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海藻糖的生產(chǎn)及市場(chǎng)應(yīng)用

來源:   2012年02月25日 15:54   2157
  Foodjx導(dǎo)讀:海藻糖(Trehalose)是由兩分子葡萄糖通過α-1,1糖苷鍵結(jié)合的非還原性雙糖[1],zui初是Wiggers從黑麥的麥角中分離出來,后來發(fā)現(xiàn)廣泛存在于細(xì)菌、真菌、藻類及無脊椎動(dòng)物體內(nèi)[2]。海藻糖是一種安全的天然糖類,無毒無害,對(duì)人體*,具有甜味、非著色性、耐酸、耐熱、低吸濕性等特性,它還具有其他雙糖所沒有的*的生物學(xué)特性。當(dāng)生物細(xì)胞處于饑餓、干燥、高溫、高滲透壓等惡劣環(huán)境時(shí),胞內(nèi)海藻糖含量迅速上升,對(duì)多種大分子具有保護(hù)作用,從而維持生物體生命特性,外源性的海藻糖同樣隨生物和生物大分子有良好的非特異性保護(hù)作用,因此在科學(xué)界素有“生命之糖”的美譽(yù)[3]。隨著其*的生物學(xué)性質(zhì)及功能的發(fā)現(xiàn),海藻糖逐漸成為上的研究熱點(diǎn)。
  
  1.海藻糖的功能特性
  
  1.1抗脫水保護(hù)功能
  
  海藻糖對(duì)逆境(高溫、冷凍、干燥、高滲等)具有高抗性,許多含豐富海藻糖的動(dòng)植物*干燥失水后仍然維持活性,一旦遇水立刻復(fù)活。
  
  關(guān)于海藻糖的防脫水機(jī)理有以下三種假說:一種以Crowe[4]等人為代表提出的“水替代”假說,他們認(rèn)為當(dāng)生物大分子失去維持其結(jié)構(gòu)和功能特性的結(jié)構(gòu)水膜時(shí),海藻糖能在生物分子的失水部位以氫鍵形式聯(lián)接,形成一層保護(hù)膜以代替失去的結(jié)構(gòu)水膜。另一種為“玻璃態(tài)”假說,認(rèn)為通過海藻糖玻璃化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),導(dǎo)致無定形連續(xù)相的形成,在結(jié)構(gòu)上與玻璃態(tài)的冰相似,在這種結(jié)構(gòu)中分子運(yùn)動(dòng)和分子變性反應(yīng)非常微弱。第三種是“優(yōu)先排阻”假說。以上假說均是從分子角度考察海藻糖的作用機(jī)理,基本上都是與生物分子形成“分子復(fù)合物”[5]。
  
  1.2抗輻射功能
  
  海藻糖可保護(hù)細(xì)胞DNA不被放射性物質(zhì)損傷。據(jù)報(bào)道[6],當(dāng)存在10mmol海藻糖時(shí),DNA可忍受4倍劑量的β-,γ-射線,糖含量越高,保護(hù)作用越強(qiáng)。其機(jī)理為:射線引起的DNA斷裂反應(yīng)主要是由周圍水分子解離產(chǎn)生的羥基自由基引發(fā)的,而海藻糖可有效的清除。
  
  1.3提高植物的抗寒、抗鹽功能
  
  經(jīng)海藻糖處理的綠豆幼苗質(zhì)膜上Mg2+、K+-ATPase的活性顯著提高[7]。用0.1%的海藻糖溶液浸水稻種,經(jīng)2℃和6℃低溫處理后,水稻幼苗細(xì)胞電解質(zhì)滲透率顯著降低,而*活性及幼苗可溶性糖含量則提高,對(duì)寒害的修復(fù)能力也提高。而且處理溫度愈低,海藻糖的相對(duì)效應(yīng)就愈顯著。用海藻糖預(yù)處理的小麥幼苗在NaCL溶液中生長,其細(xì)胞電解質(zhì)滲透率和游離*的含量均顯著降低,而葉綠素的含量、根系活力、干物質(zhì)的積累和生長速度則提高[8]。這是因?yàn)楹T逄悄茉谧魑镉浊霸馐艿蜏?、鹽害而脫水時(shí),維持了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而提高了作物幼曲的抗逆能力[9]。
  
