海藻糖的应用及海藻糖酶的研究进展

肖丽蓉 肖金树 张友洪 周安莲 黄盖群 危玲

（四川省农业科学院蚕业研究所，四川 南充 637000）

海藻糖(Trechalose)又称酵母糖，是由两个葡萄糖分子通过糖苷键结合而成的非还原性双糖。最初由Wiggers等于1882年从黑麦的麦角菌中分离出来。后来发现它是一种广泛存在于植物、细菌、真菌和无脊椎动物体内，尤其在霉菌、蘑菇等真菌中含量高，是国际上最近开发的主要低聚糖之一，在脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透压及有毒试剂等不良环境条件下能保护生物大分子结构和功能的稳定，维持生物体的正常生命活动，是一天然的生命保护者，因此备受科学家的关注和研究。最新的研究表明，外源性的海藻糖具有良好的非特异性保护作用，因此有人把海藻糖称为“生命之糖”。由于海藻糖稳定的细胞膜和蛋白质结构，海藻糖具有抗冷冻性、保湿性、耐高温性、干燥抗性，非还原性，良好的加工特性，化学稳定性，与其它糖类相比，更具安全性、非龋齿性及无异味性，优质甜味，低热值，防龋齿等特性，它已在许多方面得以应用，主要有以下几个方面:

1 在食品工业上的应用

1995年海藻糖在日本林原生物化学公司实现了工业化生产，并首次作为食品添加剂上市销售，产品种类包括糖果(蜜饯、口香糖、巧克力)、饮料、罐头食品、糕点、加工后的水产品、冷冻食品。在日本，自上市后海藻糖的销量已超过数千万吨。1998年，在韩国和中国台湾海藻糖也已获准作为食品添加剂使用，日本林原生化研究所申请了使用海藻糖的非油炸快餐食品制造法的专利。2000年10月美国FDA授予海藻糖为GRAS地位，批准进入食品各领域。2001年9月，欧盟批准在其范围内使用。British Sugar公司推荐海藻糖在各种食品中使用。美国Cargill公司将海藻糖用于开发运动饮料。如今海藻糖的规范应用正在欧洲掀起。

1.1 保护剂

使用淀粉的食品，易因淀粉的老化而变硬，出现松散、白浊等现象，从而引起品质的下降，尤其是冷冻食品，淀粉的老化现象更为显著。过去抑制淀粉老化主要采用添加糖类、酶制剂、乳化剂等方法，但只有添加糖较为有效。海藻糖防止淀粉老化的作用优异，明显优于其他糖类，在有效地保护蛋白质分子的天然结构的同时，也保持了食品的质地和风味。目前已成功利用海藻糖干燥的食品有牛奶、咖啡、果汁等。用海藻糖溶液处理蔬菜、水果和肉类，能防止软化，保持良好的组织和感官品质，延长产品的寿命。常用的化学防腐剂有一定的毒性，海藻糖能很好地防止异味和酸化且实验表明其对动物无毒性。对于含脂肪及不饱和脂肪酸较多的食品，添加海藻糖也可有效抑制其酸败。另外含海藻糖的食品的复水速度大大加快。很显然，在海产品、农产品等品质的保持和运输、战略储备、冷藏费用上都有着非常重要的现实意义。

1.2 甜味剂

海藻糖甜度低，甜味爽口，不留后味，渗透压与蔗糖相当，现已有实验证明具有抗龋齿功能，可在食品中代替蔗糖使用，可作为保护牙齿食品的甜味剂，广泛应用于各种糖果、口香糖、糕点、饮料、调味品、冰淇淋、巧克力等，促进食品工业的进一步发展。国外已广泛作为甜味剂、质构改良剂、稳定剂、保湿剂和辅助用剂等广泛应用于焙烤食品、饮料、糖果、果酱及速食食品中，海藻糖在甜味剂食品领域也有着广阔的应用前景。

2 在医药行业和生物制品保护中的应用

2.1 生物制品的保护剂

海藻糖具有独特的保护生物分子的功能，是生物分子的特效保护剂和组织细胞的稳定剂，它将为医用生物制品，如血液制品、酶、菌苗、疫苗、病毒、激素、细胞膜、单克隆抗体、载药脂质体、抗血清、外科手术所需贮存的皮肤、器官、重组人体蛋白、离体细胞和组织及干PCR试剂盒等的干燥保存、运输和使用带来极大的方便，且具有其它种类的保护剂都达不到保护效果。用海藻糖代替血浆作为生物制品的稳定剂，不仅能使其可在常温保存，还可减少因血液污染而引起的乙肝和爱滋病的传播，保证生物制品的质量和安全性。英国剑桥Quads'ant公司和WHO将进行合作，利用海藻糖干燥脊髓灰质炎疫苗，以解决从生产地到第三世界一些国家的长途运输中的冷冻问题。据统计仅此一项即可节省数百万美元的冷冻系统费用，这也有助于实现2OO0年在全世界范围内消灭脊髓灰质炎的目标。美国科学家最近发明利用海藻糖在脱水状态下长期储存血小板的新方法，可使储存时间由几天延长到几个月甚至几年。研究人员已成功使血小板保存7个月之久。我国也开展了海藻糖对人血清酶抗冻结性保护研究和其在哺乳动物细胞保存中的作用机制及应用研究。

