海藻糖的特性及其应用

海藻糖的特性及其应用

彭亚锋,周耀斌,李勤,薛峰,冯俊

(上海市质量监督检验技术研究院/国家食品质量监督检验中心(上海),上海　200233)

摘　要:海藻糖是由两个葡萄糖分子以α,α,1,1-糖苷键构成的非还原性糖,自身性质非常稳定,具有独特的生物学特性、对生物抗脱水的保护作用、抗冷冻保护作用和抗高渗保护作用,同时赋予了防止淀粉老化、防止蛋白质变性、抑制脂类物质酸败、抑制鱼腥味的生成、矫正味道和矫正气味作用、抑制大米的米糠臭、保鲜、稳定物料中的超氧化物歧化酶、防蛀牙和补充能源等功能特性。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其它糖类,均不具备对多种生物活性物质具有神奇的保护作用这一功能;这一独特的功能特性,使得海藻糖除了可以作为蛋白质药物、酶、疫苗和其他生物制品的优良活性保护剂以外,还是保持细胞活性、保湿类化妆品的重要成分,更可作为防止食品劣化、保持食品新鲜风味、提升食品品质的独特食品配料,拓展了海藻糖作为天然食用甜味糖的功能。

关键词:海藻糖;特性;功能;应用;前景

中图分类号:TS20211　文献标识码:A　文章编号:1006-2513(2009)01-0065-05

App li ca ti o n p r o spect of treha l o se

PENG Ya2feng,ZHO U Yao2b i n,L I Q i n g,XUE feng,FENG Jun

(Shanghai I nstitute of Quality I ns pecti on and Technical Research/Nati onal Food Quality Supervisi on and I ns pecti on Center(Shanghai),Shanghai　200233)

Abstract:Trehal ose is a non2reducing sugar for med by t w o glucose molecules bet w eenα,α-1,1-glycosidic bond and is one of the most stable sugars in the world.It can effectively p revent organis m da mage in freezing,drying and heating.It has s pecial bi ol ogic characteristic including dehydrati on t olerance,freezing t olerance and hypert onic t oler2 ance.It can als o p revent starch retr ogradati on,p r otein denaturati on,li p ids rancidity,fishy s mell inhibiti on,keep ing rice fresh and stabling S OD in the ra w material.It is als o an energy s ource as well as keep ing teeth fr o m decay.No oth2 er natural sugar can compete with trehal ose unique p r operties.It is now become a p r otective reagent in p r oducing medi2 cines,enzy me,vaccines and other bi o2p r oducts.It is als o an i m portant component of keep ing cell activity and cos metics moisture.Further more,trehal ose is a unique food ingredient which can avoid the f ood degradati on and keep the fresh flavor.A s a s weetener,trehal ose is widely used in f ood p r ocessing.

Key words:trehal ose;p r operty;functi on;app licati on;p r os pect

海藻糖作为一种天然的糖类,最早发现海藻糖的是W igger,他在研究黑麦的麦角菌时,让溶液静置一段时间之后,发现在容器壁中形成一些无色、非还原性、微甜的糖晶体[1][2]。随后人们发现它在自然界的动植物和微生物中广泛存在, Elbein总结了各种生物中海藻糖的含量分布,近80种植物、藻类、真菌、酵母、细菌,昆虫到无脊椎动物都罗列其中[3]。经过100多年的研究,直到进入20世纪90年代,较大规模的工业化生产才得以实现。由于海藻糖的结构明显不同于其他低聚糖类,自然就赋予了它独特的理化性质与生物学特性,学术界对海藻糖的作用机理和应用

收稿日期:2008-11-17

作者简介:彭亚锋(1967-),男,高工,研究方向:食品加工与检验。

进行了广泛地研究。

1海藻糖的理化特性、生物学功能和功能特性

111海藻糖的化学结构

海藻糖(Trehal ose),又名覃糖,是由两个吡喃环葡萄糖分子以α,α-1,1键连接而成的双糖,化学名为α-D-吡喃葡糖基α-D-吡喃葡糖苷(a2D2glucosideo2a2glucosideo),分子式为C

12 H22O11?2H2O,分子量378133。海藻糖理论上存在有三种不同的正位异构体(Anomers),即α,α-型、α,β-型和β,β型。但在自然界中广泛存在的只有α,α-型异构体,也就是通常所说的海藻糖(Trehal ose),也被称作蘑菇糖(Mycose, Mushr oom sugar),其余两种很少见,仅在蜂蜜和王浆中发现了少量的α,β-型海藻糖(新海藻糖,Neotrehat ose);另一种β,β型也被称作异海藻糖(Is otrehal ose)[4]。

112海藻糖的理化性质

海藻糖的理化性质见表111。同其他糖相比,海藻糖具有一些特殊的理化特性。

表111海藻糖的理化性质[6]

