新型功能性低聚糖海藻糖的制備和應(yīng)用開發(fā)進(jìn)展

劉 念，曾添翼，江 凌，黃 和，朱麗英

(1.南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 211800；3.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，江蘇 南京 211800)

1 海藻糖概述

1.1 海藻糖簡介

海藻糖(trehalose)是由兩個(gè)葡萄糖分子通過α,α-1,1糖苷鍵連接的非還原性二糖，甜度僅是蔗糖的45%，又稱為蕈糖和漏蘆糖，是1832年Wiggers首次研究黑麥麥角菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的[1]，在1930年，Bredereck首先利用核磁共振技術(shù)闡明了其化學(xué)結(jié)構(gòu)[2]。海藻糖有α,α-海藻糖、α,β-海藻糖和β,β-海藻糖3種光學(xué)異構(gòu)體(圖1)[3]，其中α,α-海藻糖在自然界中存在最廣泛，在細(xì)菌、真菌、植物和動(dòng)物中都可以發(fā)現(xiàn)[4]。

圖1 海藻糖的異構(gòu)體

1.2 海藻糖的理化性質(zhì)

目前在市場上流通的海藻糖商品一般以兩種形式存在，一是不含結(jié)晶水的無水海藻糖；另一種是含有二分子結(jié)晶水的海藻糖晶體，這是目前的主流商品。海藻糖因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，相比于葡萄糖和麥芽糖，具有良好的理化性質(zhì)(表1)[5-6]。

表1 海藻糖、麥芽糖和葡萄糖的理化性質(zhì)[5-6]

1.3 海藻糖的安全性

2000年10月，美國食品和藥物管理局(FDA)授予海藻糖GRAS認(rèn)證(Generally Recognized as Safe)，批準(zhǔn)海藻糖進(jìn)入美國食品領(lǐng)域[7]；2000年11月，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)確認(rèn)不需要限制海藻糖的日允許攝入量(ADI)；2001年9月，歐盟(EU)批準(zhǔn)海藻糖作為新型食品或食品配料進(jìn)入市場。2007年，我國衛(wèi)生部批準(zhǔn)了9個(gè)新資源食品(衛(wèi)食新準(zhǔn)字2007第0003號)；2009年，我國制定了關(guān)于海藻糖的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2529—2009)，對海藻糖的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化管理；2014年，國家衛(wèi)計(jì)委規(guī)定海藻糖按照普通食品管理(國衛(wèi)辦食品函〔2014〕351號)；2015年，中國藥典在第一批藥用輔料標(biāo)準(zhǔn)草案中公布海藻糖作為輔料品種供注射使用。目前，海藻糖的應(yīng)用已經(jīng)廣泛分布于食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有良好的市場前景[8]。

2 海藻糖的生物保護(hù)機(jī)制

糖類，如麥芽糖、葡萄糖和蔗糖等在蛋白質(zhì)受脫水破壞時(shí)，均能表現(xiàn)出一定的生物保護(hù)機(jī)制，而海藻糖在所有糖中的保護(hù)作用最為顯著。這是因?yàn)楹Ｔ逄窃诟邷亍⒏邏?、高滲透和干燥失水等惡劣環(huán)境下能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜和蛋白質(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，海藻糖不僅可以保護(hù)簡單的分子，還可以保護(hù)復(fù)雜的生物體如細(xì)菌和病毒等[9]。根據(jù)目前對海藻糖的生物保護(hù)機(jī)制研究，海藻糖對生物大分子的保護(hù)作用主要有3種機(jī)制，分別為“水替代(water replacement)”機(jī)制、“玻璃轉(zhuǎn)換(glassy transformation)”機(jī)制和“優(yōu)先排阻(priority exclusion)”機(jī)制[10]。

2.1 “水替代”機(jī)制

生物制劑如蛋白質(zhì)在脫水過程中失活，原因是水分的丟失使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，各種保持蛋白結(jié)構(gòu)的相互作用力受到破壞，從而使蛋白質(zhì)變性。多羥基化合物(如海藻糖)可以代替水分子，與蛋白質(zhì)的表面形成氫鍵保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，進(jìn)而阻止上述這些變化，保護(hù)蛋白質(zhì)的構(gòu)象和酶活，這種作用稱為“水替代”機(jī)制學(xué)說[7]。Crowe 等[11]認(rèn)為在干燥或冷凍的條件下，生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸和其他大分子的水化膜會(huì)消失，而這層水化膜脫落后會(huì)導(dǎo)致生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生不可逆的變化；而當(dāng)海藻糖存在時(shí)，可與生物大分子的不規(guī)則極性基團(tuán)相互作用形成氫鍵，取代了由水形成的氫鍵,這使得分子仍保持其原有結(jié)構(gòu)，不喪失活性。

