引言:
你有没有想过某些昆虫是如何在炎热的沙漠中生存下来的，或者一些植物是如何度过寒冷的冬天的?答案可能在于一种叫做海藻糖二水的特殊糖。这种独特的分子，自然存在于广泛的生物中，拥有非常广泛的应用。本文将深入探讨海藻糖二水合物的的化学性质、应用，以及在各个科学领域日益增长的重要性。
1. 什么是海藻糖二水合物？
海藻糖，英文名为Trehalose，由两个吡喃环葡萄糖分子以α，α-1，1-糖苷键连结而成，化学名为α-D-吡喃葡萄糖基-α-D-吡喃葡萄糖苷，是最稳定的天然二糖。根据葡萄糖分子上第一个碳的羟基类别（有α和β两种），海藻糖具有3种光学异构体，但是在生物体中只存在（α，α）构型海藻糖。通常，海藻糖的存在形式是海藻糖二水合物。二水海藻糖的化学式是什么？其分子式为C12H22O11·2H2O，相对分子量为378.33，CAS号为6138-23-4，化学结构式如图所示:
2. 自然界中的海藻糖二水合物
海藻糖二水合物是一种非凡的糖，天然存在于许多生物中，从蚱蜢和蜜蜂这样的昆虫到植物，甚至一些真菌。这种糖在帮助这些生物忍受恶劣的环境条件方面起着至关重要的作用。海藻糖二水合物是一种相容的溶质，这意味着它可以在高浓度的情况下积聚在细胞内，而不会干扰细胞的正常功能。这对极端微生物尤其重要，使其在炎热的沙漠或寒冷的极地等环境中茁壮成长。在这些极端微生物中，海藻糖二水合物有助于保护细胞膜和蛋白质免受脱水、冷冻和高温造成的损害。例如，沙漠甲虫在干旱时期积累了大量的海藻糖二水合物。这种海藻糖就像一个保护壳，保护甲虫的细胞。
3. 海藻糖二水合物的应用
海藻糖作为一种新型功能性天然糖类，具有非还原性、保湿型、优质甜味、 低热值、不易致龋齿等特点，在农业、化妆品、食品和生物医药等方面都有广泛 应用。
在农业领域，海藻糖可以增加小麦、水稻等农作物种子或幼苗的抗逆能力， 并能够延长花朵的花期。由于海藻糖具有保湿、防晒、防辐射功效，可作为保湿 剂、保护剂、紫外吸收剂等用于化妆品中。
在食品领域，由于食品安全问题备受关注，化学合成的食品添加剂相继被禁 用，海藻糖作为一种安全的天然食品添加剂得到越来越多的肯定和推荐。2000年，海藻糖通过美国食品药品监督管理局GRAS（公认安全）认证，并允许其应用于食品领域；同年，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会确认海藻糖的每日允许摄取量不受限制；2001年，欧盟批准海藻糖可作为新型食品或食品添加剂进入欧洲市场。2005年，中国卫生部批准海藻糖为新资源食品，并于2009年，正式实施海藻糖国家标准。目前，海藻糖已经广泛应用于美国、欧洲、日本、中国、东南亚等三十多个国家和地区。日本作为海藻糖应用最普遍的国家，年消费量已经超过两万吨。
在生物医药领域，海藻糖对生命的保护有着深刻的意义，被赞誉为21世纪 的“生命之糖”。Nature杂志在2000年7月出版的海藻糖专论中指出，“对许 多生命体而言，海藻糖的有与无意味着生命体的生与死”，自然界中如蔗糖、葡 萄糖等其他糖类均不具备这一功能。外源性海藻糖同样具有良好的保护作用， 可作为一种生物活性保护剂。在生物的组织器官、生物生殖细胞、脂质体、抗体 药物、疫苗和酶等的保护方面具有重要的作用。海藻糖已成功替代血浆蛋白成为血液制品、淋巴细胞、疫苗等生物活性物质的稳定剂。其次，研究发现海藻糖具有治疗亨廷顿舞蹈病、动脉粥样硬化、治疗帕金森氏病等疾病的功效。在 2015年，海藻糖作为一种药物辅料被列入《中国药典》中，可以用作药物的片剂稀释剂和冷冻干燥辅料。
4. 海藻糖二水合物在生物技术研究中的应用
