海藻糖的开发应用及研究进展

海藻糖的开发应用及研究

摘要：海藻糖（Trehalose）是一种安全、可靠的21世纪新型天然糖类。广泛应

用于生物学、食品、医药、化妆品等行业。本文主要对其理化性质、生物学特性、应用前景、提取方法等方面进行综述。

关键词：海藻糖 生物学特性 提取 应用

海藻糖又称酵母糖,是由两个吡喃环葡萄糖分子以a- 1, 1 糖苷键连接的非还原性二糖。科学家们发现，沙漠植物卷叶柏在干旱时几近枯死，遇水后却又可以奇迹般复活；高山植物复活草能够耐过冰雪严寒；一些昆虫在高寒、高温和干燥失水等条件下不冻结、不干死，就是它们体内的海藻糖创造的生命奇迹。海藻糖因此在科学界素有“生命之糖”的美誉。国际权威的《自然》杂志曾在2000年7月发表了对海藻糖进行评价的专文，文中指出：“对许多生命体而言，海藻糖的有与无，意味着生命或者死亡”。 1832年, Wigger从黑麦中首次分离得到海藻糖,之后研究发现海藻糖广泛存在于动植物体和微生物体内,如磨菇、海带、面包酵母等。它的分子式为C12H22O11。因海藻糖对生物活性物质具有重要的抗逆保鲜作用,许多生物体在逆境(如脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透压及有毒试剂等)条件下都能通过体内调节增加海藻糖的含量来抵御外界不良的伤害。此外,海藻糖通过外加式同样能对生物体和生物大分子起着良好的非特异性保护作用。因此, 海藻糖在生物学、医药、食品、农业、保健品、化妆品等方面具有广阔的市场前景。 1、 海藻糖的性质

1.1海藻糖的结构

海藻糖是一种由两个葡萄糖分子通过半缩醛羟基以a-1，1糖苷键结合的非还原性双糖。它有(a，a)、(a，p)、(p，p)三种光学异构体，天然存在的海藻糖一般为(a，a)型，分子式为

1．2 海藻糖的理化性质

海藻糖是白色晶体，带有两分子结晶水，能溶于水、冰醋酸和热乙醇中，不溶于乙醚、丙酮。海藻糖的理化性质非常稳定，不能使斐林试剂还原，也不能被a-糖苷酶水解，但在强酸条件下能被水解为两个葡萄糖分子[1]。

2 、海藻糖的生物学特性

海藻糖成为极受瞩目的天然物质，不仅仅是因为它具有独特的理化性质，更重要的是它对生物体组织和生物大分子的保护作用。海藻糖保护生物分子的机制，目前主要有三种假说解释，分别是“水替代”假说、“玻璃态”假说和“优先排阻”假说。这些假设都是从分子角度考察海藻糖的作用机理，基本上都是与生物分子形成“分子复合物”。“水替代”假说是以Crowe等人代表提出的，他们认为生物体中的蛋白质、糖、脂类和其他大分子物质周围均包围着一层水膜，这层水膜