熔点:

含结晶水9710℃

不含结晶水214～216℃

溶解热:

含结晶水5718J/mol

不含结晶水5314J/mol

甜度:相当于蔗糖的45%

溶解度(溶解在100mL水中的海藻糖克数):

10℃30℃50℃70℃90℃

55138613140112511460219 (易溶于水、热乙醇,不溶于乙醚)

渗透压:

5%10%20%30%(w/w)

1932986901229(mos m/kg)旋光度[α]D=178°(20℃,1%水溶液)

消化性小肠内有海藻糖酶,能消化吸收。

氨基酸溶液中热稳定性无褐变(100℃,90m in)

蛋白质水溶液中热稳定性无褐变(100℃,90m in)

水溶液的保存性(无菌)无褐变(37℃,12个月) pH稳定性≥99%(pH315～10,100℃,24小时)113海藻糖的生物学功能

11311　海藻糖独特的生物学特性[6][7]

大量研究表明,某些物种对外界恶劣环境,如脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透压及有毒试剂等,所表现出来的抗逆耐受力和它们体内存在的海藻糖有直接关系。

11312　海藻糖对生物抗脱水保护作用[7][8][9][10][11][12]

1989年,Green等提出了海藻糖的高效力生物保护作用与它的玻璃态形成有关。

11313　海藻糖抗冷冻保护作用[6][7][11]

D iniz2Mendes等(1999)研究发现添加外源海藻糖明显地提高了酵母细胞的存活率。

11314　海藻糖抗高渗保护作用[6][7][11]

Madhu Page2Shar p等(1999)研究发现,伴随盐逆境双歧藻属菌种细胞内海藻糖和蔗糖浓度的增加,当机体再恢复正常生长条件(即解除盐逆境的作用),细胞内这些海藻糖和蔗糖浓度下降,蔗糖和海藻糖被认为具有共存的溶解物(compatible s olutes)的作用性质。Pi per(1998) [13]认为,微生物在盐逆境应激状态涉及到低分子量共存溶解物的产生和一系列应激蛋白质的产生,海藻糖和蔗糖的合成代表双歧藻菌盐应激状态下的一种保护性作用。

11315　海藻糖对生物制品的干燥与保存作用黄成垠等(1997)[14]研究发现,干燥条件下海藻糖对胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶和辣根过氧化物酶等三种医用诊断工具酶的活性具有明显的保护作用,加海藻糖干燥的上述三种诊断酶分别在70天、150天和210天后测定酶活性,结果表明,这三种酶的活性均保持在90%以上,而未加海藻糖保护的对照,活性降至20%以下。杨小民等[15]通过测量海藻糖、葡萄糖、蔗糖、葡聚糖、纤维素酶以及纤维素酶分别与这些糖的混合物的红外光谱和差示扫描量热谱图的试验结果表明,海藻糖的羟基同酶分子以氢键的形式结合提高了酶的热变性温度,增加了酶的热稳定性。另一方面,海藻糖分子包裹在酶分子周围,或填充在酶分子的空间结构内,特别是酶的活性部位附近,并形成玻璃态,将酶蛋白的空间结构固定住而避免酶的失活。

114　功能特性

11411　防止淀粉老化

海藻糖具有优异的防止淀

粉老化的作用,应用于面、饼、米饭、奶油、烤肉佐料酱、炸肉饼等含有淀粉的食品中可起到良好的效果,这种效果在低湿或冷冻时表现更为显著。11412　防止蛋白质变性　海藻糖可很好地防止蛋白质在冷冻、冷藏或干燥时变性。在含蛋白质的各种食品中加有海藻糖,能非常有效地保护蛋白质分子的天然结构,使食品风味和质地保持不变。

11413　抑制脂类物质酸败　脂类物质受氧化,会产生过氧化物和挥发性醛等,使食品风味变差而失去食用价值。几乎所有的食品或多或少都含有脂质,抑制脂质酸败是保持食品品质的重要课题。海藻糖对这种油脂构成成分中的脂肪酸分解具有很好的抑制作用。11414　抑制鱼腥味的生成　在鱼类食品加工过程,尤其是在加热处理时会产生三甲胺,这就是鱼类食品令人不快的腥味的重要成分。如果在加热前加入海藻糖,就能抑制三甲胺的生成,降低不快臭味的产生。此外,添加海藻糖,也能减轻鸡、鸭、鹅肉等怪味。11415　矫正味道和矫正气味作用　食品中的一些令人不快的异味主要是由挥发性醛类、乙基硫醇和三甲胺三大类物质构成,加入一定量的海藻糖就能够有效地抑制这些物质的产生,呈现很好的矫味矫臭作用。海藻糖对食物的甜味、香味有协同增强作用,能改善其它合成甜味剂如阿斯巴甜的甜味质量,它又能缓和、部分掩盖其他不良味道,减少涩味和苦味,对一部分的酸味起缓和作用。11416　抑制大米的米糠臭　一般而言,保存大米时,其含的脂肪酸分解而产生挥发性醛,这就是米糠臭的成因。对此,在大米中加入1～2%海藻糖,即能抑制米糠臭的生成。11417　保鲜　海藻糖可代替动植物组织或细胞中水分的作用,即在组织和细胞失水时,能发挥多种功效保护组织、细胞的结构不受干燥和冻结的损害。因此,对蔬菜、肉类、水果的保鲜非常有效。

