植物糖原的提取純化、結(jié)構(gòu)修飾及應(yīng)用研究進(jìn)展

王 蕊，呂肖瑞，張鵬敏，王文秀，孫劍鋒，馬倩云，王 頡

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北 保定 071000）

植物糖原（phytoglycogen，PG）是一種類糖原納米樹枝狀大分子，是由α-1,4和α-1,6糖苷鍵連接而成的、高度支化的可溶性α-D-葡聚糖[1]。已有報(bào)道稱PG與從動(dòng)物器官中分離出的糖原結(jié)構(gòu)相似[2]，但由于其從植物體內(nèi)提取而得，所以被稱為PG。PG是支鏈淀粉的類似物，廣泛存在于某些植物突變籽粒的胚乳中，比如玉米[3]、高梁[4]、大麥、水稻和擬南芥等[5]。其最大來(lái)源是玉米突變體Sugary-1（Su1）的籽粒，這種Su1突變導(dǎo)致了一種異淀粉酶型淀粉脫支酶的缺失[6]，此時(shí)的淀粉脫支酶會(huì)切割一段直鏈葡聚糖，將其通過(guò)α-1,6糖苷鍵連接到另一條鏈上，同時(shí)選擇性地裂解支鏈，使鏈與鏈之間形成有序結(jié)構(gòu)[7]，從而形成有序的、高度分支的PG。

目前，PG主要采用水提醇沉法提取，而純化方法各不相同。諸多研究結(jié)果表明，不同的純化方法所得的PG純度不同，得率也不同。此外，PG的高度支化結(jié)構(gòu)不僅賦予了其高保水性、低黏度[8]、良好的分散穩(wěn)定性[9]、抗氧化性、抗菌性和成膜性，還具有優(yōu)異的吸附性，在增溶疏水性物質(zhì)、穩(wěn)定易降解物質(zhì)、改善產(chǎn)品質(zhì)地等領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。但與此同時(shí)，PG的高親水性也限制了其在某些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，有學(xué)者通過(guò)對(duì)PG進(jìn)行酯化[10]、取代[11]、羧甲基化[12]、雙酶修飾[7]等化學(xué)修飾，進(jìn)一步擴(kuò)大了PG的應(yīng)用范圍。

為全面了解PG的特性和發(fā)展?jié)摿?，本文首先?duì)PG的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行歸納與總結(jié)；其次重點(diǎn)比較PG幾種傳統(tǒng)與新提取方法的優(yōu)缺點(diǎn)，概括出目前普遍使用的提取純化方法，全面綜述PG在食品領(lǐng)域中應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，總結(jié)PG在實(shí)際應(yīng)用中受到的限制，并對(duì)其最新的結(jié)構(gòu)修飾方式進(jìn)行系統(tǒng)梳理，最后對(duì)未來(lái)PG的研究重點(diǎn)提出了合理化建議。

1 PG的性質(zhì)

PG為白色粉末，無(wú)結(jié)晶性，粒徑約為30～100 nm，透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）圖像顯示，PG呈球形花椰菜狀。圖1展示了PG（A）與淀粉（B）的結(jié)構(gòu)和TEM圖[13-14]、單獨(dú)的PG納米顆粒（C）和PG的芯-線圈模型（D）[15]，二者呈現(xiàn)較大差異，淀粉是連接單個(gè)簇的長(zhǎng)鏈，而PG鏈長(zhǎng)較短，以密集或非聚集模式進(jìn)行分枝，呈外緊內(nèi)松的樹枝狀結(jié)構(gòu)[16]。這種結(jié)構(gòu)與分支密度密切相關(guān)，分支密度為平均鏈長(zhǎng)的倒數(shù)。研究表明，原料來(lái)源不同的PG平均鏈長(zhǎng)相似，但均小于支鏈淀粉[17]。Xue Jingyi等[18]從玉米種子中提取的PG平均鏈長(zhǎng)為11～12 個(gè)葡萄糖單位，分支密度為8%～9%，蠟質(zhì)玉米淀粉平均鏈長(zhǎng)約為18 個(gè)葡萄糖單位，分支密度為5.6%；張瑞琪[19]提取的PG平均鏈長(zhǎng)為11.54 個(gè)葡萄糖單位，分支密度為8.66%，蠟質(zhì)玉米淀粉平均鏈長(zhǎng)為16.98 個(gè)葡萄糖單位，分支密度約為5.89%。因此，通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，PG高度致密的堆積結(jié)構(gòu)可能含有數(shù)千個(gè)糖鏈，平均摩爾質(zhì)量可達(dá)3.00×107g/mol[20]。

圖1 PG（A）與淀粉（B）的結(jié)構(gòu)示意圖和TEM圖[13-14]，單獨(dú)的PG納米顆粒（C）及其芯-線圈模型（D）[15]Fig.1 Structural schematic diagrams and TEMs of PG (A) and starch (B)[13-14],single nanoparticle (C) and core-coil model (D) of PG[15]

