孫華 張彥昊 張翔 劉孝永 辛雪 王軍華 楊金玉

摘要:普魯蘭多糖以其優良的水溶性、成膜性、生物可降解性和生物相容性,在食品行業、制藥業和生物醫學行業越來越受到人們的關注,其中普魯蘭多糖在農產品保鮮和靶向藥物治療方面的應用一直是研究的熱點。本文就普魯蘭多糖、普魯蘭多糖復配體系在水果、蔬菜及海產品保鮮中的應用進行闡述;同時概括了近年來普魯蘭多糖在生物醫學中的靶向藥物治療、基因藥物遞送和組織工程方面的應用,并針對當前限制普魯蘭多糖廣泛應用的因素提出解決方案。
關鍵詞:普魯蘭多糖;農產品保鮮;靶向藥物;基因遞送;組織工程
中圖分類號: Q815?文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2019)20-0048-04
普魯蘭多糖是一種由出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)分泌的胞外水溶性多糖,在1938年由Bauer首次報道[1]。1959年,Bender等通過研究揭示,該多糖是以 α-(1→4)糖苷鍵連接的麥芽三糖單元通過α-(1→6)糖苷鍵連接而成的線性多糖[2],其基本結構如圖1所示。普魯蘭多糖的α-1,4-D葡萄糖苷鍵和α-1,6-D葡萄糖苷鍵的傅里葉變換遠紅外(FTIR)光譜伸縮吸收峰分別位于755、915 cm 處,為其特征吸收峰[3]。普魯蘭多糖獨特的結構,使其具有高水溶性、可降解性、良好的成膜性和阻氧性等特性,能廣泛應用于各領域,是一種極具開發價值和應用前景的功能性生物大分子[4],普魯蘭多糖的分子量范圍為5~9 000 ku[5]。目前普魯蘭多糖在日本、韓國、美國等國家已被批準作為食品、化妝品及醫藥品成分使用。2006年,我國正式將普魯蘭多糖列為食品添加劑,可在糖果、巧克力包衣、膜片、復合調味料和果蔬汁飲料中用作被膜劑和增稠劑(中華人民共和國衛生部2006年8號公告)。市面上商品化的普魯蘭多糖產品有作為可食用薄膜制成的李施德林薄荷口腔護理片、皮膚護理產品Skin Deep以及植物膠囊等[6]。此外,普魯蘭多糖由于具有無毒副作用、無免疫原性、無致突變性及生物相容性等優點,已被應用于不同的生物醫學領域,如基因遞送、靶標藥物療法、組織工程、創面愈合及臨床治療等[7-8]。
1?普魯蘭多糖在食品工業中的應用
在食品工業領域,普魯蘭多糖的早期應用涉及將其作為增稠劑、穩定劑和膠凝劑,從而為產品提供良好的感官特性,延長食品的保質期[9]。后來,普魯蘭多糖被發現可作為低卡路里食品和飲料的填充劑[10]。也有研究表明,普魯蘭多糖有作為益生元的開發潛力,可以促進益生菌雙歧桿菌的生長[11]。普魯蘭多糖以其良好的成膜性、生物相容性及可降解等特點,被認為是新一代食品保鮮材料,近年來在食品加工與保鮮領域得到了廣泛應用[12],其結構如圖1所示。
1.1?普魯蘭多糖在水果保鮮方面的應用
普魯蘭多糖、淀粉、藻酸鹽、纖維素和殼聚糖等一些生物大分子具有良好的涂層形成性能[13-14]。普魯蘭多糖膜透明、高度不透氧并且具有優異的機械性能,可以起到色素、香料和其他營養或抗菌添加劑的載體作用[15-16]。普魯蘭膜可以通過抑制微生物菌群的呼吸作用來減少微生物的生長,以起到食品保鮮的作用[15]。
