Trehalose là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và cấu trúc hóa học của trehalose

Trehalose là một loại disaccharide tự nhiên bao gồm hai đơn vị glucose liên kết với nhau thông qua liên kết glycosidic α,α-1,1. Công thức phân tử của trehalose là C₁₂H₂₂O₁₁. Khác với nhiều disaccharide thông thường như maltose hay sucrose, cấu trúc đặc biệt này làm cho trehalose trở thành một phân tử rất bền vững và không khử.

Liên kết α,α-1,1 glycosidic khiến trehalose không có nhóm aldehyde tự do, điều này ngăn cản sự tham gia của nó vào phản ứng Maillard — phản ứng gây sẫm màu và thay đổi mùi vị trong thực phẩm chứa đường và protein. Tính chất không khử này giúp trehalose ổn định trong nhiều điều kiện khắc nghiệt, từ nhiệt độ cao đến môi trường axit yếu, đồng thời giữ cho các thành phần sinh học xung quanh không bị biến tính.

Công thức cấu trúc hóa học của trehalose có thể được mô tả bằng ký hiệu chuẩn như sau:

$\text{Trehalose: } \alpha\text{-D-glucopyranosyl-(1→1)-}\alpha\text{-D-glucopyranoside}$

Chính cấu trúc đối xứng và liên kết đặc biệt này là nền tảng cho nhiều đặc tính sinh học và công nghiệp đặc biệt của trehalose.

Phân bố tự nhiên và vai trò sinh học

Trehalose không phổ biến trong cơ thể người nhưng lại rất phổ biến trong nhiều dạng sống khác như vi khuẩn, nấm, côn trùng và một số thực vật. Trong các sinh vật này, trehalose được xem là phân tử “bảo vệ sinh học”, đóng vai trò như một chất ổn định màng và protein khi gặp điều kiện môi trường khắc nghiệt như mất nước, nhiệt độ cao hoặc áp suất thẩm thấu tăng cao.

Ở vi khuẩn và nấm, trehalose có thể giúp tế bào sống sót khi bị khô hạn kéo dài. Nó hoạt động như một chất thay thế nước trong việc duy trì cấu trúc ba chiều của protein và màng sinh học. Khi môi trường thuận lợi quay trở lại, các tế bào có chứa trehalose có khả năng phục hồi tốt hơn nhiều so với các tế bào không có trehalose.

Trong côn trùng, trehalose tồn tại chủ yếu trong huyết tương và đóng vai trò như một nguồn năng lượng quan trọng. Nó dễ dàng bị phân giải bởi enzyme trehalase để tạo ra glucose khi cần thiết. Một số loài côn trùng như ong mật, kiến và bướm dựa vào trehalose để duy trì hoạt động cơ học như bay lượn hoặc phòng vệ.

Bảng sau liệt kê các sinh vật phổ biến có chứa trehalose cùng với vai trò chức năng sinh học:

Sinh vật	Vị trí tồn tại	Chức năng
Vi khuẩn	Tế bào chất	Bảo vệ protein khi mất nước
Nấm men	Màng tế bào	Ổn định cấu trúc màng
Côn trùng	Huyết tương	Nguồn năng lượng chính
Thực vật	Không bào và mô sống	Tăng khả năng chịu hạn

Đặc tính vật lý và hóa học

Trehalose có nhiều đặc tính vật lý và hóa học nổi bật, khiến nó trở thành một hợp chất lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu sinh học. Một trong những đặc tính quan trọng là khả năng chống lại thủy phân ở pH thấp và nhiệt độ cao — điều mà không nhiều disaccharide có thể làm được. Điều này giúp trehalose không bị phân hủy trong quá trình chế biến thực phẩm nhiệt độ cao.

Trehalose có độ hòa tan tốt trong nước (68,9 g/100 ml ở 20°C) và có độ ngọt bằng khoảng 45% so với sucrose, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm cần kiểm soát vị ngọt hoặc giảm calo. Nó có chỉ số đường huyết thấp hơn nhiều loại đường khác, vì vậy ít ảnh hưởng đến lượng đường máu hơn.

Một số đặc tính nổi bật của trehalose:

• Không có nhóm khử – không phản ứng Maillard
• Ổn định ở nhiệt độ lên đến 100°C
• Giữ nước tốt – giúp bảo vệ cấu trúc sinh học khi mất nước
• Không bị lên men bởi phần lớn vi sinh vật gây hư hỏng

Những đặc điểm này khiến trehalose rất hữu ích trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và sinh học phân tử.

