多糖溶解性改善方法研究進展

廖振勝，張娜，楊宇成，黃雅燕，張學勤，葉靜，肖美添

(華僑大學 化工學院，福建 廈門，361021)

多糖廣泛存在于自然界，是一種功能多樣的天然大分子物質。從天然植物、真菌中提取的多糖具有抗氧化、抗腫瘤等多種生物活性，并可作為添加劑用于食品工業、生物醫學等領域，是用途極其廣泛的天然物質[1-3]。多糖由多個單糖分子通過糖苷鍵連接而成，其分子鏈長、聚合度大，并且支鏈多帶有羥基，易形成分子間氫鍵，圖1所示為幾種常見多糖的糖單元結構。多糖特殊的結構導致其在水中的溶解性較差，部分多糖甚至不溶于水[4-5]，改善多糖溶解特性有利于其更廣泛的應用。許多從天然藥物中提取的活性多糖需溶解在水中才能被人體吸收，繼而實現生物活性的表達，如菌核側耳多糖具有免疫調節與抗腫瘤活性，但該種多糖幾乎不溶于水，不易被人體吸收[6]，故有必要提高其溶解性。多糖溶解性的改善意味著其親水性、保水性的提高，這些性質的改善可為多糖賦予更多樣的功能，羧甲基淀粉(carboxmethyl starch，CMS)相比原淀粉具有較強的吸水性與溶脹性，可作為高效崩解劑用于藥物制劑中[7]。衍生化獲得的水溶性羧甲基纖維素(carboxmethyl starch，CMC)則常用于食品加工中，防止食品中水分揮發并提高口感[8]。在工業應用上，多糖溶解性的提高還意味著多糖溶解所需時間與能耗的降低，能減少多糖使用成本，提高其使用便捷性。因此，多糖溶解性改善的研究在科研和工業應用中意義重大。

圖1 幾種常見多糖的糖單元結構Fig.1 Structure of repeating units of common polysaccharides

大量研究表明，超聲處理、酸處理、添加助溶劑、羧甲基化和羥烷基化等方法對改善多糖在水中溶解性具有較好的效果，同時對多糖的生物活性、黏度、凝膠化能力等性質起到一定程度的調控作用，在多糖改性研究中潛力巨大[9-10]。根據其改性特點及其對多糖結構性質影響，本文將其歸納為物理法、降解法和衍生化法三類，并進一步對比改性前后的多糖結構性能變化，考察各類方法優缺點，以期為多糖溶解性改善研究及其工業化應用提供參考依據。

1 物理法

物理法對多糖結構、性質影響較小，且工藝簡單、操作靈活，常被用于多糖溶解性改善研究。近年來，多糖的物理改性研究集中于微細化處理與添加助溶劑2種方法。微細化處理是通過高壓均質等物理手段對多糖顆粒施加機械作用，以獲得粒徑小、粒度均勻的顆粒，所獲顆粒越小、比表面積越大，其溶解度越高[10]。助溶劑法則通過將多糖與第三組分物理混合的方式，提高多糖的溶解度[11]。

1.1 高壓均質處理

高壓均質處理是工業常用的微細化處理方法，利用高壓作用產生的剪切、撞擊和渦旋等機械作用使物料超微細化。高壓均質處理對物料施加的強機械作用可顯著降低淀粉、纖維素等多糖的顆粒粒徑，并改善其顆粒形貌，從而提高其溶解性能。APOSTOLIDIS等[12]通過高壓均質設備對淀粉進行改性。由掃描電子顯微鏡結果看出，均質處理后淀粉平均粒徑由7.5 μm降至0.5 μm。隨著均質壓力的提高，淀粉顆粒表面出現孔隙、溝壑等形貌，顆粒比表面積增大，溶解度提高。侯淑瑤等[13]使用高壓均質處理制備納米級淀粉，在均質壓力80 MPa、均質次數25次、淀粉質量濃度3.2 g/100mL條件下獲得平均粒徑為214.3 nm的橢圓形納米淀粉顆粒，得率為46.12%，均質后淀粉粒徑呈正態分布，均勻性提高，顆粒結構變得疏松、吸水性增強。

