Taumatyna: Taumatyna – białko słodzące

Taumatyna jest substancją słodzącą o wysokiej intensywności – jest ok. 1600-2000 razy słodsza od sacharozy (licząc wagowo), co czyni ją jedną z najsłodszych znanych substancji naturalnych (jest nawet ok. 7 razy słodsza niż stewia). Niektóre dane literaturowe podają, że słodkość taumatyny sięga nawet 3000-krotności słodkości sacharozy. Taumatyna składa się z pojedynczego łańcucha 207 reszt aminokwasowych i wywołuje słodki smak już przy stężeniu 50 nM, czyli przy wartości molowej 100 000 razy większej niż dla sacharozy. 

Taumatyna pochodzi z owoców krzewu o egzotycznej nazwie katempfe lub katamfe (Thaumatococcus daniellii (Benn) Benth), który naturalnie występuje tylko w niektórych regionach lasów deszczowych Afryki Zachodniej i Środkowej, jednak został wprowadzony do lasów deszczowych północnej Australii i w Singapurze. Wymiennie stosowane są inne nazwy tej rośliny: miękka trzcina joruba, afrykańska jagoda serendipity lub cudowna jagoda. Pierwszy jej opis powstał w połowie XIX wieku. Krzew Thaumatococcus daniellii (Benn) Benth rośnie do 3-4 metrów wysokości. Jego owoce są spektakularnie czerwone, trójkątne, mają ok. 4 cm średnicy, są pokryte miękką i mięsistą czerwoną osnówką, a wewnątrz zawierają do 3 błyszczących czarnych nasion otoczonych przezroczystą galaretką. Taumatyna zawarta jest w jadalnej osnówce owoców, z tego powodu tradycyjnie stosuje się ją w Afryce Zachodniej do słodzenia herbaty, chleba, wina palmowego i kwaśnych potraw. Długą historię spożywania tych owoców przez ludzi i wykorzystywania ich w roli słodzika potwierdzają liczne świadectwa starszyzny wiosek zlokalizowanych w Ghanie i na Wybrzeżu Kości Słoniowej.

Intensywna słodycz owoców Thaumatococcus daniellii została po raz pierwszy opisana w 1855 r. przez Daniella, brytyjskiego chirurga, w czasopiśmie „Pharmaceutical Journal”. Co ciekawe, taumatyna smakuje słodko tylko małpom człekokształtnym i ludziom, a mimo to jest także środkiem poprawiającym smakowitość pasz dla zwierząt. Obecnie znajduje również zastosowanie w przemyśle spożywczym jako naturalna alternatywa dla cukru i sztucznych słodzików. Taumatyna jest dopuszczona do użytku w wielu krajach i ma zastosowanie zarówno jako wzmacniacz smaku, jak i intensywny środek słodzący.

Z chemicznego punktu widzenia nie jest węglowodanem, lecz mieszaniną blisko spokrewnionych białek, które składają się z kombinacji wielu aminokwasów. Generalnie struktura chemiczna taumatyny składa się z długiego łańcucha peptydów i ma wzór chemiczny C49H78N14O19S. W owocach Thaumatococcus daniellii (Benn) Benth znaleziono pięć izoform białka taumatyny, a mianowicie taumatyny I, II, a, b oraz c, z których wszystkie są słodkie. Głównymi formami są taumatyna I i II (głównym białkiem jest taumatyna I, podczas gdy taumatyna II stanowi nie więcej niż 45% mieszanki). Każda forma taumatyny składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego z 207 aminokwasami, a poszczególne formy białka różnią się między sobą tylko czterema aminokwasami (handlowo dostępne preparaty taumatyny są mieszaniną intensywnie słodkich białek). Taumatyna ma masę cząsteczkową około 22-34 kDa, która jest porównywalna do masy cząsteczkowej kazeiny. Jest to białko o punkcie izoelektrycznym w zakresie 11,5-12,5, co wydaje się być niezwykle ważną cechą, biorąc pod uwagę jego zastosowanie jako dodatku do żywności. Typowa cząsteczka taumatyny nie ma łańcuchów bocznych i nietypowych wiązań peptydowych. Rozległe usieciowanie dwusiarczkowe nadaje taumatynie stabilność termiczną, oporność na denaturację i utrzymanie trzeciorzędowej struktury łańcucha polipeptydowego (co ma kluczowe znaczenie dla funkcji technicznej taumatyny – jedynie rozszczepienie jednego mostka dwusiarczkowego powoduje utratę słodyczy tego białka). Typowa cząsteczka taumatyny składa się z łańcucha aminokwasów, w tym: alaniny, kwasu asparaginowego, kwasu glutaminowego, glicyny, leucyny, lizyny, metioniny, fenyloalaniny, proliny, seryny, treoniny i tyrozyny. Te aminokwasy tworzą strukturę białka taumatyny i odgrywają rolę w jego właściwościach słodzących. Ponieważ profil słodkości preparatów taumatyny wynika z rozmieszczenia aminokwasów w strukturze molekularnej tego słodzika, to skład aminokwasowy może się różnić w zależności od źródła białka i konkretnego rodzaju taumatyny.

