Az eritrit Tomasskovics Bálint Csécsy Katalin - Salgó András Összefoglalás Az eritrit egy négyszénatomos polialkohol, felhasználja az élelmiszeripar és gyógyszeripar is egyaránt édesítıszerként. Emellett funkcionális cukorszármazék, cukorbetegségben vagy elhízásban szenvedı egyének esetében elınyös táplálkozási tulajdonságai alapján alkalmazható. Legtöbb esetben fermentációs módszerekkel állítják elı élesztıgombák segítségével. A magas kitermelésnek és ipari termelékenységnek köszönhetıen az eritrit olcsó kiindulási alapanyagnak számít más cukrok elıállításához. Az alábbi cikkben az eritrit kedvezı táplálkozásbiokémiai tulajdonságai mellett, elıállítási lehetıségeirıl is áttekintést kívánunk adni. Az eritrit elıfordulása, szerkezete Az eritrit a természetben is gyakran elıforduló cukoralkohol 1. ábra: D-eritrit Megtalálható metabolitként illetve energiatároló vegyületként a tengeri moszatokban és gombákban, emellett számos gyümölcsben is, mint például a szılı, görögdinnye, körte. Gyakran elıfordul fermentált élelmiszerekben például sörben, borban, szójaitalokban (Yoshida et al., 1986; Shindou et al., 1988; Goossens & Roper, 1994). Egy 10 w/v%-os eritrit oldat édessége körülbelül 60-70%-a a szacharózénak. Mivel a szájban élı baktériumok nem képesek fermentálni, így fogszuvasodást sem okoz (Goldberg, 1994). 2006-ban 20.000 tonnát termeltek belıle, azóta ez a szám csak növekszik (Frost & Sullivan, 2007). Az eritrit (mol. tömeg 122 g/mol) szimmetrikus molekula, emiatt egyetlen formája van, mezoform (olyan molekula, amely bár 2 vagy több aszimmetria-centrumot tartalmaz mégis belsı kompenzáció folytán optikailag inaktívvá, vagy akirálissá válik). Vízmentes kristályokat képez, közepesen erıs édesítı hatása van kellemetlen mellékíz, vagy illat nélkül. Kristályai 122 o C fokon olvadnak, színtelen olvadékot képez. Kémiai tulajdonságai hasonlítanak a többi cukoralkoholéhoz, ebbıl következıen redukáló végcsoport hiányában, jó hı- és savállóság jellemzi. Különbség a cukoralkoholoktól, csak alacsony oldhatóságában van. Összehasonlítva a többi cukorhelyettesítı poliollal, az eritritnek van a legkisebb moláris tömege, emiatt egyedi fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, mint például magasabb ozmotikus nyomás és kisebb vízaktivitás. A legfontosabb és különleges tulajdonsága, amely megkülönbözteti a többi cukoralkoholtól, az a kis molekulatömege, mérete (Moon et al., 2010). Állati, illetve humán klinikai vizsgálatok is bizonyították, hogy az eritrit napi rendszerességgel fogyasztható, nagyobb mennyiségben sem okoz negatív hatást (Tokuoka et al., 1992). Így az élelmiszerekben alkalmazott mennyiségben biztonságosan felhasználható. Több, mint 90%-a az elfogyasztott eritritnek metabolizálás nélkül, változatlan formában kiürül a vizelettel (Munro et al., 1998). Az a kis mennyiség, ami felszívódik reverzibilis
reakciókban alakul át például oxidációval eritrulózzá, vagy foszforiláció és az azt követı oxidációban eritrulóz-foszfáttá. Egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy nem vagy nagyon kis mértékben ad glikémiás választ a szervezetben, így nem vagy nagyon minimálisan növeli meg a vércukor- és inzulin szintet, emiatt a cukorbetegek is fogyaszthatják (Goossens & Gonze, 1996). Kereskedelmi célokra, ételek és üdítıitalok esetében édesítıszerként, ízfokozóként, nedvesítıszerként, állagjavítóként 1990 óta gyártják és alkalmazzák. Az USA-ban csökkentett vagy alacsony energiatartalmú üdítıkben 1,5%-ban, sütemények töltelékeiben akár 60%-ban, illetve a lágy és keménycukorkákban akár 50%-ban is elıfordulhat (Moon et al., 2010). Emésztési szempontból könnyen tolerálható, minimális vagy nem jelentkezı diszkomfort érzést vált ki fogyasztása, ugyanis legnagyobb része már a vékonybélben felszívódik, csak nagyon