植物糖原的提取純化、結構修飾及應用研究進展

王 蕊，呂肖瑞，張鵬敏，王文秀，孫劍鋒，馬倩云，王 頡

（河北農業大學食品科技學院，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]。已有報道稱PG與從動物器官中分離出的糖原結構相似[2]，但由于其從植物體內提取而得，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]。其最大來源是玉米突變體Sugary-1（Su1）的籽粒，這種Su1突變導致了一種異淀粉酶型淀粉脫支酶的缺失[6]，此時的淀粉脫支酶會切割一段直鏈葡聚糖，將其通過α-1,6糖苷鍵連接到另一條鏈上，同時選擇性地裂解支鏈，使鏈與鏈之間形成有序結構[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的高度支化結構不僅賦予了其高保水性、低黏度[8]、良好的分散穩定性[9]、抗氧化性、抗菌性和成膜性，還具有優異的吸附性，在增溶疏水性物質、穩定易降解物質、改善產品質地等領域有巨大的發展前景。但與此同時，PG的高親水性也限制了其在某些特殊領域的應用，有學者通過對PG進行酯化[10]、取代[11]、羧甲基化[12]、雙酶修飾[7]等化學修飾，進一步擴大了PG的應用范圍。

為全面了解PG的特性和發展潛力，本文首先對PG的結構與性質進行歸納與總結；其次重點比較PG幾種傳統與新提取方法的優缺點，概括出目前普遍使用的提取純化方法，全面綜述PG在食品領域中應用的最新研究進展，總結PG在實際應用中受到的限制，并對其最新的結構修飾方式進行系統梳理，最后對未來PG的研究重點提出了合理化建議。

1 PG的性質

PG為白色粉末，無結晶性，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）的結構和TEM圖[13-14]、單獨的PG納米顆粒（C）和PG的芯-線圈模型（D）[15]，二者呈現較大差異，淀粉是連接單個簇的長鏈，而PG鏈長較短，以密集或非聚集模式進行分枝，呈外緊內松的樹枝狀結構[16]。這種結構與分支密度密切相關，分支密度為平均鏈長的倒數。研究表明，原料來源不同的PG平均鏈長相似，但均小于支鏈淀粉[17]。Xue Jingyi等[18]從玉米種子中提取的PG平均鏈長為11～12 個葡萄糖單位，分支密度為8%～9%，蠟質玉米淀粉平均鏈長約為18 個葡萄糖單位，分支密度為5.6%；張瑞琪[19]提取的PG平均鏈長為11.54 個葡萄糖單位，分支密度為8.66%，蠟質玉米淀粉平均鏈長為16.98 個葡萄糖單位，分支密度約為5.89%。因此，通過上述研究可以發現，PG高度致密的堆積結構可能含有數千個糖鏈，平均摩爾質量可達3.00×107g/mol[20]。

圖1 PG（A）與淀粉（B）的結構示意圖和TEM圖[13-14]，單獨的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定性；多分散指數為0.26[21]，說明其具有單分散性；在充分水合后可攜帶其質量250%～285%的水[8]，表明其具有高保水性；質量分數低于12%的PG會隨著流變儀剪切速率的升高出現剪切稀化行為，屬于假塑性非牛頓流體，具有較低的表觀黏度[19]。Chen Hua等[22]使用負載與未負載葉黃素的PG對Caco-2進行的細胞毒性實驗表明PG沒有毒性，安全性較高；其憑借高度支化結構，可與小分子活性物質結合，具有優異的負載能力，是良好的載體。Nickels等[8]研究表明PG具有穩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]通過納米PG對共混膜抗菌性的研究發現，PG的加入能夠增強薄膜的抗菌性。這些優異的性質突出了PG作為一種新型的天然生物和可食用納米材料的潛力[12]，為后期的應用研究提供了理論依據。