普魯蘭多糖對易受機械損傷的水果的保鮮效果明顯,能大大延長其貨架期。用普魯蘭多糖水溶液對藍莓進行涂膜處理,在16 ℃貯藏14 d后,藍莓仍然能保持新鮮度;普魯蘭多糖作為良好的阻氧屏障,降低了果實的呼吸速率,延緩了果實的腐敗速度,并且很好地控制了微生物的生長,在4 ℃下,貯藏期可達28 d,果實的感官品質如色澤、果實的飽滿度和可溶性固形物含量等指標均高于未涂膜的對照組[17]。周文化等采用3%普魯蘭多糖溶液對芒果進行涂膜,貯藏18 d后,芒果仍然能保持新鮮,果實的色澤、口感、飽滿度和各項生化指標均高于未涂膜的對照組[18]。
有機酸及其鹽、酶、揮發性精油、植物提取物或從植物中分離出來的抗微生物活性化合物會結合到普魯蘭多糖涂層中。毫無疑問,這種可食用涂層只會使極少量抗微生物劑轉移到食物中,因為它們是從涂層基質中緩慢釋放的[19-23]。因此,這些化合物主要作用于瓜果蔬菜表面,抗菌涂層可以延長食物的保存期并可保證食物的質量,尤其是可以保證食品在低冷條件下儲存或在運輸、銷售過程中的質量[24-26]。馬賽箭等以普魯蘭多糖作為主要涂膜液原料,復配羧甲基纖維素鈉和蔗糖酯制備成保鮮涂膜液,通過涂膜蘋果表面,可有效阻止蘋果的腐爛,減少蘋果中維生素C和有機酸的損失[27]。結合了繡線菊[Filipendula ulmaria(L.) Maxim]提取物(EMFs)的普魯蘭多糖涂層可以延長蘋果的保質期,含有EMFs的普魯蘭多糖涂層不僅可以防止蘋果發生霉變,在儲存過程中,也有助于減少果實的失水和防止果實變色[28]。另外,普魯蘭多糖復配海帶源性低聚糖的復合膜可減緩圣女果變軟的速度,提高其感觀品質,大大延長圣女果的貨架期[29]。用納他霉素與1%普魯蘭多糖復合浸潤處理鮮食葡萄后,能有效抑制儲藏期鮮食葡萄采后灰霉病的發生,同時降低其呼吸強度,延緩果實水分、維生素C含量和可溶性固形物的喪失[30]。
1.2?普魯蘭多糖在蔬菜保鮮方面的應用
普魯蘭多糖除了對水果有良好的保鮮效果外,對蔬菜的保鮮效果也很明顯。甜椒(Capsicum annuum L.)是一種在世界各地種植的蔬菜,由于它們的顏色鮮艷、口味獨特和富含營養,使其成為最受歡迎的蔬菜之一,其市場需求量不斷增長。新鮮甜椒的特點是維生素C含量高且是類胡蘿卜素的良好來源[31]。但是,甜椒收獲后,容易迅速失水和老化,易受微生物侵染而導致腐爛,從而造成嚴重的商業損失[32-33]。根霉菌(Rhizopus sp.)是引起甜椒肉質組織腐爛的主要病原因子[34],這極大地限制了甜椒遠距離運輸到遙遠的市場[35]。用普魯蘭多糖結合抗真菌活性物質——繡線菊的水-乙醇提取物對新鮮采摘的甜椒進行涂膜,在24 ℃貯藏5 d后,發現與不涂膜的對照組相比,由根霉(Rhizopus arrhizus)引起的腐爛率降低了80%。在6 ℃、相對濕度為70%~75%的條件下貯藏30 d后,檢測涂膜甜椒的表面,可以觀察到1層很薄且附著性良好的附加層,這1層覆膜有效地降低了甜椒采后總可溶性固形物含量的流失,也有效減少了失水,并且增強了其光澤,從而大大延長了甜椒的采后貯藏期,這種復合可食用普魯蘭多糖涂膜可以用作控制蔬菜真菌侵染的商業化殺真菌劑的替代品[36]。
