普魯蘭多糖的改性及應(yīng)用研究進展

張振琳,孫夢圓,張忠棟,高 靜

(1燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

普魯蘭多糖為天然可降解大分子聚合物[1-2]，無危害性[3]，容易制作成膜[4]，且具有良好的生物親和性[5]，已在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。普魯蘭多糖是在1938年由Bauer發(fā)現(xiàn)，1958年由Bernier成功從出芽短梗霉的發(fā)酵介質(zhì)中提取出來[7]，1959年，Bender發(fā)現(xiàn)該多糖遇碘并不發(fā)生變色反應(yīng)，并將該多糖命名為pullulan[8]。之后，學(xué)者們對于普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用進行了進一步的研究與探索。1976年，日本就已實現(xiàn)了普魯蘭多糖的商業(yè)化生產(chǎn)[9]，而我國發(fā)展緩慢，需要加快研究步伐，縮短差距，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1 普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)

普魯蘭多糖是一種由出芽短梗霉發(fā)酵所產(chǎn)生的微生物多糖[10]，又稱出芽短梗孢糖、短梗霉多糖、支鏈淀粉，目前普遍認(rèn)為其結(jié)構(gòu)如圖1所示。普魯蘭多糖的化學(xué)式為(C6H10O5)n，分子量在2萬～200萬范圍之間，聚合度為100～5 000，商品常用的分子量在20萬左右，大約由480個麥芽三糖組成。該多糖主要是由α-1,4糖苷鍵連接的麥芽三糖重復(fù)單元，經(jīng)α-1,6糖苷鍵聚合而成的線型多糖[11]，每個葡萄糖單元中含有9個羥基，使其存在大量的分子間氫鍵。但該多糖結(jié)構(gòu)也可能是支化的，且其主鏈含有最多7%的麥芽糖四糖亞基[12]，支鏈含有少量的麥芽糖基或葡萄糖基[13]。其結(jié)構(gòu)中α-1,4和α-1,6糖苷鍵的共存常被認(rèn)為是直鏈淀粉和右旋糖酐結(jié)構(gòu)之間的一種中間體[14]。

圖1 普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pullulan polysaccharides

1.2 普魯蘭多糖的性質(zhì)

普魯蘭多糖是白色的、中性、無味、無嗅、不吸濕、無毒無害的粉末，在250 ℃時開始分解，280 ℃時分解為焦炭，因此具有一定的耐熱性[15-17]。因為普魯蘭多糖特殊的多糖結(jié)構(gòu)，而使其具有許多優(yōu)良的特性。普魯蘭多糖每個葡萄糖單元中含有9個羥基，極易溶于水，與其他水溶性多糖相比，其水溶液穩(wěn)定，黏度較低，且其水溶液黏度不受溫度、pH值和大多數(shù)金屬離子的影響，因此常被用作食品添加劑[18]。普魯蘭多糖易溶于DMSO、DMF、DMA和稀堿溶液，不溶于無水乙醇等其他有機溶劑[19]。普魯蘭多糖具有較高的成膜性[20]、可紡性[21]、黏附性[22]、非免疫原性[23]、非致癌性[24]、非誘變性[25]、生物相容性[26]和可降解性[27]，有一定的機械強度，薄膜透明性好，且具有良好的低透氧性和耐油性[28]，因此其產(chǎn)物在食品加工和包裝、環(huán)境保護、電子、化妝品和生物醫(yī)用等方面具有非常廣闊的應(yīng)用。

2 普魯蘭多糖的改性方法

普魯蘭多糖因其大量的優(yōu)良特性而備受關(guān)注，但在實際應(yīng)用中，仍具有一定的限制。普魯蘭多糖不具有電負(fù)性，親水性強，基本無抗菌特性[29]，形成的薄膜脆性大[30]，所以在實際應(yīng)用時，要加以修飾改性，從而拓展其在食品加工和包裝、環(huán)境保護、電子、化妝品、生物醫(yī)用等方面的應(yīng)用。

2.1 物理改性

物理改性普魯蘭多糖是通過物理共混達(dá)成的，通過摻入其他具有一定特性的組分，來提高普魯蘭多糖的性能，或給予產(chǎn)物新的特性，以擴大普魯蘭多糖的應(yīng)用。

Kowalczy等[31]在普魯蘭多糖溶液中加入明膠和具有抗菌特性的山梨酸鉀，溶液澆鑄成膜后，對薄膜中山梨酸鉀的釋放速率和薄膜的抗菌特性進行了研究。結(jié)果表明，作為堿金屬鹽的山梨酸鉀會提高溶液的pH值，而當(dāng)普魯蘭多糖溶液中引入明膠時，共混的薄膜形成液的pH值降低，這樣更有利于山梨酸鉀發(fā)揮抗菌作用。此外，明膠的加入，會使山梨酸鉀的釋放速率減緩，當(dāng)山梨酸鉀的濃度為2%時，共混的薄膜溶液對交配曲霉、灰葡萄孢、釀酒酵母和檸檬克勒克酵母表現(xiàn)出強烈的抑制作用，從而提高了普魯蘭多糖薄膜的抗菌特性，擴大了普魯蘭多糖在食品包裝和涂層材料中的應(yīng)用前景。

Chu等[32]研究了防腐劑肉桂精油(CEO)和表面活性劑吐溫80的添加對普魯蘭多糖基可食膜的結(jié)構(gòu)、物理性能、抗氧化性能和抗菌性能的影響。結(jié)果表明，在普魯蘭多糖基復(fù)合膜中摻入CEO會降低其拉伸強度、透明度、水含量和水蒸氣滲透性，但會顯著提高其抗氧化性能和抗菌性能。CEO占12%的薄膜表現(xiàn)出最強的抗氧化和抗菌能力。吐溫80的添加，使薄膜中形成了亞微觀膠束，改善了復(fù)合薄膜的穩(wěn)定性并減少了CEO的損失，但降低了復(fù)合膜的透明度和防水性能。

Silva等[33]進行了普魯蘭多糖與作為化學(xué)增強劑的表面活性劑(油酸、聚山梨酯80和丙二醇)混合的研究，制備了負(fù)載藥物丙胺卡因和利多卡因鹽酸鹽的凍干黏膜黏附口腔分散片。結(jié)果表明，普魯蘭多糖與表面活性劑之間存在明顯的協(xié)同作用，普魯蘭多糖與滲透促進劑一起顯著提升了黏膜黏附的作用，顯著改善了局部麻醉藥在豬上皮表面的滲透。這種新穎的藥物輸送平臺可能會應(yīng)用在牙科領(lǐng)域，從而能夠在常規(guī)和微創(chuàng)牙科手術(shù)中更換注射麻醉的方法，擴大了普魯蘭多糖在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用。

Liu等[34]研究了納米TiO2對支鏈淀粉膜的微觀結(jié)構(gòu)、物理性能、機械性能和光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，納米TiO2的添加改善了膜的水蒸氣阻隔性能、機械性能和對紫外線的膜阻隔性能，擴大了普魯蘭多糖在食品包裝中的應(yīng)用。

