9.2.5甜味剂与保护剂-海藻糖.doc

9.2.5 甜味剂与保护剂海藻糖海藻糖(trehalose)是一种天然糖类，对人体无毒副作用，广泛存在于自然界的动植物和微生物等各种生命体中。它是由2分子葡萄糖通过糖苷键连接而成的非还原性双糖。海藻糖有3种异构体，分别是海藻糖、异海藻糖和新海藻糖，但天然存在的是海藻糖。海藻糖最早是从黑麦的麦角菌中提取，随后又在许多动植物和微生物中发现，由于从海藻之中也能获得该糖，所以一般称其为海藻糖。在酿酒酵母中主要合成和分布在子囊孢子和细胞质中，所以又称酵母糖。海藻糖不带可游离的醛基，它的化学性质稳定，具有不同于其它双糖的独特而卓越的生物学特性，对细胞膜、蛋白质、生物体等均有抗逆保鲜作用 。 1832年，海藻糖最初是由Wiggers从黑麦的麦角菌中分离到。虽然后来在众多动植物和微生物中也相继被发现含有海藻糖，但从1832年到20世纪80年代的150多年历史中，科学家竟知道它是一种能量的贮存形式，而其应用也仅仅限于用作为微生物菌种鉴定(能否将其发酵产气)。1985年，英国剑桥大学的学者研究表明，长年生活在沙漠地带的一些昆虫和植物，在中午50的气温下几乎被干燥脱水，处在生理学上的假死状态，但一经降雨等水分补充，数小时后就能复活。这种复活现象原因是这些生物体内存在着高浓度的海藻糖。此外，一些蛙类等生物能在严寒条件下生存下来，其重要的原因也在于海藻糖对细胞的保护作用。在近年淀粉糖研究中，这种新型的与生命现象有着神奇关联的海藻糖引起了人们的浓厚兴趣。随着研究的不断深入，人们逐渐发现其诸多奇特功效，最新的研究表明，外源性的海藻糖同样具有对生物体和生物大分子的良好的非特异性的保护作用。由于海藻糖对生命保护的深刻意义，因此有人把海藻糖誉为“生命之糖”。92.5.1海藻糖的生物学特性、理化性质1、海藻糖的生物学特性生物体内的海藻糖对生物体和生物大分子具有非特异性保护作用。当生物细胞处于饥饿、干燥、高温、低温冷冻、辐射、高渗透压及有毒试剂等各种胁迫环境时，细胞内海藻糖含量迅速上升，对多种生物大分子(生物体膜、蛋白质)结构特性都具有保护作用，有效保护生物分子结构不被破坏，保证生命物质的生理特征和生命过程，从而保持生命细胞的活力。人们就利用海藻糖对生物细胞及其生物分子具有保护作用的机制，实现了食品长期保鲜效果。 2、海藻糖的理化性质 海藻糖是一种功能及能量型糖类，甜度是蔗糖的45%，但与蔗糖不同的是，它的甜味爽口，不留后味(口感变酸)。其溶解度较蔗糖低，与麦芽糖相当，同时它还具有多种优良理化性质。（1）稳定性 海藻糖与蔗糖属同分异构体，但由于它不具有还原性，因此对热和酸都具有非常好的稳定性，是糖类物质中性质最为稳定的双糖，在pH值为3.510.0范围的溶液中，保持100、24min，分解率仅为1%，而同样条件下其他常见糖类物质会有高达50%90%发生化学变化。海藻糖的水溶液在120处理90min不褐变，在37放置12个月不分解，不褐变。在各种浓度的氨基酸和蛋白质溶液中加入海藻糖于沸水中处理90min不褐变，即在加热过程中不易与氨基酸和蛋白质发生美拉德反应。另外，海藻糖几乎不能被一般的酶分解，只能被特异性的海藻糖酶水解。（2）吸水性 无水结晶海藻糖具有很强的吸水性，如遇含水物质，能有效地吸收该物质中的水分子，自身成为含水结晶海藻糖。因此，无水结晶海藻糖是一种理想的热敏性物质的脱水剂。（3）抗腐蚀性 海藻糖不易生成不溶性的葡聚糖，而且能抑制由砂糖产生的不溶性葡聚糖的附着，因此，海藻糖不易被口腔中引起龋齿的变异链球菌所利用。