普魯蘭多糖的改性處理研究進展

張霖雲，黃崇杏，黃興強，王健

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

普魯蘭多糖，又名支鏈淀粉，化學結構式為（C6H10O5）n，白色不吸濕的粉末，是出芽短梗霉在有氧條件下產生的一種細胞外黏性多糖[1-2]，無毒，無味，無致突變，可食用[3]，易于在水中溶解。普魯蘭多糖的數均分子量（Mn）約為100 kDa ～200 kDa，重均分子量（Mw）約為 362 kDa～480 kDa[4]，Mw/Mn 的值在 2.1 和4.1 之間[5]。普魯蘭多糖的規(guī)則重復結構單元是由α-（1，4）糖苷鍵連接的α-（1，6）麥芽三糖單元[6]（如圖1）。（1→4）和（1→6）糖苷鍵的規(guī)則交替導致普魯蘭多糖具有柔韌的結構和較強的溶解度[7]。獨特的連接模式還賦予普魯蘭多糖獨特的物理特性[8]，黏合性能及其形成纖維，拉壓縮模塑和不透氧膜的能力[9]。因此，普魯蘭多糖是極好的食品保鮮材料和藥物封裝材料[10]。普魯蘭多糖具有很少的卡路里，對哺乳動物淀粉酶具有抗性[8]，可以作為老鼠和人類的膳食纖維。普魯蘭多糖也可用作面食或烘焙食品中淀粉的部分替代品，它能夠提高食品的保質期，因為普魯蘭多糖不是容易引起食物腐敗的細菌、霉菌和真菌的可吸收碳源[11]。普魯蘭多糖水溶液的黏度與普魯蘭多糖的分子量成比例[12]，可以用作飲料和調味汁中的低黏度填料[13-14]，也可以用作組織工程應用中的高黏度填料[15]。普魯蘭多糖在干燥時具有較好的黏合性能[16]，并且普魯蘭多糖的黏度不受加熱，pH 值變化和大多數金屬離子的影響，因此普魯蘭多糖可用作食品糊中的黏合劑和穩(wěn)定劑，它也可以用來將堅果黏在餅干上。普魯蘭多糖可用于生產絮凝劑，其絮凝活性與分子量大小成正比[17]。普魯蘭多糖可用于開發(fā)納米粒子和水凝膠，用于醫(yī)藥行業(yè)[18-19]和基因遞送工程[20-21]。普魯蘭多糖具有優(yōu)異的紙張涂層黏合性，可用于紙張的生產。普魯蘭多糖在化妝品應用中也有一席之地[22]。

圖1 普魯蘭多糖的分子結構Fig.1 Molecular structure of pullulan

然而，普魯蘭多糖是中性多糖，不具有電負性。普魯蘭多糖膜具有脆性、親水性、缺乏抗菌性[23]。普魯蘭多糖轉化效率較低，生產成本高[24]。這限制了它在食品保鮮、包裝、醫(yī)藥方面的應用。為了拓展普魯蘭多糖在包裝等方面的應用，有必要對其進行改性，滿足更高的使用要求[25]。本文從物理改性和化學改性兩方面介紹了國內外普魯蘭多糖改性處理的最新研究成果，供相關科研人員參考。

1 物理改性

1.1 普魯蘭多糖與高聚物材料共混

肖茜等[26]在普魯蘭多糖成膜液中添加了海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉制備可食用薄膜，研究了這兩種物質對薄膜性能的影響。結果表明，海藻酸鈉的加入改善了膜的性能。這可能是因為普魯蘭多糖和海藻酸鈉分子之間相互纏繞，并且存在著大量的分子間氫鍵，故形成了致密的網狀結構，使混合膜的拉伸強度增大，水蒸氣透過率減小，阻氧性增強。羧甲基纖維素鈉與混合膜液中的海藻酸鈉產生了增強協(xié)同作用，使薄膜的致密性更好，混合膜的性能更佳。將普魯蘭多糖/海藻酸鈉/羧甲基纖維素鈉混合薄膜用于芒果保鮮，可以有效地防止芒果褐變，降低呼吸作用，延長芒果的儲藏期。