總體來說，當(dāng)普魯蘭多糖與其他物質(zhì)共混時，可能會與加入物之間產(chǎn)生分子間相互作用，比如：氫鍵和其他協(xié)同作用等，進而影響產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，改變普魯蘭多糖的性能。同時也會結(jié)合共混物的特性，提高產(chǎn)品的綜合性能?，F(xiàn)已有大量的對普魯蘭多糖進行物理改性的研究，提高了普魯蘭多糖的疏水性[35]、抗菌性[36]、抗氧化性[36]、緩釋藥性、機械性能和膜的韌性等，增強了普魯蘭多糖的實際應(yīng)用，使普魯蘭多糖可以廣泛地應(yīng)用在生活中，從而節(jié)約了地球的有限資源，保護了地球的生態(tài)環(huán)境。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性普魯蘭多糖，是通過化學(xué)反應(yīng)改變普魯蘭多糖的官能團或引入新的官能團及特殊結(jié)構(gòu)，改善其性能，如加強普魯蘭多糖的電負(fù)性、抗菌性、疏水性、化學(xué)活性、光響應(yīng)性、溫敏性、pH響應(yīng)性等，擴大其應(yīng)用范圍。常用的化學(xué)改性普魯蘭多糖的方法有酯化、胺化、季銨化、醚化、硫酸化、硫醇化、氧化、疊氮化、共聚交聯(lián)等。

2.2.1酯化

Lee and Na[37]通過酯化反應(yīng)將油酸和二氫卟吩e6接枝到普魯蘭多糖上，即普魯蘭多糖中的羥基與油酸和二氫卟吩e6中的羧基發(fā)生反應(yīng)，使普魯蘭多糖結(jié)合油酸的親脂性與二氫卟吩e6的光敏性，用于光動力靶向治療轉(zhuǎn)移性癌癥。此研究利用結(jié)腸癌、乳腺癌和肺癌細(xì)胞系證實了產(chǎn)物普魯蘭多糖-油酸-二氫卟吩e6與癌細(xì)胞的相互作用和檢測效力，在激光照射下，癌細(xì)胞處積累的普魯蘭多糖-油酸-二氫卟吩e6可產(chǎn)生單線態(tài)氧，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死。因此，證明了油酸結(jié)合聚合光敏劑是一種潛在的靶向光動力治療轉(zhuǎn)移性癌癥的方法。

Niu等[38]用普魯蘭多糖和不同的羧酸酐(乙酸酐、丙酸酐和丁酸酐)反應(yīng)，合成了具有不同取代度的普魯蘭多糖乙酸酯、普魯蘭多糖丙酸酯和普魯蘭多糖丁酸酯，具體反應(yīng)過程如圖2，通過溶液澆鑄法獲得了普魯蘭多糖酯膜，研究了水蒸氣透過率、氧氣透過率、表面疏水性、顏色和機械性能。結(jié)果顯示，純普魯蘭多糖膜的水蒸氣透過率值高于普魯蘭多糖酯制備的膜。用普魯蘭多糖酯薄膜包裝的草莓減重率顯著降低，保持了草莓的硬度，延長了草莓的貨架壽命。

圖2 普魯蘭多糖與羧酸酐的酯化反應(yīng)Fig.2 Esterification of pullulan with carboxylic anhydride

Jia等[39]通過酯化反應(yīng)將4-氯丁酰氯接枝到普魯蘭多糖上，得到氯化普魯蘭多糖，然后硬脂酸哌啶酯與氯化普魯蘭多糖發(fā)生氮氧化物自由基偶聯(lián)反應(yīng)，得到兩親性聚合物，能夠與疏水性藥物(DOX)自組裝成納米級遞送載體，合成路線如圖3。

圖3 普魯蘭多糖與4-氯丁酰氯的酯化反應(yīng)Fig.3 Esterification of pullulan polysaccharides with 4-chloroprene chloride

研究表明，所提出的基于普魯蘭多糖的遞送納米顆粒具有出色的生物相容性，并且具有超聲刺激藥物釋放的特性。

Miura等[40]開發(fā)了一種直徑小于10 nm含膽固醇的普魯蘭多糖(CHP)自組裝納米凝膠，并進一步進行了羧基取代，即普魯蘭多糖與琥珀酸酐反應(yīng)，制備成了陰離子型的納米凝膠疫苗。結(jié)果表明，CHPCOOH納米凝膠疫苗能夠有效激活免疫系統(tǒng)并產(chǎn)生抗體，尤其是細(xì)胞免疫，CHPCOOH納米凝膠疫苗能夠在體內(nèi)靶向呈遞抗原細(xì)胞，并顯示出非常強的細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞活化作用，因此認(rèn)為，CHPCOOH納米凝膠有潛力成為一種新型的治療性癌癥疫苗，其活性可以擴大免疫治療的范圍。

2.2.2胺化

Zhang等[41]報道了以精胺修飾的普魯蘭多糖作為聚陽離子模型，結(jié)構(gòu)如圖4。精胺修飾的普魯蘭多糖與血清蛋白的高比值，導(dǎo)致了較大的多復(fù)合體的形成，從而促進了細(xì)胞攝取，增強了溶酶體逸出，提高了RNAi(核糖核酸干擾，是指在進化過程中高度保守的、由雙鏈核糖核酸誘發(fā)的、同源信使核糖核酸高效特異性降解的現(xiàn)象)效率。另外，由于精胺修飾的普魯蘭多糖與血清蛋白的比值升高，游離的精胺修飾的普魯蘭多糖的補充也使RNA(核糖核酸)轉(zhuǎn)染得到增強。這些結(jié)果表明，在含血清的培養(yǎng)基中，通過調(diào)整多聚體中氮磷比，可以更有效地調(diào)節(jié)多聚體的RNAi效率。

圖4 精胺修飾的普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of pullulan modified by spermine

Song等[42]研究了以CDI為活化試劑，普魯蘭多糖與乙二胺反應(yīng)，從而得到胺化普魯蘭多糖，如圖5，并且進一步制備了金納米棒和胺化普魯蘭多糖的納米復(fù)合材料。實驗證明，此納米復(fù)合材料可靶向治療癌癥，且其具有特異的光熱響應(yīng)性，在一定時間內(nèi)，可通過施加不同的光強或熱量，調(diào)節(jié)金納米棒的釋放量，進而進行不同強度的治療。

圖5 胺化普魯蘭多糖的制備Fig.5 Preparation of aminated pullulan

2.2.3季銨化

Moraes等[43]通過添加反應(yīng)性的縮水甘油三甲基氯化銨(GTMAC)，將季銨鹽基團與普魯蘭主鏈相連，進而合成陽離子普魯蘭多糖衍生物，如圖6，使其能夠在靜電相互作用的驅(qū)動下與miRNAs(一種21～25 nt長的小分子核糖核酸，可作用于特定基因，阻遏翻譯)形成復(fù)合物，烷基化的普魯蘭多糖能夠與miRNA相互作用并形成穩(wěn)定的多聚體。Moraes等是通過瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度法確認(rèn)了miRNA的存在。用高達(dá)200 μg/mL的納米復(fù)合物孵育人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞1天后，進行了體外測試，結(jié)果顯示無任何細(xì)胞毒性。用熒光標(biāo)記的miRNA的熒光顯微鏡圖像可證明，季銨化普魯蘭多糖能夠促進miRNA在細(xì)胞內(nèi)的傳遞。結(jié)果證明，使用普魯蘭多糖的陽離子衍生物和miRNA形成多聚體，為在水性介質(zhì)中生產(chǎn)多糖納米顆粒提供了一種簡便而通用的方法，并且可能會用于基因傳遞。

圖6 陽離子普魯蘭多糖衍生物的制備過程Fig.6 Preparation of cationic pullulan derivatives

2.2.4醚化

Meo等[44]研究了一種新的納米水凝膠，該納米水凝膠是基于疏水的熒光分子核黃素四丁酸酯修飾的多糖，具有應(yīng)用于藥物輸送的潛力。分別選擇透明質(zhì)酸和普魯蘭多糖作為陰離子和中性多糖的代表，并將核黃素四丁酸酯的溴己基衍生物化學(xué)連接到這些聚合物鏈上(如圖7)，由于這種衍生作用，聚合物鏈能夠在水性環(huán)境中自組裝，從而形成透明質(zhì)酸和普魯蘭多糖分別具有約312 nm和210 nm的平均直徑的納米水凝膠。這些新的納米水凝膠顯示出低的多分散指數(shù)和負(fù)電勢。此外，納米水凝膠可輕松裝載模型藥物，在水和生理條件下顯示出長期穩(wěn)定性，并具有出色的細(xì)胞相容性。

