甘露低聚糖及其衍生物制備技術(shù)研究進(jìn)展

毛跟年，瞿建波，李 鑫，郭 倩

（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021）

甘露低聚糖及其衍生物制備技術(shù)研究進(jìn)展

毛跟年，瞿建波*，李 鑫，郭 倩

（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021）

綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)甘露低聚糖的制備和分離純化技術(shù)，介紹了甘露低聚糖衍生物的制備技術(shù)和發(fā)展前景，為甘露低聚糖衍生物的進(jìn)一步研究提供了方向。

甘露低聚糖，衍生物，制備技術(shù)，分離純化

甘露低聚糖（Mannose-oligosaccharides，MOS）又稱甘露寡糖，是唯一能結(jié)合腸道中外源性病菌的新型功能性低聚糖，廣泛存在于魔芋粉、瓜爾豆膠、田菁膠及多種微生物細(xì)胞壁內(nèi)［1］。甘露低聚糖除了具有功能性低聚糖的特點(diǎn)外，還具有防治高血脂、抗氧化、增強(qiáng)免疫功能等作用［2］。近年來(lái)，隨著人們的生活水平的不斷提高，低聚糖越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞，甘露低聚糖作為一種較優(yōu)秀的新型低聚糖，也將會(huì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

1 甘露低聚糖的特征

1.1 結(jié)構(gòu)特征

由于來(lái)源不同，甘露低聚糖在結(jié)構(gòu)上有所差異，現(xiàn)在研究較多的為魔芋甘露低聚糖。魔芋中所含的葡甘聚糖是β-D葡萄糖與β-D甘露糖以1∶1.6或1∶1.7的比例，通過(guò)β-1，4糖苷鍵聯(lián)結(jié)成的雜多糖［3］。魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶作用后的產(chǎn)物為M-G，G-M，G-G，M-M，M-M-M，G-G-M，M-G-M，G-M-M，M-M-M-M，G-M-M-M，G-M-M-G，G-G-M-M，M-M-M-M-M。（其中M為甘露糖，G為葡萄糖）［4-5］。

1.2 理化特性

甘露低聚糖屬于非還原糖，味微甜，清爽純正，安全無(wú)毒，易溶于水和極性有機(jī)溶劑，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑。其主要有糖漿和糖粉兩種存在形式，糖漿為無(wú)色或淡黃色液體，糖粉為白色或淡黃色粉末。由甘露低聚糖的分子結(jié)構(gòu)可知，甘露低聚糖分子鏈中含有乙?；鶊F(tuán)和大量的羥基［6］，且其分子中C2、C3、C6位上的-OH均具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性［7］，可方便地對(duì)其進(jìn)行脫乙?；蝓セⅡ想x子化等化學(xué)改性處理，依此可制備成具有各種特異功能的衍生物。

2 甘露低聚糖的制備技術(shù)

2.1 酶解法

甘露低聚糖可采用β-甘露聚糖酶酶解甘露聚糖獲得。β-甘露聚糖酶（endo-1，4-β-Mannanase，EC3.2.1.78）能作用甘露聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖和半乳葡萄甘露聚糖，形成低聚糖。許牡丹等［8］以魔芋精粉為原料，選用黑曲霉β-甘露聚糖酶制備甘露低聚糖，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出最佳工藝，在此條件下甘露低聚糖的產(chǎn)率為 32.3%。Masahiro Kurakake等［9］利用從草酸青霉菌株中提取的β-甘露聚糖酶水解瓜爾豆膠，制得葡甘露低聚糖。在pH為5，溫度為60℃的條件下，酶解得到的產(chǎn)物中92%為低聚糖，經(jīng)電離飛行時(shí)間質(zhì)譜分析，其中大部分低聚糖的聚合度為6～7。吳長(zhǎng)菲等［10］先利用β-甘露聚糖酶水解魔芋膠得到葡甘露低聚糖粗品，再利用酵母發(fā)酵去除可發(fā)酵性糖，最終獲得純度為100% 的葡甘露低聚糖。

