Az eritrit

Tomasskovics Bálint – Csécsy Katalin - Salgó András

 

 

Összefoglaló

Az eritrit

Az eritrit egy négyszénatomos polialkohol, felhasználja az élelmiszeripar és gyógyszeripar is egyaránt édesítőszerként. Emellett funkcionális cukorszármazék, cukorbetegségben vagy elhízásban szenvedő egyének esetében előnyös táplálkozási tulajdonságai alapján alkalmazható. Legtöbb esetben fermentációs módszerekkel állítják elő élesztőgombák segítségével. A magas kitermelésnek és ipari termelékenységnek köszönhetően az eritrit olcsó kiindulási alapanyagnak számít más cukrok előállításához. Az alábbi cikkben az eritrit kedvező táplálkozásbiokémiai tulajdonságai mellett, előállítási lehetőségeiről is áttekintést kívánunk adni.

 

Abstract

Erythritol

Erythritol is a four-carbon polyol, used by food and pharmaceutical industries as a sweetener. Furthermore as a functional derivative of sugar, it has special dietary properties,that makes it preferably for people with diabetes or obesity. Erythritol is produced mostly commercially by fermentationof yeasts.In the industrial scale of production, due to the high yield and productivity, erythritol has become an inexpensive starting material for the production of other sugars. In the followingarticle we would like to give an overviewon the beneficial properties and production of erythritol.

 

 

Az eritrit a természetben is gyakran előforduló cukoralkohol. Megtalálható metabolitként ill. energiatároló vegyületként a tengeri moszatokban és gombákban, emellett számos gyümölcsben is, mint pl. a szőlő, görögdinnye, körte.

D-etirit

Gyakran előfordul fermentált élelmiszerekben pl. sör, bor, szójaitalok (Yoshida és mtsai, 1986; Shindou és mtsai, 1988; Goossens és Roper, 1994). Egy 10 w/v%-os eritrit oldat édessége, kb. 60-70%-a a szacharózénak. Mivel a szájban élő baktériumok nem képesek fermentálni, így fogszuvasodást sem okoz (Goldberg, 1994). 2006-ban 20,000 tonnát termeltek belőle, azóta ez a szám csak növekszik (Frost és 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 belső kompenzáció folytán optikailag inaktívvá, vagy akirálissá válik). Vízmentes kristályokat képez, közepesen erős édesítő hatása van kellemetlen mellékíz, vagy illat nélkül. Kristályai 122oC fokon olvadnak, színtelen olvadékot képez. Kémiai tulajdonságai hasonlítanak a többi cukoralkoholéhoz, ebből következően redukáló végcsoport hiányában, jó hő- és savállóság jellemzi. Különbség a cukoralkoholoktól, csak alacsony oldhatóságában van. Összehasonlítva a többi cukorhelyettesítő poliollal, az eritritnek van a legkisebb moláris tömege, emiatt egyedi fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, mint pl. magasabb ozmotikus nyomás és kisebb vízaktivitás. A legfontosabb és különleges tulajdonsága, amely megkülönbözteti a többi cukoralkoholtól, az a kis molekulatömege, mérete (Moon és mtsai, 2010).

Állati, ill. humán klinikai vizsgálatok is bizonyították, hogy az eritrit napi rendszerességgel fogyasztható, nagyobb mennyiségben bevéve sem okoz negatív hatást (Tokuoka és mtsai, 1992). Így az élelmiszerekben alkalmazott mennyiségben biztonságosan felhasználható. Több, mint 90%-a az elfogyasztott eritritnek metabolizálás nélkül, változatlan formában kiürül a vizelettel (Munro és mtsai, 1998). Az a kis mennyiség, ami felszívódik reverzibilis reakciókban alakul át pl. oxidációval eritrulózzá, vagy foszforiláció és az azt követő 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- is inzulin szintet, emiatt a cukorbetegek is fogyaszthatják (Goossens and Gonze, 1996). 

