多糖的硫酸酯化及其對(duì)結(jié)構(gòu)和功能活性的影響研究進(jìn)展

劉 波，袁利鵬，*，熊 波，彭述輝，劉旭光

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱作系，廣東廣州510507 2.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東順德528300 3.廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系，廣東廣州510405）

多糖的硫酸酯化及其對(duì)結(jié)構(gòu)和功能活性的影響研究進(jìn)展

劉 波1，袁利鵬1，*，熊 波2，彭述輝3，劉旭光1

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱作系，廣東廣州510507 2.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東順德528300 3.廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系，廣東廣州510405）

硫酸酯化是近年來(lái)常見(jiàn)的多糖分子修飾方法，通過(guò)對(duì)多糖進(jìn)行硫酸酯化修飾可以極大的改善多糖的功能特性。因此，本文首先綜述了近年來(lái)常見(jiàn)的多糖硫酸酯化方法，然后從結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面，深入闡述了硫酸酯化對(duì)多糖分子結(jié)構(gòu)和功能活性的影響，旨在為多糖硫酸酯的進(jìn)一步研究提供參考。

多糖硫酸酯，結(jié)構(gòu)，功能

多糖是生物體內(nèi)除蛋白質(zhì)和核酸外，又一類重要的生物大分子，與機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞間物質(zhì)的運(yùn)輸、癌癥治療等[1-3]都有密切的關(guān)系，對(duì)維持機(jī)體正常的生命活動(dòng)起著重要的作用。然而研究表明，天然多糖的生物活性相對(duì)較低，而且由于天然多糖的溶解性較差，導(dǎo)致其功能活性得不到充分的利用。研究發(fā)現(xiàn)利用分子修飾的方法制備多糖衍生物，可以改善天然多糖的生物活性。硫酸酯化是目前較為常用的多糖衍生化方法，已成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)，研究結(jié)果表明經(jīng)硫酸酯化修飾后，多糖的生物活性可以得到明顯增強(qiáng)或增加，水溶性也可得到改善[4-7]。

本文首先介紹了近年來(lái)常見(jiàn)的多糖硫酸酯的制備方法，然后從結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面，分析了硫酸酯化對(duì)多糖分子結(jié)構(gòu)和功能特性的影響，以期為多糖硫酸酯的進(jìn)一步研究提供參考。

1 多糖硫酸酯的制備方法

由于硫酸酯的功能活性與硫酸基的取代度具有一定的正相關(guān)性，因此為了獲得具有較高活性的多糖硫酸酯，研究人員開發(fā)了多種多糖硫酸酯的制備工藝，其中常用的方法主要有：濃硫酸法、氯磺酸-吡啶法和三氧化硫-吡啶法。

1.1 濃硫酸法

濃硫酸法[8-9]是以正丁醇為溶劑，用濃硫酸與多糖的醇羥基發(fā)生取代反應(yīng)，從而獲得多糖硫酸酯的制備方法。其步驟如下：向帶干燥管和攪拌裝置的三頸燒瓶中加入適量體積的濃硫酸和正丁醇，其體積比為3∶1，然后加入一定量的硫酸按，攪拌，冰浴冷卻至0℃，然后緩慢加入多糖樣品約0.5～1 g，于0℃反應(yīng)30 min左右。反應(yīng)液用2 mol/L的NaOH中和、離心后，用蒸餾水透析24 h，減壓濃縮至20 mL左右，然后用乙醇進(jìn)行沉淀，靜置后離心，收集沉淀物，將沉淀物溶解于水，再透析24 h，透析液經(jīng)冷凍干燥后即得硫酸酯化產(chǎn)物。熊波等[10]利用該方法制備了魔芋葡甘聚糖硫酸酯，經(jīng)硫酸鋇比濁法分析，結(jié)果顯示經(jīng)硫酸酯化取代的魔芋葡甘聚糖硫酸酯的取代度約為0.8左右。胡愛(ài)軍等[11]也利用該方法制備了取代度約為0.5左右的香豆膠硫酸酯。濃硫酸法制備多糖硫酸酯產(chǎn)物雜質(zhì)少，易分離，但是該方法取代度較低、產(chǎn)率較差。