Ilość taumatyny w dojrzałych owocach Thaumatococcus daniellii (Benn) Benth sięga ok. 50 mg/g osłonki owoców (może gromadzić się do 50% suchej masy osłonki owoców), ale nie występuje ona w innych częściach rośliny. Taumatyna jest pozyskiwana komercyjnie z owoców tego krzewu na dwa sposoby: w wyniku ekstrakcji lub biofermentacji. Metoda z wykorzystaniem ekstrakcji (wodą lub rozcieńczonym, prawie neutralnym buforem) polega na fizycznym usunięciu taumatyny z materiału roślinnego, uprzednio rozdrobnionego. Jest ona mniej wydajna niż fermentacja, gdyż podczas ekstrakcji przezroczysta galaretka otaczająca nasiona bardzo pęcznieje, utrudniając wydzielenie taumatyny. Otrzymany ekstrakt jest zagęszczany (metodą odwróconej osmozy lub chromatografii jonowymiennej), a następnie liofilizowany w celu uzyskania taumatyny o wysokiej czystości.

Obecnie najczęściej stosuje się biofermentację, ponieważ pozwala na produkcję słodzika na dużą skalę biotechnologiczną. Proces obejmuje fermentację podłoża hodowlanego w kontrolowanych warunkach z wykorzystaniem bakterii lub drożdży, co może trwać od kilku dni do kilku tygodni, w zależności od warunków i zastosowanych mikroorganizmów. Ponieważ dostępność taumatyny pochodzenia roślinnego jest bardzo ograniczona, naukowcy podejmują starania, aby produkować to białko metodami biotechnologicznymi z wykorzystaniem rekombinowanych szczepów z gatunków Escherichia coli, Kluyveromyces lactis, Bacillus subtilis, Streptomyces lividans, Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus niger i Aspergillus oryzae. Próby produkcji taumatyny na skalę przemysłową dotyczą również wykorzystania transgenicznych roślin jadalnych (m.in. zbóż, ziemniaków, ogórków, pomidorów, gruszek, truskawek). Wykazano na przykład, że transgeniczny jęczmień jest całkiem dobrym realnym źródłem taumatyny (z wydajnością przekraczającą 2 g taumatyny na kg materiału roślinnego). 

Obie wymienione metody pozwalają na otrzymanie produktu o wysokiej jakości, który nadaje się do stosowania jako dodatek do żywności. Z 1 kg owoców można uzyskać około 6 g taumatyny. To sprawia, że jest ona stosunkowo droga w porównaniu do innych sztucznych słodzików i nie jest tak szeroko stosowana. 