2 PG的提取與結構表征

由于PG易溶于水，不溶于乙醇，根據此性質，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與結構不被改變。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節pH值至4.8和7.0，然后121 ℃高溫加熱除去蛋白質，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，用均質機均質，在4 ℃冰箱中浸提12 h后使料液通過70 μm篩，調節濾液pH值為4.9，4 ℃靜置2 h，誘導蛋白質沉淀下來，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節至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 倍體積的體積分數為95%的乙醇，靜置，抽濾除去乙醇，將得到的濾餅放置在通風柜中去除殘余乙醇，即可得到PG的納米顆粒。近年來，對于PG這種天然的納米顆粒的提取，普遍是從不同蛋白質含量的谷物中提取，然而有研究表明，蛋白質濃度與細胞相容性有關，即蛋白質污染物濃度越高，對細胞的毒性越大[25]，因此，去除提取物中的蛋白質尤為重要。Xue Jingyi等[13]提取的PG具有最高濃度的單個納米顆粒分布，在多糖質量分數為98.8%的PG納米粒中檢測到質量分數低于1%的蛋白質雜質。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，然后對玉米籽粒進行前處理，排除纖維素的干擾，再通過調節pH值和高溫使蛋白質變性，離心去除蛋白質。該方法簡單、成本低，蛋白質雜質質量分數低于1%，可在實驗室規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粗提物中低分子質量可溶性雜質的質量分數為28.7%，使用分子質量為300 kDa的聚醚砜濾膜進行切向流超濾后降至3.6%，純PG中雜質降低到無法檢出的水平；安東·科列涅夫斯基等[28]使用分子質量為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濾器進行錯流過濾，去除纖維物質及大部分蛋白質和脂類，醇沉干燥粉碎后又溶解，使其流經分子質量為500 kDa和300 kDa的切向流超濾膜，進一步純化PG，檢測到蛋白質殘留質量分數小于0.1%。相較于利用酸水解和高溫使蛋白質變性，膜分離技術是一個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較少，需進行多次研究與驗證。

Powell等[30]提取、分離籽粒中的PG并對其特性進行了研究，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、木瓜蛋白酶對原料進行兩次酶解處理后，使用微波輔助提取，再用淀粉分支酶進行第3輪酶解，雖然得到的PG提取率為46.3%，但耗費時間過長。張康逸等[31]研究表明超聲波在液體中能產生空化作用，這種空化作用產生的沖擊波和射流可以破壞細胞壁和細胞膜，增強細胞內容物通過細胞膜的穿透力和傳輸能力，而PG更多地存在于細胞壁中，利于多糖的溶出與提取。為得到較高的提取率，可在現有研究的基礎上將兩種或兩種以上的方法聯合使用，比如將超聲和微波聯合酶提取運用于PG的提取過程中，但具體工藝與PG結構性質之間的關系尚不明確，還需深入探索。

通常情況下，需要對提取純化后PG的結構和物理化學特性進行表征分析，常用的表征方法如圖3所示。可使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和TEM觀察其形貌特征，Putaux等[32]發現從含糖玉米突變體Su1中提取出來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’中提取而得的PG的TEM結果也表明PG呈表面光滑的球形結構，直徑為30～50 nm，經納米粒度儀測定直徑約為71.51 nm。此外，X射線衍射表明PG無結晶性，張瑞琪[19]使用高效陰離子交換色譜法測定單糖組分，發現PG中只含有葡萄糖；通過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量Su1源糖原摩爾質量為2.1×107g/mol。Peng Xingyun等[33]采用高效陰離子交換色譜測得PG分支密度為8.2%，且在平均鏈長聚合度為6～30附近出現較大鏈群，這也使其與支鏈淀粉區分開來。韓興曼等[26]經納米粒度儀測得PG呈電中性，且通過對癌細胞的抑制實驗表明PG對癌細胞A549和MCF-9具有抑制作用。Chen Hua等[34]測量的Caco-2在槲皮素（quercetin，Qu）、PG與Qu復合物兩種溶液中的細胞存活率均在94%以上，表明PG安全無毒。

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

3 PG的應用

3.1 增溶劑

隨著生活水平的提高，人們的關注點逐漸由溫飽轉移到食品的營養和功效上。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、抗過敏、抗病毒等功能，對熱穩定，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，將其應用于食品中會出現吸收率差、生物利用率低等問題。為了提高酚類化合物的溶解性，韋倩倩等[24]使用PG負載Qu，當PG質量濃度為5 mg/mL時，Qu的表觀溶解度為47 μg/mL，相對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復合物，當PG質量濃度為50 mg/mL時，CCM的溶解度達到了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量比的PG-CCM固體分散體，并測定了固體分散體在緩沖溶液中CCM的溶出量，結果表明，固體分散體的可溶性CCM含量均顯著高于單獨的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，從而提高了其負載量；研究進一步表明，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致出現該現象的主要原因，噴霧干燥可快速去除溶劑，而真空干燥過程較長，乙醇優先脫除導致混合物中的水分相對較多，從而造成CCM結晶，溶解度下降。上述研究證實了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CCM的增溶示意圖[36]Fig.4 Schematic diagram for the solubilization effect of PG on curcumin[36]

