海藻糖簡介

海藻糖（Trehalose）也被稱作α-D-吡喃葡萄糖基α-D-吡喃葡萄糖苷，由于兩個吡喃葡萄糖環(huán)的連接發(fā)生在糖基的還原末端（α-carbons），不會輕易地被酸水解，并且糖苷鍵不會被α-糖苷酶分解，所以海藻糖是具有很強的穩(wěn)定性非還原性雙糖。海藻糖的研究已經(jīng)有近百年的歷史，自發(fā)現(xiàn)以來，不斷從對外界惡劣環(huán)境表現(xiàn)出非凡抗逆耐受力的物種中發(fā)現(xiàn)海藻糖的存在，從而發(fā)現(xiàn)了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(huán)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(zhì)分子不變性失活，而后更多的研究將海藻糖應(yīng)用到了食品、化妝品、藥品、生物制品的工藝中。

海藻糖在生物制品中的應(yīng)用

在生物制品的凍干保護劑的制劑過程中，糖類是重要的一類輔料，比如蔗糖、甘露醇、甘露糖、山梨醇、麥芽糖等，其中蔗糖是在生物制品中使用廣泛，但由于國際藥用輔料協(xié)會對生物制品的質(zhì)量、安全性日趨提高的要求，尋找更好的生物大分子保護穩(wěn)定劑，提高生物制品的穩(wěn)定性和質(zhì)量是各大生物制藥公司不斷追尋的目標。迄今為止，在國際上，海藻糖已經(jīng)陸續(xù)被使用到各類生物制品的凍干保護中，比如國際重磅生物炸彈藥，比如Herceptin®，Adcetris®，Avastin®，Lucentis®，Advate®，Gazyva®，Blincyto®，當中就使用了海藻糖作為核心的凍干保護劑，另外，也在越來越多的人用疫苗中，比如MenAfrivac，DengVaxia，HepB (ShanVac)，Influenzae (DPIV)，MMR等開始使用海藻糖替換血清白蛋白作為保護劑，可以常溫條件下干燥存放，不僅可以避免疫苗因為非冷鏈運輸導致的失效問題，而且還能防止因為血源污染導致的乙肝、艾滋病等致命疾病的傳播。

海藻糖相比蔗糖具有更加優(yōu)質(zhì)保護作用的原因

 表1. 海藻糖和蔗糖物理性質(zhì)比較

1. 高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）

在不同的干燥或失水過程中，包括冷凍干燥和噴霧干燥，海藻糖可輕易地干燥為非晶體材料，并具有高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg＞100°C）^[12,3]。不同文獻中報道的Tg有所不同，導致不同結(jié)果的原因是由于不同的檢測條件，其中最重要的因素是殘余水分含量。Crowe等人所報道的在殘余水分含量為0.3%時，Tg為111.3°C^[4]。隨著水分的增加，Tg降低，這是水的增塑作用導致的。盡管如此，在含水量相似的情況下，海藻糖的Tg值高于蔗糖（圖1）。 

圖1. 海藻糖和蔗糖玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）與含水量（wt%）的相關(guān)性^[4,5]。

2. 水解穩(wěn)定性

水解速率對活性生物制品的穩(wěn)定有著深遠的影響，因為還原性單糖，如葡萄糖，易于發(fā)生美拉德反應(yīng)（或褐變反應(yīng)）。海藻糖對于水解的穩(wěn)定性是因為海藻糖中的糖苷鍵具有較低的能量（＜1 kcal/mol）^[5,6]，而蔗糖中糖苷鍵的自由能更高（27 kcal/mol），二水化合物晶體的水解溫度高達97°C^[7,8]，而且在弱酸存在的情況下，蔗糖更易于水解產(chǎn)生葡萄糖和果糖，而海藻糖在ph3.0的情況下仍然非常穩(wěn)定。在另一項研究中，在沒有酸催化的條件下，海藻糖的水解速率也明顯低于蔗糖：在25°C時，分別為3.3 ×10?15 s?1和5 × 10?11 s?1^[9]。這兩種糖類水解速率和溫度的相關(guān)性如圖2所示，而且研究表明這些速率不隨pH和離子強度的變化有顯著改變。此外，有文獻報道蔗糖在冷凍過程中可發(fā)生水解，然而海藻糖并沒有類似的報告^[10-12]。

