糖酒快讯

海藻糖的最新研究进展

    摘要:海藻糖具有独特的生物活性,可以帮助生物体抵抗高温、冷冻、干燥、高渗、辐射、有毒物质等环境,外源海藻糖对生物体具有非特异性保护功能,因此,海藻糖被广泛应用。本文综述了海藻糖的发展历史、理化性质、安全性、功能、应用及其生产制备。

    关键词:海藻糖;安全;功能;应用;生产制备

    海藻糖,又称漏芦糖、蕈糖。1832年英国科学家Wiggers从黑麦的麦角菌中首次分离提取出海藻糖结晶化合物;1858年由Mitschedich从蘑菇当中分离出来,最初被命名为Mycose,蘑菇糖[1];同年,Berthelot又从一种海藻(Trehalamanna)中分离到该物质,于是重命名为海藻糖(Trehalose)[1],此后研究发现海藻糖在芽孢、子实体、酵母、真菌等低等生物乃至整个生物学世界里广泛存在[2-4]

    1海藻糖的理化性质

    1930年Bredereck首先利用核磁共振技术阐明了海藻糖(trehalose)的化学结构,它是由两个吡喃型葡萄糖单体以1,1糖苷键连结而成的双糖,化学名称为a-D-吡喃葡糖基-a-D-吡喃葡糖苷(a-D-glucopyranosyl-a-D-glucopyranoside),分子式为C12H22O11,分子结构对称[5-6],相对分子质量为378.33,经常以二水化合物存在。理论上,海藻糖存在3种不同的正位异构体,即a,a-型、a,β-型和β,β-型,其中只有a,a-海藻糖在自然界中以游离状态存在,即为通常所说的海藻糖,a,β-型和β,β-型在自然界中很少见,仅在蜂蜜和王浆中发现了少量的a,β-型海藻糖(新海藻糖,Neotrehatose);另一种β,β-型也被称作异海藻糖(Isotrehalose)[7],这两种海藻糖可以化学合成。

    海藻糖是一种非还原性双糖,由两个葡萄糖分子通过半缩醛羟基结合而成,是天然双糖中最稳定的[3],它的旋光度和溶解性质是其与众不同的原因[8]。由于不具有还原性,在食品即使与氨基酸、蛋白质等混合加热也不会发生美拉德反应,不被一般的酶水解,可被具有特异性的海藻糖酶水解为两分子葡萄糖。其具体理化性质如表1。

    1 海藻糖的理化性质[6]

熔点含结晶水97.0 ℃不含结晶水214~216 ℃溶解热含结晶水57.8 J/mol不含结晶水53.4 J/mol甜度          相当于蔗糖的45%溶解度10 ℃30 ℃50 ℃70 ℃90 ℃55.386.3140.1251.4602.9溶解性         易溶于水、热乙醇,不溶于乙醚渗透压5%10%20%30%(w/w)1932986901229(mosm/kg)旋光度 [α]D=178°(20 ℃,1%水溶液)消化性        小肠内有海藻糖酶,能消化吸收氨基酸溶液中热稳定性      无褐变 (100 ℃,90 min)蛋白质水溶液中热稳定性    无褐变(100 ℃,90 min)水溶液的保存性(无菌)       无褐变(37 ℃,12个月)pH稳定性                 ≥99%(pH 2.5~10,100 ℃,24小时)

    

   2海藻糖的安全性

    海藻糖除了具有低聚糖的一般特性,还有独特的生物活性,在严酷的环境下可保护生物体的组织和大分子的功能和活性。因此广泛应用于食品加工和贮藏、农作物育种、精细化工、化妆品、保健品和医药领域等方面。人们在关注其有效性的同时,更关注它的安全性。

    1995年,日本林原生化公司将海藻糖申请为专利,并进行了工业化生产,并首次作为食品添加剂上市销售,应用领域包括糖果、巧克力、饮料、罐头等。1998年,韩国和中国台湾也将海藻糖作为合格的食品添加剂使用。2000年11月,联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)食品添加剂联合专家委员会(JECFA)确认海藻糖作为组织形成剂、稳定剂、保湿剂、甜味剂的功能,对海藻糖的每日允许摄入量不作限制[9];2001年,美国食品药物管理局(FDA)授予海藻糖作为公认安全的食品,批准其进入美国市场。2001年9月25日,欧盟批准海藻糖作为新型食品或食品添加剂进入其市场。2005年3月,我国卫生部批准海藻糖为新资源食品[10]

