BÁO CÁO NGHIÊN CỨU VỀ ĐƯỜNG TRehalose

TREHALOSETrehalose là một trong những loại đường mang nhiều đặc tính sinh học đáng quý, có nhiều công dụng đối với cuộc sống con người, được sử dụng nhiều trong việc sản xuất sữa, bánh k

TREHALOSE

Trehalose là một trong những loại đường mang nhiều đặc tính sinh học đáng quý, có nhiều công dụng đối với cuộc sống con người, được sử dụng nhiều trong việc sản xuất sữa, bánh kẹo, thực phẩm chức năng cho người bệnh…thậm chí được coi như một loại dược phẩm trong nhiều trường hợp Trehalase là

enzyme được sử dụng để sản xuất Trehalose Trên thị trường Việt Nam hiện nay chủ yếu nhập chế phẩm này từ nước ngoài nên giá thành tương đối cao Vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất enzyme Trehalase không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị kinh tế xã hội

1 Đặc điểm

a Cấu trúc

- Trehalose có 3 đồng phân chính ( đã được công nhận) là α, α-Trehalose; α,β-trehalose; β,β-trehalose Trong báo cáo này, (α,α-Trehalose) là đối tượng duy nhất được đề cập khi nhắc đến trehahalose Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính trong các đề tài nghiên cứu về trehalose do α,α-trehalose là đồng phân duy nhất của trehalose đã được chứng minh là sinh tổng hợp ở nhiều loại sinh vật khác nhau, nên mang nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế.

- Trehalose, còn gọi là mycose hoặc tremalose, là

một disaccharide liên kết alpha tự nhiên được hình thành bởi một liên kết α, α-1,1-glucoside giữa hai đơn vị α-glucose, trong

đó hai phân tử glucose được liên kết với nhau trong một liên kết 1,1-glycosidic Về cơ bản, Trehalose có cấu trúc giống như

Sucrose và Maltose do cùng là một disaccharide

Cấu trúc phân tử trehalose

b Tính chất vật lý

- Trehalose là một đường tự nhiên với chức năng tương tự như đường sucrose nhưng ổn định hơn và có vị ngọt nhẹ hơn

Trehalose là đường đa chức năng, vị ngọt nhẹ của nó (45% sucrose)

Biểu đồ hàm lượng ngọt đường trehalose, maltose, glucose, sucrose

- Xét về tính tan, trehalose có độ tan thấp hơn sucrose khi ở nhiệt độ thấp nhưng lại tan mạnh hơn khi ở nhiệt độ cao ( lớn hơn 80oC)

Sơ đồ so sánh tính tan của trehalose và sucrose

- Trehalose có khả năng giữ nước cao, và được sử dụng

trong thực phẩm và mỹ phẩm Đường được cho là tạo thành một pha gel khi tế bào mất nước, ngăn ngừa sự gián đoạn của các tế bào trong tế bào Sự mất nước sau đó cho phép hoạt động của tế bào được tiếp tục mà không có thiệt hại nghiêm trọng, gây chết người

c Tính chất hóa học

- Trehalose một loại đường có cấu trúc bền vững, không phản ứng hóa học với axit amin hoặc protein trong quá trình chế biến v

à bảo quản Nhờ có cấu trúc hóa học độc đáo,Trehalose bền vững trong điều kiện pH thấp, thậm chí tại nhiệt độ cao Không giống như các đường đôi khác, Trehalose không bị thủy phân thành các thành phần có thể phản ứng với axit amin và protein Trong các sản phẩm thực phẩm và đồ uống, tính trơ của Trehalose giúp giữ

ổn định các tính chất ban đầu của sản phẩm, thậm chí sau khi được chế biến ở nhiệt độ cao và thời gian bảo quản lâu dài

d Phân bố trong tự nhiên

Trehalose là một nguồn cacbonhydrete quan trọng xuất hiện ở hầu hết các loại sinh vật, trừ lớp sinh vật có vú

d Enzyme thủy phân trehalase: Trehalase

Trehalase là một loại enzyme glycoside hydrolase có tác dụng xúc tác cho quá trình chuyển đổi trehalose thành glucose Nó được tìm thấy trong hầu hết các động vật được thủy phân vào 2 phân tử glucose bằng enzyme Trehalase Có