圖7 普魯蘭多糖與核黃素四丁酸酯的溴己基衍生物的醚化反應(yīng)Fig.7 Etherification of pullulan and the bromohexyl derivative of riboflavin tetrabutyl ester

2.2.5硫酸化

Dionísio等[45]對中性多糖普魯蘭多糖進行了化學(xué)修飾，獲得了帶電荷的衍生物：與SO3反應(yīng)，DMF為絡(luò)合物，生成了硫酸鹽衍生物(SP)，如圖8。硫酸鹽衍生物會相互凝聚，形成具有結(jié)合模型蛋白(BSA)能力的納米顆粒，并顯示出足夠的尺寸用于藥物輸送，因此具有藥物輸送時作為納米載體的潛力。

圖8 普魯蘭硫酸鹽衍生物(SP)的制備Fig.8 Preparation of sulphate derivatives of pullulan (SP)

Mihai等[46]報道了與有機堿配合使用的普魯蘭多糖硫酸鹽衍生物的研究，并探討了使用的配合物和反應(yīng)溫度對普魯蘭多糖硫酸化產(chǎn)生影響。結(jié)果顯示，SO3·DMF配合物在較低溫度下更具反應(yīng)性。在較高溫度下，取代度不會顯著增加，但會發(fā)生鏈斷裂；SO3·Py(吡啶)配合物更穩(wěn)定，因此在較低溫度下反應(yīng)性較低；隨著溫度的升高，取代度升高，但在大約80 ℃時，大分子鏈會發(fā)生脫水，并形成凝膠狀聚合物。兩種方法獲得的相同取代度的產(chǎn)品，具有不同的黏度行為，用SO3·DMF配合物獲得的產(chǎn)品黏度低于使用SO3·Py配合物獲得的產(chǎn)品黏度，這是因為，在均質(zhì)(DMF-普魯蘭多糖的溶劑)和非均質(zhì)介質(zhì)中(因為Py僅使普魯蘭多糖骨架膨脹)，聚合物鏈上的取代基分布不均，進而得到不同的黏度行為。

2.2.6硫醇化

Leonaviciute等[47]合成了可用于黏膜黏附的硫醇化普魯蘭多糖，使用了兩種合成途徑：溴化親核取代(如圖9)和高碘酸鹽裂解的還原胺化(如圖10)，而后將接枝率最高的硫醇化普魯蘭多糖(普魯蘭多糖-半胱胺)與6-巰基煙酰胺反應(yīng)(6,6-DTNA)，如圖11，并通過NMR分析證實其在普魯蘭多糖結(jié)構(gòu)中的存在。比較這兩種方法，還原胺化具有較高偶聯(lián)速率。對于硫醇化的聚合物，在旋轉(zhuǎn)圓柱體上的黏附時間最多可延長46倍，對于預(yù)活化的聚合物，可延長至75倍。對于經(jīng)過修飾的普魯蘭多糖樣品流變學(xué)測量顯示，在60 min內(nèi)添加黏液后，動態(tài)黏度增加了98倍和160倍，而未修飾的支鏈淀粉完全沒有顯示出黏度增加。此外，實驗顯示，兩種衍生物對人結(jié)腸癌細(xì)胞活力的影響均較小。從而得出結(jié)論：預(yù)活化的硫醇化普魯蘭多糖是一種有應(yīng)用前景的黏膜黏附聚合物，可開發(fā)用于黏膜藥物遞送系統(tǒng)。

圖9 普魯蘭多糖-硫脲共軛物的合成Fig.9 Synthesis of pullulan-thiourea conjugate

圖10 普魯蘭多糖-半胱胺偶聯(lián)物的合成Fig.10 Synthesis of pullulan-cysteamine conjugates

圖11 普魯蘭多糖-半胱胺偶聯(lián)物與6-巰基煙酰胺偶聯(lián)的示意圖Fig.11 Schematic diagram of pullulan-cysteamine conjugated with 6-mercapto nicotinamide

2.2.7氧化

Zhang等[48]通過高碘酸鹽氧化法制備了不同醛含量的二醛普魯蘭多糖，并用二醛普魯蘭多糖作為交聯(lián)劑制備了明膠水凝膠，如圖12。作者發(fā)現(xiàn)可以通過改變水相的pH值來改變?nèi)┖?。在pH=4.0條件下得到最高的氧化率和二醛基含量。并且二醛普魯蘭多糖的添加顯著改善了明膠水凝膠的機械性能，擴展了水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

圖12 高碘酸鹽氧化普魯蘭多糖Fig.12 Periodate oxidized pullulan

Bercea等[49]用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基、NaBr和次氯酸鈉溶液氧化了普魯蘭多糖(如圖13)，并進一步制備了聚乙烯醇(PVA)和氧化普魯蘭多糖(OxP)的自愈合復(fù)合水凝膠。由于存在-COOH基團，氧化普魯蘭多糖大分子與PVA具有強的相互作用，使此復(fù)合水凝膠具有良好的自愈合能力。通過冷凍/解凍過程可使PVA形成三維網(wǎng)絡(luò)，此體系優(yōu)點是凝膠形成過程中避免了任何交聯(lián)劑的使用，并且3次冷凍/解凍循環(huán)即可使PVA形成三維網(wǎng)絡(luò)。此外，PVA/OxP水凝膠不會釋放細(xì)胞毒性化合物，具有生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。

圖13 氧化普魯蘭多糖的制備過程Fig.13 Preparation process of oxidized pullulan

2.2.8點擊反應(yīng)

Diget等[50]先使普魯蘭多糖與縮水甘油炔丙基醚反應(yīng)，通過開環(huán)醚化作用，使炔基官能團接枝到普魯蘭多糖主鏈上，然后得到的普魯蘭多糖衍生物與疊氮化環(huán)糊精通過點擊反應(yīng)，最終得到環(huán)糊精修飾的普魯蘭多糖，并通過相同的反應(yīng)制備金剛烷改性的葡聚糖，如圖14所示。進行表征發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精修飾的普魯蘭多糖和金剛烷修飾的葡聚糖之間的主體-客體具有相互作用，而產(chǎn)生了納米顆粒，球形顆粒粒徑在100 nm以下。同時，環(huán)糊精修飾的普魯蘭多糖的新型納米顆粒(尺寸為70～100 nm)有望成為靶向藥物的載體。

圖14 環(huán)糊精-g-普魯蘭多糖的合成Fig.14 Synthesis of cyclodextrin-g-pullulan

Zhou等[51]用疊氮化鈉和普魯蘭多糖反應(yīng)，生成了疊氮化普魯蘭多糖，然后疊氮化普魯蘭多糖通過點擊反應(yīng)，進一步與含炔基團第3代聚(L-賴氨酸)樹枝狀分子反應(yīng)，最后胍基化得到陽離子胍修飾的具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的普魯蘭多糖(OGG3P)，如圖15。所獲得的OGG3P可有效地將脫氧核糖核酸壓縮成具有適當(dāng)大小的正表面電荷球形納米復(fù)合物，從而使其能夠進入細(xì)胞并確保成功地傳遞基因。OGG3P在人的宮頸腺癌細(xì)胞和人的胚胎腎293T細(xì)胞中表現(xiàn)出高的基因轉(zhuǎn)染特性，通過載體對細(xì)胞的內(nèi)活化，引起了單線態(tài)氧的產(chǎn)生，展現(xiàn)了明顯的細(xì)胞毒性。研究結(jié)果表明，這種用胍修飾的樹枝狀普魯蘭多糖可以作為可靠的基因傳遞納米平臺，來實現(xiàn)基因傳遞治療。

