海藻糖及其在饲料养殖业中的应用

2016-03-10王跃先高爱霞刘德海

河南畜牧兽医 2016年17期

关键词：海藻饲料

王跃先，高爱霞，刘德海

（1.河南省饲草饲料站，河南郑州 450008；

2.沁阳市山王庄镇政府；河南省科学院生物研究所）

海藻糖及其在饲料养殖业中的应用

王跃先1，高爱霞2，刘德海3

（1.河南省饲草饲料站，河南郑州 450008；

2.沁阳市山王庄镇政府；河南省科学院生物研究所）

海藻糖是一种天然存在的非还原性二塘，作为一种健康、安全的新型原料，具有对生物膜、蛋白质及活菌制剂等独特的保护作用，在食品、医药、农业等多个领域都有广泛的应用。

海藻糖；性质；饲料工业；养殖；应用

海藻糖（trehalose）又称α-D-吡喃葡糖苷基-α-D-吡喃葡糖苷，是一种安全、可靠的天然糖类，1832年由Wiggers将其从黑麦的麦角菌中提取，首次发现了海藻糖［1］，随后法国化学家Berthelot在小亚细亚沙漠里一种橡皮虫分泌的糖蜜中也发现了该糖，将其命名为海藻糖［2］。研究发现海藻糖在自然界中许多可食用动植物及微生物体内都广泛存在，如人们日常生活中食用的蘑菇类、海藻类、豆类、虾、面包、啤酒及酵母发酵食品中都有含量较高的海藻糖，其中，蘑菇中含量较多，占干重的20%左右。

海藻糖对多种生物活性物质具有非特异性保护作用。沙漠植物卷叶柏在干旱时几近枯死，遇水后却又可以奇迹般复活；高山植物复活草能够耐过冰雪严寒；一些昆虫在高寒、高温和干燥失水等条件下不冻结、不干死，科学家们发现，之所以能够在严酷的环境中存活，是因为它们体内有海藻糖。众多研究试验证明，海藻糖可保护动植物细胞和蛋白质不受冻、不干枯，并且，它在昆虫的体液中，可作为一种飞翔的能源。海藻糖因此在科学界素有“生命之糖”的美誉［3］。国际权威的《自然》杂志曾在2000年7月发表了对海藻糖进行评价的专文，文中指出：“对许多生命体而言，海藻糖的有与无，意味着生命或者死亡”。同时海藻糖安全无公害，作为一种绿色食品添加剂已通过美国和欧盟的认证［4］。

海藻糖对生物体具有神奇的保护作用，是因为海藻糖在高温、高寒、高渗透压及干燥失水等恶劣环境条件下在细胞表面能形成独特的保护膜，有效地保护蛋白质分子不变性失活，从而维持生命体的生命过程和生物特征。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖类，均不具备这一功能。这一独特的功能特性，使得海藻糖可以作为蛋白质、酶、疫苗和其他生物制品的优良活性保护剂。

1 海藻糖的理化性质

海藻糖是由两个葡萄糖分子以1，1-糖苷键构成的非还原性双糖，海藻糖是一种结构稳定的非还原性双糖，具有明显的化学惰性和极强的稳定性，有3种异构体即海藻糖（α，α）、异海藻糖（β，β）和新海藻糖（α，β），分子式为C12H22O11，结构稳定，海藻糖是功能性低聚糖，具有非还原性、保湿性、热酸稳定性、抗冻结、干燥性等特性［5］，不具有还原性，不能使斐林试剂还原，也不能被糖苷酶水解，且与氨基酸和蛋白质混合加热也不会发生美拉德反应褐变。商品海藻糖含2个结晶水的结晶海藻糖和不含结晶水的无水海藻糖，易溶于水，乙醇、冰醋酸，不溶于乙醚、丙酮，海藻糖在水中的溶解度随温度的变化较为明显；化学性质稳定，结晶海藻糖熔点为97℃，于130℃失水，无水海藻糖熔点为210.5℃；无色无味，口感略带甜味，甜度相当于蔗糖的45%，在体内可被酶水解为葡萄糖，甜味久而不衰是较砂糖而言更温和的高品质糖类，并且很容易与其他甜味剂调和，能引发素材本身所特有的味道，并达到略带甜味的效果，海藻糖跟蔗糖和麦芽糖一样在小肠被消化吸收，成为营养源。