2 loại Trehalase được tìm thấy trong Saccharomyces cerevisiae (nấm men), là

Trehalase trung tính (NT)và Trehalase axit (AT) được phân loại dựa vào độ pH của chúng [4] NT có độ pH là 7.0 trong khi AT là 4.5

*Trong vi khuẩn

Trehalose được tìm thấy như tích lũy carbonhydrate trong Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium và trong rất nhiều khuẩn tia và là nguyên nhân của khả

năng kháng khuẩn Hầu hết các enzyme Trehalase tách biệt với các vi khuẩn có

độ pH từ 6.5 đến 7.5

* Trehalase trong thực vật

Trehalose được tìm thấy từ rất nhiều loài cây không hoa bao gồm

Selaginella lepidophylla và Botrychium lunaria; đường rất hiếm trong cây có mạch và chỉ được tìm thấy trong quả chín của các loại thuộc Apiaceae và trong

lá cây của thực vật hạt kín có khả năng chịu khô hạn như Myrothamnus flabellifolius

Tuy nhiên enzyme Trehalase lại phổ biến trong các loại cây Điều này rất

khó hiểu vì tuy thiếu cơ chất nhưng Trehalase lại có mặt ở các loại thực vật bậc cao Không có sự chứng minh rõ ràng nào về vai trò hoạt động của Trehalase trong thực vật Trehalases có thể đóng vai trò trong cơ cấu kháng khuẩn hoặc enzyme có thể đóng vai trò trong việc giảm lượng Trehalose có nguồn gốc từ vi sinh thực vật

* Trehalase trong nấm men

Trong S.cerevisiae có ít nhất 2 enzyme Trehalase khác biệt được tìm thấy.

Một loại được điều hòa bởi cAMP-phụ thuộc phosphorylation Hoạt động của loại enzyme này được tìm thấy trong dịch bào tương Loại enzyme hoạt động thứ hai được tìm thấy trong các không bào của 12 vi sinh vật tương ứng Nồng

độ pH của Trehalase dịch bào tương vào khoảng 7.0 do đó nó được cho vào cùng loại với Trehalase trung tính Trong khi đó, enzyme Trehalase không bào được cho rằng có khả năng hoạt động tốt nhất tại độ pH khoảng 4.5 và được coi

là Trehalase axit Hai loại enzyme này mã hóa bởi hai loại gen khác nhau là NTH1 và ATH1

2 Chức năng trehalose trong cơ thể sinh vật

a Dự trữ năng lượng carbohydrate

Ở côn trùng, trehalose là một loại đường chính trong cơ bắp

và cơ ngực và được tiêu thụ trong suốt chuyến bay Do quá trình cần nguồn năng lượng lớn và liên tục, một phân tử trehalose giải phóng hai phân tử của glucose nên sẽ tăng gấp đôi hiệu quả so với việc sử dụng glucose từ tinh bột polyme lưu trữ

Trehalose cũng là một thành phần quan trọng trong bào tử nấm, thủy phân trehalose là điều kiện quan trọng trong quá trình nảy mầm sớm và có thể được sử dụng như một nguồn carbohydrate và glucose

b Bảo vệ tế bào trong nhiều điều kiện khác nhau

Một số sinh vật có thể tồn tại khi cơ thể đã mất tới 99% lượng nước trong cơ thể Chúng đợi tới khi gặp được điều kiện thuận lợi,

cơ thể chúng sẽ hấp thu nước từ môi trường và tieepsp tục chu trình sống Các sinh vật này được gọi là anhydrobiosis và thường chứa nồng độ trehalose cao trong cơ thể