Tony Diab 等[27]在普魯蘭多糖涂膜液中摻入了山梨糖醇和蔗糖脂肪酸酯，研究其對普魯蘭多糖基食用涂層的吸水行為和熱力學性能的影響以及普魯蘭多糖基涂層對草莓的保鮮效果。結果表明，在含水量為2%～8%的范圍內，隨著水分含量的增加，由普魯蘭多糖或普魯蘭多糖與15%山梨糖醇混合制成的薄膜的彎曲模量和最大應力也在增加；當水含量超過該范圍時，觀察到強軟化效果。山梨糖醇的添加增加了膜的水蒸氣透過率，而蔗糖脂肪酸酯的添加具有相反的效果。在草莓上應用普魯蘭多糖/山梨糖醇/蔗糖脂肪酸酯涂層導致涂層內部氣體組成發(fā)生變化，涂層水果顯示出更高水平的二氧化碳，內部氧氣大量減少，更好的堅固性和保色性以及減少的重量損失率。

Jia Wu 等[28]探究了殼聚糖和羧甲基殼聚糖的摻入對普魯蘭多糖薄膜性能的影響。結果表明，添加殼聚糖或羧甲基殼聚糖改變了普魯蘭多糖膜的柔韌性。當羧甲基殼聚糖與普魯蘭多糖的質量比達到3∶1 時，共混膜顯示出比羧甲基殼聚糖和普魯蘭多糖膜更高的拉伸強度。當殼聚糖和普魯蘭多糖按相同比例混合時，共混膜具有最佳的力學性能和氧氣阻隔性能。這可能是因為殼聚糖和普魯蘭多糖之間形成了大量的分子間氫鍵，增加了共混膜的致密性。

Jong-Yea Kim 等[29]研究基于木薯淀粉和普魯蘭多糖的復合薄膜對干燥和潮濕儲存的穩(wěn)定性。結果表明，含有木薯淀粉（5%）和普魯蘭多糖（2%～10%）的復合薄膜在持續(xù)2 周的85%濕度環(huán)境儲存期間表現(xiàn)出改善的穩(wěn)定性，降低了吸濕性并減少了變形。隨著木薯淀粉摻入量的增加，薄膜變得更加堅硬，表現(xiàn)出拉伸強度的增加，但斷裂伸長率卻降低。通過使用合適的復合比例（5%淀粉和2%或5%普魯蘭多糖），可以最佳地制備薄膜以顯示出機械強度和對濕度的儲存穩(wěn)定性。這可能是因為木薯淀粉和普魯蘭多糖產生了大量的分子間氫鍵，增強了膜的機械性能，降低了膜對濕度的敏感性。

綜上所述，普魯蘭多糖與其他材料共混成膜，能夠產生大量的分子間氫鍵，增強膜的機械性能，改善膜的疏水性能。物理共混極大的提升了普魯蘭多糖的保鮮作用，增加了普魯蘭多糖的應用價值。

1.2 普魯蘭多糖與抗菌劑共混

TNuno H.C.S.Silva 等[23]以普魯蘭多糖和溶菌酶納米纖維為基材通過溶劑澆鑄法制備納米復合膜。與塑化的普魯蘭多糖膜相比，摻有15.0%（質量分數）溶菌酶納米纖維的復合膜的楊氏模量增加了47.9%，斷裂伸長率降低80%，表明納米復合膜的剛度更高。與沒有自由基清除活性的普魯蘭多糖膜相比，摻有15.0%（質量分數）溶菌酶納米纖維的復合膜的自由基清除活性為（76.7±2.5）%。與沒有抗菌性的普魯蘭多糖膜相比，在普魯蘭多糖基質中僅加入5%（質量分數）的溶菌酶納米纖維足以抑制金黃色葡萄球菌的生長，加入15%（質量分數）的溶菌酶納米纖維的納米復合薄膜的滅菌效率≥99.9%。結果表明，溶菌酶納米纖維/普魯蘭多糖納米復合薄膜非常均勻，透明且有光澤，并且具有高機械性能和高達225 ℃的熱穩(wěn)定性，具有極強的抑菌性能。

由圖5可以看出使用硬件加速核和軟件函數庫兩種方式所得到的局部方向場估計圖基本一致。最后將每個無重疊子塊的方向場圖拼接在一起就可以形成指紋圖像的方向場圖。

Trevino-Garza 等[30]在普魯蘭多糖涂膜液中摻入了抗菌劑殼聚糖，涂覆于鮮切菠蘿表面進行保鮮，并對其保鮮效果進行了表征。結果表明，與純普魯蘭多糖涂層相比，殼聚糖使復合涂層具有了抗菌性，普魯蘭多糖/殼聚糖復合涂層有效的抑制了微生物在鮮切菠蘿表面的滋生，保持了菠蘿的質量特性（顏色、氣味、味道、質地和整體接受度），延長了鮮切菠蘿6 d 的保質期。

