海藻糖和透明質(zhì)酸對生物分子和微生物的保護(hù)及其作用機(jī)制

1、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文海藻糖和透明質(zhì)酸對生物分子和微生物的保護(hù)及其作用機(jī)制姓名：張玉華申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：食品科學(xué)指導(dǎo)教師：籍保平;凌沛學(xué)20070601摘要海藻糖是一種非還原性雙糖，具有獨特的抗冷凍、抗干燥脫水的生物活性，因此近年來成為世界各國科學(xué)家研究的熱點。透明質(zhì)酸（姒）是廣泛存在于動物各種組織細(xì)胞問質(zhì)中的直鏈多聚糖。本課題對海藻糖和單獨使用以及兩者復(fù)配對生物分子和微生物的保護(hù)及其作用機(jī)制進(jìn)行探討，為海藻糖和作為生物產(chǎn)品保護(hù)劑的應(yīng)用提供理論依據(jù)?？疾炝撕Ｔ逄恰⒁约皟烧邚?fù)配對模型蛋白質(zhì)胰激肽原酶（）的保護(hù)及其作用機(jī)制。在冷藏、反復(fù)凍融、冷凍干燥，真空干燥和、個周的貯存過程中，海藻糖對

2、活性的穩(wěn)定作用比較顯著，單獨應(yīng)用的效果較差，但兩者復(fù)配后保護(hù)作用高于兩者單獨使用。對酰胺帶二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜的研究發(fā)現(xiàn)，凍干和貯存期間二級結(jié)構(gòu)改變，海藻糖及其與復(fù)配有利于保持的天然結(jié)構(gòu)。凍干后，海藻糖的與的極性基團(tuán)產(chǎn)生氫鍵相互作用，代替極性基團(tuán)周圍失去的結(jié)合水，從而穩(wěn)定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)。不能與干態(tài)蛋白質(zhì)形成氫鍵連接。因而保護(hù)作用最差海藻糖和復(fù)配對凍干的保護(hù)作用最佳因為兩者具有互補(bǔ)性凍干過程中海藻糖與形成穩(wěn)定的氫鍵作用；加入提高了體系的玻璃化溫度（）以脂質(zhì)體為模型，探討了海藻糖、以及兩者復(fù)配對膜脂雙層凍干的保護(hù)及其作用機(jī)制海藻糖、及兩者復(fù)配能抑制凍干引起的脂質(zhì)體內(nèi)藥物泄漏和粒徑增大，其中的作用較差，

3、兩者復(fù)配作用高于海藻糖和單獨使用。膜融合和藥物泄漏與脂質(zhì)體的死具有相關(guān)性。凍干后，海藻糖的與磷脂的產(chǎn)生氫鍵相互作用，以代替失去的結(jié)合水。不能與磷脂的（產(chǎn)產(chǎn)生氫鍵相互作用。海藻糖和復(fù)配可以充分發(fā)揮兩者的互補(bǔ)作用，即海藻糖的“水替代”作用與的“玻璃態(tài)”作用有機(jī)結(jié)合，因此保護(hù)效果最佳。海藻糖、及其復(fù)配對長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌干態(tài)細(xì)胞的保護(hù)作用顯著優(yōu)于液體狀態(tài)。凍千造成菌體細(xì)胞生理性損傷，使其再水化后培養(yǎng)過程中具有較長的遲滯期，海藻糖和復(fù)配作為保護(hù)劑可以降低這種生理性損傷。通過正交試驗篩選出兩種菌的最佳凍干保護(hù)劑配方，相應(yīng)的凍干存活率分別為長雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌。凍干損壞微生物細(xì)胞膜和敏感蛋白質(zhì)。海藻

4、糖、以及兩者復(fù)配通過穩(wěn)定細(xì)胞膜物理性質(zhì)和蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)對菌體細(xì)胞的保護(hù)作用。通過掃描電鏡照片可以看出，無保護(hù)劑組凍干再水化后細(xì)胞裂解、內(nèi)容物泄漏，以海藻糖和復(fù)配為保護(hù)劑組細(xì)胞飽滿、形態(tài)完整。探討了空氣懸浮法制備長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌二聯(lián)活菌微膠囊的最佳工藝條件，在此條件下制各的微膠囊具有良好的耐酸性和腸溶性。微膠囊包囊產(chǎn)率，包囊效率。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)微膠囊表面覆蓋著一層光滑平整的囊膜，粒徑大小基本在鄴在恒溫、相對濕度，條件下貯存?zhèn)€月后，加保護(hù)劑的微膠囊菌體存活率高于，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于凍干菌粉和無保護(hù)劑微膠囊組。關(guān)鍵詞：海藻糖，透明質(zhì)酸，生物分子，微生物，保護(hù)作用）血撕嘶，）正，。，曲曙啊啪砒