  1.4其他功能
  
  海藻糖還具有抗冷凍保護(hù)功能、防止淀粉老化、防止蛋白質(zhì)變性、防蛀牙、穩(wěn)定組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)與保鮮效果、穩(wěn)定物料中超氧化物歧化酶等諸多功能。
  
  2.海藻糖的生產(chǎn)制備
  
  海藻糖的生產(chǎn)方法目前主要有微生物抽提法、微生物發(fā)酵法、酶轉(zhuǎn)化法以及基因工程法幾種。
  
  2.1微生物抽提法
  
  該方法是以乳酸菌、酵母、霉菌及其他一些含海藻糖的菌體為原料,通過干燥、改變滲透壓等方法進(jìn)行處理,然后經(jīng)過乙醇等有機(jī)溶劑抽提、精制,從而得到較高純度的海藻糖晶體。zui初是由歐美等國從面包酵母中抽提獲得。后期隨著工藝的不斷改進(jìn),已較為成熟,成為生產(chǎn)海藻糖的重要方法,但是由于提取資源有限,成本高,很大程度上制約著海藻糖大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
  
  2.2微生物發(fā)酵法
  
  該方法是以酵母、諾卡氏菌屬、微球菌屬等微生物經(jīng)過誘變、細(xì)胞融合或基因重組選育出高產(chǎn)海藻糖的菌株,在高濃度或高滲基質(zhì)上發(fā)酵培養(yǎng),再從發(fā)酵液中提取精制而成。日本首先從發(fā)酵液中提取海藻糖,提取率可達(dá)到88.6%,同時(shí)純度達(dá)到99.5%。國內(nèi)杭州商學(xué)院在研究開發(fā)深層灰樹花中提取海藻糖也已獲得突破性進(jìn)展[10]。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率低,發(fā)酵液成分復(fù)雜,海藻糖提取、精制困難。
  
  2.3酶轉(zhuǎn)化法
  
  酶轉(zhuǎn)化法制取海藻糖的途徑有多種,根據(jù)作用底物不同主要分為三種,分別為以葡萄糖為底物、以麥芽糖為底物和以淀粉為底物。
  
  2.3.1以葡萄糖為底物
  
  利用專一性很強(qiáng)的葡萄糖磷酸化酶和海藻糖磷酸化酶,經(jīng)兩步作用將兩個(gè)葡萄糖分子轉(zhuǎn)化為海藻糖。但在整個(gè)反應(yīng)過程中需要消耗高能物質(zhì)UDP或GDP,所以很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
  
  2.3.2以麥芽糖為底物
  
  利用麥芽糖磷酸化酶、海藻糖磷酸酶共同作用麥芽糖或海藻糖合成酶單獨(dú)作用于麥芽糖生成海藻糖。其中海藻糖合成酶在催化過程中不需要消耗高能物質(zhì),并且不需要磷酸且轉(zhuǎn)化率高達(dá)70%~80%,這為海藻糖的大規(guī)模生產(chǎn)提供了有利條件[11]。
  
  2.3.3以淀粉為底物
  
  1995年日本林原生化研究所報(bào)道了他們發(fā)現(xiàn)的兩種新酶低聚麥芽糖基海藻糖合成酶(MTSase)和低聚麥芽糖基海藻糖水解酶(MTHase)共同作用[12],可以由淀粉直接通過酶法生成海藻糖,在支鏈*的協(xié)同作用下,海藻糖轉(zhuǎn)化率高達(dá)85%。該方法的發(fā)現(xiàn)使每公斤海藻糖由數(shù)萬日元降至數(shù)百元。
  
  2.4基因工程法
  
  用“工程微生物”或構(gòu)建具有抗逆性的轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)海藻糖,不僅可以提高質(zhì)量還可以降低成本。荷蘭的Mogen和VanderHave公司已經(jīng)開發(fā)出了提高甜菜和馬鈴薯等作物中海藻糖產(chǎn)量的技術(shù),并獲得了。隨著基因重組技術(shù)的發(fā)展,該方法一定會(huì)越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[13]。
  
