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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。 “玻璃态” 而 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、BR Ⅲ、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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