葛晨等[31]基于普魯蘭多糖復合抗菌劑槐糖脂制備了天然抗菌薄膜，并對制膜工藝進行了探究，并將該膜應用于櫻桃保鮮。結果表明，普魯蘭多糖/槐糖脂抑菌保鮮膜對于大腸桿菌和白色假絲酵母菌具有較好的抑制效果，對于櫻桃的保鮮效果與空白組相比效果顯著。

Synowiec Alicja 等[32]把不同濃度甜羅勒提取物加入到普魯蘭多糖溶液中，涂覆于蘋果表面制備抗菌涂層，達到保鮮蘋果的效果。結果發(fā)現(xiàn)含有甜羅勒的普魯蘭涂層對嗜溫細菌具有低抗菌活性，并且對蘋果表面上的根霉具有良好的抗真菌保護作用。該涂層還有助于減少重量損失并減少儲存期間水果的顏色和可溶性固體的變化。

Ping Shao 等[9]使用普魯蘭多糖和羧甲基纖維素鈉復合抗菌劑茶多酚制作電紡納米纖維薄膜，并用于草莓保鮮。結果表明，茶多酚穩(wěn)定地摻入到了普魯蘭多糖/羧甲基纖維素鈉復合納米纖維薄膜中，使其具有抗菌性。復合薄膜顯著降低了草莓的重量損失并保持了草莓的堅固性，在儲存期間改善了水果的質量。通過具有成本效益的環(huán)境條件流程，這可以減少浪費并提高可持續(xù)性。

Zhang S 等[10]制備了摻入不同濃度辣椒素的一系列海藻酸鈉/普魯蘭多糖復合膜。8%辣椒素的摻入使復合膜的拉伸強度增加了19.22%，斷裂伸長率降低了34.47%。此外，隨著辣椒素含量的增加，復合膜的水蒸氣透過率增加，水分含量減少。同時，復合薄膜對紫外和可見光具有更好的阻隔性能。復合膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現(xiàn)出良好的抗菌性。對蘋果進行的保鮮試驗表明，摻入辣椒素的復合薄膜可以延長蘋果的貨架期。因此，普魯蘭多糖抗菌復合膜具有用于食品包裝的潛力。

1.3 其他共混方法

Wu S J 等[33]在普魯蘭多糖基涂膜液中摻入了抗褐變劑谷胱甘肽和抗菌劑殼聚糖作用于蘋果切片上，并研究了復合涂層對蘋果切片的低溫保鮮效果。結果表明，與純普魯蘭多糖涂層相比，復合涂層具有抗褐變作用和抗菌作用，有效地延緩了蘋果切片的酶促褐變，保持了蘋果切片的硬度，減少了失重率，并抑制了蘋果切片上的微生物在低溫貯藏期間的生長和呼吸速率（p＜0.05），有效地延長了蘋果切片的保質期。

疏水性物質主要包括蜂蠟，液體石蠟，起酥油等，能夠有效地改善薄膜的疏水性和機械性能，以及水蒸氣阻隔性能。Jafari S M 等[34]將不同濃度的蜂蠟添加到普魯蘭多糖和乳清蛋白濃縮物混合溶液中，并對復合薄膜的性能進行了表征及分析。結果表明，添加最小濃度的蜂蠟也可以顯著提高復合薄膜的疏水性能并顯著降低混合薄膜的Tg 值。掃描電鏡圖片表明，在干燥階段蜂蠟可以向薄膜表面移動，導致復合薄膜具有更高的疏水性。總的來說，加入30%蜂蠟的復合薄膜具有更有利的微觀結構和更高的氫連接，顯著的改善了普魯蘭多糖薄膜的疏水性能。

總的來說，普魯蘭多糖具有很好的成膜性，但是其機械性能不滿足包裝要求，具有親水性、脆性，沒有抗菌性。普魯蘭多糖與高聚物混合提高膜的力學性能，改善膜的物理性能，增加其致密性。普魯蘭多糖與功能性材料共混，賦予普魯蘭多糖膜疏水性，抗褐變性及抗菌性能，使膜能夠更針對性的保鮮水果，延長其貨架期。普魯蘭多糖的物理改性具有一定的實際意義，使其能夠應用到生活，有望部分代替石油基塑料薄膜，減小資源損耗，降低環(huán)境污染，提高食品包裝的安全性。