圖15 具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的普魯蘭多糖(OGG3P)的制備過程Fig.15 Preparation of pullulan(OGG3P) with dendritic structure

2.2.9共聚交聯(lián)

Saeaeh等[52]以三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑，制備了普魯蘭多糖水凝膠，如圖16，同時加入了多壁碳納米管(MWCNT)，制備了普魯蘭多糖復(fù)合水凝膠，并研究了其在施加電場下的機電性能和撓度響應(yīng)。結(jié)果表明，添加MWCNT對于改善電活性響應(yīng)非常有效。

圖16 普魯蘭多糖水凝膠的制備過程Fig.16 Preparation of pullulan hydrogel

Askarian等[53]合成了胺型樹枝狀聚合物(PAMAM)-普魯蘭多糖偶聯(lián)物，如圖17，并研究了其將基因傳遞到肝細(xì)胞中的靶向活性。結(jié)果表明，產(chǎn)物結(jié)合了普魯蘭多糖的生物相容性、生物降解性和肝細(xì)胞靶向性，與PAMAM的基因凝聚能力、緩沖能力和內(nèi)溶酶體逃逸特性，得到了無毒的、靶向的基因傳遞載體。此偶聯(lián)物也有可能用于藥物傳遞。

圖17 (PAMAM)-普魯蘭多糖偶聯(lián)物的合成Fig.17 Synthesis of (PAMAM)-pullulan conjugate

Willersinn等[54]以半胱氨酸為交聯(lián)劑，制備了普魯蘭多糖-b-聚(N-乙烯基吡咯烷酮)組成的雙親水嵌段共聚物，并進行了自組裝。文中證明，氧化的自組裝顆粒可通過雙官能團交聯(lián)劑半胱氨酸進行交聯(lián)，形成具有醛基的動態(tài)共價亞胺鍵。此外，可以通過酸處理或還原劑的使用來使交聯(lián)鍵斷裂，具有用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛力。

Han等[55]用CDI為活化劑，含水的二甲基亞砜為溶劑，合成了普魯蘭多糖和明膠(GEL)的化學(xué)交聯(lián)凝膠，如圖18。結(jié)果表明，與常規(guī)無水DMSO相比，這種情況下反應(yīng)進行得更快，得到的凝膠具有更強的機械強度。此工作擴大了多糖和含胺/羥基/羧基的蛋白質(zhì)合成新凝膠的可能，具有應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。

圖18 普魯蘭多糖和明膠的化學(xué)交聯(lián)凝膠的制備Fig.18 Preparation of chemical cross-linking gels of pullulan and gelatin

Hezarkhani等[56]以過硫酸銨為引發(fā)劑，將N-乙烯基咪唑(NVI)接枝共聚到普魯蘭多糖上，獲得了新的陽離子普魯蘭多糖衍生物，如圖19，產(chǎn)物與三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉溶液混合后，生成了絡(luò)合物，產(chǎn)物具有陽離子特性。結(jié)果表明，得到的接枝共聚物是水溶性的，具有潛在的生物醫(yī)學(xué)用途。

圖19 N-乙烯基咪唑(NVI)接枝共聚到普魯蘭多糖上的合成過程Fig.19 Synthesis of N-vinyl imidazole (NVI) grafted onto pullulan

Carvalho等[57]合成了新型兩親性普魯蘭多糖-g-聚(ε-己內(nèi)酯)(Pull-g-PCL)的接枝共聚物。第一步，用2-溴丙酰溴對普魯蘭多糖進行化學(xué)修飾，得到溴化普魯蘭多糖(PullBr)；然后，將該前體用疊氮化鈉改性，得到疊氮化普魯蘭多糖(PullN3);最后疊氮化普魯蘭多糖通過銅[Cu(I)]催化的點擊化學(xué)反應(yīng)，得到Pull-g-PCL產(chǎn)物，如圖20。研究表明，Pull-g-PCL具有兩親性、可生物降解性和自組裝性等，有應(yīng)用于藥物傳遞系統(tǒng)的潛力。

圖20 Pull-g-PCL的制備過程Fig.20 Preparation of Pull-g-PCL

2.2.10其他

Sheng等[58]通過Maillard反應(yīng)合成了卵清蛋白-普魯蘭多糖共軛物，研究了Maillard反應(yīng)是否能增強卵清蛋白的發(fā)泡性能。與天然卵清蛋白和加熱卵清蛋白相比，卵清蛋白-普魯蘭多糖共軛物泡沫顯示出更小、更均勻的特點，且其泡沫大小隨時間增大速率最慢，如圖21。證明Maillard反應(yīng)可增強卵清蛋白的發(fā)泡性能。

圖21 天然卵清蛋白、加熱卵清蛋白和卵清蛋白-普魯蘭多糖共軛物的發(fā)泡性能Fig.21 Foaming properties of natural ovalbumin, heated ovalbumin and ovalbumin-pululan conjugate

Raj等[59]通過將丙烯酰胺接枝到普魯蘭多糖上的方法，開發(fā)出具有pH響應(yīng)、速率可控的聚合物。該研究利用自由基誘導(dǎo)微波輔助輻照技術(shù)，以硝酸鈰銨作為自由基誘導(dǎo)劑而合成，得到的接枝聚合物是生物相容并可生物降解。毒性研究表明其在口服藥物遞送系統(tǒng)中可安全使用。制成片劑表征后發(fā)現(xiàn)，此接枝聚合物對pH敏感，有穩(wěn)定的控釋行為。因此，可以制作為pH響應(yīng)型速率可控的生物材料。

綜上所述，普魯蘭多糖在食品、醫(yī)藥和環(huán)境等方面，有著非常廣泛的應(yīng)用。但普魯蘭多糖本身具有機械性能差、成本高、抗菌性能差、疏水性差等缺點，因此，通過物理改性或化學(xué)改性提高其機械強度、降低成本、引入疏水性、抗菌性、溫敏性、光響應(yīng)性、pH響應(yīng)性及其他各種特定響應(yīng)性能等，可極大地擴大這種天然綠色多糖的多種應(yīng)用。但關(guān)于普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)與改性后的結(jié)構(gòu)，仍未探究清晰。普魯蘭多糖及其衍生物可制備成薄膜、納米顆粒、微粒、水凝膠和電紡絲纖維等，進一步擴大了其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，綠色化學(xué)備受關(guān)注，普魯蘭多糖及其他天然聚合物仍有許多新的應(yīng)用前景未被發(fā)現(xiàn)，值得研究人員進一步研究探索其不同的改性方法，從而擴大天然聚合物的應(yīng)用。

3 普魯蘭多糖及其衍生物的應(yīng)用研究及進展

3.1 食品加工和包裝

普魯蘭多糖是一種綠色可食用的天然多糖，具有許多可在食品中應(yīng)用的優(yōu)良特性，已被批準(zhǔn)在食品添加劑中使用。近年來，對于普魯蘭多糖在食品中的應(yīng)用也有著日新月異的變化。

3.1.1食品添加劑

Seethu等[60]采用靜電紡絲技術(shù)，以50∶50的比例使用乳清分離蛋白和普魯蘭多糖，作為壁材料，對白藜蘆醇進行納米囊封,實現(xiàn)了白藜蘆醇更高的包封效率。結(jié)果表明，電紡絲后白藜蘆醇的結(jié)構(gòu)和抗氧化性能沒有發(fā)生變化，且具有更高的穩(wěn)定性。負(fù)載白藜蘆醇的納米纖維可增強牛奶的抗氧化性能，且不會影響其固有的理化和感官特性。

