植物多糖-氨基酸聚合物的合成方法及其应用研究进展
吉骊,王泽龙,宁如霞,蒋建新
(北京林业大学材料科学与技术学院,北京 100083)
关键词
摘 要
多糖作为一种天然功能性高分子,占自然界碳水聚合物总量的90%以上,具有分布广泛、种类丰富、生物活性等特点,是一种很有前景的绿色可持续材料。然而,天然多糖由于其相对分子质量高、水溶性差而表现出较低或不表现出生物活性,限制了其在诸多领域的应用。因此,为了获得令人满意的功能和特性,需要对天然多糖进行结构改性,从而增强其特性并扩展其应用可行性。与天然多糖相比,多糖-氨基酸聚合物具有更高的溶解度,更好的生物相容性,并具备一定的抗菌性,可提高吸附性能,增强抗凝血活性。多糖-氨基酸聚合物的结构特征、理化性质、生物活性和应用与多糖-氨基酸聚合物的合成方法、反应条件以及类型密切相关。综述了近5年来多糖-氨基酸聚合物合成方法的研究进展,着重讨论了魔芋葡甘聚糖、瓜尔胶半乳甘露聚糖和纤维素等特色植物多糖的氨基酸改性方法,并对多糖-氨基酸聚合物衍生材料的发展和应用前景进行了展望,以期为多糖资源的深度利用提供重要依据。
以多糖为基础的碳水聚合物及其衍生物是重要的生物质材料,在替代不可再生高性能材料方面潜力巨大。多糖作为无毒、生物相容性好的天然功能性大分子,因其结构多样性和生物活性备受关注,占自然界碳水聚合物的90%以上。
直接从生物质提取多糖成本低、可控且易于改性。即便由同种单糖构成,多糖也因糖苷键类型及连接方式不同(如线性的纤维素或交替重复的普鲁兰多糖)以及分支结构而呈现多样性。然而,一些多糖的结构限制了其加工和应用,需通过改性优化功能。
化学改性可高效赋予多糖所需特性,其效果取决于取代度和位点选择性。接枝和交联是重要的改性手段,引入氨基酸有望改善多糖性能并减少副作用。
尽管多糖化学改性被广泛研究,但利用氨基酸及其衍生物进行改性这一前景好、绿色且经济的方法很少受关注,尤其缺乏关于多糖-氨基酸聚合物的系统综述。
北京林业大学吉骊、王泽龙等综述了使用氨基酸及其衍生物改性3类典型多糖,即魔芋葡甘聚糖(KGM,线性中性多糖)、瓜尔胶半乳甘露聚糖(GGM,支链中性多糖)和纤维素(最丰富的可再生线形多糖)合成其氨基酸聚合物的方法、性能与应用,为开发绿色可持续改性策略及探索未来应用提供依据。
1 不同种类多糖的性质及结构
1.1 魔芋葡甘聚糖的结构和理化性质
KGM是一种非离子型水溶性高分子多糖,分子式为(C6H10O5)n,由β-1,4连接的D-葡糖基和D-甘露糖基残基(物质的量比约为1.6:1)组成主链,并含有分支的β-1,4葡糖基单元,其分支度约为8%。KGM主链中含有乙酰基,乙酰化程度为5%~10%,如图1a所示。
乙酰基影响KGM亲水性与胶凝性,碱处理脱乙酰可形成不可逆凝胶。KGM分子富含羟基与羰基,能形成氢键锁水保湿,其羟基可抑制蛋白质聚集,防止变性,并具调节乳液稳定性和流变性潜力,可用于开发益生元乳液。化学改性可改变其性能:脱乙酰化可改善热稳定性和机械强度; 引入羧甲基增加亲水性,得到带负电的羧甲基魔芋葡甘聚糖(CMKGM)可与带正电生物大分子通过静电作用结合,构建结肠靶向给药系统。基于其三维网络结构,KGM可作为凝胶载体保护并缓释活性分子应用于食品保鲜,KGM薄膜具有安全、环保、可降解等优点。此外,由魔芋葡甘聚糖所制备的微球材料还可应用于分离纯化、细胞/干细胞培养等方面。
1.2 瓜尔胶半乳甘露聚糖的结构和理化性质
