• 《食品安全導刊》刊號:CN11-5478/R 國際:ISSN1674-0270

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    海藻糖的特性、功能及應用

    2014-10-29 10:12:16 來源: 食安中國

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      海藻糖(trehalose)是一種天然安全糖類,白色結晶,由兩個葡萄糖分子通過半縮醛羥基結合而成的非還原性雙糖。1832年Wiggers等人首次從黑麥的麥角菌中發現了海藻糖。隨后法國化學家Berthelot從一種象鼻蟲分泌的糖蜜中也發現了該糖,并命名為海藻糖。海藻糖廣泛存在于細菌、酵母菌、霉菌、食用菌、低等植物、昆蟲和無脊椎動物等各種生命體中。另外,在高等植物中也發現了海藻糖的存在。

      海藻糖化學性質非常穩定,所具有的非還原性決定了它對高溫、酸、堿的穩定性,使它在生物體內具有很強的抗脫水作用,在干旱、寒冷、高鹽堿等逆境條件下可保護生物[1]膜、蛋白質等免受傷害。因此,生物體內的海藻糖對生物體具有神奇的保護作用,從而提高生物體對逆境條件的抗性。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖類,均不具備這一功能。

      由于海藻糖在很多方面具有許多優異的功能,在食品、食品保鮮,醫藥等許多領域有著極為良好的應用前景,引起了人們的濃厚興趣。各國紛紛投入大量的人力和物力對其生產技術和應用開發進行研究。

      1 海藻糖的特性及功能

      海藻糖,化學名稱又為α-D-吡喃葡糖基-α-D-吡喃葡糖苷(α-D-glucopy-ranosyl-α-D-noside),分子式是C12H22011•2H2O,分子量為378.33。結晶海藻糖的密度為1.512 g/cm3,熔點為97℃,于130℃失水。

      海藻糖的甜度相當于蔗糖的45%,食用后口中不留有后味,具有獨特的清爽味質,是一種甜味柔和的優質糖質。海藻糖易溶于水、熱乙醇、冰醋酸,不溶于乙醚、丙酮,在水中的溶解度受溫度的影響比較大,當溫度為10℃時,海藻糖的溶解度為55.3 g,50℃時溶解度為140 g,90℃時溶解度為602.9 g。

      1.1 穩定性和安全性

      海藻糖是天然雙糖中最穩定的一類。由于不具有還原性,對熱和酸堿都具有非常好的穩定性。在與氨基酸、蛋白質共存時,即使加熱也不會發生美拉德反應,可用于處理須加熱或高溫保存的食品、飲料等。海藻糖進入人體內在小腸中被海藻糖酶分解為兩分子葡萄糖,進而被人體的新陳代謝所利用,是一種重要的能量來源,對人體健康安全有益。

      1.2 低吸濕性

      海藻糖還具有低吸濕性的特性。有些食品本身并不吸濕,但一加入糖類物質如蔗糖,吸濕性便大大增加,嚴重影響了食品本身的風味以及儲存期。將海藻糖放置在相對濕度90%以上的地方超過1個月,海藻糖也幾乎不會吸濕。由于海藻糖的低吸濕性,將海藻糖應用于該類食品中可降低食品的吸濕性,從而有效的延長產品的保質期。

      1.3 高玻璃化轉變溫度

      海藻糖相對于其他的雙糖有較高的玻璃化轉變溫度,高達115℃,因而把海藻糖加入到其它的食品中時,能有效地提高其玻璃化轉變溫度,更容易形成玻璃化狀態。這種特性結合海藻糖的工藝的穩定性和低吸濕性,使其成為一種高蛋白質防護劑和理想的噴霧干燥風味保持劑。

      1.4 對生物大分子和生物體的非特異性保護作用

      海藻糖廣泛存在于許多生物體中,作為生物體內某些生物大分子的結構組分,同時它還是許多生物的應激代謝物。研究表明,某些物種對外界惡劣環境,如干旱、高溫、寒冷、高滲透等,所表現出來的抗逆性和它們體內存在有海藻糖密切相關。