高壓產生的機械作用使多糖分子間氫鍵受到破壞，結晶度降低，此外，均質處理帶來的均勻化與微細化，還使多糖復配穩定性與相容性提高。SHAHBAZI等[14]將高壓均質后的淀粉與卡拉膠復配成膜。改性淀粉與卡拉膠間顯示出良好的互溶性，均質處理后，改性淀粉部分結晶峰明顯減弱，淀粉結晶度下降，更易于與卡拉膠形成氫鍵，提高成膜穩定性。LIN等[15]使用不同壓力對細菌纖維素進行處理，結果表明，纖維素懸濁液的穩定性及持水性提高，體系的水分逸散速率降低，不易在長期的貯存中失水。

高壓均質處理中常通過調節均質壓力與處理次數來對物料品質進行調控。工業上一般采取較為溫和的均質壓力與較少的均質次數對多糖進行處理，以降低機械作用對多糖結構性質的破壞。

1.2 助溶劑法

助溶劑是工業常用的提高特定物質溶解能力的第三類物質，通過與難溶物在溶劑中形成可溶性的分子間絡合物或復鹽等，增加難溶物在溶劑中的溶解度[16]。使用助溶劑一般可數倍甚至數百倍提高溶質的溶解度。MADGULKAR等[11]使用葡萄糖、果糖等糖類作為水難溶性藥物克霉唑的載體，將其溶解度提高至原來的800倍。助溶劑雖能提高溶質的溶解度，但助溶機理較復雜，許多機理至今尚未探明。PARUTA[17]發現助溶劑使溶劑的極性上升，認為助溶劑作用機理與助溶劑對溶劑的極性作用有關。STENNER等[18]研究了蔗糖和多元醇對卡拉膠溶解和凝膠化的影響，提出糖助溶劑作用機理應與體系中的氫鍵有關。

由于缺乏統一的助溶機理，關于助溶劑的選擇尚無清晰明確的規律。常用助溶劑包括易溶的糖、低級醇以及表面活性劑等。用于多糖類物質的助溶劑多根據經驗選用，因多糖在醇溶液中會產生沉淀，醇類助溶劑對多糖效果不理想。考慮到多糖分子帶有大量羥基，可與助溶劑在氫鍵的相互作用下發生相互締合或包覆從而提高溶解度，故通常考慮從易溶的低分子質量糖中篩選多糖的助溶劑。叢峰松[19]將瓊脂粉與蔗糖助溶劑混合煮沸后經凍融處理，將瓊脂的溶解溫度由95 ℃降至80 ℃，溶解時間縮短一半。SMAN[20]對淀粉在蔗糖溶液中溶解度提高這一現象進行解釋。證明蔗糖溶液能有效溶解淀粉、影響淀粉的吸水膨脹性能，而多糖的溶脹率與其溶解性和持水性有關，溶脹率的上升說明其溶解度上升。

除傳統形式的助溶劑，一些新型助溶劑逐漸為人所關注。XU等[21]使用離子液體作為助溶劑，將室溫下的纖維素溶解度由1%提高至15%，纖維素在離子液體中的溶解度取決于氫鍵接受其陰離子的能力。助溶劑對改善多糖溶解性效果顯著且無毒無害、廉價易得，但由于助溶機理尚不明確，今后的研究可側重于助溶機理的探究與模型建立，減少體系中第三組分的引入，以提高改性多糖的使用范圍。

物理法工藝簡單靈活，對多糖結構性質影響小，也正因如此，物理法對多糖改性效果較有限，故工業上不建議單獨使用物理處理法，而是通過與超聲處理、衍生化法結合使用，提高處理效果并降低其他方法的處理壓力。