瓜尔胶是一种从瓜尔豆中提取的非离子型天然多糖(半乳甘露聚糖),其结构主要由β(1-4)糖苷键连接的甘露糖主链构成,部分甘露糖被α(1-6)糖苷键连接的半乳糖取代,甘露糖与半乳糖物质的量比为1.6:1~2:1,如图1b所示。与绝大多数植物胶及黏液不同,瓜尔胶半乳甘露聚糖的相对分子质量通常较大,其平均相对分子质量为1×106~2×106,外观表现为白色至淡黄色粉末,因富含羟基,易在水中形成氢键,能显著增加溶液黏度。
此外,瓜尔胶还具备生物可降解性、生物相容性、成本低、易混配等优点,适用于食品、医药和工业领域。其衍生物及复合材料潜力广阔:可作食品增稠剂; 在农业领域,瓜尔胶衍生物能够当作保水的土壤添加剂,以及用于控制农药和肥料的缓释材料; 交联水凝胶则可用于医疗敷料、卫生用品及水处理絮凝剂。作为一种绿色材料,瓜尔胶可部分替代难降解的合成聚合物,是多糖改性领域的重要选择。
1.3 纤维素的结构和理化性质
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,占生物质总量的50%以上,它由β(1-4)糖苷键连接的β-D-葡萄糖单元构成,如图1c所示,其摩尔质量高达3.2×106 g/mol,分子聚集形成纳米纤维(含30~100个分子),呈现半晶结构,并最终组装成宏观纤维。纤维素基材料具备独特优势:高生物降解性、生物相容性、低毒、可再生、成本低、易加工且环保,这些特性使其成为环境友好型替代品,广泛应用于生物医药、生物燃料及特种化学品领域。源自天然或化学合成的纤维素(纳米)材料,凭借其高结晶度、丰富表面羟基、高强度及可调自组装性展现出卓越性能。以纤维素为基础的天然生物材料已在生物医学、制药、电子、燃料电池、环境修复、造纸工业、光电子学、传感器、食品包装和工程应用等行业实现多样化应用。
2 氨基酸的种类及结构
氨基酸是蛋白质的基本单位,也是支持生物生命活动的主要物质,并发挥着非常重要的作用。氨基酸的化学结构包含一个氨基(—NH2)、一个羧基(—COOH)以及连接氨基和羧基的碳上独特的侧链,其具有重要的生理功能,包括参与蛋白质合成、代谢、神经传递等。
氨基酸可广泛应用于食品工业,提升食品风味和增强营养,例如甜味剂阿斯巴甜的主要原料就是L-苯丙氨酸。氨基酸还因结构多样性和广泛药理活性被用于药物的合成和结构改造,并深受医疗和保健行业的青睐,其在抗肿瘤、抗艾滋病毒、抗疲劳和治疗慢性肝病等方面发挥着积极作用。例如:精氨酸是一种半必需氨基酸,可促进伤口愈合和具有免疫调节作用,还能改善肝功能障碍和肥胖症状; 赖氨酸被称为“第一必需氨基酸”,在人体生长发育中起着关键作用。
3 多糖-氨基酸聚合物的改性方法
迄今为止,已开发多种合成多糖-氨基酸聚合物的方法,包括酯化、曼尼希反应、接枝聚合、席夫碱改性、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)交联及区域选择性改性,所得聚合物结构差异主要体现在连接键类型上。不同方法制备的聚合物特点总结如表1所示。
3.1 酯化反应改性