5、】，講幣（坳，日×，僻，強(qiáng)缸（！，血￥，丸。，冀￥，￥，協(xié)州】，札，乜伽日：，妞圖表清單一插圖清單圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖液晶相磷脂雙層脫水后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相再水化后導(dǎo)致膜泄漏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一型海藻糖構(gòu)象式海藻糖對膜脂雙層在干燥狀態(tài)的穩(wěn)定機(jī)制示意圖非晶態(tài)聚合物的溫度形變曲線優(yōu)先排阻使蛋白質(zhì)穩(wěn)定示意圖冷藏過程中糖對溶液穩(wěn)定性的影響反復(fù)凍融過程中糖對活性保護(hù)作用凍干過程中搪對活性保護(hù)作用真空干燥過程中糖對活性保護(hù)作用海藻糖與質(zhì)量比對凍干穩(wěn)定性的影響凍干于貯存期間活性變化凍干酰胺帶二階導(dǎo)數(shù)光譜糖平面彎曲變形紅外光譜凍干再水化后的光譜糖對凍干脂質(zhì)體藥物保存

6、率的影響海藻糖和用量對藥物保存率的影響凍千前后不同糖存在時脂質(zhì)體粒徑保溫溫度對再水化后脂質(zhì)體平均粒徑與藥物保存率的影響磷脂“不對稱伸展紅外譜圖糖平面彎曲變形紅外譜圖凍融過程中長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌存活率凍融前后長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌產(chǎn)酸力變化凍干長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌存活率長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌凍干前后生長曲線、酸度曲線和曲線凍干再水化后菌液中蛋白質(zhì)與核酸吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線凍干菌體活性保存率凍干長雙歧桿菌掃描電鏡照片菌體蛋白質(zhì)酰胺帶二階導(dǎo)數(shù)光譜菌體細(xì)胞膜脂。不對稱伸展紅外譜圖微膠囊在人工胃液中的溶出情況微膠囊在人工腸液中的溶出情況中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博卜學(xué)位論文圖表清單圖微膠囊與菌粉掃描電鏡照片二附表清單

7、表表表表表表表表表表表表表表二級結(jié)構(gòu)指認(rèn)二級結(jié)構(gòu)含量分布不同糖存在時凍干體系的砘再水化中螺旋相對含量不同糖存在時凍干脂質(zhì)體的地正交試驗因素水平表冷藏過程中長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌存活率變化長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌凍干粉室溫貯存期間存活率變化（正交試驗方案與結(jié)果正交試驗極差分析結(jié)果凍干前后長雙歧桿菌半乳糖苷酶泄漏率菌體蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)指認(rèn)長雙歧桿菌菌體蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)含量分布不同糖的您正交試驗因素水平表（）正交試驗方案與結(jié)果表表表表表表正交試驗極差分析結(jié)果菌粉與微膠囊在人工胃液中的存活率微膠囊在人工腸液中的崩解性貯存期內(nèi)活菌數(shù)變化縮略詞胰激肽原酶透明質(zhì)酸利用傅里葉變換紅外光譜差式掃描量熱法圓二：色譜死玻

8、璃化溫度相變溫度棕櫚酰油酰磷脂酰膽堿阿霉素衰減全反射法二棕櫚酰磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿長雙歧桿菌嗜酸乳桿菌乳酸菌培養(yǎng)基鄰硝基苯廿毗喃半乳糖苷鄰硝基苯一葡聚糖凝膠一三羥甲基氨基甲烷掃描電鏡鄰苯二甲酸二乙酯相對分子質(zhì)量紅外光譜平均殘基摩爾橢圓度一吸光度中國工業(yè)微生物菌種保藏中心獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽

9、名。芴五軍時間：出加年月日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國農(nóng)業(yè)大學(xué)可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議）研究生簽名：吾步五牟時間：，。年月笤日導(dǎo)師簽名：翻時間：年月日第一章緒論真空冷凍干燥及其對生物分子和微生物的影響真空冷凍干燥技術(shù)真空冷凍干燥（簡稱凍干）是將含水物質(zhì)先凍結(jié)成固態(tài)，而后在真空條件下使其中的水分從固態(tài)宣接升華至氣態(tài)而被除去的一種干燥方法凍干過程分為三步，