PG表面有大量葡萄糖殘基，可與水分子結(jié)合形成氫鍵，因此易溶于水，不溶于乙醇，在水中具有良好的分散穩(wěn)定性；多分散指數(shù)為0.26[21]，說(shuō)明其具有單分散性；在充分水合后可攜帶其質(zhì)量250%～285%的水[8]，表明其具有高保水性；質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%的PG會(huì)隨著流變儀剪切速率的升高出現(xiàn)剪切稀化行為，屬于假塑性非牛頓流體，具有較低的表觀黏度[19]。Chen Hua等[22]使用負(fù)載與未負(fù)載葉黃素的PG對(duì)Caco-2進(jìn)行的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明PG沒(méi)有毒性，安全性較高；其憑借高度支化結(jié)構(gòu)，可與小分子活性物質(zhì)結(jié)合，具有優(yōu)異的負(fù)載能力，是良好的載體。Nickels等[8]研究表明PG具有穩(wěn)定和分散生物活性化合物的能力，可以在食品表面形成薄膜。楊穎婷等[23]通過(guò)納米PG對(duì)共混膜抗菌性的研究發(fā)現(xiàn)，PG的加入能夠增強(qiáng)薄膜的抗菌性。這些優(yōu)異的性質(zhì)突出了PG作為一種新型的天然生物和可食用納米材料的潛力[12]，為后期的應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)。

2 PG的提取與結(jié)構(gòu)表征

由于PG易溶于水，不溶于乙醇，根據(jù)此性質(zhì)，目前幾乎所有的PG均采用水提醇沉法提取，最大程度地保證了其性質(zhì)與結(jié)構(gòu)不被改變。圖2為樣品的提取流程圖[13]，王攀[17]、張瑞琪[19]和韋倩倩等[24]均將玉米種子粉碎或打漿浸提后用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至4.8和7.0，然后121 ℃高溫加熱除去蛋白質(zhì)，得到較高提取率和純度的PG。表1為PG提取方法的比較。Xue Jingyi等[13]比較了4 種制備高純度PG納米顆粒的方法，得到了更高提取率和純度的PG，最終篩選出的最佳方法為：將原料浸泡12 h后進(jìn)行前處理，去除所有胚、種皮和頂蓋，然后磨成粉末，以粉與蒸餾水料液比1∶10（g/mL）的比例混合，用均質(zhì)機(jī)均質(zhì)，在4 ℃冰箱中浸提12 h后使料液通過(guò)70 μm篩，調(diào)節(jié)濾液pH值為4.9，4 ℃靜置2 h，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)沉淀下來(lái)，接著在4 ℃、10000×g離心15 min，去除乳脂層和沉淀物，再將上清液用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)至pH值為7，并在121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min，冷卻至室溫后，在10000×g條件下進(jìn)行第二次離心，并收集上清液，向上清液中添加3 倍體積的體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，靜置，抽濾除去乙醇，將得到的濾餅放置在通風(fēng)柜中去除殘余乙醇，即可得到PG的納米顆粒。近年來(lái)，對(duì)于PG這種天然的納米顆粒的提取，普遍是從不同蛋白質(zhì)含量的谷物中提取，然而有研究表明，蛋白質(zhì)濃度與細(xì)胞相容性有關(guān)，即蛋白質(zhì)污染物濃度越高，對(duì)細(xì)胞的毒性越大[25]，因此，去除提取物中的蛋白質(zhì)尤為重要。Xue Jingyi等[13]提取的PG具有最高濃度的單個(gè)納米顆粒分布，在多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.8%的PG納米粒中檢測(cè)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%的蛋白質(zhì)雜質(zhì)。所以，原料要選擇突變的玉米品種或者甜玉米種子，保證其有足夠高的多糖含量，然后對(duì)玉米籽粒進(jìn)行前處理，排除纖維素的干擾，再通過(guò)調(diào)節(jié)pH值和高溫使蛋白質(zhì)變性，離心去除蛋白質(zhì)。該方法簡(jiǎn)單、成本低，蛋白質(zhì)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%，可在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上獲得具有較高純度的PG。

表1 PG提取方法的比較Table 1 Comparison of PG extraction methods

圖2 PG的提取流程[13]Fig.2 Extraction processes for PG[13]

此外，Yao Yuan[27]制備的PG粗提物中低分子質(zhì)量可溶性雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.7%，使用分子質(zhì)量為300 kDa的聚醚砜濾膜進(jìn)行切向流超濾后降至3.6%，純PG中雜質(zhì)降低到無(wú)法檢出的水平；安東·科列涅夫斯基等[28]使用分子質(zhì)量為500 kDa的濾膜純化，用醇沉提取、烘干后得到的PG提取率僅為9.7%；Nickels等[8]也用聚醚砜微濾橫流過(guò)濾器進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾，去除纖維物質(zhì)及大部分蛋白質(zhì)和脂類，醇沉干燥粉碎后又溶解，使其流經(jīng)分子質(zhì)量為500 kDa和300 kDa的切向流超濾膜，進(jìn)一步純化PG，檢測(cè)到蛋白質(zhì)殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%。相較于利用酸水解和高溫使蛋白質(zhì)變性，膜分離技術(shù)是一個(gè)溫和且較為有效的除雜方法，但提取率不易控制，易造成PG損失，目前此方面的探索還相對(duì)較少，需進(jìn)行多次研究與驗(yàn)證。

