海藻糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景

1、海藻糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景:一第6卷第3期華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2000年9月V.l6N.3JOURNALOFSOUTHCHINAUNIVERSITYOFTROPICALAGRICULTURESept2000海藻糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景&533(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物生物技術(shù)國家重點實驗室?？?71101)摘要綜述海藻糖的理化性質(zhì),來源,相關(guān)的酶及其對生物丹子的保護特性,作用機理和可能的應(yīng)用前景.關(guān)量詞墮,跫±苧墾.佳旦墊望.射崮t.f研帕1羔l海藻糖的理化性質(zhì)囊來源海藻糖(Trehalose)是一種穩(wěn)定的非還原性雙糖,它由兩個吡喃環(huán)葡萄糖分子與1,1糖苷鍵連結(jié)而

2、成.在理論上它存在三種不同的正位異構(gòu)體(Ancners),即a,.一海藻糖(又叫蘑菇糖,Mycose),n,D一海藻糖(新海藻糖,Neotrehalose),口,p一海藻糖(異海藻糖,Isotrehalose).海藻糖可以幾種固體形式存在,最常見的是二水化合物,熔點達(dá)97,將其加熱至130,其失去結(jié)晶水,成為無水結(jié)晶體時,熔點可達(dá)214216.其水溶液性質(zhì)穩(wěn)定,無色無嗅,口感略帶甜味,它不會焦糖化.海藻糖的理化性質(zhì)十分穩(wěn)定,不能使斐林試劑還原,也不能被a一糖苷酶水解,但在強酸條件下能被水解為兩個葡萄糖分子.海藻糖的某些理化性質(zhì)如下”:,不含結(jié)晶水的為2l4216.溶解熱:臺結(jié)晶水的為57.81

3、【j/mol,不含結(jié)晶水的為53.4kJ/tool.甜度:相當(dāng)于蔗糖的45%.溶解度:10時為55.3,50時為140.1,90時為602.9.穩(wěn)定性:a.pH穩(wěn)定性:在pH3.5,100,24h條件下,99%殘存.b.熱穩(wěn)定性:(水中)120,90min,褐變C熱穩(wěn)定性:(含蛋白質(zhì)溶液)沸水,90min,褐變.d.水溶液保存期:在37條件下仍能生存.在這種情況下,海藻糖是生物臺成的低溫保護劑,其保護作用是通過降低冰的熔點實現(xiàn)的.3.3干燥脅迫fdesiccationstress)細(xì)胞脫水干燥也涉及幾個脅迫因子.如室溫下干燥細(xì)胞要受到滲透壓脅迫因子的影響;高溫下干燥,涉及熱和滲透壓等因子,酵母

4、胞內(nèi)海藻糖積累與其耐干燥能力具有一致的關(guān)系.而一些孢子即使”完全脫水”其活力仍不喪失.許多低等生物,其對抗脅迫環(huán)境也是靠海藻糖.細(xì)胞內(nèi)海藻糖的含量與細(xì)胞對逆境的耐受程度平行增減,它在細(xì)胞中是一種典型的應(yīng)激代謝物,一種優(yōu)良的滲透調(diào)節(jié)劑,它使得生物體具有抗旱,抗寒,抗凍等生物特性.4海藻糖對生物分子的保護作用及可能的作用機制海藻糖對生物分子有特殊的保護作用,它能使許多生物在異常條件下,如高溫,脫水和冷凍時仍保持原活性,所以海藻糖對脫水干燥的生命物質(zhì)有明顯的保護作用.4.1海藻糖對生物膜的保護作用膜表面結(jié)合水的存在對膜的穩(wěn)定及保持完整有著重要作用.正常的情況下膜表面都存在大量的結(jié)臺水,例如PC脂質(zhì)體

5、,通常每一磷脂頭部都結(jié)合1O15個水分子.結(jié)臺水的存在使膜表面能降低,且使膜與膜問的緊密接觸膜融臺的第一步不能實現(xiàn).但一旦失去結(jié)合水,膜結(jié)構(gòu)將發(fā)生一系列變化,出現(xiàn)諸如磷脂相變溫度升高】.磷脂側(cè)向相分離,膜脂缺陷及形成非雙層相等等,從而使膜通透性增高乃至產(chǎn)生膜融合.海藻糖或其它糖類(甘露糖.葡萄糖等)由于擁有許多羥基,則能夠替代水和磷脂頭部發(fā)生氫鍵結(jié)合,從而取代失去的結(jié)合水.維持著膜表面”水化”狀態(tài).如CrOWe等從兔肌肉分離得到的肌漿網(wǎng),在不存在海藻糖條件下進(jìn)行干燥時.其形態(tài)發(fā)生改變,再水化時,其轉(zhuǎn)運鈣的功能明顯喪失,然而,當(dāng)存在一定濃度的海藻糖時(相當(dāng)于無水生活體內(nèi)的濃度),在干燥過程中.形