minimális mennyiség kerül a vastagbélbe, így nem okoz bélproblémákat (Livesay, 2001). A mannithoz hasonlóan antioxidáns tulajdonsággal is rendelkezik. Mivel a diabetesz egyik hosszútávú jellemzıje az oxidatív stressz, ezért vizsgálták antioxidáns hatását is. Diabeteszben szenvedı egerekben 15%-al csökkentette a vérszérum glükóz szintjét (Yokowaza et al., 2002), emellett a hiperglikémia okozta vaszkuláris károsodást is csökkenteni tudta (den Hartog et al., 2009). Az eritrit elıállítása Mikrobiális elıállítása 1960 óta vizsgálat tárgya. Az egyre növekvı élelmiszeripari igény miatt (évente akár 20-25 ezer tonna), az eritrit elıállítás egyre inkább fontos kérdéssé vált. Kémiai úton elıállítható ugyan dialdehid-keményítıbıl (legalább 90%-os aldehidtartalmú oxidált kukorica- vagy búzakeményítıbıl készül) nikkel katalizátort alkalmazó hidrogénezési folyamatban (Pfeifer et al., 1960), azonban a reakció kis hatékonysága miatt, iparilag nem így történik az elıállítás. Nagy mennyiségben fermentációs folyamatokkal glükózból, szacharózból, illetve kémiailag, illetve enzimatikusan hidrolizált búza- és kukoricakeményítıbıl nyert glükózból (Aoki et al., 1993; Hiele et al., 1993). Az alapanyagokból mikrobiális úton termeltethetı, élesztıgombák és egyes baktériumok segítségével állítják elı (Ishizuka et al., 1989; Veiga-Da-Cunha et al., 1992; Ryu et al., 2000; Seo et al., 2001). Egyes ozmotoleráns élesztıgomba törzsek (pl. Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula, Pichia) képesek kis vízaktivitású közegben (magas cukorkoncentráció vagy só-, illetve szárazságstressz esetén) is nıni, miközben ozmotikumként - többek között - eritritet termelnek (Moon et al., 2010). A pentóz-foszfát ciklus során termelıdött eritróz-4-foszfátból defoszforiláció, majd a keletkezett eritrózból eritróz-reduktáz enzim segítségével keletkezik az eritrit. Számos mutáns élesztıfaj például Torula corallina, Candida magnoliae, és az Ustilaginomycetes is képes akár több mint 40%-os hatásfokkal eritritet termelni D-glükózból (Ishizuka et al., 1989; Kim et al., 2000). Az enzim (eritróz-reduktáz), amely a redukálási folyamatot végzi, NADH-t részesít elınyben, szemben a többi aldóz-reduktázzal, melyek általában NADPH-t igényelnek (Lee et al., 2003). A tejsavbaktérium Leuconostoc oenos esetében a glükóz-6-foszfátból keletkezı fruktóz-6-foszfát a foszfokelatáz enzim által elhasad, a keletkezı eritróz-4-foszfát, eritrit-4- foszfáttá redukálódik, majd hidrolízis után alakul ki maga az eritróz (Veiga-da-Cunha et al., 1993). Az eritrit szintézisét a 2. ábra szemlélteti.
2.ábra: Az eritrit szintézise baktériumokban és élesztıgombákban EPDH eritrit-4-foszfát dehidrogenáz, PK foszfoketoláz, E4PK eritróz-4 foszfát kináz, P-áz foszfatáz, ER eritróz reduktáz (Moon et al., 2010) Az eritritet több cég is gyártja fermentációs módszerekkel, például Bolak Corporation (Korea), Cargill Food & Pharm Specialties (USA), Mitsubishi Chemical Corporation (Japán). Glükózból, szacharózból, illetve kémiailag, illetve enzimatikusan hidrolizált búza- és kukoricakeményítıbıl nyert glükózból kiindulva, Torula sp. és Moniliella pollinis élesztı törzsekkel végzik az elıállítást. A fermentlébıl ioncserés kromatográfiás módszerekkel a töltéssel rendelkezı szennyezıket eltávolítják, majd membránszőrés után, bepárlással a tisztított poliolt kikristályosítják. A kristályos eritrit tisztasága 99,5% fölött is lehet (Moon et al., 2010). A gyártás során akár 45-60% konverziót is el tudnak érni, óránkénti 2-3 g/l kinyeréssel, 40 w/w%-os glükózt tartalmazó oldatból kiindulva. Legnagyobb méretben szakaszos fermentorokban (100-200 ezer l) végzik a gyártást, emellett rátáplálásos szakaszos-, illetve folyamatos fermentorokkal is történhet a gyártás (Kasumi et al., 1998; Sawada et al., 2009).