Powell等[30]提取、分離籽粒中的PG并對(duì)其特性進(jìn)行了研究，表明用蛋白酶提取籽粒中的PG最有效。單玉飛等[29]使用纖維素酶、果膠酶、木聚糖酶、木瓜蛋白酶對(duì)原料進(jìn)行兩次酶解處理后，使用微波輔助提取，再用淀粉分支酶進(jìn)行第3輪酶解，雖然得到的PG提取率為46.3%，但耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。張康逸等[31]研究表明超聲波在液體中能產(chǎn)生空化作用，這種空化作用產(chǎn)生的沖擊波和射流可以破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)容物通過(guò)細(xì)胞膜的穿透力和傳輸能力，而PG更多地存在于細(xì)胞壁中，利于多糖的溶出與提取。為得到較高的提取率，可在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上將兩種或兩種以上的方法聯(lián)合使用，比如將超聲和微波聯(lián)合酶提取運(yùn)用于PG的提取過(guò)程中，但具體工藝與PG結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系尚不明確，還需深入探索。

通常情況下，需要對(duì)提取純化后PG的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性進(jìn)行表征分析，常用的表征方法如圖3所示?？墒褂脪呙桦娮语@微鏡（scanning electron microscope，SEM）和TEM觀察其形貌特征，Putaux等[32]發(fā)現(xiàn)從含糖玉米突變體Su1中提取出來(lái)的糖原呈簇狀球形顆粒，直徑為30～100 nm；韋倩倩等[24]從玉米Su1突變體‘中甜8號(hào)’中提取而得的PG的TEM結(jié)果也表明PG呈表面光滑的球形結(jié)構(gòu)，直徑為30～50 nm，經(jīng)納米粒度儀測(cè)定直徑約為71.51 nm。此外，X射線衍射表明PG無(wú)結(jié)晶性，張瑞琪[19]使用高效陰離子交換色譜法測(cè)定單糖組分，發(fā)現(xiàn)PG中只含有葡萄糖；通過(guò)傅里葉變換紅外光譜可看到PG具有存在于3286 cm-1和2928 cm-1附近的糖類典型特征峰，核磁共振氫譜表明PG中含有α型糖苷鍵，碳譜表明存在1,4-糖苷鍵和1,6-糖苷鍵。Liu Renjie等[25]采用高效液相體積排阻色譜測(cè)量Su1源糖原摩爾質(zhì)量為2.1×107g/mol。Peng Xingyun等[33]采用高效陰離子交換色譜測(cè)得PG分支密度為8.2%，且在平均鏈長(zhǎng)聚合度為6～30附近出現(xiàn)較大鏈群，這也使其與支鏈淀粉區(qū)分開來(lái)。韓興曼等[26]經(jīng)納米粒度儀測(cè)得PG呈電中性，且通過(guò)對(duì)癌細(xì)胞的抑制實(shí)驗(yàn)表明PG對(duì)癌細(xì)胞A549和MCF-9具有抑制作用。Chen Hua等[34]測(cè)量的Caco-2在槲皮素（quercetin，Qu）、PG與Qu復(fù)合物兩種溶液中的細(xì)胞存活率均在94%以上，表明PG安全無(wú)毒。

圖3 PG的表征方法Fig.3 Characterization methods for PG

3 PG的應(yīng)用

3.1 增溶劑

隨著生活水平的提高，人們的關(guān)注點(diǎn)逐漸由溫飽轉(zhuǎn)移到食品的營(yíng)養(yǎng)和功效上。酚類化合物在食品添加劑中占有非常重要的地位，但溶解性限制了其應(yīng)用，比如Qu和姜黃素（curcumin，CCM），Qu具有清除自由基、抗氧化、抗菌、抗過(guò)敏、抗病毒等功能，對(duì)熱穩(wěn)定，能提高食品中色素的耐光性，防止食品香味改變，但其微溶于水，將其應(yīng)用于食品中會(huì)出現(xiàn)吸收率差、生物利用率低等問(wèn)題。為了提高酚類化合物的溶解性，韋倩倩等[24]使用PG負(fù)載Qu，當(dāng)PG質(zhì)量濃度為5 mg/mL時(shí)，Qu的表觀溶解度為47 μg/mL，相對(duì)于其在水中的溶解度（2.84～8.28 μg/mL）提高了近10 倍。CCM的溶解度相比于Qu更差，幾乎不溶于水，但同樣具有降血脂、抗腫瘤、抗感染、抗炎、利膽、抗氧化等各種功能，在食品生產(chǎn)中主要用于腸類制品、罐頭、醬鹵制品等的著色。王攀等[35]利用PG吸附增溶CCM，形成PG-CCM復(fù)合物，當(dāng)PG質(zhì)量濃度為50 mg/mL時(shí)，CCM的溶解度達(dá)到了29.49 μg/mL，比CCM在水中的溶解度提高了近2681 倍，圖4即為增溶的示意圖[36]。此外，Rodriguez-Rosales等[36]也研究了PG對(duì)CCM的增溶作用，采用真空干燥法和噴霧干燥法制備了不同質(zhì)量比的PG-CCM固體分散體，并測(cè)定了固體分散體在緩沖溶液中CCM的溶出量，結(jié)果表明，固體分散體的可溶性CCM含量均顯著高于單獨(dú)的CCM（0.48 μg/mL），且隨著PG-CCM比例的增加而增加，這是由于較高的PG-CCM比例為CCM提供了更大的PG表面積，從而提高了其負(fù)載量；研究進(jìn)一步表明，噴霧干燥法制備的固體分散體的可溶性CCM含量高達(dá)60.8 μg/mL，明顯高于真空干燥法制備的固體分散體中可溶性CCM含量（2 μg/mL），溶劑干燥速度差異是導(dǎo)致出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因，噴霧干燥可快速去除溶劑，而真空干燥過(guò)程較長(zhǎng)，乙醇優(yōu)先脫除導(dǎo)致混合物中的水分相對(duì)較多，從而造成CCM結(jié)晶，溶解度下降。上述研究證實(shí)了PG與CCM的比例和分散體制備方法均影響CCM的溶出量。

