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海藻糖的生产及市场应用

   日期:2018-07-05     浏览:94    评论:0    
核心提示:海藻糖(Trehalose)是由两分子葡萄糖通过α-1,1糖苷键结合的非还原性双糖[1],最初是Wiggers从黑麦的麦角中首次分离出来,后来

    海藻糖(Trehalose)是由两分子葡萄糖通过α-1,1糖苷键结合的非还原性双糖[1],最初是Wiggers从黑麦的麦角中首次分离出来,后来发现广泛存在于细菌、真菌、藻类及无脊椎动物体内[2]。海藻糖是一种安全的天然糖类,无毒无害,对人体无副作用,具有优质甜味、非着色性、耐酸、耐热、低吸湿性等特性,它还具有其他双糖所没有的独特的生物学特性。当生物细胞处于饥饿、干燥、高温、高渗透压等恶劣环境时,胞内海藻糖含量迅速上升,对多种大分子具有保护作用,从而维持生物体生命特性,外源性的海藻糖同样随生物和生物大分子有良好的非特异性保护作用,因此在科学界素有“生命之糖”的美誉[3]。随着其独特的生物学性质及功能的发现,海藻糖逐渐成为国际上的研究热点。

    1.海藻糖的功能特性

    1.1抗脱水保护功能

    海藻糖对逆境(高温、冷冻、干燥、高渗等)具有高抗性,许多含丰富海藻糖的动植物完全干燥失水后仍然维持活性,一旦遇水立刻复活。

    关于海藻糖的防脱水机理有以下三种假说:一种以Crowe[4]等人为代表提出的“水替代”假说,他们认为当生物大分子失去维持其结构和功能特性的结构水膜时,海藻糖能在生物分子的失水部位以氢键形式联接,形成一层保护膜以代替失去的结构水膜。另一种为“玻璃态”假说,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。第三种是“优先排阻”假说。以上假说均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”[5]。

    1.2抗辐射功能

    海藻糖可保护细胞DNA不被放射性物质损伤。据报道[6],当存在10mmol海藻糖时,DNA可忍受4倍剂量的β-,γ-射线,糖含量越高,保护作用越强。其机理为:射线引起的DNA断裂反应主要是由周围水分子解离产生的羟基自由基引发的,而海藻糖可有效的清除。

    1.3提高植物的抗寒、抗盐功能

    经海藻糖处理的绿豆幼苗质膜上Mg2+、K+-ATPase的活性显著提高[7]。用0.1%的海藻糖溶液浸水稻种,经2℃和6℃低温处理后,水稻幼苗细胞电解质渗透率显著降低,而淀粉酶活性及幼苗可溶性糖含量则提高,对寒害的修复能力也提高。而且处理温度愈低,海藻糖的相对效应就愈显著。用海藻糖预处理的小麦幼苗在NaCL溶液中生长,其细胞电解质渗透率和游离脯氨酸的含量均显著降低,而叶绿素的含量、根系活力、干物质的积累和生长速度则提高[8]。这是因为海藻糖能在作物幼前遭受低温、盐害而脱水时,维持了细胞膜结构的稳定性,从而提高了作物幼曲的抗逆能力[9]。

    1.4其他功能

    海藻糖还具有抗冷冻保护功能、防止淀粉老化、防止蛋白质变性、防蛀牙、稳定组织细胞结构与保鲜效果、稳定物料中超氧化物歧化酶等诸多功能。

    2.海藻糖的生产制备

    海藻糖的生产方法目前主要有微生物抽提法、微生物发酵法、酶转化法以及基因工程法几种。

    2.1微生物抽提法

    该方法是以乳酸菌、酵母、霉菌及其他一些含海藻糖的菌体为原料,通过干燥、改变渗透压等方法进行处理,然后经过乙醇等有机溶剂抽提、精制,从而得到较高纯度的海藻糖晶体。最初是由欧美等国从面包酵母中抽提获得。后期随着工艺的不断改进,已较为成熟,成为生产海藻糖的重要方法,但是由于提取资源有限,成本高,很大程度上制约着海藻糖大规模工业化生产。

    2.2微生物发酵法

    该方法是以酵母、诺卡氏菌属、微球菌属等微生物经过诱变、细胞融合或基因重组选育出高产海藻糖的菌株,在高浓度或高渗基质上发酵培养,再从发酵液中提取精制而成。日本首先从发酵液中提取海藻糖,提取率可达到88.6%,同时纯度达到99.5%。国内杭州商学院在研究开发深层灰树花中提取海藻糖也已获得突破性进展[10]。缺点是转化率低,发酵液成分复杂,海藻糖提取、精制困难。

