9.2.5甜味劑與保護(hù)劑-海藻糖.doc

9.2.5 甜味劑與保護(hù)劑海藻糖海藻糖(trehalose)是一種天然糖類(lèi)，對(duì)人體無(wú)毒副作用，廣泛存在于自然界的動(dòng)植物和微生物等各種生命體中。它是由2分子葡萄糖通過(guò)糖苷鍵連接而成的非還原性雙糖。海藻糖有3種異構(gòu)體，分別是海藻糖、異海藻糖和新海藻糖，但天然存在的是海藻糖。海藻糖最早是從黑麥的麥角菌中提取，隨后又在許多動(dòng)植物和微生物中發(fā)現(xiàn)，由于從海藻之中也能獲得該糖，所以一般稱(chēng)其為海藻糖。在釀酒酵母中主要合成和分布在子囊孢子和細(xì)胞質(zhì)中，所以又稱(chēng)酵母糖。海藻糖不帶可游離的醛基，它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有不同于其它雙糖的獨(dú)特而卓越的生物學(xué)特性，對(duì)細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、生物體等均有抗逆保鮮作用 。 1832年，海藻糖最初是由Wiggers從黑麥的麥角菌中分離到。雖然后來(lái)在眾多動(dòng)植物和微生物中也相繼被發(fā)現(xiàn)含有海藻糖，但從1832年到20世紀(jì)80年代的150多年歷史中，科學(xué)家竟知道它是一種能量的貯存形式，而其應(yīng)用也僅僅限于用作為微生物菌種鑒定(能否將其發(fā)酵產(chǎn)氣)。1985年，英國(guó)劍橋大學(xué)的學(xué)者研究表明，長(zhǎng)年生活在沙漠地帶的一些昆蟲(chóng)和植物，在中午50的氣溫下幾乎被干燥脫水，處在生理學(xué)上的假死狀態(tài)，但一經(jīng)降雨等水分補(bǔ)充，數(shù)小時(shí)后就能復(fù)活。這種復(fù)活現(xiàn)象原因是這些生物體內(nèi)存在著高濃度的海藻糖。此外，一些蛙類(lèi)等生物能在嚴(yán)寒條件下生存下來(lái)，其重要的原因也在于海藻糖對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用。在近年淀粉糖研究中，這種新型的與生命現(xiàn)象有著神奇關(guān)聯(lián)的海藻糖引起了人們的濃厚興趣。隨著研究的不斷深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)其諸多奇特功效，最新的研究表明，外源性的海藻糖同樣具有對(duì)生物體和生物大分子的良好的非特異性的保護(hù)作用。由于海藻糖對(duì)生命保護(hù)的深刻意義，因此有人把海藻糖譽(yù)為“生命之糖”。92.5.1海藻糖的生物學(xué)特性、理化性質(zhì)1、海藻糖的生物學(xué)特性生物體內(nèi)的海藻糖對(duì)生物體和生物大分子具有非特異性保護(hù)作用。當(dāng)生物細(xì)胞處于饑餓、干燥、高溫、低溫冷凍、輻射、高滲透壓及有毒試劑等各種脅迫環(huán)境時(shí)，細(xì)胞內(nèi)海藻糖含量迅速上升，對(duì)多種生物大分子(生物體膜、蛋白質(zhì))結(jié)構(gòu)特性都具有保護(hù)作用，有效保護(hù)生物分子結(jié)構(gòu)不被破壞，保證生命物質(zhì)的生理特征和生命過(guò)程，從而保持生命細(xì)胞的活力。人們就利用海藻糖對(duì)生物細(xì)胞及其生物分子具有保護(hù)作用的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了食品長(zhǎng)期保鮮效果。 2、海藻糖的理化性質(zhì) 海藻糖是一種功能及能量型糖類(lèi)，甜度是蔗糖的45%，但與蔗糖不同的是，它的甜味爽口，不留后味(口感變酸)。其溶解度較蔗糖低，與麥芽糖相當(dāng)，同時(shí)它還具有多種優(yōu)良理化性質(zhì)。（1）穩(wěn)定性 海藻糖與蔗糖屬同分異構(gòu)體，但由于它不具有還原性，因此對(duì)熱和酸都具有非常好的穩(wěn)定性，是糖類(lèi)物質(zhì)中性質(zhì)最為穩(wěn)定的雙糖，在pH值為3.510.0范圍的溶液中，保持100、24min，分解率僅為1%，而同樣條件下其他常見(jiàn)糖類(lèi)物質(zhì)會(huì)有高達(dá)50%90%發(fā)生化學(xué)變化。