1.2 氯磺酸-吡啶法

氯磺酸-吡啶法[12-13]是利用氯磺酸中的氯與多糖的醇羥基發(fā)生取代反應(yīng)，從而制備多糖硫酸酯的方法。其主要步驟如下：將適量氯磺酸緩慢加入預(yù)冷的吡啶中，氯磺酸與吡啶的體積比控制在1∶4～1∶6之間（可根據(jù)多糖的種類進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整），氯磺酸的加入速度為10 mL/（30～40）min，以制備酯化試劑；同時(shí)，將多糖溶解于適量的N，N-二甲基甲酰胺中，制得多糖懸浮液；然后將多糖懸浮液加入酯化試劑中，水浴反應(yīng)2～3 h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，將反應(yīng)液倒入100～200 mL預(yù)冷的蒸餾水中，用2 mol/L的NaOH調(diào)pH7.0；最后，加入4倍體積的無(wú)水乙醇沉淀，靜置12 h后離心，收集沉淀，將沉淀溶于水，對(duì)蒸餾水透析48 h后，冷凍干燥，即得到多糖硫酸酯。Zhao XY等[14]采用此方法制備了銀耳多糖硫酸酯，產(chǎn)物的取代度可達(dá)到1.45。該方法產(chǎn)物收率較好，取代度高，然而由于氯磺酸具有極強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)人體危害較大。

1.3 三氧化硫-吡啶法

三氧化硫-吡啶法[15-16]是利用三氧化硫與有機(jī)堿的復(fù)合物與醇類發(fā)生反應(yīng)制備多糖硫酸酯，適用于酚羥基或具有較強(qiáng)酸性羥基的硫酸酯化。其步驟如下：量取30 mL吡啶加入附有冷凝管和攪拌裝置的100 mL的三頸瓶中，邊攪拌邊加入三氧化硫-吡啶2.5～3.0 g，然后于熱水浴中加熱至90℃，再加入0.5 g多糖，恒溫?cái)嚢?～3 h，冷卻至室溫，反應(yīng)液用4 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH至中性，加入4倍體積的無(wú)水乙醇，析出沉淀，離心，收集沉淀，將沉淀溶于水，透析72 h，冷凍干燥即得多糖硫酸化產(chǎn)物。劉國(guó)慶等[17]采用此方法制備了酵母多糖硫酸酯，硫酸基含量可達(dá)15.1%，取代度達(dá)1.47。該方法不僅制備工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，而且制備的硫酸酯取代度也較高，是近年來(lái)較為常見(jiàn)的多糖硫酸酯的制備方法。

2 硫酸酯化對(duì)多糖分子結(jié)構(gòu)的影響

硫酸酯化對(duì)多糖分子結(jié)構(gòu)的影響主要包括兩方面：一是硫酸酯化過(guò)程中多糖分子鏈發(fā)生降解，形成具有較高活性的中聚糖；另一方面是硫酸基的修飾引起糖鏈分子構(gòu)象發(fā)生變化，從而導(dǎo)致多糖生物活性發(fā)生改變[18]。

2.1 硫酸酯化對(duì)多糖分子量的影響

結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，構(gòu)效關(guān)系的研究為篩選具有特定活性的多糖及進(jìn)行分子修飾提供理論指導(dǎo)。研究結(jié)果表明，硫酸酯化對(duì)多糖分子量的影響較為顯著。韓亮等[19-21]利用高效凝膠色譜對(duì)酸酯化玉米芯木聚糖的分子量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)硫酸酯化后玉米芯木聚糖的平均分子量從30000 u下降至13396 u，而且經(jīng)硫酸酯化后，木聚糖能夠直接抑制纖維蛋白的轉(zhuǎn)化和凝血酶活性，具有良好的抗凝血活性，其抗凝血活性與木聚糖的取代度成正比。由此可以推測(cè)，硫酸酯化可通過(guò)降低多糖的分子量，從而形成具有較高活性的多糖分子片段。