2.2 “玻璃轉(zhuǎn)換”學(xué)說機(jī)制

海藻糖的獨(dú)特之處是高溫下可以形成穩(wěn)定的玻璃態(tài)。此時(shí)，分子的運(yùn)動(dòng)變得非常微弱，擴(kuò)散系數(shù)很低，可以在高溫下保持穩(wěn)定，保護(hù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。雖然這個(gè)玻璃態(tài)是完全干燥的，但可以把生物分子維持在一定狀態(tài)，使其在再遇水時(shí)回到本身的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而起到保護(hù)作用。這種作用稱為“玻璃轉(zhuǎn)換”機(jī)制學(xué)說[12]。Colaco 等[13]認(rèn)為海藻糖水溶液在逐步干燥時(shí)，黏度會(huì)隨著濃度的增加而增大，濃度達(dá)到一定高度時(shí)，糖液不會(huì)形成晶體而是轉(zhuǎn)化或維持在一種玻璃態(tài)。這種玻璃態(tài)下糖液黏稠使分子間擴(kuò)散受阻，導(dǎo)致物質(zhì)干燥變緩，結(jié)果使其水分含量增加，從而維持物質(zhì)在干燥時(shí)的穩(wěn)定性。

2.3 “優(yōu)先排阻”機(jī)制

海藻糖與不穩(wěn)定的生物制劑可以產(chǎn)生間接作用，蛋白質(zhì)溶液中添加的海藻糖會(huì)被優(yōu)先排阻在蛋白質(zhì)附近。Timasheff 等[14]實(shí)驗(yàn)證明，海藻糖在溶液中會(huì)與蛋白質(zhì)等生物大分子表面的水分子結(jié)合，使得水分子被排除出來。這樣會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)等生物大分子的溶劑化層半徑變小，使得蛋白質(zhì)等生物大分子的表觀體積縮小，分子之間的結(jié)構(gòu)變得更加緊密穩(wěn)定，能夠更好地抵御惡劣環(huán)境對蛋白質(zhì)等生物大分子造成的傷害，進(jìn)而對生物大分子起到很好的保護(hù)作用。這種作用稱為“優(yōu)先排阻”機(jī)制學(xué)說[15]。

3 海藻糖的生產(chǎn)現(xiàn)狀

3.1 海藻糖的制備方法

海藻糖因其獨(dú)特的生物學(xué)活性備受關(guān)注，為了獲得高純度的海藻糖產(chǎn)品，對海藻糖的研究越來越深入。目前，主要采用微生物提取法、發(fā)酵法和酶合成法等[16]來生產(chǎn)制備海藻糖成品，而酶合成法工藝簡單、原料成本低、酶源豐富，為海藻糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供了發(fā)展空間[17-18]。近年來全細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，解決了諸多限制因素，大大降低了海藻糖的生產(chǎn)成本[19]。

3.1.1 微生物提取法

微生物提取法是一種傳統(tǒng)的制備工藝，通常以酵母為提取源，通過控制其生長條件，使海藻糖在體內(nèi)積累，然后采用有機(jī)溶劑將海藻糖提取出來。因?yàn)榻湍妇趯?shù)生長期處于高溫、高滲透壓和“饑餓”等惡劣環(huán)境時(shí)，體內(nèi)的海藻糖會(huì)明顯增加[20]。Li等[21]通過篩選得到的酵母菌株，可以在熱休克和乙醇脅迫下大量合成海藻糖，海藻糖的積累量達(dá)到89.1%。目前這種工藝已經(jīng)非常成熟，然而存在著生產(chǎn)成本過高、提取源受到限制等缺點(diǎn)，限制了海藻糖的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3.1.2 微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法是利用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)海藻糖，對發(fā)酵液中的海藻糖進(jìn)行分離和純化，得到海藻糖的成品。這種工藝的關(guān)鍵是獲得高產(chǎn)海藻糖的菌株，可以通過細(xì)胞融合和基因工程等手段獲得。通過采用高密度發(fā)酵法，在發(fā)酵結(jié)束前，讓菌體處于惡劣環(huán)境等，可以得到海藻糖含量極高的發(fā)酵產(chǎn)物。Zhao等[22]通過對產(chǎn)海藻糖的酵母菌株進(jìn)行培養(yǎng)條件優(yōu)化，使得發(fā)酵液中的海藻糖質(zhì)量濃度高達(dá)1 072 mg/L。然而這種方法存在一些局限性，如副產(chǎn)物較多、發(fā)酵液中成分復(fù)雜、物料轉(zhuǎn)化率低等，給海藻糖的提取和精制帶來很大的困難，對降低生產(chǎn)成本、推廣海藻糖的應(yīng)用等非常不利。

