Ohne Zucker, aber von Natur aus süß – das Geheimnis des „Sweet Tea“

Wenn man an süßen Tee denkt, stellen sich viele Menschen vielleicht einen Eistee mit viel Zucker vor.

Der „Sweet Tea“, der in dieser Studie untersucht wurde, ist jedoch kein gewöhnlicher Tee mit Zuckerzusatz. Er bezieht sich auf die Pflanze Lithocarpus litseifolius aus der Familie der Buchengewächse, die in einigen Regionen Chinas wild wächst und traditionell als süßer Tee verwendet wird.

Das Getränk, das aus den jungen Blättern und Trieben dieser Pflanze hergestellt wird, schmeckt auch ohne Zuckerzusatz stark süß. Der Grund dafür ist ein Pflanzenstoff namens „Dihydrochalcon“, der in großen Mengen in den Blättern gespeichert wird.

Im Mittelpunkt stehen dabei vor allem Phloridzin und Trilobatin. Diese sind Flavonoid-Verbindungen, die mit Zucker verbunden sind und bei Pflanzen mit Abwehrmechanismen und Umweltanpassungen in Verbindung gebracht werden. Für den Menschen sind sie jedoch als natürliche Süßstoffe von Interesse.

Lange Zeit war jedoch unklar, welche chemischen Reaktionen den Sweet Tea dazu bringen, so viele süße Inhaltsstoffe zu produzieren.

Ein Forschungsteam, darunter das Teeforschungsinstitut der Zhejiang-Universität, hat nun diese komplexe „Süßstofffabrik in der Pflanze“ auf genetischer und enzymatischer Ebene untersucht.

30 % des Trockengewichts der jungen Blätter bestehen aus süßigkeitsrelevanten Inhaltsstoffen

Das herausragendste Merkmal des Sweet Tea ist der extrem hohe Gehalt an Dihydrochalconen.

Laut der Originalstudie kann der Anteil von Phloridzin und Trilobatin in den Blättern bis zu 21–33 % des Trockengewichts erreichen. Das bedeutet, dass ein erheblicher Teil der jungen Blätter, abzüglich der Feuchtigkeit, aus süßigkeitsrelevanten Inhaltsstoffen besteht.[1][2]

Phloridzin kommt auch in den Blättern und der Rinde von Apfelbäumen vor, aber der Gehalt im Sweet Tea ist höher als in Pflanzen der Gattung Malus. Daher eignet sich diese Pflanze nicht nur als Quelle für natürliche Süßstoffe, sondern auch als Modellpflanze zur Erforschung der Biosynthese von Dihydrochalconen.

In der Lebensmittelindustrie besteht ein wachsender Bedarf an Technologien, die den Zuckergehalt reduzieren und gleichzeitig den Geschmack erhalten.

Zucker ist jedoch nicht nur ein Süßungsmittel. In Getränken beeinflusst er den Geschmack und das Aroma, in Süßwaren das Volumen, die Bräunung, die Feuchtigkeit und die Textur. Daher kann der Austausch von Zucker durch andere Süßstoffe oft nicht den gleichen Geschmack und die gleiche Qualität wie das Originalprodukt reproduzieren.

Wenn es jedoch gelingt, pflanzliche Inhaltsstoffe, die mit einer kleinen Menge ausreichend Süße erzeugen, stabil zu produzieren, könnte dies eine neue Möglichkeit bieten, den Zuckergehalt in Getränken, Milchprodukten, Süßwaren und Gesundheitsprodukten zu reduzieren.

Die Bedeutung dieser Studie liegt darin, dass sie nicht eine Methode zur Massenentnahme des Rohstoffs aufzeigt, sondern den „Bauplan“, den die Pflanze zur Herstellung von Süßstoffen verwendet, offenlegt.

Die bisher unerklärte „Doppelbindung“

Bei der Herstellung von Dihydrochalconen in Pflanzen reagieren mehrere Ausgangsstoffe und Enzyme nacheinander.