Po wysuszeniu taumatyna jest białym lub lekko kremowym proszkiem, sypkim, o małej gęstości nasypowej, bezwonnym (nie ma własnego charakterystycznego zapachu), który jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie (co umożliwia przygotowanie roztworów 60-procentowych), ale nie w rozpuszczalnikach organicznych. Rozpuszczalność taumatyny wzrasta wraz z temperaturą. Ma ona czysty, słodki smak, chociaż wykazuje swój własny charakterystyczny aromat (nie smakuje tak samo jak cukier) i pozostawia po sobie lukrecjowy posmak. Sproszkowana taumatyna jest niestety higroskopijnym proszkiem, co oznacza, że może absorbować wilgoć z powietrza. Może to wpływać na jej stabilność i okres przydatności do spożycia, dlatego wymaga ona przechowywania w suchym miejscu. Dostępna dla sektora handlowego taumatyna jest stabilna w roztworze wodnym w zakresie pH 2,5-10 (z optimum w okolicach pH 2,8-3,0), co czyni ją przydatną do stosowania w produktach kwaśnych, takich jak napoje bezalkoholowe i sportowe. Co ciekawsze, taumatyna szybko się krystalizuje w obecności jonów winianowych. Łatwość, z jaką tworzą się kryształy, doprowadziła w ciągu ostatniej dekady do wykorzystania taumatyny jako systemu modelowego w badaniu krystalizacji białek. Białko jest stabilne termicznie do 70°C, a w wyższej temperaturze traci słodycz (chociaż przy niskim pH roztwory mogą być podgrzewane w temperaturze 100°C przez kilka godzin bez utraty słodkości). Z tego powodu taumatyna jest substancją słodzącą zatwierdzoną w UE do ograniczonych zastosowań – obecnie nie ma aprobaty dla zastosowań piekarniczych. 

Taumatyna została po raz pierwszy wyizolowana przez van der Wela w 1972 r. Od 1979 r. jest sprzedawana w Japonii, w USA dopuszczona do stosowania w gumie do żucia. W Kanadzie jej stosowanie obejmuje pasze dla zwierząt, gumę do żucia, preparaty smakowe, wyroby cukiernicze i substytuty soli. W 1983 r. zastosowanie taumatyny zostało zatwierdzone przez Wielką Brytanię dla produktów dietetycznych, napojów, produktów farmaceutycznych i żywności (z wyłączeniem wyrobów dla niemowląt). Obecnie jest ona stosowana jako naturalna, intensywna spożywcza substancja słodząca w wielu krajach.

Taumatyna jest substancją słodzącą o zdecydowanie najwyższej słodyczy ze wszystkich znanych do tej pory, co oznacza, że do osiągnięcia pożądanego poziomu słodyczy potrzebna jest tylko niewielka jej ilość. Wodny roztwór taumatyny jest 300 razy słodszy (w stężeniu 13%) do około 5500 razy słodszy (w stężeniu 0,6%) od sacharozy. Białko to bardzo silnie wiąże się z nabłonkiem kubków smakowych. Wartość progowa dla taumatyny wynosi 10-8 mol/litr, co sugeruje silny związek tego białka z receptorem. Profil intensywności słodyczy taumatyny różni się znacznie od profilu sacharozy. Słodycz pojawia się powoli, aż do osiągnięcia maksymalnej intensywności, po której następuje długo utrzymujący się posmak przypominający słodką lukrecję. Nie ma jednak gorzkiego, metalicznego posmaku związanego z niektórymi innymi intensywnymi substancjami słodzącymi.

Oprócz właściwości słodzących taumatyna jest również znana ze swoich właściwości wzmacniających smak, co czyni ją użyteczną w szerokim zakresie produktów spożywczych i napojów do zwiększania smaku i aromatu, także w połączeniu z innymi substancjami słodzącymi w celu stworzenia pożądanego profilu smakowego. Wykazuje synergizm z innymi substancjami słodzącymi, takimi jak sacharyna (maskuje jej posmak), acesulfam K i stewiozydy, nie łączy się jednak z cyklaminą czy aspartamem. Jako wzmacniacz smaku taumatyna może być stosowana w ilościach nieprzekraczających 0,5 mg/kg w niektórych artykułach spożywczych i suplementach diety.

Taumatyna może być stosowana jako słodzik również w produktach mlecznych, takich jak mleko smakowe (np. czekoladowe lub truskawkowe), mleczne napoje fermentowane i lody. Właściwości słodzące taumatyny mogą być wykorzystane do zmniejszenia ilości cukru w tych produktach, co może pomóc w redukowaniu kaloryczności i poprawie smaku. Do zalet stosowania taumatyny w produktach mlecznych należy zaliczyć jej intensywną słodycz, naturalne pochodzenie oraz zdolność do wzmacniania smaku produktu. Może ona również pomóc w zmniejszeniu ilości cukru i sztucznych słodzików w produktach mlecznych, czyniąc je zdrowszą opcją dla konsumentów. Główne wady stosowania taumatyny w produktach mlecznych to jej koszt, który może być wyższy niż w przypadku innych substancji słodzących i cukru, a także ograniczona dostępność. W niektórych przypadkach unikalny profil smakowy taumatyny może być postrzegany jako sztuczny lub mieć posmak podobny do lukrecji, co może nie być atrakcyjne dla wszystkich konsumentów.