圖2. 海藻糖和蔗糖水解速率比較。0.1 M PBS（pH8.1），溫度范圍100°C -240°C^[9]。

3. 低吸濕性

與此同時，在一些應(yīng)用中，如片劑制劑，相對于其他糖類，結(jié)晶態(tài)海藻糖還有一個優(yōu)勢，即他低吸濕性，從而促進藥片粘性的降低和穩(wěn)定性的提高。在海藻糖和蔗糖不同物理性質(zhì)的比較中，這些性質(zhì)的不同大約是由于它們構(gòu)象柔性不同所導致的。大多數(shù)二糖，構(gòu)象受單糖殘基間的分子內(nèi)氫鍵影響。結(jié)晶態(tài)下的海藻糖，不存在直接的分子內(nèi)氫鍵^[13]，而在蔗糖內(nèi)就存在這樣的氫鍵^[14]。盡管如此，海藻糖內(nèi)還是存在間接的通過水分子表現(xiàn)的分子間氫鍵^[13-15]，平均鍵長相對較短（1.825 ?）。因此，相對作用較強^[16]。對于海藻糖和蔗糖，環(huán)氧原子的角度分別是114.1°和116.1°，而糖苷氧原子的角度分別是115.8°和114.4°^[13-17]。這兩種糖類的其他結(jié)晶學數(shù)據(jù)可在這些文獻中找到^[13,16-18]。

圖3. 不同糖類晶體狀態(tài)下吸水性。25°C，相對濕度90%^[19]。

4. 高水合性

海藻糖還有一個明顯的特點就是具有較高數(shù)量的Equatorial –OH基團，這使海藻糖在水溶液中有更強的相互作用，并更容易把它自己包含在水分子簇中。相反的，蔗糖不能很好的把自己整合在水分子簇中，從而造成了更大的結(jié)構(gòu)^[20]。事實上，相對于海藻糖，蔗糖更不容易與水結(jié)合。（圖4）這一特點的實際意義說明，對于基于蔗糖的配方，在低含水量（如＜1%）時，含海藻糖配方更不容易水解。

除以上原因外，兩種糖類的性質(zhì)的不同也可能是由于分子間氫鍵數(shù)量的不同導致的（尤其是在高濃度下）。海藻糖只形成一個這樣的鍵，而蔗糖會形成兩個，因此，對于海藻糖會有更多空閑的位點與水分子的氫鍵結(jié)合，從而導致了更高的水合數(shù)量^[21,22]。隨著海藻糖濃度（5-90wt%）的增加，水合數(shù)量遞減（大約從13到3）。圖4中的這種減少是由于犧牲糖分子附近的水分子造成的，迫使它們通過增加分子內(nèi)氫鍵的方式減少對氫鍵的需求。這種方式形成了一種折疊的構(gòu)象，進而減少水合數(shù)量^[21-24]。紅外線光譜和激光拉曼光譜等技術(shù)用來驗證蔗糖分子糖苷鍵周圍的折疊情況，然而這種構(gòu)象的改變在海藻糖中沒有發(fā)現(xiàn)^[26]。

圖4. 海藻糖和蔗糖水合數(shù)量與糖類濃度（wt%）相關(guān)性^[21]

5. 更低的水擴散系數(shù)和更高的粘性

海藻糖和蔗糖的物理性質(zhì)比較說明了，雖然密度相似，海藻糖具有更低的水擴散系數(shù)和更高的粘性^[21]。所有性質(zhì)之間都是緊密聯(lián)系的。隨著密度增加，自由體積減少，所以擴散性降低，粘性增加^[26]。蔗糖的擴散系數(shù)要高于海藻糖，尤其是在高濃度的情況下：74wt%糖濃度，蔗糖和海藻糖的擴散系數(shù)分別是5.89 × 10?8和1.91 × 10?8 cm2/s。更快的擴散系數(shù)是由于蔗糖具有更小的水合數(shù)造成的。因為水合的蔗糖在尺寸上更小，所以它更易擴散。然而，在低濃度時，系統(tǒng)中水分子相對顯著增多，涉及其中的糖類并不敏感，所以沒有發(fā)現(xiàn)擴散性的不同。隨著系統(tǒng)中糖類流動性限制的增加，粘性預(yù)計會增加。事實上，Sola-Penna和Meyer-Fernandes^[27]的研究表明海藻糖粘性高于蔗糖，并且在更高的濃度下，差距增加。圖5中這說明在具有高濃度蛋白的應(yīng)用中，含海藻糖的配方具有更高的整體粘性。

                    圖5. 濃度范圍在0-1 M，海藻糖和蔗糖相對粘性^[25]。

另外，在細胞凍存，細胞培養(yǎng)等方面，海藻糖也有相對一般糖類同樣具有非常明顯的優(yōu)勢，如果您對這方面內(nèi)容感興趣，歡迎關(guān)注西美杰公眾號（xmjsci）后期推送內(nèi)容，或者致電西美杰客服熱線400-050-4006進行咨詢。

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