Коммерциализация и промышленное применение трегалозы CAS#99-20-7

Трегалоза — стабильный невосстанавливающий дисахарид, состоящий из двух молекул глюкозы, связанных α,α-1,1-гликозидной связью. Впервые она была выделена из спорыньи ржи, а позднее было обнаружено её широкое распространение в природе: в растениях, животных и микроорганизмах, особенно в грибах, водорослях, мхах и беспозвоночных. Трегалоза представляет собой белые кристаллы; каждая молекула содержит две молекулы кристаллизационной воды. Она растворима в воде, ледяной уксусной кислоте и горячем этаноле, но нерастворима в эфире и ацетоне. При нагревании до 130 °C она теряет кристаллизационную воду и становится безводной.

Биологическая функция и значение

Трегалоза проявляет выдающиеся защитные свойства в живых организмах. В экстремальных условиях окружающей среды, таких как высокая температура, замораживание, обезвоживание или высокое осмотическое давление, она образует уникальную защитную пленку на поверхности клеток. Эта пленка помогает стабилизировать белки, клеточные мембраны и другие биологические структуры, предотвращая денатурацию и инактивацию. Другие природные сахара, такие как сахароза или глюкоза, не обладают такой способностью. Поэтому в научном сообществе трегалозу часто называют «сахаром жизни».

Трегалоза в большом количестве содержится в различных организмах, включая низшие папоротники, водоросли, бактерии, грибы, дрожжи, насекомых и беспозвоночных. Среди них особенно высокие концентрации трегалозы — до 20% от их сухого веса — содержатся в дрожжах и плесени. Благодаря её уникальным свойствам и широкому биологическому спектру, исследователи давно занимаются разработкой эффективных методов экстракции и крупномасштабного промышленного производства трегалозы.

Современные методы подготовки

В настоящее время разработано несколько подходов к производству трегалозы, включая химический синтез, микробную экстракцию, микробную ферментацию, ферментативный синтез и генную инженерию.

1. Метод микробной экстракции

Этот метод использует микроорганизмы, такие как дрожжи, молочнокислые бактерии и плесень, которые естественным образом содержат трегалозу. Изменение условий роста способствует накоплению трегалозы в клетках, после чего она извлекается с помощью соответствующих методов. Однако этот метод имеет существенные недостатки — длительный производственный цикл, низкий выход и высокая стоимость, что затрудняет крупномасштабное промышленное производство.

2. Метод микробной ферментации

В этом подходе трегалоза производится посредством микробной ферментации, а затем извлекается и очищается из ферментационного бульона. Ключевым моментом этого метода является отбор высокопродуктивных штаммов посредством мутагенеза, слияния клеток или рекомбинации генов. Японская компания Ajinomoto Co., Ltd. успешно осуществила промышленное производство трегалозы с использованием in vitro культур бактерий, продуцирующих аминокислоты. Однако эффективность преобразования остаётся относительно низкой, и в процессе образуется множество побочных продуктов.

3. Ферментативный синтез

Этот метод использует такие субстраты, как глюкоза, мальтоза или крахмал, которые ферментативно преобразуются в трегалозу. Несмотря на концептуальную простоту, процесс сталкивается с такими проблемами, как высокое энергопотребление и нестабильность ферментов фосфорилазы, что ограничивает его возможность промышленного внедрения.

4. Генная инженерия

Генетическая модификация позволяет вводить гены трегалозосинтазы в микроорганизмы или растения, что позволяет производить трегалозу модифицированными штаммами или трансгенными видами. Этот метод обещает эффективное и устойчивое производство трегалозы, хотя он пока находится на стадии исследований и разработок.

5. Химический синтез

Трегалозу также можно синтезировать химически посредством реакции присоединения этиленоксида между 2,3,4,6-тетраацетилглюкозой и 3,4,6-триацетил-1,2-дегидро-D-глюкозой. Однако этот метод страдает низкими выходами и сложными процессами разделения. В результате химический синтез остается в основном на уровне лабораторных исследований, а не на уровне промышленного применения.

Заключение

Трегалоза, часто называемая «сахаром жизни», — исключительный дисахарид, обладающий мощным защитным действием на биологические системы. Несмотря на существование различных методов производства, такие проблемы, как низкая урожайность, высокая стоимость и ограниченная масштабируемость, продолжают сдерживать широкое промышленное производство. Ожидается, что продолжающийся прогресс в области биотехнологии, ферментной инженерии и генной модификации откроет путь к более эффективному и устойчивому крупномасштабному производству трегалозы в ближайшем будущем.