海藻糖的生產(chǎn)及市場應(yīng)用

徐娟 袁衛(wèi)濤 楊海軍

海藻糖是一種安全的天然糖類，無毒無害，對人體無副作用，具有優(yōu)質(zhì)甜味、非著色性、耐酸、耐熱、低吸濕性等特性，還具有其他雙糖所沒有的獨(dú)特生物學(xué)特性。當(dāng)生物細(xì)胞處于饑餓、干燥、高溫、高滲透壓等惡劣環(huán)境時(shí)，細(xì)胞內(nèi)海藻糖含量迅速上升，對多種大分子產(chǎn)生保護(hù)作用，從而維持生物體生命特性，外源性的海藻糖還對生物和生物大分子有良好的非特異性保護(hù)作用，因此海藻糖在科學(xué)界素有“生命之糖”的美譽(yù)。隨著其獨(dú)特的生物學(xué)性質(zhì)及功能的發(fā)現(xiàn)，海藻糖逐漸成為國際上的研究熱點(diǎn)。

海藻糖的功能特性抗脫水保護(hù)功能

海藻糖對逆境(高溫、冷凍、干燥、高滲等)具有高抗性，許多含豐富海藻糖的動(dòng)植物完全干燥失水后仍然維持活性，一旦遇水立刻復(fù)活。

關(guān)于海藻糖的防脫水機(jī)理有以下3種假說：一種是以Crowe等人為代表提出的“水替代”假說，他們認(rèn)為當(dāng)生物大分子失去維持其結(jié)構(gòu)和功能特性的結(jié)構(gòu)水膜時(shí)，海藻糖能在生物分子的失水部位以氫鍵形式聯(lián)接，形成一層保護(hù)膜以代替失去的結(jié)構(gòu)水膜。另一種為“玻璃態(tài)”假說，認(rèn)為通過海藻糖玻璃化轉(zhuǎn)變的趨勢，導(dǎo)致無定形連續(xù)相的形成，在結(jié)構(gòu)上與玻璃態(tài)的冰相似，在這種結(jié)構(gòu)中分子運(yùn)動(dòng)和分子變性反應(yīng)非常微弱。第三種是“優(yōu)先排阻”假說。

抗輻射功能

海藻糖可保護(hù)細(xì)胞DNA不被放射性物質(zhì)損傷。據(jù)報(bào)道，當(dāng)存在10mmoL海藻糖時(shí)，DNA可忍受4倍劑量的B射線及Y-射線，糖含量越高，保護(hù)作用越強(qiáng)。其機(jī)理為：射線引起的DNA斷裂反應(yīng)主要是由周圍水分子解離產(chǎn)生的羥基自由基引發(fā)的，而海藻糖可有效清除。提高植物的抗寒、抗鹽功能

經(jīng)海藻糖處理的綠豆幼苗質(zhì)膜上Mg2⁺、K⁺-ATPase的活性顯著提高。用0.1％的海藻糖溶液浸水稻種，經(jīng)低溫處理后，水稻幼苗細(xì)胞電解質(zhì)滲透率顯著降低，而淀粉酶活性及幼苗可溶性糖含量則提高，對寒害的修復(fù)能力也提高。而且處理溫度愈低，海藻糖的相對效應(yīng)就愈顯著。用海藻糖預(yù)處理的小麥幼苗在NaCl溶液中生長，其細(xì)胞電解質(zhì)滲透率和游離脯氨酸的含量均顯著降低，而葉綠素含量、根系活力、干物質(zhì)的積累和生長速度則提高。這是因?yàn)楹Ｔ逄悄茉谧魑镉浊霸馐艿蜏?、鹽害而脫水時(shí)，維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了作物幼曲的抗逆能力。其他功能

海藻糖還具有抗冷凍保護(hù)功能、防止淀粉老化、防止蛋白質(zhì)變性、防蛀牙、穩(wěn)定組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)與保鮮效果、穩(wěn)定物料中超氧化物歧化酶等諸多功能。