      海藻糖是生物體對于外部環境變化所形成的一種典型的應激代謝物,保護機體抵抗外部惡劣環境。同時,海藻糖還能用于保護生物體內DNA分子防止放射線引起的損傷外源性的海藻糖對生物體也具有非特異性保護作用。其保護機制一般被認為是機體含有海藻糖的部分強力地束縛水分子,與膜脂質共同擁有結合水或海藻糖本身起到代替膜結合水的功用,從而防止生物體膜和膜蛋白的變性等。

      2 海藻糖的提取方法

      由于海藻糖所表現出的獨特的生物學活性,引起了人們的廣泛關注,因此各國科學家投入巨大精力對其生產技術進行了大量的研究。海藻糖的制備方法目前包括微生物抽提法、微生物發酵法、酶合成法、基因工程法等。

      2.1 微生物提取法

      微生物提取法是以酵母、霉菌及其它含海藻糖的微生物為提取源。首先通過改變微生物的生長條件,使其體內積累更多的海藻糖,然后采用適當的方法將海藻糖提取出來。其工藝流程一般是:活性干酵母-提取-冷卻-離心-上清液濃縮去醇-去離子和蛋白-濃縮-結晶-過濾-干燥-成品。

      微生物提取法所用的微生物一般是酵母菌。因為酵母菌在對數生長期如處于“饑餓”狀態(降低碳源、氮源),或提高溫度、高滲透壓等條件下,體內海藻糖的含量明顯增加,可達細胞干重的20%。

      國內外對高產海藻糖菌株的選育、胞內海藻糖的提取、純化等方面進行了大量的研究。Gomes等選育出兩株酵母菌,它們在熱擊條件下可大量合成海藻糖。邵漪等在70℃條件下使用60-70%的乙醇對活性干酵母進行提取,經后續處理最終海藻糖得率為11 g/100 g干酵母。韓少卿等使用膜裝置對機體內海藻糖進行分離提取,海藻糖提取率達到85%以上,純度在99%以上。

      目前這種工藝已相當成熟,但由于生產成本過高、收率較低的缺點未能在食品工業中得到廣泛應用。

      2.2 微生物發酵法

      微生物發酵法顧名思義即通過微生物發酵生產海藻糖,再從發酵液中分離純化,最終制得成品。

      通過誘變、細胞融合及基因重組等方法選育出高產海藻糖的菌株,采用高濃度的培養基及高滲發酵,并在發酵結束前,讓菌體“饑餓”2-3h,可得到含海藻糖高的產物。

      肖冬光等采用誘變、基因重組選育海藻糖生產菌株,胞內海藻糖含量達23~25%,通過氮饑餓、熱休克培養應激酵母細胞,休克處理合成胞外海藻糖,海藻糖含量可達10~16 g/L,經超濾、離交,海藻糖收率>80%,結晶收率89%,海藻糖純度>99%。趙玉巧等對產海藻糖啤酒酵母進行培養優化,最終發酵液中海藻糖的質量濃度可以達到1072mg/L。

      該方法轉化率低,副產物多,在食品行業中也未大范圍應用。

      2.3 酶合成法

      酶法生產主要是以葡萄糖、麥芽糖或者淀粉為底物,通過與海藻糖合成有關的酶的作用,轉化為海藻糖。

      以淀粉為底物生產海藻糖,底物淀粉主要是馬鈴薯、甘薯、玉米、小麥、木薯五種,其中以木薯淀粉為原料海藻糖生成率最高。也有文獻介紹直接以麥芽糖為底物,使用海藻糖合酶生產海藻糖。不同的菌種海藻糖合酶酶解得率不同,其中以棲熱水生菌海藻糖合成酶產率最高,收率可以達到80%以上。

      2000年,南寧中諾生物工程有限責任公司成功開發出酶法轉化木薯淀粉生產海藻糖的工藝,使我國成為世界上第二個酶法工業化生產海藻糖的國家。該工藝利用木薯淀粉由α-淀粉酶、普魯蘭酶分解為短鏈糊精后,經海藻糖合酶作用轉化生產海藻糖,精制后可制成含量為98.0%的食品級結晶海藻糖和含量為99.0%以上的高純度結晶海藻糖。