Con đường sinh tổng hợp trehalose

Trehalose được tổng hợp trong sinh vật thông qua một con đường enzym hai bước. Enzyme trehalose-6-phosphate synthase (TPS) đầu tiên xúc tác phản ứng giữa UDP-glucose và glucose-6-phosphate để hình thành trehalose-6-phosphate (T6P). Sau đó, enzyme trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) khử nhóm phosphate của T6P để tạo thành trehalose tự do.

Phương trình tổng quát của phản ứng sinh tổng hợp trehalose như sau:

$\text{UDP-glucose} + \text{Glucose-6-phosphate} \xrightarrow{\text{TPS}} \text{Trehalose-6-phosphate} + \text{UDP} \\ \text{Trehalose-6-phosphate} \xrightarrow{\text{TPP}} \text{Trehalose} + \text{Pi}$

Hệ thống enzym TPS-TPP hiện diện ở nhiều sinh vật, từ vi khuẩn Gram dương như Mycobacterium tuberculosis đến thực vật bậc cao như Arabidopsis thaliana. Việc điều hòa tổng hợp trehalose có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh tồn của tế bào khi gặp stress môi trường.

Ngoài ra, một số con đường khác như TreY-TreZ hoặc TreT được tìm thấy ở vi khuẩn, sử dụng các cơ chất khác nhau để tạo thành trehalose, tùy vào đặc điểm sinh học và điều kiện môi trường cụ thể của sinh vật đó.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Trehalose được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm nhờ vào khả năng ổn định sinh học, tính bền hóa học và độ ngọt nhẹ. Một trong những vai trò phổ biến nhất là làm chất bảo quản và ổn định cấu trúc thực phẩm. Trehalose ngăn ngừa sự biến tính của protein và sự biến dạng của lipid trong điều kiện nhiệt cao hoặc môi trường khô, nhờ đó duy trì kết cấu, màu sắc và hương vị ban đầu của thực phẩm qua thời gian.

Ngoài ra, trehalose có độ ngọt chỉ bằng 40–45% so với sucrose nhưng không để lại dư vị gắt, tạo nên vị ngọt dịu nhẹ thích hợp cho nhiều dòng sản phẩm như bánh kẹo cao cấp, kem, chocolate, và nước giải khát. Khác với các loại đường khác, trehalose không bị caramel hóa hoặc bị phân hủy nhanh khi đun nóng, điều này đặc biệt hữu ích trong công nghệ chế biến thực phẩm bằng nhiệt như nướng hoặc nấu ăn sẵn.

Một số ứng dụng phổ biến của trehalose trong thực phẩm bao gồm:

• Chống đông và giữ kết cấu trong kem và sản phẩm đông lạnh.
• Bảo vệ vitamin, enzyme và lợi khuẩn trong sữa chua và đồ uống chức năng.
• Ổn định protein trong thực phẩm chức năng và sản phẩm thịt chế biến.
• Tăng thời hạn sử dụng cho sản phẩm nướng và bánh kẹo.

Trehalose cũng hỗ trợ giảm độ ngọt tổng thể trong thực phẩm mà không làm thay đổi hương vị cơ bản, phù hợp với nhu cầu tiêu dùng ít đường.

Vai trò trong y học và dược phẩm

Trehalose được biết đến là một tác nhân bảo vệ sinh học mạnh mẽ, đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực dược phẩm và y học tái tạo. Nhờ khả năng giữ nước và bảo vệ cấu trúc phân tử, trehalose thường được dùng làm chất ổn định trong các quy trình đông khô (lyophilization) của protein, vaccine và các tế bào sống.

Trong y học điều trị, trehalose được nghiên cứu như một chất điều hòa tự nhiên của autophagy – quá trình phân hủy và tái chế các thành phần tế bào. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng trehalose giúp ngăn chặn sự tích tụ protein bất thường trong các bệnh thần kinh thoái hóa như Parkinson, Huntington và Alzheimer bằng cách kích hoạt con đường tự thực. Điều này khiến nó trở thành ứng viên tiềm năng cho các liệu pháp điều trị mới.