2.2 酸酶結(jié)合法

目前制備甘露低聚糖的方法主要是酶解法，但是由于魔芋精粉在水中呈膠體狀，粘度大，酶反應(yīng)底物質(zhì)量濃度低，難以提高產(chǎn)量。許牡丹等［11］通過(guò)采用先酸解再酶解的方法，對(duì)魔芋精粉進(jìn)行預(yù)處理，先降低其粘度，再酶解，進(jìn)而提高酶解效率，增大產(chǎn)量。并確定最佳工藝為：酸解時(shí)間1.5h，酶解溫度55℃，HCl濃度0.07mol/L，酸解溫度85℃，加酶量6000U/g，底物質(zhì)量濃度80g/L。陶興無(wú)［12］利用鹽酸和β-甘露聚糖酶水解魔芋精粉，水解率為20.65%，產(chǎn)品得率為59.54%，多數(shù)水解產(chǎn)物分子的大小在三糖以上。

2.3 氧化-酸解法

H2O2具有穩(wěn)定的漂白效果，反應(yīng)產(chǎn)物具有無(wú)殘毒、易處理、成本低、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。在酸解法降解魔芋葡甘露聚糖時(shí)，加入雙氧水，可以起到輔助降解作用，同時(shí)可增加白度及去除異味。李濤等［13］在恒溫?fù)u床180r/min，溫度35℃，pH1.0，加入3.5% H2O2的條件下對(duì)魔芋精粉處理 3h，產(chǎn)品得率為86.7%；用薄層層析方法分析上清液中含有單糖、雙糖和三糖。

2.4 微波-氧化法

黃永春［14］等研究了在微波輻射下H2O2對(duì)魔芋葡甘聚糖的降解作用，結(jié)果表明，微波能有效促進(jìn)H2O2對(duì)魔芋葡甘聚糖的降解，其效果優(yōu)于微波或H2O2的單獨(dú)作用。當(dāng)魔芋葡甘聚糖的濃度為2%時(shí)，最適的降解條件為：pH3.6，H2O2的濃度為1.8%，微波功率為540W，降解時(shí)間為3min。

2.5 輻照酶解法

γ-射線是一種具有高能量、長(zhǎng)射程和強(qiáng)穿透力的離子流，可用于高聚物的降解和改性。徐振林等［15］研究表明，魔芋葡甘露聚糖經(jīng)60Coγ-射線輻照后，用β-甘露聚糖酶水解葡甘露聚糖，然后用活性炭、離子交換樹(shù)脂純化葡甘露低聚糖，最后用凝膠滲透色譜（GPC）和質(zhì)譜（MS）鑒定產(chǎn)物。結(jié)果表明，輻照不僅可以顯著地降低魔芋葡甘露聚糖的黏度，還可以在一定程度上提高其酶解效率。

2.6 超聲波降解法

超聲作為一種新技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，利用超聲波對(duì)甘露低聚糖進(jìn)行降解，是一種高效、環(huán)保的降解方法。黃永春［16］等研究了超聲波對(duì)魔芋葡甘聚糖的降解作用，研究結(jié)果表明，超聲波對(duì)魔芋葡甘聚糖有明顯的降解作用，降解的最佳條件為超聲功率100～150W、超聲時(shí)間120～150min、降解溫度45℃、魔芋葡甘聚糖濃度0.8～1.0g/mL。

3 甘露低聚糖分離純化

目前甘露低聚糖的制備方法得到的產(chǎn)物中，除了甘露低聚糖外還含有單雙糖和多糖，甘露低聚糖的含量不高，所以必須進(jìn)行分離純化。目前主要的純化方法有柱層析法和膜分離法。

3.1 柱層析法

柱層析又稱柱色譜，是通過(guò)色譜柱的分離作用而達(dá)到純化的目的。許牡丹等利用硅膠柱層析法［17］和離子交換柱層析法［18］對(duì)甘露低聚糖進(jìn)行純化。利用硅膠柱層析法純化，在進(jìn)樣量為10mL、柱高為600mm、流速為1mL/min、溫度為60℃的條件下得到甘露低聚糖的純度為71.34%。采用離子交換樹(shù)脂法分離純化甘露低聚糖時(shí)，在進(jìn)樣量為10mL、柱高為600mm、流速為2mL/min、溫度為60℃的條件下制得甘露低聚糖的純度為68.4%。

