海藻糖及其在飼料養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

王躍先，高愛霞，劉德海

（1.河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008；

2.沁陽市山王莊鎮(zhèn)政府；河南省科學(xué)院生物研究所）

海藻糖及其在飼料養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

王躍先1，高愛霞2，劉德海3

（1.河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008；

2.沁陽市山王莊鎮(zhèn)政府；河南省科學(xué)院生物研究所）

海藻糖是一種天然存在的非還原性二塘，作為一種健康、安全的新型原料，具有對生物膜、蛋白質(zhì)及活菌制劑等獨特的保護作用，在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

海藻糖；性質(zhì)；飼料工業(yè)；養(yǎng)殖；應(yīng)用

海藻糖（trehalose）又稱α-D-吡喃葡糖苷基-α-D-吡喃葡糖苷，是一種安全、可靠的天然糖類，1832年由Wiggers將其從黑麥的麥角菌中提取，首次發(fā)現(xiàn)了海藻糖［1］，隨后法國化學(xué)家Berthelot在小亞細亞沙漠里一種橡皮蟲分泌的糖蜜中也發(fā)現(xiàn)了該糖，將其命名為海藻糖［2］。研究發(fā)現(xiàn)海藻糖在自然界中許多可食用動植物及微生物體內(nèi)都廣泛存在，如人們?nèi)粘Ｉ钪惺秤玫哪⒐筋?、海藻類、豆類、蝦、面包、啤酒及酵母發(fā)酵食品中都有含量較高的海藻糖，其中，蘑菇中含量較多，占干重的20%左右。

海藻糖對多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護作用。沙漠植物卷葉柏在干旱時幾近枯死，遇水后卻又可以奇跡般復(fù)活；高山植物復(fù)活草能夠耐過冰雪嚴寒；一些昆蟲在高寒、高溫和干燥失水等條件下不凍結(jié)、不干死，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，之所以能夠在嚴酷的環(huán)境中存活，是因為它們體內(nèi)有海藻糖。眾多研究試驗證明，海藻糖可保護動植物細胞和蛋白質(zhì)不受凍、不干枯，并且，它在昆蟲的體液中，可作為一種飛翔的能源。海藻糖因此在科學(xué)界素有“生命之糖”的美譽［3］。國際權(quán)威的《自然》雜志曾在2000年7月發(fā)表了對海藻糖進行評價的專文，文中指出：“對許多生命體而言，海藻糖的有與無，意味著生命或者死亡”。同時海藻糖安全無公害，作為一種綠色食品添加劑已通過美國和歐盟的認證［4］。

海藻糖對生物體具有神奇的保護作用，是因為海藻糖在高溫、高寒、高滲透壓及干燥失水等惡劣環(huán)境條件下在細胞表面能形成獨特的保護膜，有效地保護蛋白質(zhì)分子不變性失活，從而維持生命體的生命過程和生物特征。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖類，均不具備這一功能。這一獨特的功能特性，使得海藻糖可以作為蛋白質(zhì)、酶、疫苗和其他生物制品的優(yōu)良活性保護劑。

1 海藻糖的理化性質(zhì)

