海藻糖研究进展

维普资讯 http://www.cqvip.com 粮食与油脂　２００２年第８期　海藻糖研究进展　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　Ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　Ｏｆ　Ｔｒｅｈａｌｏｓｅ　聂凌鸿　（华南理工大学食品与生物工程学院，广州　５１０６４１）　摘要：本文综述海藻糖生物学特性及其作用机理、生物合成、制备方法及其应用。　关键词：海藻糖；生物学特性；功能性食品　文章编号：ｌ００８—９５７８（２００２）０８—００４４—０２　中图分类号：ＴＳ２０２．３　文献标识码：Ａ　海藻糖（ｔｒｅｈａｌｏｓｅ）是由２分子葡萄糖通过　，　一１，１键　结合而成的非还原性二糖，在动物，植物和微生物中广泛存　ｔｈｅｓａｓｅ）和海藻糖一６一磷酸磷酸酯酶（ｔｒｅｈａｌｏｓｅ　６－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）Ｅ６，１　１，１４］　在…。海藻糖的存在赋予这些生物以抗干旱、抗高温、抗冷　（３）海藻糖酶和海藻糖磷酸化酶…１，　３］　冻的抗逆特性，此外，海藻糖通过外加的方式同样能对生物　体和生物大分子起着良好的非特异性保护作用。因此，海藻　糖在分子生物学、医学、食品、化妆品、农业等方面具有广阔　的应用前景。　１海藻糖生物学特性及其作用机理　海藻糖在各种生物体中。不仅以游离糖形式存在，还作　为各种糖脂的组成成分，它分解时供给机体能量［　。早期研　究认识到细菌中大部分海藻糖与长链脂肪酸酯化后作为一　种结构组分存在Ｅ３，５］；真菌及酵母中，海藻糖主要是细胞非增　殖期的一种储备碳源Ｅ６　；在昆虫中则作为血液中的一种主要　糖份以提供飞行能量【　。近年来研究表明，许多生物体在逆　境（如脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透性及有毒试剂等）条件下　都能通过体内调节合成海藻糖来抵御外界不良的伤害Ｅ６，８Ｊ。　海藻糖不但可以保护生物膜及蛋白质分子免受冷冻与　干燥的破坏，而且还可以保护细胞中的ＮＡＤ分子，使其在　强辐射条件下免受损害。海藻糖是对于环境变化形成的应　激（Ｓｔｒｅｓｓ）状态（或称之为紧张状态）具有高抗性的物质，是　生物体内的一种典型的应激代谢物。进一步研究发现：海　藻糖合成酶复合体的基因在外界压力下表达加强，海藻糖在　生物体处于逆境时发挥重要的生理作用。某些物种对外界　恶劣严酷环境表现出来的抗逆耐受力是由于在上述极端严　酷的条件下，海藻糖可以对生物膜、蛋白质和核酸等生物大　分子发挥保护作用，从而使富含这种奇妙化合物的生命体对　外界恶劣环境表现出独特的生物学特性［８］。新近研究证明　外源性的海藻糖也能对生物体和生物大分子有良好的非特　异性保护作用，这正是海藻糖身价倍增的重要原因。　海藻糖生物保护作用机制一般认为是海藻糖的生物保　护机构在于强力地束缚水分子，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　膜蛋白等的变性［８，９．。关于海藻糖对生物分子的保护作用，　人们进行了大量探索，提出了种种假说。目前主要有两种假　说解释海藻糖稳定生物分子的机理：一种称为。水替代　假　说　］，另一种称为。玻璃态”假说［　１ｏ］。　２海藻糖生物合成　国内外大量的研究表明，海藻糖在自然界存在多种合成　途径，分别由不同的酶催化合成：　（１）海藻糖合酶（ｔｒｅｈａｌｏｓｅ　ｓｙｎｔｈａｓｅ）Ｃ１ｌ＇】３］　（２）海藻糖一６一磷酸合成酶（ｔｒｅｈａｌｏｓｅ　６－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｓｙｎ．　收稿日期：２００２—Ｏ３—Ｏ６　（４）麦芽寡糖基海藻糖合酶（ＭＴＨａｓｅ）和麦芽寡糖基　海藻糖水解酶（ＭＴＳａｓｅ）Ｅ１　，　３，１　５，１６］　（５）新型葡聚糖基转移酶和新型　一淀粉酶［１１，１３Ｉｌ７－ｌ８］　综上所述，自然界中存在多种海藻糖合成途径，在一种　生物中是否同时存在一种以上的途径尚未确定，但是从微生　物处于逆境（高温、高渗、冷冻、干燥等）时，体内海藻糖含量　迅速上升的情况分析，似乎有这种可能性。已确定海藻糖生　物合成途径为海藻糖的生产和应用提供依据。　３海藻糖制备　目前正在研究开发的海藻糖制法，大体有如下几种Ｉ９－ｌ９］：　３．１微生物抽提法　酵母、霉菌、乳酸菌和一些其他真菌都含有海藻糖，可以　选用海藻糖含量较高的一些微生物菌体作为提取源，采用适　当的方法进行抽提。　３．２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，再从培养液中提取精制而成。　