  3.海藻糖的分離純化方法
  
  3.1一步純化法
  
  張麗杰等[14]將*用水提取后,加入絮凝劑再調(diào)pH值,然后過濾獲得澄清濾液,直接濃縮結(jié)晶即可得到海藻糖晶體。
  
  該方法只需一步就可以純化分離海藻糖,操作步驟簡單,方法易行。
  
  3.2兩步純化法
  
  胡耀輝等人[15]報(bào)道了一種海藻糖的分離純化方法,包括向酶轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)海藻糖所獲得的酶反應(yīng)液中加入糖化酶進(jìn)行酶解反應(yīng)和向糖化酶酶解反應(yīng)液中接種3~10%重量的釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae),在25~30℃,pH5.5~7.5條件下發(fā)酵培養(yǎng),然后再經(jīng)離心、超濾、離子交換、濃縮、結(jié)晶干燥得海藻糖純品。實(shí)驗(yàn)中采用兩步法去除酶解液中的雜糖,所得海藻糖純品經(jīng)HPLC檢測(cè),純度達(dá)到98.0%。同時(shí),還具有分離純化效率高,海藻糖損失少,成本低廉,工藝簡單等優(yōu)點(diǎn),必將對(duì)簡化酶法生產(chǎn)海藻糖生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。
  
  3.3色譜分離技術(shù)
  
  王星云等[16]報(bào)道了采用氫化和色譜分離的技術(shù),將利用微生物或酶使淀粉轉(zhuǎn)化得到的海藻糖與麥芽糖、葡萄糖、麥芽三糖的混合液,進(jìn)行加氫反應(yīng),使混合液中的雜質(zhì)生成麥芽糖醇、*與麥芽三糖醇,而海藻糖由于不具有還原性,在加氫反應(yīng)過程中保持不變,然后再采用模擬移動(dòng)床的色譜分離技術(shù),將海藻糖與混合液中的麥芽糖醇、*和麥芽三糖醇進(jìn)行分離,使海藻糖的純度和提取收率大幅提高,進(jìn)而通過降溫結(jié)晶的方式,使海藻糖晶體析出,得到海藻糖產(chǎn)品。按此工藝制備海藻糖比采用原有的微生物或酶法生產(chǎn)海藻糖的工藝,提取收率可提高80%以上,副產(chǎn)的麥芽糖醇又具有較高的利用價(jià)值,因此對(duì)降低海藻糖的生產(chǎn)成本和市場(chǎng)價(jià)位,增強(qiáng)海藻糖的市場(chǎng)競(jìng)爭力具有很好的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。
  
  4.海藻糖的應(yīng)用研究
  
  4.1食品方面的應(yīng)用
  
  可作為優(yōu)良的食品防腐劑和抗變性劑。由于常用的防腐技術(shù)和工藝容易產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性問題,且化學(xué)防腐劑又有一定的毒性,普通的蔗糖雖然也有保護(hù)作用,但其甜度較高,而海藻糖恰好能彌補(bǔ)這些技術(shù)缺陷。據(jù)有關(guān)報(bào)道,在雞蛋中添加3%的海藻糖,45℃下干燥成粉狀,復(fù)水后的產(chǎn)品與鮮蛋液相差無幾;在大米加工過程中加入2%的海藻糖,可使米質(zhì)保持?jǐn)?shù)年不變;添加海藻糖制成的奶粉,經(jīng)水化還原成鮮牛奶,感官品質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)基本保持不變,這樣既可減小運(yùn)輸體積又可省去冷藏設(shè)備,大大降低了成本[17,18]。在乳制品、肉類、水果等商品中使用,可普遍延長這些產(chǎn)品的貨架壽命,并且使食品保持了良好的感官品質(zhì)。
  
  還可作為優(yōu)良的脫水劑,防止粉末食品黏結(jié)。由于海藻糖具有很強(qiáng)的吸水性,在淀粉類食品中添加海藻糖可明顯抑制淀粉的老化,延長產(chǎn)品的貨架期。海藻糖作為高穩(wěn)定、低甜度、抗齲齒的天然食品甜味劑,可廣泛應(yīng)用于各種糖果、糕點(diǎn)、飲料以及調(diào)味品中。
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