Az 1. táblázatban az alkalmazott törzsek, illetve a produktivitási, konverziós értékek láthatók. Eritrit gyártáshoz alkalmazott törzsek, produktivitási és konverziós értékek A kutatások-fejlesztések során egyrészt a minél nagyobb konverziófokkal rendelkezı élesztı törzsek kiszelektálásával, másrészt a gyártási részfolyamatok optimalizálásával próbálják meg növelni a kitermelést (Park et al., 1998; Oh et al., 2001; Jeya et al., 2009). Ezen optimalizálási kísérletek során jöttek rá, hogy a kezdeti glükóz koncentráció megemelésével a kitermelés is megnövelhetı, de csak azon törzsek esetében (pl. az ipari elıállítás során is alkalmazott Aureobasidium mutáns), amelyek elviselték az emelkedett cukormennyiség okozta ozmotikus nyomásváltozást (Ishizuka et al., 1989). Így, akár 60%-os kitermelés és végsı 240 g/l eritrit tartalom is elérhetıvé vált, rátáplálásos szakaszos fermentációval (Jeya et al., 2009). Az eritrit termeléshez alapanyagként általánosan felhasznált glükóz vagy fruktóz mellett egyéb olcsóbb szénforrások alkalmazását is megvizsgálták. Yarrowia lipolytica élesztıgomba esetében azt tapasztalták, hogy képes megújuló ipari melléktermékeken nıni, illetve eritritet termelni. Szénforrásként a biodízel gyártás melléktermékeként keletkezı glicerint használja fel (Koutinas et al., 2007; Papanikolaou et al., 2008). Glicerint (300 g/l) tartalmazó tápközegben, hét nap után 170 g/l-es eritrit koncentrációt tudtak elérni, 56%-os kinyeréssel (Rymowicz et al., 2009). Vitaminok adagolásával (inozit és mio-inozithexafoszfát), illetve fémionok (Cu 2+ ) alkalmazásával, valamint az eritróz-reduktáz enzim inhibitorainak (fumarát, illetve 1,8-dihhidroxi-naftalin-melanin) szintézisét gátló szerekkel (triciklazollal) az eritróz-reduktáz emelkedett aktivitását tudták elérni (Lee et al., 2000; 2002). Irodalomjegyzék A teljes irodalomjegyzék a szerzıknél, illetve a KÉKI (www.keki.hu) és a MÉTE (www.mete.hu) honlapján megtalálható. Frost & Sullivan (2007): Strategic analysis of the erythritol market. In: Frost & Sullivan (eds) Strategic Analysis of the U.S. Polyols Markets. Goossens, J. & Roper, H. (1994): Erythritol: a new sweetener. ConfectioneryProduction (United Kingdom), 24, 182 188.
Hiele, M., Ghoos, Y., Rutgeerts, P. & Vantrappen, G. (1993): Metabolism of erythritol in humans: comparison with glucose and lactitol. Br J Nutr, 69, 169 176. Kasumi, T., Sasaki, T., Taki, A., Nakayama, K., Oda, T. & Wako, K. (1998): Development of erythritol fermentation and its applications. J Appl Glycosci, 45, 131 136. Lee, J.K., Kim, S.Y., Ryu, Y.W., Seo, J.H. & Kim, J.H. (2003): Purification and characterization of a novel erythrose reductase from Candida magnoliae. Appl Environ Microbiol, 69, 3710 3718. Moon, H.J. Jeya, M., Kim, I.V. & Lee, J.K. (2010): Biotechnological production of erythritol and its applications. Appl Microbiol Biotechnol, 86, 1017 1025., DOI 10.1007/s00253-010-2496-4c Munro, C., Bernt, W.O., Borzelleca, J.F., Flamm, G., Lynch, B.S., Kennepohl, E., Bär,E.A. & Modderman, J. (1998): Erythritol: an interpretive summary of biochemical, metabolic, toxicological and clinical data. Food and Chemical Toxicol, 36, 1139 1174. Park, J.B., Seo, B.C., Kim, J.R. & Park, Y.K. (1998): Production of erythritol in fed-batch cultures of Trichosporon sp. J Ferment Bioeng, 86, 577 580. Seo, J.H., Ryu, Y.W., Jung, S.R. & Kim, S.Y. (2001): September 2001. Fermentation processes for preparing erythritol by a high salt tolerant mutant of Candida sp. US Patent 6287830B1. Jeya, M., Le,e K.M., Tiwari, M.K., Kim, J.S., Gunasekaran, P., Kim, S.Y., Kim, I.W. & Lee, J.K. (2009): Isolation of a novel high erythritol-producing Pseudozyma tsukubaensis and scale-up of erythritol fermentation to industrial level. Appl Microbiol Biotechnol, 83, 225 231. Szerzık neve, beosztása és címe: Tomasskovics Bálint biomérnök, PhD hallgató Csécsy Katalin biomérnök MSc hallgató Dr. Salgó András tanszékvezetı, egyetemi tanár Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológiai és Élelmiszertudományi Tanszék 1111 Budapest, Mőegyetem rkp. 3. E-mail: salgo@mail.bme.hu