2.2 活菌剂

活菌制剂是当今保健品的开发热点，但活菌在人体肠道内的存活率难以保证，如果能用海藻糖作为干燥保护剂，制成具有较高活力的菌粉，再以只能在肠道溶解的材料包装，生产出口服肠溶胶囊，将会大大提高活菌制剂的生物效价。此外，有资料称，海藻糖能促进人体双歧杆菌增殖，改善肠道微生态环境；有抑制骨胶原分解的作用，可防止骨质疏松；海藻糖具有较强的抗辐射作用，防止DNA突变；能够显著提高动物的热耐受性，具有防止肌肉疲劳，脉率过高，呼吸浅频及出现低血压状态等作用，有利于在机体处于极端环境下向肌肉组织提供更多的氧，增加机体有氧代谢能力。

此外，海藻糖还可作为各种药物的甜味剂，如:口服液、片剂、丸剂、漱口剂等。

3 在精细化工中的应用

利用生物工程技术生产表面活性剂是七十年代后生物工程领域中发展起来的一个新课题。从目前的研究情况看，糖脂是最重要的一类生物表面活性剂。海藻糖脂具有良好的表面活性性能。可用于石油的三次开采、日化、纺织等工业。另外，海藻糖基本上不被牙齿所带的微生物发酵，可用作保护性增香剂；其结晶形式可与粘接剂如羟乙基淀粉等一起用作糖衣材料。

4 在化妆品中的应用

由于海藻糖具有保湿、防晒、防紫外线功效，故可用于皮肤化妆品、洗面奶，作为保湿剂、保护剂、洁肤剂、紫外吸收剂等。还可用于唇膏、口腔清凉剂、口腔芳香剂等，作为甜味剂、改良剂。现在，用于化妆品的主要是海藻糖的衍生物。日本已将其列为新规格化妆品原料，并用于高级化妆品中。日本林原生化研究所发现，海藻糖有抑制老年人体臭的功效，准备利用海藻糖开发防止体臭的化妆品和护理用品。另外，无水海藻糖在化妆品方面的研究也成为一大热点。

5 海藻糖基因工程方面的研究

5.1 作物育种方面

随着现代基因工程技术的深入研究，可以将海藻糖合成酶基因导入植物，构建生产海藻糖的转基因植物，培育抗冻、抗旱、抗寒、耐盐转基因植物新品种。现有报道把海藻糖合成酶基因导入小麦、烟草中，都能明显地提高抗逆性能。Jang等将大肠杆菌中两种负责合成海藻糖的基因进行融合后导入水稻中，这种转基因水稻内海藻糖的积累增加，在恶劣环境条件下的生存能力不仅比普通水稻更强，而且其生长不被抑制。通过转基因植物培育的高海藻糖含量植物不仅抗逆性提高，而且收获后显得更加新鲜，具有更浓郁的风味，如柠檬、草莓等水果和蔬菜及其他农产品，其商品价值明显提高。目前英美科学家已使番茄积累海藻糖，并正在研究把基因引入其它水果。未来着重研究海藻糖积累与植物生长发育之间的关系，以更好地研究糖与基因表达调控之间的关系，相信通过转化海藻糖合成酶有关基因增加体内海藻糖含量会成为作物抗逆品种选育的新方法。与此同时，使用海藻糖还可望解决干旱、高寒、盐碱地区的作物特别是粮食作物、经济植物生长问题，将来有可能为改造沙漠、绿化荒旱地做出重要贡献。

