海藻糖及其在飼料養殖業中的應用

王躍先，高愛霞，劉德海

（1.河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008；

2.沁陽市山王莊鎮政府；河南省科學院生物研究所）

海藻糖及其在飼料養殖業中的應用

王躍先1，高愛霞2，劉德海3

（1.河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008；

2.沁陽市山王莊鎮政府；河南省科學院生物研究所）

海藻糖是一種天然存在的非還原性二塘，作為一種健康、安全的新型原料，具有對生物膜、蛋白質及活菌制劑等獨特的保護作用，在食品、醫藥、農業等多個領域都有廣泛的應用。

海藻糖；性質；飼料工業；養殖；應用

海藻糖（trehalose）又稱α-D-吡喃葡糖苷基-α-D-吡喃葡糖苷，是一種安全、可靠的天然糖類，1832年由Wiggers將其從黑麥的麥角菌中提取，首次發現了海藻糖［1］，隨后法國化學家Berthelot在小亞細亞沙漠里一種橡皮蟲分泌的糖蜜中也發現了該糖，將其命名為海藻糖［2］。研究發現海藻糖在自然界中許多可食用動植物及微生物體內都廣泛存在，如人們日常生活中食用的蘑菇類、海藻類、豆類、蝦、面包、啤酒及酵母發酵食品中都有含量較高的海藻糖，其中，蘑菇中含量較多，占干重的20%左右。

海藻糖對多種生物活性物質具有非特異性保護作用。沙漠植物卷葉柏在干旱時幾近枯死，遇水后卻又可以奇跡般復活；高山植物復活草能夠耐過冰雪嚴寒；一些昆蟲在高寒、高溫和干燥失水等條件下不凍結、不干死，科學家們發現，之所以能夠在嚴酷的環境中存活，是因為它們體內有海藻糖。眾多研究試驗證明，海藻糖可保護動植物細胞和蛋白質不受凍、不干枯，并且，它在昆蟲的體液中，可作為一種飛翔的能源。海藻糖因此在科學界素有“生命之糖”的美譽［3］。國際權威的《自然》雜志曾在2000年7月發表了對海藻糖進行評價的專文，文中指出：“對許多生命體而言，海藻糖的有與無，意味著生命或者死亡”。同時海藻糖安全無公害，作為一種綠色食品添加劑已通過美國和歐盟的認證［4］。

海藻糖對生物體具有神奇的保護作用，是因為海藻糖在高溫、高寒、高滲透壓及干燥失水等惡劣環境條件下在細胞表面能形成獨特的保護膜，有效地保護蛋白質分子不變性失活，從而維持生命體的生命過程和生物特征。而自然界中如蔗糖、葡萄糖等其他糖類，均不具備這一功能。這一獨特的功能特性，使得海藻糖可以作為蛋白質、酶、疫苗和其他生物制品的優良活性保護劑。

1 海藻糖的理化性質

海藻糖是由兩個葡萄糖分子以1，1-糖苷鍵構成的非還原性雙糖，海藻糖是一種結構穩定的非還原性雙糖，具有明顯的化學惰性和極強的穩定性，有3種異構體即海藻糖（α，α）、異海藻糖（β，β）和新海藻糖（α，β），分子式為C12H22O11，結構穩定，海藻糖是功能性低聚糖，具有非還原性、保濕性、熱酸穩定性、抗凍結、干燥性等特性［5］，不具有還原性，不能使斐林試劑還原，也不能被糖苷酶水解，且與氨基酸和蛋白質混合加熱也不會發生美拉德反應褐變。商品海藻糖含2個結晶水的結晶海藻糖和不含結晶水的無水海藻糖，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隨溫度的變化較為明顯；化學性質穩定，結晶海藻糖熔點為97℃，于130℃失水，無水海藻糖熔點為210.5℃；無色無味，口感略帶甜味，甜度相當于蔗糖的45%，在體內可被酶水解為葡萄糖，甜味久而不衰是較砂糖而言更溫和的高品質糖類，并且很容易與其他甜味劑調和，能引發素材本身所特有的味道，并達到略帶甜味的效果，海藻糖跟蔗糖和麥芽糖一樣在小腸被消化吸收，成為營養源。

