无水海藻糖

海藻糖，又称α，α-海藻糖、 α-D-吡喃葡萄糖基-α-D-吡喃葡萄糖苷、 Mycose,为两分子D-吡喃葡萄糖的异头碳原子(C1)上的半缩醛羟基之间去水缩合而成的非还原性双糖。主要分为α，α-海藻糖、α，β-海藻糖和β，β-海藻糖等三种。存在于霉菌、藻类、干酵母、麦角等中，也可由人工合成。其具有保存生物活力的特殊功能, 能有效地保护细胞膜和蛋白质的结构, 使生物体在异常情况下, 如高温脱水(干燥、高渗透压)、冷冻时仍保持细胞内湿润, 防止细胞因失水而造成养分的损失和细胞的损伤.而且体外海藻糖同样具有稳定生物膜和蛋白质结构的特性, 国际上用它保护基因工程酶类、各种病毒、疫苗、抗体、蛋白质因子、核酸等，同时作为生物活性物质的稳定剂和保护剂, 其在食品、保健品、化妆品、医药、分子生物学和农业等领域有着广阔的应用前景。

海藻糖有三种不同的正位异构体 (Anomers)，即α，α-海藻糖 (又叫蘑菇糖，Mycose)，α，β-海藻糖 (新海藻糖，Neotrehalose)和β，β-海藻糖 (异海藻糖，Isotrehalose)。海藻糖可以几种固体形式存在，最常见的是二水化合物。海藻糖的稳定性比蔗糖好，与氨基酸、蛋白质等混合在加热的条件下，也不会发生美拉德反应。其溶解度约是蔗糖的2/3，渗透压与蔗糖、麦芽糖等双糖相同，甜度只有蔗糖的45%左右，留在口中的后味较清爽。含两个结晶水的海藻糖不显示吸湿性，而无水海藻糖结晶有非常强的吸湿性，后者可作为干燥剂使用。海藻糖不能使斐林试剂还原，也不能被α-糖苷酶水解，但在强酸条件下能被水解为两个葡萄糖分子。

表1为海藻糖的基本性质 1.微生物抽提法
微生物抽提法是以乳酸菌、酵母、霉菌及其它一些含海藻糖的菌体为提取源, 首先通过干燥、改变渗透压等方法处理菌体, 使其体内积累更多的海藻糖, 然后经过乙醇等有机溶剂抽提、精制, 从而得到较高纯度的海藻糖晶体。这是传统的海藻糖生产方法, 由于酵母中海藻糖含量较高, 可达细胞干重的20% , 通常以酵母提取为主。
2.发酵法
发酵法是在一定的基质上培养微生物, 通过微生物发酵生产海藻糖, 再从发酵液中提取精制而成, 其中能利用基质发酵生产海藻糖的微生物包括节杆菌属、棒杆菌属、短杆菌属、诺卡氏菌属、丝核菌属、微球菌属等。一般先通过诱变、细胞融合或基因重组选育产海藻糖高的菌株, 然后采用高浓度的培养基及高渗发酵, 并在发酵结束前让菌体/ 饥饿02~ 3h, 从而得到含海藻糖较高的培养物。该方法的缺点是转化率低, 发酵液成分复杂, 海藻糖的提取、精制困难, 因而研究运用先进的生化分离技术, 提高转化率和纯度, 对于绛低生产成本, 促进推广应用很重要。
3.酶转化法
酶转化法是采用葡萄糖、麦芽糖或淀粉等为底物, 通过与海藻糖合成有关的酶的作用转化成海藻糖。根据其作用底物, 主要分为葡萄糖、麦芽糖、淀粉为底物三种生产方法。
(1)以葡萄糖为底物
人们在研究细菌、真菌和植物体内海藻糖的生物合成途径时发现, 在生物体中最广泛存在的一条海藻糖合成途径是利用海藻糖- 6-磷酸合成酶( EC21411115) 和海藻糖- 6-磷酸磷酸酯酶( EC31113112) 催化葡萄糖生成海藻糖, 其反应式为:

图1为以葡萄糖为底物合成海藻糖的反应式
2.以麦芽糖为底物
以麦芽糖为底物的酶转化法主要有两种:
（1）由麦芽糖生物合成海藻糖的途径:

