaceutycznym. Badania na zwierzętach wykazały bowiem, że spożywanie tego cukru zwiększa płodność i wpływa pozytywnie na rozwój płodu. D-Tagatoza może być też przydatna w leczeniu anemii i hemofilii, gdyż zwiększa ilość erytrocytów i fibrynogenu we krwi. Ponadto, posiada ona właściwości antyoksydacyjne i ochronne dla komórek, dlatego też może znaleźć zastosowanie w transplantologii przy przechowywaniu organów.

Metody produkcji D-tagatozy
Na skalę przemysłową D-tagatoza może być produkowana dwiema metodami, chemiczną i enzymatyczną. Metoda chemiczna, opracowana i opatentowana przez amerykańską firmę Biospherics, polega na izomeryzacji D-galaktozy do D-tagatozy w warunkach silnie zasadowych, poprzez dodatek wodorotlenku wapnia i w obecności katalizatora, np. chlorku wapnia. Wytrącający się w reakcji kompleks Ca(OH)2•tagatoza•H2O jest następnie neutralizowany kwasem, co powoduje uwolnienie tagatozy. Powstająca w tym etapie nierozpuszczalna sól wapnia jest usuwana poprzez filtrację, a pozostająca w roztworze D-tagatoza jest zagęszczana i krystalizowana. Reakcja izomeryzacji jest silnie egzotermiczna i wymaga intensywnego chłodzenia, ponieważ w wysokiej temperaturze powstają niepożądane produkty uboczne.
 
Metoda enzymatyczna polega natomiast na izomeryzacji D-galaktozy do D-tagatozy z wykorzystaniem izomerazy arabinozowej, występującego u bakterii enzymu katalizującego konwersję pięciowęglowego cukru L-arabinozy do L-rybulozy. Wykazano jednak, że enzym ten jest również zdolny do przeprowadzenia reakcji izomeryzacji sześciowęglowego cukru D-galaktozy do D-tagatozy. Dotychczas otrzymano i scharakteryzowano kilkanaście izomeraz arabinozowych pochodzących z bakterii mezofilnych, np. Escherichia coli czy Bacillus halodurans oraz termofilnych z rodzaju Geobacillus, Thermoto-ga, Thermus czy Thermoa-naerobacter. Niedawno opisano również izomerazę arabinozową pochodzącą z zimnolubnych bakterii Lactobacillus sakei 23K. Najwyższą efektywnością konwersji D-galaktozy do D-tagatozy charakteryzują się enzymy pochodzące z termofili, wykazujące maksymalną aktywność w podwyższonej temperaturze i alkalicznym pH. Reakcja izomeryzacji wymaga zatem znacznych nakładów energetycznych na ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej. Ponad-to, enzymy te do zachowania wysokiej aktywności i stabilności wymagają obecności jonów metali ciężkich, manganu lub/i kobaltu, które muszą być później usuwane z finalnego produktu.

W każdej z opisanych metod przed właściwym etapem izomeryzacji D-galaktozy konieczne jest jej otrzymanie. Ponieważ D-galaktoza nie występuje w przyrodzie w postaci wolnej, uzyskuje się ją na drodze enzymatycznej hydrolizy dwucukru laktozy zawartej w serwatce, ubocznym produkcie przemysłu mleczarskiego. W tym celu wykorzystywane są zazwyczaj komercyjnie dostępne preparaty β-galaktozydazy. Kolejnym mankamentem opisywanych technologii jest konieczność rozdzielenia powstających na drodze hydrolizy cukrów prostych D-glukozy i D-galaktozy, jeszcze przed reakcją izomeryzacji. Monocukry rozdzielane mogą być metodą chromatografii cieczowej lub poprzez selektywną fermentację glukozy z wykorzystaniem drożdży Saccharomyces cerevisiae. Proces fermentacji musi być jednak ściśle monitorowany i zakończony w momencie wyczerpania glukozy w płynie hodowlanym. Wszystko to sprawia, że produkcja D-tagatozy jest mało wydajna, skomplikowana i kosztowna.

W Europie D-tagatoza produkowana była metodą chemiczną przez firmę SweetGredients GmbH & Co. KG, spółkę joint venture Arla Foods Ingredients (Dania) i Nordzucker AG (Niemcy), jednak w 2006 r. ze względu na wysokie koszty produkcja została wstrzymana. W bieżącym roku belgijska firma Nutrilab zadeklarowała gotowość do rozpoczęcia produkcji D-tagatozy na skalę przemysłową, 5 tys. ton rocznie, metodą enzymatyczną.
 
W wyniku współpracy firmy Blirt z Katedrą Mikrobiologii Politechniki Gdańskiej opracowana została jednoetapowa biotechnologiczna metoda produkcji D-tagatozy, oparta na aktywności enzymatycznej izomerazy arabinozowej pochodzącej z wyizolowanych z gleby antarktycznej zimnolubnych bakterii Arthrobacter sp. 22c oraz aktywności metabolicznej rekombinantowego szczepu drożdży Pichia pastoris produkującego zewnątrzkomórkowo β-galaktozydazę Arthrobacter chlorophenolicus. Skonstruowany metodami inżynierii genetycznej szczep drożdży zdolny jest do wzrostu w pożywce zawierającej laktozę jako jedyne źródło węgla, np. serwatce. Podczas hodowli laktoza hydrolizowana jest przez wydzielaną do pożywki β-galaktozydazę. Powstająca D-glukoza jest metabolizowana, zaś D-galaktoza pozostaje w płynie hodowlanym. Ponadto, izomeraza arabinozowa Arthrobacter sp. 22c wykazuje wysoką aktywność w warunkach wzrostu drożdży P. pastoris, tj. 30°C i pH 6,0 oraz nie wymaga obecności jonów manganu czy kobaltu do zachowania aktywności i stabilności. Hodowla zmodyfikowanych genetycznie drożdży produkujących β-galaktozydazę w serwatce, będącej dla nich pełnowartościową pożywką, w obecności izomerazy arabinozowej prowadzi zatem do hydrolizy laktozy, przy czym D-glukoza jest wykorzystywana przez mikroorganizmy jako źródło węgla i energii, zaś D-galaktoza jest izomeryzowana do D-tagatozy. Opisana metoda jest obecnie w trakcie patentowania.