6、態(tài)幾乎不受損害,再水化時,轉(zhuǎn)運鈣的能力可恢復(fù)到原有水平.用其它生物膜作實驗也得到類似的結(jié)果.曾科等研究發(fā)現(xiàn)海藻糖對聚乙二醇誘導(dǎo)的脂質(zhì)體融合具有抑制作用.童濟等發(fā)現(xiàn)存在海藻糖時,包載抗腫瘤藥物的阿糖胞苷和阿霉素的脂質(zhì)體,在經(jīng)干燥,再水化后,其原璃的內(nèi)含物80%以上被保留下來,比無海藻糖存在時增加4倍以上.海藻糖能穩(wěn)定脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu),在干燥狀態(tài)下亦保持其結(jié)構(gòu)的完整性,這便于脂質(zhì)體的貯存,包裝和運輸,有利于脂質(zhì)體在制藥工業(yè)上的應(yīng)用.人的皮膚細(xì)胞也是典型的生物膜,海藻糖通過降低相變溫度,使在脫水條件下的膜脂仍處在液晶狀態(tài),從而起到保護皮膚的作用:實驗表明,海藻糖對生物膜的保護是通過防融合,泄漏等途徑實現(xiàn)

7、的.4.2海藻糖對蛋白質(zhì)的保護作用蛋白質(zhì)尤其酶在干燥過程中很容易失活,例如磷酸果糖激酶(ph.sph.fruct.sekllase,PFK)是四聚體,在干燥過程中能解離成無活性的二聚體.如果在干燥前加入一定量的海藻糖,即使極度干燥,PFK完全穩(wěn)26華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第6卷定而且仍保持原活性.Camilo等研究了海藻糖對DNA工具酶的穩(wěn)定作用.DNA工具酶包括DNA限制性內(nèi)切酶,DNA連接酶,DNA聚合酶等.通常這些DNA工具酶均需在一20下貯存和運輸.Camilo等把EcoRI,BglII,PstI和HindlII,T4DNA連接酶等在含海藻糖的緩沖液中于37空氣干燥后在室溫貯存幾年生物活性

8、仍不發(fā)生明顯變化.將其再水化后能完全恢復(fù)其生物活性”.4.3海澡糖對其它生物分子的保護生物制品如血制品,疫苗,單克隆抗體等多是易失活的,必須低溫保存.據(jù)統(tǒng)計.由于缺乏必要的冷凍設(shè)備,第三世界約有9O%的疫苗失活而白白損失,即使像英國這樣的發(fā)達(dá)國家.其損失率也在40%左右.如果用海藻糖干燥生物制品.不僅可保護其活性,還可在常溫下短期存放.有許多成功的例子,如英國劍橋大學(xué)的Quadrant公司正與世界衛(wèi)生組織合作,利用海藻糖干燥小兒麻痹癥疫苗以解決產(chǎn)地與第三世界一些國家的長途運輸?shù)睦鋬鰡栴},僅此一項就可節(jié)省數(shù)百萬美元.據(jù)報道,食品在脫水前加一定量的海藻糖,就可大大延長其在貨架上的保存期,尤其當(dāng)這種

9、食品再水化時,又可恢復(fù)原有的色澤,風(fēng)味和質(zhì)地.如用海藻糖干燥制成的奶粉,重新水化后.又可出現(xiàn)鮮奶一樣的特性.4.4海藻糖具有穩(wěn)定生物膜.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)殛抗干燥作用可能的作用機制關(guān)于海藻糖對生物分子的保護作用,人們對其機理進(jìn)行了深入研究目前,有兩種學(xué)說,一種稱”水替代”學(xué)說,這種學(xué)說認(rèn)為,生物大分子中蛋白質(zhì),糖和脂等均被一層水膜包圍著,這層薄的水膜是維護其結(jié)構(gòu)與功能必不可少的,干燥時水膜失去,將導(dǎo)致這些大分子物質(zhì)發(fā)生不可逆變化,如果在干燥過程中加人一定量的海藻糖.則海藻糖可在生物分子失水部位與這些分子形成H鍵,取代失水部位使其在缺水條件下仍能保持原結(jié)構(gòu),而不喪失活性”.另一種稱”玻璃態(tài)學(xué)說.這種學(xué)