海藻糖的水溶液在120處理90min不褐變，在37放置12個(gè)月不分解，不褐變。在各種濃度的氨基酸和蛋白質(zhì)溶液中加入海藻糖于沸水中處理90min不褐變，即在加熱過(guò)程中不易與氨基酸和蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)。另外，海藻糖幾乎不能被一般的酶分解，只能被特異性的海藻糖酶水解。（2）吸水性 無(wú)水結(jié)晶海藻糖具有很強(qiáng)的吸水性，如遇含水物質(zhì)，能有效地吸收該物質(zhì)中的水分子，自身成為含水結(jié)晶海藻糖。因此，無(wú)水結(jié)晶海藻糖是一種理想的熱敏性物質(zhì)的脫水劑。（3）抗腐蝕性 海藻糖不易生成不溶性的葡聚糖，而且能抑制由砂糖產(chǎn)生的不溶性葡聚糖的附著，因此，海藻糖不易被口腔中引起齲齒的變異鏈球菌所利用。9.2.5.2海藻糖的生產(chǎn)方法 從20世紀(jì)90年代起，通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，人們對(duì)海藻糖的功效就有了較為透徹的認(rèn)識(shí)，對(duì)海藻糖的生產(chǎn)方法進(jìn)行了大量的研究，隨著人們對(duì)海藻糖生物特異性功能的不斷發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其生產(chǎn)方法，特別是尋求以原料來(lái)源廣泛，高效方便的低成本生產(chǎn)方法的研究日益活躍。主要摸索出了以下幾種方法:1、 微生物提取法由于海藻糖在酵母中的含量較高，所以海藻糖最早的生產(chǎn)方法即是從酵母中采用溶劑抽提法進(jìn)行提取，經(jīng)精制，可得到純度較高的海藻糖。酵母海藻糖生物合成途徑以6- 磷酸葡萄糖和尿苷二磷酸(UDP) - 葡萄糖為底物，在6- 磷酸海藻糖合成酶催化下形成6- 磷酸海藻糖，再經(jīng)6- 磷酸海藻糖磷酸脂酶作用脫去磷酸基，生成海藻糖；而海藻糖的分解代謝則是在海藻糖酶(tre-halase) 作用下進(jìn)行的，所以海藻糖的生成量成和代謝平衡調(diào)節(jié)的，并隨環(huán)境而變化。酵母提取法是采用特殊培養(yǎng)工藝使酵母細(xì)胞內(nèi)積累較高的海藻糖，然后用酒精抽提法提取。采用特殊的培養(yǎng)工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)多種限速生長(zhǎng)的因素，如營(yíng)養(yǎng)饑餓、溫度休克、干燥或冷凍等造成海藻糖的積累，導(dǎo)致其含量增加，這樣可使酵母細(xì)胞內(nèi)海藻糖的含量提高。由于海藻糖積累是在碳源有限時(shí)才能出現(xiàn)，所以一般不存在其它單糖和雙糖的干擾，在除去蛋白等大分子物質(zhì)和細(xì)胞碎片以后，用乙醇抽提可以得到含二分子結(jié)晶水的海藻糖晶體。以酵母為原料通過(guò)溶劑提取，生產(chǎn)海藻糖的工藝如下（僅供參考）：酵母乙醇溶液(水)提取冷卻離心上清液堿金屬(重金屬)除蛋白活性炭脫色上清液陰陽(yáng)離子交換膜過(guò)濾濃縮結(jié)晶過(guò)濾及干燥成品此方法的缺點(diǎn)是成本較高，收率低，不能用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，僅可用于化學(xué)試劑的生產(chǎn)。海藻糖在酵母細(xì)胞中主要存在于子囊孢子和細(xì)胞質(zhì)中，破壁提取時(shí)會(huì)溶出大量的核酸、蛋白質(zhì)及多糖等內(nèi)容物，會(huì)給分離純化造成困難。因此，處理時(shí)應(yīng)先采用適宜的滲透細(xì)胞技術(shù)，使小分子質(zhì)量的海藻糖通過(guò)酵母細(xì)胞壁至抽提液，再經(jīng)脫雜、濃縮、結(jié)晶等，將會(huì)大大提高海藻糖的純度。2、微生物發(fā)酵法通過(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)海藻糖，再由發(fā)酵液中提取純化，此方法的關(guān)鍵是通過(guò)誘變、細(xì)胞融合以及基因重組等手段選育高產(chǎn)海藻糖的菌株。