Chen等[61]研究了普魯蘭多糖的加入，對天然玉米淀粉油炸過程中的吸油性能和結(jié)構(gòu)變化的影響。結(jié)果表明，普魯蘭多糖的添加顯著降低了油炸淀粉樣品中的油含量，且天然玉米淀粉顆粒的顆粒形態(tài)沒有發(fā)生改變。結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，普魯蘭多糖的存在抑制了淀粉糊化，從而導(dǎo)致淀粉粒的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)更有序，進而抑制了油分子的滲透。這對于開發(fā)含油量較低的健康油炸淀粉食品很有用。

Chen等[62]研究了普魯蘭多糖和陰離子多糖(果膠)對油炸馬鈴薯淀粉的結(jié)構(gòu)變化、糊化特性和消化率的影響。結(jié)果表明，普魯蘭多糖和果膠都抑制了油炸過程中淀粉顆粒的溶脹和糊化，增加了油炸后保留在淀粉顆粒中的結(jié)構(gòu)組織，降低了酶水解，因為消化酶不能輕易地滲透到較稠密的淀粉顆粒中，使其緩慢消化。同時，普魯蘭多糖的添加降低了淀粉糊的黏度。這項研究對于設(shè)計具有較低消化率的健康油炸淀粉食品具有重要意義。

Jiang等[63]研究了在-18 ℃冷凍下，普魯蘭多糖對草魚肌原纖維蛋白，在30天保存期間內(nèi)蛋白變性的影響。將一定量的普魯蘭多糖或商品級防凍劑與一定量的草魚肌原纖維蛋白共混，并冷凍保存監(jiān)測表征。與對照組相比，在-18 ℃冷凍保存期間，普魯蘭多糖的添加增加了肌原纖維蛋白中未冷凍的水和巰基含量，并提升了肌原纖維蛋白的溶解度和Ca2+-腺苷焦磷酸酶活性。普魯蘭多糖的添加抑制了草魚肌原纖維蛋白在冷藏過程中的變性，且其冷凍保護效率要高于商業(yè)冷凍保護劑，所以，普魯蘭可作為一種優(yōu)良的淡水魚蛋白冷凍保護劑。

Soto等[64]通過靜電紡絲法制備了負(fù)載乳鏈菌肽的普魯蘭多糖納米纖維，在pH=3.4和6.1下評估了乳鏈菌肽的釋放動力學(xué)，并在蘋果汁和新鮮奶酪中評估了靜電紡絲墊的抗菌效果。結(jié)果表明，在pH=3.4和6.1下，12 h后，平均直徑為120 nm的負(fù)載乳鏈菌肽的普魯蘭多糖納米纖維分別可達(dá)到81.49%和43.85%的乳鏈菌肽的釋放。將負(fù)載乳鏈菌肽的普魯蘭多糖納米纖維接種于含有鼠傷寒沙門氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和腸系膜乳酸桿菌的蘋果汁和新鮮奶酪中一定時間后，測定其具有完全的殺菌活性，所以，負(fù)載乳鏈菌肽的普魯蘭多糖納米纖維可顯著減少細(xì)菌種群，可用于食品中，以確保微生物安全。

普魯蘭多糖及其衍生物在食品添加劑中的應(yīng)用，除了可作為牛奶強化劑、淀粉替代物、冷凍保護劑和果汁奶酪抗菌劑外，還有許多應(yīng)用領(lǐng)域。比如，可以用作飲料和調(diào)味料的低黏度填充劑[65]，食品糊、乳劑和蛋黃醬的穩(wěn)定劑[66]，糖漿[67]、醬油、湯和飲料的強化劑，食用的低熱量人造米、人造面和烘烤食品等的替代物[68-69]，冰淇淋和冷凍食品的防腐劑[70-71]，魚糕、豆腐、醬油、調(diào)味品、咸菜和魚蝦等的食品品質(zhì)改良劑和增稠劑等[9]。同時，因為普魯蘭多糖是水溶性的天然多糖，不會被體內(nèi)的酶消化，會直接被排出體外，所以可用在三高患者、肥胖癥患者和糖尿病患者等特殊人群的食品中，也可作為保健食品[72]。

3.1.2食品包裝薄膜和涂層

Lee等[73]采用溶液澆鑄法制備了普魯蘭多糖/銀納米粒子與果膠的生物聚合物基活性納米復(fù)合膜。結(jié)果表明，普魯蘭多糖/銀納米粒子與果膠的共混提高了納米復(fù)合膜的光學(xué)性能、水蒸氣阻隔性能、含水率、水接觸角和力學(xué)性能。普魯蘭多糖/銀納米粒子和普魯蘭多糖/銀納米粒子/果膠納米復(fù)合膜具有強大的抗菌活性，增強了其在活性食品包裝方面應(yīng)用的潛力。可在食品存儲過程中，延長食品的貨架期，提高食品的質(zhì)量。

Niu等[38]采用溶液澆鑄法制備了普魯蘭多糖酯薄膜。與天然普魯蘭多糖相比，所有的普魯蘭多糖酯薄膜都表現(xiàn)出較低的拉伸強度、較高的水蒸氣阻隔性能和氧氣阻隔性能。用普魯蘭多糖酯薄膜包裹草莓，草莓的減重率顯著降低，保持了草莓的硬度，延緩了果實的成熟和衰老，可作為一種有效的食用保護層，延長其貨架期，如圖22。

圖22 普魯蘭酯薄膜的草莓保鮮Fig.22 Strawberry fresh-keeping with pullulan film

Guo等[74]利用靜電紡絲技術(shù)開發(fā)了一種新型的智能雙層纖維墊，一層是普魯蘭多糖和紫薯提取物(PL-PSPE)，另一層是玉米蛋白-甘油-香芹酚(ZN-GL-CA)，用于豬肉新鮮度的監(jiān)測和保鮮。比色反應(yīng)和抗菌活性分別依賴于PL-PSPE和ZN-GL-CA，而抗氧化活性則歸因于兩者。結(jié)果表明，此產(chǎn)物具有可逆和高敏感性的顏色變化，還具有良好的抗菌和抗氧化活性，可以在25 ℃時將豬肉的貨架期延長24 h，如圖23，在食品新鮮度監(jiān)測和保鮮方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖23 智能雙層纖維墊的豬肉新鮮度監(jiān)測Fig.23 Pork freshness monitoring with smart double-layer fiber mat

Esposito等[75]用乙醇水溶液萃取的方法，提取了板栗刺針和烤榛子皮中具有抗氧化和抗菌等生物活性的物質(zhì)，并與普魯蘭多糖混合，通過溶液澆鑄成膜的方法，制備了可用于食品包裝的柔性膜。結(jié)果表明，這些薄膜除了具有良好的抗氧化和抗菌活性外，也具有良好的熱穩(wěn)定性、機械性能、紫外線阻隔性能，可用于開發(fā)環(huán)保的食品包裝薄膜。

Introzzi等[76]以普魯蘭多糖為基料，制備了具有優(yōu)異防霧性能的新型涂料。結(jié)果表明，與兩種常用的防霧膜(PET/ink/tie/LDPE編碼為AFa和LDPE/EVOH/LDPE編碼為AFb)相比，普魯蘭多糖的親水作用使塑料薄膜表面的水可均勻沉積，如圖24，解決了用于食品包裝應(yīng)用的塑料薄膜上成霧的問題。因此，普魯蘭多糖涂料在環(huán)保型抗霧添加劑中，具有非常大的應(yīng)用潛力。

圖24 防霧檢測Fig.24 Anti-fog detection

普魯蘭多糖及其衍生物在食品包裝薄膜和涂層應(yīng)用中，可用作堅果、種子、面條、糖果、蔬菜、水果和肉類等各種食物的包裝材料[77]，可達(dá)到保鮮和防霧等作用。