对维持生物大分子的结构和功能是必不可少的，当生物大分子失去维持其结构的和功能特性的水膜时，海藻糖能在生物大分子的失水部位以氢键形式联接，形成一层保护膜代替失去的结构水膜。而“玻璃态”假说则认为通过海藻糖玻璃化转变的趋势，导致无定形连续相的形成，在结构上与玻璃态的冰相似，在这种结构中分子运动和分子变性反应非常微弱。1989年，Green等了海藻糖的高效生物保护作用与它的玻璃态形成相关，糖类在生化保护作用中效力的顺序由强到弱依次为海藻糖、麦芽糖、蔗糖、葡萄糖，这恰与它们玻璃态转变温度由高到低的顺序一致。1998年，Sussich等提出，海藻糖有类似多糖的最高玻璃转变温度，即使在湿度适宜的前提下，玻璃态都不易转变为结晶态。“优先排阻”学说由Timeshef提出，用来解释溶液蛋白质的稳定状态。他们认为海藻糖等一些小分子糖类不直接与蛋白质结构相互作用，而是优先与水结合，使他们从蛋白质分子的溶剂化层排除出来，导致酶的溶剂化层半径减小，导致蛋白质的表观体积减小，可移动性降低，使蛋白质的分子结构更加紧凑，构象更稳定从而抵御外界极端环境的影响。海藻糖与其他分子的协同作用也有利于海藻糖的保护作用。Singer等通过研究酵母细胞发现，海藻糖与一些分子伴侣在细胞耐受中发挥了协调作用。海藻糖作用与蛋白质变形过程的早期，能维持变形蛋白的半折叠状态，有利于分子伴侣热休克蛋白HPSs的进一步加工；而热休克蛋白作用于晚期，可与已失活的蛋白酶分子结合以使起重新折叠以恢复活性，这两者有很强的互补性Miller等以乳酸脱氢酶为研究体系，发现一些离子能与海藻糖产生协同作用，对该酶产生更强劲

的保护效果，这种保护不仅体现在干燥和冻融过程中，更体现在酶的储存过程中。 3、海藻糖的应用前景

海藻糖具有稳定生物膜(细胞膜)和蛋白质结构及抗干燥的作用，为其应用展示了广阔的前景： 3．1海藻糖在食品加工中的应用

海藻糖由于具有低甜度、非还原性、抗干燥等作用，在食品领域有着广阔的应用前景。海藻糖的甜度仅相当于蔗糖的45％，口感柔和，能在小肠内被消化吸收，可作营养源。此外还具有抗腐蚀性，不生成引起龋齿的不溶性葡聚糖，不被口腔病原菌所利用，因此可以作为新型甜味剂，添加于奶粉、口香糖、巧克力、冰淇淋、糖果等食品中[2]。供肥胖患者和糖尿病患者食用的低热食品增甜剂[3]。由于海藻糖对酸、热都非常稳定，不具有还原性，在食品加工过程中不会产生美拉德反应，因此在食品加工过程中添加一定量德海藻糖，对于淀粉类食品可抑制淀粉的老化，延长食品的保质期；可抑制蛋白质的变性；对于肉类、油炸类等含脂肪多的食品。添加海藻糖可有效的抑制脂肪酸化，保持食品原有风味。含有2分子结晶水的海藻糖在相对湿度90％以下无吸湿性，无水海藻糖结晶物在相对湿度30％以上有吸湿性。这一性质使其即具有低吸湿性又具有高保湿性和脱水功能。固体饮料、块状调用品、干燥食品等添加海藻糖后可降低食品的吸湿性，延长保质期，且使海藻糖的色、香、味及生理活性成分等稳定保存下来，所以海藻糖可被用作天然脱水稳定化物质，添加于脆米饼、点心、保健

食品等[4]。此外。海藻糖还有矫味和矫臭的功能，可以增加食品的特殊风味，掩蔽令人不愉快的味道；还可以保持蔬菜水果的新鲜度，防止其中的酶或非酶因素发生褐变和软化。 3．2海藻糖在医药领域中的应用