    近年来,国内外众多专家、学者都对海藻糖的安全性做了实验研究。张晶等[11]、梁春华等[12]、Richards等[13]分别通过实验研究了海藻糖的急性毒性、长期毒性和生殖毒性。实验结果显示,用海藻糖处理的小鼠与对照组的小鼠均没有显著性差异。Richards等[13]还进行了海藻糖的致突变试验研究,以组氨酸营养缺陷性鼠伤寒沙门菌Tal535,TAl537,TA98,TAl00和色氨酸营养缺陷型大肠杆菌WP2uvrA为试验菌株进行微生物恢复突变实验,以中国仓鼠CHO细胞为试验细胞进行染色体畸变实验,以上两组实验加上小鼠骨髓微核试验共同证明了海藻糖没有致突变性。另外,Atkinson等进行了海藻糖对albino兔的眼刺激试验,结果表明10%的海藻糖溶液对兔眼无刺激。

    综上所述,海藻糖是一种毒性很低的物质,这为研制开发药用海藻糖奠定了良好的基础。

    3海藻糖的功能

    3.1生物学功能

    海藻糖是一种对环境变化形成的应激状态具有高抗性的物质,是生物体内的一种典型的应急代谢物[14]。海藻糖是昆虫血淋巴中最主要的糖类,占到了整个血淋巴中糖类总含量的80%~90%,并且在昆虫特殊的发育阶段,海藻糖占到了昆虫整个碳水化合物的20%[15]。长年生活在沙漠地带的一些昆虫和植物,在中午的高温下几乎被干燥脱水,处在生理学上的假死状态,但一经降雨补充水分,数小时后就能复活。英国剑桥大学的学者[16]对这些隐生生物的研究表明,这种复活现象是由于其体内存在高浓度的海藻糖。大量的研究表明,许多生物在胁迫环境(如饥饿、高温、冷冻、干燥、高渗、辐射、有毒物质等)下表现出的抗逆耐受力与体内的海藻糖含量有直接的关系。这是因为,在各种恶劣环境下,海藻糖表现出对物种的生物膜、蛋白质和核酸等生物大分子良好的保护作用。

    董桥等(1992)研究了海藻糖对载药脂质体的保护作用,证明在海藻糖的保护作用下,脂质体脱水后处于干燥状态而其结构和功能保持完整,且干态脂质体水化时内含物保存率达80%以上。葛宇等(2002)考察了在冷藏、冷冻、真空干燥、冷冻干燥、喷雾干燥和室温下海藻糖对保加利亚乳杆菌存活率和产酸率的影响,结果表明,海藻糖具有很好的抗冷冻、抗脱水效果。MadhuPage-Sharp等(1999)研究发现,伴随盐逆境双歧藻属菌种细胞内海藻糖和蔗糖浓度增加,当机体再恢复正常生长条件(即解除盐逆境的作用),细胞内这些海藻糖和蔗糖浓度下降,蔗糖和海藻糖被认为具有共存的溶解物(compatiblesolutes)的作用性质。Piper(1998)认为,微生物在盐逆境应激状态涉及到低分子量共存溶解物的产生和一系列应激蛋白质的产生,海藻糖和蔗糖的合成代表双歧藻菌盐应激状态下的一种保护性作用。

    3.2其他功能

    海藻糖除了对生物体具有保护作用外,还可以防止淀粉老化;防止蛋白质变性;抑制脂类物质酸败;抑制鱼腥味的生成;减轻鸡、鸭、鹅的怪味;抑制大米的米糠臭;利于蔬菜、肉类、水果等的保鲜;稳定物料中的超氧化物歧化酶;预防蛀牙和补充能源的作用[17]