2 海藻糖的生物學特性

海藻糖最重要的生物學功能是其抗逆保護作用及能量儲備等。研究表明：某些物種對外界惡劣環境如干旱、高溫、脫水、冷凍、高滲透壓及毒性物質等，所表現出來的抗逆耐受力與這些物種體內存在的海藻糖密切相關。海藻糖對生物體及生物大分子有著良好的非特異性的保護作用，因而使其在食品、醫藥和農業上有許多用途，如在醫藥和微生物學中作細胞防凍劑、診斷試劑和生物產品的穩定劑、化妝品的有效成分、食品防腐劑、農業上培育抗旱作物等［6］，具有非特異性保護、抗輻射、保濕、防腐等特性。近年來，海藻糖的保護作用日益被人們所重視，在水溶液中，海藻糖可以保持玻璃態并形成非吸濕玻璃態，使海藻糖在結晶時保持穩定。這種二糖還可作為分子伴侶，在環境損傷引起的變性蛋白的正確折疊中起著重要作用。關于海藻糖對生物大分子保護作用的原因，大致有兩種假說：一是“玻璃態”假說，認為通過海藻糖玻璃化轉變的趨勢，使細菌在冷凍干燥過程中和復水過程中均處于液晶狀態，在這種結構中，分子運動和分子反應非常微弱；二是“水替代”假說，認為生物體的大分子被一層水膜包圍著，當生物大分子失去包圍在其表層以維持其結構和功能的水膜時，海藻糖能在失水部位以氫鍵形式鏈接，形成一層保護膜以替代失去的結構水膜，來維持生物大分子的空間結構［7］。

3 海藻糖的制備方法

海藻糖廣泛存在于自然界（如微生物、細菌、真菌、酵母菌、昆蟲、無脊椎動物低等動植物體內），海藻糖的生產方法包括微生物酵母抽提法、微生物發酵法、天然生物提取法、酶轉化淀粉法、化學合成法、基因重組法等［8-9］，目前在實驗室和生產上制備海藻糖主要有三種方法：一是從生物酵母和細菌細胞中提取，二是采用微生物發酵生產，三是采用微生物發酵提取相關海藻糖合成酶，采用酶法合成海藻糖［10］，酶法是至今各種海藻糖生產方法中最有前途的一種，它的出現為海藻糖的大規模工業化生產奠定了可靠基礎［11］。海藻糖合酶酶法合成不需要任何輔酶，反應流程短，底物專一性強，工藝簡單，易于調控，適于工業化生產海藻糖。海藻糖合成酶法以麥芽糖為底物，一步轉化生成海藻糖，是相對經濟的生產方法，但仍有許多問題需要研究解決，其中海藻糖合成酶是關鍵［12］。海藻糖合成酶是一種新的轉苷酶，此酶對麥芽糖作用專一，使麥芽糖出現分子內發生轉苷作用，即α-1，4鍵轉變為α-1，1鍵，這樣，麥芽糖在分子內可以轉化為海藻糖。

4 海藻糖在飼料養殖業中的應用

海藻糖作為一種添加劑、穩定劑和甜味劑已經廣泛應用于食品、化妝品和醫藥工業等領域［13］。作為一種生物活性物質，具有很強的保水性以及對生物大分子如蛋白的保護作用，使得海藻糖具有很好的商業價值，在飼料養殖領域也逐漸得到了應用，越來越受到人們重視。吳信等（2007）等［14］探討了海藻糖在飼料中的應用，利用其對酸、熱都非常穩定可作為抗變性劑和防腐劑以延長飼料的保質期和貨架期，利用其吸濕性和干燥性可替代化學儲存劑用于飼料的干燥和保存，利用海藻糖不具有還原性，與蛋白質、氨基酸等混合加熱也不會發生美拉德反應，可防止飼料高溫加工所引起的美拉德反應。

4.1 作為凍干保護劑

隨著我國畜牧業的迅速發展，飼料的需求量日益增大，青貯飼料以其適口性好、消化率高已成為畜禽常用粗飼料。微生態制劑在養殖應用中可有效調節動物腸道pH，造成腸道酸性環境，抑制有害菌群的生長繁殖，調節動物腸道菌群的平衡，保持腸道健康。在實際生產中由于受高溫等多種客觀條件限制，其菌體死亡和損失率高。海藻糖在細菌干燥過程中形成玻璃態保護膜，可有效保護細胞受損傷。攀振（2007）等［15］在凍干保護劑中加入6%海藻糖后，可使青貯飼料用植物乳桿菌的凍干存活率達到88.21%，使得乳酸菌在凍干后存活率大大提高，從而克服了如路途遙遠、活菌數不足、飼養地區條件差等因素的制約，為青貯飼料添加劑在偏遠農牧區的推廣提供了依據。潘艷（2010）等［16］研究以飼料用植物乳桿菌為目標菌株，在其冷凍干燥過程中加入海藻糖的保護作用最為顯著，植物乳桿菌的存活率達到78.90%，添加海藻糖可明顯減緩植物乳桿菌的死亡速度。添加海藻糖也能有效地提高酵母的耐凍能力［17］。