1990 óta gyártják és alkalmazzák kereskedelmi célokra, ételek és üdítőitalok esetében édesítőszerként, ízfokozóként, nedvesítőszerként, állagjavítóként. Az USA-ban csökkentett vagy alacsony energiatartalmú üdítőkben 1,5%-ban, a sütemények töltelékeiben akár 60%-ban, ill. a lágy és keménycukorkákban akár 50%-ban is előfordulhat (Moon és mtsai, 2010). Emésztési szempontból könnyen tolerálható, minimális vagy nem jelentkező 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 jellemzője az oxidatív stressz, ezért vizsgálták antioxidáns hatását is.  Diabeteszben szenvedő egerekben 15%-al csökkentette a vérszérum glükóz szintjét (Yokowaza és mtsai, 2002), emellett a hiperglikémia okozta vaszkuláris károsodást is csökkenteni tudta (den Hartog és mtsai, 2009).

 

Az eritrit előállítása

1960 óta vizsgálat tárgya mikrobiális előállítása. Az egyre növekvő élelmiszeripari igény miatt (évente akár 20-25 ezer tonna), az eritrit előállítás egyre inkább fontos kérdéssé vált. Kémiai úton előállítható ugyan dialdehid-keményítőből (legalább 90%-os aldehidtartalmú oxidált kukorica- vagy búzakeményítőből készül) nikkel katalizátort alkalmazó hidrogénezési folyamatban (Pfeifer és mtsai 1960), azonban a reakció kis hatékonysága miatt, iparilag nem így történik az előállítás. Nagy mennyiségben fermentációs folyamatokkal glükózból, szacharózból, ill. kémiailag, ill. enzimatikusan hidrolizált búza- és kukoricakeményítőből nyert glükózból (Aoki és mtsai, 1993; Hiele és mtsai, 1993). Az alapanyagokból mikrobiális úton termeltethető, élesztőgombák és egyes baktériumok segítségével (Ishizuka és mtsai, 1989; Veiga-Da-Cunha és mtsai, 1992; Ryu és mtsai, 2000, Seo és mtsai, 2001). 

Egyes ozmotoleráns élesztőgomba törzsek (pl. Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula, Pichia) képesek kis vízaktivitású közegben (magas cukorkoncentráció vagy só-, ill. szárazságstressz esetén) is nőni, miközben ozmotikumként - többek között - eritritet termelnek (Moon és mtsai, 2010). A pentóz-foszfát ciklus során termelődött eritróz-4-foszfátból defoszforiláció, majd a keletkezett eritrózból eritróz-reduktáz enzim segítségével keletkezik az eritrit. Számos mutáns élesztőfaj pl. Torula corallina, Candida magnoliae, és az Ustilaginomycetes is képes akár több mint 40%-os hatásfokkal eritritet termelni D-glükózból (Ishizuka és mtsai, 1989; Kim és mtsai, 2000).  Az enzim (eritróz-reduktáz) amely a redukálási folyamatot végzi, NADH-t részesít előnyben, szemben a többi aldóz-reduktázzal, melyek általában NADPH-t igényelnek (Lee és mtsai, 2003).  

x.ábra

Az eritrit szintézise baktériumokban és élesztőgombákban EPDH eritrit-4-foszfát dehidrogenáz, PK foszfoketoláz,  E4PK eritróz-4 foszfát kináz, PTase foszfatáz ER eritróz reduktáz (Moon és mtsai, 2010) 

 

 

A tejsavbaktérium Leuconostoc oenos esetében a glükóz-6-foszfátból keletkező fruktóz-6-foszfát a foszfokelatáz enzim által elhasad, a keletkező eritróz-4-foszfát, eritrit-4-foszfáttá redukálódik, majd hidrolízis után alakul ki maga az eritróz (Veiga-da-Cunha és mtsai, 1993).

Az eritritet több cég is gyártja fermentációs módszerekkel, pl. Bolak Corporation (Korea), Cargill Food & Pharm Specialties (USA), Mitsubishi Chemical Corporation (Japán). Glükózból, szacharózból, ill. kémiailag ill. enzimatikusan hidrolizált búza- és kukoricakeményítőből nyert glükózból kiindulva, Torula sp. és Moniliella pollinis élesztő törzsekkel végzik az előállítást. A fermentléből ioncserés kromatográfiás módszerekkel a töltéssel rendelkező szennyezőket eltávolítják, majd membránszűrés után, bepárlással a tisztított poliolt kikristályosítják. A kristályos eritrit tisztasága 99.5% fölött is lehet (Moon és mtsai, 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-, ill. folyamatos fermentorokkal is történhet a gyártás (Kasumi és mtsai, 1998; Sawada és mtsai, 2009).