10、即預(yù)凍結(jié)、升華干燥（或稱第一千燥階段）和解析干燥（或稱第二干燥階段）。應(yīng)用凍干技術(shù)生產(chǎn)生物來源產(chǎn)品具有以下顯著的優(yōu)點：整個過程在低溫下進(jìn)行，能夠保持生物產(chǎn)品原有的活性，因此對于許多熱敏性物質(zhì)特別適用，如蛋白質(zhì)、微生物等不會變性或失活；抑制微生物生長和酶的作用：干燥后制品的體積和形狀變化小，有利于保持其原有結(jié)構(gòu)；干燥后的制品疏松多孔，呈海綿狀，復(fù)水性好；干燥在真空條件下進(jìn)行，保護(hù)易氧化物質(zhì)，保存期長。冷凍干燥為生物活性物質(zhì)（如活性蛋白質(zhì)）、微生物提供了有效的制備方法。但冷凍干燥過程仍不可避免地對某些生物成分產(chǎn)生破壞凍干對生物分子和微生物的損傷凍干過程對生物分子和微生物的損傷包括冷凍損傷和干燥損傷

11、（，）冷凍對生物分子和微生物的損傷冷凍損傷發(fā)生在預(yù)凍結(jié)過程中，預(yù)凍結(jié)是將溶液中的自由水固化。凍結(jié)對細(xì)胞破壞的主要原因是溶質(zhì)損傷和機(jī)械損傷（，）溶質(zhì)損傷效應(yīng)是由于水的凍結(jié)使細(xì)胞間隙的液體逐漸濃縮，電解質(zhì)濃度逐步升高，值改變。細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)對電解質(zhì)變化極為敏感，尤其是在高濃度的電解質(zhì)存在時。會引起蛋白質(zhì)變性。喪失其功能，增加了細(xì)胞死亡的可能性（孟濤，）。此外，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)濃度增加還會導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡。間隙液體濃度越高，對細(xì)胞的破壞就越嚴(yán)重。機(jī)械損傷效應(yīng)是細(xì)胞內(nèi)外冰晶生長而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力引起的（陳聲明）。制品凍結(jié)速度的快慢是影響其質(zhì)量的重要因素，根據(jù)冷凍速率的高低。微生物細(xì)胞的冷凍方式包括“胞內(nèi)凍結(jié)

12、”和“胞外凍結(jié)”前者是指冷凍速率足夠高時，細(xì)胞內(nèi)的游離水來不及外滲就在細(xì)胞內(nèi)凍結(jié)了當(dāng)冷凍速率超過細(xì)胞最適的速率時，細(xì)胞的存活率將迅速下降，而形成胞內(nèi)凍結(jié)的細(xì)胞比例隨冷凍速率的升高而增加。當(dāng)冷凍速率較低時。細(xì)胞內(nèi)游離水大部分滲透到細(xì)胞外而凍結(jié)，細(xì)胞逐漸收縮、脫水，這種凍結(jié)方式稱為。胞外凍結(jié)”。胞內(nèi)冰晶的機(jī)械應(yīng)力，會壓碎和刺破細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏而使微生物死亡。一般冰晶越大，細(xì)胞膜越易破裂；冰晶小，對細(xì)胞膜的機(jī)械損傷也較小。另外，冰晶的形成導(dǎo)致細(xì)胞脫水，使細(xì)胞膜磷脂雙層轉(zhuǎn)變?yōu)榱窍嗟确菍訝钕啵?，；，），提出這種非層狀結(jié)構(gòu)在復(fù)水時會導(dǎo)致膜蛋白質(zhì)的分離，并且在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博卜學(xué)位論文第一章緒論恢

13、復(fù)至雙層相前因不能形成有效的滲透屏障而使細(xì)胞內(nèi)容物泄漏。預(yù)凍對微生物細(xì)胞造成生理性損傷的常見現(xiàn)象是使細(xì)胞內(nèi)某些重要蛋白質(zhì)變性失活，尤其是具有生物活性的酶蛋白或抑制因子。酶和抑制因子的失活，使微生物細(xì)胞正常生理代謝失調(diào)，出現(xiàn)不利物質(zhì)大量積累，對細(xì)胞造成毒害作用；或使必需營養(yǎng)物大量分解，造成細(xì)胞“饑餓性”損傷。輕微的生理損傷可以在恢復(fù)生長期修復(fù)；嚴(yán)重的生理損傷對微生物是致死性的，直接影響凍干效果。干燥對生物分子和微生物的損傷干燥的第一階段是冰晶的升華，冰晶升華結(jié)束后樣品中還含有約的結(jié)合水，這些水分是未被凍結(jié)的，通常吸附在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁或與蛋白質(zhì)、核酸等分子的極性基團(tuán)相結(jié)合。當(dāng)它們達(dá)到一定含量，