圖4 PG對(duì)CCM的增溶示意圖[36]Fig.4 Schematic diagram for the solubilization effect of PG on curcumin[36]

3.2 穩(wěn)定劑

CCM是世界衛(wèi)生組織和美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局公認(rèn)的天然食品添加劑[37]，在食品領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，但在光照條件下易降解。研究表明，PG-CCM的形成可以提高CCM的光穩(wěn)定性，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合物中PG的含量越多，CCM保留率越高。韓興曼等[26]探究了PGCCM與相同含量的物理混合物（PG/CCM）中CCM的光穩(wěn)定性差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紫外光照射一定時(shí)間后，單獨(dú)的CCM保留率約25%，PG-CCM中CCM保留率約為79%，而物理混合物PG/CCM中CCM幾乎沒(méi)有損失，保留率仍在98%以上，上述研究表明物理混合物對(duì)CCM的穩(wěn)定效果強(qiáng)于復(fù)合物，這是由于形成的PG-CCM復(fù)合物分子間存在大量的氫鍵作用，導(dǎo)致分子由晶體狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)定形狀態(tài)[35]，通常情況下，晶體狀態(tài)的物質(zhì)穩(wěn)定性往往優(yōu)于無(wú)定形狀態(tài)。Onoue等[38]已證明，在極強(qiáng)的紫外光照射后，晶體狀態(tài)的固體分散體降解率僅為17%，而無(wú)定形固體分散體降解了約50%。盡管復(fù)合物的穩(wěn)定效果弱于物理混合，但總體來(lái)說(shuō)，PG的加入提高了CCM的穩(wěn)定性，基于此，多酚類化合物有望通過(guò)與PG結(jié)合，有效提高其穩(wěn)定性和生物利用率。

3.3 包衣

PG主要由缺乏脫支酶的含糖突變籽粒生物合成，比支鏈淀粉有更高的分支度，其表面非還原端高密度分布，具有良好的成膜性能[16]。Anderson等[39]猜測(cè)將PG作為可食性涂層可能會(huì)降低谷類食品對(duì)水分的吸收速度，所以以即食早餐麥片為例進(jìn)行研究，將PG水溶液噴灑在即食早餐麥片上，然后烘干，比較了有PG包衣和沒(méi)有包衣的早餐麥片浸泡在牛奶中的質(zhì)地變化，通過(guò)質(zhì)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，浸泡后有包衣的麥片比沒(méi)有包衣的麥片峰值力少下降20%，吸收的牛奶更少，質(zhì)地保存時(shí)間更久。這是因?yàn)镻G易溶于水，它作為包衣包裹在麥片表面優(yōu)先溶于水，從而保護(hù)了麥片，延緩了麥片的吸水速率。由此可證明PG可以成為改善即食谷類食品口感的優(yōu)異包衣材料，延長(zhǎng)保質(zhì)期，改善食品安全[40]。

3.4 抗菌膜

我國(guó)是世界上第一大水果生產(chǎn)國(guó)，據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)水果產(chǎn)量為28629.4萬(wàn) t，然而損耗量卻高達(dá)1億 t，換算經(jīng)濟(jì)價(jià)值超過(guò)1000億，這些損失主要是由于果蔬在運(yùn)輸與貯藏的過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械損傷、質(zhì)地變軟、顏色變深、細(xì)胞變老、營(yíng)養(yǎng)流失等問(wèn)題。目前的保鮮技術(shù)主要有氣調(diào)保鮮技術(shù)、低溫高濕保鮮技術(shù)、可食性涂膜保鮮和化學(xué)保鮮等。物理保鮮對(duì)于貯藏環(huán)境的溫度和濕度等控制較嚴(yán)格，且成本高、能耗大、冷鏈設(shè)施不完善；化學(xué)保鮮對(duì)一些抗氧化劑的使用條件要求較高，還可能存在安全隱患；而生物保鮮即用天然的多糖、蛋白質(zhì)、脂類等制成可食性涂膜更易被人們所接受。通過(guò)分子間相互作用形成可食用的薄膜，能有效抑制運(yùn)輸和貯藏過(guò)程中果蔬水分和營(yíng)養(yǎng)的流失，避免果蔬與外界氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)其抗病菌能力[41]，減少損失。