Um letztendlich Phloridzin und Trilobatin zu produzieren, muss zunächst das Grundgerüst „Phloretin“ synthetisiert werden. In diesem Prozess ist eine Reduktionsreaktion erforderlich, bei der die Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffen der Ausgangsstoffe in Einfachbindungen umgewandelt werden.

Bisher war die gängige Erklärung, dass das Enzym, das die Doppelbindungen reduziert, direkt auf die Substanz p-Cumaroil-CoA wirkt, die mit Coenzym A verbunden ist.

In früheren Experimenten mit Äpfeln wurde jedoch berichtet, dass die als Kandidaten vorgeschlagenen Enzyme nicht wie erwartet funktionierten. In vitro konnte die Reaktion nicht bestätigt werden, und selbst wenn das Gen in andere Organismen eingeführt wurde, wurde der Zielstoff nicht ausreichend produziert.

Das Forschungsteam vermutete, dass die Reduktionsreaktion möglicherweise in einem anderen Stadium stattfindet.

Die Untersuchung ergab, dass die Reduktion der Doppelbindung nicht an der CoA-gebundenen Substanz, sondern an einer zwischendurch gebildeten Aldehyd-Substanz stattfindet.

Zunächst wandelt das Enzym LlCCR p-Cumaroil-CoA in p-Cumaraldehyd um. Dann reduziert das Enzym LlDBR1 die Doppelbindung des Aldehyds und erzeugt Dihydro-p-Cumaraldehyd.

Diese Entdeckung könnte erklären, warum einige Enzyme in früheren Studien nicht auf die CoA-gebundene Substanz reagierten.

Forscher versuchten, „Arbeiter in einem anderen Prozess“ zur Arbeit zu bringen. Tatsächlich war LlDBR1 für den nachfolgenden Aldehyd-Prozess verantwortlich.

Untersuchung von 24 Kandidatengenen

Das Forschungsteam wählte aus den Genexpressionsdaten des Sweet Tea 24 Gene aus, die möglicherweise an der Synthese von Süßstoffen beteiligt sind.

Zu den untersuchten Genen gehören Zimtsäure-CoA-Reduktase, Doppelbindungs-Reduktase, Aldehyd-Dehydrogenase, 4-Cumaroil-CoA-Ligase, Chalcon-Synthase und Zucker-Transferase.

In der Studie wurden die Kandidatengene in E. coli exprimiert, um Enzyme zu erzeugen, und in vitro getestet, auf welche Substanzen sie reagieren. Es wurde nicht nur das Vorhandensein der Gene untersucht, sondern auch die Reaktionsgeschwindigkeit und die Substratselektivität überprüft.

Darüber hinaus wurde den Pflanzen ein Antisense-Oligodeoxyribonukleotid verabreicht, um die Funktion bestimmter Gene vorübergehend zu unterdrücken und zu untersuchen, wie sich die Menge an Dihydrochalconen in den Blättern verändert.

Wenn die Gene LlCCR, LlDBR1, LlALDH1, Ll4CL2 und andere unterdrückt wurden, nahm die Menge der gewünschten Süßstoffe ab. Auch bei der Unterdrückung von LlP4′GT, das Trilobatin produziert, und LlP2′GT1, das Phloridzin produziert, nahm die Menge der jeweiligen Inhaltsstoffe ab.

Sowohl die Enzymexperimente in vitro als auch die Genunterdrückungsexperimente in lebenden Pflanzen zeigten in die gleiche Richtung, was die Beteiligung der Enzyme an der Biosynthese in der Pflanze stark untermauerte.

Nicht nur ein Weg zu Phloretin

Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Studie war, dass es mehr als einen Weg zum Grundgerüst der Süßstoffe, Phloretin, gibt.

Aus dem gemeinsamen Zwischenprodukt Dihydro-p-Cumaraldehyd können mindestens zwei Wege zur Herstellung von Phloretin führen.