14、易導(dǎo)致微生物生長繁殖和生物活性物質(zhì)失活。因此為了提高產(chǎn)品的貯存穩(wěn)定性，使微生物達(dá)到干燥休眠狀態(tài)，必須除去大部分結(jié)合水，該過程即為解析干燥，干燥對生物分子和微生物的損傷主要集中在這一階段。但凍干品的水分含量并不是越低越好（，；，），因為每種活性物質(zhì)都需要含有合適的水分來保持在貯存過程中性質(zhì)的穩(wěn)定，過度的干燥將使蛋白質(zhì)分子表面的氫鍵和極性基團(tuán)暴露而變性。等（）研究表明，殘留水分對蛋白質(zhì)活性的恢復(fù)影響最大。等（）發(fā)現(xiàn)，凍干的最佳殘余水分含量為。微生物細(xì)胞的干燥損傷，很大程度上是由于膜脂的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能的改變使膜的流動性或完整性改變，導(dǎo)致膜的功能失調(diào)，影響微生物的生命活動去除結(jié)合水易導(dǎo)致生物膜融合，

15、相變和膜側(cè)向相分離。膜融合：生物膜表面通常結(jié)合大量水分子，紅外光譜法、射線衍射等技術(shù)表明這些水分子通過氫鍵作用與磷脂的極性基團(tuán)結(jié)合（，），在磷脂雙層周圍形成了一層水化層，水化層對維持膜結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。與磷脂極性頭部結(jié)合的水分子被不同程度的極化，因此當(dāng)兩個脂質(zhì)雙層彼此靠得很近時，會產(chǎn)生排斥作用，防止膜的融合。脫水后磷脂雙層相互靠近，導(dǎo)致膜融合，從而引起內(nèi)容物泄漏（，）相交：磷脂每個極性部分約結(jié)合個水分子，約相當(dāng)于的水化磷脂雙層的重量除去這些水導(dǎo)致極性部分占據(jù)的空間減小，碳?xì)滏溍芏仍黾?，范德華力增加，結(jié)果磷脂的主相變溫度（）升高（。），例如當(dāng)為的水化磷脂脫水后上升至（。）。因此在室溫下脫水

16、過程中，會發(fā)生從液晶相至凝膠相的轉(zhuǎn)變（圖）。此外，脫水后某些磷脂還會從液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榱窍啵?，；，），該相變通常產(chǎn)生于含磷脂酰乙醇胺較多的細(xì)胞膜，如大腸桿菌內(nèi)膜。兩種相變均破壞膜的完整性（，），導(dǎo)致內(nèi)容物泄漏（。）側(cè)向相分離：脫水過程中，不同磷脂的，不同，如含有：碳鏈的磷脂酰膽堿和相應(yīng)的飽和磷脂酰膽堿混和時，可觀察到兩個獨立的相變。因此在兩種磷脂之間的某一溫度下，有的磷脂處于凝膠相而有的處于液晶相，出現(xiàn)側(cè)向相分離。側(cè)向相分離使膜結(jié)合蛋白脫離膜平面，再水化時膜蛋白隨機(jī)插入膜中，導(dǎo)致膜蛋白的錯位，因此生物膜鈣吸收能力和酶（）活中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博卜學(xué)位論文第一章緒論性降低（）跚跳躕蚰一躐一曰跳蹄：。曰硒枷

17、瓣（）幽：。洲。咖。曲鯽圖液量相磷膳雙層（）脫水后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相（）再水化后導(dǎo)致膜泄曩（）（）姍咖（）常用的凍千保護(hù)劑保護(hù)劑的作用是使生物分子或細(xì)胞在凍干貯存和復(fù)水過程中免于損傷、失活或死亡（，）。保護(hù)劑種類很多，按其滲透性可分為滲透型和非滲透型兩種，滲透型保護(hù)劑在溶液中易結(jié)合水分子，發(fā)生水合作用，使溶液的黏性增加，從而弱化了水的結(jié)晶過程，達(dá)到了保護(hù)的目的。但其使用濃度、滲入細(xì)胞的能力、對水分子活性的影響等各不相同非滲透型保護(hù)劑不能進(jìn)入細(xì)胞，它使溶液呈過冷狀態(tài)，即可在特定溫度下降低溶質(zhì)濃度。從而起到保護(hù)作用根據(jù)保護(hù)劑性質(zhì)又可分為以下幾類（【）：（）氨基酸及其鹽：谷氨酸、天冬氨酸、谷氨酸鈉、蘇氨酸