2.2 硫酸酯化對(duì)多糖分子構(gòu)象的影響

沃爾默特[22]認(rèn)為，多糖的羥基被硫酸基取代后，硫酸基之間的排斥作用使糖鏈伸長(zhǎng)，部分硫酸基與羥基形成氫鍵，導(dǎo)致螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，呈有活性的高級(jí)構(gòu)象。因此，硫酸基的數(shù)目和鏈接的位置對(duì)多糖高級(jí)活性構(gòu)象的形成具有重要的作用。Alban等[23]研究了支鏈淀粉硫酸酯的抗凝血活性，結(jié)果顯示直鏈淀粉的抗凝血活性與2，3，4位的葡萄糖單體上是否有硫酸基取代密切相關(guān)。Chaidedgumjorn等[24]也認(rèn)為多糖硫酸酯的抗凝血活性不僅取決于硫酸多糖的構(gòu)型和所含的單糖種類，也取決于硫酸基所在的糖苷鍵位置，若硫酸基團(tuán)連接在（1→3）鍵，則多糖硫酸酯具有抗凝血活性，若連接在（1→4）鍵，則多糖硫酸酯無(wú)抗凝血活性。在對(duì)魷魚墨多糖硫酸酯和殼聚糖硫酸酯的研究中[25-30]，也都發(fā)現(xiàn)硫酸基的位置對(duì)多糖硫酸酯的功能活性具有顯著的影響。

3 硫酸酯化對(duì)多糖功能活性的影響

多糖經(jīng)硫酸基修飾后，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，而分子結(jié)構(gòu)的改變往往導(dǎo)致天然產(chǎn)物的生物活性發(fā)生改變。同樣，硫酸酯化后的多糖也表現(xiàn)出與天然多糖不同的生物活性。

3.1 抗氧化

多糖的抗氧化活性，主要體現(xiàn)在其對(duì)自由基和活性氧的清除作用，一般認(rèn)為這是由于自由基可以?shī)Z取多糖碳?xì)滏溕系臍?，而多糖的羰基部分?jīng)氧化形成過(guò)氧自由基而進(jìn)一步分解[31]。張雅麗等[32]報(bào)道，經(jīng)硫酸酯化后的柿子多糖的還原力和對(duì)DPPH自由基、超氧自由基、羥基自由基的清除能力明顯增強(qiáng)。謝佳等[33]研究也發(fā)現(xiàn)，硫酸酯化南瓜多糖能有效的清除超氧陰離子自由基，而未經(jīng)硫酸酯化的南瓜多糖對(duì)自由基的清除作用不明顯。

3.2 抗病毒

多糖的抗病毒活性主要依賴于多糖分子的空間構(gòu)象[34-35]，而經(jīng)硫酸酯化后，多糖的空間構(gòu)象改變恰好能夠使多糖的抗病毒活性增強(qiáng)。多糖硫酸酯的抗病毒特性，主要體現(xiàn)在其對(duì)HIV的抑制作用，這可能是由于以下兩方面的原因造成的：一是硫酸化多糖與HIV包膜蛋白gP-120相互作用，干擾HIV-1對(duì)宿主細(xì)胞的吸附，抑制病毒進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄復(fù)制；二是硫酸酯化多糖抑制了HIV-1抗原的表達(dá)。我國(guó)學(xué)者王順春、方積年等[36]制備的香菇多糖硫酸酯，經(jīng)美國(guó)國(guó)家癌癥研究中心實(shí)驗(yàn)鑒定表明具有良好的抗HIV活性。此外，Yu Lu等[37]還研究了淫羊藿多糖硫酸酯對(duì)法氏囊病病毒的抑制作用，結(jié)果顯示：與天然淫羊藿多糖相比，經(jīng)硫酸化后淫羊藿多糖能夠顯著增強(qiáng)雞胚胎纖維原細(xì)胞對(duì)法氏囊病病毒的抑制作用。

