木聚糖及其衍生物的合成與性能研究進展

＊李明坤 李和平 謝超煜

（桂林理工大學化學與生物工程學院 廣西 541004）

隨著人類對自然環(huán)境保護意識的提高，為了解決石油等礦物資源帶來的一系列環(huán)境問題，采用可降解生物質(zhì)資源代替石油等礦物資源的研究已成為科研人員研發(fā)的熱點項目[1]。由于植物的可再生性，利用植物及植物廢棄物等資源作為現(xiàn)代材料、化學品的原料具有深遠的意義。隨著生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)木聚糖（BX）不僅蘊藏著豐富的生物質(zhì)能，還是綠色化學品、天然高分子材料的寶庫。

木聚糖是由半纖維素中提取出來的，生物相容性、生物降解性和生物活性是其優(yōu)異的生物學特性。一般情況下，BX是以β-(1→4)木糖苷鍵連接D-木糖殘基為主鏈的復雜分子多聚糖，其側(cè)鏈上含有許多阿拉伯糖和香豆酸等基團。木聚糖是世界上含量第二多的異質(zhì)多聚五碳糖，主要存在于植物細胞壁中，占植物細胞干重的15%～35%。由于木聚糖每個循環(huán)結(jié)構的C2、C3位存在羥基，使得木聚糖可以進行一定的化學修飾。因其羥基的存在，接枝共聚、酯化、醚化等常用的化學修飾方法可以將活性基團引入到木聚糖的分子結(jié)構上，增強它的生物活性和物理性能等，使其能夠在食品、造紙、生物、醫(yī)藥、材料等領域進行應用，產(chǎn)生相應的經(jīng)濟價值，前景廣闊。

在本文中，以木聚糖的抗癌活性為起點，介紹木聚糖的抗癌活性研究進展，然后對木聚糖的酯化改性、接枝共聚、醚化改性這三種改性衍生物的合成及性能進行闡述；并對今后的木聚糖衍生物的合成提出了建議，以期為木聚糖的深入研究提供參考?？梢詾樯?、精細化工、食品、藥物、藥物載體和功能性材料等方面開辟新的思路。

1.木聚糖的抗癌活性研究

Cao等[2]發(fā)現(xiàn)麥麩阿拉伯木聚糖（AX）在S180荷瘤小鼠中，經(jīng)過AX的給藥小鼠可移植腫瘤的生長得到了明顯的抑制，胸腺和脾臟指數(shù)也得到了顯著提高，并增強了NK細胞活性、巨噬細胞吞噬活性和脾細胞增殖，同時還增加了白介素2的產(chǎn)生以及遲發(fā)型超敏反應，此外，AX還增加了S180荷瘤小鼠的外周血白細胞計數(shù)和骨髓細胞。增加白介素2（IL-2）的產(chǎn)生和遲發(fā)型超敏反應。Melo-Silveira等[3]從玉米芯中通過堿性水解和超聲的方法，獲得了130kDa的雜木聚糖，該木聚糖表現(xiàn)出了高度的鐵螯合力和強氧化性，而且具有明顯的對人HeLa腫瘤細胞的抗增值活性，并且在3T3細胞中沒有活性。作者還提出，該活性很有可能與其基團中的羥基有關，從而使木聚糖成為具有多種功能藥物潛力的化合物。Cholujova等[4]證明阿拉伯木聚糖MGN-3是天然的NK細胞的激活劑，凋亡和細胞因子產(chǎn)生的誘導劑，以及樹突狀細胞（DC）成熟和體外分化的調(diào)節(jié)劑，經(jīng)MGN-3治療的患者的NK活性明顯增加，外周血中髓樣DC的水平增加，T輔助細胞1型相關細胞因子的濃度增加。

2.木聚糖的化學改性及研究進展

木聚糖是一種長分子鏈的多糖，每個單元分子都具備活性羥基，因此木聚糖具有比葡萄糖等單糖分子更廣泛應用范圍。隨著科研人員的不斷深入研究，對木聚糖的改性研究也越來越多，通過改性能夠在木聚糖分子鏈上插入許多功能性基團，提高木聚糖的機械性能和理化性能，擴大木聚糖的應用范圍。

(1)酯化改性

酯化改性是增強木聚糖生物活性以及功能特性最重要的方法之一。酯化反應能夠提高木聚糖的溶解度、降低結(jié)晶度、提高生物活性等。木聚糖的酯化反應分為均相酯化和非均相酯化兩種，非均相酯化反應一般以水為溶劑，但是酯化產(chǎn)物取代度低、均一性差，均相酯化反應一般在一些有機溶劑和堿液中進行。