海藻糖是由兩個葡萄糖分子以1，1-糖苷鍵構(gòu)成的非還原性雙糖，海藻糖是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的非還原性雙糖，具有明顯的化學(xué)惰性和極強的穩(wěn)定性，有3種異構(gòu)體即海藻糖（α，α）、異海藻糖（β，β）和新海藻糖（α，β），分子式為C12H22O11，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，海藻糖是功能性低聚糖，具有非還原性、保濕性、熱酸穩(wěn)定性、抗凍結(jié)、干燥性等特性［5］，不具有還原性，不能使斐林試劑還原，也不能被糖苷酶水解，且與氨基酸和蛋白質(zhì)混合加熱也不會發(fā)生美拉德反應(yīng)褐變。商品海藻糖含2個結(jié)晶水的結(jié)晶海藻糖和不含結(jié)晶水的無水海藻糖，易溶于水，乙醇、冰醋酸，不溶于乙醚、丙酮，海藻糖在水中的溶解度隨溫度的變化較為明顯；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，結(jié)晶海藻糖熔點為97℃，于130℃失水，無水海藻糖熔點為210.5℃；無色無味，口感略帶甜味，甜度相當于蔗糖的45%，在體內(nèi)可被酶水解為葡萄糖，甜味久而不衰是較砂糖而言更溫和的高品質(zhì)糖類，并且很容易與其他甜味劑調(diào)和，能引發(fā)素材本身所特有的味道，并達到略帶甜味的效果，海藻糖跟蔗糖和麥芽糖一樣在小腸被消化吸收，成為營養(yǎng)源。

2 海藻糖的生物學(xué)特性

海藻糖最重要的生物學(xué)功能是其抗逆保護作用及能量儲備等。研究表明：某些物種對外界惡劣環(huán)境如干旱、高溫、脫水、冷凍、高滲透壓及毒性物質(zhì)等，所表現(xiàn)出來的抗逆耐受力與這些物種體內(nèi)存在的海藻糖密切相關(guān)。海藻糖對生物體及生物大分子有著良好的非特異性的保護作用，因而使其在食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)上有許多用途，如在醫(yī)藥和微生物學(xué)中作細胞防凍劑、診斷試劑和生物產(chǎn)品的穩(wěn)定劑、化妝品的有效成分、食品防腐劑、農(nóng)業(yè)上培育抗旱作物等［6］，具有非特異性保護、抗輻射、保濕、防腐等特性。近年來，海藻糖的保護作用日益被人們所重視，在水溶液中，海藻糖可以保持玻璃態(tài)并形成非吸濕玻璃態(tài)，使海藻糖在結(jié)晶時保持穩(wěn)定。這種二糖還可作為分子伴侶，在環(huán)境損傷引起的變性蛋白的正確折疊中起著重要作用。關(guān)于海藻糖對生物大分子保護作用的原因，大致有兩種假說：一是“玻璃態(tài)”假說，認為通過海藻糖玻璃化轉(zhuǎn)變的趨勢，使細菌在冷凍干燥過程中和復(fù)水過程中均處于液晶狀態(tài)，在這種結(jié)構(gòu)中，分子運動和分子反應(yīng)非常微弱；二是“水替代”假說，認為生物體的大分子被一層水膜包圍著，當生物大分子失去包圍在其表層以維持其結(jié)構(gòu)和功能的水膜時，海藻糖能在失水部位以氫鍵形式鏈接，形成一層保護膜以替代失去的結(jié)構(gòu)水膜，來維持生物大分子的空間結(jié)構(gòu)［7］。

3 海藻糖的制備方法

海藻糖廣泛存在于自然界（如微生物、細菌、真菌、酵母菌、昆蟲、無脊椎動物低等動植物體內(nèi)），海藻糖的生產(chǎn)方法包括微生物酵母抽提法、微生物發(fā)酵法、天然生物提取法、酶轉(zhuǎn)化淀粉法、化學(xué)合成法、基因重組法等［8-9］，目前在實驗室和生產(chǎn)上制備海藻糖主要有三種方法：一是從生物酵母和細菌細胞中提取，二是采用微生物發(fā)酵生產(chǎn)，三是采用微生物發(fā)酵提取相關(guān)海藻糖合成酶，采用酶法合成海藻糖［10］，酶法是至今各種海藻糖生產(chǎn)方法中最有前途的一種，它的出現(xiàn)為海藻糖的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定了可靠基礎(chǔ)［11］。海藻糖合酶酶法合成不需要任何輔酶，反應(yīng)流程短，底物專一性強，工藝簡單，易于調(diào)控，適于工業(yè)化生產(chǎn)海藻糖。海藻糖合成酶法以麥芽糖為底物，一步轉(zhuǎn)化生成海藻糖，是相對經(jīng)濟的生產(chǎn)方法，但仍有許多問題需要研究解決，其中海藻糖合成酶是關(guān)鍵［12］。海藻糖合成酶是一種新的轉(zhuǎn)苷酶，此酶對麥芽糖作用專一，使麥芽糖出現(xiàn)分子內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)苷作用，即α-1，4鍵轉(zhuǎn)變?yōu)棣?1，1鍵，這樣，麥芽糖在分子內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為海藻糖。

