Een meisje met een klontje suiker tussen de tanden.

Bacteriën helpen een caloriearme suiker te maken, die veilig is voor de tanden en voor diabetici

Er bestaat een natuurlijke suiker die slechts 38 procent van de caloriën telt van onze 'gewone' tafelsuiker, die veilig is voor mensen met suikerziekte en geen gaatjes in de tanden veroorzaakt. Bovendien smaakt tagatose, want dat is de suiker in kwestie, gewoon naar suiker. Toch wordt tagatose niet veel gebruikt als suikervervanger, omdat het moeilijk en duur is om hem aan te maken. Onderzoekers hebben nu een procede ontwikkeld waarbij bacteriën helpen om de suiker veel efficiënter te produceren.   

Tagatose is een zogenoemde monosacharide, een van de eenvoudigste koolhydraten, en het is meer bepaald een hexose, een suiker met 6 koolstofatomen. 

De zoetwaarde van de stof is 92 procent van die van 'gewone' suiker, sacharose, wat betekent dat tagatose bijna even zoet smaakt en dat met slechts 38 procent van de calorieën van sacharose. 

Tagatose werd in 1999 goedgekeurd als voedseladditief door de FDA, de Amerikaanse Food and Drug Administration, en in 2007 verklaarde de Europese Autoriteit voor Voedselveiligheid (EFSA) de stof veilig als voedselingrediënt. 

Tot nu toe zijn er geen berichten in verband met tagatose over problemen die andere suikervervangers wel kennen, zoals een metaalachtige smaak, of erger nog, mogelijke kankerverwekkende eigenschappen. De FAO, de Voedsel- en Landbouworganisatie van de VN, en de Wereldgezondheidsorganisatie WHO hebben officieel verklaard dat de suiker "algemeen beschouwd wordt als veilig". 

Tagatose wordt op een andere manier door de stofwisseling verwerkt dan sacharose en daardoor heeft het nauwelijks een invloed op de suiker- en insulinespiegel in het bloed. Dat maakt dat de suiker veilig is voor diabetici. Verder is tagatose ook erkend als 'tandvriendelijk ingrediënt' in voeding.   

Twee varianten van tagatose, die als formule C6H12O6 heeft en een wit kristallijn poeder zijn. Public domain

Duur om te produceren

Een goed smakende suiker met dergelijke eigenschappen, waarom zit die nog niet in frisdranken en al uw favoriete zoetigheden? Het antwoord is dat het duur is om tagatose te produceren. 

Van nature zit het in kleine hoeveelheden in vruchten, cacao en melkproducten, en het is moeilijk om het aan die bronnen te onttrekken. Het productieproces omvat een omzetting van het makkelijker te verkijgen galactose - melksuiker - in tagatose en het is erg inefficiënt, met opbrengsten die slechts 30 procent bereiken. 

Onderzoekers aan de Tufts University in Massachusetts hebben nu echter een proces ontwikkeld dat mogelijk de commerciële productie van deze caloriearme suiker binnen handbereik brengt. Assistent professor Nikhil Nair en postdoctoraal onderzoeker Josef Bober hebben een vernieuwende manier gevonden om de suiker te produceren door gebruik te maken van bacteriën die werken als kleine bioreactoren, en die de enzymen en de stoffen die nodig zijn bij de reacties, insluiten. 

Met deze benadering haalden de onderzoekers opbrengsten tot wel 85 procent. Hoewel er nog veel stappen zitten tussen het labo en de commerciële productie, zouden zo'n hoge opbrengsten kunnen leiden tot een productie op grote schaal en het verschijnen van tagatose op de rekken van elke supermarkt. 

Bacterie maakt enzym aan en houdt het veilig

Het enzym dat de voorkeur geniet om tagatose uit galactose te maken, is L-arabinose isomerase (LAI). Galactose is echter niet het belangrijkste doelwit voor dit enzym, en dus zijn de snelheid en de opbrengsten van de reactie met galactose niet optimaal. 

In een oplossing is het enzym daarenboven niet erg stabiel, en de reactie kan slechts doorgaan tot zo'n 39 procent van de suiker is omgezet naar tagatose bij een temperatuur van 37 graden, en slechts tot 16 procent bij een temperatuur van 50 graden, voor het enzym begint uiteen te vallen. 

Om die hindernissen te overwinnen, maakten Nair en Bober gebruik van biomanufacturing - het produceren van zaken met biologische middelen. Ze gebruikten de voor voedsel veilige bacterie Lactobacillus plantarum om grote hoeveelheden van het LAI-enzym te maken en het enzym veilig en stabiel te houden binnen in de celwand van de bacterie. 

Ze stelden vast dat als het enzym in L. plantarum zat, het galactose bleef omzetten in tagatose en de opbrengst tot 47 procent duwde bij een temperatuur van 37 graden. Nu het LAI-enzym echter gestabiliseerd was in de cel, kon het enzym de opbrengst verhogen tot 83 procent aan de hogere temperatuur van 50 graden, zonder al te erg te degraderen, en het produceerde tagatose aan een veel hoger tempo. 

Je kan de thermodynamica niet verslaan, maar je kan wel haar beperkingen omzeilen met technologische oplossingen

Professor Nikhil Nair

Om na te gaan of ze de reactie zelfs nog meer konden versnellen, bekeken Nair en Bober wat er de reactie nog beperkte. Ze vonden aanwijzingen dat het transport van het basismateriaal, galactose, naar de cel een beperkende factor was. Om dat probleem op te lossen, behandelden ze de bacteriën met zeer lage concentraties van detergenten - net genoeg om hun celwanden te laten lekken, volgens de onderzoekers. De galactose was daardoor in staat in de cel te geraken, en de tagatose kwam vrij uit de cel, wat het enzym toeliet om galactose in tagatose om te zetten aan een hoger tempo. Daardoor konden ze de tijd die nodig was om een opbrengst van 85 procent te bereiken bij een temperatuur van 50 graden, met enkele uren verminderen. 

"Je kan de thermodynamica niet verslaan. Maar hoewel dat waar is, kan je wel haar beperkingen omzeilen met technologische oplossingen", zei Nair, die de correspondent is van de nieuwe studie. "Dit is zoals het feit dat water niet van nature van een lager gelegen plaats naar een hoger gelegen plaats zal vloeien, omdat de thermodynamica dat niet toelaat. Je kunt echter het systeem wel te slim af zijn door bijvoorbeeld een hevel te gebruiken, die het water eerst naar boven zuigt voor het er aan de andere kant uit te laten."

Het enzym inkapselen voor de stabiliteit, de reactie aan een hogere temperatuur laten plaatsvinden, en haar meer basismateriaal voeden door lekke celmembranen, zijn allemaal 'hevels' die gebruikt werden om de reactie beter te laten verlopen.

Hoewel er nog meer onderzoek nodig is om vast te stellen of het proces op een grotere schaal commercieel kan worden toegepast, heeft biomanufacturing het potentieel om de opbrengsten te verhogen en een impact te hebben op de markt van de suikervervangers, die in 2018 geschat werd op 6,5 miljard euro, aldus de onderzoekers.

Nair en Bober merkten verder nog op dat er veel andere enzymen zijn die er voordeel zouden bij hebben als ook bij hen bacteriën zouden ingezet worden als kleine chemische reactoren, die de stabiliteit van het enzym verhogen bij reacties aan hoge temperaturen, en die de snelheid en de opbrengst van de omzettingen verhogen. 

De studie van Nair en Bober is gepubliceerd in Nature Communications. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Tufts University.