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海藻糖的功能及应用
日期: 2018-08-16 ????查看次数: 37

海藻糖是一种安全的非还原性双糖,广泛存在于自然界中,具有保湿性,抗寒抗旱性,耐热耐酸性等特殊的生物学功能,对生物大分子和生物体均有非特异性的保护作用。
  海藻糖(trehalose)是一种天然安全糖类,白色结晶,由两个葡萄糖分子通过半缩醛羟基结合而成的非还原性双糖。1832年威哥斯(Wiggers)等人首次从黑麦的麦角菌中发现了海藻糖。随后法国化学家拜斯洛(Berthelot)从一种象鼻虫分泌的糖蜜中也发现了该糖,并命名为海藻糖。海藻糖广泛存在于细菌、酵母菌、霉菌、食用菌、低等植物、昆虫和无脊椎动物等各种生命体中。另外,在高等植物中也发现了海藻糖的存在。
  海藻糖化学性质非常稳定,所具有的非还原性决定了它对高温、酸、碱的稳定性,使它在生物体内具有很强的抗脱水作用,在干旱、寒冷、高盐碱等逆境条件下可保护生物膜、蛋白质等免受伤害。因此,生物体内的海藻糖对生物体具有神奇的保护作用,从而提高生物体对逆境条件的抗性。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖类,均不具备这一功能。
  由于海藻糖在很多方面具有许多优异的功能,在食品、食品保鲜,医药等许多领域有着极为良好的应用前景,引起了人们的浓厚兴趣。各国纷纷投入大量的人力和物力对其生产技术和应用开发进行研究。
  海藻糖的特性及功能
  海藻糖,化学名称又为-D-吡喃葡糖基--D-吡喃葡糖苷(-D-glucopy-ranosyl--D-noside),分子量为378.33。结晶海藻糖的密度为1.512g/cm3,熔点为97℃,于130℃失水。
  海藻糖的甜度相当于蔗糖的45%,食用后口中不留有后味,具有独特的清爽味质,是一种甜味柔和的优质糖质。海藻糖易溶于水、热乙醇、冰醋酸,不溶于乙醚、丙酮,在水中的溶解度受温度的影响比较大,当温度为10℃时,海藻糖的溶解度为55.3g,50℃时溶解度为140g,90℃时溶解度为602.9g。
  稳定性和安全性
  海藻糖是天然双糖中最稳定的一类。由于不具有还原性,对热和酸碱都具有非常好的稳定性。在与氨基酸、蛋白质共存时,即使加热也不会发生美拉德反应,可用于处理须加热或高温保存的食品、饮料等。海藻糖进入人体内在小肠中被海藻糖酶分解为两分子葡萄糖,进而被人体的新陈代谢所利用,是一种重要的能量来源,对人体健康安全有益。
  低吸湿性
  海藻糖还具有低吸湿性的特性。有些食品本身并不吸湿,但一加入糖类物质如蔗糖,吸湿性便大大增加,严重影响了食品本身的风味以及储存期。将海藻糖放置在相对湿度90%以上的地方超过1个月,海藻糖也几乎不会吸湿。由于海藻糖的低吸湿性,将海藻糖应用于该类食品中可降低食品的吸湿性,从而有效的延长产品的保质期。
  高玻璃化转变温度
  海藻糖相对于其他的双糖有较高的玻璃化转变温度,高达115℃,因而把海藻糖加入到其他的食品中时,能有效地提高其玻璃化转变温度,更容易形成玻璃化状态。这种特性结合海藻糖的工艺稳定性和低吸湿性,使其成为一种高蛋白质防护剂和理想的喷雾干燥风味保持剂。
  对生物大分子和生物体的非特异性保护作用
  海藻糖广泛存在于许多生物体中,作为生物体内某些生物大分子的结构组分,同时它还是许多生物的应激代谢物。研究表明,某些物种对外界恶劣环境,如干旱、高温、寒冷、高渗透等,所表现出来的抗逆性和它们体内存在有海藻糖密切相关。
  海藻糖是生物体对于外部环境变化所形成的一种典型的应激代谢物,保护机体抵抗外部恶劣环境。同时,海藻糖还能用于保护生物体内DNA分子防止放射线引起的损伤;外源性的海藻糖对生物体也具有非特异性保护作用。其保护机制一般被认为是机体含有海藻糖的部分强力地束缚水分子,与膜脂质共同拥有结合水或海藻糖本身起到代替膜结合水的功用,从而防止生物体膜和膜蛋白的变性等。
  海藻糖的提取方法
  由于海藻糖所表现出的独特的生物学活性,引起了人们的广泛关注,因此各国科学家投入巨大精力对其生产技术进行了大量的研究。海藻糖的制备方法目前包括微生物抽提法、微生物发酵法、酶合成法、基因工程法等。
  微生物提取法
  微生物提取法是以酵母、霉菌及其他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。其工艺流程一般是:活性干酵母提取冷却离心上清液浓缩去醇去离子和蛋白浓缩结晶-过滤干燥成品。
  微生物提取法所用的微生物一般是酵母菌。因为酵母菌在对数生长期如处于"饥饿"状态(降低碳源、氮源),或提高温度、高渗透压等条件下,体内海藻糖的含量明显增加,可达细胞干重的20%。
  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。哥米(Gomes)等选育出两株酵母菌,它们在热击条件下可大量合成海藻糖。邵漪等在70℃条件下使用60%70%的乙醇对活性干酵母进行提取,经后续处理最终海藻糖得率为11g/100g干酵母。韩少卿等使用膜装置对机体内海藻糖进行分离提取,海藻糖提取率达到85%以上,纯度在99%以上。