3.3 抗凝血

多糖硫酸酯的抗凝血活性的主要機(jī)理是多糖硫酸酯結(jié)合抗凝血酶，誘導(dǎo)其改變構(gòu)型而激活抗凝血作用。肝素即為一種非常有效的抗凝血?jiǎng)?。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)與肝素極為相似，具有血液相容性，能夠與抗凝血酶物質(zhì)相結(jié)合，抑制凝血酶和Xa因子活性，具有良好的抗凝血活性。Shelma等[38]對(duì)殼聚糖硫酸酯的血液相容性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)硫酸酯化后殼聚糖的紅血球聚合體和溶血現(xiàn)象都明顯減弱。此外，Costa等[39]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硫酸酯化的海藻多糖也具有抗凝血活性。

3.4 抗腫瘤

多糖的分子構(gòu)型對(duì)其抗腫瘤活性起著至關(guān)重要的作用，其活性成分的結(jié)構(gòu)前提是在多糖骨架鏈上占優(yōu)勢(shì)交替的β-（l-3）糖苷鍵[40]，而且研究結(jié)果表明硫酸酯化能夠使多糖的抗腫瘤活性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。平菇多糖的分子主鏈即為β-（1-3）糖苷鍵，Ho Young Jung等[41]對(duì)其進(jìn)行硫酸酯化后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)硫酸酯化的平菇多糖對(duì)A549癌細(xì)胞的抑制作用明顯增強(qiáng)，在1000 μg/mL時(shí)，抑制率最高可達(dá)到70%，而未經(jīng)修飾的平菇多糖其抑制率僅為30%左右。汲晨鋒等[42]也對(duì)昆布多糖進(jìn)行硫酸酯化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)硫酸酯化的昆布多糖對(duì)人結(jié)腸癌細(xì)胞LOVO的抑制率可達(dá)到65%以上，而未經(jīng)硫酸酯化的昆布多糖對(duì)LOVO細(xì)胞的抑制率低于40%。

4 展望

近年來(lái)，研究人員針對(duì)多糖硫酸酯制備開發(fā)了多種硫酸酯化方法，并對(duì)多糖的功能進(jìn)行了全面的研究，然而由于多糖分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性，因此想要清晰地闡明硫酸酯化對(duì)多糖結(jié)構(gòu)和功能特性的影響，仍然存在一定的困難。但是紅外光譜、超高效液相、核磁共振等最新分析技術(shù)，以及分子模擬技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步深入研究多糖硫酸酯的結(jié)構(gòu)及其與功能相關(guān)性提供了有力的技術(shù)支持。相信隨著對(duì)多糖硫酸酯研究的深入，將對(duì)其的作用機(jī)制有更加深入的了解。

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Research advance in polysaccharides sulfated and its effect on the structure and function activity of polysaccharides

LIU Bo1，YUAN Li-peng1，*，XIONG Bo2，PENG Shu-hui3，LIU Xu-guang1
（1.Tropical Crops Department，Guangdong AIB Polytechnic College，Guangzhou 510507，China；2.Guangdong Provincial Product Quality Supervision and Inspection Institute，Shunde 528300，China；3.Department of Food，Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou 510405，China）

Sulfated is a common method for polysaccharides molecular modification.Through sulfated，the function of polysaccharides can greatly be improved.To provide reference for further research of sulfated polysaccharides，the common methodes for polysaccharides sulfated are overviewed in this article，and the influence of sulfated on the molecular structure and function of activity is also expounded.

sulfated polysaccharides；structure；function

TS201.1

A

1002-0306（2015）22-0372-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.068

2015－03－01

劉波（1980-），女，碩士研究生，講師，研究方向：食品營(yíng)養(yǎng)與安全，E-mail：rainbow719518@126.com。

*通訊作者：袁利鵬（1979-），男，碩士研究生，副教授，研究方向：食品加工與檢測(cè)，E-mail：lipengywillboy@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金（31071518）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAD31B03）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010B080701079）；羊城學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目（10B005D）；廣東省教育廳高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2014145）。