海藻糖的生產(chǎn)制備

海藻糖的生產(chǎn)方法目前主要有微生物抽提法、微生物發(fā)酵法、酶轉(zhuǎn)化法以及基因工程法4種。

微生物抽提法

該方法是以乳酸菌、酵母、霉菌及其他一些含海藻糖的菌體為原料，通過干燥、改變滲透壓等方法進(jìn)行處理，然后經(jīng)過乙醇等有機(jī)溶劑抽提、精制，從而得到較高純度的海藻糖晶體。

微生物發(fā)酵法

該方法是以酵母、諾卡氏菌屬、微球菌屬等微生物經(jīng)過誘變、細(xì)胞融合或基因重組選育出高產(chǎn)海藻糖的菌株，在高濃度或高滲基質(zhì)上發(fā)酵培養(yǎng)，再從發(fā)酵液中提取精制而成。日本首先從發(fā)酵液中提取海藻糖，提取率可達(dá)到88.6％，同時(shí)純度達(dá)到99.5％。國內(nèi)杭州商學(xué)院在研究開發(fā)深層灰樹花中提取海藻糖項(xiàng)目也已獲得突破性進(jìn)展。

酶轉(zhuǎn)化法

酶轉(zhuǎn)化法制取海藻糖的途徑有多種，根據(jù)作用底物不同主要分為3種，分別為以葡萄糖為底物、以麥芽糖為底物和以淀粉為底物。

基因工程法

用工程微生物或構(gòu)建具有抗逆性的轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)海藻糖，不僅可以提高質(zhì)量還可以降低成本。荷蘭Mogen和Vander Have公司已經(jīng)開發(fā)出了提高甜菜和馬鈴薯等作物中海藻糖產(chǎn)量的技術(shù)，并獲得了專利。隨著基因重組技術(shù)的發(fā)展，該方法一定會(huì)越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

海藻糖的應(yīng)用研究食品方面的應(yīng)用

海藻糖可作為優(yōu)良的食品防腐劑和抗變性劑。由于常用的防腐技術(shù)和工藝容易產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性問題，且化學(xué)防腐劑又有一定的毒性，普通的蔗糖雖然也有保護(hù)作用，但其甜度較高，而海藻糖恰好能彌補(bǔ)這些技術(shù)缺陷。據(jù)有關(guān)報(bào)道，在雞蛋中添加3％的海藻糖，45℃下干燥成粉狀，復(fù)水后的產(chǎn)品與鮮蛋液相差無幾；在大米加工過程中加入2％的海藻糖，可使米質(zhì)保持?jǐn)?shù)年不變；添加海藻糖制成的奶粉，經(jīng)水化還原成鮮牛奶，感官品質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)基本保持不變，這樣既可減小運(yùn)輸體積又可省去冷藏設(shè)備，大大降低了成本。

此外，還可作為優(yōu)良的脫水劑，防止粉末食品黏結(jié)。由于海藻糖具有很強(qiáng)的吸水性，在淀粉類食品中添加海藻糖可明顯抑制淀粉的老化，延長產(chǎn)品的貨架期。海藻糖作為高穩(wěn)定、低甜度、抗齲齒的天然食品甜味劑，可廣泛應(yīng)用于各種糖果、糕點(diǎn)、飲料以及調(diào)味品中。

保健品方面的應(yīng)用

海藻糖是天然綠色糖類，與其他糖類相比，海藻糖在人體內(nèi)吸收緩慢，血糖反應(yīng)平緩，這可為糖尿病人開發(fā)保健食品。海藻糖也適合開發(fā)那些提供充足能量、緩解疲勞壓力的運(yùn)動(dòng)飲料和功能性飲料。海藻糖還是雙歧桿菌的增殖因子，可促進(jìn)人體內(nèi)雙歧桿菌的增殖，改善腸道微生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)胃腸道消化吸收功能，有效排除體內(nèi)毒素，增強(qiáng)機(jī)體免疫抗病能力。此外，海藻糖的抗輻射作用使細(xì)胞DNA不易發(fā)生突變，實(shí)驗(yàn)室研究證明，含有l(wèi)OmmoL／kg的海藻糖，可使活細(xì)胞承受正常4.3倍劑量的B射線及Y射線，應(yīng)用這些特性可以將海藻糖開發(fā)為接受放療的癌癥病人的保健食品。日本最新的研究表明，海藻糖還具有防止人體骨質(zhì)疏松的功能。因此，海藻糖是開發(fā)各種保健食品的重要原料。

醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用

海藻糖在醫(yī)藥上的應(yīng)用主要是作為生物分子的特效保護(hù)劑和組織細(xì)胞的穩(wěn)定劑。如血液制品、疫苗、抗體、酶、病毒、激素、重組人體蛋白、離體細(xì)胞和組織等生物活性物質(zhì)，與其他種類的保護(hù)劑相比，不僅使其可在常溫下保存，還可減少因血液污染引起的乙肝和艾滋病的傳播，保證生物制品的質(zhì)量和安全。另外，由于無須冷凍保藏，還可節(jié)省巨額的冷鏈保藏費(fèi)用。

化妝品方面的應(yīng)用

由于海藻糖具有極強(qiáng)的保濕作用及防曬、防紫外線等生理功效，可以作為保濕劑、保護(hù)劑等添加到乳液、面膜、精華素、洗面奶中，還可作為唇膏、口腔清潔劑、口腔芳香劑等的甜味劑、品質(zhì)改良劑。日本林原生化研究所發(fā)現(xiàn)，海藻糖還具有抑制老年人體臭的功效，準(zhǔn)備利用海藻糖開發(fā)防止體臭的化妝品和護(hù)理用品。無水海藻糖還可以用于化妝品中作為磷脂以及酶的脫水劑，其脂肪酸衍生物還是優(yōu)良的表面活性劑。目前，用于化妝品的主要是海藻糖的衍生物，日本已將其列為新規(guī)格化妝品原料，應(yīng)用于高級(jí)化妝品中。

農(nóng)作物育種中的應(yīng)用

采用生物技術(shù)將海藻糖合酶基因?qū)胱魑锊⑹蛊湓谧魑矬w內(nèi)表達(dá)，構(gòu)建生產(chǎn)海藻糖的轉(zhuǎn)基因植物，培育抗凍、抗旱轉(zhuǎn)基因植物新品種，提高農(nóng)作物的抗寒、抗旱能力，而且可使其在收獲加工后顯得新鮮，且能保持原有的風(fēng)味和質(zhì)地。目前，美國科學(xué)家已經(jīng)把來自酵母的海藻糖合酶基因?qū)霟煵?，并獲得了具有抗旱性的轉(zhuǎn)基因植株。

海藻糖也可用于種子保存等，在使用海藻糖之后，可以有效地保持種子、種苗根莖中的水分子，有利于農(nóng)作物播種，成活率高，同時(shí)避免了作物被凍傷，這對降低生產(chǎn)成本，特別是北方寒冷干燥的氣候?qū)r(nóng)業(yè)的影響，具有重要意義。

海藻糖的應(yīng)用前景

目前國際市場對海藻糖的需求量很大，估計(jì)年需求量達(dá)10萬噸以上，而目前國際上海藻糖的生產(chǎn)能力不到5萬噸。國內(nèi)過去所用的海藻糖基本都是從日本進(jìn)口，用酶法生產(chǎn)海藻糖產(chǎn)品代替進(jìn)口產(chǎn)品必將有很大的市場空間。由于國內(nèi)現(xiàn)有的功能性糖生產(chǎn)設(shè)備和工藝可改造并用于海藻糖的生產(chǎn)，因此加快對海藻糖工業(yè)化生產(chǎn)的核心技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)，必將推動(dòng)我國功能性糖行業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整和質(zhì)量提升，同時(shí)也給我國食品工業(yè)及相關(guān)行業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)帶來新的機(jī)遇。