蔗糖和海藻糖是常用的非滲透性和低毒性冷凍保護劑，有助于細胞膜的穩定，王金花（2009）等［18］比較了蔗糖、海藻糖作為非滲透冷凍保護劑對兔子胚胎冷凍保存的效果，發現添加海藻糖組存活率明顯高于蔗糖組。

韋航（2010）等［19］對海藻糖作為抗凍劑對魚片和魚丸的保鮮作用進行了研究發現：添加海藻糖能有效抑制冷凍魚片和魚丸解凍失水、加熱失重，并能防止魚肉蛋白質變性，保持鮮嫩口感，提高冷凍魚片和魚丸的品質。

4.2 作為生物活性物質的保護劑

由于海藻糖是一種可溶性的小分子化合物，對蛋白質、膜系統有很好的保護作用，在脅迫條件下可有效維持生物膜、細胞內活性物質的穩定性，從而提高動植物對干旱等非生物脅迫的耐受能力。生物體通過調節海藻糖的合成來抵御外界的不良傷害，但當環境條件恢復的情況下，胞內海藻糖又會迅速分解。高海藻糖含量可以保護細胞膜，對多種生物大分子和細胞膜有顯著的保護作用，用途十分廣泛，防止線粒體DNA丟失和細胞內容物的外泄，是重要的抗高滲保護劑，還可以保護細胞抵御高溫脅迫［20］。如海藻糖可以用來替代血漿作為疫苗等生物制品的穩定劑，使生物制品能在常溫存放，大大節省冷藏費用。

酶作為一種活性蛋白質，它的穩定性一直是困擾其大規模應用的主要原因。飼料中加入酶制劑可有效提高養殖效益，植酸酶在畜禽養殖上的應用已得到肯定，李融（2009）等［21］對海藻糖作為一種包被成分在商品植酸酶中應用，結果表明海藻糖可有效提高植酸酶的熱穩定性，加入海藻糖較不加時酶活力保留率提高36.3%～50.3%。研究發現海藻糖在高溫下能保持酶的正?；钚?，甚至起熱激活作用，還能用于提高干燥保存的酶的活性。在反應體系中加入海藻糖，使熱敏感的酶在高溫下穩定性和活性增加，可當作耐熱酶使用，海藻糖的這一作用在生物藥學和工業生產領域具有廣泛的應用價值。

4.3 海藻糖在養殖業中的應用

作為低聚糖添加劑應用于動物養殖：王寶維（2003）等［22］在羅曼蛋雞飼料或飲水中添加海藻糖（500 mg/kg），可有效促進腸道乳桿菌和雙歧桿菌的生長繁殖，有效降低大腸糞便NH3-N含量，在動物飼料方面有廣闊的應用前景。

黃?。?009）［23-24］在肉雞日糧中添加海藻糖可顯著提高肉雞的消化性能，優化腸道微生物組成，能顯著促進肉雞生長，增加日增重，降低料肉比、死亡率，改善肉品質及提高肌肉中蛋白質含量。以0.1%添加量效果最優，可顯著提高肉雞體質量9.42%（P＜0.05），料肉比顯著低于對照組（P＜0.05）。

海藻糖是在生物圈廣泛存在的一種非還原性雙糖，作為能量或碳源的供體，主要參與微生物、植物和無脊椎動物碳水化合物的儲存、運輸及逆境保護等生理過程。最初，海藻糖常被認為是細胞貯存葡萄糖的一種方式，用于能量合成或者作為細胞壁的組分，但隨著海藻糖的功能被報道的越來越多，現在已經明確，海藻糖不僅僅是一種供能化合物，而且參與了細胞內信號轉導與調控，防護胞內蛋白和細胞膜因不良環境壓力而引起的失活和變性［25］。其對活體的保護作用和特殊的理化性質（具有很強的熱穩定性、酸穩定性和化學穩定性）目前在水產品、畜產品、生物制品、食品、藥品及精細化工等領域得到了一定的應用，隨著海藻糖生產成本的不斷降低，功能性質不斷被人們認識，其應用領域會越來越廣泛，發掘研究海藻糖在動物體內的代謝和作用機制，對畜牧業的發展具有重要意義。

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S816.35

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1004-5090（2016）09-0013-04

2016-07-24）

河南省科技創新杰出人才項目，項目編號：154200510025，“利用基因工程技術生產海藻糖的關鍵技術研究”。