3.2 穩定劑

CCM是世界衛生組織和美國食品藥品監督管理局公認的天然食品添加劑[37]，在食品領域應用極其廣泛，但在光照條件下易降解。研究表明，PG-CCM的形成可以提高CCM的光穩定性，且隨著時間的延長，復合物中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的光穩定性差異，結果發現紫外光照射一定時間后，單獨的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幾乎沒有損失，保留率仍在98%以上，上述研究表明物理混合物對CCM的穩定效果強于復合物，這是由于形成的PG-CCM復合物分子間存在大量的氫鍵作用，導致分子由晶體狀態變為無定形狀態[35]，通常情況下，晶體狀態的物質穩定性往往優于無定形狀態。Onoue等[38]已證明，在極強的紫外光照射后，晶體狀態的固體分散體降解率僅為17%，而無定形固體分散體降解了約50%。盡管復合物的穩定效果弱于物理混合，但總體來說，PG的加入提高了CCM的穩定性，基于此，多酚類化合物有望通過與PG結合，有效提高其穩定性和生物利用率。

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]猜測將PG作為可食性涂層可能會降低谷類食品對水分的吸收速度，所以以即食早餐麥片為例進行研究，將PG水溶液噴灑在即食早餐麥片上，然后烘干，比較了有PG包衣和沒有包衣的早餐麥片浸泡在牛奶中的質地變化，通過質構分析發現，浸泡后有包衣的麥片比沒有包衣的麥片峰值力少下降20%，吸收的牛奶更少，質地保存時間更久。這是因為PG易溶于水，它作為包衣包裹在麥片表面優先溶于水，從而保護了麥片，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異包衣材料，延長保質期，改善食品安全[40]。

3.4 抗菌膜

我國是世界上第一大水果生產國，據權威數據統計，2021年我國水果產量為28629.4萬 t，然而損耗量卻高達1億 t，換算經濟價值超過1000億，這些損失主要是由于果蔬在運輸與貯藏的過程中出現的機械損傷、質地變軟、顏色變深、細胞變老、營養流失等問題。目前的保鮮技術主要有氣調保鮮技術、低溫高濕保鮮技術、可食性涂膜保鮮和化學保鮮等。物理保鮮對于貯藏環境的溫度和濕度等控制較嚴格，且成本高、能耗大、冷鏈設施不完善；化學保鮮對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、脂類等制成可食性涂膜更易被人們所接受。通過分子間相互作用形成可食用的薄膜，能有效抑制運輸和貯藏過程中果蔬水分和營養的流失，避免果蔬與外界氧氣發生氧化反應，進而增強其抗病菌能力[41]，減少損失。

楊穎婷等[23]制備了PG納米保鮮劑，發現向薄膜中加入PG可增強薄膜的抗菌性，且添加量為5 μg/mL時效果最佳。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，應用于雞蛋，發現此涂膜對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的質量，單位為g（圖5），對照組、C2組、C2/SP0.4和C2/SP0.8組的草莓貯藏7 d后均發生萎縮與霉變，形態和顏色幾乎無顯著差異，只有C2/SP1.2包裝的草莓發霉程度相對較輕，而超聲處理的薄膜包裝草莓7 d后未出現明顯發霉，且隨著SPP含量的增加，保鮮效果越來越好。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，制成薄膜后應用于保鮮領域，探究以PG為抗菌劑、經過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同作用，能否對抗菌性產生積極作用，進而保證果蔬、生鮮產品及肉制品的新鮮度，延長貨架期。

圖5 草莓在不同的薄膜中保存形態對比[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定性[45-47]。當PG分散在水中時，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，發現實施例的角質層平均含水量可達16.7%～19.6%，而對比例僅為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]制備了一種個人護理組合物，PG和透明質酸表現出協同滋潤保濕的作用。依靠其保水性，PG常作為潛在的透皮治療保濕劑被廣泛應用于日化行業中[51]，并且目前已經被列入了中國現有化妝品成分目錄中[52]。