4 海藻糖在飼料養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

海藻糖作為一種添加劑、穩(wěn)定劑和甜味劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域［13］。作為一種生物活性物質(zhì)，具有很強的保水性以及對生物大分子如蛋白的保護作用，使得海藻糖具有很好的商業(yè)價值，在飼料養(yǎng)殖領(lǐng)域也逐漸得到了應(yīng)用，越來越受到人們重視。吳信等（2007）等［14］探討了海藻糖在飼料中的應(yīng)用，利用其對酸、熱都非常穩(wěn)定可作為抗變性劑和防腐劑以延長飼料的保質(zhì)期和貨架期，利用其吸濕性和干燥性可替代化學(xué)儲存劑用于飼料的干燥和保存，利用海藻糖不具有還原性，與蛋白質(zhì)、氨基酸等混合加熱也不會發(fā)生美拉德反應(yīng)，可防止飼料高溫加工所引起的美拉德反應(yīng)。

4.1 作為凍干保護劑

隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，飼料的需求量日益增大，青貯飼料以其適口性好、消化率高已成為畜禽常用粗飼料。微生態(tài)制劑在養(yǎng)殖應(yīng)用中可有效調(diào)節(jié)動物腸道pH，造成腸道酸性環(huán)境，抑制有害菌群的生長繁殖，調(diào)節(jié)動物腸道菌群的平衡，保持腸道健康。在實際生產(chǎn)中由于受高溫等多種客觀條件限制，其菌體死亡和損失率高。海藻糖在細菌干燥過程中形成玻璃態(tài)保護膜，可有效保護細胞受損傷。攀振（2007）等［15］在凍干保護劑中加入6%海藻糖后，可使青貯飼料用植物乳桿菌的凍干存活率達到88.21%，使得乳酸菌在凍干后存活率大大提高，從而克服了如路途遙遠、活菌數(shù)不足、飼養(yǎng)地區(qū)條件差等因素的制約，為青貯飼料添加劑在偏遠農(nóng)牧區(qū)的推廣提供了依據(jù)。潘艷（2010）等［16］研究以飼料用植物乳桿菌為目標菌株，在其冷凍干燥過程中加入海藻糖的保護作用最為顯著，植物乳桿菌的存活率達到78.90%，添加海藻糖可明顯減緩植物乳桿菌的死亡速度。添加海藻糖也能有效地提高酵母的耐凍能力［17］。

蔗糖和海藻糖是常用的非滲透性和低毒性冷凍保護劑，有助于細胞膜的穩(wěn)定，王金花（2009）等［18］比較了蔗糖、海藻糖作為非滲透冷凍保護劑對兔子胚胎冷凍保存的效果，發(fā)現(xiàn)添加海藻糖組存活率明顯高于蔗糖組。

韋航（2010）等［19］對海藻糖作為抗凍劑對魚片和魚丸的保鮮作用進行了研究發(fā)現(xiàn)：添加海藻糖能有效抑制冷凍魚片和魚丸解凍失水、加熱失重，并能防止魚肉蛋白質(zhì)變性，保持鮮嫩口感，提高冷凍魚片和魚丸的品質(zhì)。