2 化學改性

普魯蘭多糖是中性多糖，這限制了它的應用。通過化學反應改變普魯蘭多糖的官能團，使其具有活性基團，帶有電負性，改善其性能。主要的改性方法有氧化、羧甲基化、甲酰基化、硫酸化、胺化、乙酰化改性等。

2.1 氧化改性

Maria Bercea 等[35]使用 2，2，6，6-四甲基-1-哌啶和次氯酸鈉對普魯蘭多糖進行氧化改性（如圖2），并將氧化的普魯蘭多糖與聚乙烯醇復合制備自愈合水凝膠。結果表明，由于-COOH 基團的存在，氧化普魯蘭多糖大分子的化學活性增強，與聚乙烯醇有很強的相互作用。水凝膠自愈行為的主要作用不是破碎水凝膠界面處的簡單物理黏附，而是依賴于官能團之間的動態(tài)相互作用。這些水凝膠可用于保護生物材料而不損害聚合物結構。此外，制備的水凝膠不釋放細胞毒性化合物，它們可被視為生物醫(yī)學應用的潛在候選者。

Liang Y P[36]等使用高碘酸鹽在無光的條件下對普魯蘭多糖進行氧化，并基于殼聚糖接枝二氫咖啡酸和氧化普魯蘭多糖制備具有黏膜黏附性的pH 值響應性可注射水凝膠，應用于局部藥物遞送。結果表明，水凝膠具有良好的注射性，合適的凝膠化時間，體外pH 值依賴性平衡溶脹比，形態(tài)和流變學特征。當抗菌模型藥物阿莫西林包封在水凝膠中時，水凝膠顯示出良好的藥物釋放，能夠有效殺死結腸腫瘤細胞（HCT116 細胞）和體外抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。

圖2 2，2，6，6-四甲基-1-哌啶介導普魯蘭多糖原-OH 基團的氧化Fig.2 TEMPO mediated oxidation of pullulan primary-OH groups

2.2 羧甲基改性

普魯蘭多糖衍生物是制備水凝膠的優(yōu)良材料，常用于醫(yī)學之中。Feng Chen 等[37]對普魯蘭多糖進行羧甲基改性（如圖3），并使用辣根過氧化物酶作為催化劑和H2O2作為氧化劑成功開發(fā)了包含羧甲基普魯蘭多糖-酪胺和硫酸軟骨素-酪胺綴合物的酶促交聯(lián)的可注射和可生物降解的水凝膠系統(tǒng)。結果表明，羧甲基普魯蘭多糖具有更好的化學活性，能夠進一步處理制備羧甲基普魯蘭多糖-酪胺。通過使用小鼠皮下植入模型，水凝膠系統(tǒng)表現(xiàn)出可接受的組織相容性。這種新型可注射普魯蘭多糖/硫酸軟骨素復合水凝膠預期是用于再生軟骨組織的有用的生物材料支架。

圖3 普魯蘭多糖的羧甲基化Fig.3 Carboxymethylation of pullulan

張欣然[17]對普魯蘭多糖進行羧甲基改性制備羧甲基普魯蘭多糖，和氯化鋁混合制備復合絮凝劑。結果表明，羧甲基化提高了普魯蘭多糖的水溶性，使其帶有負電性，擴展了普魯蘭的應用范圍。羧甲基普魯蘭多糖的表面積增大，吸附作用大大增強。復合絮凝劑的絮凝速率加快，生成的絮體顆粒大，沉降性能良好，是一種前景良好的新型復合絮凝劑。

2.3 乙酰基改性

陳宏洋等[38]對普魯蘭多糖進行了生物素化乙酰改性，并用乙酰普魯蘭多糖耦聯(lián)CD3 制備納米粒子作為靶向抗腫瘤藥物載體。紅外光譜分析表明，乙酰基團成功地接枝到了普魯蘭多糖分子上，賦予了普魯蘭多糖分子活性。乙酰普蘭多糖納米粒種能有效提高T 細胞增殖并促進其分泌細胞因子。

Ravi Punna Rao 等[39]對普魯蘭多糖進行乙酰化改性賦予其疏水性能，通過乳液-溶劑-蒸發(fā)法包埋洛匹那韋（一種HIV-蛋白酶抑制劑）配制成乙酰化普魯蘭多糖的納米顆粒。并對納米顆粒的粒度，包封效率，體外藥物釋放和穩(wěn)定性進行了測試。結果表明，具有高包封率（大約75%）和單分散性質的納米顆粒在3 個月的時間內是穩(wěn)定的。納米粒子中的洛匹那韋的相對生物利用度相當于游離藥物的2 倍，因此他們提出裝載洛匹那韋的納米粒子可能是治療HIV 感染的優(yōu)良替代藥物。