3.2 環(huán)境保護

隨著全球水資源短缺和水污染的日益加重，水處理技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，普魯蘭多糖因其無嗅、無毒、無害、可降解和資源豐富等特點，而被廣泛研究其在水的吸附劑和絮凝劑當(dāng)中的使用。

Richa等[78]通過化學(xué)交聯(lián)的方法合成了新型結(jié)冷膠-普魯蘭多糖復(fù)合納米凝膠，并評估了這種新型復(fù)合納米凝膠通過有效吸附陽離子染料，改善水資源的能力。以亞甲基藍(lán)為陽離子染料模型，研究了吸附過程中的動力學(xué)和熱力學(xué)過程。結(jié)果表明，結(jié)冷膠-普魯蘭多糖復(fù)合納米凝膠與天然結(jié)冷膠納米凝膠相比具有更好的吸附能力，具有應(yīng)用于水凈化的潛力。

Zeng等[79]設(shè)計了一種基于普魯蘭多糖和聚多巴胺的新型水凝膠生物吸附劑，用于從水溶液中去除重金屬離子。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)預(yù)凝膠溶液中的聚多巴胺濃度，可以很好地控制吸附劑的機械強度、孔徑、吸水率和保留性能，而且這些水凝膠對重金屬離子Cu2+、Co2+和Ni2+具有優(yōu)異的吸附能力，并且與擬二級動力學(xué)模型和Freundlich等溫模型可以很好地匹配。總體而言，這些水凝膠具有可調(diào)節(jié)的理化特性以及對重金屬離子的高吸收能力，具有從水溶液中去除污染物的潛力。

Su等[80]以普魯蘭多糖為原料，通過與雙甘油酯的化學(xué)交聯(lián)，合成了一系列多糖凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，增加鏈長會使凝膠的孔隙更小，機械強度更強。進一步加入蒙脫石，制備了蒙脫石納米復(fù)合水凝膠。蒙脫石的加入降低了凝膠的溶脹，增加了凝膠的強度。結(jié)果表明，得到的納米復(fù)合體系對紫藥水具有良好的吸附性能，更符合擬二階動力學(xué)模型和Langmuir等溫線模型。所得到的普魯蘭多糖構(gòu)建的納米復(fù)合水凝膠可用于去除水性介質(zhì)中的染料。

Ghimici等[81]合成了陽離子普魯蘭多糖衍生物，并研究了其作為絮凝劑在工業(yè)廢水中分離新型有機磷類農(nóng)藥、波爾多合劑和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥中的應(yīng)用。結(jié)果表明，在新型有機磷類農(nóng)藥、波爾多合劑中，存在很強的農(nóng)藥顆粒和聚陽離子之間的相互作用(最大農(nóng)藥去除率在90%到98%之間)，擬除蟲菊酯類農(nóng)藥去除效果良好(約80%)。Zeta電位測定表明，電荷中和是去除這些農(nóng)藥的常用絮凝機制。此外，聚合體的酰胺或叔胺基對銅離子的氫鍵和螯合作用，對農(nóng)藥的去除有顯著的貢獻(xiàn)。

Ye等[82]在連續(xù)固定床色譜柱中研究了氟化物在氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠上的吸附，為氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠的商業(yè)應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。與中性pH值相比，氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠在酸性和堿性環(huán)境中的脫氟能力有所提高，且處理水中的鎂濃度非常低，因此氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠對飲用水處理是安全的，增加了該技術(shù)的技術(shù)可行性。通過煅燒可以有效地實現(xiàn)載有氟化物的氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠的再生?？傊?，氧化鎂-普魯蘭多糖水凝膠是一種安全有效的吸附劑，可用于工廠規(guī)模的飲用水脫氟。

普魯蘭多糖及其衍生物常被用作水處理的吸附劑和絮凝劑，用來去除水中重金屬離子、染料和農(nóng)藥等。目前，發(fā)達(dá)國家在利用普魯蘭多糖進行高濁度水污染處理和城市水污染處理方面，已經(jīng)形成了完整的工藝與技術(shù)，并進行了實際應(yīng)用。我國雖發(fā)展較緩，但已完成了城市污水處理及凈化的相關(guān)工藝與技術(shù)，還需要進一步發(fā)展。

3.3 電子

為了節(jié)約不可再生資源、保護環(huán)境，綠色可再生和可持續(xù)發(fā)展能源向電能轉(zhuǎn)化的研究受到了廣大關(guān)注。普魯蘭多糖因其優(yōu)良特性，而受到了在電子方向的廣泛研究。

Lee等[83]將聚偏二氟乙烯、結(jié)冷膠(Gell)和普魯蘭多糖(Pull)改性的結(jié)冷膠作為黏合劑引入到了硅電極中，并研究了使用不同黏合劑制成的電池的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，與Si-Gell/Pull相比，Si-Gell電池的循環(huán)性能較差。使用普魯蘭多糖進行修飾，材料產(chǎn)生了彈性機械特性，從而使Si-Gell/Pull電極顯示出均勻的表面形態(tài)，沒有任何裂紋。含有Gell/Pull黏合劑的電極顯示出增強的電化學(xué)性能，并且減輕了鋰化/去鋰化時Si納米顆粒的體積膨脹。

Kim Dohyoung等[84]以聚丙烯酸與氰乙基普魯蘭多糖(結(jié)構(gòu)如圖25)交聯(lián)的復(fù)合材料作為鈉離子電池銻陽極的黏結(jié)劑，制備了基于銻的鈉離子電池。其中，氰乙基普魯蘭多糖的多糖骨架改善了機械韌性，而氰乙基普魯蘭多糖的氰乙基改善了鈉離子轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，此復(fù)合黏結(jié)劑顯著提高了銻的堿化/脫堿化可逆性，增強了基于銻的鈉離子電池的循環(huán)壽命和動力學(xué)性能。

圖25 氰乙基普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)Fig.25 Structure of cyanoethyl pullulan

Samad等[85]介紹了一種使用新型電極形狀和多層介電涂層的介電潤濕(EWOD)器件(如圖26(b))，該器件可以將器件的驅(qū)動電壓降低到12.6 V以下。在EWOD電極上沉積了一層高介電常數(shù)多層介質(zhì)涂層，涂層包括770 nm厚的聚偏氟乙烯(PVDF)層和1 μm的氰乙基普魯蘭多糖(CEP)層，用于絕緣。這種多層介電結(jié)構(gòu)在單位面積上表現(xiàn)出高電容，并且新穎的電極形狀(如圖26a)改變了液滴接觸線上的驅(qū)動力，從而降低了操作該器件所需的電壓。研究結(jié)果表明，電極形狀和介電結(jié)構(gòu)有助于降低EWOD裝置的啟動電壓。

圖26 電極形狀設(shè)計圖和光刻后Cr單板EWOD設(shè)計圖Fig.26 Electrode shape design drawing and EWOD design drawing of Cr veneer after photoetching

Poli等[86]研究提出普魯蘭多糖可應(yīng)用于綠色超級電容器，作為新型生物可降解黏合劑和隔板使用。它是通過水溶液中的靜電紡絲加工而成，因此克服了與傳統(tǒng)有機溶劑膜加工有關(guān)的問題。此外，將水溶性、可生物降解的普魯蘭多糖與疏水性離子液體電解質(zhì)相結(jié)合，也有利于后期回收。從胡椒籽廢料中提取超級電容器的碳電極，以1-乙基-3-甲基咪唑(三氟甲基磺酰)亞胺作為電解液，將普魯蘭多糖應(yīng)用在超級電容器中證明，超級電容器在3.2 V電壓下可提供高達(dá)5 kW/kg的比功率和27.8 Wh/kg的比能量，與傳統(tǒng)的雙電層電容器性能相比，更加環(huán)保和廉價。