9.2.5.2海藻糖的生产方法 从20世纪90年代起，通过国内外大量的应用实验，人们对海藻糖的功效就有了较为透彻的认识，对海藻糖的生产方法进行了大量的研究，随着人们对海藻糖生物特异性功能的不断发现和认识，国内外对其生产方法，特别是寻求以原料来源广泛，高效方便的低成本生产方法的研究日益活跃。主要摸索出了以下几种方法:1、 微生物提取法由于海藻糖在酵母中的含量较高，所以海藻糖最早的生产方法即是从酵母中采用溶剂抽提法进行提取，经精制，可得到纯度较高的海藻糖。酵母海藻糖生物合成途径以6- 磷酸葡萄糖和尿苷二磷酸(UDP) - 葡萄糖为底物，在6- 磷酸海藻糖合成酶催化下形成6- 磷酸海藻糖，再经6- 磷酸海藻糖磷酸脂酶作用脱去磷酸基，生成海藻糖；而海藻糖的分解代谢则是在海藻糖酶(tre-halase) 作用下进行的，所以海藻糖的生成量成和代谢平衡调节的，并随环境而变化。酵母提取法是采用特殊培养工艺使酵母细胞内积累较高的海藻糖，然后用酒精抽提法提取。采用特殊的培养工艺，通过调节多种限速生长的因素，如营养饥饿、温度休克、干燥或冷冻等造成海藻糖的积累，导致其含量增加，这样可使酵母细胞内海藻糖的含量提高。由于海藻糖积累是在碳源有限时才能出现，所以一般不存在其它单糖和双糖的干扰，在除去蛋白等大分子物质和细胞碎片以后，用乙醇抽提可以得到含二分子结晶水的海藻糖晶体。以酵母为原料通过溶剂提取，生产海藻糖的工艺如下（仅供参考）：酵母乙醇溶液(水)提取冷却离心上清液碱金属(重金属)除蛋白活性炭脱色上清液阴阳离子交换膜过滤浓缩结晶过滤及干燥成品此方法的缺点是成本较高，收率低，不能用于大规模的工业化生产，仅可用于化学试剂的生产。海藻糖在酵母细胞中主要存在于子囊孢子和细胞质中，破壁提取时会溶出大量的核酸、蛋白质及多糖等内容物，会给分离纯化造成困难。因此，处理时应先采用适宜的渗透细胞技术，使小分子质量的海藻糖通过酵母细胞壁至抽提液，再经脱杂、浓缩、结晶等，将会大大提高海藻糖的纯度。2、微生物发酵法通过微生物发酵生产海藻糖，再由发酵液中提取纯化，此方法的关键是通过诱变、细胞融合以及基因重组等手段选育高产海藻糖的菌株。采用优化培养基和适宜的条件进行发酵，再采用有效分离提取技术对发酵产物进行精制。目前可利用的微生物主要包括酵母、革兰氏阳性菌，特别是微球菌属(Micrococcaceae) ，某些蘑菇菌所含海藻糖占其干重的11 %15 % ，而灰树花菌( Grifolaf rondosa) 中海藻糖含量更高。微生物发酵法工艺如下（仅供参考）：菌种活化三角瓶培养种子罐发酵发酵罐培养收集发酵液、菌体细胞含糖量测定分离提取精制3、酶法制造。酶法制造是采用葡萄糖、蔗糖或麦芽糖等为基质，通过酶的作用变化成海藻糖的方法。 淀粉酶法生产海藻糖的工艺路线可简单概括如下：淀粉调浆高温喷射液化（耐热性液化酶、异淀粉酶）多酶协同糖化（-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、MTSase、MTHase等）脱色分离真空浓缩结晶（含2分子结晶水的海藻糖）干燥成品 生产出的海藻糖成品，产品呈白色晶状、结晶粉末，纯度98%。酶合成法虽然具有特异性高和快速温和等特点，但所用的酶需要精制，制酶的费用很高，且由于酶法生产海藻糖所用底物一般为麦芽糖、低聚糖和淀粉，中间产物较多，其产物分离过程复杂，这样就增加了分离的费用。4、基因重组法 将合成海藻糖的基因导入到普通植物中，使植物在生产过程中积累海藻糖，但由于植物中的含量较低，因此提取的成本还是较高。9.2.5.3 海藻糖的功能和用途海藻糖性质稳定，吸水性和防腐能力强，对生物活性物质具有重要的抗逆保鲜作用，对人体有保健作用，在食品、农业、化妆品、医学、制药、分子生物学研究、保健品、生物制剂(酶、疫苗)和饲料等领域都有广泛的用途。 