采用優(yōu)化培養(yǎng)基和適宜的條件進(jìn)行發(fā)酵，再采用有效分離提取技術(shù)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行精制。目前可利用的微生物主要包括酵母、革蘭氏陽(yáng)性菌，特別是微球菌屬(Micrococcaceae) ，某些蘑菇菌所含海藻糖占其干重的11 %15 % ，而灰樹(shù)花菌( Grifolaf rondosa) 中海藻糖含量更高。微生物發(fā)酵法工藝如下（僅供參考）：菌種活化三角瓶培養(yǎng)種子罐發(fā)酵發(fā)酵罐培養(yǎng)收集發(fā)酵液、菌體細(xì)胞含糖量測(cè)定分離提取精制3、酶法制造。酶法制造是采用葡萄糖、蔗糖或麥芽糖等為基質(zhì)，通過(guò)酶的作用變化成海藻糖的方法。 淀粉酶法生產(chǎn)海藻糖的工藝路線(xiàn)可簡(jiǎn)單概括如下：淀粉調(diào)漿高溫噴射液化（耐熱性液化酶、異淀粉酶）多酶協(xié)同糖化（-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、MTSase、MTHase等）脫色分離真空濃縮結(jié)晶（含2分子結(jié)晶水的海藻糖）干燥成品 生產(chǎn)出的海藻糖成品，產(chǎn)品呈白色晶狀、結(jié)晶粉末，純度98%。酶合成法雖然具有特異性高和快速溫和等特點(diǎn)，但所用的酶需要精制，制酶的費(fèi)用很高，且由于酶法生產(chǎn)海藻糖所用底物一般為麥芽糖、低聚糖和淀粉，中間產(chǎn)物較多，其產(chǎn)物分離過(guò)程復(fù)雜，這樣就增加了分離的費(fèi)用。4、基因重組法 將合成海藻糖的基因?qū)氲狡胀ㄖ参镏?，使植物在生產(chǎn)過(guò)程中積累海藻糖，但由于植物中的含量較低，因此提取的成本還是較高。9.2.5.3 海藻糖的功能和用途海藻糖性質(zhì)穩(wěn)定，吸水性和防腐能力強(qiáng)，對(duì)生物活性物質(zhì)具有重要的抗逆保鮮作用，對(duì)人體有保健作用，在食品、農(nóng)業(yè)、化妝品、醫(yī)學(xué)、制藥、分子生物學(xué)研究、保健品、生物制劑(酶、疫苗)和飼料等領(lǐng)域都有廣泛的用途。 1、優(yōu)良的食品防腐劑和抗變性劑 常用的防腐技術(shù)和工藝容易產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性問(wèn)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。海藻糖能很好地防止蛋白質(zhì)在冷藏或干燥時(shí)的變性。在含蛋白質(zhì)的各種食品中加入海藻糖，能非常有效地保護(hù)蛋白質(zhì)分子的天然結(jié)構(gòu)，使食品的質(zhì)地和風(fēng)味保持不變。另外，海藻糖對(duì)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爛變質(zhì)，又可以保鮮，并且使用設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，在保存時(shí)間上可以大大延長(zhǎng)。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)品與鮮蛋液非常接近；在大米加工過(guò)程中加入2%的海藻糖，可使米的質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)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(yíng)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，大大降低了液體奶的生產(chǎn)成本。