5.2 提高海藻糖生产的质量和降低成本

在植物抗逆研究中，海藻糖合酶基因是继谷氨酸、脯氨酸、甜菜碱合成酶基因之后又一个与抗逆相关的基因。海藻糖累积于植物体内，发挥保护功能，从而改良植物的某种不良性状，达到优化育种效果。为了充分利用海藻糖的抗逆保护作用和能量储备等生物学功能，人们主要通过以下两个层面对海藻糖的合成与代谢途径加以干扰，从而实现海藻糖在生物体内的富集:一种方法是通过对海藻糖合成酶相关基因的克隆研究，构建其基因表达载体，并将该载体转入生物体内，最终实现海藻糖的富集。这样可使果蔬在加工后仍能保留较长时间的鲜度，同时期望开发出可作为生产海藻糖的植物材料，从而直接以植物体作为天然发酵罐大量生产海藻糖。另一种方法就是通过抑制海藻糖分解酶，即海藻糖酶的生物活性，阻断海藻糖的分解途径，这一目的可以通过化学手段，也可以通过生物学手段加以实现。利用工程微生物和酶工程改进海藻糖的生产，也可以提高质量，降低成本。近年来海藻糖合成酶基因的克隆和表达已成为生物学研究的新热点，海藻糖酶基因的克隆对于应用基因工程技术改造菌株，提高细胞内海藻糖的含量至关重要。

6 海藻糖酶基因的研究

海藻糖合酶基因对植物的遗传转化开始于Holmstrom等的报道，目前从许多植物、微生物中已经克隆到海藻糖酶基因。由海藻糖合酶基因(trehalase)编码的海藻糖酶(a.glucoside.glucohydro.1ase)是唯一能够水解海藻糖的酶，通过水解海藻糖为各种组织器官提供葡萄糖。在果蝇、蝗虫和家蚕等昆虫中海藻糖酶有两种类型，一种为可溶型，另一种为膜固定型，它们是由同一基因表达而形成的两种不同产物。

家蚕海藻糖酶基因是一种非组织特异性表达基因，可以在卵巢、中肠、马氏管和脂肪体等多种组织中表达，其表达受滞育激素(DH)的诱导调控。家蚕属于卵滞育型昆虫，其滞育激素(DH)是由咽下神经节(SG)所分泌的一种神经肽，在家蚕的滞育过程中起着关键性作用。卵母细胞通过位于膜内的海藻糖酶，将血液中海藻糖降解成葡萄糖，然后吸收到细胞内，最后合成糖元，从而导致蚕卵的滞育。徐卫华等首次以家蚕DHcDNA为探针，用32P2dCTP作标记，筛选和克隆了家蚕滞育激素基因，赵巧玲等也对家蚕海藻糖酶基因5′侧翼区进行了克隆与序列分析，他们为从分子水平上解明家蚕滞育机理提供了一条新思路，因此，研究海藻糖酶基因是解明家蚕滞育机理的一条重要途径。

7 展望

我国在海藻糖的研究方面起步较晚，但也获得了很多令人可喜的成果，我国已成为继日本之后第2个能利用淀粉直接生产海藻糖的国家。随着海藻糖生产方法的不断开发，随着以淀粉为底物酶法生产海藻糖技术的成熟，生产成本的不断降低，海藻糖的各种性质正逐渐被人们认识与利用，海藻糖的应用领域也越来越广，而且随着其对功能性质及作用机制的深入了解，其应用前景必然更加广泛，作为天然生物保护剂，它的应用可能导致生物产品行业的重大变革。

在近年来海藻糖的研究倍受关注，对海藻糖的生产技术及其应用研究颇为活跃，海藻糖相关酶的基因工程研究也成为热点。利用植物生产海藻糖是最有可能得到廉价产品的方法，国内外科学家正在进行转基因植物的研究，因此应加强运用分子生物学研究开发海藻糖制备新工艺；将海藻糖合成酶基因转入植物，在提高植物本身抗逆性的同时，植物体含海藻糖的量也提高了，这无疑又是一条生产海藻糖的新路。

徐卫华和赵巧玲等对家蚕海藻糖酶基因的分子水平研究，为解明家蚕滞育机理提供了一条新思路，相信致力于海藻糖酶基因的研究很可能可以解明家蚕滞育机理，当然这需要实验验证。另外，已经有外源海藻糖在黄瓜、小麦上的抗逆性应用研究，亦可展开其对动物的作用实验，探讨其对动物尤其是家蚕类的经济动物的抗性作用，这将具有重要意义。

在今后的研究中，应深入研究海藻糖的功能特性，进一步扩大在食品中的应用，如对人体肠道调节机制，作为食品保鲜剂的保鲜机制和技术的研究等。结合红外光谱和差式扫描量热法等先进的测试手段，深入研究海藻糖的物理化学特性，是揭示海藻糖作用机制的方向。随着分子生物学及基因工程的实验理论与方法的成熟，新技术的不断出现及应用，对海藻糖的研究进入分子领域，可以预测，蛋白质与海藻糖的结合与改性会成为下个十年生物化学与生物制品及动植物基因工程的研究热点。