10、說認(rèn)為,當(dāng)干燥時海藻糖緊密地包住相鄰近的生物分子.形成一種”玻璃態(tài)化臺物”.這是一種非晶體結(jié)構(gòu),不是結(jié)晶體,它起到”凍結(jié)”生物分子的作尾,這種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,因而生物大分子在其中的分子運動和分子變性反應(yīng)都非常微弱,故而起保護作用.5海藻糖的應(yīng)用前景海藻糖具有穩(wěn)定生物膜(細(xì)胞膜)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及抗干燥的作用,為其應(yīng)用展示了廣闊的前景.5,1海藻糖在生物制品保護中的應(yīng)用海藻糖是生物分子的特效保護劑,它將為醫(yī)用生物制品,如血液制品(血漿,血液球蛋白,轉(zhuǎn)移因子等),菌苗,疫苗,抗體,載藥脂質(zhì)體,抗血清,外科手術(shù)所需貯存的皮膚,器官等的干燥保存,運輸和使用帶來極大的方便.目前,上述醫(yī)用制品多采用真空冷凍干燥

11、法制備和在低溫下保存,這給廣大農(nóng)村地區(qū)的醫(yī)療事業(yè)帶來許多不便,如能利用海藻糖干燥醫(yī)用生物制品,并能在常溫下保第3期張樹珍:海藻糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景27存.將給醫(yī)用生物制品的保存,運輸與使用帶來極大的方便,也將促進(jìn)與改善我國的醫(yī)療事業(yè).另外.海藻糖具有抑制骨膠原分解的作用,因而可用于改善骨質(zhì)疏松癥.海藻糖還可用來保存研究用生物制品,如基因工程的酶類及其它酶類,細(xì)胞膜,抗體,抗原,細(xì)胞器等,使生命科學(xué)的研究更方便,簡單和有效.5.2海藻糖在食品加工中的應(yīng)用海藻糖具有抗干燥的作用.又具有良好的加工特性,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不僅不發(fā)生美拉德反應(yīng).還能阻止還原糖和蛋白質(zhì)的游離氨基反應(yīng),抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生

12、”,而且由于甜度低,對食品的風(fēng)味影響很少,在食品加工中的應(yīng)用潛力主要是改進(jìn)食品干燥工藝.加工出更好的食品.在高于環(huán)境條件下加熱干燥含蛋白質(zhì)的食品,同時要保持其原有質(zhì)量和風(fēng)味,往往很難達(dá)到這一要求而在海藻糖存在時干燥食品,能保持其結(jié)構(gòu),色澤,風(fēng)味和烹調(diào)特性.高能量的干燥食品也可利用海藻糖保持其穩(wěn)定性,同時增加其熱能值.另外含海藻糖的食品的復(fù)水速度大大加快.5.3海藻糖在精細(xì)化工中的應(yīng)用利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)表面活性劑是七十年代后生物工程領(lǐng)域中發(fā)展起來的一個新課題.從目前的研究情況看,糖脂是雖重要的一類生物表面活性劑.海藻糖脂具有良好的表面活性性能.可用于石油的三次開采,日化,紡織等工業(yè).另外,海藻

13、糖基本上不被牙齒所帶的微生物發(fā)酵,可用作保護性增香劑;其結(jié)晶形式可與粘接劑如羥乙基淀粉等一起用作糖衣材料.5.4海藻糖在作物育種中的應(yīng)用海藻糖具有穩(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu)和提高生物組織對低溫,高溫,鹽堿,干旱等逆境條件下的抗性”.因此把海藻糖臺酶基因?qū)俗魑锊⑹蛊湓谧魑矬w內(nèi)表達(dá),可望培育出能抗旱,抗寒,抗凍,耐鹽的作物新品種,如轉(zhuǎn)基因植物是水果或蔬菜還可使其在收獲加工后顯得新鮮.并延長其貨架壽命,且能保持其原有的風(fēng)味和質(zhì)地.目前美國科學(xué)家已把來自酵母的海藻糖臺酶基因?qū)藷煵?并初步得到具抗旱性的轉(zhuǎn)基因植株.荷蘭植物生物技術(shù)公司把大腸桿菌的海藻糖合酶基因OtsBA導(dǎo)入甜菜,馬鈴薯中,在獲得大量廉價的海藻糖

14、的同時增強了植物的拉旱性和抗寒性.參考文獻(xiàn)1杉本利行.糖類新資源的開發(fā)現(xiàn)狀和應(yīng)用.食品工業(yè),1994,34382Barrett,JAnhydrobioticnematodesAgriculturazoologyReviews41611763裒勤生隱生生物中的典型化合物海藻糖中國生化藥物雜志,1999,20(1):48-504黃平奇妙的雙糖海藻糖生命的化學(xué).199515(4):265Vuofio0E.KalkkinenN,LondesboroughJCloningoftworelatedgenesencodingthe56一Kdaand123Kdasubunitsoftrr,haoscsynth

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