木聚糖硫酸酯化修飾方法研究進(jìn)展

韋羅璐，農(nóng)承濤，周玉盼，邱海娟，李堅(jiān)斌

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

木聚糖是自然界中最豐富的半纖維素多糖，主鏈由木糖單體組成，根據(jù)側(cè)鏈上是否存在官能團(tuán)，可將其分為均質(zhì)或異質(zhì)木聚糖。基于側(cè)鏈上主要官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)，異質(zhì)木聚糖可進(jìn)一步分為阿拉伯木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖和木葡聚糖［1］。自然狀態(tài)下在木聚糖結(jié)構(gòu)上還可觀察到一些常見的側(cè)鏈基團(tuán)，如乙?；鶊F(tuán)和阿魏酸，其含量的多少取決于生物質(zhì)來(lái)源和所使用的處理方法［2，3］。天然來(lái)源的木聚糖具有多種生物活性，包括抗氧化［4］、抗腫瘤［5］、降血糖［6］、降血脂［7］以及益生功能［8］。多種生物學(xué)特性表明木聚糖在健康食品和藥品領(lǐng)域具有潛在的營(yíng)養(yǎng)和藥學(xué)效果。然而，由于從天然生物中分離出的未修飾木聚糖具有較弱的生物活性，缺乏大多數(shù)常規(guī)藥物所具有的藥效，不能進(jìn)入臨床試驗(yàn)用于疾病治療。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)基于天然木聚糖的半合成類似物具有巨大的研究潛力，因?yàn)槠渚哂懈玫乃幋鷦?dòng)力學(xué)特征，藥效更強(qiáng)。

研究表明，木聚糖的生物學(xué)或藥理學(xué)活性與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)［9］。通常，分子修飾提供了木聚糖作為具有治療特性的新藥理學(xué)藥物的潛力［10，11］。各種類型的分子修飾可改變木聚糖的分子結(jié)構(gòu)、分子量、單糖組成、主鏈的糖苷鍵、取代的類型和程度、主鏈的分支度和構(gòu)象等方面的物理化學(xué)性質(zhì)（如水溶性），可獲得更廣泛的應(yīng)用。在過(guò)去的幾十年中，木聚糖和木聚糖類衍生物，尤其是硫酸化衍生物的功能特性得到了研究者們的廣泛關(guān)注。研究表明，硫酸酯化修飾能有效改變木聚糖的功能特性，近年來(lái)已成為木聚糖分子修飾領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。硫酸基團(tuán)的引入可改變木聚糖的結(jié)構(gòu)特征，包括空間位阻和靜電斥力作用，改變分子鏈的構(gòu)象和水溶性，導(dǎo)致生物活性的改變。大量科學(xué)研究表明，經(jīng)硫酸酯化修飾后，木聚糖不僅可以獲得抗凝血活性［12］，還能產(chǎn)生其他新的生物活性，如抗病毒［13］、抗腫瘤［14］以及鎮(zhèn)咳活性［15］。

1 木聚糖硫酸化方法

硫酸化改性的原理是將木聚糖溶解或分散于堿性有機(jī)溶劑中，然后在一定條件下與相應(yīng)的硫酸化試劑反應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件可控制硫酸基團(tuán)與羥基的鍵合程度。當(dāng)前，木聚糖硫酸化的方法主要有氯磺酸法［12］、濃硫酸法［13］、氨基磺酸法［16］和三氧化硫法［17］。

1.1 氯磺酸法

氯磺酸法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物產(chǎn)率和回收率高、取代度較高，反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。氯磺酸與吡啶結(jié)合形成三氧化硫—吡啶絡(luò)合物并釋放出氯化氫，在路易斯堿溶液中，此絡(luò)合物中的三氧化硫取代羥基氫得到硫酸化產(chǎn)物。Cong等［18］從決明子種子的堿性提取物中分離出1種阿拉伯葡糖醛酸木聚糖，以氯磺酸∶吡啶（2∶1，v/v）為酯化試劑，在40 ℃下反應(yīng)4 h制備出取代度為1.16的硫酸化木聚糖。然而，令人擔(dān)憂的是氯磺酸法操作復(fù)雜、反應(yīng)劇烈、不易控制，而且氯磺酸具有很強(qiáng)的氧化性、毒性及刺激性。此外，氯磺酸是一種強(qiáng)酸，在硫酸化過(guò)程中木聚糖在酸性條件和相對(duì)較高的溫度下容易降解。