Lu等[87]開發(fā)了一種高性能的普魯蘭多糖基摩擦電納米發(fā)電機，是由普魯蘭多糖和其他添加劑制成的，具有良好的柔韌性和可回收性。該研究主要進行了普魯蘭多糖基摩擦電納米發(fā)電機在照明LED陣列和監(jiān)測手部彎曲運動方面的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)普魯蘭多糖基摩擦電納米發(fā)電機可為電子設(shè)備供電，并用作可穿戴設(shè)備。最后，通過五次循環(huán)使用，發(fā)現(xiàn)普魯蘭多糖基摩擦電納米發(fā)電機具有出色的可回收性能和簡便的制造流程。因此，普魯蘭多糖基摩擦電納米發(fā)電機具有制備成下一代生物可穿戴設(shè)備和能量收集器的潛力。

Daniele等[88]制作了一種易回收的多糖電路板，是通過將厚的普魯蘭多糖(50 μm)貼花載體澆鑄到納米纖維素薄膜貼花轉(zhuǎn)印紙(5 μm)上制備的，用于保形電子貼花。其中普魯蘭多糖載體的選擇性溶解，提供了兩種多糖的不同水溶性，而納米纖維素薄膜可以像滑水貼紙一樣轉(zhuǎn)移。與傳統(tǒng)的軟電子基板相比，此多糖電路板具有良好的熱和機械性能、高的水蒸氣透過率，增強了納米纖維素復(fù)合材料作為可持續(xù)發(fā)展的電子襯底的巨大潛力。之后制造了一個簡單的發(fā)光二極管(LED)電路，證明了多糖電路板可以作為電子設(shè)備的基板進行使用。

Lopinski等[89]使用氰基乙基化的普魯蘭多糖作為高k溶液可加工的柵極電介質(zhì)，用于使用在水性或有機溶劑中的分散液中，來制造單壁碳納米管網(wǎng)絡(luò)薄膜晶體管。檢測發(fā)現(xiàn)，此薄膜晶體管雖然從緩慢掃描中提取的表觀遷移率(以及在較高頻率下測得的電容值)非常高，但在頻率大于1 Hz時，器件的跨導(dǎo)(輸出端電流的變化值與輸入端電壓的變化值之間的比值)會大大降低，已經(jīng)證明這是由于電容的強烈頻率依賴性引起的。在低于1 Hz的頻率下，電容會顯著增加，從而導(dǎo)致電流的強烈增加和遷移率的增高。這些結(jié)果表明，此薄膜晶體管不適合用于高頻應(yīng)用，除非可以將此處觀察到的慢極化效應(yīng)最小化或消除。但是，非常適合不需要高頻操作的應(yīng)用，例如傳感器或低頻放大器。

由于普魯蘭多糖的環(huán)境友好，水溶液穩(wěn)定，一定的黏附性，良好的成膜性以及形成的膜具有良好的力學(xué)性能等，使得普魯蘭多糖在電子材料方向，特別是在電池電極、電容器、發(fā)電機、電路板、薄膜晶體管中黏合劑、隔板、介電涂層、支架應(yīng)用具有良好的開發(fā)潛力。

3.4 化妝品

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們開始追求更好的生活質(zhì)量，也更加注意健康和外表，更多的人開始注重保養(yǎng)皮膚，也使得化妝品行業(yè)得到了快速的發(fā)展。普魯蘭多糖因其無毒無嗅無害、可降解、好的水溶性及穩(wěn)定性、成膜性等優(yōu)良特性，目前它在化妝品中的應(yīng)用可行性也在進行中。

Heo等[90]設(shè)計了一種含有機防曬分子的普魯蘭多糖的防曬劑。含二苯甲酮結(jié)構(gòu)的有機防曬分子與天然普魯蘭多糖發(fā)生聚合，通過共價鍵接枝到了普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)中，如圖27所示。這種方法可以降低小分子防曬材料滲透進皮膚所產(chǎn)生的副作用，在體外和體內(nèi)研究中，顯示出了出色的非皮膚滲透性。隨著時間的推移，與小分子相比，更多的二苯甲酮接枝普魯蘭多糖的聚合物保留在皮膚屏障上，并保護皮膚免受紫外線侵害。這些特性表明二苯甲酮和普魯蘭多糖的聚合物可用于高級防曬材料。

圖27 二苯甲酮-普魯蘭多糖的合成路線Fig.27 Synthesis route of benzophenone-pullulan

Dulong等[91]將阿魏酸(結(jié)構(gòu)如圖28)接枝到了羧甲基普魯蘭多糖上，得到了細(xì)胞相容性好，具有抗氧化特性的普魯蘭多糖衍生物，這些衍生物可以取代合成的抗氧化添加劑，用于化妝品工業(yè)。

圖28 阿魏酸結(jié)構(gòu)圖Fig.28 Structure of ferulic acid

Kouassi等[92]將氨基愈創(chuàng)木酚接枝到了羧甲基普魯蘭多糖上，具體合成過程如圖29，得到了具有增加黏度，抗菌特性和良好的細(xì)胞相容性的普魯蘭多糖衍生物，此類聚合物可用于代替化妝品水性制劑中的化學(xué)防腐劑。

圖29 氨基愈創(chuàng)木酚-g-羧甲基普魯蘭多糖的合成圖Fig.29 Synthesis route of aminoguaiacol-g-carboxymethyl pullulan

水溶性的普魯蘭多糖用在化妝品中時，具有很好的保濕效果，其效果與化妝品中常用的透明質(zhì)酸效果相當(dāng)，但價格要比透明質(zhì)酸更適宜使用，同時，普魯蘭多糖還有一定的隔離保護、潤滑爽膚和改善皮膚的作用，在化妝品中可用在化妝水、面膜、香水、防曬霜等產(chǎn)品當(dāng)中[93]。

3.5 生物醫(yī)用

普魯蘭多糖因其具有較高的成膜性、可紡性、黏附性、非免疫原性、非致癌性、非誘變性、生物相容性、可降解性等優(yōu)良特性，在生物醫(yī)用方向也具有非常廣泛的應(yīng)用。例如組織工程[94]、藥物遞送[95]、基因靶向治療[53]、膠囊涂層[96]、疫苗接種[97]、胰島素活性[98]、醫(yī)學(xué)成像[99]、口腔護理[100]和醫(yī)用檢測[101]等。

組織工程學(xué)常用于骨骼[102-103]、軟骨[104]、皮膚[105-107]、血管[108]等組織當(dāng)中。在骨骼及軟骨損傷時，可以通過制備普魯蘭多糖基的支架或水凝膠，其中含有生物相容性載體和特定的生長因子，來促進缺損骨再生成骨，且沒有任何副作用[109-110]。普魯蘭多糖用于皮膚組織工程時，是用作傷口敷料，通過制備負(fù)載各種具有抗菌特性[111]、消炎特性[112]、止血特性[113]、傷口愈合促進特性[114-115]等的普魯蘭多糖水凝膠，來保護傷口免受細(xì)菌感染，保持傷口濕潤的愈合環(huán)境，防止傷口脫水，減少壞死的發(fā)生，進而促進傷口愈合[116-118]。血管疾病是一個非常棘手的病癥，組織工程學(xué)中的基本方法是制造并植入帶有細(xì)胞的聚合物支架或水凝膠，以產(chǎn)生三維功能組織，或再負(fù)載抗凝活性物質(zhì)，以促進血管硬化等疾病的治療。