11418　稳定物料中的超氧化物歧化酶

一般认

为,体内的超氧离子大量增加时,就有可能引发癌症、动脉硬化、老化等多种病变。体内虽然备

有消除过量超氧离子的超氧化物歧化酶(即S OD ),但远远不够,有必要在日常生活中摄入蔬

菜、水果中的维生素C 、β-胡萝卜素等抗氧化物。海藻糖具有稳定S OD 活性的机能,同时又可促进这些抗氧化物保持S OD 的特性。

11419　防蛀牙　由于海藻糖在口腔内不发生分

解,产酸少,也不会产生引起龋齿病的不溶性葡聚糖。另外,它还能抑制由蔗糖产生的不溶性葡聚糖的粘质物的形成。因此可以说海藻糖是属于益牙性质的糖类。

114110　补充能源

海藻糖与蔗糖、麦芽糖一样,

都在小肠中消化吸收,成为能源(每克海藻糖产热为4千卡)。更重要的是,海藻糖在人体内的分解是一个平缓而稳定的过程,非常适合用于运动饮料。2海藻糖保护机理的几个假说

关于海藻糖对生物分子的保护作用,人们进

行了大量探索,提出了种种假说。主要有四种假说解释海藻糖稳定生物分子的机制。211“水替代”假说

Cr owe 等人

[20]

认为当蛋白质的结构水失去

时,海藻糖可在干燥生物分子的失水部位以羟基和分子形成氢键,取代了由水形成的氢键,这种氢键的形成能抑制蛋白质由于脱水变性作用引起的去折叠,这使得分子在缺水条件下仍保持其原有结构而不丧失活性。212“玻璃态”假说

Colaco

[21]

等发现海藻糖与生物大分子形成一

种类似水晶状的玻璃体结构,能够使生物分子维持一定的空间结构,从而在干燥及冷冻时可得到有效保护。213　优先排阻学说

Ti m esheff 等

[22]

提出这一学说,可以用来解释

溶液状态的蛋白质稳定作用。他们认为海藻糖与其它一些小分子糖类不直接与蛋白质结构相互作用,而是优先与水结合,使它们从蛋白质分子中的溶剂化层中排除出来,导致酶的溶剂化层半径减少,蛋白质的表观体积减少,可移动性降低,

蛋白质分子结构更趋紧密,构象更稳定,从而抵御外界极端环境的影响。据报道,海藻糖的水化体积比蔗糖、麦芽糖、葡萄糖和果糖大215倍,因此,分子排阻效应明显,故蛋白质的优先排阻在较低浓度下就能实现,导致比其它双糖更强的稳定效果[23]。

214海藻糖与其它分子的协同作用

Singer等[24]通过研究酵母细胞发现,海藻糖与一些分子伴侣在细胞热耐受中发挥了协调作用。M iller等[25]人以乳酸脱氢酶为研究体系,发现一些离子能与海藻糖产生协同作用,对该酶产生更强劲的保护效果。

3　海藻糖的应用研究进展[26][27]

311在医药工业中的应用

在医学上已经成功地应用海藻糖替代血浆蛋白作为血液制品、疫苗、淋巴细胞、细胞组织等生物活性物质的稳定性。不仅可以常温条件下干燥存放,更重要的是可以防止因血源污染而引起乙肝、艾滋病等致命疾病的传播,世界卫生组织对此十分重视。

312　在化妆品方面中的应用

海藻糖在化妆品上的应用是基于具有优异的保持细胞活力和生物大分子活性的特性。皮肤细胞,尤其是表皮细胞在高温、高寒、干燥、强紫外线辐射等环境下,极易失去水分发生角质化,甚至死亡脱落使皮肤受损。海藻糖在这种情况下能够在细胞表层形成一层特殊的保护膜,从膜上析出的粘液不仅滋润着皮肤细胞,还具有将外来的热量辐射出去的功能,从而保护皮肤不致受损。313　在农业科学中的应用

海藻糖可用于作物抗寒、抗旱等。种子保存、农作物抗寒、抗旱等领域,在使用海藻糖之后,能将种子、种苗的根茎有效地保持水分子,有利农作物播种、成活率高,同时保护作物减少寒冷而冻伤,生产成本将大大下降。这方面对农业、特别是减少北方寒冷干燥的气候对农业的影响,在农作物种植应用,其效益是巨大的。