海藻糖二水合物的独特性质使其成为生物技术研究的宝贵工具。它保护细胞和生物分子免受压力的能力为低温保存、蛋白质稳定和药物输送系统的进步打开了大门。在冷冻保存中，冷冻细胞或组织以长期储存的过程中，海藻糖二水合物起冷冻保护剂的作用。通过在冷冻过程中稳定细胞膜和防止冰晶形成，研究人员可以在解冻时保存细胞和组织，提高其生存能力。海藻糖作为蛋白质稳定剂的作用使其有利于治疗蛋白的储存和运输。它可以防止蛋白质展开和聚集，确保蛋白质在需要时保持其功能。这对于开发新的基于蛋白质的药物尤其重要。此外，研究人员正在探索海藻糖二水合物在药物输送系统中的应用。它能够改变药物的释放特征并增强其在体内的稳定性，这为更有针对性和更有效的治疗带来了希望。
5. 化学性质及组成
海藻糖二水合物的化学式为C12H22O11·2H2O。它是一种双糖，由两个葡萄糖单元和两个附加的水分子结合而成。这里的关键在于连接这些葡萄糖的特定类型的键(α -1,1糖苷键)。这种独特的连接赋予海藻糖二水合物特殊的性质。
二水海藻糖的溶解度是多少？二水合海藻糖因其在水中的高溶解度（H2O:50mg/mL）而闻名。与许多其他糖不同的是，即使在室温下，它也能大量溶解。这种溶解度源于分子与水分子形成氢键的能力，使其易于融入水环境。然而，海藻糖二水合物不仅仅是亲水的；与简单的糖相比，海藻糖二水合物的分子量也相对较高(约为378克/摩尔)。这种高分子量有助于其作为相容溶质的作用，这种分子可以在高浓度下积聚在细胞中而不会破坏细胞的内部功能。二水合物海藻糖的密度适中，约为1.12 g/cm3，比水密度大，但不会太重。这种高溶解度、高分子量和中等密度的特性组合，使海藻糖二水合物成为面临恶劣环境的生物体的有价值的适应。
6. 益处和潜在的健康影响
人们正在积极探索海藻糖对健康的潜在益处。人们感兴趣的一个领域是它作为益生元的作用。通过促进有益肠道细菌的生长，它可能有助于消化健康和免疫功能。此外，海藻糖二水合物清除自由基的能力表明其抗氧化特性，潜在地保护细胞免受损伤。研究人员还在研究它作为各种疾病治疗剂的潜力。研究表明，它可能有助于控制血糖水平，甚至具有神经保护作用。然而，值得注意的是，对这些潜在健康影响的研究仍在进行中。虽然食用海藻糖二水合物似乎是安全的，但其长期影响需要进一步研究。监管方面的问题也在考虑之中，一些国家已经批准将其作为食品添加剂使用。
7. 结语
通过本文的讨论，我们深入了解了海藻糖二水合物的性质和多样化应用。海藻糖作为一种用途广泛的化合物，在不同行业中发挥着重要作用，为产品的稳定性、功能性和性能提供支持。本文强调了海藻糖二水合物的普遍性和意义，以及其在未来研究和创新中的潜力。我们鼓励海藻糖在各个领域进一步开发利用，探索其更多的应用可能性，为不同行业的发展和创新提供新的机遇和可能性。
参考：
[1]Iordachescu M, Imai R. Trehalose and abiotic stress in biological systems[J]. Abiotic stress in plants-mechanisms and adaptations, 2011: 215-234.
[2]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12065209/
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Trehalose
[4]https://www.biosynth.com/p/OT05313/6138-23-4-aa-d-trehalose-dihydrate
[5]张慧慧.海藻糖多晶型及球形结晶研究[D].天津大学,2018.
1