3.1.3 酶合成法

酶合成法是在海藻糖合成有關(guān)酶的作用下，催化底物麥芽糖、葡萄糖或淀粉等轉(zhuǎn)化為海藻糖[23]。1995年，日本林原生化研究所首次在脂肪桿菌(Pimelobactersp.R48)、水生棲熱菌(Thermusquatieas)和惡臭假單孢菌(Pseudomonasputida)中獲得能夠?qū)⒌孜稃溠刻且徊睫D(zhuǎn)化為海藻糖的酶，稱為海藻糖合成酶，開啟了海藻糖合成酶應(yīng)用研究的新篇章[24]。該酶專一性較高，能夠只作用于麥芽糖，將麥芽糖的α,α-1,4糖苷鍵轉(zhuǎn)化為海藻糖的α,α-1,1糖苷鍵，不需要消耗高能物質(zhì)，且酶的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)原料容易得到、價(jià)格低廉，因此這種方法是將海藻糖進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的適宜選擇[25-26]。

廣西大學(xué)的黃日波教授團(tuán)隊(duì)通過基因工程技術(shù)獲得了耐輻射異球菌(Deinococcusradiodurans)、谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)和褐色喜熱裂孢菌(Thermobifidafusca)中的TreS基因，通過在重組大腸桿菌中異源表達(dá)，使用酶法生產(chǎn)海藻糖獲得了一系列的成果[27]。在2001年通過科學(xué)技術(shù)成果鑒定，2002年開始向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型，開啟了我國低成本、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)海藻糖的新篇章。經(jīng)過實(shí)踐證明，酶轉(zhuǎn)化法是最具有工業(yè)化潛力的方法[28]。

齊魯工業(yè)大學(xué)的王瑞明教授主持完成的“海藻糖生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”項(xiàng)目針對國內(nèi)外市場對海藻糖產(chǎn)品的迫切需求，建立了海藻糖生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了海藻糖的大規(guī)?；a(chǎn)。該項(xiàng)目以高麥芽糖漿為底物，在固定化海藻糖合成酶或細(xì)胞表面展示海藻糖合成酶的催化下，采用一步酶法生產(chǎn)海藻糖的工藝，所制備的固定化酶，連續(xù)使用10次后，酶活力保持80%以上[29]；采用多柱循環(huán)模擬移動(dòng)床連續(xù)色譜分離純化海藻糖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海藻糖、葡萄糖和麥芽糖的有效分離，所得高純度海藻糖產(chǎn)品的得率達(dá)92%以上，產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T 23529—2009標(biāo)準(zhǔn)要求[30]。該技術(shù)成果在山東福洋生物科技有限公司、保齡寶生物股份有限公司、山東隆大生物工程有限公司等企業(yè)推廣應(yīng)用。2013—2015年，應(yīng)用單位累計(jì)實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值6.2億元，利潤1.2億元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

目前，海藻糖的市場需求正在逐步擴(kuò)大，2010—2016年，全球海藻糖需求量以2～4萬t/a的速度增長。在國際上海藻糖的需求量大約是22萬t/a，而平均綜合生產(chǎn)力只有6～8萬t/a，市場處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。截至2015年，國內(nèi)僅保鮮市場對海藻糖的需求就有10萬t/a，且隨著海藻糖的不斷宣傳和普及，海藻糖的需求量還會(huì)不斷攀升?，F(xiàn)在國內(nèi)不斷有企業(yè)加入到海藻糖生產(chǎn)的隊(duì)伍中，這些企業(yè)的背景主要是以糧食或淀粉為原料生產(chǎn)海藻糖，主要有南寧中諾生物工程有限公司、山東福洋生物科技有限公司、梅花生物科技集團(tuán)股份有限公司等[28,31]。