18、、賴氨酸、精氨酸、半胱氨酸。（）糖類：海藻糖、葡萄糖、乳糖、蔗糖、鼠李糖、山梨糖、葡聚糖、環(huán)糊精、麥芽糊精、麥芽糖等。（）多元醇類：木糖醇、甘露醇、肌醇，甘油、乙二醇、聚乙二醇、側(cè)金盞花醇山梨醇等。（）高分子化合物及其分解產(chǎn)物：白蛋白、明膠、黏液蛋白、蛋白胨、肉膏、酵母膏、可溶性淀粉、糊精、藻酸、果膠、阿拉伯膠，聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纖維素鈉、藻類。（）天然混合物：脫脂乳、血清、脫纖維蛋白血液。（）其它：二甲基亞砜、抗壞血酸、羥胺、氨基脲等。低分子化合物起直接保護(hù)作用，高分子化合物防止在凍干過程中細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的氨羰基反應(yīng)和氧化作用，但一般只起輔助作用。在使用時通常以高、低分子化合物復(fù)配，效果較

19、好。糖是應(yīng)用最廣泛的凍干保護(hù)劑，糖類保護(hù)劑中雙糖的作用最顯著，而海藻糖被證明是雙糖中效果最佳的。大分子糖對生物分子的保護(hù)作用似乎不如小分子糖，但有些研究結(jié)果卻與此相反，如對菊糖的研究表明，聚合度高于的菊糖對堿性磷酸酶的活性保護(hù)作用明顯高于海藻糖及低聚合度的菊糖，這說明對于多糖的保護(hù)作用不能一概而論。透明質(zhì)酸（加。）廣泛存在于動物各種組織細(xì)胞間質(zhì)中，是由等摩爾的氨基葡糖和葡糖醛酸雙糖重復(fù)單位所組成的直鏈多聚糖（）。分子鏈的長度及相對分子分質(zhì)量（）是不均一的，尬一般為××，雙糖單位數(shù)為約對，屬于生物大分子。對稀溶液進(jìn)行的光散射研究發(fā)現(xiàn)，分子在水溶液中呈單螺旋狀態(tài)，分子內(nèi)的氫中國

20、農(nóng)業(yè)大學(xué)博。學(xué)位論文第一章緒論鍵使其形成螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)達(dá)到一定濃度時，分子間具有相互作用，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)濃度更高時由于多種作用力可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（，），見圖。形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性賦予其廣泛的生理功能及應(yīng)用開發(fā)前景。為白色絮狀或無定形粉末，無臭無味，具有較強(qiáng)的吸濕性，易溶于水，不溶于醇、酮、乙醚等有機(jī)溶劑溶液的濃度或越大，分子的纏繞程度則越高，黏度越大。溶液由于含有分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可同時具有凝膠的彈性和溶液的黏性這一雙重特性。的生理功能：構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞問質(zhì)的主要成分；保水、調(diào)節(jié)滲透壓、分子排阻效應(yīng)及潤滑作用；影響細(xì)胞移動、增生，分化及吞噬功能，屏蔽細(xì)胞膜上的機(jī)械感受器；促進(jìn)創(chuàng)傷愈合等。田的礙狀

21、結(jié)構(gòu)母海藻糖的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、功能和應(yīng)用海藻糖的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)早在年，首先利用核磁共振技術(shù)闡明了海藻糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)，它是由兩個吡哺型葡萄糖單體以，糖苷鍵連結(jié)而成的雙糖，化學(xué)名稱為凸吡喃葡糖基班吡喃葡糖苷（舡凸以），分子式為，分子結(jié)構(gòu)為：囪仉口型海藻糖構(gòu)象式，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博卜學(xué)位論文第一章緒論在理論上它存在三種異構(gòu)體，即，型、爭型和，一型，其中只有，海藻糖在自然界中以游離狀態(tài)存在，即為通常所說的海藻糖，型和，型在自然界中幾乎不存在，但可以化學(xué)合成。海藻糖為白色晶體，含有兩分子結(jié)晶水，熔點為。當(dāng)加熱到時，失去結(jié)晶水，無水海藻糖熔點達(dá)海藻糖甜味較弱，相當(dāng)于蔗糖甜度的。無毒性。能溶于水，冰醋酸和熱乙醇，