硫酸酯化是多糖酯化改性的重要手段之一。木聚糖的硫酸酯化反應是磺酸基于木聚糖C2、C3位羥基發(fā)生酯化脫水的過程。常用的硫酸酯化的試劑一般為濃硫酸、氯磺酸、三氧化硫、液態(tài)二氧化硫等。常用的溶劑有甲酰胺、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、吡啶等。硫酸化木聚糖不僅在歐洲各國用作抗凝血藥物，同時木聚糖硫酸鈉也被美國FDA批準作為治療間質(zhì)性膀胱炎的口服藥物。

除了硫酸酯化，其他羧酸酯化修飾的木聚糖也多顯現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Fu[5]等將硬脂酸（SA）引入到粘膠纖維廠獲得的木聚糖上，合成了功能性衍生聚合物，通過透析合成了SA-X納米粒子，經(jīng)過測試平均粒徑為194nm，并以酮洛芬作為疏水模型藥物用于負荷功能評價，得到包封率為64%，藥物釋放率為43.6%的具有負載功能的納米顆粒。Gericke M等[6]制備了木聚糖碳酸苯酯（XPC）衍生物，對其進行了全面表征。實驗確定了該木聚糖衍生物取代度（DS）可達2.0，即完全官能化，同時也確認了離子液體作為木聚糖反應過程中的良好溶劑，是一種合適的反應介質(zhì)。

(2)接枝改性

許多具有較理想生物活性的多糖因為水溶性差未被使用，通常我們可以通過接枝改性將離子基團或其他親水基團引入多糖分子中增加多糖的水溶性。多糖水溶性的增加可以將多糖轉(zhuǎn)化為理想的注射劑或其他劑型，從而更好地發(fā)揮其生物活性。

接枝共聚是木聚糖化學改性的重要方法之一。在引發(fā)劑的作用下，使木聚糖和單體產(chǎn)生自由基，進行接枝共聚反應，接枝的單體可以是丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、聚丙烯酰胺等。接枝共聚可為木聚糖引進新的功能基團，改善木聚糖的性質(zhì)。既能保持木聚糖的優(yōu)良特性，又能賦予其新的功能。

Gao等[7]以木聚糖為原料，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑，與N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸制備出具有溫度、pH敏感的水凝膠。制備的水凝膠的包封率達到97.60%，乙酰水楊酸的累積釋放率為90.12%，分別在腸道和胃液中占35%?；谀揪厶堑乃z已通過MTT分析證明與NIH3T3細胞具有生物相容性，并顯示出作為有針對性的藥物用于腸道靶向口服給藥的載體。

Sun等[8]制備了一種基于木聚糖和聚丙烯酸的半互穿網(wǎng)絡復合水凝膠，該水凝膠具有出色的熱穩(wěn)定性，磁性和pH敏感特性，可廣泛應用于可用于藥物釋放領域。彭[9]等以半纖維素為原料，MBA為交聯(lián)劑，在過硫酸銨/四甲基乙二胺氧化還原體系引發(fā)下與丙烯酸自由基接枝聚合制備了具有多重響應的智能水凝膠。而且，對比在NaCl和CaCl2溶液中的溶脹行為發(fā)現(xiàn)，水凝膠對NaCl有明顯的刺激響應。實驗結(jié)果表明半纖維素基水凝膠在離子吸附和分離及藥物釋放領域具有潛在應用。

(3)醚化改性

醚化改性是一種常見的多糖改性方式，常見的醚化改性有烷基化改性、季銨化改性等。在這些醚化改性中，對木聚糖進行羧甲基化改性是一種廣泛使用的改性方式，經(jīng)過羧甲基化的木聚糖可以增加它的水溶性和電負性，增強或改善生物活性，對提高機體免疫力有很大作用，在生物材料等方面具有較高的價值，可廣泛用于醫(yī)藥、材料等行業(yè)。

Yang[10]等以羧甲基木聚糖為基質(zhì)，木聚糖衍生的碳點（CD）作為光轉(zhuǎn)化劑和納米增強材料，制備出一種新型可持續(xù)光轉(zhuǎn)換納米薄膜，結(jié)果表明，由于CD與羧甲基木聚糖之間的化學反應，CD不僅可以顯著提高納米復合薄膜的機械性能，而且還可以賦予膜優(yōu)異的光學性能。Hettrich等[11]制備出非離子型的二羥丙基木聚糖和離子型的羧甲基木聚糖。并比較了不同的制備方法對取代度的影響。二羥丙基木聚糖的合成方法對取代度的影響并不明顯。相反，羧甲基木聚糖的合成方法對取代度的影響較為顯著，并且大部分顯示出良好的水溶性，從而可以由羧甲基木聚糖的水溶液制備穩(wěn)定，透明且可染色的膜。