利用普魯蘭多糖良好的成膜性,將普魯蘭多糖與1.0%牛至精油復配成膜,能使球芽甘藍在16 ℃下貯藏14 d,并且可以有效抑制黑霉的生長。與不涂膜的球芽甘藍相比,包被了普魯蘭多糖膜、普魯蘭多糖與牛至精油復合膜的球芽甘藍的失質量率分別下降了8.04%和9.30%,而且涂抹了復合膜的樣品在色澤和外觀上都有明顯的提高[37]。此外,普魯蘭多糖還可以可食性涂層的形式用于白蘆筍茅的低溫貯藏,可保證白蘆筍茅在冷藏過程中的質量不受影響,并通過延緩其水分散失,防止其尖端表面紫色的形成,從而保持白蘆筍的質量[38]。
1.3?普魯蘭多糖在海產品和雞蛋保鮮方面的應用
由于普魯蘭多糖可以直接食用,因而可將普魯蘭多糖噴灑在海魚表面形成1層薄膜,這1層普魯蘭膜可以有效減少海魚表面水分的蒸發,并能降低營養物質的氧化損耗和抑制揮發性鹽基氮的產生,從而保持海魚的原有風味[39]。將普魯蘭多糖混合0.05%還原性谷胱甘肽、0.5%檸檬酸、0.2%山梨酸鉀用于海產品蟶的防腐保鮮,在約2 ℃的冷藏環境下,可以使其貨架期延長至10 d[40]。
用普魯蘭多糖水溶液浸泡或噴霧雞蛋,能在雞蛋表面形成涂膜層,從而阻止微生物侵入及空氣的流通,使蛋白和蛋黃保鮮,減少失質量,延長鮮雞蛋的貨架期。在4 ℃貯藏9周后,涂膜了普魯蘭多糖的雞蛋品質從AA級降到A級,直到第10周,依然能保持在A級[41]。
以上研究結果說明,不管是在生鮮水果還是生鮮食材的防腐保鮮上,普魯蘭多糖都有顯著的效果,開展普魯蘭多糖對食品的防腐保鮮研究具有重要的理論和應用價值。
2?普魯蘭多糖在生物醫學中的應用
普魯蘭多糖在制藥行業中的應用主要涉及硬膠囊和軟膠囊的制造。普魯蘭多糖可以替代明膠制造膠囊以滿足各種文化和飲食需求者的需要,包括素食主義者、糖尿病患者和飲食限制的患者等[42]。近期,普魯蘭多糖在制藥領域的應用已經涉及微球體作為藥物遞送載體的開發。研究指出,普魯蘭多糖可賦予微球體穩定性、生物相容性和生物可降解性[43-44]。
普魯蘭多糖在麥芽三糖重復單元的吡喃葡萄糖環上的9個羥基賦予了其獨特的性質,可以通過取代這些羥基來增強普魯蘭多糖在生物醫學各方面的應用[45]。在生物醫學領域,普魯蘭多糖已經被證實在基因遞送、靶向藥物治療、組織工程、傷口愈合以及諸如血管隔室成像、受體和淋巴結靶向特異性成像等診斷應用中有極大的開發潛能。此外,普魯蘭多糖也被用作一種潛在的可替代葡聚糖的血漿擴張劑[46]。
2.1?普魯蘭多糖在靶向藥物方面的應用
普魯蘭多糖極容易被化學修飾形成衍生物,如酯化、羧甲基化、陽離子化等[5]。此外,普魯蘭多糖可以與肝臟細胞表面的去唾液酸糖蛋白特異性結合,使得普魯蘭多糖易于在肝臟聚集。利用這一特性,將阿霉素與普魯蘭多糖結合,能夠形成以阿霉素為核、普魯蘭多糖為包被的靶向給藥納米顆粒,這種納米給藥顆粒被認為是一種很有前景的肝臟抗腫瘤免疫療法的靶向給藥體系[47]。包含電荷可逆的普魯蘭多糖外殼裝配聚-β-氨基酯/聚-乳酸-乙醇酸共聚物的納米顆粒可作為紫杉醇和考布他汀A4的藥物載體,用于肝癌的治療[48]。