3.2 膜分離法

膜分離法不僅能夠節(jié)約能源，而且具有無(wú)污染、高效保留生物活性成分等特點(diǎn)，尤其適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。史勁松等［19］對(duì)甘露聚糖的水解液進(jìn)行超濾（截留相對(duì)分子質(zhì)量3000Da）和納濾（截留相對(duì)分子質(zhì)量300Da）處理，獲得的精制濾液中，甘露低聚糖的平均聚合度為2.13。HPLC分析表明，甘露低聚糖中的單糖組分占13.6%，二糖組分占52.0%，三糖以上的組分占34.4%。實(shí)驗(yàn)表明，聯(lián)合應(yīng)用超濾和納濾，能夠較好地對(duì)甘露低聚糖進(jìn)行精制、脫鹽和濃縮，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的分離純化方法。

4 甘露低聚糖衍生物的制備

4.1 甘露低聚糖金屬絡(luò)合物

碳水化合物具有廣泛的生物功能，而且可以作為配體同大部分金屬陽(yáng)離子進(jìn)行絡(luò)合而發(fā)揮作用。金屬離子與碳水化合物絡(luò)合作用的研究在生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究中占有極為重要的地位，也是配位化學(xué)的重點(diǎn)研究科目［20］。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)補(bǔ)鉻（Ⅲ）劑的研究表明［21］，低聚糖鉻的配合物作為補(bǔ)鉻（Ⅲ）劑不僅具有較好的穩(wěn)定性和溶出性能，同時(shí)釋放出鉻（Ⅲ）后的配體低聚糖還有助于金屬離子的吸收和利用。陳秀敏等［22］用β-甘露聚糖酶水解產(chǎn)生的魔芋葡甘露低聚糖與Cr3+在強(qiáng)堿性水溶液中絡(luò)合，制備魔芋葡甘露低聚糖鉻絡(luò)合物。毛跟年等［23］利用甘露低聚糖與氯化鉻進(jìn)行反應(yīng)制備MOS鉻配合物，得出最佳工藝為：pH12、反應(yīng)時(shí)間2.0h、反應(yīng)溫度為50℃、0.45mol/L氯化鉻的加入量為5mL。通過(guò)UV和IR分析表明Cr（Ⅲ）與甘露低聚糖的羥基發(fā)生了配位反應(yīng)。

在對(duì)補(bǔ)銅劑的研究過(guò)程中，低聚糖因本身的特點(diǎn)而受到人們的關(guān)注。將銅離子與甘露低聚糖有機(jī)結(jié)合做為補(bǔ)銅劑，不僅能降低Cu（Ⅱ）的毒性，還有助于銅離子的吸收。毛跟年等［24］以甘露低聚糖與氯化銅為原料制備MOS銅配合物，得出最佳工藝為：溫度54℃、pH6.4、氯化銅量 0.0021mol，反應(yīng)時(shí)間108min。通過(guò)UV和IR分析表明銅離子結(jié)合在甘露低聚糖羥基上。

低聚糖鐵配合物作為補(bǔ)鐵劑不僅具有合適的配合穩(wěn)定性，對(duì)胃腸道無(wú)或甚少刺激作用，而且當(dāng)其釋放鐵之后，配體低聚糖具有多方面的生理活性，是對(duì)機(jī)體有益的成分，可被吸收利用，不會(huì)產(chǎn)生毒副作用［25］。毛跟年等［26］利用甘露低聚糖與氯化鐵進(jìn)行反應(yīng)制備MOS鐵配合物，經(jīng)單因素及正交實(shí)驗(yàn)，確定出甘露低聚糖鐵配合物的最佳工藝條件：pH9、時(shí)間1.5h、氯化鐵濃度 0.45mol/L、檸檬酸鈉濃度0.20mol/L。通過(guò)UV和IR分析表明鐵配合到了甘露低聚糖的-OH、-C=O上。

4.2 甘露低聚糖硫酸酯化衍生物

硫酸酯化多糖是指含有硫酸基團(tuán)的天然及半合成的酸性多糖，為聚陰離子化合物。自1987年發(fā)現(xiàn)硫酸酯化葡聚糖具有抑制艾滋病病毒HIV活性以來(lái)［27］，該類多糖在抗病毒方面的研究十分活躍。