(4)氧化改性

木聚糖的氧化改性過程主要是在C2、C3活性羥基上引進特殊的官能團，而不會出現(xiàn)較大的支鏈，一般通過無機氧化物的氧化作用獲得。在木糖單元的基礎上，以高錳酸鉀為氧化劑，氧化木聚糖發(fā)現(xiàn)，木聚糖的氧化過程包括快速氧化與緩慢氧化兩個階段；當以溴水為氧化劑時，經(jīng)過實驗的探討研究發(fā)現(xiàn)木聚糖的氧化改性發(fā)生在木聚糖的主鏈C2和C3上；當以過氧化鈉為氧化劑，采用從梧桐與小麥中提取的木聚糖進行氧化時，發(fā)現(xiàn)木聚糖的氧化衍生物已經(jīng)生成，但是在反應過程中存在一定量木聚糖的降解；同樣HIO4/NaClO2也可以作為木聚糖氧化改性的氧化劑，在氧化過程中還具有氧化選擇性。木聚糖通過氧化改性的方式，可以為木聚糖獲得更好、更多的應用性能及活性提供反應活性基團，使其可以鏈接更多有用的官能團及支鏈，起到一個橋梁的作用。也為木聚糖在多領域的研究提供了一個更好的平臺。

(5)交聯(lián)改性

木聚糖的交聯(lián)改性主要是通過交聯(lián)劑“手拉手”的方式，使木聚糖與鏈接分子在交聯(lián)劑的作用下，發(fā)生鏈的增長過程及分子網(wǎng)絡化作用。木聚糖的活性基團與交聯(lián)劑的活性基團作用，伸出交聯(lián)分支，使交聯(lián)劑的活性基團與鏈接分子的活性基團作用，從而達到木聚糖自身交聯(lián)的目的。乙二醛、三聚磷酸鈉及環(huán)氧氯丙烷等是比較常用的交聯(lián)劑。木聚糖交聯(lián)改性后，其抗壓強度、耐酸堿性能及耐腐蝕性能等都有顯著改善。

(6)復合改性

通過醚化、接枝和酯化等一系列化學改性，增強木聚糖的生物活性，但目前研究多為單改性，對復合改性的研究才剛剛起步。Bouramtane等[12]通過復合改性，合成了由硅核和帶有5-(4-羥苯基)-10,15,20-三苯基卟啉（TPPOH）殼的木聚糖形成的核-殼雜化納米顆粒，體外分析顯示，與游離TPPOH相比，經(jīng)木聚糖涂覆的納米顆粒對HCT116細胞和HT-29細胞的效力分別高40倍和10倍。Luís等[13]將羧甲基木聚糖與甘草精油混合得到可食用薄膜。此外，這些膜具有抑制糞腸球菌和單核細胞增生李斯特菌生長的能力。Kong等[14]將已通過馬來酸酐改性的木聚糖與N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸進一步交聯(lián)聚合制備了MAHX-g-P(NIPAm-co-AA)水凝膠。結(jié)果證明，經(jīng)過復合改性的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的溶脹-溶脹性能，均勻的多孔結(jié)構以及溫度/pH雙重敏感性。Debashis和Tamal在[15]堿性介質(zhì)中將羧甲基纖維素（CMC）和木聚糖基均聚物合改性得到共聚CMC-木聚糖凝膠。Wu等[16]經(jīng)過復合改性制備出木聚糖-殼聚糖-鋅絡合物（XCGZC），結(jié)果表明XCGZC的IC50為5.37mg/mL，等于3.28mg/mL BHT的抗氧化能力，而且XCGZC對草芽孢桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、巨大芽孢桿菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性。

3.結(jié)束語

木聚糖是天然存在的且含量豐富的多糖，具備抗癌活性。對木聚糖的羥基進行化學修飾能夠改善其穩(wěn)定性，水溶性及其生物活性。為此對木聚糖進行有目的的化學修飾是可行的，但目前單一修飾的木聚糖衍生物存在活性較低，功能性較差的問題，提出兩點建議以供后續(xù)研究參考：

（1）木聚糖是一種具備長鏈結(jié)構的多糖，每個分子單元具備兩個活性羥基，通過單一的改性手段修飾木聚糖，不能有效利用木聚糖結(jié)構單元的活性羥基，為此建議通過多種修飾方法對木聚糖進行化學改性，能夠合理的利用木聚糖上的活性羥基，也能夠更好的增強分子鏈的數(shù)目以及長度，提供更為優(yōu)異的理化性能，使其應用在食品、醫(yī)藥、材料、環(huán)境等相關領域。

（2）復配改性修飾的方法是一種有效提高生物活性的手段。通過將木聚糖與其他同樣具備多種生物活性的物質(zhì)進行復配，然后經(jīng)上述改性手段進行修飾或者多種改性方式依次修飾，并通過交聯(lián)的手段合成具備空間網(wǎng)絡構型的高分子衍生物，結(jié)合兩種物質(zhì)的活性一般可以獲得更高的生物活性。