2 降解法

多糖的糖單元一般由糖苷鍵連接而形成大分子長鏈，該種結構使得多糖對酸性與強機械作用等環境缺乏耐受性，在這些環境下，糖苷鍵易被破壞斷裂，使多糖分子質量降低、聚合度下降。因低分子質量糖在水中的溶解性更好，通過控制多糖降解的程度以提高其溶解性不失為一種有效的溶解性改善思路?；诖?，多糖溶解性改善研究中常使用超聲處理與酸處理對多糖進行降解。圖2是以纖維素為例的降解示意圖。

圖2 纖維素降解示意圖(m

2.1 超聲降解法

超聲波頻率高、能量大，在傳播過程中對介質產生空化效應與自由基效應，由此引起的強機械作用和氧化還原作用使多糖糖苷鍵斷裂，可在中性條件和低溫環境下實現多糖降解[22-23]。機械作用對高分子質量多糖效果更顯著，而自由基作用對低分子質量多糖更有效，通過控制超聲功率強弱與作用時間，對多糖分子鏈進行較均勻且精細的斷裂降解。

超聲處理可改變多糖結晶結構，使顆粒變得松散，提高水分與多糖的有效接觸，從而提高多糖溶解度與溶脹率。SUJKA等[24]使用20 kHz、170 W的超聲波對4種作物淀粉進行處理，發現超聲使淀粉顆粒表面出現裂紋。超聲處理后，4種淀粉溶解度均出現5%～10%的提高，同時，顆粒吸水性以及溶脹能力提高，糊黏度降低。李公斌[25]研究了黑木耳多糖經超聲處理后的性質變化，發現木耳多糖經超聲處理后由難溶變為易溶，溶解性隨超聲作用時間的延長而提高。JAMBRAK等[26]使用24 kHz的超聲波對淀粉進行處理，發現超聲可破壞淀粉顆粒的結晶區域，使淀粉吸水性增加，從而提高了淀粉顆粒的溶脹能力與溶解度。并且溫度條件對超聲處理影響顯著，70 ℃下處理15 min后的淀粉的溶脹能力比20 ℃下提高4～6倍。

多糖在超聲條件下降解的速率常數與其分子質量有關，分子質量越高則降解速率越高。此外，超聲降解多糖的分子質量有一定范圍，分子質量過低時，超聲作用不足以使糖苷鍵斷裂，故超聲處理可控制多糖分子質量分布，提高降解均一性。LII等[27]在研究瓊脂糖與卡拉膠的超聲降解動力學時發現，降解速率常數k與多糖分子質量有關，多糖分子質量越高，降解速率常數越高，并且螺旋交聯狀態的分子鏈相對雜亂，前者對超聲有更強的抵抗力，故雜亂狀態的分子鏈更易于超聲降解。WONG等[28]發現纖維素經超聲處理后分子質量和結晶度指數下降。并且超聲降解所得產物分子質量分布均勻，最低分子質量在46 kDa左右。

超聲降解法工藝簡單高效，產物分子質量分布均勻，對降低多糖的溶解溫度有一定的效果，但處理后多糖長鏈在一級結構上受到了破壞，分子質量出現不可逆的下降，對瓊脂、卡拉膠等多糖的凝膠性能影響較大。故采用超聲處理法改善多糖溶解性時，需根據不同多糖理化性質差異，控制降解程度，以獲得最優性質產品。

2.2 酸解法

多糖分子鏈中的糖苷鍵對酸不穩定，容易酸解斷鍵，當溶液中的pH低于一定值時，多糖由復雜多聚糖水解還原為低聚糖，分子質量降低。酸解法工藝簡單，酸液可多次利用，成本低廉，被大量用于多糖降解研究[29]。