南寧中諾生物工程有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海藻糖的大規(guī)?；a(chǎn)，以廣西當(dāng)?shù)亓畠r(jià)的富含支鏈淀粉的木薯為原料，采用海藻糖合成酶一步催化的方式來進(jìn)行海藻糖的生產(chǎn)。其中海藻糖合成酶的基因來源于一種嗜熱細(xì)菌，發(fā)酵宿主采用酵母，經(jīng)過高密度發(fā)酵后，酶活能達(dá)到60萬U/L發(fā)酵液，是日本林原生化的4倍，且原料為原產(chǎn)地，成本比日本林原生化低，因此具有很大的市場競爭力。為了將更加“綠色”的海藻糖成品投向市場，該公司調(diào)整后的海藻糖價(jià)格為98%食品級海藻糖80元/kg、50%食用液體海藻糖30～40元/kg。

山東福洋生物科技有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海藻糖的工業(yè)化生產(chǎn)。其中高效酶法制備海藻糖項(xiàng)目利用高效工業(yè)酶制劑建立了新型酶法生產(chǎn)海藻糖的工藝，獲得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)海藻糖的技術(shù)，突破國外企業(yè)長期壟斷的局面。海藻糖轉(zhuǎn)化率可提高到80%以上，較原有的酶法工藝的轉(zhuǎn)化率提高了30%，為企業(yè)新增產(chǎn)值5千萬元，潛在市場30萬t，產(chǎn)值60億，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

梅花生物科技集團(tuán)股份有限公司于2013年成立了海藻糖研發(fā)項(xiàng)目組，開始自主研發(fā)以玉米淀粉為原料來生產(chǎn)海藻糖的工藝。經(jīng)過近2年的研究、測試，目前海藻糖實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，生產(chǎn)工藝基本成熟。2015年6月中試車間正式推出海藻糖成品，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均與日本林原生化齊平，且海藻糖含量都在99%以上。一期產(chǎn)能初定為1 500 t/a，未來將根據(jù)市場情況，按照審批程序，逐步實(shí)施擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)2～3年內(nèi)完成3～5萬t的產(chǎn)能規(guī)劃，以填補(bǔ)全球海藻糖市場空缺，打響民族品牌。

3.2 海藻糖的酶法合成途徑

海藻糖是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)中重要的生物相容性物質(zhì)，在干旱、高溫等惡劣環(huán)境中具有對生物膜分子和蛋白質(zhì)分子顯著的保護(hù)作用，因此也被稱為“化學(xué)分子伴侶”。高等植物體內(nèi)一般不能合成海藻糖，僅有極少數(shù)極端耐旱的復(fù)蘇植物和耐受完全干旱條件的昆蟲、酵母和細(xì)菌等生物體體內(nèi)才會(huì)發(fā)現(xiàn)大量的海藻糖存在[32]。已知的海藻糖合成途徑主要有以下5種[3](圖2)：TPS-TPP、TreY-TreZ、TreP、TreT和TreS途徑，其中TPS-TPP、TreY-TreZ和TreS途徑已經(jīng)被詳細(xì)研究。

圖2 5種主要的海藻糖生物合成途徑

3.2.1 以葡萄糖為底物合成海藻糖(TPS-TPP途徑)

TPS-TPP途徑是分兩步完成的反應(yīng)，第一步，UDP-葡萄糖(UDP-glucose)和葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate)在海藻糖-6-磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase，TPS)催化下生成中間產(chǎn)物海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate)；第二步，中間產(chǎn)物被海藻糖-6-磷酸酯酶(trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP)水解，進(jìn)而生成海藻糖[33]。

TPS-TPP途徑最早被發(fā)現(xiàn)存在于在酵母菌中[34]，在大腸桿菌中被稱為OtsAB途徑[35]。目前在細(xì)菌、真菌和動(dòng)植物體內(nèi)都可以通過這種途徑合成海藻糖，而真核生物體內(nèi)的海藻糖是經(jīng)此途徑完成的。但是對于工業(yè)應(yīng)用而言，此途徑需要以高能物質(zhì)尿苷二磷酸(UDP)參與，成本過高，因此難以實(shí)現(xiàn)海藻糖的工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2.2 以麥芽糖精為底物合成海藻糖(TreY-TreZ途徑)

TreY-TreZ途徑是也分兩步完成的反應(yīng)，不同的是此反應(yīng)不需要消耗磷酸鹽。第一步，底物麥芽糊精(maltodextrin)在麥芽寡糖基海藻糖合成酶(maltooligosyl trehalose synthase，MTSase or TreY)催化下，位于麥芽糊精還原末端的α,α-1,4糖苷鍵轉(zhuǎn)化為α,α-1,1糖苷鍵，生成中間產(chǎn)物麥芽寡糖基海藻糖(malto-oligosaccharide trehalose)，麥芽寡糖基海藻糖水解酶(maltooligosyl trehalose trehalohyrolase，MTHase or TreZ)則水解麥芽寡糖基海藻糖中的第二個(gè)α,α-1,4糖苷鍵，從而釋放海藻糖[36]。