Một số thực vật có thể tăng khả năng chống chịu các thời tiết khắc nghiệt, đặc biệt là hạn hán nếu tăng hàm lượng treholose nội bào của chúng Ví dụ, cây thuốc lá chuyển gen được thiết kế

để tạo ra một lượng đáng kể trehalose bằng cách đưa các gen E coli otsA và otsB vào tổng hợp trehalose Các cá thể mới có thể

duy trì trạng thái khô trong 5 ngày, tăng hiệu suất sinh trưởng trong điều kiện hạn hán

Nghiên cứu của Singer.MA và Lindquist, S (1998) đã chứng minh trehalose bảo vệ tế bào khỏi nhiệt bằng cách ổn định

protein ở nhiệt độ cao Sử dụng hai protein nhạy cảm với nhiệt độ khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các enzyme có khả năng duy trì hoạt động tốt hơn trong quá trình sốc nhiệt nếu các

tế bào có sản xuất trehalose

Ngoài ra không thể không nhắc tới khả năng bảo vệ khỏi

lạnh của trehalose Một chủng đột biến của vi khuẩn E

coli không thể sản xuất trehalose chết nhanh hơn nhiều so với

chủng loại hoang dã ở 4 ° C Các nghiên cứu khác cho thấy rằng các tế bào xuống từ 37 ° C đến 16 ° C làm tăng gấp tám lần mức trehalose và tăng đáng kể nồng độ mRNA đối với otsA và

otsB Nguyên nhân có thể do trehalose ngăn chặn sự biến tính

và tập hợp các protein cụ thể ở nhiệt độ lạnh Trehalose cũng có thể ổn định màng tế bào có tính lưu động giảm trong khi giảm nhiệt độ Do đó, trehalose ngoại sinh đã được chứng minh là bảo

vệ một loạt các sinh vật chống đóng băng, với sự bảo vệ tối đa được thấy khi trehalose có mặt ở cả hai bên của màng tế bào

c Là một thành phần cấu trúc của thành tế bào vi khuẩn

Trong mycobacteria và corynebacteria, trehalose là thành

phần cơ bản thành tế bào glycolipid Thành tế bào của M

tuberculosis có chứa axit béo mycolic bị este hóa thành nhóm

6-hydroxyl kết hợp với glucose để tạo ra

trehalose-dimycolate Lipid này chịu trách nhiệm chính về tính thấm thấp

của thành tế bào mycobacteria, tạo ra sức kháng thuốc đáng kể cho các sinh vật này

3 Ứng dụng của trehalose trong sản xuất.

a Trong thực phẩm

Giống như các loại đường khác, Trehalose có thể được dùng khô

ng hạn chế trong rất nhiều loại thực phẩm, bao gồm đồ uống, k

ẹo sôcôla và kẹo đường, bánh ngọt, thực phẩm đông

lạnh, ngũ cốc ăn sáng và các sản phẩm sữa

+ Bánh ngọt: điều chỉnh độ ngọt của các loại bánh ngọt và bánh quy, kem, bánh kem và bánh hoa quả nhưng vẫn giữ

nguyên hương vị của sản phẩm và không ảnh hưởng đến thời hạn bảo quản Trehalose đồng thời cũng làm giảm độ béo trong các loại bánh quy ngọt, bánh kem và lớp phủ kem, đường trên bánh ngọt Trong các loại bánh quy và thức ăn nhanh thơm ngon, có thể sử dụng đường tảo để tạo ra các hương vị mới Nó làm cho người tiêu dùng thích thưởng thức hơn do khả năng thay đổi độ ngọt trong các sản phẩm có hàm lượng calo cao, chứa nhiều mỡ và đường Trehalose làm giảm độ ẩm trong các sản phẩm bánh ngọt đa thành phần bằng cách tối ưu hóa độ ngọt trong khi vẫn giữ nguyên thời hạn bảo quản