３．３酶法　可采用葡萄糖、蔗糖、麦芽糖或淀粉等为底物，通过有关　酶的作用转换成海藻糖。　３．４基因重组法　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引进产糖的作物中，使其能在植物体　内制出海藻糖。又如，已知很多微生物能产生海藻糖，其生　物合成涉及海藻糖一６一磷酸连接酶和海藻糖一６一磷酸磷酸酯　酶，现已将编码上述这两种酶的基因进行了克隆，得到了具　有这两种酶基因的新微生物，正在作进一步研究。　海藻糖目前主要从酵母与细菌中提取，复杂的生产工艺与　昂贵的价格是其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。在国际上日本对海藻糖研究较为领先，　尤其是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新酶系。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　聚糖基转移酶和新型　一淀粉酶联合作用或低聚麦芽糖基海藻　糖生成酶（ＭＴＳａｓｅ）和低聚麦芽糖基海藻糖水解酶（ＭＴＨａ．　ｓｅ）。以淀粉为原料，酶法制备海藻糖，起始物价格便宜，转化　率高，很有应用前景，日本已将该方法用于生产。　多途径开发海藻糖生产源，寻找较为经济的生产方法是　维普资讯 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２００２年第８期　粮食与油脂　４５　一个重要的研究课题。筛选出产海藻糖量较高且易获得的　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Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ　ｅｒｔｈｒｏｐｏｌｉｓ来生产海藻糖单脂及海藻糖二脂。　利用海藻糖的保湿性能，把海藻糖的硫酸衍生物用于化　妆品工业已得到日本厚生省的生产许可。如用于皮肤化妆　品，作为洁肤剂、皮肤保湿剂、紫外吸收剂、口红、唇膏的品质　改良剂、稳定剂［９，１　９＿。　４．４在农业领域应用　菌株，并利用基因工程技术提高其海藻糖的产量，降低生产　成本，具有重要的意义和广泛的应用前景。而利用微生物水　解淀粉和麦芽糖生产海藻糖，可能是短期见效的可行途径。　４海藻糖应用　海藻糖所具有的良好的功能和性质，使它在分子生物　学、食品、医药、化妆品、农业等领域具有广阔的应用前景。　４．１在食品工业中应用　在食品工业中，现正从海藻糖具有的非还原性、保湿性、　抗冻结性和耐干燥性、优质甜味、能量来源等功能与特性考　虑，进行多种用途的开发研究。　食品工业中食品的贮存保鲜是一个至今仍没有很好解　通过生物工程技术完全有可能将含海藻糖的转基因植物，　培育抗旱转基因植物新品种。特别是粮食作物、经济作物体内　富含海藻糖，能增强植物的抗旱性和耐寒性，将来有可能发展　决的问题。海藻糖由于具有特有的生物保护功能，必将成为　一成为改造沙漠、绿化荒旱地做出重要贡献。荷兰植物生物技术　公司利用大肠杆菌的海藻糖合成酶基因导入甜菜、马铃薯中，　在获得大量价廉的海藻糖同时，增强植物的抗旱性和耐寒性。　目前酵母中的ＨＡＬｌ和ＴＰＳｌ基因已在植物中成功表达，同时　种新型的天然防腐剂，在食品工业中大显身手。由于它本　身甜度极低，对食品风味影响很小，加上它良好抗干燥作用，　所以可用于许多食品的防腐保藏，也将促进食品干燥工艺的　改进和加工制造出更好的新食品［　。。。　海藻糖在食品工业中的应用目前主要受到价格的限制，　要在食品工业中得到广泛应用，必须提高产量、降低售价，最　终使其价格降到普通食用糖的水平。从表ｌ可以看出，海藻　糖产品可以应用到各种各样的食品和调味料等中，从而可以　大大改善食品的质量并增加食品的花色品种，促进食品工业　的进一步发展。　植物的耐盐性和抗旱性得到了提高。海藻糖的转基因植物的　育成，还能使作物收获后显得更新鲜，如柠檬、草莓等水果和蔬　菜及其他产品。目前，英美科学家已使番茄积累海藻糖的应用　前景十分广阔，并正在研究把基因引入其它果蔬。　参考文献　［１］Ｃｒｏｗｅ　Ｊ　Ｈ　ｅｔ　ａ１．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９８４，２２３：７０１－７０３．　［２］Ｅｌｂｅｉｎ　Ａ　Ｄ．ｅｔ　ａ１．Ｃａｒｂｏｈｙｄｒ　Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．１９７４，３０：　２２７—２５６．　表１海藻糖在食品中应用［９］　性质　应　用　低甜昧　热酸稳定性　抗淀粉老化　抗蛋白变性　低吸湿性　［３］Ｋｏｙｕ　Ｎ　ｅｔ　ａ１．Ｊ　Ｂｉｏｌ　ｃｈｅｍ．