    2.3酶转化法

    酶转化法制取海藻糖的途径有多种,根据作用底物不同主要分为三种,分别为以葡萄糖为底物、以麦芽糖为底物和以淀粉为底物。

    2.3.1以葡萄糖为底物

    利用专一性很强的葡萄糖磷酸化酶和海藻糖磷酸化酶,经两步作用将两个葡萄糖分子转化为海藻糖。但在整个反应过程中需要消耗高能物质UDP或GDP,所以很难实现大规模工业化生产。

    2.3.2以麦芽糖为底物

    利用麦芽糖磷酸化酶、海藻糖磷酸酶共同作用麦芽糖或海藻糖合成酶单独作用于麦芽糖生成海藻糖。其中海藻糖合成酶在催化过程中不需要消耗高能物质,并且不需要磷酸且转化率高达70%~80%,这为海藻糖的大规模生产提供了有利条件[11]。

    2.3.3以淀粉为底物

    1995年日本林原生化研究所报道了他们发现的两种新酶低聚麦芽糖基海藻糖合成酶(MTSase)和低聚麦芽糖基海藻糖水解酶(MTHase)共同作用[12],可以由淀粉直接通过酶法生成海藻糖,在支链淀粉酶的协同作用下,海藻糖转化率高达85%。该方法的发现使每公斤海藻糖由数万日元降至数百元。

    2.4基因工程法

    用“工程微生物”或构建具有抗逆性的转基因植物生产海藻糖,不仅可以提高质量还可以降低成本。荷兰的Mogen和VanderHave公司已经开发出了提高甜菜和马铃薯等作物中海藻糖产量的技术,并获得了专利。随着基因重组技术的发展,该方法一定会越来越广泛应用于工业生产[13]。

    3.海藻糖的分离纯化方法

    3.1一步纯化法

    张丽杰等[14]将干酵母用水提取后,加入絮凝剂再调pH值,然后过滤获得澄清滤液,直接浓缩结晶即可得到海藻糖晶体。


该方法只需一步就可以纯化分离海藻糖,操作步骤简单,方法易行。 
    3.2两步纯化法

    胡耀辉等人[15]报道了一种海藻糖的分离纯化方法,包括向酶转化法生产海藻糖所获得的酶反应液中加入糖化酶进行酶解反应和向糖化酶酶解反应液中接种3~10%重量的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae),在25~30℃,pH5.5~7.5条件下发酵培养,然后再经离心、超滤、离子交换、浓缩、结晶干燥得海藻糖纯品。实验中采用两步法去除酶解液中的杂糖,所得海藻糖纯品经HPLC检测,纯度达到98.0%。同时,还具有分离纯化效率高,海藻糖损失少,成本低廉,工艺简单等优点,必将对简化酶法生产海藻糖生产工艺、提高产量、降低生产成本产生积极的推动作用。

    3.3色谱分离技术

    王星云等[16]报道了采用氢化和色谱分离的技术,将利用微生物或酶使淀粉转化得到的海藻糖与麦芽糖、葡萄糖、麦芽三糖的混合液,进行加氢反应,使混合液中的杂质生成麦芽糖醇、山梨醇与麦芽三糖醇,而海藻糖由于不具有还原性,在加氢反应过程中保持不变,然后再采用模拟移动床的色谱分离技术,将海藻糖与混合液中的麦芽糖醇、山梨醇和麦芽三糖醇进行分离,使海藻糖的纯度和提取收率大幅提高,进而通过降温结晶的方式,使海藻糖晶体析出,得到海藻糖产品。按此工艺制备海藻糖比采用原有的微生物或酶法生产海藻糖的工艺,提取收率可提高80%以上,副产的麦芽糖醇又具有较高的利用价值,因此对降低海藻糖的生产成本和市场价位,增强海藻糖的市场竞争力具有很好的经济意义和社会意义。

    4.海藻糖的应用研究

    4.1食品方面的应用

    可作为优良的食品防腐剂和抗变性剂。由于常用的防腐技术和工艺容易产生蛋白质变性问题,且化学防腐剂又有一定的毒性,普通的蔗糖虽然也有保护作用,但其甜度较高,而海藻糖恰好能弥补这些技术缺陷。据有关报道,在鸡蛋中添加3%的海藻糖,45℃下干燥成粉状,复水后的产品与鲜蛋液相差无几;在大米加工过程中加入2%的海藻糖,可使米质保持数年不变;添加海藻糖制成的奶粉,经水化还原成鲜牛奶,感官品质和营养物质基本保持不变,这样既可减小运输体积又可省去冷藏设备,大大降低了成本[17,18]。在乳制品、肉类、水果等商品中使用,可普遍延长这些产品的货架寿命,并且使食品保持了良好的感官品质。

