ไม่ใช้น้ำตาล แต่ใบไม้เองที่หวาน – ความลับของ "ชาสวีท" ถูกเปิดเผย

เมื่อพูดถึงชาหวาน หลายคนอาจนึกถึงชาเย็นที่เติมน้ำตาลมากมาย

แต่ "ชาสวีท" ที่เป็นหัวข้อการวิจัยครั้งนี้ ไม่ใช่เครื่องดื่มที่เติมน้ำตาลในชาทั่วไป แต่หมายถึงพืชในตระกูลบีช Lithocarpus litseifolius ที่เติบโตในบางพื้นที่ของจีนและถูกใช้เป็นชาหวานตามธรรมเนียม

เครื่องดื่มที่ทำจากใบอ่อนและยอดอ่อนของพืชนี้ให้ความหวานแรงแม้ไม่เติมน้ำตาล สาเหตุมาจากสารพืชที่เรียกว่า "ไดไฮโดรคาลโคน" ที่สะสมในใบจำนวนมาก

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟลอริซินและไตรโลบาติน ซึ่งเป็นสารประกอบฟลาโวนอยด์ที่เชื่อมโยงกับน้ำตาล ซึ่งในพืชมีบทบาทในการป้องกันและปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่สำหรับมนุษย์ถือเป็นสารจากธรรมชาติที่ให้ความหวานแรง

อย่างไรก็ตาม กระบวนการทางเคมีที่ทำให้ชาสวีทผลิตสารหวานในปริมาณมากยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างดี

ทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยใบชาแห่งมหาวิทยาลัยเจ้อเจียงได้ศึกษารายละเอียดของ "โรงงานผลิตสารหวานในพืช" ที่ซับซ้อนนี้ในระดับยีนและเอนไซม์

น้ำหนักแห้งของใบอ่อน 30% เป็นสารที่เกี่ยวข้องกับความหวาน

ลักษณะเด่นที่สุดของชาสวีทคือปริมาณไดไฮโดรคาลโคนที่สูงมาก

ตามบทความต้นฉบับ สัดส่วนของฟลอริซินและไตรโลบาตินในใบอาจสูงถึง 21-33% ของน้ำหนักแห้ง ซึ่งหมายความว่าส่วนใหญ่ของใบอ่อนที่ไม่มีน้ำประกอบด้วยสารที่เกี่ยวข้องกับความหวาน[1][2]

แม้ว่าใบและเปลือกของแอปเปิ้ลก็มีฟลอริซิน แต่ปริมาณในชาสวีทสูงกว่าพืชในสกุลแอปเปิ้ล ด้วยเหตุนี้ พืชชนิดเดียวกันนี้จึงเหมาะไม่เพียงแต่เป็นแหล่งของสารหวานจากธรรมชาติ แต่ยังเป็นพืชต้นแบบในการศึกษาการสังเคราะห์ไดไฮโดรคาลโคน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมอาหารต้องการเทคโนโลยีที่ลดการใช้น้ำตาลแต่ยังคงความอร่อย

อย่างไรก็ตาม น้ำตาลไม่ได้เป็นเพียงแค่สารที่ให้ความหวานเท่านั้น ในเครื่องดื่มมีผลต่อความรู้สึกในปากและกลิ่น ในขนมมีผลต่อปริมาตร สี การเก็บความชื้น และเนื้อสัมผัส ดังนั้นการแทนที่น้ำตาลด้วยสารหวานอื่นมักไม่สามารถสร้างรสชาติหรือคุณภาพเดิมได้

ถึงกระนั้น หากสามารถผลิตสารพืชที่ให้ความหวานเพียงพอในปริมาณน้อยได้อย่างเสถียร ก็จะเป็นทางเลือกใหม่ในการลดน้ำตาลในเครื่องดื่ม ผลิตภัณฑ์นม ขนม และอาหารเพื่อสุขภาพ

การวิจัยครั้งนี้มีความหมายสำคัญในแง่ที่ไม่ได้มุ่งเน้นไปที่การเก็บเกี่ยววัตถุดิบจำนวนมาก แต่เปิดเผย "แผนการ" ที่พืชใช้ในการสร้างสารหวาน

การจัดการ "พันธะคู่" ที่ไม่สามารถอธิบายได้ก่อนหน้านี้

เมื่อพืชสร้างไดไฮโดรคาลโคน วัตถุดิบและเอนไซม์หลายชนิดจะทำปฏิกิริยาตามลำดับ

ในการสร้างฟลอริซินหรือไตรโลบาตินในที่สุด ต้องสังเคราะห์โครงสร้างพื้นฐาน "ฟลอเรติน" ก่อน ในกระบวนการนี้จำเป็นต้องมีปฏิกิริยาการลดพันธะคู่ของคาร์บอนในวัตถุดิบเริ่มต้นให้เป็นพันธะเดี่ยว

ก่อนหน้านี้มีการอธิบายว่าเอนไซม์ที่ลดพันธะคู่ทำงานโดยตรงกับสารที่เรียกว่า p-คูมารอยล์ CoA ที่เชื่อมกับโคเอนไซม์ A