图2为以麦芽糖为底物合成海藻糖的反应式
该法具有较高的特异性和快速温和等特点, 但反应需要高能物质UDP 或高浓度磷酸盐, 而且磷酸化酶极不稳定, 转化率只有60% , 难于实现大规模的工业化生产;
（2）在一些非常见细菌, 如脂肪杆菌和某些耐热菌中发现一种海藻糖合成酶(trehalosesynthase), 它能将A,A-1,4-麦芽糖在分子内重组成
A,A-1, 1-海藻糖。该酶具有较严格的底物专一性, 只作用于麦芽糖生成海藻糖及从海藻糖生成麦芽糖, 前者的反应明显优于后者。
3.以淀粉为底物
以淀粉为底物生产海藻糖也有两条途径: 第一条途径是利用葡萄糖基转移酶(glycosyltransfer GTase) 和淀粉酶(amylase) 将淀粉转化成海藻糖, 转化率可达8115%, 这类酶广泛存在于硫化叶菌科中, 第一种酶是分子内转糖基酶, 将麦芽寡糖水解产生的葡糖基转移到麦芽寡糖还原末端葡糖基C1-OH位置, 产生A,A- 1, 1-葡糖基海藻糖; 淀粉酶水解葡糖基海藻糖生成海藻糖和麦芽寡糖, 该酶仅切割各种葡糖基海藻糖中与海藻糖相邻的A, A- 1, 4-糖苷键, 是一种新型A-淀粉酶。这两种酶热稳定性好, 淀粉价格便宜, 可望成为工业生产海藻糖的新途径。
第二条途径是通过存在于节杆菌Arthrobactersp.Q36以及微黄短杆菌Brevibacterium helvolum,Micrococcus roseus, Sulfolobusacidicaldarium等菌中的麦芽寡糖基海藻糖合成酶(maltooligosyl- trehalosesynthase, MTSase)和麦芽寡糖基海藻糖水解酶(maltooligosyl-trehalose trehalohydrolase, MTHase)的协同作用, 将一定链长的直链淀粉转化为海藻糖。麦芽寡糖基海藻糖合成酶是一种分子内转糖基酶, 催化麦芽寡糖(淀粉液化液) 还原端的葡萄糖基和相邻的葡萄糖基间的A, A-1, 4-葡萄糖苷键转化成A,A-1, 1-葡萄糖苷键, 生成麦芽寡糖基海藻糖; 麦芽寡糖基海藻糖水解酶专一水解麦芽寡糖基海藻糖的麦芽寡糖基和海藻糖基间的A, A-1, 4-糖苷键, 以上两种酶联合作用, 每次从麦芽寡糖生成海藻糖和少两个葡萄糖单位的麦芽寡糖。
4.基因重组法
基因重组法包括两个方面: 一是利用工程微生物和酶工程改进海藻糖生产, 提高产量, 降低成本;二是利用与合成海藻糖相关的基因构建具有抗逆性的转基因植物。Kim等克隆了非病原菌Brevibacterium helvolum中麦芽寡糖基海藻糖合成酶(BvMTS)和麦芽寡糖基海藻糖水解酶(BvMTH)的基因, 并将两者重组成新基因BvMTSH, 转入大肠杆菌中表达, 表达出的重组蛋白可高效的将可溶性淀粉转化成海藻糖。
5.化学合成法
海藻糖的化学合成主要是在2，3，4，6—四乙配基—D—葡萄糖和3，4，6—三乙酰—1.2 —脱水—D—葡萄糖之间产生环氧乙烷加成反应。在后一种化合物浓缩过程中也有海藻糖生成。然而海藻糖的化学合成具有较多的缺点，其中主要一点是产率低，分离困难，
至今还处于研究阶段。 1.海藻糖对生物分子有特殊的保护作用，它能使许多生物在异常条件下，如高温、脱水和冷冻时仍保持原活性。
生物膜表面结合水的存在对膜的稳定及保持完整有着重要的作用。正常的情况下，膜表面都存在大量的结合水，例如PC脂质体，通常每一磷脂头部都结合10～15个水分子。结合水的存在使膜表面能降低，使膜与膜间的紧密接触即膜融合的第一步不能实现。但一旦失去结合水，膜结构将发生一系列变化，出现诸如磷脂相变温度升高，磷脂侧向相分离，膜脂的缺陷及形成非双层相等，从而使膜通透性增高乃至产生膜融合。由于海藻糖拥有许多羟基，能够替代水与磷脂头部发生氢键结合，从而取代失去的结合水，维持生物膜表面“水化” 状态。人的皮肤细胞也是典型的生物膜，海藻糖通过降低相变温度，使其在脱水条件下的膜脂仍处于液晶状态，从而起到保护皮肤的作用。实验表明，海藻糖对生物膜的保护是通过防融合、泄漏等途径实现的。
蛋白质尤其酶在干燥过程中很容易失活，例如磷酸果糖激酶 (Phosphofructosekinase，PFK) 是四聚体，在干燥过程中能解离成无活性的二聚体。如果在干燥前加入一定量的海藻糖，即使极度干燥，PFK完全稳定而且仍保持原活性。 Camilo等把ECOR Ⅰ、BgⅢ、Pst Ⅰ和HindⅢ、T4DNA连接酶等放置在含海藻糖的缓冲液中一定时间后，于37℃通风干燥，干燥后的酶在70℃保存35d仍能精确地切割和连接DNA，而未加入海藻糖的酶其活性完全丧失。
海藻糖是生物分子的特效保护剂，它将为医用生物制品，如血液制品 (血浆、血液球蛋白、转移因子等)、菌苗、疫苗、抗体、载药脂质体、抗血清、外科手术所需贮存的皮肤、器官等的干燥保存、运输和使用带来极大的方便。
2.海藻糖具有抗干燥的作用，又具有良好的加工特性，化学性质稳定，不仅不发生美拉德反应，还能阻止还原糖和蛋白质的游离氨基反应，抑制美拉德反应的发生，而且由于甜度低，对食品的风味影响很少，在食品加工中的应用潜力主要是改进食品干燥工艺，加工出更好的食品。另外，含海藻糖的食品的复水速度也大大加快。
3.海藻糖长期保鲜食物的原理是其可在常温下形成一种特殊的膜而将食物密封，同时还会析出黏液将其粘结和滋润，并将原有的细菌和随后沾染的细菌杀死。这种保护膜在常规湿度下非常稳定，并且还能将外来的热量辐射出去。因此，利用海藻糖保存食品不仅效果理想、操作简单，而且延长食品在货架上的保存期。由于海藻糖对产品的风味影响较少。因此，可以将它用于许多食品的防腐保藏。目前已成功地用于牛乳、禽蛋、番茄酱和肉制品的防腐保藏。高能量的干燥食品也可利用海藻糖保持其稳定性，同时还可增加其热能值。
4.海藻糖对鹿肉表面细菌具有一定抑制作用，随着海藻糖溶液浓度增大，抑菌效果增强，最佳抑菌浓度为5.5%，超过该浓度，抑菌效果下降。同时发现利用栅栏技术，通过对海藻糖、魔芋葡甘露聚糖、溶菌酶、乳酸钠、乳酸链球菌素等不同防腐剂的复配可以大大提高新鲜鹿肉的保质期。
以上关于海藻糖的药理作用，应用，制备方法待信息由Chemicalbook的刘编辑整理。 1.在食品工业上的应用