22、不溶于乙醚、丙酮。海藻糖性質(zhì)十分穩(wěn)定，是天然雙糖中最穩(wěn)定的，無還原性，在食品中加熱不發(fā)生美拉德反應(yīng)，不被一般的酶水解，可被具有特異性的海藻糖酶水解為兩分子葡萄糖。海藻糖（¨海藻糖）最初是從黑麥麥角菌中分離出來的，后來發(fā)現(xiàn)它存在于低等蕨類植物、藻類、細(xì)菌、真菌、酵母、昆蟲及無脊椎動物中。特別是在酵母、霉菌等真菌中，含量可高達(dá)微生物干重的以上。海藻糖的功能世紀(jì)年代以來，海藻糖的研究成為世界各國科學(xué)家研究的熱點，其原因不僅是因為海藻糖作為一種低聚糖具有其它低聚糖的特性，而且它還具有獨特的功能，即它對生物分子和微生物具有獨特的非特異性保護(hù)作用（，；。；，）長年生活在沙漠地帶的一些昆蟲和植物，

23、在中午的高溫下幾乎被干燥脫水。處在生理學(xué)上的假死狀態(tài)，但一經(jīng)降雨補(bǔ)充水分，數(shù)小時后就能復(fù)活（，）。英國劍橋大學(xué)的學(xué)者對這些隱生生物的研究表明，這種復(fù)活現(xiàn)象是由于其體內(nèi)存在高濃度的海藻糖。另外，一些蛙類等生物能在嚴(yán)寒條件下生存下來，其重要的原因也在于海藻糖對細(xì)胞的保護(hù)作用大量的研究表明，許多生物在脅迫環(huán)境（如饑餓、高溫、冷凍、干燥、高滲、輻射、有毒物質(zhì)等）下表現(xiàn)出的抗逆耐受力與體內(nèi)的海藻糖含量有直接的關(guān)系（，）研究證明，酵母在脫去水分，復(fù)水后仍能復(fù)活，在長期饑餓條件下，酵母的存活率依賴于體內(nèi)海藻糖的含量。等報道對酵母進(jìn)行熱休克和乙醇休克處理，可引起胞內(nèi)海藻糖含量明顯增加。海藻糖是一種對于環(huán)境變化

24、形成的應(yīng)激狀態(tài)具有高抗性的物質(zhì)，是微生物體內(nèi)的一種典型的應(yīng)激代謝物。在各種惡劣環(huán)境下，海藻糖表現(xiàn)出對物種的生物膜，蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子良好的保護(hù)作用（，）最新的研究表明，外源性的海藻糖具有良好的非特異性保護(hù)作用，因此有人把海藻糖稱為“生命之糖”。海藻糖的應(yīng)用海藻糖具有穩(wěn)定生物膜、蛋白質(zhì)等生物大分子及抗逆保鮮作用，展示了廣闊的應(yīng)用前景。用于生物來源產(chǎn)品的干燥與保存海藻糖可用于保存藥品和研究用生物產(chǎn)品。如酶、疫苗、菌苗、病毒、血液制品，單克隆抗體、載藥脂質(zhì)體、外科手術(shù)所需皮膚、器官及干試劑盒等。大部分生物產(chǎn)品易失活，須低溫存放。據(jù)統(tǒng)計，由于缺乏必要的冷藏設(shè)施，第三世界國家每年約有以上的疫苗失活

25、，就連英國每年也有大約的疫苗損失。而用海藻糖保存的生物活性物質(zhì)無需冷凍，復(fù)水后均能恢復(fù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博學(xué)位論文第一章緒論活力，這給生物制品的保存、運(yùn)輸及使用帶來很大的方便。用海藻糖代替血漿用于生物產(chǎn)品的保存，不僅可以常溫存放，而且減少了因血源污染導(dǎo)致的乙肝，艾滋病等疾病的傳播（，）。在食品與保健品中的應(yīng)用由于海藻糖具有冷凍、干燥抗性，非還原性，優(yōu)質(zhì)甜味，低熱值，防齲齒等特性，在食品領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，可作為甜味劑、保鮮劑和抗變性劑、脫水劑、多功能調(diào)味劑等應(yīng)用于食品中活菌制劑是當(dāng)今保健品的開發(fā)熱點，但活菌在人體腸道內(nèi)的存活率難以保證，如果能用海藻糖作為干燥保護(hù)劑，制成具有較高活力的菌粉，再以只