Im ersten Weg wandelt LlALDH1 den Aldehyd in eine Säure um, und Ll4CL2 fügt erneut CoA hinzu. Danach reagiert das Chalcon-Synthase-Enzym LlCHS1 und produziert Phloretin.

Im zweiten Weg ist LlCCR an einer umgekehrten Reaktion beteiligt und liefert die für die Phloretin-Synthese benötigten Substanzen. LlCHS1 wirkt dann und Phloretin wird hergestellt.

Es ist, als ob zwei Straßen zum gleichen Ziel führen.

Selbst wenn Rohstoffe oder Enzyme auf einem Weg knapp werden, kann die Produktion fortgesetzt werden, indem der andere Weg genutzt wird. Für die Pflanze bedeutet dies, dass sie den Stoffwechselfluss je nach Wachstumsbedingungen und Umweltbedingungen anpassen kann.

Aus der Perspektive der Lebensmittelindustrie könnte es möglich sein, den effizienteren der beiden Wege zu wählen. Wenn Gene in Hefe oder E. coli eingebaut werden, um Phloretin oder Trilobatin in Fermentationstanks zu produzieren, könnte der für den Wirtsmikroorganismus geeignete Weg entworfen werden.

Ein Enzym, das Holz härtet, ist auch an Süßstoffen beteiligt

Besonders interessant ist die Multifunktionalität von LlCCR.

Enzyme, die als CCR bezeichnet werden, sind normalerweise an der Synthese von Lignin beteiligt, das die Pflanzenzellwände stärkt. Lignin ist ein wichtiger Bestandteil, der die Stängel und Stämme von Pflanzen härtet und die wasserführenden Gewebe stützt.

Im Sweet Tea ist LlCCR jedoch nicht nur an der Lignin-Synthese beteiligt, sondern auch an der Produktion des süßen Inhaltsstoffs Dihydrochalcon.

Die Kohlenstoffressourcen, die Pflanzen besitzen, sind nicht unbegrenzt. Es muss entschieden werden, ob derselbe Ausgangsstoff für die Stärkung des Körpers in Lignin oder in Dihydrochalcon umgewandelt wird.

LlCCR wird als „Umschalter“ betrachtet, der den Stoffwechselfluss in der Nähe dieses Verzweigungspunkts reguliert.

In jungen, weichen Blättern besteht noch kein Bedarf an großen Mengen Lignin, während sekundäre Metaboliten benötigt werden, um sich vor Insekten und UV-Strahlen zu schützen. Welche genauen Abwehrfunktionen Dihydrochalcon in der Pflanze hat, ist eine zukünftige Herausforderung, aber die Konzentration der Süßstoffe in jungen Blättern könnte mit der Wachstumsstrategie der Pflanze zusammenhängen.

Warum sind junge Blätter süßer?

In der Studie wurde auch untersucht, warum Dihydrochalcon in jungen Blättern in großen Mengen gespeichert wird.

Ein Grund ist, dass LlCCR die Ausgangsstoffe effizient verarbeiten kann. Ein weiterer Grund ist, dass die Zucker-Transferasen, die im unteren Teil des Synthesewegs liegen, in jungen Blättern stark exprimiert werden.

Je nachdem, an welcher Stelle Zucker an Phloretin angefügt wird, ändert sich der fertige Inhaltsstoff.

Wenn LlP4′GT aktiv ist, wird hauptsächlich Trilobatin hergestellt, und wenn LlP2′GT1 aktiv ist, wird hauptsächlich Phloridzin produziert. Da diese Zucker-Transferasen aktiv arbeiten, wird das hergestellte Phloretin schnell in stabile Glykoside umgewandelt und in den Blättern gespeichert.

Die Zuckeranlagerung ist für Pflanzen nicht nur ein abschließender Arbeitsschritt. Sie ist ein wichtiger Prozess, der die Löslichkeit in Wasser, die Bewegung innerhalb der Zelle, die Toxizität und die Lagerfähigkeit verändert.