a.防止淀粉老化
使用淀粉的食品，放在常温或低温下，就会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，是采用添加糖类、酶制剂、乳化剂等方法来抑制淀粉的老化，但这些方法都不够完善，综合来看，添加糖类是较为有效的。将12％的淀粉溶液与2％的糖等量混合，糊化后保存在4，以保存前和保存12h后的浊度比为淀粉的老化率，比较蔗糖、麦芽糖、海藻糖的防止淀粉老化效果，就会发现添加海藻糖的效果远远超过其他糖类。因此，使用海藻糖能够抑制淀粉的老化，改善品质，对于利用冷冻来流通的食品来说，今后可广泛使用海藻糖。

b.防止蛋白质变性
取蛋中的蛋白为蛋白质，在里面添加5％的糖在-20冷冻5d，以冷冻前和解冻后的浊度比为蛋白质的变性率，比较蔗糖、麦芽糖、海藻糖的防止蛋白质变性效果，同样可以发现，海藻糖的防蛋白质变性效果最佳。另外，牛奶酪蛋白长时间加热后，伴随蛋白质的变性会发生凝聚从而产生沉淀。例如，调试牛奶咖啡使之在55保存4周，在使用精制细砂糖的牛奶咖啡里，清楚见到牛奶酪蛋白的凝聚，但如果用海藻糖替换其中四分之一的精制细砂糖，牛奶酪蛋白就非常稳定，几乎见不到蛋白质的凝聚。从上述可以看出，海藻糖具有防止蛋白质变性或说使之稳定的效果，今后在含蛋白质食品以及各种酶制剂、医药品等领域可以充分应用海藻糖。

c.矫味、矫臭作用
海藻糖的第三个功能，就是特有的矫味、矫臭作用。在低盐酱油里添加2％左右的海藻糖，成味即刻增加，变成可与浓味酱油匹敌的味道。不过，作为海藻糖在这方面的作用，大多数还是掩蔽一些令人不愉快的气味和味道，或使之向降低的方向移动。例如，葡萄柚和芦荟的苦味、豆浆和蛋的生腥味、加热臭、陈米臭等等。在这些食品里面，只要添加少量的海藻糖，其苦味或异臭味就可以得到大大改善。像这种由于其微妙的味道或气味而影响其品质的食品有许多。因此，今后海藻糖在这方面将有很大的利用价值。