    另外,关于外源海藻糖对植物抗逆性影响的研究较多,如外源海藻糖对黄瓜的耐盐性[18]、抗冷性、抗旱性[19]和抗水分胁迫能力[20]影响的研究,均表明它对植物的抗逆性具有积极作用。此外,它可以提高番茄株高、茎粗、SOD活性等,提高其耐盐性[21];提高野鸢尾、南蛇藤过氧化氢酶等一系列酶的含量,进而提高其抗NaHCO3胁迫的能力[22];据丁顺华等[23]报道,外源海藻糖可明显缓解盐胁迫对小麦生长的抑制作用;肖丽蓉等[24]报道,外源海藻糖对提高家蚕生长和蚕丝品质具有积极作用。总之,外源性的海藻糖也具有良好的非特异性保护功能。因此海藻糖又被称为“生命之糖”。

    4海藻糖的应用

    4.1在食品工业中的应用

    4.1.1米面类制品

    海藻糖防止淀粉老化的效果比变性淀粉和糖醇类产品更好,尤其在低温或冷冻条件下表现更为显著。如在方便米饭中使用海藻糖,能抑制布朗硬度降低,使其口感柔软;用于饺子皮和春卷皮中,具有良好的保水性,不会干裂,蒸煮后,口感柔软,煎炸后,口感松脆。

    4.1.2糖果和甜食

    与麦芽糖、蔗糖和葡萄糖相比,海藻糖具有较高的玻璃化转变温度。这使得海藻糖可以在很高温度下保持活性蛋白的稳定性,以避免其在热加工中的失活。这种特性能使海藻糖在糖果中具有较广阔的应用空间。同时又由于海藻糖的低吸湿性和非褐变性,使加入海藻糖的硬糖和软糖褐变程度降低,并有良好的保形性。海藻糖使食品的冰点下降的程度与蔗糖一样。在冰淇淋中加入海藻糖能使冰淇淋具有良好的冷冻耐性,使口感更饱满。

    4.1.3禽肉水产加工品

    抑制脂肪酸败是保证食品质量的重要环节。海藻糖作为天然糖类对抑制脂肪酸败有很好的效果。在畜禽肉蛋加工品中加人海藻糖,能长时间保持肉质鲜嫩柔软、抑制脂肪酸分解导致的肉臊味产生,并使产品经过冷冻、解冻和热加工后效果依旧良好。海藻糖具有良好的抗冻保湿作用。在金枪鱼、鳕鱼、鲱鱼和鲑鱼等冷冻鱼块加工产品中加入海藻糖能使其解冻后不会产生滴水现象,使其仍然具有良好的弹性,并有效防止鱼肉异味的产生。

    4.1.4保健食品

    海藻糖是一种功能性低聚糖,具有防止人体骨质疏松,促进人体双歧杆菌增值以及清除体内自由基等功能。因此,海藻糖可广泛应用于各种保健食品中。

    4.1.5饮料

    海藻糖跟砂糖和麦芽糖一样能在小肠中被消化吸收,作为营养源在人体内缓慢释放。海藻糖特别适合加入甜味营养型饮料及运动前增加能量的饮料。初步研究表明,添加了海藻糖的运动饮料,比含葡萄糖的饮料有着更低的胰岛素和血糖反映水平。海藻糖的加入并不影响饮料的口感,相反会使其口感更纯正。

    4.1.6烘培产品

    由于海藻糖的甜度是蔗糖的45%,所以它能降低饼干、面包,糕点等产品的甜度,使其具有清爽的口感。如在月饼等一些点心中使用海藻糖。

    4.2在医学领域中的应用

    淀粉质β(amyloidβ,Aβ)多肽是阿尔兹海默症(Alzheimer’sdisease,AD)的致病蛋白,徐亮等[25]研究表明,海藻糖可有效抑制其疏水核心Aβ16-22聚集过程中聚体的生成,从而可以预防阿尔兹海默症的发生。

    程晨晨等[26]研究了海藻糖保护同种带瓣大动脉的最适浓度,同种瓣膜具有结构自然、中心血流、不需抗凝等特点,不仅可用于主动脉瓣的置换,还是复杂先天性心脏病救治中带瓣管道良好的替代材料。