海藻糖在新鮮蔬菜、水果、肉類(lèi)、水產(chǎn)品、乳制品等商品中使用，可普遍延長(zhǎng)這些產(chǎn)品的貨架壽命，并且使食品保持了良好的感官品質(zhì)；在海產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品等品質(zhì)的保持和運(yùn)輸、儲(chǔ)備、冷藏費(fèi)用上也都有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 最近英國(guó)推出利用海藻糖保存食品的新技術(shù)，已獲得英國(guó)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、糧食部門(mén)正式批準(zhǔn)而使用。其應(yīng)用還可擴(kuò)展到奶粉、果汁飲料、冷凍濃縮果汁、蔬菜汁、風(fēng)味調(diào)料等多方面。它能保持食品原有的色澤、風(fēng)味、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)成分等。海藻糖作為一種新型食品添加劑將在食品工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。2、優(yōu)良的干燥劑、調(diào)味劑 海藻糖具有很強(qiáng)的吸水性，在淀粉類(lèi)食品中添加海藻糖可明顯抑制淀粉的老化，防止粉末食品黏結(jié)，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。海藻糖作為高穩(wěn)定、低甜度、低熱值、抗齲齒和優(yōu)質(zhì)甜味的天然食品甜味劑，可廣泛應(yīng)用于各種糖果、糕點(diǎn)、飲料以及調(diào)味品中，可以做各種食品的保鮮劑、調(diào)味劑、甜味劑、呈味改良劑和品質(zhì)改良劑等。研究表明，海藻糖還是一種功能性低聚糖，具有防止人體骨質(zhì)疏松、促進(jìn)人體雙歧桿菌增殖以及清除體內(nèi)自由基等功能，因此，海藻糖可廣泛用于各種保健食品中，是優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)品。3、可用于保存各種藥品、疫苗、抗體、酶、病毒等生物活性物質(zhì) 海藻糖在常溫下對(duì)藥品、疫苗抗體、酶、病毒、微生物菌種和重組人蛋白等生物化學(xué)制品具有活性保護(hù)作用，添加了海藻糖后這些生化制品的功能在干燥及復(fù)水后仍具有極好的穩(wěn)定性和活性，保護(hù)效果明顯，且無(wú)須冷凍保藏，可節(jié)省冷凍保藏的高額費(fèi)用，因此具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。此外，海藻糖及其硫酸衍生物可以作為化妝品的保濕劑、穩(wěn)定劑和品質(zhì)改良劑等，其脂肪酸衍生物是優(yōu)良的表面活性劑；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)生物技術(shù)構(gòu)建含海藻糖的轉(zhuǎn)基因植物，將為培育抗旱、抗凍轉(zhuǎn)基因植物開(kāi)辟新途徑，為改造沙漠、綠化荒地作出貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1. 邵漪，袁勤生.從活性干酵母中提取海藻糖的工藝條件研究.中國(guó)生化藥物雜志 ，2002，23（6）：278280.2. 傅琳琳,楊一兵,熊?chē)?guó)真等.從酵母中提取新型保鮮劑海藻糖的工藝研究. 江西科學(xué)，2000，18（2）： 8689.3. 譚海剛，李書(shū)巧，關(guān)鳳梅等.從面包酵母中提取海藻糖工藝研究的.山東微生物學(xué)會(huì)第六次會(huì)員代表大會(huì)暨2004年年會(huì):307312.4. 李 于,肖冬光,王蘭等.酵母海藻糖提取及精制工藝的研究天.津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2002,4:47.5. 孫長(zhǎng)慧,袁其朋,周延.海藻糖生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)酶發(fā)酵條件的研究.工業(yè)微生物, 2003,33(3):1620.6. 穆曉玲,崔亞放,王宇建.生物發(fā)酵法生產(chǎn)海藻糖工藝條件