 

Az 1. es táblázatban az alkalmazott törzsek, ill. a produktivitási, konverziós értékek láthatók.  

 

A kutatások-fejlesztések során egyrészt a minél nagyobb konverziófokkal rendelkező élesztő törzsek kiszelektálásával, másrészt a gyártási részfolyamatok optimalizálásával próbálják meg növelni a kitermelést (Park és mtsai, 1998; Oh és mtsai, 2001; Jeya és mtsai, 2009). Ezen optimalizálási kísérletek során jöttek rá, hogy a kezdeti glükóz koncentráció megemelésével a kitermelés is megnövelhető, de csak azon törzsek esetében (pl. az ipari előállítás során is alkalmazott Aureobasidium mutáns) amelyek elviselték az emelkedett cukormennyiség okozta ozmotikus nyomásváltozást (Ishizuka és mtsai, 1989). Így, akár 60%-os kitermelés és végső 240 g/l eritrit tartalom is elérhetővé vált, rátáplálásos szakaszos fermentációval (Jeya és mtsai, 2009).

Az eritrit termeléshez alapanyagként általánosan felhasznált glükóz v. fruktóz mellett egyéb olcsóbb szénforrások alkalmazását is megvizsgálták. Yarrowia lipolytica élesztőgomba esetében azt tapasztalták, hogy képes megújuló ipari melléktermékeken nőni, ill. eritritet termelni. Szénforrásként a biodízel gyártás melléktermékeként keletkező glicerint használja fel (Koutinas és mtsai, 2007; Papanikolaou és mtsai, 2008). Glicerint (300g/l) tartalmazó tápközegben, hét nap után 170 g/l-es eritrit koncentrációt tudtak elérni, 56%-os kinyeréssel (Rymowicz és mtsai, 2009).  Vitaminok adagolásával (inozit és mio-inozit-hexafoszfát), ill. fémionok (Cu2+) alkalmazásával, valamint az eritróz-reduktáz enzim inhibitorainak (fumarát, ill. 1,8-dihhidroxi-naftalin-melanin) szintézisét gátló szerekkel (triciklazollal) az eritróz-reduktáz emelkedett aktivitását tudták elérni (Lee és mtsai, 2000; 2002).

 

 

Irodalomjegyzék

Aoki M, Pastore G, Park Y (1993) Microbial transformation of sucrose and glucose to erythritol. Biotechno Lett 15:383–388 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

Frost and 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

Goossens J, Gonze M (1996) Nutritional properties and applications of erythritol: a unique combination? In: Grenby TH (ed) Advances in sweeteners. Blackie A&P, Bodmin, pp 150–186

Goldberg I (1994) Functional foods: designer foods, pharmafood, nutraceuticals. Chapman & Hall, New York, NY

den Hartog G, Boots A, Adam-Perrot A, Brouns F, Verkooijen I, Weseler A, Haenen G, Bast A (2009) Erythritol is a sweet antioxidant. Nutrition. doi:10.1016/j.nut.2009.05.004

Hee-Jung Moon & Marimuthu Jeya & In-Won Kim & Jung-Kul Lee, Biotechnological production of erythritol and its applications. Appl Microbiol Biotechnol (2010) 86:1017–1025 DOI 10.1007/s00253-010-2496-4c

Ishizuka H, Wako K, Kasumi T, Sasaki T (1989) Breeding of a mutant of Aureobasidium sp. with high erythritol production. J Ferment Bioeng 68:310–314

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

Kim KA, Noh BS, Lee JK, Kim SY, Park YC, Oh DK (2000) Optimization of culture conditions for erythritol production by Torula sp. J Microbiol Biotechnol 10:69–74

Koutinas A, Wang R, Webb C (2007) The biochemurgist bioconversion of agricultural raw materials for chemical production. Biotechnol Biofuels 1:24–38

Lee JK, Ha SJ, Kim SY, Oh DK (2000) Increased erythritol production in Torula sp. by Mn2+ and Cu2+. Biotechnol Lett 22:983–986