26、能在腸道溶解的材料包裝，生產(chǎn)出口服腸溶膠囊，將會大大提高活菌制劑的生物效價此外有資料稱海藻糖能促進(jìn)人體雙歧桿菌增殖，改善腸道微生態(tài)環(huán)境。海藻糖有抑制骨膠原分解的作用可防止骨質(zhì)疏松。海藻糖具有較強(qiáng)的抗輻射作用，防止突變?；谝陨咸匦?，海藻糖可廣泛應(yīng)用于保健品中。在化妝品中的應(yīng)用由于海藻糖具有保濕、防曬、防紫外線功效，故可用于皮膚化妝品、洗面奶，作為保濕劑、潔膚劑、紫外吸收劑等還可用于唇膏，口腔清涼劑、口腔芳香劑等（，）。日本已將其列為新規(guī)格化妝品原料，并用于高級化妝品中。日本林原生化研究所發(fā)現(xiàn)，海藻糖有抑制老年人體臭的功效，并利用海藻塘開發(fā)了防止體臭的化妝品和護(hù)理用品。其它方面將海藻糖合成酶基因

27、導(dǎo)入植物，可培育出抗旱、抗寒、抗凍、耐鹽植物海藻糖酯作為良好的生物表面活性劑，可用于石油、日化、紡織等工業(yè)。日本學(xué)者通過實驗證實海藻塘可有效緩解干眼病患者的癥狀。等發(fā)現(xiàn)海藻糖能減輕多聚谷氨酰胺引起的鼠病海藻糖的保護(hù)作用及其作用機(jī)制研究進(jìn)展自世紀(jì)年代開始，國內(nèi)外學(xué)者對海藻糖的抗逆保護(hù)作用及作用機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，主要以蛋白質(zhì)、生物膜、脂質(zhì)體、微生物和動物組織器官等為模型。而保護(hù)作用機(jī)制與種假說和海藻糖獨特的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。保護(hù)作用機(jī)制的種假說。水替代”假說等（）根據(jù)海藻糖存在條件下干態(tài)磷脂與水合磷脂物理性質(zhì)相似這一現(xiàn)象，提出了。水替代”假說，來解釋海藻塘對干態(tài)生物膜的保護(hù)作用。膜脂雙層脫水后

28、，塘在失水位置與磷脂極性基團(tuán)以氫鍵結(jié)合代替失去的結(jié)構(gòu)水，阻止膜之間彼此靠近，從而抑制膜融合。糖與膜脂的直接相互作用使得膜脂脫水后變化不大，低于操作溫度，這樣，膜脂始終處于液晶相，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博仁學(xué)位論文第一章緒論從而避免了脫水一再水化過程中的相變（如圖所示）。干膜庸雙層凝膠相水化驥膀雙液晶相椰幽再水化脫水皿僦幽液晶相再水化。椰蜊承北膜詹雙層藏晶相毒藻糖存在時千腱臘雙層圍海藻糖對膜脂雙層在千爆狀態(tài)的穩(wěn)定機(jī)制示意圖姐該假說同樣也可以解釋海藻糖對蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)的保護(hù)作用，即蛋白質(zhì)被一層水化膜包圍著，該水化膜是維持生物分子結(jié)構(gòu)和功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，干燥脫水時水化膜被破壞會導(dǎo)致生物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變

29、化，如蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)被破壞，生物學(xué)功能喪失脫水后糖的羥基可與生物分子的極性基團(tuán)形成氫鍵，代替極性基團(tuán)周圍失去的水分子，使生物分子表面形成一層假定的水化膜，使得生物分子在失水的條件下仍保持其原有結(jié)構(gòu)，而不喪失生物活性（，）。“玻璃態(tài)”假說水分含量較低時，海藻糖緊密地包住與其鄰近的分子，形成一種糖玻璃體，處于玻璃態(tài)的糖黏度極高，分子擴(kuò)散系數(shù)低，因此包在糖玻璃體內(nèi)部的生物分子的鏈段運(yùn)動受阻。分子的伸展和聚集受到抑制，從而維持其三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定（，）。玻璃態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在水分含量較低時，大部分糖會形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)物質(zhì)按不同溫度可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)（橡膠態(tài)）和粘流態(tài)三種力學(xué)狀態(tài)。從玻璃態(tài)到高彈態(tài)

