海藻糖簡(jiǎn)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(gè)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(huì)輕易地被酸水解，并且糖苷鍵不會(huì)被 α-糖苷酶分解，所以海藻糖是具有*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(lái)，不斷從對(duì)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(duì)生物體具有神奇的保護(hù)作用，是因?yàn)楹Ｔ逄窃诟邷?、高寒、高滲透壓及干燥失水等惡劣環(huán)境條件下在細(xì)胞表面能形成*的保護(hù)膜，有效地保護(hù)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(hù)劑的制劑過(guò)程中，糖類是zui為重要的一類輔料，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的，但由于藥用輔料協(xié)會(huì)對(duì)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(hù)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(biāo)。迄今為止，在上，海藻糖已經(jīng)陸續(xù)被使用到各類生物制品的凍干保護(hù)中，比如重磅生物藥，比如 Herceptin® ，Adcetris® ，Avastin® ，Lucentis® ，Advate® ， Gazyva® ，Blincyto® ，當(dāng)中就使用了海藻糖作為核心的凍干保護(hù)劑，另外，也在越來(lái)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(hù)劑，可以常溫條件下干燥存放，不僅可以避免疫苗因?yàn)榉抢滏溸\(yùn)輸導(dǎo)致的失效問題，而 且還能防止因?yàn)檠次廴緦?dǎo)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保護(hù)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(guò)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(xiàn)中報(bào)道的 Tg 有所不同，導(dǎo)致不同結(jié)果的原因是由 于不同的檢測(cè)條件，其中zui重要的因素是殘余水分含量。Crowe 等人所報(bào)道的在殘余水分含量為 0.3% 時(shí)，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(dǎo)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(duì)活性生物制品的穩(wěn)定有著深遠(yuǎn)的影響，因?yàn)檫€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(duì)于水解的穩(wěn)定性是因?yàn)楹Ｔ逄侵械奶擒真I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(dá) 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(xiàng)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(shí)，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(qiáng)度的變化有顯著改變。此外，有文獻(xiàn)報(bào)道蔗糖在冷凍過(guò)程中可發(fā)生水解，然而海 藻糖并沒有類似的報(bào)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(shí)，在一些應(yīng)用中，如片劑制劑，相對(duì)于其他糖類，結(jié)晶態(tài)海藻糖還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即他低吸 濕性，從而促進(jìn)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(dǎo)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(guò)水分子表現(xiàn)的分子間氫鍵[13-15]，平均鍵長(zhǎng)相對(duì)較短（1.825 Å）。因此，相對(duì)作用較強(qiáng) [16]。對(duì)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(xué)數(shù)據(jù)可在這些文獻(xiàn)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(duì)濕度 90%[19]。 4. 高水合性海藻糖還有一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是具有較高數(shù)量的 Equatorial –OH 基團(tuán)，這使海藻糖在水溶液中有更強(qiáng)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(shí)上，相對(duì)于海藻糖，蔗糖更不容易與水結(jié)合。（圖 4）這一特點(diǎn)的 實(shí)際意義說(shuō)明，對(duì)于基于蔗糖的配方，在低含水量（如＜1%）時(shí)，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(dǎo)致的（尤其是在高濃度下）。海藻糖只形成一個(gè)這樣的鍵，而蔗糖會(huì)形成兩個(gè)，因此，對(duì)于海藻糖會(huì)有更多空閑的位點(diǎn)與水分子的氫鍵結(jié)合，從而導(dǎo)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(guò)增加 分子內(nèi)氫鍵的方式減少對(duì)氫鍵的需求。這種方式形成了一種折疊的構(gòu)象，進(jìn)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(lái)驗(yàn)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?cè)诤Ｔ逄侵袥]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?dāng)U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(shuō)明了，雖然密度相似，海藻糖具有更低的水?dāng)U散系數(shù)和更高的粘性 [21]。所有性質(zhì)之間都是緊密的。隨著密度增加，自由體積減少，所以擴(kuò)散性降低，粘性增加[26]。蔗 糖的擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)分別 是5.89 × 10−8和1.91 × 10−8 cm2/s。更快的擴(kuò)散系數(shù)是由于蔗糖具有更小的水合數(shù)造成的。因?yàn)樗系?蔗糖在尺寸上更小，所以它更易擴(kuò)散。然而，在低濃度時(shí)，系統(tǒng)中水分子相對(duì)顯著增多，涉及其中的糖 類并不敏感，所以沒有發(fā)現(xiàn)顯著的擴(kuò)散性的不同。隨著系統(tǒng)中糖類流動(dòng)性限制的增加，粘性預(yù)計(jì)會(huì)增加。 事實(shí)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(shuō)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(duì)粘性[25]。

    另外，在細(xì)胞凍存，細(xì)胞培養(yǎng)等方面，海藻糖也有相對(duì)一般糖類同樣具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，如果您對(duì)這方面內(nèi)容感興趣，歡迎關(guān)注西美杰公眾號(hào)（iseajetsci）后期推送內(nèi)容，或者致電西美杰 進(jìn)行咨詢。 Pfanstiehl 高純低內(nèi)毒素注射級(jí)海藻糖 美國(guó)Pfanstiehl Inc.專注研發(fā)與生產(chǎn)注射級(jí)高純度低內(nèi)毒素海藻糖，并且符合USP，EP，JP，ChP 等多國(guó)藥典。產(chǎn)品在FDA備案，DMF為激活狀態(tài)，在 FDA批準(zhǔn)的含海藻糖產(chǎn)品中，100%的海藻糖都來(lái)自于 Pfanstiehl。作為 Pfanstiehl在中國(guó)區(qū)*代理商——北京西美杰科技有限公司，將Pfanstiehl 高品 質(zhì)的糖類產(chǎn)品帶給廣大客戶解決生物制品凍干保護(hù)作用難題的同時(shí)，也一直致力于為客戶提供高品質(zhì)的售前售后服務(wù)，關(guān)注和陪伴國(guó)內(nèi)生物制藥企業(yè)一起成長(zhǎng)，我們現(xiàn)階段正在積極響應(yīng)CFDA的輔料關(guān)聯(lián)審評(píng)工作，配合使用我們產(chǎn)品的企業(yè)盡早通過(guò)審評(píng)。如需進(jìn)行產(chǎn)品咨詢，請(qǐng)直接 Pfanstiehl 中國(guó)*代理-北京西美杰科技有限公司（ ）。