      2.4 基因工程法

      利用基因工程技術將海藻糖合成酶基因導入植物或微生物中,從而利用工程微生物或具有生產海藻糖能力的轉基因植物生產海藻糖。

      國內外在該方面做了大量的研究。荷蘭植物生物技術公司將大腸桿菌的海藻糖合酶基因導入甜菜、馬鈴薯中,不僅增強了植物的抗旱性和耐寒性,還可使水果和蔬菜收獲加工后仍能較長時間保持新鮮、風味等。我國張樹珍等從擔子菌灰樹花中克隆海藻糖合酶基因并導入甘蔗,從而使甘蔗具有更長的保質期且風味較之前更好。

      利用基因工程技術生產海藻糖具有很大的優勢。相信不久的將來會出現能大量合成海藻糖的重組的植物,并使海藻糖這種現在還很昂貴的碳水化合物走進我們的生活。

      3 海藻糖的應用

      3.1 在食品行業的應用

      在食品行業中海藻糖作為一種新型食品,在食品加工中尤其是食品添加劑中得到了廣泛的應用。

      海藻糖甜度適中,且不留后味,不齲齒,用于巧克力、口香糖的生產中,是一種很好的調味劑;性質穩定不褐變,具有極佳的耐熱性及耐酸性、防腐性,防止淀粉老化及減輕和去除刺激性臭味等,可作為很好的食品保護劑;吸濕性低,對新鮮的水果蔬菜肉類以及其加工品等有極好的保鮮作用。用海藻糖保存食品,能夠使食品的色澤、味道等風味及維生素等營養物質得以保持下來,且保存期比較長。

      海藻糖的應用將強有力地推動我國食品工業的發展,解決蔬菜、水果、肉類和水產品等農漁產品的加工保鮮和儲藏運輸問題,運輸成本大幅度下降,并且因食品品質的提高而降低損耗率,促進銷量的增加等。

      3.2 在醫藥領域的應用

      在醫藥方面,海藻糖是一種很好的穩定劑,可用來保護激素、維生素、抗生素、生物制劑、酶、抗血清、疫苗等易失活的物質。

      用于移植器官及活細胞的貯存,還可以便于其運輸及其使用,同時海藻糖在醫藥上還具有降血糖、護肝等作用。其衍生物還可用作抗癌劑、抗腫瘤劑等。我國中科院微生物研究所應用海藻糖干燥制備用于人血清膽固醇測定的三種診斷工具酶,在室溫下、長期保存后,活性保持率都在90%以上,現已成功的進入于臨床應用。

      總之,無毒副作用的海藻糖在醫藥領域中將具有更廣泛的應用前景。

      3.3 在化妝品方面的應用

      由于海藻糖具有保濕、防曬、防紫外線等功效,故可用于皮膚化妝品、洗面奶,作為保濕劑、潔膚劑、紫外吸收劑等。還可用于唇膏、口腔清涼劑、口腔芳香劑等。日本已將其列為新規格化妝品原料,并用于高級化妝品中。

      完美公司很早就認識到海藻糖的巨大前景,將海藻糖添加到蘆薈保濕修護潤發乳中,深受廣大消費者的歡迎。

      3.4 在農業方面的應用

      海藻糖可應用于農業方面。海藻糖對植物具有保護作用,對育種相當有利。通過生物工程技術有可能將海藻糖的轉基因植物培育成抗旱轉基因植物,經濟作物富含海藻糖,能增強植物的抗旱性和耐寒性,還能使農作物加工后顯得更鮮,風味更佳。

      美國研究人員培育出的轉基因水稻,能有效抵御干旱、寒冷、多鹽,且產量高。美國科學家將來自酵母的海藻糖合成酶基因導人煙草,得到抗旱型植株。美英科學家已培育出了轉基因番茄,并正在研究將海藻糖合成酶基因導人其它水果。將來也許可能改善植物用來改造沙漠、綠化荒旱地等。

      展望

      目前,食品營養、安全與衛生已成為人們日常生活中普遍關注的話題,天然、健康、安全的食品及食品原料己成為規范食品市場及保證人們健康生活的前提。

      作為安全健康的食品原料,海藻糖在各行各業中的應用十分廣泛,隨著研究的不斷深入,人們對海藻糖的了解也會越來越多。在我國食品業中,海藻糖的應用和研究必將掀起新的熱潮,在不久的將來,更多與海藻糖有關的產品將改善人們的飲食生活。

    (作者:靳文斌,李克文,胥九兵,張友亮,肖兆玲,張倩 保齡寶生物股份有限公司)

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