+ Kẹo Sôcôla: Trehalose được dùng để điều chỉnh độ ngọt trong kẹo sôcôla Trehalose đặc biệt hữu ích khi được sử dụng trong các sản phẩm bổ sung bao gồm các loại váng sữa, kẹo mềm và hoa quả Đồng thời, đường tảo sẽ làm giảm độ ẩm của sản

phẩm đa thành phần Trong các sản phẩm tạo khuôn, khả năng điều chỉnh độ ngọt của đường tảo có thể tạo ra hương vị sôcôla mới Trehalose ít gây sâu răng nên được sử dụng tạo ra các sản phẩm “có lợi cho răng” kết hợp với các loại đường thông

thường Trehalose có thể phối hợp với rượu trong công nghệ chế biến sôcôla

+ Thực phẩm đông lạnh: Trehalose có tác dụng làm giảm nhiệt

độ đông lạnh của kem và các thực phẩm đông lạnh khác Nhờ

có độ ngọt thấp hơn đường sacharose nên đường tảo có thể

dùng trong sản xuất các loại kẹo và thực phẩm đông lạnh thơm ngon mới lạ

+ Kẹo ngọt: Khi kết hợp với các loại đường khác, trehalose có thể sử dụng trong sản xuất kẹo ngọt, đặc biệt trong các sản phẩm có chứa hàm lượng nước trái cây và thảo mộc cao, để điều chỉnh độ ngọt và mang lại đầy đủ mùi vị Quá trình này đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm hướng tới người tiêu dùng trẻ tuổi Đường tảo bền vững và không bị thủy phân trong quá trình chế biến Nó cũng được sử dụng để tráng bên ngoài các loại kẹo để tạo lớp vỏ bền, không hút ẩm Tính chất bền vững cao trong quá trình chế biến của đường tảo giúp cho dịch đường giữ nguyên màu và không bị thủy phân ở nhiệt độ cao

+ Sản phẩm năng lượng: Trehalose được chuyển hóa thành đường gluco, tạo ra lượng đường gluco trong máu cân bằng hơn

so với các loại đường khác Tính chất độc đáo này của

trehalose, kết hợp với tính ít gây sâu răng và không gây nhuận tràng, giúp cho loại đường này đặc biệt thích hợp với các loại đồ uống cung cấp năng lượng vừa đủ, tránh mệt mỏi và căng

thẳng

b Trong y-sinh học

Trehalose mang nhiều đặc tính y-sinh quan trọng và đã được chứng minh trong rất nhiều các công bố khoa học Nhưng việc ứng dụng những công bố đó vào thực tiễn vẫn còn tương đối hạn chế

+Trehalose cũng được dùng như một chất ổn định protein trong nghiên cứu Đặc biệt hiệu quả khi kết hợp với các ion

phosphate Trehalose cũng được sử dụng trong công thức một

số kháng thể đơn dòng: trastuzumab và bevacizumab (tên

thương mại là Herceptin và Avastin tương ứng), Genntech và Ranibizumab (tên thương mại Lucentis và Novartis)

+Mỹ phẩm: Tận dụng khả năng giữ ẩm của trehalose, nó được s

ử dụng như một loại kem dưỡng ẩm trong nhiều sản phẩm vệ sinh cơ bản như dầu tắm và thuốc mọc tóc

Dược phẩm: Sử dụng bản chất của trehalose bảo vệ tế bào và p rotein,nó được sử dụng trong các giải pháp bảo vệ nội tạng để cấy ghép nội tạng

+Ngoài ra, Trehalose cũng được sử dụng như một loại dược phẩ

m dùng nhiều cho các đối tượng người già và trẻ em, người bệnh trong thời kỳ phục hồi sức khỏe để tăng cường hoạt động tiêu hóa, giúp nhuận tràng, ăn tốt

4 Sinh tổng hợp Trehalose

Có rất con đường sinh tổng hợp trehalose đã được kiểm chứng

và công nhận Các con đường đặc trưng bởi các phức hệ enzyme/phức hệ emzyme sau:

4.1 Trehalose-6-phosphate / trehalose-6-phosphate phosphatase (TPS/TPP)

4.2 Trehalose synthase (TreS) ( duy nhất chỉ có ở vi khuẩn: Trehalose cũng có thể được tổng hợp trực tiếp từ maltose qua trehalose synthase)