4.2 作為生物活性物質(zhì)的保護劑

由于海藻糖是一種可溶性的小分子化合物，對蛋白質(zhì)、膜系統(tǒng)有很好的保護作用，在脅迫條件下可有效維持生物膜、細胞內(nèi)活性物質(zhì)的穩(wěn)定性，從而提高動植物對干旱等非生物脅迫的耐受能力。生物體通過調(diào)節(jié)海藻糖的合成來抵御外界的不良傷害，但當環(huán)境條件恢復(fù)的情況下，胞內(nèi)海藻糖又會迅速分解。高海藻糖含量可以保護細胞膜，對多種生物大分子和細胞膜有顯著的保護作用，用途十分廣泛，防止線粒體DNA丟失和細胞內(nèi)容物的外泄，是重要的抗高滲保護劑，還可以保護細胞抵御高溫脅迫［20］。如海藻糖可以用來替代血漿作為疫苗等生物制品的穩(wěn)定劑，使生物制品能在常溫存放，大大節(jié)省冷藏費用。

酶作為一種活性蛋白質(zhì)，它的穩(wěn)定性一直是困擾其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。飼料中加入酶制劑可有效提高養(yǎng)殖效益，植酸酶在畜禽養(yǎng)殖上的應(yīng)用已得到肯定，李融（2009）等［21］對海藻糖作為一種包被成分在商品植酸酶中應(yīng)用，結(jié)果表明海藻糖可有效提高植酸酶的熱穩(wěn)定性，加入海藻糖較不加時酶活力保留率提高36.3%～50.3%。研究發(fā)現(xiàn)海藻糖在高溫下能保持酶的正?；钚?，甚至起熱激活作用，還能用于提高干燥保存的酶的活性。在反應(yīng)體系中加入海藻糖，使熱敏感的酶在高溫下穩(wěn)定性和活性增加，可當作耐熱酶使用，海藻糖的這一作用在生物藥學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

4.3 海藻糖在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

作為低聚糖添加劑應(yīng)用于動物養(yǎng)殖：王寶維（2003）等［22］在羅曼蛋雞飼料或飲水中添加海藻糖（500 mg/kg），可有效促進腸道乳桿菌和雙歧桿菌的生長繁殖，有效降低大腸糞便NH3-N含量，在動物飼料方面有廣闊的應(yīng)用前景。

黃?。?009）［23-24］在肉雞日糧中添加海藻糖可顯著提高肉雞的消化性能，優(yōu)化腸道微生物組成，能顯著促進肉雞生長，增加日增重，降低料肉比、死亡率，改善肉品質(zhì)及提高肌肉中蛋白質(zhì)含量。以0.1%添加量效果最優(yōu)，可顯著提高肉雞體質(zhì)量9.42%（P＜0.05），料肉比顯著低于對照組（P＜0.05）。

海藻糖是在生物圈廣泛存在的一種非還原性雙糖，作為能量或碳源的供體，主要參與微生物、植物和無脊椎動物碳水化合物的儲存、運輸及逆境保護等生理過程。最初，海藻糖常被認為是細胞貯存葡萄糖的一種方式，用于能量合成或者作為細胞壁的組分，但隨著海藻糖的功能被報道的越來越多，現(xiàn)在已經(jīng)明確，海藻糖不僅僅是一種供能化合物，而且參與了細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)控，防護胞內(nèi)蛋白和細胞膜因不良環(huán)境壓力而引起的失活和變性［25］。其對活體的保護作用和特殊的理化性質(zhì)（具有很強的熱穩(wěn)定性、酸穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性）目前在水產(chǎn)品、畜產(chǎn)品、生物制品、食品、藥品及精細化工等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，隨著海藻糖生產(chǎn)成本的不斷降低，功能性質(zhì)不斷被人們認識，其應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣泛，發(fā)掘研究海藻糖在動物體內(nèi)的代謝和作用機制，對畜牧業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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S816.35

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1004-5090（2016）09-0013-04

2016-07-24）

河南省科技創(chuàng)新杰出人才項目，項目編號：154200510025，“利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)海藻糖的關(guān)鍵技術(shù)研究”。