2 海藻糖的生物学特性

海藻糖最重要的生物学功能是其抗逆保护作用及能量储备等。研究表明：某些物种对外界恶劣环境如干旱、高温、脱水、冷冻、高渗透压及毒性物质等，所表现出来的抗逆耐受力与这些物种体内存在的海藻糖密切相关。海藻糖对生物体及生物大分子有着良好的非特异性的保护作用，因而使其在食品、医药和农业上有许多用途，如在医药和微生物学中作细胞防冻剂、诊断试剂和生物产品的稳定剂、化妆品的有效成分、食品防腐剂、农业上培育抗旱作物等［6］，具有非特异性保护、抗辐射、保湿、防腐等特性。近年来，海藻糖的保护作用日益被人们所重视，在水溶液中，海藻糖可以保持玻璃态并形成非吸湿玻璃态，使海藻糖在结晶时保持稳定。这种二糖还可作为分子伴侣，在环境损伤引起的变性蛋白的正确折叠中起着重要作用。关于海藻糖对生物大分子保护作用的原因，大致有两种假说：一是“玻璃态”假说，认为通过海藻糖玻璃化转变的趋势，使细菌在冷冻干燥过程中和复水过程中均处于液晶状态，在这种结构中，分子运动和分子反应非常微弱；二是“水替代”假说，认为生物体的大分子被一层水膜包围着，当生物大分子失去包围在其表层以维持其结构和功能的水膜时，海藻糖能在失水部位以氢键形式链接，形成一层保护膜以替代失去的结构水膜，来维持生物大分子的空间结构［7］。

3 海藻糖的制备方法

海藻糖广泛存在于自然界（如微生物、细菌、真菌、酵母菌、昆虫、无脊椎动物低等动植物体内），海藻糖的生产方法包括微生物酵母抽提法、微生物发酵法、天然生物提取法、酶转化淀粉法、化学合成法、基因重组法等［8-9］，目前在实验室和生产上制备海藻糖主要有三种方法：一是从生物酵母和细菌细胞中提取，二是采用微生物发酵生产，三是采用微生物发酵提取相关海藻糖合成酶，采用酶法合成海藻糖［10］，酶法是至今各种海藻糖生产方法中最有前途的一种，它的出现为海藻糖的大规模工业化生产奠定了可靠基础［11］。海藻糖合酶酶法合成不需要任何辅酶，反应流程短，底物专一性强，工艺简单，易于调控，适于工业化生产海藻糖。海藻糖合成酶法以麦芽糖为底物，一步转化生成海藻糖，是相对经济的生产方法，但仍有许多问题需要研究解决，其中海藻糖合成酶是关键［12］。海藻糖合成酶是一种新的转苷酶，此酶对麦芽糖作用专一，使麦芽糖出现分子内发生转苷作用，即α-1，4键转变为α-1，1键，这样，麦芽糖在分子内可以转化为海藻糖。

4 海藻糖在饲料养殖业中的应用

海藻糖作为一种添加剂、稳定剂和甜味剂已经广泛应用于食品、化妆品和医药工业等领域［13］。作为一种生物活性物质，具有很强的保水性以及对生物大分子如蛋白的保护作用，使得海藻糖具有很好的商业价值，在饲料养殖领域也逐渐得到了应用，越来越受到人们重视。吴信等（2007）等［14］探讨了海藻糖在饲料中的应用，利用其对酸、热都非常稳定可作为抗变性剂和防腐剂以延长饲料的保质期和货架期，利用其吸湿性和干燥性可替代化学储存剂用于饲料的干燥和保存，利用海藻糖不具有还原性，与蛋白质、氨基酸等混合加热也不会发生美拉德反应，可防止饲料高温加工所引起的美拉德反应。

4.1 作为冻干保护剂

随着我国畜牧业的迅速发展，饲料的需求量日益增大，青贮饲料以其适口性好、消化率高已成为畜禽常用粗饲料。微生态制剂在养殖应用中可有效调节动物肠道pH，造成肠道酸性环境，抑制有害菌群的生长繁殖，调节动物肠道菌群的平衡，保持肠道健康。在实际生产中由于受高温等多种客观条件限制，其菌体死亡和损失率高。海藻糖在细菌干燥过程中形成玻璃态保护膜，可有效保护细胞受损伤。攀振（2007）等［15］在冻干保护剂中加入6%海藻糖后，可使青贮饲料用植物乳杆菌的冻干存活率达到88.21%，使得乳酸菌在冻干后存活率大大提高，从而克服了如路途遥远、活菌数不足、饲养地区条件差等因素的制约，为青贮饲料添加剂在偏远农牧区的推广提供了依据。潘艳（2010）等［16］研究以饲料用植物乳杆菌为目标菌株，在其冷冻干燥过程中加入海藻糖的保护作用最为显著，植物乳杆菌的存活率达到78.90%，添加海藻糖可明显减缓植物乳杆菌的死亡速度。添加海藻糖也能有效地提高酵母的耐冻能力［17］。