4.3 Maltooligosyltrehalose synthase / hydrolase (TreY/TreZ)

4.4 Trehalose glycosyltransferring synthase (TreT) (chủ yếu trong vi khuẩn hyperthermophilic và archaea)

4.5 Trehalose-6-phosphate ( TPS: chủ yếu chỉ có ở côn trùng)

4.6 Trehalose 6- phosphate synthase / trehalose 6- phosphate phosphatase (TPS1/TPS2) ( nấm men

Trong một sinh vật, quá trình sinh tổng hợp trehalose diễn ra không chỉ có một con đường duy nhất Một sinh vật có nhiều con đường tổng hợp trehalose khác

nhau: mycobacteria và corynebacteria có ba con đường để tổng hợp trehalose; Corynebacterium glutamicum sử dụng TreS kết hợp TreY/TreZ Tiêu biểu nhất

là Rubrobacter xylanophilus có cả 4 con đường.

a TPS/TPP

Trong tất cả các con đường trên, con đường đầu tiên là chiếm ưu thế nhất do nó

đã được chứng minh là cách sinh tổng hợp trehalose ở hầu hết các sinh vật, được nghiên cứu và sử dụng rộng nhất

Con đường sinh tổng hợp trehalose Glucose từ UDP-glucoza hoặc một đường glucotide khác biến đổi thành glucose-6-phosphate để tạo thành trehalose-6-phosphate bằng trehalose-P synthase (TPS) và sau

đó khử phosphoryl hóa trehalose-P bằng trehalose-P phosphatase (TPP)

Quá trình tổng hợp trehaose trên bao gồm 2 phản ứng chính sau:

- UDPglucose + glucose 6phosphate → trehalose

-phosphate + UDP

- Trehalose- phosphat → trehalose + Pi

b TreY/TreZ

Tuy nhiên, có một con đường tuy không phổ biến bằng TPS/TPP nhưng cũng có giá trị nghiên cứu lớn

làTreY/TreZ Trong quá trình, tiền chất polysaccharide (tức là glycogen) được thay đổi đầu tiên ở đầu cuối α 1,1 đường bị ràng buộc bởi maltooligosyltrehalose synthase (TreY), và sau

đó trehaloseđược tách ra bởi maltooligosyltrehalose

trehalohydrolase (TreZ):

- (TreY) α-1,4-polyglucose → α-1,1-maltooligosyltrehalose

- (TreZ) α-1,1-maltooligosyltrehalose → trehalose + α-1,4 polyglucose (n-2)

Phân tích phân tử của tổng hợp trehalose ở vi khuẩn lam cho thấy rằng con đường TreY/TreZ được sử dụng chủ yếu Sự xuất hiện của con đường TreY/TreZ trong vi khuẩn lam lần đầu tiên được kiểm chứng trong quá trình nghiên cứu một cụm gen - điều chỉnh dưới sự khô hạn ( Higo, Katoh, Ohmori, Ikeuchi, & Ohmori, 2006 ) Ngoài gen mã hóa TreY và TreZ, operon này mã hóa cho một trehalase

e TPS1/TPS2

Đây là con đường tổng hợp đặc trưng của nấm men

Trehalose được tổng hợp thành hai bước (mũi tên dày hơn) bắt đầu từ đường uridine-diphospho-glucose (UDP-glucose) và glucose 6-P Các enzym xúc tác tổng hợp, trehalose 6-P

synthase (TPS1) và trehalose 6-P phosphatase (TPS2)

Sự tổng hợp bắt đầu với việc chuyển một lượng glucosyl từ uridine-diphospho-glucose thành glucose 6-P để cung cấp cho T6P sau đó được dephosphoryl hóa để tạo ra

trehalose Trong Saccharomyces cerevisiae , các enzym xúc tác

phản ứng sinh tổng hợp trehalose, tổng hợp T6P (TPS1) và T6P