酸處理可降低多糖分子質量，形成溶解性更好的小分子短鏈，使多糖溶解性提高。夏和詠等[30]將瓊脂分散于水中形成懸濁液后，投入適量食品級酸在60～90 ℃條件下處理2～4 h，經過濾、干燥后獲得65 ℃溶解的速溶瓊脂，溶解溫度較改性前降低30 ℃。DOU等[31]使用混酸對殼聚糖熱塑性進行改善，發現隨著酸濃度的增加，結晶度總體呈下降趨勢，說明酸處理能降低殼聚糖分子的有序性，提高溶解性。酸處理后殼聚糖材料水接觸角減小，當酸濃度為殼聚糖質量的7.5%以上時，水接觸角較原殼聚糖降低5.26%，說明酸處理提高了殼聚糖的親水性。

在實際應用中，酸降解工藝不可避免地存在反應器腐蝕、廢水處理困難等問題，并且降解后的產物分子質量分布寬、均一性差且分離困難。為解決上述問題，HUANG等[34]采用固體酸催化劑代替液體酸進行酸解反應，減少了廢液產生并提高了催化劑的回收率。目前這一思路尚停留于實驗室階段，有待進一步探索。

超聲處理與酸處理是較為常用的多糖降解方法，相比酶解法的使用成本更低、操作更簡便。但就改善多糖溶解性的途徑而言，降解法仍是一種以犧牲多糖分子質量換取水溶性提高的方法，故降解法更適用于對分子質量要求不高的工藝中。

3 衍生化法

衍生化法屬于多糖的化學改性手段，通過使用不同的衍生化試劑在多糖支鏈羥基上接入烷基、羧甲基或羥烷基等基團，實現多糖的特定改性。通過引入親水性和大位阻基團可降低多糖結晶度，提高溶解性。

3.1 氧化

多糖在氧化劑存在的條件下同時發生支鏈氧化和主鏈降解2種反應，含硫酸酯基的多糖還伴有脫硫化反應[35]。圖3是以直鏈淀粉為例的氧化示意圖。

支鏈氧化可引入親水性的醛基和羧基，主鏈降解則使多糖分子質量降低，2種反應類型均可提高多糖溶解性，但與支鏈氧化相比，主鏈降解反應對多糖分子結構、物化性質影響較顯著，故氧化處理一般需抑制主鏈的降解而促進支鏈反應。通過對氧化劑和反應條件的調控，可調整多糖分子在氧化過程中2種反應的程度[36]。在低氧化劑濃度與低溫條件下主要進行支鏈羥基的氧化反應，高溫和高氧化劑濃度則有利于降低產物分子質量[9]。ZHANG等[35]使用H2O2對瓊脂處理，結果顯示，氧化瓊脂支鏈硫酸酯基含量降低至0.21%，較改性前降低73.4%，凝膠強度提高30.9%，同時，氧化瓊脂分子質量、凝膠溶膠溫度、溶解溫度降低，白度與凝膠透明度提高。CHEN等[37]使用NaClO作為氧化劑對微晶纖維素進行氧化處理，氧化后微晶纖維素出現更多裂紋，表面更粗糙，氧化微晶纖維素的溶解度由0%提高至78.24%。氧化微晶纖維素與羥丙基淀粉制備成膜后，膜拉伸強度較原纖維素提高249.42%，在水中溶解所需時間縮短至60 s。

圖3 直鏈淀粉氧化示意圖(m

工業上常用低濃度的NaClO和H2O2進行氧化反應，氧化程度易于調控，同時可利用氧化劑破壞反應物中的發色基團，提高產物的白度品質。陳會景等[38]用H2O2為氧化劑制備氧化瓊脂，在80 ℃、4 h以及0.2%(體積分數)H2O2用量下，將瓊脂粉末白度由54%提高至58%。李曉文等[39]通過正交實驗法對H2O2漂白馬鈴薯淀粉工藝進行優化，將淀粉白度提高3%～10%。所獲最優工藝條件為H2O2的用量為4%(體積分數)， 漂白時間為50 min，溫度40 ℃，料液pH值為6，此條件下淀粉性質無明顯變化。