Taumatyna została dopuszczona jako słodzik do stosowania w produktach spożywczych i napojach zarówno w Stanach Zjednoczonych (posiada status GRAS), jak i w Unii Europejskiej (E 957). Zgodnie z przepisami UE maksymalna dawka taumatyny, która może być stosowana w produktach spożywczych, wynosi 200 mg/kg. Taumatyna jest nietoksyczna i w niewielkim stopniu przyczynia się do normalnego spożycia białka. Jest białkiem łatwo ulegającym trawieniu enzymatycznemu, w związku z tym nie ma obaw o bezpieczeństwo konsumentów. Nie wykazuje działania mutagennego ani teratogennego, dlatego WHO JEFCA w 1985 r. stwierdziła, że taumatyna nie ma ustalonego ADI. Będąc białkiem, nie spowoduje ona żadnej zmiany poziomu cukru we krwi. Ma zatem zerowy indeks glikemiczny, dlatego jest odpowiednia dla diabetyków. Ze względu na te właściwości taumatyna jest zaliczana do tzw. nieodżywczych substancji słodzących, a warto nadmienić, że słodziki tego rodzaju są szczególnie zalecane tym osobom, które nie mogą spożywać odżywczych substancji słodzących.

Taumatyna jest często używana w produktach niskokalorycznych i bez cukru, zapewnia słodki smak bez dodawania kalorii i podnoszenia poziomu cukru we krwi. Brak toksyczności taumatyny (żadnego mutagennego, teratogennego lub alergicznego działania) w połączeniu z wysoką podatnością na trawienie enzymami trawiennymi układu pokarmowego wskazują, że jedynym skutkiem dietetycznym przyjmowania taumatyny jest spożycie białka, i to w stopniu niewielkim, zważywszy na niewielkie ilości taumatyny stosowane do nadawania słodyczy produktom żywnościowym i napojom.

Oprócz właściwości słodzących taumatyna ma również działanie przeciwutleniające i przeciwzapalne, co może powodować potencjalne korzyści dla zdrowia. Jednakże potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć wpływ taumatyny na zdrowie. Ponieważ jest ona białkiem, może powodować problemy trawienne u niektórych osób, zwłaszcza tych z alergią lub nietolerancją na pewne białka. Białko to wykazuje podobieństwa strukturalne z alergenami występującymi w jabłkach i owocach kiwi, co sugeruje, że może być również uczulające. Jak dotąd nie ma żadnych danych naukowych potwierdzających, że taumatyna wywołuje alergie. Należy jednak wziąć to pod uwagę przy stosowaniu jej w produktach spożywczych.

Jak wspomniano wcześniej, taumatyna jest także dopuszczona jako dodatek do pasz celem poprawy ich smakowitości. Zalecany zakres jej dawkowania do pasz w Stanach Zjednoczonych wynosi 1-5 mg/kg mieszanki paszowej pełnoporcjowej, niezależnie od gatunku zwierzęcia. Taumatyna może być podawana jednocześnie z paszą lub wodą do pojenia.

Ograniczona skala produkcji taumatyny sprawia, że to białko jest droższe niż inne słodziki, sztuczne substancje słodzące i cukier, co może zwiększyć koszty produkcji żywności i napojów. Opłacalność stosowania taumatyny jako substancji słodzącej może być różna zależnie od kilku czynników, w tym źródła białka, metody produkcji i zamierzonego zastosowania. Ogólnie rzecz biorąc, taumatyna jest uważana za droższą niż tradycyjne substancje słodzące na bazie cukru. Jest jednak również znacznie od nich słodsza, więc do osiągnięcia tego samego poziomu słodkości potrzebne są mniejsze ilości. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę, że opłacalność stosowania taumatyny będzie również zależała od takich czynników jak specyficzny skład produktu, pożądany poziom słodkości i zamierzone zastosowanie produktu. Obecnie taumatyna znalazła szerokie zastosowanie nie tylko jako naturalny słodzik, ale także jako substancja wzmacniająca smak i maskująca nieprzyjemny posmak w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.