普魯蘭多糖用于藥物遞送和基因靶向治療時，是以普魯蘭多糖為載體，負(fù)載消炎抗菌[119-124]、抗腫瘤[125-126]、麻醉[127]和抗癌[128-135]的藥物或RNA/DNA[53,136-137]等來完成的。因為普魯蘭多糖具有良好的肝靶向性，所以給予了藥物或RNA/DNA良好的肝治療的靶向性，在肝疾病的治療中具有非常大的潛力。在藥物釋放方面，通過對普魯蘭多糖進一步的改性，研究出了許多具有特定響應(yīng)性的釋藥機制，比如利用超聲響應(yīng)[39]、光熱響應(yīng)[37,42,138-139]、pH響應(yīng)[140]、溫敏性[141]、酶催化[142]等，來控制藥物釋放的靶向性和緩釋特性，進而使藥物可以更加快速、有效且持續(xù)的作用于病灶源，從而降低藥物毒性，加快治療速度，使病人病情穩(wěn)定，早日康復(fù)。

普魯蘭多糖及其衍生物還可用作口服藥物的膠囊涂層[143-144]、疫苗的良好抗原載體，將抗原遞送到淋巴結(jié)來激活細(xì)胞免疫和體液免疫[145-146]、將分泌胰島素的細(xì)胞或可刺激胰島素分泌的物質(zhì)遞送至體內(nèi)的載體[147-148]。

普魯蘭多糖也可用作超聲成像、磁共振光學(xué)成像[149]和血管造影的造影劑中的一部分，因其良好的肝臟靶向性，特別適用于肝臟的醫(yī)學(xué)成像。Nimi等[150]合成了一種無毒的基于零價鐵的納米粒子，可用作核磁共振血管造影的新型造影劑，并且進一步使用高度肝特異性的普魯蘭多糖修飾零價鐵的納米粒子，然后使用熒光碳點進行光學(xué)和核磁共振成像，并成功證明了其具有作為核磁共振血管造影劑和肝特異性多峰成像劑的潛力。Chen等[151]開發(fā)了CaCO3/普魯蘭多糖接枝的聚甲基丙烯酸甜菜堿酯共聚物雜化納米顆粒，并證明了此雜化納米粒子具有用作肝癌的有效超聲造影成像造影劑的潛力。

普魯蘭多糖還可用于口腔護理，Rad等[152]成功制備了一種由硼(B)改性的生物活性玻璃納米顆粒(BG-NPs)和醋酸纖維素/氧化普魯蘭多糖/明膠(CA/ox-PULL/GEL)三維管狀骨架，用于牙本質(zhì)再生。普魯蘭多糖還可用做一種通用的核酸分析方法-環(huán)介導(dǎo)等溫擴增(LAMP)方法的添加劑[153]，可以明顯抑制LAMP的非特異性擴增，提高擴增特異性。Jahanshahi-Anbuhi等[154]研究證明了疊加的普魯蘭多糖薄膜有作為有用組件的潛力，可以在簡單的基于紙張的設(shè)備上進行多步檢測。Kannan等[155]以紙張為載體，以普魯蘭為原料，利用不透水、不透氧的可逆凝膠多糖材料，研制了一種用于血清乳酸脫氫酶檢測的比色生物傳感器。普魯蘭多糖還可通過促使雙歧桿菌增殖，治療便秘[9]。

3.6 其他

普魯蘭多糖及其衍生物除了以上應(yīng)用外，還可以用作煙草黏結(jié)劑[156]，可以給煙草增香，降低尼古丁的含量與傷害，進而提高煙草品質(zhì)，還可以提高煙草防潮性能，延長儲存時間[157]。還可用作種子包衣[158]，延長種子儲存時間；用于植物肥料[159]，使肥料可以溶于土壤，緩慢釋放，增加肥料利用率；用作緩蝕劑[160]，減緩材料的腐蝕程度，延長材料的使用年限；用作紙張涂布黏合劑[161]，增加紙張強度和耐折性；用普魯蘭多糖凝膠固定化的酶具有高活性和良好的活性保持性[162]；同時，普魯蘭多糖及其衍生物也具有在照相和平版印刷方面的應(yīng)用，使其在應(yīng)用時，畫面更清晰[163-167]。

4 結(jié)論

本篇文章對普魯蘭多糖近五年的研究與進展進行了總結(jié)。從改性角度來說，物理改性研究之前多為普魯蘭多糖與高聚物、抗菌劑與疏水性物質(zhì)共混，近期則進一步研究了普魯蘭多糖共混或負(fù)載防腐劑、藥物或其他無機/有機分子；而化學(xué)改性方面，一方面對已有的化學(xué)反應(yīng)方法進行了優(yōu)化簡化，另一方面發(fā)展了新的改性方法，賦予普魯蘭多糖新的功能，以開拓普魯蘭多糖更多的應(yīng)用?？偟膩碚f，通過物理改性或化學(xué)改性，引入特定的結(jié)構(gòu)或官能團，可提高普魯蘭多糖的機械強度，降低成本，獲得疏水性、抗菌性、溫敏性、光響應(yīng)性、pH響應(yīng)性或其他各種特定響應(yīng)性能，極大地拓展了這種天然綠色多糖的多種應(yīng)用。但目前仍未探明普魯蘭多糖改性前后的結(jié)構(gòu)，還需進一步研究，以盡快確定普魯蘭多糖及其衍生物的結(jié)構(gòu)，進而明晰普魯蘭多糖改性的取代位置，為進一步反應(yīng)或應(yīng)用提供充足的理論基礎(chǔ)。研究人員也應(yīng)繼續(xù)研究用其他天然/合成聚合物以及無機/有機化合物改性普魯蘭多糖的方法，以尋找普魯蘭多糖在其他領(lǐng)域中的各種新應(yīng)用。

從應(yīng)用角度來說，普魯蘭多糖的應(yīng)用非常廣泛，在食品與醫(yī)藥方面的應(yīng)用最大，具有很大的經(jīng)濟價值與發(fā)展前景。研究人員通過改性普魯蘭多糖的方法，不僅保留了普魯蘭多糖的優(yōu)點，而且優(yōu)化了普魯蘭多糖的缺點，并進一步引入了其他的特定響應(yīng)性能，使普魯蘭多糖在食品加工和包裝、環(huán)境保護、電子、化妝品、生物醫(yī)用等方面的應(yīng)用越來越多。但目前，我國普魯蘭多糖的生產(chǎn)與應(yīng)用發(fā)展，較發(fā)達(dá)國家相比相對落后，還未形成規(guī)模化的商業(yè)生產(chǎn)，日本發(fā)展迅速，主要問題是使用普魯蘭多糖的成本較高，研究者們正致力于解決這些問題。普魯蘭多糖的親水性也極大地限制了其在食品包裝、環(huán)境保護及生物醫(yī)用方面的應(yīng)用，因此，研究人員應(yīng)致力于研究出更多的疏水性的普魯蘭多糖衍生物，以擴大普魯蘭多糖的應(yīng)用。目前本研究室也著力于利用離子液體對普魯蘭多糖進行化學(xué)改性，一方面提高普魯蘭多糖的疏水性，另一方面賦予普魯蘭多糖一定的導(dǎo)電性，以提高其抗靜電能力。同時，普魯蘭多糖在生物醫(yī)用方面的應(yīng)用大多數(shù)仍停留在體外實驗，應(yīng)在體內(nèi)進行進一步試驗與分析，爭取早日安全有效的使用。我國作為農(nóng)業(yè)大國，糖資源豐富，為了進一步節(jié)約資源與成本，應(yīng)加大并加快對普魯蘭多糖及其他天然生物材料的研究，盡快形成規(guī)模化的商業(yè)生產(chǎn)，進而打破國際壟斷，促進經(jīng)濟發(fā)展，占取競爭優(yōu)勢。