目前在水生黃桿菌(Flavobacteriumaquatile)、耐輻射奇異球菌(Deinococcusradiodurans)、節(jié)桿菌(Arthrobactersp.)和根瘤菌(Rhizobiumsp.)等菌種中都發(fā)現(xiàn)了這種途徑[37]。該途徑是以麥芽糊精為底物，可通過淀粉液化得到，生產(chǎn)成本低，轉(zhuǎn)化效率高，有很強(qiáng)的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。但麥芽寡糖基海藻糖水解酶(MTHase)的酶活力較低，是雙酶反應(yīng)的限速因素。

3.2.3 以麥芽糖為底物通過分子內(nèi)轉(zhuǎn)糖基合成海藻糖(TreS途徑)

TreS途徑是一步完成的反應(yīng)，以麥芽糖(maltose)為底物，在海藻糖合成酶(trehalose synthase，簡稱TreS)作用下，利用分子內(nèi)的轉(zhuǎn)糖基將α,α-1,4糖苷鍵轉(zhuǎn)化為α,α-1,1糖苷鍵，進(jìn)而直接合成海藻糖[38]。

TreS催化麥芽糖的酶促反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，海藻糖合成酶也會(huì)把海藻糖轉(zhuǎn)化為麥芽糖，但是生成速率大于分解速率，使得海藻糖不斷積累，同時(shí)酶促反應(yīng)中常伴隨有少量葡萄糖產(chǎn)生[39]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)公開報(bào)道的最高TreS催化底物的轉(zhuǎn)化率為70%～80%，部分已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[26,40]。這種途徑工藝簡單，成本較低，催化過程不需要消耗高能物質(zhì)，酶的穩(wěn)定性較好、專一性強(qiáng)，具有極高的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值，更加適合于海藻糖的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

4 海藻糖的應(yīng)用前景

由于海藻糖獨(dú)特的生物學(xué)功能和保護(hù)機(jī)制，不僅顯示出對極端環(huán)境、pH和美拉德反應(yīng)的抵抗性，而且具有很高的保水性，能穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物膜的完整性，使其在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和聚合物材料等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著對海藻糖研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷拓展[41]。

4.1 海藻糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

在食品領(lǐng)域，海藻糖可以作為一種新型食品成分添加到糖果、口香糖、巧克力和肉類等食品中[42]。如在含蛋白質(zhì)豐富的食品中添加海藻糖，可以抑制蛋白質(zhì)在冷凍、高溫和干燥等條件下的變性，有效地保護(hù)蛋白質(zhì)分子的天然結(jié)構(gòu)，使食品的天然風(fēng)味和質(zhì)地保持不變[43]；在淀粉食品中加入海藻糖，尤其是烘烤食品，可以明顯地抑制淀粉的老化，延長產(chǎn)品的貨架期；在魚類和魚類食品加工過程中，尤其是加熱處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生令人不快的魚腥味，這種魚腥味的成分主要是三甲胺，而在加熱前添加海藻糖能有效抑制魚腥味的產(chǎn)生，保持食品良好的風(fēng)味[44]；海藻糖還可以改善食品的甜質(zhì)，在月餅、餅干和糕點(diǎn)等食品中加入海藻糖，可以改善食品的甜度，使其具有清爽的口感；此外海藻糖還能抑制油脂類食品中脂肪酸的分解，在保持食品原有的風(fēng)味上發(fā)揮功效[45]。

4.2 海藻糖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，海藻糖能夠穩(wěn)定生物膜的結(jié)構(gòu)和提高植物在惡劣環(huán)境下的抗逆性，對植物具有很好的保護(hù)作用。通過基因工程技術(shù)，將與海藻糖合成相關(guān)的基因片段導(dǎo)入植物中，培育出來的改良物種可以用于培養(yǎng)抗旱、抗寒和抗鹽堿型農(nóng)作物，使得植物的抗逆保護(hù)性增強(qiáng)，進(jìn)而適應(yīng)更加極端的環(huán)境[46-47]。Duan等[48]將假單孢菌(Pseudomonassp.)中海藻糖合成酶的基因片段成功導(dǎo)入植物細(xì)胞中，在極端環(huán)境中培養(yǎng)植物，與對照組相比，海藻糖在細(xì)胞內(nèi)得到有效積累，植物的抗逆性得到了明顯改善。Theerakulp等[49]的研究顯示，水稻幼苗在10 mmol/L的海藻糖溶液中浸泡后，可以在脅迫條件下正常生長，維持了葉綠素含量。降低了Na+與K+的比率，有效減輕了對葉綠素的損害，使水稻的發(fā)芽和生長更加完善[50]。