3.6 其他

PG納米層的水化性質導致了其顯著的潤滑性能，結合其生物相容性，PG納米顆粒成為了一種非常有前途的生物環境潤滑候選材料[45]，它還是研究水合水動力學的理想樣品[8]；將PG與熒光素結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，隨著pH值的升高，熒光強度升高，當有金屬離子存在時，熒光會被猝滅，熒光強度就會相應的降低[53]；PG在基因傳遞過程中也發揮了重要作用，其超支化結構可保護DNA或RNA免受裂解，保留時間延長[54]。此外，佐劑即免疫調節劑或免疫增強劑，是疫苗的一種添加劑，其本身沒有抗原性，但能增強機體對抗原的免疫應答或改變免疫反應的類型。陳坤等[55]已經成功開發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，其在消化道內不會被快速消化，可起到緩釋的作用，達到保護抗原的效果，其天然的納米尺寸效應還能被免疫系統有效識別，更易刺激機體產生T細胞，提高保護能力[56]，PG有望在以后應用于人的疫苗佐劑的研發中。

4 PG的改性

PG是近年來發展迅猛的新型納米材料，憑借自身優異的性質逐漸走入人們的視線，并廣受學界關注。然而PG在應用于諸多領域的同時，仍面臨包封率低、載藥能力差、對消化敏感、遞送電荷種類有限等應用障礙，通過化學修飾引入所需基團可解決上述問題，擴大應用范圍。已有專家學者采用酯化、取代、季銨化、羧甲基化等方式對PG進行化學修飾（表2），獲得了良好的作用效果。

表2 PG化學修飾對功效的提高作用Table 2 Chemical modifications to improve the performance of PG

4.1 酸酐酯化

近年來，納米載體的發展引起了專家們極大的興趣，然而PG的高親水性和相對較低的包封率限制了其在包裹親脂分子方面的應用[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PG納米顆粒表面的羥基進行酯化，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CCM的包封率更高，而VAPG隨著酯化程度的增大，其對CCM的包封率呈現上升的趨勢，所以可通過接枝不同種類或含量的酸酐增強疏水性，有效提高PG的包封率。

圖6 PG酯化反應機理（A）[10]和VAPG-Z負載丁香酚/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修飾過的PG（VAPG）的基礎上，進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合物（VAPG-Z）（圖6B），利用VAPG-Z和PG-Z分別負載丁香酚和百里香酚，測定其抗氧化活性和抗菌活性，發現負載丁香酚和百里香酚的納米復合物對食源性病原菌具有優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給藥系統，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除了應用于上述藥物的輸送方面外，將其運用到果蔬貯藏的保鮮方面也意義非凡，即將經過修飾的PG作為一種載體，負載活性物質，添加到涂膜溶液中，可起到增溶和強化抗菌效果的作用。Xue Jingyi等[60]制備出負載百里香酚的VAPG-Z納米復合物后，采用浸泡、點接和直接涂覆的方式分別對生菜、哈密瓜和草莓3 種新鮮農產品進行涂膜，記錄貯存過程中的變化，結果發現富含百里香酚的VAPG-Z納米復合物對3 種果蔬均有不同程度的保護作用。從圖7可看出，所有樣品均出現一定程度的脫水現象，但用納米復合物洗滌過的草莓顯然比水洗或未洗滌的對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后均出現腐爛，塑料袋密封的草莓雖未腐爛，但質地變軟，只有涂覆納米復合物的草莓在這3 種情況下一直未出現變軟與腐爛的現象，說明該納米復合物較好地發揮了抗菌作用，延長了草莓在貯藏過程中的保質期。研究還測定了負載百里香酚的VAPG-Z納米復合物和游離的百里香酚對單核細胞增生李斯特菌、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。結果表明，負載百里香酚的納米復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，加大了它們與細菌接觸的概率，因此可以使用更少的納米復合物應用于果蔬保鮮，并達到同樣的抗菌效果。

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進行辛烯基琥珀酸取代反應后，通過調節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，即肉桂醛和抗菌肽Enterolysin A，使得兩種抗菌劑產生了極好的協同作用，既延長了抗菌劑的藥效，又有效提高了抗菌劑的活性，將涂膜運用于葡萄的抑菌保鮮，對照組葡萄僅能貯藏約20 d，而實驗組可貯藏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）分別進行辛烯基琥珀酸取代反應，制備了不同取代度的PG-OS和WCS-OS，并將二者分別與液態魚油進行高能均質，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在穩定魚油乳液方面表現出與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，表現出更好的乳化性，這是因為較高的取代度會導致疏水PG在油滴表面的疏水結合增強，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異的穩定性，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，為單個油滴之間提供空間位阻、疏水結合和靜電斥力，從而提高了乳狀液的穩定性[15]。因此PG-OS作為乳化劑未來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異的食品中，增強穩定性，提高食品質量，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，進而延長抗菌肽(乳鏈菌素，以下簡稱Nisin)對病原體（單核細胞增生李斯特菌）的療效，對來自Su1突變體玉米的PG進行β-淀粉分解、琥珀酸或辛烯基琥珀酸取代反應后作為Nisin的遞送載體吸附Nisin，最終選出負載量最大的兩個樣品，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），進行抑菌實驗。圖9表明抗菌肽對病原體的療效延長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。這說明取代反應提高了PG的負載能力，從而使Nisin通過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間，表現出了更好的抗菌活性。