2.2?普魯蘭多糖在基因遞送方面的應用
普魯蘭多糖和普魯蘭糖衍生物可以作為基因或蛋白質的潛在載體[49]。具有親水核的普魯蘭多糖納米顆粒有助于靶向基因的遞送,而不會對正常細胞有任何細胞毒性[50]。普魯蘭多糖納米顆粒可以將靶向基因結合在其表面并保護它們免受DNA酶的降解。普魯蘭多糖作為基因藥物的給藥載體,陽離子化普魯蘭多糖納米轉運系統可以保持較高的轉染效率,基因藥物的生物利用度因此大大提高[51]。葉酸-低分子量聚乙烯亞胺修飾的普魯蘭多糖可將葉酸受體(FR)介導的基因/短干擾RNA(siRNA)輸送到特定的FR過表達癌細胞中,用于沉默基因的表達,被用于肝臟細胞靶向基因傳遞治療肝癌。此外,葉酸的羧基與聚乙烯亞胺共軛普魯蘭多糖上的氨基縮合能進一步加強基因的轉染和沉默效應[52]。
2.3?普魯蘭多糖在組織工程方面的應用
組織工程是通過使用合適的人造三維(3D)支架,創建一個適于增強受損組織或器官自愈能力的細胞環境的過程[53-54]。普魯蘭多糖復合物支架可以有效地增進細胞的分化和增殖,以促進組織再生[54]。
許多具有與天然組織相同性質的生物聚合物可以被模制成不同的形式應用于組織工程,如支架、水凝膠、微成型基質、微珠和納米顆粒等[55]。這些生物聚合物在組織工程中的應用主要涉及表面改性等。普魯蘭多糖的表面性質能夠通過在其羥基上進行所需化學基團的取代容易地得到增強[56]。三維普魯蘭醋酸纖維素支架具有細胞相容性,可以緩解皮膚組織工程中的細胞附著、擴散和增殖[57]。羧甲基普魯蘭多糖-硫酸軟骨素水凝膠可充當軟骨組織再生的支架[58]。新型普魯蘭生物綴合物可以用于選擇性乳腺癌骨骼轉移治療[59]。新型兩親性普魯蘭多糖納米凝膠交聯水凝膠具有較強的機械性能和較好的生物降解性,可作為組織工程的通用支架[60]。即使沒有任何生長因子,水凝膠也可以正常工作,以改善受損組織的細胞浸潤和再生。
3?結論與展望
普魯蘭多糖以α-(1→4)糖苷鍵連接的麥芽三糖單元,通過α-(1→6)糖苷鍵連接而成線性多糖的獨特結構,使其具有高水溶性、成膜性及可生物降解等特性,能廣泛應用于食品、醫藥及化妝品等各個領域;普魯蘭多糖的麥芽三糖重復單元的羥基使其易被特定基團替換而產生多種多樣的衍生物,適于在生物醫學的靶向藥物治療、基因藥物遞送及組織工程中使用,是一種極具開發價值和應用前景的功能性生物大分子。然而,目前國內普魯蘭多糖產量低,價格較高,一直維持在25美元/kg的售價,使其應用受到了限制,因此,篩選高產普魯蘭多糖的出芽短梗霉菌株和優化發酵條件是降低普魯蘭多糖生產成本的一個重要途徑。另外,對普魯蘭多糖生物合成機制進行深入研究,解析其生物合成機制,通過分子遺傳手段改造現有菌株,提高普魯蘭多糖產量和分子量,也是一個降低其生產成本的有效途徑。隨著近年來基因組學和轉錄組學在生物研究中的廣泛應用,利用組學和分子遺傳學相結合的研究方法將加快普魯蘭多糖生產和生物合成機制的研究進程,為進一步擴大普魯蘭多糖的應用領域和開發其利用價值提供廣闊的前景。
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