    另外,程晨晨等还综述了海藻糖在临床上的应用,包括在细胞如人体血小板的保存;组织保存,如贾晓明等[27]将新鲜成人皮肤组织分为新鲜对照组、海藻糖-二甲基亚砜组、二甲基亚砜-丙二醇组、二甲基亚砜-无血清角质细胞培养基组和DMEM组,结果证明,海藻糖对皮肤的保护效果优于传统低温保护剂二甲基亚砜;器官保存,如气管;保护生物制品,如生物分子、细胞膜和细胞器等,如Yamaquchi等[28]研究显示,加入海藻糖的缓冲液较传统的缓冲液蔗糖和甘露醇,能更好地保持线粒体外膜的完整,并能很好地发挥Bcl-2凋亡蛋白家族的作用和保护细胞内的超微结构,这将为以后研究依靠细胞膜完整才能进行的细胞凋亡提供便利。

    4.3在化妆品行业中的应用

    海藻糖在化妆品上的应用是基于具有优异的保持细胞活力和生物大分子活性的特性。皮肤细胞,尤其是表皮细胞在高温、高寒、干燥、强紫外线辐射等环境下,极易失去水分发生角质化,甚至死亡脱落使皮肤受损。海藻糖在这种情况下能够在细胞表层形成一层特殊的保护膜,从膜上析出的粘液不仅滋润着皮肤细胞,还具有将外来的热量辐射出去的功能,从而保护皮肤不致受损。海藻糖具体可用于皮肤化妆品、洗面奶,作为保湿剂、洁肤剂、紫外吸收剂等。还可用于唇膏、口腔清凉剂、口腔芳香剂等。日本已将其列为新规格化妆品原料,并用于高级化妆品中。日本林原生化研究所发现,海藻糖有抑制老年人体臭的功效,准备利用海藻糖开发防止体臭的化妆品和护理用品。

    4.4在精细化工中的应用

    利用生物工程技术生产表面活性剂是二十世纪70年代后生物工程领域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,德国的Wager实验室已研究利用Rhodococcuserthropolis来生产海藻糖单脂及海藻糖二脂。

    4.5在农业科学中的应用

    海藻糖可用于作物抗寒、抗旱等。种子保存、农作物抗寒、抗旱等领域,在使用海藻糖之后,能将种子、种苗的根茎有效地保持水分子,有利农作物播种、成活率高,同时保护作物减少寒冷而冻伤,生产成本将大大下降。另外,将海藻糖合成酶基因导人植物,可培育出抗旱、抗寒、抗冻、耐盐植物。美国研究人员培育出的转基因水稻,能有效抵御干旱、寒冷、多盐,且产量高。美国科学家将来自酵母的海藻糖合成酶基因导人烟草,得到抗旱型植株[29]。美英科学家已培育出了转基因番茄,并正在研究将海藻糖合成酶基因导人其它水果。这方面对农业、特别是减少北方寒冷干燥的气候对农业的影响,在农作物种植应用方面,其效益是巨大的。

    4.6其他应用

    海藻糖酯作为良好的生物表面活性剂,可用于石油、日化、纺织等工业。日本学者Toshihiko。通过实验证实海藻糖可有效缓解干眼病患者的症状。Tanaka等[30]发现海藻糖能减轻多聚谷氨酰胺引起的鼠Huntington病。

    5海藻糖的制备

    20世纪初,海藻糖的生产刚刚起步,规模小,1kg商品化的海藻糖售价接近700美元。后来巴西科研小组找到了通过外界刺激使酵母大量积累海藻糖的方法,使酵母海藻糖的含量达到细胞干重的20%,海藻糖的价格降低了一半。随着后来结合基因工程,酶法合成海藻糖新型方法的出现,海藻糖价格降低到3~6美元/kg。目前,海藻糖的生产技术已经日渐成熟,主要有提取法制备、酶法转换、微生物发酵等方法。