Các ứng dụng cụ thể trong dược phẩm và y học bao gồm:

• Ổn định protein và kháng thể trong vaccine và thuốc sinh học.
• Bảo vệ tế bào gốc và tế bào miễn dịch trong bảo quản lạnh hoặc đông khô.
• Tăng hiệu quả của phương pháp truyền gene bằng cách bảo vệ vector DNA hoặc RNA.
• Ứng dụng trong thuốc nhỏ mắt điều trị khô mắt và viêm giác mạc do đặc tính giữ nước cao.

Các thử nghiệm lâm sàng đang tiếp tục đánh giá hiệu quả dài hạn và an toàn của trehalose trong điều trị các bệnh lý mạn tính có liên quan đến stress oxy hóa và rối loạn trao đổi chất.

Tiềm năng trong nông nghiệp và công nghệ sinh học

Trong lĩnh vực nông nghiệp, trehalose đang được khai thác như một chất điều hòa sinh trưởng và tăng khả năng chống chịu của cây trồng với điều kiện môi trường bất lợi. Trehalose giúp cây duy trì áp suất thẩm thấu nội bào, bảo vệ enzyme và màng tế bào trong điều kiện khô hạn, mặn hóa hoặc nhiệt độ cao.

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cây trồng biến đổi gene có khả năng tổng hợp trehalose nội sinh thường có khả năng sống sót cao hơn trong điều kiện đất nghèo dinh dưỡng hoặc khô cằn. Việc bổ sung trehalose ngoại sinh thông qua phun lá hoặc tưới gốc cũng cho thấy hiệu quả trong việc tăng cường sức đề kháng thực vật mà không gây ảnh hưởng đến sinh trưởng bình thường.

Ứng dụng khác trong công nghệ sinh học bao gồm:

• Ổn định enzyme trong các quy trình công nghiệp sinh học.
• Bảo quản vi sinh vật có ích (vi khuẩn cố định đạm, nấm đối kháng) dưới dạng khô đông.
• Hỗ trợ sản xuất chế phẩm sinh học có thời hạn sử dụng dài.

Sự tích hợp trehalose vào các giải pháp sinh học không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần giảm thiểu sử dụng hóa chất tổng hợp trong nông nghiệp.

Đặc tính an toàn và tiêu hóa ở người

Theo đánh giá của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA), trehalose được phân loại là GRAS – “generally recognized as safe”, tức được công nhận là an toàn trong thực phẩm và dược phẩm. Khi tiêu thụ, trehalose được thủy phân thành hai phân tử glucose bởi enzyme trehalase tại ruột non.

Ở phần lớn dân số, quá trình này diễn ra hiệu quả và không gây tác dụng phụ. Tuy nhiên, một số ít người có thể thiếu hụt enzym trehalase (một dạng rối loạn hiếm gặp), dẫn đến khó tiêu hóa trehalose và gây ra triệu chứng tiêu chảy hoặc đầy bụng sau khi ăn thực phẩm chứa lượng lớn trehalose.

Dù vậy, các nghiên cứu đều cho thấy trehalose không làm tăng đột ngột lượng đường huyết như glucose hoặc sucrose, vì tốc độ hấp thụ chậm hơn. Đặc tính này khiến trehalose trở thành lựa chọn hợp lý cho bệnh nhân tiểu đường hoặc người ăn kiêng.

Hướng phát triển và nghiên cứu tương lai

Trehalose đang mở ra nhiều hướng phát triển mới trong sinh học phân tử, công nghệ sinh học và y học cá nhân hóa. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các biến thể của trehalose như lentztrehalose – một dẫn xuất không bị phân hủy bởi trehalase trong ruột, giúp mở rộng ứng dụng dược lý mà không lo ngại đến sự chuyển hóa trong ruột non.

Trong tương lai gần, nghiên cứu sẽ tập trung vào:

• Chuyển gene tổng hợp trehalose vào cây trồng nông nghiệp quy mô lớn để cải thiện khả năng chống chịu thời tiết.
• Ứng dụng trehalose làm chất mang trong hệ thống phân phối thuốc có kiểm soát (controlled drug delivery).
• Khám phá vai trò tín hiệu nội bào của trehalose và các dẫn xuất của nó trong điều hòa sinh trưởng và lão hóa tế bào.

Khả năng bảo vệ tế bào đa dạng, tính bền sinh học và độ an toàn cao làm cho trehalose không chỉ là một loại đường tự nhiên mà còn là một “phân tử chiến lược” trong nhiều lĩnh vực công nghệ tiên tiến hiện nay.