30、或從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變（周順華。），此時鏈段的微布朗運(yùn)動在冷卻時被凍結(jié)或在升溫時被解凍，其特征溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，用恐表示當(dāng)（，體系所處的狀態(tài)為玻璃態(tài)，由于溫度較低，分子運(yùn)動能量很低，熱能還不足以克服分子鏈段的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動的位壘，鏈段基本上處于“凍結(jié)”狀態(tài)，只有較小的運(yùn)動單元，如側(cè)基、支鏈和鏈節(jié)能夠運(yùn)動，高分子鏈不能實現(xiàn)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變（，；，）。體系的黏度很高，各種受擴(kuò)散控制的松弛過程進(jìn)行得十分緩慢，甚至不會發(fā)生（，）。隨溫度的升高，雖然分子鏈仍被凍結(jié)。但鏈段已開始解凍，較多的鏈段逐漸開始短程擴(kuò)散。非晶態(tài)物質(zhì)分子中的原子振動增強(qiáng)、振幅增大，此時即處于玻璃化轉(zhuǎn)變過程當(dāng)分子熱運(yùn)

31、動的能量已足以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，短程擴(kuò)散很迅速，鏈段運(yùn)動被激發(fā)，分子不斷改變構(gòu)象，非晶態(tài)物質(zhì)便進(jìn)入了高彈態(tài)（，；，），但此時整個大分子間的滑移運(yùn)動與若干鏈段的協(xié)同運(yùn)動都是受阻的溫度繼續(xù)升高，分子鏈開始解凍，非晶態(tài)物質(zhì)便向流動態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度。當(dāng)整個分子鏈被激活，其松弛時間達(dá)到與觀察時間同數(shù)量級時，非晶態(tài)物質(zhì)在外力作用下發(fā)生粘性流動，這種流動是不可逆的變形。田卜非量態(tài)聚臺物的溫度形變曲線差示掃描量熱法研究玻璃化轉(zhuǎn)變差示掃描量熱法（）是熱分析技術(shù)的一種，它是在程序控制下，將樣品和參比物各自獨立加熱，保持試樣與參比物的溫度相同，測量輸給試樣或參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)（孫風(fēng)霞。）

32、當(dāng)參比物的溫度以恒定速率上升時，若發(fā)生物理和化學(xué)變化之前。樣品溫度也以同樣速率上升，兩者之間不存在溫差。當(dāng)樣品發(fā)生相變或失重時，它與參比物之間產(chǎn)生溫差，從而在溫差測量系統(tǒng)中產(chǎn)生電流。此電流又啟動一繼電器。使溫度較低的樣品（或參比物）得到功率補(bǔ)償，兩者的溫度又處于相等為維持樣品和參比物的溫度相等所要補(bǔ)償?shù)墓β?，相?dāng)于樣品熱量的變化（何健。）用來研究玻璃化轉(zhuǎn)變是基于體系在發(fā)生相轉(zhuǎn)變時，會有能量的改變（吸熱或放熱）。在加熱掃描過程中，當(dāng)體系發(fā)生相轉(zhuǎn)變時，吸熱曲線會出現(xiàn)一個臺階，即比熱容發(fā)生突變，此時的溫度就是恐。通常情況下，體系的玻璃化轉(zhuǎn)變是個區(qū)域，而不是一個點。優(yōu)先捧阻”假說海藻糖不直接與蛋白質(zhì)作

33、用，而是優(yōu)先與其表面的水分子結(jié)合，使得蛋白質(zhì)表面海藻糖濃度相對較低，并優(yōu)先水化從熱力學(xué)角度分析，蛋白質(zhì)與配體結(jié)合后自由能降低，因此加入海藻糖后蛋白質(zhì)的自由能增加。溶液中蛋白質(zhì)始終處于折疊和去折疊的動態(tài)平衡，配體對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響取決于跟蛋白質(zhì)兩種狀態(tài)結(jié)合的配體多少。由于蛋白質(zhì)去折疊后表面積增大，變性蛋白質(zhì)與海藻塘的接觸面積增加，藻糖糖對變性蛋白質(zhì)的排阻作用比對天然蛋白質(zhì)的大，蛋白質(zhì)的平衡向折疊方向移動，結(jié)果天然蛋白質(zhì)穩(wěn)定性增強(qiáng)（，；）。等（）認(rèn)為溶液中溶質(zhì)（穩(wěn)定劑或去穩(wěn)定劑分子）與生物分子的優(yōu)先相互作用包括優(yōu)先排阻和優(yōu)先結(jié)合，優(yōu)先排阻作用穩(wěn)定生物分子結(jié)構(gòu)，優(yōu)先結(jié)合作用破壞生物分子結(jié)構(gòu)，如圖所示（，）溶質(zhì)對生物分子穩(wěn)定性的影響取決于優(yōu)先結(jié)合與優(yōu)先排阻作用的平衡，而該平衡與溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和生物分子的表面性質(zhì)有關(guān)。優(yōu)先捧阻優(yōu)先結(jié)合田優(yōu)先捧阻使蛋白質(zhì)穩(wěn)定示