Eine der größten Hürden bei der Suche nach einer gesunden, erschwinglichen Alternative zu Haushaltszucker oder Saccharose ist die Fähigkeit, sie herzustellen. Eine solche Alternative ist Allulose, die etwa 70 % so süß wie Saccharose ist, aber nur 10 % der Kalorien hat und nachweislich sogar den Blutzuckerspiegel verbessert und die Gewichtsabnahme bei Menschen mit Typ-2-Diabetes unterstützt. Aktuelle Produktionsmethoden sind jedoch für geringe Erträge und schlechte Qualität bekannt, was ihre Entwicklung behindert hat.
Nun ist Wissenschaftlern der University of California, Davis (UCDavis) ein „großer Durchbruch“ bei der Herstellung von Allulose gelungen, indem sie eine Methode anwenden, die sowohl qualitativ hochwertige Erträge liefert als auch machbar und skalierbar ist und sie zu einer praktikablen, gesünderen Zuckeralternative macht. Diese Methode verändert auch die derzeitige Art der Zellulosebeschaffung und kann deren kommerzielle Produktion schnell vorantreiben.
„Zellulose ist ein großartiger Zuckerersatz, aber wir haben noch keine kostengünstige Möglichkeit, sie herzustellen“, sagte Shota Atsumi, Professor für Chemie an der University of California in Davis. „Unsere neue Methode ist effizient, kostengünstig und kann für die kommerzielle Produktion skaliert werden.“
Allulose (auch bekannt als D-brauner Reiszucker) gilt als seltener Zucker, da er natürlicherweise in Spuren nur in wenigen pflanzlichen Lebensmitteln wie Weizen, Feigen und Rosinen vorkommt. Nach der Extraktion hat es die Textur und den Geschmack von Saccharose und hat nur 0,4 Kalorien pro Gramm, verglichen mit 4 Kalorien pro Gramm Saccharose. Da es sich um ein Monosaccharid, also ein einzelnes Zuckermolekül, handelt, durchläuft es im menschlichen Körper einen ganz anderen Prozess. Etwa 70 % werden vom Dünndarm aufgenommen und innerhalb von 24 Stunden mit dem Urin ausgeschieden. Der Rest wird über den malerischen Weg des Dickdarms in etwa 48 Stunden ausgeschieden. Daher hat Allulose keinen Einfluss auf den Blutzucker- oder Insulinspiegel.
Derzeit werden die Enzyme D-Tagatose-3-Epimerase (DTEase) (DTEase) und D-Psicose-3-Epimerase (DPEase) zur Extraktion von Psicose und zur Katalyse ihrer Umwandlung aus Fructose verwendet. Aufgrund der Einschränkungen dieses Verfahrens kann die Ausbeute jedoch höchstens 50 % erreichen und die Reinheit ist sehr gering.
Anstatt zu versuchen, die Produktion dieser Enzyme zu steigern, suchten Wissenschaftler an der UC Davis nach einer anderen Möglichkeit, den Zucker vollständig zu produzieren. Sie fanden diese Methode im gewöhnlichen Darmbakterium Escherichia coli (E. coli).
Das Team hat in Zusammenarbeit mit dem Mars Advanced Research Institute die Stoffwechselprozesse der Mikroben so verändert, dass die Zellen, wenn sie mit Glukose gefüttert wurden, diese in Psikose umwandelten. Infolgedessen erreichte die Ausbeute sofort 62 % (und, was wichtig ist, die Reinheit überstieg 95 %).
„Sobald der Fluss umgeleitet wird, stellt man fest, dass die Zellen alles haben, was sie brauchen; sie müssen nur eingeschaltet werden, und nicht benötigte Pfade werden ausgeschaltet“, sagte Atsumi.
Grundsätzlich verfügt E. coli von Natur aus über den richtigen Weg, um aus Glukose Aurinose zu produzieren, und die Wissenschaftler haben das Design so optimiert, dass der Schalter auf ein bestimmtes Stoffwechselergebnis umgelegt wird. Diese neue Methode produziert nicht nur Psicose, sie ist auch nachhaltig und kosteneffektiv und ermöglicht eine Ausweitung der Produktion unter Nutzung bestehender Infrastruktur und biochemischer Technologien.
„Technologie und Infrastruktur für die Ganzzellkatalyse sind bereits industriell etabliert und können den Modellorganismus E. coli mit Rohstoffen versorgen, die nicht mit der kommerziellen Lebensmittelproduktion konkurrieren“, stellten die Forscher in dem Papier fest. „Die Möglichkeit, seltene Zucker in großen Mengen zu produzieren, wird kalorienarme Zuckeralternativen zu hochverarbeiteten Lebensmitteln bieten und so dazu beitragen, die weltweit steigenden Fettleibigkeitsraten zu bekämpfen. Durch die erhöhte Produktion seltener Zucker werden auch nachhaltige Pestizide für die Agrarindustrie und einfache Zucker mit medizinischem Wert für die Pharmaindustrie bereitgestellt.“
Und da die modifizierten E. coli die gesamte ihnen zugeführte Glukose verschlingen, sind nur wenige nachgelagerte Arbeiten zur Verbesserung der Reinheit erforderlich, was ein weiteres Problem mit aktuellen Produktionsmethoden löst.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature's Science of Food veröffentlicht.