314在食品工业中的应用

海藻糖作为一种优秀的能有效改善食品质量和风味的天然配料,已得到联合国粮农组织及欧共体的肯定和推荐,在欧美日食品产品,尤其是保鲜食和脱水食品中,以海藻糖作为保护剂、保鲜剂的,占有非常大的比重

31411　在烤制品类中应用

在烘烤制品中,海藻糖有多种潜在的使用价值。它能调节蛋糕和饼干、糕点上的糖霜、面包奶油和水果馅的甜味与芳香,不损害贮藏寿命,使人们品尝到产品原有的风味。同时,海藻糖能有助于甜饼、面包奶油和糖霜中脂肪的降低,在可口饼及快餐中产生独特的糖霜感觉,它使消费者因最优的甜味更容易接受含高脂肪和糖的高热量产品。在保持产品贮藏期时,海藻糖能减少多成份的烘烤制品中湿气流动,以能使甜味更佳。31412　在糖果类中应用

与其它大多数增甜剂混合,海藻糖可在糖果特别是果汁饮料和药草产品中使用,以调节产品甜度,从而能真正保持产品的原有风味。海藻糖适用于用配方配制“益齿”产品。海藻糖极稳定,在生产中及加工产品中不被水解。海藻糖能用作糖果的外层而形成一种稳定的非吸湿性保护层。由于工艺的稳定性,海藻糖能在长期高温下进行而不用担心水解和色变。

海藻糖滚衣性能极好。海藻糖特有的溶解特性能真正使它们本身滚动形成保护层,这层履盖物极稳定、坚固,从而改善其它大多数增甜剂相对的白色层面。

31413　在能量产品类中应用

海藻糖被分解成葡萄糖,但与其他糖相比,海藻糖更具平稳的血糖反应,这种独有的特性结合的低致龋性和非泻下性作用,使得海藻糖极适用于按配方制造的饮料,以提供能量和减轻疲劳与压力。

31414　在巧克力糖果类中应用

在巧克力糖果中使用海藻糖,能调节糖果的甜味,特别有益于含有水果馅的产品,海藻糖还能减少多成分产品中水分游离。海藻糖对产品甜味的改善为创造新味感巧克力提供了可能性。

由于它致龋性的降低,作为主要的增甜剂或结合其他低致龋性增甜剂,海藻糖可用于按配方配制益牙产品。一种特级海藻糖可和多元醇合用于制取巧克力,其溶解时放出的热量可使多元醇的冷却效应降到最低。

31415　在水果类应用

在经加工过的水果,包括果酱、调味果酱、

果馅中,海藻糖是一种最好的甜味调节剂。通过增加可溶性固体物质提高产品性能,从而使人们品尝到产品的原有风味而不损害产品贮藏期。另外,由于海藻糖工艺过程的稳定性,不会产生水解,产品色泽不变并保持原有光泽。海藻糖能用于佐料和可口果酱,通过调节甜味来产生风味感,同时保持产品贮藏寿命。31416　速冻品类

海藻糖可代替蔗糖,降低冰淇淋和其他冷冻制品的凝结点,由于它没有蔗糖甜,只能在冻品和冰冻糖果中用于产生新的糖霜,并使产生独特、可口的冻制品成为可能。31417　在饮料中应用

海藻糖在饮料品中虽微甜但口感好,能与其他大多数增甜剂结合使用,使其甜味完善,从而全面提高产品风味。在含酒精的饮料中,海藻糖不损减酒精的感官性能,提增味感。31418　在农产品保鲜中应用

南方的珍贵水果如龙眼、荔枝,目前因缺少有效的保鲜技术,除了少数以鲜果形式就近出售之外,很大的部分只能制成龙眼、荔枝肉(干)。加入海藻糖之后保鲜,由于其维生素、色泽等均得以保存下来,并且可以在常温下运输,无须冷藏。因此运到北方食用时与鲜果相差无几,这样将大大促进南方特有水果的种植规模化发展。31419　在海鲜类食品中应用

海藻糖作为一种对海鲜的低温防护剂特别有效,当海藻糖在蛋白质/水界面绝对抑制水的官能度时,海鲜的硬度、伸缩性及凝胶力就会增加,海藻糖的微甜也提高了海鲜的味觉质量。与其他的低温防护剂用于生产海鲜不同,海藻糖不会导致喉咙炽热感,且没有泻下问题。314110　在奶制品行业应用

盛产牛奶的北方将可以采用喷雾干燥的技术加入海藻糖制成奶粉,这些奶粉运到南方之后,经重新水化又变成与鲜奶相差无几的牛奶,完全保持原有的鲜味,这样即可减小运输体积,又可省去冷冻设备。

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