d.保持食品组织的新鲜度
贮存蔬菜、水果、谷类时，由于酶或非酶的因素会引起褐变、软化，从而使新鲜度降低。为此，经常采用预热处理或化学药剂等一些对策。例如，为防止苹果的褐变，常常用食盐水浸泡处理，但有时会感到有咸味或因组织软化而影响口感，很难达到人们满意的结果。这种情况，如果用5％的海藻糖溶液浸泡处理苹果，不但能防止褐变，同时其组织感觉也很好。海藻糖不仅对苹果、黄瓜、萝卜等新鲜的水果蔬菜，对白菜、黄瓜的盐腌制品等同样起着保鲜用。此外，对采摘的玫瑰花等也有保鲜、延长寿命的功能。

e.非龋齿性
现已有实验证明，海藻糖也不被龋齿菌所利用。人在摄入使用海藻糖的巧克力后的30分钟内，观察其牙垢的pH变化，结果发现pH值不会下降到5.7以下。尽管海藻糖不是糖醇而是糖类，它不能作为无糖食品的素材来使用，但上述的非龋齿性，与糖醇具有同样的意义。今后可作为非龋齿的糖类甜味剂而用于嗜好食品以及饮料等。

2.在分子生物学上的应用
海藻糖对生物干制品的保护作用使其在生化制品领域大有作为，如果能开发出更多常温下保存和使用的产品，则可使生化制品的成本大大降低。目前已将海藻糖技术应用于最不稳定的限制性内切酶类，使其可以在常温下保存相当长时间而不失活，这种技术还可能导致推出自动化的带干池或干PRC反应试剂盒等新型生化工具。

3.农业方面的应用前景
随着研究的深入，基因工程技术的发展，含海藻糖的转基因植物的建成，不仅仅是提高作物的抗旱能力，而且能使作物在收获加工后显得新鲜、更具有浓浓的风味如甜昧水果、蔬菜及其他产品。此外，高含量海藻糖的作物与其具有较好耐冻性有密切关系。由此看来，抗旱植物的建成及其发展将有可能为抵抗旱灾、冻灾及改造沙漠、绿化荒旱地做出重要贡献。

4.医药工业的应用
主要是作为试剂的诊断药的稳定剂。例如，应用于移植内脏器的储存、淋巴激素、生物制剂、抗生素、维生素、酶以及各种容易失去活性的物质改良与稳定。也可用于牙膏、内服药、糖衣片剂等中作为甜味剂、呈味改良剂、品质改良剂、稳定剂。同时用海藻糖来干燥活疫苗，易于保藏，说得上是一种很好的医用干燥剂，重新得水后使用极为方便有效。另外，海藻糖不仅可用于疫苗保存，而且还可使激素、血液及其成分稳定化。其实用性还在于对生物高技术产品的保存起重要作用，如基因工程所用的DNA限制内切酶，常规条件下不稳定，易失活。

5.在化妆品方面：
现在，用于化妆品的主要是海藻糖的衍生物，在日本海藻糖因其本身所显示的保湿性已被卫生部确认为新规格化妆品原料。例如可用于皮肤化妆品如洗面奶等，具有抑制皮肤干燥；可作为唇膏、口腔清凉剂、口腔芳香剂等各种组成物的甜味剂、呈味改良剂、品质改良剂。另外，无水海藻糖可以应用于如护肤霜等中作为磷脂以及酶的脱水剂。 每100毫升水中的溶解克数:
68.9g/20℃ [1]马世昌 主编.化学物质辞典.西安：陕西科学技术出版社.1999.第639页.
[2]贾士儒 主编.生物防腐剂.北京：中国轻工业出版社.2009.第208-209-210页.
[3]安家驹 主编;包文滁,王伯英,李顺平 合编.实用精细化工辞典.北京：中国轻工业出版社.2000:第923-924页.
[4]赵晓峰.海藻糖的功能特性及其应用.广州食品工业科技.[J].2004:02:151-155.
[5]胡宗利.海藻糖的生产制备及其应用前景.中国生物工程杂志.2004:24(4):44-48.

1.在自然界中以游离态存在于蘑菇等菌类、海草、虾及面包酵母、啤酒酵母中。制法：利用淀粉为原料，液化，用耐热性α-淀粉酶发酵、糖化，再用异构化淀粉酶作用而得。

2. 用发酵法生产，发酵液经阴离子交换树脂 (amberlite CG 1201) ，可得纯度为98.4%的海藻糖。