保護劑對微生物的保護機理

影響微生物凍干效果的因素很多，而保護劑系統的使用是冷凍干燥活物質由自然應用進入科學研究的里程碑。在凍干過程中，保護劑對微生物細胞到底起何種保護作用呢？一直是低溫生物學研究的重點課題。雖然目前的看法尚未統一，且保護劑的配方仍以實驗為基礎，但若要由試驗摸索轉為自覺利用，其機理研究是不可少的。下面介紹一些有關保護劑的保護機理的看法。

1，避免細胞脫水造成的危害Crowe等認為，通常細胞膜中磷脂的極性端在一定程度上是以水合形式存在的，且相鄰磷脂極性端間被水分子隔開。當磷脂干燥脫水時，極性端靠近，糖鏈間引力增強，平時處于液晶態的脂膜變為凝膠態，即細胞膜結構發生相變，從而導致細胞死亡。如糖類凍干保護劑，在細胞脫水時，以糖分子置換水分子，抑制了質膜的相變，起到了保護細胞膜結構不產生不可逆變化的作用。

Levitt等認為，蛋白質分子表面的硫基可以被氧化成二硫鍵。

凍結中水分子析出結晶，使蛋白質分子彼此靠近，有利于二硫鍵將蛋白質分子彼此連接起來，產生不可逆變性。一些能阻止巰基被氧化的保護劑如谷胱甘肽、半胱氨酸等能誠輕一些含巰基的蛋白質的冷凍損傷。

2.保護微生物細胞膜系統的完整性Aronson認為，通過膜定位電鏡技術曾觀察到核糖體的分布

與膜的完整性密切相關，通常核糖體能以多聚核糖體的形式結合到細菌細胞膜上，聚合到膜上的多聚核糖體具有抗核糖體酶裂解的作用。使細胞代謝需要的蛋白質得以源源不斷地合成。聚合體的存在對核糖體是至關重要的。游離的核糖體易被酶解。而核糖體聚合形式取決于質膜系統的完整性，膜系統的完整性被破壞，多聚核糖體隨之解體，影響蛋白質的合成，導致細胞代謝受阻而死亡。

一些非滲透型保護劑如蔗糖等，可降低胞外溶質（電解質）的濃度，而滲透型保護劑多屬中性物質，進入細胞膜后，能沖淡溶液中溶質（鹽）的濃度，使細胞膜少受濃溶質作用而溶解或變性。進入膜內的保護劑改變了胞內的過冷狀態，使胞內壓接近于胞外壓，降低了細胞脫水的皺縮程度，增加了溶液的粘度，緩解了胞內冰的形成，這些都對保護細胞膜的完整性起作用。

膜結構的生物物理和生物化學研究顯示，在微生物中占細胞膜干重50%~60%的脂蛋白是以3折疊形式存在的。作為保護劑使用的血漿脂蛋白和卵黃脂蛋白也屬P結構，兩者具有良好的親和性，其整體性由鹽類和氫離子濃度協調。控制保護劑的離子濃度，對膜脂蛋白具有良好的保護作用。

3.保護微生物細胞代謝酶的生物活性生物體內的生命活動幾乎都是由酶催化進行的。如果酶的結構發生改變或活性基團丟失，催化功能也將喪失。若一些關鍵的酶失活，則整個細胞內的代謝作用就會紊亂，細胞將面臨死亡。許多報道認為，微生物細胞內的一些重要酶類對凍干敏感。如過氧化氫酶、乳酸脫氫酶、磷酸甘油脫氫酶、磷酸葡萄糖變位酶、琥珀酸

脫氧酶、ATP酶、脂酶等都會因低溫冷凍而失活，長期干燥而變性。而添加保護劑后，不同程度地消除了對酶的活性的影響。因此，在凍干微生物菌種時應根據微生物的特性優選合適的保護劑系統，以減少凍干過程中代謝酶的損傷，提高凍后恢復生長率。