氧化工藝簡單有效，在改善多糖溶解性的同時還可提升材料的抗菌性[36]、抗氧化性等性能，但對大部分植物多糖而言，其糖單元上的氧化可接入位點少，支鏈與主鏈反應程度難以精細調控，氧化反應穩定性和重復性有待進一步提高。

3.2 羧甲基化

多糖支鏈羥基經堿活化后，與羧甲基化試劑進行醚化反應，可實現在多糖分子支鏈上引入羧甲基的目的。瓊脂羧甲基化反應示意如圖4所示，羧甲基化可發生在1～4位的羥基上。

圖4 瓊脂羧甲基化示意圖Fig.4 Carboxymethylation of agar

由于羧基優異的親水性和空間位阻作用，羧甲基化可有效減少分子內氫鍵的形成，極大提高多糖溶解性。CAO等[40]制備了不同取代度的羧甲基瓊脂并對其性能進行了研究，發現隨著取代度的上升，羧甲基瓊脂的溶解溫度逐漸下降，取代度為0.495時，溶解溫度降低至44 ℃。此外，羧甲基瓊脂的凝膠溶膠溫度、凝膠強度以及溶液表觀黏度下降，凝膠彈性和吸濕性提高。CHAUDHARY等[41]通過微波輔助合成羧甲基瓊脂糖。發現羧甲基化取代度>0.69的樣品可在室溫條件下溶解，并在7 ℃以下凝膠。羧甲基化瓊脂糖顆粒表面孔道增多，有利于水分子進入。魏紅[42]對黑木耳多糖進行羧甲基化修飾，衍生化后，黑木耳多糖溶解度由0.1 mg/mL提高至0.6 mg/mL，此外，相對未改性的黑木耳多糖，羧甲基多糖對羥自由基、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基、2,2′-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS]自由基表現出一定的清除作用，說明羧甲基多糖抗氧化活性提高。

羧甲基化研究起步早，現有工藝已較為成熟，羧甲基淀粉、羧甲基殼聚糖、羧甲基纖維素等多糖衍生物的制備已實現工業化。羧甲基化對降低多糖黏度、溶解溫度效果顯著，并可提高多糖的成膜特性、抗氧化性等性質。羧甲基化法存在的不足在于羧甲基之間形成氫鍵作用弱于羥基氫鍵，且羧甲基空間位阻作用會阻礙多糖鏈的相互交聯，影響瓊脂、卡拉膠一類多糖的凝膠性能。故多糖改性實際應用中不宜一味追求高取代度，而應綜合多糖自身性質來選擇工藝。

3.3 羥烷基化

羥烷基化是在多糖羥基氧原子上引入烷基和羥基，生成醚類化合物的反應過程。與羧甲基化類似，羥烷基具有較強的親水性與空間位阻作用，可提高多糖分子的親水性并降低其結晶度和有序性，使顆粒松散，易于水分滲入[45]。纖維素羥乙基化反應原理如圖5所示，由于所接入的羥乙基羥基上的化學環境與原羥基相似，故羥乙基羥基上可再進行羥乙基化反應。