อย่างไรก็ตาม ในการทดลองที่ใช้แอปเปิ้ลและพืชอื่น ๆ มีรายงานว่าเอนไซม์ที่คาดหวังไม่ทำงานตามที่คาดหวัง การทดลองในหลอดทดลองไม่สามารถยืนยันปฏิกิริยาได้ หรือการแนะนำยีนในสิ่งมีชีวิตอื่นไม่สามารถสร้างสารที่ต้องการได้เพียงพอ

ทีมวิจัยครั้งนี้คิดว่า "ขั้นตอนที่เกิดปฏิกิริยาการลดอาจแตกต่างจากที่คาดไว้"

ผลการตรวจสอบพบว่าการลดพันธะคู่เกิดขึ้นกับสารในรูปแบบอัลดีไฮด์ที่สร้างขึ้นระหว่างทาง ไม่ใช่สารที่เชื่อมกับ CoA ตามที่คาดไว้

เอนไซม์ที่ชื่อว่า LlCCR จะเปลี่ยน p-คูมารอยล์ CoA เป็น p-คูมารอลดีไฮด์ จากนั้นเอนไซม์ LlDBR1 จะลดพันธะคู่ของโมเลกุลในสถานะอัลดีไฮด์เพื่อสร้างไดไฮโดร-p-คูมารอลดีไฮด์

การค้นพบนี้อาจอธิบายได้ว่าทำไมเอนไซม์บางตัวในงานวิจัยก่อนหน้านี้ไม่ตอบสนองต่อสารที่เชื่อมกับ CoA

กล่าวได้ว่า นักวิจัยพยายามให้ "คนงานในขั้นตอนที่ต่างกัน" ทำงาน ในความเป็นจริง LlDBR1 รับผิดชอบในขั้นตอนอัลดีไฮด์ที่ถัดไป

ตรวจสอบยีนที่เป็นไปได้ 24 ตัวทีละตัว

ทีมวิจัยได้เลือกยีน 24 ตัวที่อาจเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์สารหวานจากข้อมูลการแสดงออกของยีนในชาสวีท

เป้าหมายรวมถึงเอนไซม์ซินนามอยล์ CoA รีดักเตส เอนไซม์ที่ลดพันธะคู่ เอนไซม์อัลดีไฮด์ดีไฮโดรจีเนส เอนไซม์ 4-คูมารอยล์ CoA ลิเกส เอนไซม์คาลคอนซินเทส และเอนไซม์ทรานสเฟอเรส

การวิจัยได้แสดงออกยีนที่เป็นไปได้ในแบคทีเรีย E. coli เพื่อสร้างเอนไซม์และตรวจสอบว่าสารใดที่เอนไซม์ตอบสนองในหลอดทดลอง ไม่เพียงแค่ตรวจสอบการมีอยู่ของยีน แต่ยังตรวจสอบอัตราการเกิดปฏิกิริยาและการเลือกสารตั้งต้นด้วย

นอกจากนี้ยังได้ให้พืชได้รับสารแอนติเซนส์โอลิโกดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ที่ยับยั้งการทำงานของยีนเฉพาะชั่วคราวเพื่อดูว่าปริมาณไดไฮโดรคาลโคนในใบเปลี่ยนแปลงอย่างไร

เมื่อยับยั้งยีน LlCCR, LlDBR1, LlALDH1, Ll4CL2 ปริมาณสารหวานที่ต้องการลดลง นอกจากนี้เมื่อยับยั้ง LlP4′GT ที่สร้างไตรโลบาตินหรือ LlP2′GT1 ที่สร้างฟลอริซิน ปริมาณสารแต่ละชนิดก็ลดลงด้วย

การทดลองเอนไซม์ในหลอดทดลองและการทดลองยับยั้งยีนในพืชที่มีชีวิตแสดงทิศทางเดียวกัน ทำให้มีหลักฐานที่แข็งแกร่งว่าเอนไซม์แต่ละตัวมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ในพืชจริง

เส้นทางสู่ฟลอเรตินไม่ได้มีเพียงหนึ่งเดียว

การค้นพบที่สำคัญอีกอย่างที่ทีมวิจัยแสดงให้เห็นคือเส้นทางสู่ฟลอเรตินซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของสารหวานไม่ได้มีเพียงหนึ่งเดียว

จากสารกลางร่วมคือไดไฮโดร-p-คูมารอลดีไฮด์ สามารถสร้างฟลอเรตินได้อย่างน้อยสองเส้นทาง

ในเส้นทางแรก LlALDH1 เปลี่ยนอัลดีไฮด์เป็นกรด และ Ll4CL2 เพิ่ม CoA อีกครั้ง จากนั้นเอนไซม์คาลคอนซินเทส LlCHS1 จะทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างฟลอเรติน

ในเส้นทางที่สอง LlCCR มีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ตรงกันข้ามตามปกติและให้สารที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ฟลอเรติน ซึ่ง LlCHS1 จะทำงานเพื่อสร้างฟลอเรติน