1.2 濃硫酸法

濃硫酸法具有反應(yīng)條件穩(wěn)定、易操作、副反應(yīng)少、化學(xué)試劑毒性低等優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。Nosál’ova等［15］以發(fā)煙硫酸∶DMF（1∶15，v/v）為酯化試劑在24～25 ℃下反應(yīng)24 h，得到的硫酸化木聚糖中硫含量達(dá)11.5%。由于濃硫酸的強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)造成木聚糖降解和炭化，且產(chǎn)物取代度和回收率較低，一般較少采用。

1.3 氨基磺酸法

氨基磺酸法的優(yōu)點(diǎn)是操作安全、反應(yīng)穩(wěn)定，反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。Levdansky等［16］以尿素為催化劑，氨基磺酸為酯化劑對(duì)樺木木聚糖進(jìn)行硫酸化，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件制備出取代度達(dá)1.64的硫酸化木聚糖。然而，這種方法的缺點(diǎn)是副氨基甲酸化反應(yīng)，其會(huì)影響產(chǎn)品的生物活性。此外，氨基磺酸對(duì)木聚糖的硫酸化反應(yīng)活性較低，通常需要吡啶、尿素、硫脲、乙酰胺和甲基吡啶等堿性催化劑增強(qiáng)其硫酸化反應(yīng)。

1.4 三氧化硫法

近年來(lái)，三氧化硫法由于反應(yīng)溫和、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高而備受關(guān)注，反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。Mandal等［19］通過(guò)堿液從Scinaia hatei中提取得到木聚糖，以SO3∶DMF（1∶2.5，v/v）為酯化試劑，反應(yīng)于氮?dú)鈿夥障?0 ℃進(jìn)行，反應(yīng)0.5～2 h后得到取代度為0.93～1.95的硫酸化木聚糖。然而，作為硫酸的酸酐，三氧化硫的親核反應(yīng)性能較弱，硫酸酯化修飾程度較低，取代度較低。

硫酸酯化修飾通過(guò)改變木聚糖分子量、單糖組成、取代基以及溶液分子鏈構(gòu)象，顯著增強(qiáng)其生物活性。硫酸基團(tuán)的引入情況決定著木聚糖硫酸酯化修飾對(duì)功能特性的促進(jìn)作用，選擇合適的硫酸酯化修飾方法，有助于木聚糖獲得特定的生物活性。由于木聚糖呈分枝結(jié)構(gòu)，而硫酸酯化修飾是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程，涉及到復(fù)雜的立體選擇和區(qū)域選擇問(wèn)題，同時(shí)，糖鏈的空間取向?qū)δ揪厶堑慕Y(jié)構(gòu)修飾也存在影響。

2 展望

硫酸酯化修飾方法的反應(yīng)體系大多采用強(qiáng)酸/有機(jī)溶劑或強(qiáng)酸，存在著諸多不足之處。首先，當(dāng)多糖在強(qiáng)酸環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)多糖容易隨機(jī)降解成小分子，產(chǎn)物的分子量和取代度不穩(wěn)定，會(huì)失去其原始的生物活性；其次，多糖在有機(jī)溶劑中的溶解性較低，反應(yīng)在非均相體系進(jìn)行，導(dǎo)致硫酸基團(tuán)取代度較低，生物活性低。因此，需要尋找一種高效、環(huán)保、廉價(jià)的方法以提高硫酸酯化修飾反應(yīng)的速率，提高產(chǎn)物的穩(wěn)定性和活性，有效調(diào)控多糖硫酸酯的合成。目前，多糖硫酸酯化修飾存在諸多不足，解決方法包括在硫酸酯化修飾時(shí)適當(dāng)添加催化劑（如DMAP/DCC和DMAP/EDC）以提高反應(yīng)速率，減少多糖的降解。另外，在硫酸酯化修飾時(shí)添加無(wú)機(jī)鹽（如LiCl）/有機(jī)溶劑（如DMF）體系和離子液體可提高多糖的溶解性，使硫酸化反應(yīng)在一個(gè)均相系統(tǒng)中進(jìn)行，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。合成技術(shù)的逐步改進(jìn)為多糖硫酸酯化修飾提供了一種高效、環(huán)保、廉價(jià)的方法。有針對(duì)性的、有目的的修飾是研究永恒的方向，這有利于降低硫酸化多糖的制備難度，將有助于進(jìn)一步深入研究硫酸化多糖構(gòu)效關(guān)系及其作用機(jī)制。