１９６５，２４０：２２７１—２２７６．　［４］Ｆｒａｎｋ　Ｗ　ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｃｈｅｍ　Ｂｉｏｐｈｙｓ　Ａｃｔａ．１９６４，９０：４４２－－４４４．　糯米点心、糖果、口香糖、巧克力、冰淇淋等　豆酱、茶饮料、果汁饮料、非油炸方便食品等　糯米点心、面条等　鱼制品、肉制品、蛋制品、乳制品和面团等　［５］Ｔｏｒｕ　Ｔ　ｅｔ　ａ１．Ｅｕｒ　Ｊ　Ｂｉｏｃｈｅｍ．１９６＇７，１：３５３－－３５６．　［６］Ｔｈｅｖｅｌｅｉｎ　ＪＭ，Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ　Ｒｅｗ．１　９８４，４８：４２—５９．　［７］Ｍａｙｅｒ　Ｒ　Ｊ　ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐ　Ｂｉｏｃｈｅｍ　Ｐｈｙｓｉｏ１．１９６９：３１：４Ｏ９—　４１８．　低呈色性　口感改良　保鲜　脆米饼、快餐点心、营养糖、保健食品等　无油蛋糕、甜饼、火腿等　冰淇淋、调味料、咖啡用糖等　新鲜蔬菜、水果等　［８］聂凌鸿，等．海藻糖的生物保护作用…．生命的化学，２００１，２１　（３）：２０６－－２０８．　（９］王岁楼．食品生物技术【Ｍ】．北京：海洋出版社，１９９８．　４．２在医药和生物制品中应用　［１０］Ｃｏｌａｃｏ　Ｃ．Ｓｅｎ　Ｓ．ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏ／ｔｅｃｈｎｏ１．１９９２，１０（９）：１ｏ０７—１０１　１．　［１　１］张红缨，等．微生物学通报，１９９８，２５（４）：２３６－－２３８．　［１２］Ｏｈｇｕｃｈｉ　Ｍ　ｅｔ　ａ１．Ｊ　Ｆｅｒｍｅｎｔ　Ｂｉｏｅｎｇ．１９９７，８４（４）：３５８－－３６０．　海藻糖在医药工业可用作试剂药和诊断药的稳定剂。目　前，正从海藻糖具有的非还原性、稳定性、对生物大分子的保　护作用及提供能源等功能和特性出发，探讨多方面应用。　用海藻糖干燥抗体、如疫苗、血球蛋白、病毒等生物活性　物质，无需冷冻，待复水后均能恢复活力。海藻糖代替血浆　作为生物制品和稳定制，不仅能常温保存，还可防止污染，从　［１３］陈炜，等．微生物学通报，１９９８，２５（４）：１６４—１６６．　（１　４３　Ｋｉｌｌｉｃｋ　Ｋ　Ａ．Ａｒｃｈｉｖｅｓ　ｏｆ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ，　１９７９，１９６（１）：１２ｌ－－１３３．　［１５］Ｎｉｓｈｉｍｏｔｏ　Ｔ　ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｓｃｉ　Ｂｉｔｏｅｃｈ　Ｂｉｏｔｅｃｈ　Ｂｉｏｃｈｅｍ．１９９６，６０　（４）：６４０－－６４４．　而保证生物制品的保存、运输和安全性Ｃ２ｏ，２１］。英国剑桥　Ｑｕａｄｒａｎｔ公司和世界卫生组织合作，利用海藻糖干燥ｄ，ＪＬ　［１６］Ｎｉｓｈｉｍｏｔｏ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｓｃｉ　Ｂｉｏｃｈｅｍ．１９９６，６０（５）：８３５－－８３．　（１７］Ｋａｔｏ　Ｍ　ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｓｃｉ　Ｂｉｏｔｅｃｈ　Ｂｉｏｃｈｅｍ．１９９６．６０（５）：９２１－－９２４．　麻痹疫苗，以解决从生产地到第三世界一些国家的长途运输　中的冷冻问题（１０，２２￣。　［１８］Ｋａｔｏ　Ｍ　ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｓｃｉ　Ｂｉｏｔｅｃｈ　Ｂｉｏｃｈｅｍ，１９９６，６０（５）：９２５－－９２８．　［１９］尤新．功能性发酵制品［Ｍ】．北京：中国轻工业出版社，２０００．　［２０］黄平．生命的化学，１９９５，１５（４）：２６－－２８．　［２１］姚汝华，等．广州食品工业科技，１９９５，１　１（４）：２９—３１．　（２２３戴秀玉，等．微生物通报，１９９５，２２（２）：１０２－－１０４．　［２３］Ｓｅｒｒａｎｏ　Ｒ．ｅｔ　ａ１．Ｓｃｉｅｎｔｉａ　Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ，１９９９，７８（１）：２６１—　２６９　目前，生物制品多用真空冷冻干燥法制备和在低温下保　存，用海藻糖干燥生物制品，能在常温下保存，从而给生物制　品的保存、运输和使用带来极大的方便。　４．３在精细化工中应用　利用生物工程技术生产表面活性剂是二十世纪七十年　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