參考文獻(xiàn)

1. Saleki-Gerhardt A, Zografi G. 1994. Non-isothermal and isothermal crystallization of sucrose from the amorphous state. Pharm Res 11(8):1166-1173.

2. Crowe JH, Hoekstra FA, Nguyen KH, Crowe LM. 1996. Is vitrification involved in depression of the phase transition temperature in dry phospholipids? Biochim Biophys Acta 1280(2):187-196.Crowe LM, Reid DS, Crowe JH. 1996. Is trehalose special for preserving dry biomaterials? Biophys J 71(4):2087-2093.

3. Koster KL, Lei YP, Anderson M, Martin S, Bryant G. 2000. Effects of vitrified and nonvitrified sugars on phos-phatidylcholine fluid-to-gel phase transitions. Biophys J 78(4):1932-1946.

4. Colaco CALS, Roser B. 1995. Trehalose—A multifunctional additive for food preservation. In Food packaging and preser¬vation; Mathlouthi M, Ed. London: Blackie Professional, pp 123-140. Roser B. 1991. Trehalose drying: A novel replacement for freeze-drying. BioPharm 5:47-53.

5. Kubota M. 2005. New features and properties of trehalose. New Food Industry 47(3):17-29.

6. Kubota M. 2008. Trehalose-producing enzymes. Fine Chem 37(1):28-35.

7. Wolfenden R, Yuan Y. 2008. Rates of spontaneous cleavage of glucose, fructose, sucrose, and trehalose in water, and the catalytic proficiencies of invertase and trehalas. J Am Chem Soc 130(24):7548-7549.

8. Karel M, Labuza TP. 1968. Nonenzymatic browning in model systems containing sucrose. J Agric Food Chem 16(5):717-719.

9. Schoebel T, Tannenbaum S, Labuza T. 1969. Reaction at limited water concentration. 1. Sucrose hydrolysis. J Food Sci 34:324.

10. Flink MJ. 1983. Nonenzymatic browning of freeze-dried su¬crose. J Food Sci 48:539-542.

11. Brown GM, Rohrer DC, Berking B, Beevers CA, Gould RO, Simpson R. 1972. The crystal structure ofα，α -trehalose dihydrate from three independent X-ray determinations. Acta Crystallogr B 28:3145-3158.

12. Brown GM, Levy HA. 1963. Sucrose: Precise determination of crystal and molecular structure by neutron diffraction. Sci¬ence 141:921-923.

13. JeffreyGA. 1990. Crystallographic studies of carbohydrates. Acta Crystallogr B 46 (Pt 2):89-103.

14. Jeffrey GA, Saenger W. 1991. Hydration of proteins. In Hy¬drogen bonding in biological structures; Jeffrey GA, Saenger W, Eds. Berlin: Springer, pp 459-486.

15. Sundaralingam M. 1968. Some aspects of stereochemistry and hydrogen bonding of carbohydrates related to polysac¬charide conformations. Biopolymers 6:189-213.

16. Jeffrey GA, Sundaralingam M. 1976. Bibliography of crys¬tal structures of carbohydrates, nucleosides, and nucleotides 1974. Adv Carbohydr Chem Biochem 32:353-384.

17. Takeuchi K, Banno N. 1998. [New applications of trehalose and its potential application in cosmetic products]. Fragrance J 7:39-47.

18. Tanaka K. 2009. [Development of Treha(R) and its proper¬ties]. Food Industry 52(10):45-51.

19. Ekdawi-Sever NC, Conrad PB, de Pablo JJ. 2001. Molecu¬lar simulation of sucrose solutions near the glass transition temperature. J Phys Chem A 105:734-742.

20. MathlouthiM. 1981.X-Raydiffractionstudyofthemolecular association in aqueous solutions ofD-fructose, D-glucose, and sucrose. Carbohydr Res 91:113-123.

21. Ekdawi-Sever NC, de Pablo JJ, Feick E, von Meerwall E. 2003. Diffusion of sucrose and a,a-trehalose in aqueous solu¬tions. J Phys Chem A 107:936-943.

22. Conrad PB, de Pablo JJ. 1999. Computer simulation of the cryoprotectant disaccharide a,a-trehalose in aqueous solu¬tion. J Phys Chem A 103:4049-4055.

23. Kacurakova M, Mathlouthi M. 1996. FTIR and laser-Raman spectra of oligosaccharides in water: Characterization of the glycosidic bond. Carbohydr Res 284(2):145-157.

24. Cohen MH, Grest GS. 1979. Liquid-glass transition, a free- volume approach. Phys Rev B 20:1077-1098.

25. Sola-Penna M, Meyer-Fernandes JR. 1998. Stabilization against thermal inactivation promoted by sugars on enzyme structure and function: Why is trehalose more effective than other sugars? Arch Biochem Biophys 360(1):10-14.