4.3 海藻糖在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)藥領(lǐng)域，海藻糖是良好的保護(hù)劑。在極端條件下，蛋白質(zhì)等生物大分子可以不變性失活，能有效保護(hù)抗生素、激素、疫苗和生物制劑等易失活物質(zhì)的穩(wěn)定，其衍生物還可用作抗癌劑、抗腫瘤劑等[51]。隨著研究的逐步深入，海藻糖在生育力保存中的應(yīng)用成為一大熱點(diǎn)[52]。

海藻糖在神經(jīng)變性病中的研究也取得了突破性的進(jìn)展，以帕金森病(Parkinson’s disease，PD)為例[53]，具有神經(jīng)毒性作用的α-突觸核蛋白的聚集是PD的主要病理學(xué)特征。Lan等[54]發(fā)現(xiàn)用海藻糖處理過的過表達(dá)α-突觸核蛋白PC12細(xì)胞株后，海藻糖可以促進(jìn)α-突觸核蛋白的清除，對其影響主要是通過增強(qiáng)自噬途徑。為進(jìn)一步研究海藻糖對PD的保護(hù)作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

4.4 海藻糖在聚合物材料領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，由糖來源的聚合物材料已經(jīng)被廣泛研究，因?yàn)樗目山到庑?，預(yù)計(jì)將取代石油衍生的聚合物材料。在聚氨酯(PU)的研究中，由于糖具有類似于多元醇的性質(zhì)，已被用作原料[55]。然而糖在有機(jī)溶液中被還原，產(chǎn)生醛和酮基團(tuán)，所獲得的PU的彈性特性較差。因此，保持聚合物材料彈性性能的同時(shí)，選擇在溶液中保留羥基的非還原性糖是理想的原料。例如，Kizuka等[56]使用海藻糖作為原料，開發(fā)出了具有新功能的聚合物材料—聚氨酯彈性體(PUE)，可用于絕熱、震動(dòng)絕緣的材料和精密儀器的保護(hù)箱等。

海藻糖還可以在微球制備過程中作為穩(wěn)定劑來減少外界因素對抗原的影響，改善疫苗的免疫結(jié)果[57]。例如，Jaganathan等[58]通過對比不同濃度的海藻糖對乙肝表面抗原微球的影響，發(fā)現(xiàn)1.5%海藻糖可以很好地保持微球的載藥率和在包裹和釋放過程時(shí)的生物活性，使得乙肝表面抗原微球的載藥率可以達(dá)到(80±5)%，42 d的累積釋放度仍然達(dá)到90%～92%。

5 結(jié)論與展望

目前在實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化中主要以微生物提取法、發(fā)酵法和酶合成法生產(chǎn)海藻糖，其中以麥芽糖為底物、在海藻糖合成酶的催化下一步合成海藻糖因方法簡單、成本低和催化過程不需消耗高能物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。然而該酶有溫度和pH耐受性差等缺點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步研究海藻糖合成酶的結(jié)構(gòu)和功能。目前，對海藻糖合成酶的代謝機(jī)制和三維結(jié)構(gòu)研究是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)的方法對酶的三維晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，根據(jù)結(jié)構(gòu)信息和催化位點(diǎn)分析，找出海藻糖合成酶的催化機(jī)制，進(jìn)而結(jié)合分子生物學(xué)對酶進(jìn)行改造。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究出先進(jìn)的儀器和配套的相關(guān)軟件進(jìn)行分析也是促進(jìn)海藻糖發(fā)展的一種形式。同時(shí)還需要對合成海藻糖的相關(guān)菌株進(jìn)行研究，培育出海藻糖產(chǎn)量高的安全菌株，因?yàn)槟壳按蠖嗍窃诖竽c桿菌中進(jìn)行的，存在著食品安全風(fēng)險(xiǎn)。

海藻糖因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)保護(hù)機(jī)制，成為了近年來研究的熱點(diǎn)，其在食品、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海藻糖的研究將會(huì)更加明確，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)不斷擴(kuò)展。