Immagina uno zucchero che ha solo il 38% delle calorie dello zucchero da tavola tradizionale, è sicuro per i diabetici, e non causerà cavità. Ora aggiungi che questo dolcificante dei sogni non è un sostituto artificiale ma un vero zucchero che si trova in natura e ha il sapore di, bene, zucchero. Probabilmente vorrai usarlo nella tua prossima tazza di caffè, Giusto?

Questo zucchero è chiamato tagatosio. La FDA lo ha approvato come additivo alimentare, e non ci sono state segnalazioni fino ad oggi dei problemi che hanno molti sostituti dello zucchero, come un sapore metallico, o peggio, collegamenti al cancro, secondo i ricercatori e la FAO/OMS, che ha certificato lo zucchero come "generalmente considerato sicuro".

Allora perché non è presente in tutti i tuoi dolci preferiti? La risposta sta nella spesa per produrlo. Pur essendo derivati ​​da frutta e latticini, il tagatosio non è abbondante ed è difficile da estrarre da quelle fonti. Il processo di fabbricazione comporta una conversione dal galattosio più facilmente ottenuto al tagatosio ed è altamente inefficiente, con rendimenti che possono raggiungere solo il 30 per cento.

Ma i ricercatori della Tufts University hanno sviluppato un processo che potrebbe sbloccare il potenziale commerciale di questo prodotto ipocalorico, zucchero a basso indice glicemico. In una recente pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , L'assistente professore Nikhil Nair e il borsista post-dottorato Josef Bober, sia della Scuola di Ingegneria, ha inventato un modo innovativo per produrre lo zucchero usando i batteri come minuscoli bioreattori che incapsulano gli enzimi e i reagenti.

Utilizzando questo approccio, hanno raggiunto rendimenti fino all'85%. Sebbene ci siano molti passaggi dal laboratorio alla produzione commerciale, rese così elevate potrebbero portare alla produzione su larga scala e all'ottenimento di tagatose su ogni scaffale del supermercato.

L'enzima scelto per produrre il tagatosio dal galattosio è chiamato L-arabinosio isomerasi (LAI). Però, il galattosio non è l'obiettivo principale dell'enzima, quindi le velocità e le rese della reazione con il galattosio sono meno che ottimali.

In una soluzione, l'enzima stesso non è molto stabile, e la reazione può andare avanti solo fino a quando circa il 39 percento dello zucchero non viene convertito in tagatosio a 37 gradi Celsius (circa 99 gradi Fahrenheit), e solo fino al 16% a 50 gradi Celsius (circa 122 gradi Fahrenheit), prima che l'enzima si degradi.

Nair e Bober hanno cercato di superare ciascuno di questi ostacoli attraverso la bioproduzione, utilizzando Lactobacillus plantarum, un batterio sicuro per gli alimenti, per produrre grandi quantità dell'enzima LAI e mantenerlo sicuro e stabile entro i confini della parete cellulare batterica.

Hanno scoperto che quando espresso in L. plantarum, l'enzima ha continuato a convertire il galattosio in tagatosio e ha portato la resa al 47 percento a 37 gradi Celsius. Ma ora che l'enzima LAI si è stabilizzato all'interno della cellula, potrebbe aumentare la resa all'83 percento alla temperatura più alta di 50 gradi Celsius senza degradarsi in modo significativo, e produceva tagatosio a un ritmo molto più veloce.

Per determinare se potevano spingere la reazione ancora più velocemente, Nair e Bober hanno esaminato ciò che potrebbe ancora limitarlo. Hanno trovato prove che il trasporto del materiale di partenza, galattosio, nella cellula era un fattore limitante. Per risolvere quel problema, hanno trattato i batteri con concentrazioni molto basse di detergenti, quanto basta per rendere le loro pareti cellulari permeabili, secondo i ricercatori. Il galattosio è stato in grado di entrare e il tagatosio rilasciato dalle cellule, permettendo all'enzima di convertire il galattosio in tagatosio a un ritmo più veloce, radere un paio d'ore di tempo necessario per ottenere una resa dell'85 percento a 50 gradi Celsius.

"Non puoi battere la termodinamica. Ma mentre questo è vero, puoi aggirare i suoi limiti con soluzioni ingegneristiche, " ha detto Nair, che è l'autore corrispondente dello studio. "Questo è come il fatto che l'acqua non fluirà naturalmente da una quota più bassa a una più alta perché la termodinamica non lo consente. Tuttavia, puoi battere il sistema, Per esempio, usando un sifone, che tira su l'acqua prima di farla uscire dall'altra parte."

Incapsulando l'enzima per la stabilità, eseguendo la reazione a temperatura più alta, e alimentarlo con più materiale di partenza attraverso membrane cellulari che perdono sono tutti "sifoni" usati per spingere in avanti la reazione.

Sebbene sia necessario più lavoro per determinare se il processo può essere adattato alle applicazioni commerciali, la bioproduzione ha il potenziale per migliorare i raccolti e avere un impatto sul mercato dei sostituti del dolcificante, che è stato stimato un valore di $ 7,2 miliardi nel 2018, secondo la società di ricerche di mercato Knowledge Sourcing Intelligence.

Nair e Bober notano anche che ci sono molti altri enzimi che possono trarre vantaggio dall'utilizzo di batteri come minuscoli reattori chimici che aumentano la stabilità degli enzimi per le reazioni ad alta temperatura e migliorano i tassi e le rese di conversione e sintesi. Mentre guardano avanti per esplorare altre applicazioni, dalla produzione di ingredienti alimentari alla plastica, ci sarà molto nel loro piatto.