    还可作为优良的脱水剂,防止粉末食品黏结。由于海藻糖具有很强的吸水性,在淀粉类食品中添加海藻糖可明显抑制淀粉的老化,延长产品的货架期。海藻糖作为高稳定、低甜度、抗龋齿的天然食品甜味剂,可广泛应用于各种糖果、糕点、饮料以及调味品中。

    4.2保健品方面的应用

    海藻糖是天然绿色糖类,与其它的糖类相比,海藻糖在人体内的吸收缓慢,血糖反应平缓,这可为糖尿病人开发保健食品。海藻糖也适合开发那些提供充足能量、缓解疲劳压力的运饮料和功能性饮料,美国Cargill公司也正在开此类产品。海藻糖还是双歧杆菌的增殖因子,可促进人体内双歧杆菌的增殖,改善肠道微生态环境,加强胃肠道消化吸收功能,有效排除体内毒素,增强机体免疫抗病能力。


此外,海藻糖的抗辐射作用使细胞DNA不易发生突变,实验室研究证明,含有10mmol/kg的海藻糖,可使活细胞承受正常4.3倍剂量的β、γ-射线,应用这些特性可以将海藻糖开发为接受放疗的癌症病人的保健食品。日本最新的研究表明,海藻糖还具有防止人体骨质疏松的功能。因此,海藻糖是开发各种保健食品的重要原料。 
    4.3医药工业方面的应用

    海藻糖在医药上的应用主要是作为生物分子的特效保护剂和组织细胞的稳定剂。如血液制品、疫苗、抗体、酶、病毒、激素、重组人体蛋白、离体细胞和组织等生物活性物质,与其他种类的保护剂相比,不仅使其可在常温下保存,还可减少因血液污染引起的乙肝和艾滋病的传播,保证生物制品的质量和安全。Beattie等[19]在胰岛细胞冷冻过程中加入二甲基亚砜(DMSO)和海藻糖,使得成熟胰岛细胞的恢复率达到了92%,比单独使用DMSO高出了34%,且功能与提取的新鲜胰岛细胞无差别。另外,由于无须冷冻保藏,还可节省巨额的冷链保藏费用。

    4.5化妆品方面的应用

    由于海藻糖具有极强的保湿作用及防晒、防紫外线等多方面的生理功效,可以作为保湿剂、保护剂等添加到乳液、面膜、精华素、洗面奶中,还可作为唇膏、口腔清洁剂、口腔芳香剂等的甜味剂、品质改良剂。日本林原生化研究所发现,海藻糖还具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[20]。无水海藻糖还可以用于化妆品中作为磷脂以及酶的脱水剂,其脂肪酸衍生物还是优良的表面活性剂。目前,用于化妆品的主要是海藻糖的衍生物,日本已将其列为新规格化妆品原料,应用于高级化妆品中。

    4.4农作物育种中的应用

    采用生物技术将海藻糖合酶基因导入作物并使其在作物体内表达,构建生产海藻糖的转基因植物,培育抗冻、抗旱转基因植物新品种,提高农作物的抗寒、抗旱能力,而且可使其在收获加工后显得新鲜,且能保持原有的风味和质地。目前,美国科学家已经把来自酵母的海藻糖合酶基因导入烟草,并获得了具有抗旱性的转基因植株。

    海藻糖也可用于种子保存等,在使用海藻糖之后,可以有效地保持种子、种苗的根茎中的水分子,有利于农作物播种,成活率高,同时保护了作物因寒冷而冻伤,这对降低生产成本,特别是北方寒冷干燥的气候对农业的影响,具有重要意义。

    5.前景展望

    20世纪90年代后,随着海藻糖的生物学特性引起了人们的密切关注,国内许多科研单位,如中科院微生物研究所,江南大学,江苏省微生物研究所以及广西科学院等也进行了研究。近年来,我国科研人员终于也取得了用生物工程酶法转化淀粉生产海藻糖的技术成果,成为继日本之后又一个用酶法转化淀粉实现工业化生产海藻糖的国家。

    海藻糖是一种天然糖类,也是一种有着许多重要功能的新型糖。海藻糖在食品、医药、化妆品等领域都具有极为广泛的用途。目前国际市场对海藻糖的需求量很大,估计年需求量达10万吨以上,而目前国际上海藻糖的生产能力不到5万吨。国内过去所用的海藻糖基本都是从日本进口,用酶法生产海藻糖产品代替进口产品必将有很大的市场空间。


      由于国内现有的功能性糖生产设备和工艺可改造用于海藻糖的生产,因此,加快对海藻糖工业化生产的核心技术研究和应用开发,必将推动我国功能性糖行业产品的结构调整和质量提升,同时也给我国食品工业及相关行业新产品的开发带来新的机遇。 


 
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