Kommerzialisierung und industrielle Anwendung von Trehalose CAS-Nr. 99-20-7

Trehalose ist ein stabiles, nicht-reduzierendes Disaccharid, das aus zwei über eine α,α-1,1-glykosidische Bindung verknüpften Glucosemolekülen besteht. Es wurde erstmals aus dem Mutterkornpilz des Roggens isoliert und später als weit verbreitet in der Natur entdeckt – in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen, insbesondere in Pilzen, Algen, Moosen und Wirbellosen. Trehalose erscheint als weiße Kristalle; jedes Molekül enthält zwei Moleküle Kristallwasser. Es ist löslich in Wasser, Eisessig und heißem Ethanol, jedoch unlöslich in Ether und Aceton. Beim Erhitzen auf 130 °C verliert es sein Kristallwasser und wird wasserfrei.

Biologische Funktion und Bedeutung

Trehalose besitzt bemerkenswerte Schutzeigenschaften in lebenden Organismen. Unter extremen Umweltbedingungen – wie hohen Temperaturen, Frost, Austrocknung oder hohem osmotischem Druck – bildet sie einen einzigartigen Schutzfilm auf der Zelloberfläche. Dieser Film stabilisiert Proteine, Zellmembranen und andere biologische Strukturen und verhindert so deren Denaturierung und Inaktivierung. Andere natürliche Zucker wie Saccharose oder Glucose besitzen diese Fähigkeit nicht. Daher wird Trehalose in der Wissenschaft oft als „Zucker des Lebens“ bezeichnet.

Trehalose kommt in zahlreichen Organismen vor, darunter niedere Farne, Algen, Bakterien, Pilze, Hefen, Insekten und Wirbellose. Hefen und Schimmelpilze weisen besonders hohe Konzentrationen auf – bis zu 20 % ihres Trockengewichts. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und seines breiten biologischen Vorkommens konzentrieren sich Forscher seit Langem auf effiziente Extraktionsmethoden und die industrielle Großproduktion von Trehalose.

Aktuelle Zubereitungsmethoden

Zurzeit werden verschiedene Ansätze zur Trehaloseproduktion verfolgt, darunter chemische Synthese, mikrobielle Extraktion, mikrobielle Fermentation, enzymatische Synthese und Gentechnik.

1. Mikrobielle Extraktionsmethode

Bei diesem Verfahren werden Mikroorganismen wie Hefen, Milchsäurebakterien und Schimmelpilze eingesetzt, die natürlicherweise Trehalose enthalten. Durch die Anpassung der Wachstumsbedingungen wird die Trehaloseanreicherung in den Zellen erhöht, die anschließend mit geeigneten Verfahren extrahiert wird. Allerdings weist dieses Verfahren erhebliche Nachteile auf – einen langen Produktionszyklus, geringe Ausbeute und hohe Kosten –, was eine industrielle Massenproduktion erschwert.

2. Mikrobielle Fermentationsmethode

Bei diesem Verfahren wird Trehalose durch mikrobielle Fermentation hergestellt und anschließend aus der Fermentationsbrühe extrahiert und gereinigt. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Selektion ertragreicher Stämme durch Mutagenese, Zellfusion oder Genrekombination. Das japanische Unternehmen Ajinomoto Co., Ltd. hat die industrielle Trehaloseproduktion mithilfe von In-vitro-Kulturen aminosäureproduzierender Bakterien erfolgreich realisiert. Die Umwandlungseffizienz ist jedoch noch relativ gering, und es entstehen zahlreiche Nebenprodukte.

3. Enzymatische Synthese

Bei diesem Verfahren werden Substrate wie Glucose, Maltose oder Stärke verwendet, die durch enzymatische Reaktionen in Trehalose umgewandelt werden. Trotz seiner konzeptionellen Einfachheit ist das Verfahren mit Herausforderungen wie hohem Energieverbrauch und der Instabilität von Phosphorylase-Enzymen konfrontiert, was sein Potenzial für eine industrielle Anwendung einschränkt.

4. Gentechnik

Durch genetische Modifikation werden Trehalose-Synthase-Gene in Mikroorganismen oder Pflanzen eingeführt, wodurch die Trehaloseproduktion durch gentechnisch veränderte Stämme oder transgene Arten ermöglicht wird. Diese Technik verspricht eine effiziente und nachhaltige Trehaloseproduktion, befindet sich aber derzeit noch hauptsächlich im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

5. Chemische Synthese

Trehalose kann auch chemisch durch eine Ethylenoxid-Additionsreaktion zwischen 2,3,4,6-Tetraacetylglucose und 3,4,6-Triacetyl-1,2-dehydro-D-glucose synthetisiert werden. Dieses Verfahren ist jedoch mit geringen Ausbeuten und aufwendigen Trennprozessen verbunden. Daher findet die chemische Synthese bisher hauptsächlich in der Laborforschung Anwendung und nicht in der industriellen Praxis.

Abschluss

Trehalose, oft als „Zucker des Lebens“ bezeichnet, ist ein außergewöhnliches Disaccharid mit starker Schutzwirkung auf biologische Systeme. Obwohl verschiedene Herstellungsverfahren existieren, schränken Herausforderungen wie geringe Ausbeute, hohe Kosten und begrenzte Skalierbarkeit weiterhin eine breite industrielle Produktion ein. Fortschritte in der Biotechnologie, im Enzym-Engineering und in der Gentechnik werden voraussichtlich in naher Zukunft den Weg für eine effizientere und nachhaltigere großtechnische Produktion von Trehalose ebnen.