1、优良的食品防腐剂和抗变性剂 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。海藻糖能很好地防止蛋白质在冷藏或干燥时的变性。在含蛋白质的各种食品中加入海藻糖，能非常有效地保护蛋白质分子的天然结构，使食品的质地和风味保持不变。另外，海藻糖对油脂成分中脂肪分解的抑制率也非常高。海藻糖既可以防止食品腐烂变质，又可以保鲜，并且使用设备简单，使用方便，在保存时间上可以大大延长。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非常接近；在大米加工过程中加入2%的海藻糖，可使米的质量和营养保持数年不变；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，大大降低了液体奶的生产成本。海藻糖在新鲜蔬菜、水果、肉类、水产品、乳制品等商品中使用，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；在海产品、农产品等品质的保持和运输、储备、冷藏费用上也都有着非常重要的现实意义。 最近英国推出利用海藻糖保存食品的新技术，已获得英国农业、渔业、粮食部门正式批准而使用。其应用还可扩展到奶粉、果汁饮料、冷冻浓缩果汁、蔬菜汁、风味调料等多方面。它能保持食品原有的色泽、风味、质地、营养成分等。海藻糖作为一种新型食品添加剂将在食品工业中得到广泛的应用。2、优良的干燥剂、调味剂 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，防止粉末食品黏结，延长产品的货架期。海藻糖作为高稳定、低甜度、低热值、抗龋齿和优质甜味的天然食品甜味剂，可广泛应用于各种糖果、糕点、饮料以及调味品中，可以做各种食品的保鲜剂、调味剂、甜味剂、呈味改良剂和品质改良剂等。研究表明，海藻糖还是一种功能性低聚糖，具有防止人体骨质疏松、促进人体双歧杆菌增殖以及清除体内自由基等功能，因此，海藻糖可广泛用于各种保健食品中，是优良的营养品。3、可用于保存各种药品、疫苗、抗体、酶、病毒等生物活性物质 海藻糖在常温下对药品、疫苗抗体、酶、病毒、微生物菌种和重组人蛋白等生物化学制品具有活性保护作用，添加了海藻糖后这些生化制品的功能在干燥及复水后仍具有极好的稳定性和活性，保护效果明显，且无须冷冻保藏，可节省冷冻保藏的高额费用，因此具有巨大的经济和社会效益。此外，海藻糖及其硫酸衍生物可以作为化妆品的保湿剂、稳定剂和品质改良剂等，其脂肪酸衍生物是优良的表面活性剂；在农业领域，通过生物技术构建含海藻糖的转基因植物，将为培育抗旱、抗冻转基因植物开辟新途径，为改造沙漠、绿化荒地作出贡献。参考文献1. 邵漪，袁勤生.从活性干酵母中提取海藻糖的工艺条件研究.中国生化药物杂志 ，2002，23（6）：278280.2. 傅琳琳,杨一兵,熊国真等.从酵母中提取新型保鲜剂海藻糖的工艺研究. 江西科学，2000，18（2）： 8689.3. 谭海刚，李书巧，关凤梅等.从面包酵母中提取海藻糖工艺研究的.山东微生物学会第六次会员代表大会暨2004年年会:307312.4. 李 于,肖冬光,王兰等.酵母海藻糖提取及精制工艺的研究天.津轻工业学院学报.2002,4:47.5. 孙长慧,袁其朋,周延.海藻糖生产过程中产酶发酵条件的研究.工业微生物, 2003,33(3):1620.6. 穆晓玲,崔亚放,王宇建.生物发酵法生产海藻糖工艺条件