GlycoProFit

Waarom dit project?

Vet mag weer, maar momenteel wordt vooral suiker met de vinger gewezen als een grote boosdoener in de obesitas- en diabetesproblematieken. Daarom is er ook nog steeds erg veel interesse in de vervanging van sucrose door alternatieven die beter zijn voor de gezondheid.

De laatste jaren is daarbij heel wat onderzoek verricht naar een aantal natuurlijk voorkomende suikers, zoals tagatose en allulose, die anders verteren dan gewone sucrose waardoor ze ook lager zijn in calorieën 1. Deze komen van nature voor in een aantal voedingsproducten, zoals fruit en honing maar ook in thermisch behandelde en/of gefermenteerde (zuivel)producten zoals bier, (rijst)wijn en yoghurt. Aangezien deze suikers slechts in (zeer) lage hoeveelheden aanwezig zijn in deze producten is de extractie uit deze bronnen echter economisch niet rendabel en waren de commerciële toepassingen tot nu toe eerder beperkt. Maar de ontwikkeling van nieuwe biotechnologische productieprocessen heeft ervoor gezorgd dat tagatose en allulose gemaakt kunnen worden uit natuurlijk veel voorkomende en goedkope substraten. Op die manier vonden ze de weg naar voedingstoepassingen. 

Analoog hieraan heeft ook de Universiteit Gent recent een biotechnologisch productieproces ontwikkeld om met behulp van een enzym vanuit sucrose het suiker kojibiose aan te maken 2,3. Kojibiose (2-O-α-d-glucopyranosyl-d-glucose of α-1,2-glucobiose) is een natuurlijk disacharide dat zijn naam dankt aan ‘Koji’, de Japanse triviale naam van de schimmel Aspergillus oryzae die gebruikt wordt voor de productie van saké en Japanse smaakmakers. Dit is een zeer belangrijke mijlpaal, aangezien met deze techniek voor de eerste keer grote hoeveelheden kojibiose konden aangemaakt worden wat toelaat om de eigenschappen ervan volledig in kaart te brengen. Weer een stapje dichter dus bij nieuwe alternatieve zoetstoffen.

Onderzoek en resultaten

GlycoProFit was een collectief, fundamenteel onderzoeksproject (type SBO) dat erop gericht was de mogelijkheden te bekijken voor de productie van nieuwe suikers met behulp van enzymtechnologie en de mogelijke toepassingen ervan in voeding.

Het kojibiose-proces vormde het vertrekpunt voor het project. In dit proces werd vertrokken van het enzym sucrose fosforylase van Bifidobacterium adolescentis. Naast de natuurlijke fosforolyse reactie (vorming glucose 1-fosfaat) is dit enzym ook in staat om een glucosemolecule op een acceptormolecule te zetten. Indien deze acceptor glucose is, wordt er een mengsel van maltose (65%) en kojibiose (35%) geproduceerd (zie figuur).

Door modificaties aan het enzym kon de verhouding maltose:kojibiose aangepast worden in die mate dat het enzym nu veel meer kojibiose (>95%) dan maltose produceert 2. Alle ongewenste, resterende suikers kunnen dan door bakkersgist verwijderd worden. Na concentratie en koeling wordt finaal kristallijne, quasi volledig pure kojibiose bekomen.  En ook onder industriële condities op grote schaal blijkt deze methode uitstekend te werken. Door het proces nog wat verder te optimaliseren, zijn de onderzoekers erin geslaagd om uit 10 liter 4,5 kg zuivere kristalijne kojibiose te produceren (≥99% zuiverheid) 3, wat zeer beloftevol is voor verdere opschaling.

De techniek en gevolgde methodologie van de modificatie van enzymen blijkt bovendien bruikbaar voor de ontwikkeling van een industrieel productieproces voor nog andere, zeldzame functionele suikers. Zo werd onder andere ook een proces opgezet voor de productie van nigerose (3-O-α​-d-glucopyranosyl-d-glucose of α-1,3-glucobiose) 4 en zitten er nog een tiental andere suikers in de pipeline.