楊穎婷等[23]制備了PG納米保鮮劑，發(fā)現(xiàn)向薄膜中加入PG可增強(qiáng)薄膜的抗菌性，且添加量為5 μg/mL時(shí)效果最佳。王勁松等[42]以PG為抗菌劑，將其添加到殼聚糖（chitosan，CS）和甲基纖維素溶液中制成涂膜，應(yīng)用于雞蛋，發(fā)現(xiàn)此涂膜對(duì)雞蛋的保鮮有一定的效果。Yuan Dan等[43]提取了馬尾藻多糖（Sargassum pallidumpolysaccharides，SPP），將其添加到CS中，結(jié)合超聲處理制備了含SPP的多糖基可食性包裝膜，并命名為C2/SPUS，未超聲的命名為C2/SP，0.4、0.8、1.2表示加入SPP的質(zhì)量，單位為g（圖5），對(duì)照組、C2組、C2/SP0.4和C2/SP0.8組的草莓貯藏7 d后均發(fā)生萎縮與霉變，形態(tài)和顏色幾乎無(wú)顯著差異，只有C2/SP1.2包裝的草莓發(fā)霉程度相對(duì)較輕，而超聲處理的薄膜包裝草莓7 d后未出現(xiàn)明顯發(fā)霉，且隨著SPP含量的增加，保鮮效果越來(lái)越好。此外，李天密等[44]使用CCM作為抗菌劑添加到保鮮膜中，應(yīng)用于培根和火腿的保鮮，效果也較為明顯。因此可以用PG代替SPP，引入超聲的操作步驟，制成薄膜后應(yīng)用于保鮮領(lǐng)域，探究以PG為抗菌劑、經(jīng)過(guò)超聲與未超聲形成的薄膜抗菌能力的差異；也可以使用PG增加CCM的溶解度，將二者共同作為抗菌劑添加到可食性薄膜中，探究二者是否具有協(xié)同作用，能否對(duì)抗菌性產(chǎn)生積極作用，進(jìn)而保證果蔬、生鮮產(chǎn)品及肉制品的新鮮度，延長(zhǎng)貨架期。

圖5 草莓在不同的薄膜中保存形態(tài)對(duì)比[43]Fig.5 Comparison of strawberry morphology in different films[43]

3.5 保濕劑

PG表面含有大量緊密堆積的羥基，易與水形成氫鍵，在冷水中分散與溶解，黏度較低，具有良好的保水性和分散穩(wěn)定性[45-47]。當(dāng)PG分散在水中時(shí)，它以單分散、低黏度和高度水合的膠體顆粒形式存在[8,48]，具有良好的皮膚保濕作用。單玉飛等[29]制備了一種含有PG的乳液，發(fā)現(xiàn)實(shí)施例的角質(zhì)層平均含水量可達(dá)16.7%～19.6%，而對(duì)比例僅為9.8%～11.5%，PG有效提高了皮膚的含水量。婁保安等[49]研發(fā)了含有PG的精華液，PG能使精華液滲透到皮膚深層，增加皮膚的含水量和緊致度。安東·科列涅夫斯基等[50]制備了一種個(gè)人護(hù)理組合物，PG和透明質(zhì)酸表現(xiàn)出協(xié)同滋潤(rùn)保濕的作用。依靠其保水性，PG常作為潛在的透皮治療保濕劑被廣泛應(yīng)用于日化行業(yè)中[51]，并且目前已經(jīng)被列入了中國(guó)現(xiàn)有化妝品成分目錄中[52]。

3.6 其他

PG納米層的水化性質(zhì)導(dǎo)致了其顯著的潤(rùn)滑性能，結(jié)合其生物相容性，PG納米顆粒成為了一種非常有前途的生物環(huán)境潤(rùn)滑候選材料[45]，它還是研究水合水動(dòng)力學(xué)的理想樣品[8]；將PG與熒光素結(jié)合可做成一種新型的pH值依賴性生物傳感器，用于水中重金屬的檢測(cè)，隨著pH值的升高，熒光強(qiáng)度升高，當(dāng)有金屬離子存在時(shí)，熒光會(huì)被猝滅，熒光強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)的降低[53]；PG在基因傳遞過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用，其超支化結(jié)構(gòu)可保護(hù)DNA或RNA免受裂解，保留時(shí)間延長(zhǎng)[54]。此外，佐劑即免疫調(diào)節(jié)劑或免疫增強(qiáng)劑，是疫苗的一種添加劑，其本身沒(méi)有抗原性，但能增強(qiáng)機(jī)體對(duì)抗原的免疫應(yīng)答或改變免疫反應(yīng)的類型。陳坤等[55]已經(jīng)成功開發(fā)了一種植物糖原豬口服接種疫苗納米佐劑，PG釋放葡萄糖的速度小于普通淀粉，其在消化道內(nèi)不會(huì)被快速消化，可起到緩釋的作用，達(dá)到保護(hù)抗原的效果，其天然的納米尺寸效應(yīng)還能被免疫系統(tǒng)有效識(shí)別，更易刺激機(jī)體產(chǎn)生T細(xì)胞，提高保護(hù)能力[56]，PG有望在以后應(yīng)用于人的疫苗佐劑的研發(fā)中。

4 PG的改性

PG是近年來(lái)發(fā)展迅猛的新型納米材料，憑借自身優(yōu)異的性質(zhì)逐漸走入人們的視線，并廣受學(xué)界關(guān)注。然而PG在應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的同時(shí)，仍面臨包封率低、載藥能力差、對(duì)消化敏感、遞送電荷種類有限等應(yīng)用障礙，通過(guò)化學(xué)修飾引入所需基團(tuán)可解決上述問(wèn)題，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。已有專家學(xué)者采用酯化、取代、季銨化、羧甲基化等方式對(duì)PG進(jìn)行化學(xué)修飾（表2），獲得了良好的作用效果。