圖5 纖維素羥乙基化反應示意圖Fig.5 Hydroxylalkylation of cellulose

ZHANG等[46]以環氧丙烷為醚化劑，制備出了不同取代度的羥丙基瓊脂，隨著取代度的上升，羥丙基瓊脂溶解溫度、凝膠溶膠溫度以及凝膠強度下降，獲得羥丙基瓊脂最高摩爾取代度為0.557，溶解溫度由改性前的90 ℃降至80 ℃。LAWAL[47]對淀粉的羥丙基化進行了研究，發現隨著環氧丙烷用量的提高，淀粉溶解度、溶脹能力提高，溶液濁度下降。羥丙基的空間位阻效應可減少淀粉粘結與成鏈交聯，同時使得淀粉顆粒變得松散，溶脹容量提高。當取代度為0.16時，溶解度提高5%～10%。ZHOU等[48]以均相反應體系合成了羥乙基纖維素，當摩爾取代度>0.57時，羥乙基纖維素表現出明顯的水溶性，并形成高黏度溶液。由13C核磁共振譜圖分析可知，糖單元上C-2、C-6位上的取代度高于C-3位，說明受羥烷基空間位阻的影響，取代更易于發生在位阻小的碳原子上。

羥烷基化形成的醚鍵穩定性高，在水解、氧化、羧甲基化反應過程中不易斷裂，受電解質和pH影響小，改性后的多糖能被進一步用于衍生化、氧化降解等改性過程，能適應造紙、紡織、食品工程、生物醫藥的要求[49]。ZHANG等[50]通過羥烷基化法將瓊脂糖的凝膠化溫度由36 ℃降至30 ℃以下，提高了瓊脂糖在熱敏性生物活性研究領域的應用性。HU等[51]將殼聚糖與羥丁基殼聚糖經過物理混合后真空冷凍干燥處理，獲得一種多孔海綿狀結構。該種結構孔隙率高(約85%)并具有優異的抗菌性能，相對單一殼聚糖材料，混合后海綿結構的吸水率提高25倍，由大鼠體內試驗證明，強親水性有助于該材料吸收血液中的濕分，促進血液凝結，說明羥丁基材料可用于促進傷口愈合。SIMON等[52]研究了羥丙甲纖維素與羥丙基淀粉復合膜的流變學性能，指出淀粉與纖維素相容性較差，羥丙基化改性后可提升兩者相容性。

衍生化法改善多糖溶解性效果顯著，根據需要還可對多糖黏度、凝膠透明度、凝膠溶膠溫度等性質進行針對性調控，是一種極具潛力的多糖改性方法。但另一方面，衍生化法多采用非均相反應體系，由于涉及擴散傳質影響，反應時存在取代不均勻問題，使多糖起始溶解溫度與完全溶解溫度區間大，溶解耗時長。該缺陷長期為科研人員所忽略，亟待解決。

4 結語

綜上，物理法、降解法和衍生化法均可改善多糖溶解性，所述工藝出發點多為降低顆粒直徑、降解獲得溶解性的小分子糖或引入親水性基團，涉及多糖結構與官能團的改變，對多糖物化性質影響也各有不同。就研究現狀來看，所提及的工藝尚存在一定局限性，故針對目前存在的問題提出幾個研究方向以供探討。

(1)探明多糖改性機理：目前的改性研究僅停留于可確定一種工藝對改善多糖溶解性有效，其效果緣何機理尚未完全探明。如衍生化法處理后多糖普遍存在分子質量降低、結晶度下降以及顆粒形貌改變等性質變化，溶解性的提升可能是其中多種緣由共同作用的結果，對改性機理的探究可為后續的研究和應用提供基本理論支持。

(2)反應程度的精確調控：多糖改性質量的調控基本只能通過調整反應基本參數實現，對涉及多糖結構變化的反應難以精確調控，例如羥丙基化時，在羥丙基的羥基位上仍可進行接枝反應，其衍生化程度難以調控。對反應特性進行深入研究有利于實現對多糖品質的控制與調整，提高反應穩定性。

(3)提高非均相反應的均一性：多糖改性反應多采用固液非均相反應體系，反應過程涉及反應液在顆粒內外的傳質傳熱以及顆粒直徑的變化，由于缺乏對該種非均相反應特性的認識，多糖改性效果穩定性差，取代、降解程度不均勻。故建立相應的反應與傳質模型，探明多糖反應過程中傳質傳熱與反應特性，對擴大該改性方法的使用范圍以及實現工業化有重要意義。