干信等［28-29］以魔芋精粉為原料，經(jīng)酶解、羥丙基化和硫酸酯化修飾，制成了水溶性良好的魔芋葡甘露低聚糖硫酸酯化衍生物。甘露低聚糖醛酸雙酯化最佳條件：羥丙基化過(guò)程：m（甘露低聚糖醛酸）/m（環(huán)氧丙烷）=1.00/1.25，恒溫30℃，攪拌反應(yīng)3h。硫酸酯化過(guò)程：m（甘露低聚糖醛酸羥丙酯）/m（氯磺酸）=1.0/2.5，恒溫68℃，攪拌反應(yīng)3h。甘露低聚糖醛酸雙酯鈉對(duì)甘露低聚糖醛酸的得率為76.4%。該物質(zhì)有機(jī)硫含量為20%，凝膠色譜顯示其相對(duì)分子質(zhì)量為2000～4000Da；紅外光譜和1H核磁共振光譜分析，按低分子肝素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)藥檢及藥理實(shí)驗(yàn)，確證是一種新型肝素類藥物。

4.3 雙硫化甘露低聚糖

李慶國(guó)等［30］利用魔芋甘寡糖與二硫化碳和二甲胺進(jìn)行雙硫化加成反應(yīng)制備了雙硫化魔芋寡糖素。孫春等［31］應(yīng)用酶法降解魔芋甘露聚糖制得魔芋甘露低聚糖，并對(duì)其進(jìn)行雙硫化化學(xué)改性，制得魔芋寡聚糖DS-VLK殺菌劑。二者都證實(shí)雙硫化后的魔芋寡糖對(duì)魔芋軟腐病、山藥炭疽病、小麥赤霉病、梨黑斑、棉花黃萎、稻瘟、大白菜軟腐病、水稻白葉枯等農(nóng)作物病害有明顯抑制作用，可以較長(zhǎng)時(shí)間附著于植物表面，具有刺激植物產(chǎn)生植保素和直接抑制微生物的雙重作用，并且不會(huì)產(chǎn)生抗生素的耐藥性，應(yīng)用廣泛，是一種新型廣譜生物農(nóng)藥。

5 展望

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)低聚糖的需求也越來(lái)越大。甘露低聚糖作為比較優(yōu)秀的低聚糖，具有提高人體免疫機(jī)能、吸附毒素、護(hù)肝和軟化血管等功效，且可用于各類食品中，如餅干、調(diào)味品、蛋糕、飲料等，尤其是酸奶、乳酸菌飲料、碳酸飲料等酸性飲料中，是一種非常理想的保健食品原材料。因此，開(kāi)發(fā)甘露低聚糖保健食品有著非常廣闊的市場(chǎng)前景。

甘露低聚糖由于分子中存在乙酰基和大量的羥基，能進(jìn)行一系列的化學(xué)改性，制成各種衍生物，從而極大地豐富了甘露低聚糖的研究?jī)?nèi)容。通過(guò)化學(xué)改性提高了甘露低聚糖原有特性，使其具有更佳的作用效果，更重要的是可以制得新的衍生物，開(kāi)發(fā)出更具魅力的新產(chǎn)品。作為一種資源豐富、用途廣泛的天然低聚糖，對(duì)它的研究才剛剛起步，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行更深入、更全面系統(tǒng)的研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)，對(duì)于甘露低聚糖衍生物的研究將會(huì)受到越來(lái)越多的重視。

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Research progress in preparation technique of mannose-oligosaccharides and its derivatives

MAO Gen-nian，QU Jian-bo*，LI Xin，GUO Qian
（College of Life Science and Engineering，Shaanxi University of Scienceamp;Technology，Xi’an 710021，China）

The recent domestic and foreign technology of preparation，separation and purification of mannoseoligosaccharides（MOS）were reviewed，the preparation technology and the development of derivatives were introduced，so as to provide suggestions for further study of the derivatives.

mannose-oligosaccharides（MOS）；derivative；preparation technology；separation and purification

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0366-04

2010-06-12 *通訊聯(lián)系人

毛跟年（1963-），男，教授，研究方向：藥物新材料的制備與應(yīng)用。

陜西省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目（2007k07-25）；陜西省教育廳科研項(xiàng)目（07Jk197）。