海藻糖是生物分子的特效保护剂，它将为医用生物制品，如血液制品(血浆、血液球蛋白、转移因子等)、菌苗、疫苗、抗体、载药脂质体、抗血清、外科手术所需贮存的皮肤、器官等的干燥保存、运输和使用带来极大的方便。黄成垠等[18]研究表明，海藻糖作为诊断酶稳定剂，可置常温干燥储存并提高活性保持率。抗血清抗体在海藻糖存在时，370C下空气干燥后于室温下贮存，三年后生物活性不发生明显变化。在对DNA限制性内切酶的稳定性和保护作用研究中[5]，当EeorI、BRⅢ、Pst I、HindⅢ等在含海藻糖的缓冲液中，于37℃通风干燥，结果干燥后的酶在70％保存35天后，仍能精确切断DNA。用海藻糖干燥的抗体、血小板、酶、病毒等生物活性物质，无需冷冻保存，待复水后均能恢复活力。英国剑桥Quadrant公司和世界卫生组织将合作，利用海藻糖干燥小儿麻痹疫苗，以解决从生产地到第三世界一些国家地长途运输中的冷冻问题。据统计，因此一项即可省下数百美元的冷链系统费用。另外，海藻糖可阻止HIV对T淋巴细胞的破坏，具有降血糖、保肝等作用，还可制成衍生物用于抗癌剂、抗肿瘤剂中。 3．3海藻糖在化妆品中的应用

海藻糖所显示的保湿性使其或其衍生物成为化妆品原料之一。用于皮肤化妆品如洗面奶中，可抑制皮肤干燥；用于唇膏、口腔清凉剂、口

腔芳香剂中，可作为甜味剂、呈味改良剂及品质改良剂。无水海藻糖可用于护肤霜等中，作为磷脂及酶的脱水剂。 3．4海藻糖在保健品中的应用

活菌制剂疗法可以改善肠道功能，抑制有害菌的生成，促进有益菌的繁殖，无毒副作用，但活菌的活期制约着它的广泛生产。如采用海藻糖做冻干保护剂，双歧杆菌的冻于存活率能比脱脂牛奶提高近一倍，且使其活性在常温下长时间保持，大幅度延长活菌制剂的保质期。海藻糖可改善骨质疏松症，因为海藻糖酶的表达诱导影响激素、细胞素及骨骼Ⅲ1。海藻糖具有较强的抗辐射作用，能清除口、y射线所产生的0H自由基恤。生突变，因此海藻糖可被开发成具有保健功能的食品。也可将其用于太空中或核电站泄漏放射性物质的环境中，以保护生物体不受放射性损伤。 3．5海藻糖在精细化工中的应用

利用生物工程技术生产表面活性荆是七十年代后生物工程领域中发展起来的一个新课题。从目前的研究情况看，糖脂是最重要的一类生物表面活性剂。海藻糖脂具有良好的表面活性性能。可用于石油的三次开采、日化、纺织等工业。另外，海藻糖基本上不被牙齿所带的微生物发酵，可用作保护性增香剂；其结晶形式可与粘接剂如羟乙基淀粉等一起用作糖衣材料。 3．6海藻糖在农作物育种中的应用

海藻糖具有稳定生物膜结构和提高生物组织对低温、高温、盐碱、干旱等逆境条件下的抗性。因此把海藻糖合酶基因导人作物并使其在作

物体内表达，可望培育出能抗旱、抗寒、抗冻、耐盐的作物新品种，如转基因植物是水果或蔬菜还可使其在收获加工后显得新鲜，并延长其货架寿命，且能保持其原有的风味和质地。目前美国科学家已经把来自酵母的海藻糖合酶基因导人烟草，并获得了具有抗旱性的转基因植株。荷兰植物生物技术公司把大肠杆菌的海藻糖合酶基因OtsBA导人甜菜、马铃薯中，在获得大量廉价海藻糖的同时，增加了植物的抗旱性和抗寒性。 4、海藻糖的提取方法 4.1、 微生物抽提法

20 世纪40 年代, 捷克从面包酵母中抽提海藻糖取得成功, 并建立了一套用酒精抽提面包酵母, 结晶分离海藻糖的方法, 至今仍然是生产海藻糖的重要方法。日本一家味之素公司首先利用一种氨基酸工业生产海藻糖, 每公斤售价2万日元。最近日本科学家用紫外线或亚硝基胍诱变获得一株海藻糖营养缺陷型菌株, 产率较高。在我国, 酵母抽提法生产海藻糖也取得了一定的进展。例如: 中科院北京微生物研究所选育了一株高产海藻糖的面包酵母, 通过面包酵母的培养收集, 再提取海藻糖。 4．2 酶转化法