蔗糖和海藻糖是常用的非渗透性和低毒性冷冻保护剂，有助于细胞膜的稳定，王金花（2009）等［18］比较了蔗糖、海藻糖作为非渗透冷冻保护剂对兔子胚胎冷冻保存的效果，发现添加海藻糖组存活率明显高于蔗糖组。

韦航（2010）等［19］对海藻糖作为抗冻剂对鱼片和鱼丸的保鲜作用进行了研究发现：添加海藻糖能有效抑制冷冻鱼片和鱼丸解冻失水、加热失重，并能防止鱼肉蛋白质变性，保持鲜嫩口感，提高冷冻鱼片和鱼丸的品质。

4.2 作为生物活性物质的保护剂

由于海藻糖是一种可溶性的小分子化合物，对蛋白质、膜系统有很好的保护作用，在胁迫条件下可有效维持生物膜、细胞内活性物质的稳定性，从而提高动植物对干旱等非生物胁迫的耐受能力。生物体通过调节海藻糖的合成来抵御外界的不良伤害，但当环境条件恢复的情况下，胞内海藻糖又会迅速分解。高海藻糖含量可以保护细胞膜，对多种生物大分子和细胞膜有显著的保护作用，用途十分广泛，防止线粒体DNA丢失和细胞内容物的外泄，是重要的抗高渗保护剂，还可以保护细胞抵御高温胁迫［20］。如海藻糖可以用来替代血浆作为疫苗等生物制品的稳定剂，使生物制品能在常温存放，大大节省冷藏费用。

酶作为一种活性蛋白质，它的稳定性一直是困扰其大规模应用的主要原因。饲料中加入酶制剂可有效提高养殖效益，植酸酶在畜禽养殖上的应用已得到肯定，李融（2009）等［21］对海藻糖作为一种包被成分在商品植酸酶中应用，结果表明海藻糖可有效提高植酸酶的热稳定性，加入海藻糖较不加时酶活力保留率提高36.3%～50.3%。研究发现海藻糖在高温下能保持酶的正常活性，甚至起热激活作用，还能用于提高干燥保存的酶的活性。在反应体系中加入海藻糖，使热敏感的酶在高温下稳定性和活性增加，可当作耐热酶使用，海藻糖的这一作用在生物药学和工业生产领域具有广泛的应用价值。

4.3 海藻糖在养殖业中的应用

作为低聚糖添加剂应用于动物养殖：王宝维（2003）等［22］在罗曼蛋鸡饲料或饮水中添加海藻糖（500 mg/kg），可有效促进肠道乳杆菌和双歧杆菌的生长繁殖，有效降低大肠粪便NH3-N含量，在动物饲料方面有广阔的应用前景。

黄俊（2009）［23-24］在肉鸡日粮中添加海藻糖可显著提高肉鸡的消化性能，优化肠道微生物组成，能显著促进肉鸡生长，增加日增重，降低料肉比、死亡率，改善肉品质及提高肌肉中蛋白质含量。以0.1%添加量效果最优，可显著提高肉鸡体质量9.42%（P＜0.05），料肉比显著低于对照组（P＜0.05）。

海藻糖是在生物圈广泛存在的一种非还原性双糖，作为能量或碳源的供体，主要参与微生物、植物和无脊椎动物碳水化合物的储存、运输及逆境保护等生理过程。最初，海藻糖常被认为是细胞贮存葡萄糖的一种方式，用于能量合成或者作为细胞壁的组分，但随着海藻糖的功能被报道的越来越多，现在已经明确，海藻糖不仅仅是一种供能化合物，而且参与了细胞内信号转导与调控，防护胞内蛋白和细胞膜因不良环境压力而引起的失活和变性［25］。其对活体的保护作用和特殊的理化性质（具有很强的热稳定性、酸稳定性和化学稳定性）目前在水产品、畜产品、生物制品、食品、药品及精细化工等领域得到了一定的应用，随着海藻糖生产成本的不断降低，功能性质不断被人们认识，其应用领域会越来越广泛，发掘研究海藻糖在动物体内的代谢和作用机制，对畜牧业的发展具有重要意义。

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