เป็นระบบที่มีถนนสองสายไปยังจุดหมายเดียว

หากวัตถุดิบหรือเอนไซม์ในเส้นทางหนึ่งขาดแคลน ก็สามารถใช้เส้นทางอื่นเพื่อดำเนินการผลิตต่อไปได้ สำหรับพืชหมายถึงสามารถปรับการไหลของเมตาบอลิซึมตามสภาพการเจริญเติบโตและสภาพแวดล้อมได้

จากมุมมองของอุตสาหกรรมอาหาร มีความเป็นไปได้ที่จะเลือกเส้นทางที่มีประสิทธิภาพการผลิตสูงกว่าในสองเส้นทางนี้ การฝังยีนในยีสต์หรือแบคทีเรีย E. coli และผลิตฟลอเรตินหรือไตรโลบาตินในถังหมักอาจสามารถออกแบบเส้นทางที่เหมาะสมกับจุลินทรีย์ที่เป็นโฮสต์ได้

เอนไซม์ที่ทำให้ไม้แข็งยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับสารหวาน

สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือความสามารถหลายอย่างของ LlCCR

เอนไซม์ที่เรียกว่า CCR มักมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ลิกนินที่เสริมความแข็งแรงให้กับผนังเซลล์พืช ลิกนินเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ทำให้ลำต้นและก้านของพืชแข็งแรงและสนับสนุนเนื้อเยื่อที่ลำเลียงน้ำ

แต่ในชาสวีท LlCCR ไม่เพียงแต่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ลิกนิน แต่ยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับการผลิตไดไฮโดรคาลโคนซึ่งเป็นสารหวานด้วย

ทรัพยากรคาร์บอนที่พืชมีไม่ใช่สิ่งที่ไม่มีที่สิ้นสุด ต้องเลือกว่าจะใช้วัตถุดิบเดียวกันไปสู่ลิกนินที่ทำให้ร่างกายแข็งแรงหรือไปสู่ไดไฮโดรคาลโคน

LlCCR ถือว่ามีบทบาทเป็น "สวิตช์เปลี่ยน" ที่ปรับการไหลของเมตาบอลิซึมใกล้จุดแยกนั้น

ในใบอ่อนและนุ่ม ยังไม่จำเป็นต้องผลิตลิกนินจำนวนมาก แต่ต้องการสารเมตาบอลิซึมทุติยภูมิเพื่อป้องกันตัวเองจากแมลงและรังสีอัลตราไวโอเลต แม้ว่าการทำงานป้องกันของไดไฮโดรคาลโคนในพืชยังไม่ชัดเจน แต่การที่สารหวานมีความเข้มข้นในใบอ่อนอาจเกี่ยวข้องกับกลยุทธ์การเจริญเติบโตของพืช

ทำไมใบอ่อนถึงหวานกว่า

การวิจัยยังได้ตรวจสอบเหตุผลที่ไดไฮโดรคาลโคนสะสมในใบอ่อนในปริมาณมาก

หนึ่งในเหตุผลคือ LlCCR สามารถจัดการกับวัตถุดิบเริ่มต้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกเหตุผลหนึ่งคือเอนไซม์ทรานสเฟอเรสที่อยู่ในเส้นทางสังเคราะห์ที่ต่ำกว่ามีการแสดงออกอย่างแรงในใบอ่อน

ตำแหน่งที่เพิ่มน้ำตาลให้กับฟลอเรตินจะเปลี่ยนสารที่เสร็จสมบูรณ์

เมื่อ LlP4′GT ทำงานจะสร้างไตรโลบาตินเป็นหลัก และเมื่อ LlP2′GT1 ทำงานจะสร้างฟลอริซินเป็นหลัก เอนไซม์ทรานสเฟอเรสเหล่านี้ทำงานอย่างแข็งขัน ทำให้ฟลอเรตินที่สร้างขึ้นถูกเปลี่ยนเป็นไกลโคไซด์ที่เสถียรและสะสมในใบ

การเพิ่มน้ำตาลไม่ใช่แค่การทำงานสุดท้ายสำหรับพืช แต่เป็นกระบวนการที่สำคัญที่เปลี่ยนความสามารถในการละลายน้ำ การเคลื่อนย้ายในเซลล์ ความเป็นพิษ และความสะดวกในการเก็บรักษา

กล่าวคือ ชาสวีทไม่เพียงแต่มีความสามารถในการสร้างโมเลกุลหวาน แต่ยังมีความสามารถในการแปรรูปให้เป็นรูปแบบที่เสถียรและเก็บรักษาได้ดี

ความหวานที่มากกว่าน้ำตาลถึง 300 เท่าจริงหรือไม่

ในบทวิจารณ์เกี่ยวกับชาสวีทที่มีคุณสมบัติพิเศษในจีนที่เผยแพร่เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการแนะนำข้อมูลจากเอกสารที่ระบุว่าสารไดไฮโดรคาลโคนเช่นไตรโลบาตินและฟลอริซินมีความหวานประมาณ 300 เท่าของซูโครส[3]

อย่างไรก็ตาม ตัวเลข "หวานกว่า 300 เท่า" ไม่ได้หมายความว่าเพียงแค่ใส่ 1 ใน 300 ของน้ำตาลก็จะได้ผลิตภัณฑ์เดียวกัน##HTML_TAG_