  目前这种工艺已相当成熟,但由于生产成本过高、收率较低的缺点未能在食品工业中得到广泛应用。
  微生物发酵法
  微生物发酵法顾名思义即通过微生物发酵生产海藻糖,再从发酵液中分离纯化,最终制得成品。
  通过诱变、细胞融合及基因重组等方法选育出高产海藻糖的菌株,采用高浓度的培养基及高渗发酵,并在发酵结束前,让菌体"饥饿"2-3h,可得到含海藻糖高的产物。
  肖冬光等采用诱变、基因重组选育海藻糖生产菌株,胞内海藻糖含量达23~25%,通过氮饥饿、热休克培养应激酵母细胞,休克处理合成胞外海藻糖,海藻糖含量可达10~16g/L,经超滤、离交,海藻糖收率>80%,结晶收率89%,海藻糖纯度>99%。赵玉巧等对产海藻糖啤酒酵母进行培养优化,最终发酵液中海藻糖的质量浓度可以达到1072mg/L。
  该方法转化率低,副产物多,在食品行业中也未大范围应用。
  酶合成法
  酶法生产主要是以葡萄糖、麦芽糖或者淀粉为底物,通过与海藻糖合成有关的酶的作用,转化为海藻糖。
  以淀粉为底物生产海藻糖,底物淀粉主要是马铃薯、甘薯、玉米、小麦、木薯五种,其中以木薯淀粉为原料海藻糖生成率最高。也有文献介绍直接以麦芽糖为底物,使用海藻糖合酶生产海藻糖。不同的菌种海藻糖合酶酶解得率不同,其中以栖热水生菌海藻糖合成酶产率最高,收率可以达到80%以上。
  2000年,南宁中诺生物工程有限责任公司成功开发出酶法转化木薯淀粉生产海藻糖的工艺,使我国成为世界上第二个酶法工业化生产海藻糖的国家。该工艺利用木薯淀粉由-淀粉酶、普鲁兰酶分解为短链糊精后,经海藻糖合酶作用转化生产海藻糖,精制后可制成含量为98.0%的食品级结晶海藻糖和含量为99.0%以上的高纯度结晶海藻糖。
  基因工程法
  利用基因工程技术将海藻糖合成酶基因导入植物或微生物中,从而利用工程微生物或具有生产海藻糖能力的转基因植物生产海藻糖。
  国内外在该方面做了大量的研究。荷兰植物生物技术公司将大肠杆菌的海藻糖合酶基因导入甜菜、马铃薯中,不仅增强了植物的抗旱性和耐寒性,还可使水果和蔬菜收获加工后仍能较长时间保持新鲜、风味等。我国张树珍等从担子菌灰树花中克隆海藻糖合酶基因并导入甘蔗,从而使甘蔗具有更长的保质期且风味较之前更好。
  利用基因工程技术生产海藻糖具有很大的优势。相信不久的将来会出现能大量合成海藻糖的重组的植物,并使海藻糖这种现在还很昂贵的碳水化合物走进我们的生活。
  海藻糖的应用
  在食品行业的应用
  在食品行业中海藻糖作为一种新型食品,在食品加工中尤其是食品添加剂中得到了广泛的应用。
  海藻糖甜度适中,且不留后味,不龋齿,用于巧克力、口香糖的生产中,是一种很好的调味剂;性质稳定不褐变,具有极佳的耐热性及耐酸性、防腐性,防止淀粉老化及减轻和去除刺激性臭味等,可作为很好的食品保护剂;吸湿性低,对新鲜的水果蔬菜肉类以及其加工品等有极好的保鲜作用。用海藻糖保存食品,能够使食品的色泽、味道等风味及维生素等营养物质得以保持下来,且保存期比较长。
  海藻糖的应用将强有力地推动我国食品工业的发展,解决蔬菜、水果、肉类和水产品等农渔产品的加工保鲜和储藏运输问题,运输成本大幅度下降,并且因食品品质的提高而降低损耗率,促进销量的增加等。
  在医药领域的应用
  在医药方面,海藻糖是一种很好的稳定剂,可用来保护激素、维生素、抗生素、生物制剂、酶、抗血清、疫苗等易失活的物质。
  用于移植器官及活细胞的贮存,还可以便于其运输及其使用,同时海藻糖在医药上还具有降血糖、护肝等作用。其衍生物还可用作抗癌剂、抗肿瘤剂等。我国中科院微生物研究所应用海藻糖干燥制备用于人血清胆固醇测定的三种诊断工具酶,在室温下、长期保存后,活性保持率都在90%以上,现已成功的进入于临床应用。
  在农业方面的应用
  海藻糖可应用于农业方面。海藻糖对植物具有保护作用,对育种相当有利。通过生物工程技术有可能将海藻糖的转基因植物培育成抗旱转基因植物,经济作物富含海藻糖,能增强植物的抗旱性和耐寒性,还能使农作物加工后显得更鲜,风味更佳。
  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入烟草,得到抗旱型植株。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入其他水果,将来也许可能改善植物用来改造沙漠、绿化荒旱地等。
  展望
  目前,食品营养、安全与卫生已成为人们日常生活中普遍关注的话题,天然、健康、安全的食品及食品原料已成为规范食品市场及保证人们健康生活的前提。
  作为安全健康的食品原料,海藻糖在各行各业中的应用十分广泛,随着研究的不断深入,人们对海藻糖的了解也会越来越多。在我国食品业中,海藻糖的应用和研究必将掀起新的热潮,在不久的将来,更多与海藻糖有关的产品将改善人们的饮食生活。

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