表2 PG化學(xué)修飾對(duì)功效的提高作用Table 2 Chemical modifications to improve the performance of PG

4.1 酸酐酯化

近年來(lái)，納米載體的發(fā)展引起了專家們極大的興趣，然而PG的高親水性和相對(duì)較低的包封率限制了其在包裹親脂分子方面的應(yīng)用[10]。為了提高PG的包封率，Xue Jingyi等[10]用不同的酸酐包括醋酸、戊酸和N-辛酸對(duì)PG納米顆粒表面的羥基進(jìn)行酯化，得到疏水性不同的PG納米顆粒，分別命名為AAPG、VAPG和CAPG（圖6A）。在酯化程度相同的條件下，CAPG比AAPG對(duì)CCM的包封率更高，而VAPG隨著酯化程度的增大，其對(duì)CCM的包封率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，所以可通過(guò)接枝不同種類或含量的酸酐增強(qiáng)疏水性，有效提高PG的包封率。

圖6 PG酯化反應(yīng)機(jī)理（A）[10]和VAPG-Z負(fù)載丁香酚/百里香酚示意圖（B）[18]Fig.6 Reaction mechanism of PG esterification (A)[10] and schematic diagram of VAPG-Z loaded with eugenol/thymol (B)[18]

Xue Jingyi等[18]在用VA修飾過(guò)的PG（VAPG）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使其與玉米醇溶蛋白相互作用，形成用于包裹疏水性抗菌化合物的新型納米絡(luò)合物（VAPG-Z）（圖6B），利用VAPG-Z和PG-Z分別負(fù)載丁香酚和百里香酚，測(cè)定其抗氧化活性和抗菌活性，發(fā)現(xiàn)負(fù)載丁香酚和百里香酚的納米復(fù)合物對(duì)食源性病原菌具有優(yōu)異的抗菌活性和抗氧化性，表明PG可作為一種可生物降解的納米級(jí)給藥系統(tǒng)，顯著提高生物活性化合物的溶解性和生物利用度[56]。

改性后的PG除了應(yīng)用于上述藥物的輸送方面外，將其運(yùn)用到果蔬貯藏的保鮮方面也意義非凡，即將經(jīng)過(guò)修飾的PG作為一種載體，負(fù)載活性物質(zhì)，添加到涂膜溶液中，可起到增溶和強(qiáng)化抗菌效果的作用。Xue Jingyi等[60]制備出負(fù)載百里香酚的VAPG-Z納米復(fù)合物后，采用浸泡、點(diǎn)接和直接涂覆的方式分別對(duì)生菜、哈密瓜和草莓3 種新鮮農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行涂膜，記錄貯存過(guò)程中的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)富含百里香酚的VAPG-Z納米復(fù)合物對(duì)3 種果蔬均有不同程度的保護(hù)作用。從圖7可看出，所有樣品均出現(xiàn)一定程度的脫水現(xiàn)象，但用納米復(fù)合物洗滌過(guò)的草莓顯然比水洗或未洗滌的對(duì)照品具有更新鮮的外觀[60]。水洗和未洗滌的草莓在室溫下放置3 d、4 ℃放置7 d后均出現(xiàn)腐爛，塑料袋密封的草莓雖未腐爛，但質(zhì)地變軟，只有涂覆納米復(fù)合物的草莓在這3 種情況下一直未出現(xiàn)變軟與腐爛的現(xiàn)象，說(shuō)明該納米復(fù)合物較好地發(fā)揮了抗菌作用，延長(zhǎng)了草莓在貯藏過(guò)程中的保質(zhì)期。研究還測(cè)定了負(fù)載百里香酚的VAPG-Z納米復(fù)合物和游離的百里香酚對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特菌、腸炎沙門氏菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度和最小殺菌濃度。結(jié)果表明，負(fù)載百里香酚的納米復(fù)合物比游離百里香酚的抑菌效果顯著，且最小抑菌濃度和最小殺菌濃度低，這是由于其具有比游離百里香酚更大的表面積，加大了它們與細(xì)菌接觸的概率，因此可以使用更少的納米復(fù)合物應(yīng)用于果蔬保鮮，并達(dá)到同樣的抗菌效果。

圖7 不同處理方式下草莓保鮮情況[60]Fig.7 Strawberry preservation using different treatment methods[60]

4.2 辛烯基琥珀酸取代

通過(guò)辛烯基琥珀酸修飾的PG也可以降低親水性。王勁松等[11]將PG進(jìn)行辛烯基琥珀酸取代反應(yīng)后，通過(guò)調(diào)節(jié)pH值制得疏水性納米PG，隨后加入中鏈甘油三酯，制成疏水性納米PG的Pickering乳液，研發(fā)出一種可食性納米涂膜保鮮劑。保鮮劑中利用疏水性納米PG的Pickering乳液作為包埋材料包埋了兩種抗菌物質(zhì)，即肉桂醛和抗菌肽Enterolysin A，使得兩種抗菌劑產(chǎn)生了極好的協(xié)同作用，既延長(zhǎng)了抗菌劑的藥效，又有效提高了抗菌劑的活性，將涂膜運(yùn)用于葡萄的抑菌保鮮，對(duì)照組葡萄僅能貯藏約20 d，而實(shí)驗(yàn)組可貯藏35 d，效果極其顯著。

