海藻糖为什么被称为“生命之糖”?

2023-06-29 15:33
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海藻糖在科学界被称为“生命之糖”,国际权威学术期刊《Nature》曾发布专题文章,给予了海藻糖极高的评价:对很多生命体而言,海藻糖的有无,意味着生存或死亡。

从上推断,海藻糖并非仅存在于海藻中。自从1832年Wiggers首先从黑麦的麦角溶液中发现并结晶了海藻糖后,至今已发现上百种生物能合成海藻糖,这些生物广泛分布于植物(尤其是复苏植物)、动物(昆虫和其他无脊椎动物)、真菌(酵母、霉菌和担子菌等)、藻类和原生动物、原核生物(细菌和蓝细菌等)以及古菌等几大生物类群。

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海藻糖是一种天然存在的糖(结晶形式)

在不同的生物中,海藻糖具有不同的生理功能,这些功能包括作为抗逆代谢应急物、储藏碳源或能源物质以及组成细胞的结构物质,还有对生物体、生物组织和器官以及生物大分子的非特异性保护作用。

对于人类而言,海藻糖凭借其独特的化学结构赋予的理化性质和生物学功能,被应用于食品工业、医学、农业、化妆品工业、分子生物学等领域。

01
食品工业

海藻糖的一些独特的理化特性和生物学功能,使其在食品加工业中可以有多方面的应用。如其非还原性,使其不发生美拉德反应,从而在食品加工中表现出低呈色性;而其低吸湿性和保湿性,使其可以应用于蔬菜和水果的保鲜;其冻结和干燥抗性,可以使其作为蛋白抗变性剂和稳定剂应用于如蛋制品、乳制品、肉制品、鱼制品及豆制品等多种富含蛋白质的食品加工中;其低而柔和的优质甜味,可以使其替代蔗糖作为甜味剂(尤其需要低甜味时)和口感改良剂等。

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02
医药工业

海藻糖在医药工业和健康保健品工业领域中的应用研究较多,已作为试剂药和诊断药的稳定剂。目前,正从海藻糖具有的非还原性、稳定性、对生物大分子的保护作用及提供能源、低吸湿性和高保湿性等功能和特性出发,探讨多方面的应用。如用作移植器官的保存液、作为淋巴、激素、疫苗、抗生素、维生素、酶等各种生物制品以及含有这些生理活性物质的药品、功能性食品的稳定剂或品质改良剂。也可用作药物牙膏、内服药、药片的稳定剂和品质改良剂,以及作为易失活物质的常温脱水剂用于高品质的脱水药品、脱水保健品的制造等。

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相比于普通水(右图),添加海藻糖的水(左图)可以增加肠道细胞中的脂滴

03
化妆品工业

在我们熟悉的化妆品领域,海藻糖已得到广泛应用,而被应用的原因,无非因为它具有以下四个特性:

抗氧化、抗辐射特性

海藻糖是一种潜在的自由基清除剂。其糖环上的还原性羟基可以结合脂质过氧化链式反应中的活性氧,从而阻断过氧化的进行,起到抗氧化的作用。海藻糖还可以清除α、β射线产生的自由基,有效保护细胞DNA免受损伤。

保湿特性

海藻糖分子含有多个羟基和极性基团,可与周围环境的水分子形成氢键,牢牢锁住水分,起到保水作用。此外,海藻糖还可与其他多糖在胞外基质中形成一层保护膜,降低皮肤表面水分的蒸发,从而实现保湿润肤的功效。

抗高渗保护

国内外对海藻糖具有抗高渗保护的研究较多。认为微生物对逆境生长的环境会做出及时的自我保护应急反应,比如酿酒酵母在高渗条件下,体内会合成部分海藻糖,以保护自身不受恶劣环境的侵害,说明海藻糖可以作为天然的渗透压保护剂。

抗冷冻保护特性

海藻糖在细胞保存方面具有特殊的作用。国外研究表明,添加外源性的海藻糖可以显著提高酵母细胞的存活率。在冷、热处理细胞时,发现这种细胞对抗逆环境耐受力有所提高,认为其主要原因是延缓了细胞的流动性。

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基于以上特性,海藻糖可作为化妆品里的洁肤剂、皮肤保湿剂、紫外吸收剂,还有口红、唇膏的品质改良剂、稳定剂原料。此外,无水海藻糖可用作美毛剂、育毛剂中卵磷脂、生乳脂、蜂蜜、甘草抽提物、香料、着色料、酶等组分的高品质脱水物。更进一步,海藻糖的脂肪酸衍生物还可作为优良界面活性剂,用于各种皮肤化妆品或者香波配方中。




综上,海藻糖因其特殊的理化性质,在化妆品、生物医药等领域中得到了广泛应用。但天然生物中海藻糖的含量非常低,且分离纯化成本高,这严重限制了海藻糖工业的发展。

不过,我们并不用过多担心,因为现代分子生物学技术尤其DNA重组技术与发展起来的合成生物学技术,为基因工程菌株的构建与异源高效表达提供了新的方向;宏基因组学则突破了传统培养的弊端,可以直接提取环境中全部微生物的总基因组,并克隆到合适的可培养微生物宿主中来筛选目的基因,拓展了海藻糖合成相关基因的来源。随着科技的发展,宏基因组学与合成生物学技术日趋完善,相信更多的基因工程菌株将越来越广泛的应用于海藻糖的工业生产。

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参考文献:

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