Van enkele veelbelovende kandidaat-functionele suikers werd ook in kaart gebracht wat de gezondheidseffecten en mogelijke toepassingen zijn in voeding. Aangezien het kojibiose-productieproces het meest op punt stond, was het ook mogelijk om voldoende te produceren om de nodige testen uit te voeren.

Op gebied van gezondheidseffecten werd zowel gekeken naar de vertering en mogelijke fermentaties in de darm, als het effect op mondgezondheid en de interactie met de microbiota in de mond 3,5. Met behulp van een testsimulatie van het menselijk maag-darmstelsel blijkt kojibiose niet verteerd te worden in de mond en maag en slechts in geringe mate in de dunne darm. Dit betekent dat kojibiose potentieel een tandvriendelijke suiker is met een lage glycemische index en dat veel van deze suiker integraal de dikke darm kan bereiken. Dit wil zeggen dat het zich metabool eerder zal gaan gedragen zoals voedingsvezels, wiens gezondheidseffecten deels te danken zijn aan de fermentatie ervan in de dikke darm. En inderdaad, specifieke menselijke fecale micro-organismen zijn in staat om kojibiose te fermenteren en hierbij korte-keten-vetzuren te produceren die o.a. belangrijk zijn voor een gezonde darmwand en het regelen van onze bloedsuikerspiegel.

Om het gedrag van kojibiose in voedingsproducten te bepalen, zijn ook al eerste testen uitgevoerd. Zo lijkt deze nieuwe suiker, mits enkele procesaanpassingen, goed geschikt te zijn om sucrose in chocoladeproducten te vervangen, en ook voor cake bleek de suiker potentieel te hebben.

Omdat deze suikers momenteel nog onder de Europese Novel Food wetgeving vallen, zal eerst nog een dossier ter goedkeuring moeten ingediend worden bij de Europese Commissie, alvorens ze effectief op de markt kunnen komen. De resultaten uit het project geven echter al een goede aanzet voor een dossier, en lijken te wijzen op een positieve outcome.

Lees meer over de resultaten in de wetenschappelijke publicaties

1 Rare mono- and disaccharides as healthy alternative for traditional sugars and sweeteners? Critical Reviews in Food Science and Nutrition (2021) 61: 713-741, DOI: 10.1080/10408398.2020.1743966

2 Converting bulk sugars into prebiotics: semi-rational design of a transglucosylase with controlled selectivity. Chemical Communications (2016) 52:3687-3689, DOI: 10.1039/c5cc09940d

3 Biocatalytic synthesis of the rare sugar kojibiose: process scale-up and application testing. Journal of Agricultural and Food Chemistry. (2017) 65:6030-6041, DOI: 10.1021/acs.jafc.7b02258

4 Rational design of an improved transglucosylase for production of the rare sugar nigerose. Chemical Communications (2019) 55:4531-4533, DOI: 10.1039/c9cc01587f

5 Oral microbiota display profound differential metabolic kinetics and community shifts upon incubation with sucrose, trehalose, kojibiose and xylitol. Applied and Environmental Microbiology (2020) 86: e01170-20, DOI: 10.1128/AEM.01170-20

Projectpartners

Het GlycoProFit project werd uitgevoerd door vijf verschillende onderzoeksgroepen van de Universiteit Gent namelijk: 

• Center for Synthetic Biology (CSB), Unit for Biocatalysis and Enzyme Engineering (GlycoDirect), onder leiding van Prof. Dr. Tom Desmet
• Unit for Food Chemistry and Human Nutrition (NutriFOODChem) onder leiding van Prof. Dr. John Van Camp
• Center for Microbial Ecology and Technology (CMET) onder leiding van Prof. Dr. Tom Van de Wiele
• Food Structure & Function Research Group (LabFSF) (de nieuwe naam van het Laboratory of Food Technology and Engineering, LabFTE) onder leiding van Prof. Dr. Koen Dewettinck
• Laboratory for Organic and Bioorganic synthesis (LOBOS) onder leiding van Prof. Dr. Johan Van der Eycken

Geïnteresseerd in de resultaten?

Wie meer info wil over de resultaten neemt best contact op met de betrokken onderzoeksinstellingen. Contactpersonen zijn Koen Beerens (koen.beerens@ugent.be) en Tom Desmet (tom.desmet@ugent.be).