    5.1微生物提取法

    1950年Laura首先从酵母中提取海藻糖。微生物提取法是以酵母、乳酸菌、霉菌及其它含海藻糖的微生物为提取源,首先通过改变微生物的生长条件,使其体内积累更多的海藻糖,然后采用适当的方法将海藻糖提取出来。其工艺流程为:酵母-乙醇提取-离心-上清液一浓缩-离子交换-超滤-浓缩-结晶-离心-真空干燥-成品。微生物提取法是生产海藻糖的传统方法,经过不断的改进,此法已相当成熟,至今仍然是生产海藻糖的常用方法。提取法所用的微生物大多为酵母菌。国内外对高产海藻糖菌株的选育,胞内海藻糖的提取、纯化等方面进行了大量的研究,Comes等分离出两个酵母菌株,它们在热击条件下大量积累海藻糖。李于等对酵母海藻糖的提取纯化条件进行了研究,海藻糖提取率可达98.81%。上世纪40年代,欧美从面包酵母中提取海藻糖取得成功,并建立了一套用乙醇从面包酵母中提取海藻糖的方法。微生物提取法生产海藻糖生产周期长,提取率低,成本高,很难实现大规模工业化生产。

    5.2酶法转换

    1993年,日本林原生化研究所发现了通过节杆菌(Arthrobactersp.)Q36中麦芽寡糖基海藻糖合酶和麦芽寡糖基海藻糖水解酶的协调作用,将一定链长的直链淀粉转化为海藻糖,在世界上最先开发出直接从直链淀粉以极高得率生产海藻糖的技术,为海藻糖的工业化生产开辟了新途径,在淀粉糖工业史上掀起了一场革命,并于1996年将此方法正式投入了工业化生产。1995年,日本林原生化研究所又首次发现了能将麦芽糖直接转化为海藻糖的海藻糖合酶。1990年,意大利那不勒斯第二大学的Lama等在世界上首次发现,硫矿硫化叶菌(Sulfolobussolfataricus)MT4的细胞匀浆液可将淀粉直接转化产生海藻糖[31]。这一发现,改变了不可能将淀粉直接转化成海藻糖的论断,推动了酶转化法生产海藻糖的研究,为海藻糖的酶法工业化生产开辟了新途径。此后不断发展出多种酶转化生产海藻糖的方法,像海藻糖-6-磷酸合成酶和海藻糖-6-磷酸酯酶转化法,海藻糖磷酸化酶转化法,海藻糖合成酶和蔗糖磷酸化酶转化法,麦芽寡糖基海藻糖合成酶和麦芽寡糖基海藻糖水解酶转化法,基转移酶和淀粉酶转化法,海藻糖合酶转化法等,并且,海藻糖合酶因为只需要一种酶一步反应就能够获得海藻糖而被国内外众多专家视为未来海藻糖酶法生产的方向。

    5.3化学合成法

    海藻糖的化学合成法是在2,3,4,6-四乙酰基葡糖和3,4,6-三乙酰-1,2-脱水-D-葡糖之间产生环氧乙烷加成生成。该法制备海藻糖的缺点是产率低、分离困难,目前还处于研究阶段。

    5.4发酵法

    这种方法是用一定的基质,在一定条什下(pH、温度、渗透压等)培养微生物,通过生物发酵产生海藻糖,再由培养液中提取精制而成。

    5.5基因工程法

    用生物技术生产海藻糖,或将葡萄糖转化为海藻糖的基因通过一种细菌导入甜菜、马铃薯、番茄等植物中,构建具有生产海藻糖能力的转基因植物。

    6展望

    随着研究的不断深入,海藻糖在各行各业中的应用会更加广泛,对海藻糖和海藻糖合酶基因的研究会越来越多。对于海藻糖抗逆性的机理,目前3个假说都不能作出完美的解释,海藻糖以后的研究重点应该是对其抗逆机理的研究和植物转基因方面的研究[32]。另外,对海藻糖在昆虫方面的研究,还是冰山一角。海藻糖作为昆虫中最重要的血糖,参与了多种生理功能,因此研究昆虫中海藻糖的代谢以及代谢调控具有重要的理论和实践意义。对海藻糖合成基因的深入研究,一定会培育出抗旱、抗寒、抗盐碱的植物新品种,为农业生产和改良环境做出贡献。而且,海藻糖在低等生物有机体能量代谢过程中具有重要作用,但是哺乳动物血液中并不含有海藻糖这就使开发对人类健康相对安全的新型农药成为一种可能。

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(作者单位:保龄宝生物股份有限公司)

责任编辑:张慧琳

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