圖9 不同輸送系統下Nisin抗單核細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的潛力，但它對消化降解非常敏感，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，并通過酶介導的轉化，將轉葡萄糖苷酶與β-淀粉酶聯合使用進行酶解，使α-1,4-糖苷鍵轉化為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。通過測定與計算表明，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，使其有望成為優異的生物活性成分的口服給藥系統[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的基礎上引入了帶正電的季銨基團，對骨髓來源的樹突狀細胞進行了卵清蛋白（ovalbumin，OVA）抗原攝取研究，發現修飾后的陽離子PG-OVA復合體能有效地被樹突狀細胞吞噬，陽離子PG促進了陰離子生物活性物質在細胞內的轉運。體內炎癥研究也表明，負載后可誘導許多炎癥細胞在注射部位聚集，與OVA單獨注射相比，具有良好的免疫應答[15]。季銨化的PG可有效延長抗原在體內的保留時間和提高細胞攝取能力[56]，對于我國出現的傳染性或者流行性疾病，季銨化的PG完全可以應用于疫苗佐劑的研發，誘發高效的特異性免疫反應，提高機體的保護能力，同時減少免疫物質的用量，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修飾，可以使多糖發生衍生化或轉化，進而改變多糖的性質。Hu Xiuting等[59]通過磷酸化酶對PG進行羧甲基化和鏈延長，成功制備了pH值響應型水凝膠，并對其結構與功能進行了詳細研究。結果表明，葡聚糖鏈在羧甲基化PG的非還原末端被延長，形成的雙螺旋作為交聯點，形成了呈多孔狀和相互連通形態的水凝膠。羧甲基化使水凝膠表現出對pH值的響應行為，pH值為3～5時，凝膠體積較小；pH值為6～8時，由于靜電斥力，凝膠體積變大，由此構建了基于人體胃腸道pH值差異的生物活性成分體內控釋系統[59]。Chen Yuhao等[12]為了改善消化敏感性，將PG羧甲基化，使PG轉變為表面富含帶負電荷的羧基的聚電解質，制備兩親性蛋白質分子酪氨酸鈉，通過pH值和加熱誘導絡合形成納米絡合物，實現了很好的包封率和遞送能力。

5 結語

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，并且依靠外緊內松的高度支化結構常被用作結構性支架以開發功能性生物聚合物[63]，與多種活性物質相結合，最大程度上發揮活性物質的功能，這與人們追求的綠色健康飲食理念高度符合，廣受國內外研究人員的關注。由此，近年來PG的應用日益增多，尤其在食品領域中，PG具有較大的發展。PG常作為增溶劑、穩定劑和抗菌劑負載活性物質，應用于食品中或者包裝方面，增加了食品的功能性，促進了食品包裝膜的創新發展。經化學修飾后的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，改善耐消化性，提高包封率和遞送能力，有效促進了食品行業的發展。

綜上所述，PG具有多重生物活性，但關于PG的相關研究仍存在不足之處，需進一步研究與探索：1）為進一步提高PG提取率與純度，未來可使用超聲和微波聯合酶解提取PG，利用蛋白酶除去結合態蛋白質，進一步純化PG，并系統分析不同提取純化方法導致的PG提取率、純度、結構與性能差異；2）科學研究是為了解決實際問題，促進社會的發展，然而目前只是停留在實驗室階段，未應用于生產實際，亟需開發適合大規模生產的PG提取工藝；3）目前大多數研究利用PG與其他物質形成二元復合體，未來可嘗試對PG進行結構修飾，提升其應用價值；4）關于PG的二元復合體安全性只停留在體外模擬胃腸道實驗上，需進一步探究體內胃腸道實驗，揭示其吸收與代謝途徑，為PG在食品領域的應用提供理論依據。