辛烯基琥珀酸取代的PG除了運(yùn)用于涂膜保鮮中，還可以添加到食品中。Scheffler等[61]將PG和糯玉米淀粉（waxy corn starch，WCS）分別進(jìn)行辛烯基琥珀酸取代反應(yīng)，制備了不同取代度的PG-OS和WCS-OS，并將二者分別與液態(tài)魚油進(jìn)行高能均質(zhì)，從而形成了納米乳液。貯藏4 周后，納米乳液的粒徑均有所增加，在低取代度下，PG-OS在穩(wěn)定魚油乳液方面表現(xiàn)出與WCS-OS相似的能力，但在高取代度下，含有WCS-OS的乳液粒徑增加了102 nm，含有PG-OS的乳液粒徑僅增加了29 nm，表現(xiàn)出更好的乳化性，這是因?yàn)檩^高的取代度會(huì)導(dǎo)致疏水PG在油滴表面的疏水結(jié)合增強(qiáng)，從而增加油滴之間的排斥力，使乳化性能更好。Ye Fan等[62]以PG-OS為穩(wěn)定劑制備了中鏈三酰甘油水包油Pickering乳液，PG-OS的Zeta電位顯著降低，表明納米乳液具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性，PG水油接觸角為79.6°，而PG-OS的水油接觸角為92.8°，大于90°，表明它是水包油乳狀液的良好乳化劑，具有一定的抗聚結(jié)作用。圖8為疏水PG納米顆粒形成的水包油Pickering乳液模型[62]，在乳液形成后，PG-OS納米粒子分布在液滴的油水界面上，為單個(gè)油滴之間提供空間位阻、疏水結(jié)合和靜電斥力，從而提高了乳狀液的穩(wěn)定性[15]。因此PG-OS作為乳化劑未來(lái)還可用于抵抗淀粉老化，或者添加到乳飲料、冰淇淋和奶油等乳化性不太優(yōu)異的食品中，增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高食品質(zhì)量，改善口感。

圖8 疏水性PG納米顆粒形成的Pickering乳液模型[62]Fig.8 Pickering emulsion model formed by hydrophobic PG nanoparticles[62]

此外，Bi Lin等[57]為了提高PG的包封率和載藥能力，進(jìn)而延長(zhǎng)抗菌肽(乳鏈菌素，以下簡(jiǎn)稱Nisin)對(duì)病原體（單核細(xì)胞增生李斯特菌）的療效，對(duì)來(lái)自Su1突變體玉米的PG進(jìn)行β-淀粉分解、琥珀酸或辛烯基琥珀酸取代反應(yīng)后作為Nisin的遞送載體吸附Nisin，最終選出負(fù)載量最大的兩個(gè)樣品，即PG-OS(0.12)（辛烯基琥珀酸修飾）和PGB-OS(0.12)（β-淀粉分解且辛烯基琥珀酸修飾），進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn)。圖9表明抗菌肽對(duì)病原體的療效延長(zhǎng)起到了較明顯的作用[57]，7 d后，Nisin的活性降為0，而辛烯基琥珀酸修飾后負(fù)載Nisin的樣品活性明顯；15 d后，PGB-OS(0.12)的活性明顯，而PG-OS(0.12)的活性幾乎喪失。這說(shuō)明取代反應(yīng)提高了PG的負(fù)載能力，從而使Nisin通過(guò)與陰離子納米粒子形成疏水和靜電相互作用，提高了自身的保留時(shí)間，表現(xiàn)出了更好的抗菌活性。

圖9 不同輸送系統(tǒng)下Nisin抗單核細(xì)胞增生李斯特菌的活性[57]Fig.9 Inhibitory activity of nisin against Listeria monocytogenes in different delivery systems[57]

4.3 雙酶修飾

PG作為一種超支化的葡聚糖納米顆粒，雖然具有包裹生物活性物質(zhì)的潛力，但它對(duì)消化降解非常敏感，這就在一定程度上限制了其作為生物活性化合物口服載體的應(yīng)用[12]。Miao Ming等[7]從不同含糖量的Su1玉米突變體中提取出水溶性PG，并通過(guò)酶介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶與β-淀粉酶聯(lián)合使用進(jìn)行酶解，使α-1,4-糖苷鍵轉(zhuǎn)化為α-1,6-糖苷鍵，雙酶修飾增加了PG表面α-1,6-糖苷鍵的比例。通過(guò)測(cè)定與計(jì)算表明，不同突變體中的α-D-葡聚糖消化率之間存在差異，α-1,6-糖苷鍵含量高的樣品的消化率反而低，在α-1,6-糖苷鍵比例為6.81%的樣品中，快速消化淀粉的比例為72.55%，緩慢消化淀粉為17.39%，抗性淀粉僅為10.06%；而在α-1,6-糖苷鍵比例為7.71%的樣品中，快速消化淀粉比例為69.13%，緩慢消化淀粉為16.82%，抗性淀粉達(dá)到了14.05%。因此α-1,6-糖苷鍵的水解很可能是減緩葡萄糖釋放的步驟，從而導(dǎo)致水溶性α-D-葡聚糖的消化率低于淀粉。雙酶修飾提高了PG的耐消化性，減緩了消化速度，使其有望成為優(yōu)異的生物活性成分的口服給藥系統(tǒng)[15]。