可采用葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、寡糖、淀粉等为底物, 通过有关的酶的作用转换成海藻糖, 并分别由不同的酶催化合成。到目前为止, 发现的有应用价值、适合工业化生产的酶是: 海藻糖合酶和水生栖热菌的海藻糖合酶; 麦芽寡糖基海藻糖合酶和麦芽寡糖基海藻糖水解酶;

新型葡萄糖基转移酶和新型a-淀粉酶。 4.3 微生物发酵法

用一定的基质培养微生物, 通过微生物发酵产生海藻糖, 再由培养液中提取精制而成。现在主要可利用的微生物包括真菌( 酵母、菇类) 、革兰氏阴性细菌以及根瘤菌、节杆菌等。通过诱变、细胞融合或基因重组选育高产海藻糖的菌株, 采用高浓度的培养基及高渗发酵, 并在发酵前让酵母菌饥饿2- 3h, 可得含海藻糖高的产物。 4.4 化学合成法

海藻糖的化学合成主要是在2, 3, 4, 6-四乙配基- D- 葡萄糖和3, 4, 6-三乙酰-1,2-脱水-D-葡萄糖之间产生环氧乙烷加成反应。然而海藻糖有化学合成具有较多的缺点, 其中主要一点是产率低, 分离困难, 至今还处于研究阶段。 4.5 基因工程法

此法已分别在植物和微生物中试验。如将能把葡萄糖转换成海藻糖酶的基因导入甜菜、马铃薯、番茄等产糖作物中, 使其能在植物体内制出海藻糖。目前比较成熟的基因工程技术是美国Calgene公司与英国Quadrant公司合作, 研究利用大肠杆菌基因工程发酵生产海藻糖。海藻糖目前主要从酵母与细菌中提取。传统的海藻糖提取工艺采用乙醇溶剂从面包酵母中提取, 近年报道, 采用微波破碎细胞提取海藻糖, 提取率比传统乙醇提取法高20% , 而且具有提取时间短、不需有机溶剂、不需加热、杂质溶出少等优点。最新报道, 用“膜法酵母提取海藻糖”(即经过超滤-纳滤处理) , 海藻糖提取率达85%以上, 纯度达

99.4%, 优于传统提取法。复杂的生产工艺与昂贵的价格是海藻糖广泛应用的最大障碍, 以致各国都在研究低廉的制备海藻糖的方法。目前在国际上日本对海藻糖的研究较为领先, 尤其在酶法合成海藻糖方面获得新的突破, 首次在细菌中发现了合成海藻糖的两类酶系。一类是海藻糖合酶, 以麦芽糖为底物经分子内转糖基作用转化为海藻糖; 另一类是新型葡糖基转移酶和新型a- 淀粉酶联合作用或低聚麦芽海藻糖生成酶和低聚麦芽糖基海藻糖水解酶。日本已开发出以淀粉为原料, 酶法生产出得率极高、价格便宜的海藻糖的专利。 结论：

利用植物生产海藻糖是最有可能得到廉价产品的方法，国内外科学家正在进行转基因植物的研究，因此应加强运用分子生物学研究开发海藻糖制备新工艺。对于海藻糖保护生物分子的作用机制，目前3个假说都不能作出完美的解释，在今后的研究中应结合海藻糖晶体结构、物理构象和化学特性深入研究其保护作用机制。随着以淀粉为底物酶法生产海藻糖技术的成熟，海藻糖的价格大幅度降低，，海藻糖价格的降低使其除了生物产品和化妆品外，可以广泛地应用于食品领域，故应深入研究海藻糖的功能特性，进一步扩大在食品中的应用，如对人体肠道调节机制，作为食品保鲜剂的保鲜机制和技术的研究等。 参考文献：

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