海藻糖特性及其在饱水竹木器脱水保护中的应用
2020年3月11日 信息来源:张晓英 目前浏览:2104次


1.简介

海藻糖(分子式C12H22O11·2H2O)是由两个葡萄糖分子通过半缩醛羟基脱水缩合而成,由于不存在游离的醛基,故为一种非还原型双糖。

在生物学上,海藻糖是备受关注的天然物质,因为它不仅有独特的理化性质,而且对生物组织和大分子具有非特异性保护的作用。同时海藻糖还有其他优良特性,如低甜性、低吸湿性、保水性、耐热性和耐酸性、抗龋齿性、可消化性,防止淀粉老化等特性,因此,被广泛应用于医药、食品、保健品及化妆品等领域,海藻糖特性主要表现在以下几个方面。

2.海藻糖特性

2.1稳定性

海藻糖是天然双糖中最稳定的糖质,分子结构中没有醛基,因而没有还原性,对热和酸都有很好的稳定性,与氨基酸蛋白质等共存时,即使加热也不会产生美拉德反应,这个反应就是还原糖类和氨基化合物之间经过复杂的反应形成的棕色甚至是黑色的大分子物质,在食品领域广泛应用。

2.2对生物体及大分子的非特异性保护

非特异性保护就是不仅仅针对某一类分子进行保护,而是对所有的生命体及大分子都具有保护功能。该作用是从昆虫上首先发现的,随后在酵母菌及干旱地区生物上得到了进一步的确认。研究表明,海藻糖是细胞应急代谢下的产物,当细胞处于饥饿、干燥、高温、高渗透压及有毒试剂等胁迫环境时,细胞内海藻糖含量迅速上升,能稳定蛋白质、核酸等生物大分子的结构,因此,海藻糖被称为“生命之糖”。

经过大量实验,目前海藻糖的保护机制共形成了三种主流假说,为“水替代假说”,“玻璃态假说”和“优先阻排假说”,这三种假说相互补充,基本可以解释海藻糖保护生物分子的机制。

2.2.1水替代假说

水是生命活动所需的必备条件之一,生物膜表面的结合水对维持膜的稳定及完整起着重要作用,正常情况下,生物膜的表面都存在着大量的结合水,若表面结合水丢失,则可能导致许多不可逆的变化,如导致膜表面通透性提高甚至发生膜的融合,蛋白质发生变性等。但因海藻糖中存在大量羟基,他们可以替代水与卵磷脂头部发生氢键结合,所以即使在干燥状态下也能保持生物膜的稳定性。

2.2.2玻璃态假说

当干燥时,海藻糖分子紧密的包裹着临近的分子,在分子周围形成糖玻璃体,这是一种不定形的非晶体状态,这种状态下分子运动量减少,扩散系数降低,化学反应的速率也降低,尤其在温度远低于玻璃化温度时,能够使分子维持一定的空间结构。很多研究者认为,海藻糖的成玻性质对于维持低水分条件下生命材料的稳定性起着关键的作用。

2.2.3优先阻排假说

优先阻排学说主要针对海藻糖对蛋白质的保护作用,提出该学说的学者认为海藻糖优先与水结合,使海藻糖从蛋白质的溶剂化分子中排解出来,导致酶的溶剂化层半径减小,蛋白质的表观体积也减小,因而可移动性更高,蛋白质结构更加稳定,在一定程度上可抵御外界不良环境的干扰。

2.3其他特性

低甜度,海藻糖的甜度是蔗糖甜度的45%,与食物结合后可保持其清爽特性。另外,海藻糖还具有一定的抗辐射性,可保护DNA免受辐射的破坏。

3.在饱水竹木漆器保护上的优点

出土饱水竹木器埋藏在地下若干年,在不断的降解过程中,材质已非常脆弱。有的竹木漆器虽然保持着完好的外形,但内部纤维素、半纤维素等大量降解,一旦失水,细胞壁就将坍塌,器物将无法保持其外形。但如果继续浸泡在水中,其材质也将持续降解,也不利于保存和研究,因此需要对其进行脱水以及对细胞壁进行加固。海藻糖应用于饱水竹木漆器加固的优点主要体现在以下几个方面。

(1)海藻糖分子量小,相对分子质量仅342.30,渗透性好,有利于进入细胞壁内部,从而对细胞壁进行加固,给予细胞壁一定的强度。另外,不需要进一步的反应,只需要将表面水分蒸发即可。

(2)无毒无害,文物保护中使用的材料很多都有一定的毒害性,对操作人员的身体健康可能造成威胁,而海藻糖无毒无害,也不挥发有害气体,属于食品级材料,在日常的生产生活中也被广泛使用,同时,该材料也不会对环境造成污染,是一种绿色环保的文物保护材料。

(3)设备简单,在对文物进行脱水处理过程中,主要是通过加热使海藻糖分子进入文物内部,处理过程中不需要特别复杂的设备,大大降低了脱水保护的经费需求。脱水设备主要为加热装置,装置简单,可操作性强。

(4)处理周期短,常用的脱水材料的脱水周期根据器物情况,短则几月,长则两至三年,而海藻糖由于渗透比较迅速,脱水周期相对很多保护材料都更短,一般器物脱水周期一般在一个月左右。因而可以大大提高脱水的效率,使出土饱水竹木器能尽快得到有效的保护。

但目前海藻糖还处于开发阶段,尚未被广泛应用在竹木漆器的保护中,还需对保护方法进行探索,因此对该材料进行了初步的实验。

4.海藻糖保护实验

益阳兔子山遗址出土了大量饱水简牍,通过使用海藻糖对其进行保护,本次实验选取的是该遗址出土的无字简牍,部分样品通过涂写字迹,实验海藻糖处理后对有字简牍的影响,初步取得了一定的成效。保护前样品见图一,保护处理后见图二。


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图一  兔子山遗址出土竹木器保护前


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图二  兔子山遗址出土竹木器保护后


由保护前后的样品照片可知,因表面水分蒸发,有部分糖分析出,因此文物表面局部出现泛白现象,但保护后的简牍文物表面涂写的字迹比较很清晰,简牍基本恢复了木材本身的材色。初步判断海藻糖用于简牍的脱水保护比较安全可靠,同时对于样品表面泛白想象还需进一步实验,文物的后期的变化也需进行持续的观察。


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