4.4 季銨化

為了使PG不僅僅局限于遞送帶正電荷的生物活性化合物，Lu Fangjia等[58]在PG和辛烯基琥珀酸酐反應(yīng)的基礎(chǔ)上引入了帶正電的季銨基團(tuán)，對(duì)骨髓來(lái)源的樹突狀細(xì)胞進(jìn)行了卵清蛋白（ovalbumin，OVA）抗原攝取研究，發(fā)現(xiàn)修飾后的陽(yáng)離子PG-OVA復(fù)合體能有效地被樹突狀細(xì)胞吞噬，陽(yáng)離子PG促進(jìn)了陰離子生物活性物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。體內(nèi)炎癥研究也表明，負(fù)載后可誘導(dǎo)許多炎癥細(xì)胞在注射部位聚集，與OVA單獨(dú)注射相比，具有良好的免疫應(yīng)答[15]。季銨化的PG可有效延長(zhǎng)抗原在體內(nèi)的保留時(shí)間和提高細(xì)胞攝取能力[56]，對(duì)于我國(guó)出現(xiàn)的傳染性或者流行性疾病，季銨化的PG完全可以應(yīng)用于疫苗佐劑的研發(fā)，誘發(fā)高效的特異性免疫反應(yīng)，提高機(jī)體的保護(hù)能力，同時(shí)減少免疫物質(zhì)的用量，降低疫苗的成本。

4.5 羧甲基化

羧甲基化常用于多糖的化學(xué)修飾，可以使多糖發(fā)生衍生化或轉(zhuǎn)化，進(jìn)而改變多糖的性質(zhì)。Hu Xiuting等[59]通過(guò)磷酸化酶對(duì)PG進(jìn)行羧甲基化和鏈延長(zhǎng)，成功制備了pH值響應(yīng)型水凝膠，并對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明，葡聚糖鏈在羧甲基化PG的非還原末端被延長(zhǎng)，形成的雙螺旋作為交聯(lián)點(diǎn)，形成了呈多孔狀和相互連通形態(tài)的水凝膠。羧甲基化使水凝膠表現(xiàn)出對(duì)pH值的響應(yīng)行為，pH值為3～5時(shí)，凝膠體積較??；pH值為6～8時(shí)，由于靜電斥力，凝膠體積變大，由此構(gòu)建了基于人體胃腸道pH值差異的生物活性成分體內(nèi)控釋系統(tǒng)[59]。Chen Yuhao等[12]為了改善消化敏感性，將PG羧甲基化，使PG轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娓缓瑤ж?fù)電荷的羧基的聚電解質(zhì)，制備兩親性蛋白質(zhì)分子酪氨酸鈉，通過(guò)pH值和加熱誘導(dǎo)絡(luò)合形成納米絡(luò)合物，實(shí)現(xiàn)了很好的包封率和遞送能力。

5 結(jié)語(yǔ)

PG作為一種新型天然的納米材料，綠色且安全，與合成材料相比，具有可食用性和可生物降解性，并且依靠外緊內(nèi)松的高度支化結(jié)構(gòu)常被用作結(jié)構(gòu)性支架以開發(fā)功能性生物聚合物[63]，與多種活性物質(zhì)相結(jié)合，最大程度上發(fā)揮活性物質(zhì)的功能，這與人們追求的綠色健康飲食理念高度符合，廣受國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。由此，近年來(lái)PG的應(yīng)用日益增多，尤其在食品領(lǐng)域中，PG具有較大的發(fā)展。PG常作為增溶劑、穩(wěn)定劑和抗菌劑負(fù)載活性物質(zhì)，應(yīng)用于食品中或者包裝方面，增加了食品的功能性，促進(jìn)了食品包裝膜的創(chuàng)新發(fā)展。經(jīng)化學(xué)修飾后的PG添加到食品中常用于改善食品的乳化性，提高食品的外觀和品質(zhì)，改善耐消化性，提高包封率和遞送能力，有效促進(jìn)了食品行業(yè)的發(fā)展。

綜上所述，PG具有多重生物活性，但關(guān)于PG的相關(guān)研究仍存在不足之處，需進(jìn)一步研究與探索：1）為進(jìn)一步提高PG提取率與純度，未來(lái)可使用超聲和微波聯(lián)合酶解提取PG，利用蛋白酶除去結(jié)合態(tài)蛋白質(zhì)，進(jìn)一步純化PG，并系統(tǒng)分析不同提取純化方法導(dǎo)致的PG提取率、純度、結(jié)構(gòu)與性能差異；2）科學(xué)研究是為了解決實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展，然而目前只是停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，亟需開發(fā)適合大規(guī)模生產(chǎn)的PG提取工藝；3）目前大多數(shù)研究利用PG與其他物質(zhì)形成二元復(fù)合體，未來(lái)可嘗試對(duì)PG進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，提升其應(yīng)用價(jià)值；4）關(guān)于PG的二元復(fù)合體安全性只停留在體外模擬胃腸道實(shí)驗(yàn)上，需進(jìn)一步探究體內(nèi)胃腸道實(shí)驗(yàn)，揭示其吸收與代謝途徑，為PG在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。