Der Sweet Tea zeichnet sich also nicht nur durch die Fähigkeit aus, süße Moleküle zu produzieren, sondern auch durch die Fähigkeit, sie in einer stabilen Form zu verarbeiten und zu speichern.

Ist die Süße von etwa 300 Mal Zucker wirklich wahr?

In einer kürzlich veröffentlichten Übersicht zu funktionellen Sweet Teas aus China wird berichtet, dass Dihydrochalcon-Verbindungen wie Trilobatin und Phloridzin etwa 300 Mal süßer als Saccharose sind.[3]

Allerdings bedeutet die Zahl „300 Mal süßer“ nicht einfach, dass man nur ein Dreihundertstel der Zuckermenge verwenden muss, um das gleiche Produkt herzustellen.

Hochintensive Süßstoffe unterscheiden sich von Zucker in der Zeit, die benötigt wird, um die Süße zu spüren, und in der Dauer, die die Süße im Mund bleibt. Es wird berichtet, dass Phloridzin und verwandte Inhaltsstoffe eine langsame Süßeentwicklung haben und im Nachgeschmack eine erfrischende Note auftritt.

Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Kombination mit Bitterstoffen wie Catechinen in Lebensmitteln die Wahrnehmung der Süße schwächen kann. Andererseits könnte die Kombination mit einer kleinen Menge Zucker die Süße synergistisch verstärken.

Daher ist es in der tatsächlichen Produktentwicklung realistischer, nicht alle Zuckerarten durch einen einzigen Süßstoff zu ersetzen, sondern eine Kombination aus einer kleinen Menge Zucker, anderen Süßstoffen, Aromen und Säuren zu verwenden.

Wichtig ist nicht nur die Intensität der Süße. Es ist notwendig, das „Timing der Süße“ zu gestalten, einschließlich der Süße beim ersten Kontakt im Mund, des Nachgeschmacks nach dem Schlucken und der Harmonie mit Bitterkeit, Adstringenz und Aroma.

Das Zeitalter der mikrobiellen Produktion von natürlichen Süßstoffen

Wenn der Biosyntheseweg bekannt ist, können alternative Produktionsmethoden untersucht werden, anstatt die Inhaltsstoffe aus Pflanzen zu extrahieren.

Zum Beispiel die Einführung der notwendigen Gene in Hefe oder E. coli, um die Zielinhaltsstoffe aus Zucker oder pflanzlichen Rohstoffen durch Fermentation zu produzieren.

Bisher war der Schritt der Doppelbindungsreduktion oft ein Engpass bei der mikrobiellen Produktion von Phloretin. Daher wurden Methoden verwendet, bei denen Zwischenprodukte von außen hinzugefügt oder Reduktasen aus anderen Organismen verwendet wurden.

Mit der Kombination von LlCCR und LlDBR1, die in dieser Studie entdeckt wurde, könnte es möglich sein, ein Reaktionssystem zu konstruieren, das näher an den natürlichen pflanzlichen Weg heranreicht.

Darüber hinaus könnte die Produktion angepasst werden, indem nach der Herstellung von Phloretin LlP4′GT zur Herstellung von Trilobatin oder LlP2′GT1 zur Herstellung von Phloridzin aktiviert wird.

Allerdings ist es eine andere Frage, ob etwas im Labor synthetisiert werden kann und ob es als Lebensmittel kostengünstig in großen Mengen produziert werden kann.

Es müssen viele Herausforderungen gelöst werden, darunter die Stabilität der Enzyme, die Produktionsgeschwindigkeit, die Menge der Nebenprodukte, die Reinigungskosten, die Fermentationsrohstoffe, die Abwasserbehandlung, die Lebensmittelstandards und die Veränderungen während der Lagerung.

Dennoch bedeutet die Identifizierung der beiden Biosynthesewege und der Hauptenzyme, dass Entwickler von der Phase des Ausprobierens im Dunkeln zur Phase des Verbesserens anhand