2.4 其他改性方法

普魯蘭多糖衍生化賦予了普魯蘭多糖電負性，因此可以和帶相反電荷的聚合物制備納米顆粒，用于遞送藥物或者易揮發(fā)物質，延長藥物或易揮發(fā)物質的緩釋時間。Liming Yuan 等[40]制備了膽甾醇疏水改性的普魯蘭多糖，膽甾醇疏水改性的動力普魯蘭多糖和膽甾醇疏水改性的羧化普魯蘭多糖，并基于普魯蘭多糖衍生物和人血清蛋白復合制造納米粒子。結果表明，吸附了人血清蛋白的膽甾醇疏水改性的動力普魯蘭多糖納米粒子具有最慢的藥物釋放速率。Mocanu G 等[41]通過高碘酸鹽氧化羧甲基普魯蘭多糖來合成羧甲基普魯蘭納米顆粒。獲得的多糖納米粒子具有兩親性和熱敏性特征，被認為是藥物釋放系統(tǒng)的潛在支持物。Marita Dionisio 等[42]使用硫酸化普魯蘭多糖和胺化普魯蘭多糖分別和角叉菜膠和殼聚糖制作納米材料應用于蛋白質遞送，結果表明，基于普魯蘭多糖衍生物的納米顆粒具有應用于透黏膜蛋白遞送的潛力。Wang X 等[43]制備交聯(lián)的琥珀酰基普魯蘭多糖-羧甲基殼聚糖復合海綿用于潛在的傷口敷料。體內實驗表明，復合海綿可以有效治愈雄性小鼠皮膚缺損的全層傷口，加速成纖維細胞增殖和增強上皮遷移。

普魯蘭多糖衍生物也可以用來制作薄膜，但是通常是和其他的物質復合成膜，制備的薄膜具有較好的物理性能和一定的生物活性。Susana C.M.Fernandes等[44]通過用3-氨基丙基三甲氧基硅烷對普魯蘭多糖進行改性處理，將活性氨基丙基引入普魯蘭多糖聚合物主鏈賦予其抗微生物活性。結果表明，官能化的普魯蘭多糖顯示出對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗微生物活性。由于補充抗菌性能與普魯蘭多糖材料相關的熱和機械性能的結合，這些材料可開發(fā)用于干燥食品包裝以及生物醫(yī)學應用的新薄膜和涂料。

Ram Sarup Singh 等[25]使用氨基甲酰基化衍生出氨基甲酰基普魯蘭多糖，對其進行表征和評估其角膜傷口愈合的潛力。流變學行為表明氨基甲酰基普魯蘭多糖的黏度增強，這是由氫鍵增加導致的。氨基甲酰基普魯蘭多糖具有較強的氧中和能力。巨大的角膜黏合強度和高氧中和能力使得氨基甲酰基乙基普魯蘭多糖具有較高的角膜傷口愈合性能。用于角膜傷口愈合的氨甲酰基乙基普魯蘭的研究可能是未來研究的一個領域。

Aundray Raj Soni 等[45]通過把丙烯酰胺接枝到普魯蘭多糖上來開發(fā)pH 值響應速率控制聚合物，結果表明，丙烯酰胺接枝的普魯蘭多糖可用作pH 值響應速率控制聚合物。

綜上所述，對普魯蘭多糖進行化學改性，能夠使其帶有電負性，增加普魯蘭多糖的化學活性。通過與其他高聚物的官能團進行交聯(lián)合成新的材料，應用于納米科技、醫(yī)學等方面的研究。

3 結論

普魯蘭多糖是一種可食用的生物多糖，在食品、包裝等領域具有廣泛的應用。對普魯蘭多糖的改性處理有效的改善了其性能，拓展了其應用。然而，改性處理對普魯蘭多糖分子結構的變化及官能團的取代位置沒有準確的說明，需要待進一步的研究。普魯蘭多糖的價格是限制普魯蘭多糖大量使用的主要因素，未來應該進一步研究普魯蘭多糖的生產方式，提高生產效率，降低成本。普魯蘭多糖膜具有較好的親水性，這嚴重阻礙了其在包裝行業(yè)的應用推廣，疏水性的普魯蘭多糖衍生物的開發(fā)具有很大的應用的價值。