氨基酸酯化改性是一种高效且选择性强的多糖改性方法,因其能保持多糖原本结构、副反应少且机理清晰而备受关注。多糖(如KGM)在金属表面吸附能力强,但分子间氢键导致其吸水性强、溶解性差。Zhang等采用KGM与L-组氨酸/L-精氨酸在对甲苯磺酸催化下于DMSO中反应,制得魔芋葡甘露聚糖L-组氨酸酯(KGM-His)和魔芋葡甘露聚糖L-精氨酸酯(KGM-Arg)。改性后羟基减少,降低了分子间氢键作用,显著增强水溶性并降低吸水性,KGM及其衍生物的平均相对分子质量均达到105量级。更重要的是,KGM-His和KGM-Arg可作为高效缓蚀剂,能显著降低低碳钢腐蚀速率。此改性方法同样可提升多糖的阻垢性能。Zhang等用谷氨酸/天冬氨酸选择性羧化线性KGM(因支链GGM存在空间位阻无法改性),所得魔芋葡甘聚糖谷氨酸酯(KGM-Glu)和天冬氨酸酯(KGM-Asp)对CaCO3的阻垢率均大于90%,可用作高效可降解阻垢剂,其增效源于额外羧基及羧基化单糖环的吸附隔离作用。针对氨基酸自缩合及酯化效率低的问题,Wu等采用氨基酸盐酸盐([AA]Cl)合成纤维素氨基酸酯(CAE),如图2所示。[AA]Cl反应活性高(取代度为0.412~0.516,反应仅需10~50 min),其兼具溶剂、酸催化剂及氢键破坏剂作用; 氨基质子化可有效避免自缩合副反应,为纤维素高效衍生提供了便捷途径。
3.2 曼尼希反应改性
曼尼希反应是利用甲醛和胺对含活泼氢化合物进行表面改性的有效方法,可赋予材料抗菌性。鉴于木聚糖与纤维素反应活性相似,该法有望提升硫代纤维素纳米纤维(SCNF)的抗病毒性能。Hu等采用曼尼希反应,将甲醛和碱性氨基酸(赖氨酸Lys、精氨酸Arg、组氨酸His)与SCNF交联,制得氨基酸接枝SCNF(Lys/Arg/His-SCNF),如图3所示。所有改性SCNF抗病毒性均优于原始SCNF,而Arg-SCNF效果最佳,1 h可完全灭活噬菌体X174。该改性过程为SCNF引入高正电荷密度和长烷基链,从而增强其抗病毒抗菌性能,为制备高效抗病毒纳米颗粒提供了简便途径,但需进一步验证其对人类致病病毒的有效性。
3.3 环氧氯丙烷法接枝改性
甘氨酸结构简单,具两性亲水性,广泛用于制药与合成。徐玉枫采用对甲苯磺酰氯法和环氧氯丙烷法分别制备了甘氨酸改性瓜尔胶(GA)和甘氨酸改性羟丙基瓜尔胶(HPG-GA),并对合成配方与工艺进行了优化(图4)。对甲苯磺酰氯法制备的GA热稳定性下降而熔融温度升高,且硫元素分析表明甘氨酸未完全取代甲苯磺酰基。环氧氯丙烷法则在优化条件(甘氨酸与瓜尔胶质量比1:1,50 ℃,5 h)下成功制备了GA。所得GA水溶液在耐盐性、耐酸碱性上优于未改性瓜尔胶,其透光率低于50%,使其适用于特殊涂层。HPG-GA在作为面膜精华液增稠剂时表现出低失水率、良好保湿性以及优异的耐热性、耐寒性和离心稳定性,性能优于常用增稠剂如黄原胶。
3.4 席夫碱改性
重金属(如镉、铅)污染问题严峻,吸附法因其高效处理低浓度废水备受关注,纤维素来源丰富、可持续,经改性可提升吸附性能。
Chen等通过席夫碱反应制备了4种氨基酸(半胱氨酸Cys、组氨酸His、天冬氨酸Asp、甲硫氨酸Met)功能化纤维素吸附剂(Cys-CL、His-CL、Asp-CL、Met-CL)。在最佳pH(Cd2+为4.5~5.5, Pb2+为4.0~5.5)和30 ℃条件下,其对Cd2+的饱和吸附容量分别为130.7,87.0,75.5,37.1 mg/g; 对Pb2+吸附容量分别为180.9,119.0,111.0,51.1 mg/g,吸附能力排序均为Cys-CL>His-CL>Asp-CL>Met-CL。Cys-CL性能最优,吸附行为受初始浓度、pH、温度影响。材料所含硫醇、亚胺、羧基为络合金属离子提供了活性位点,Cys-CL具有良好的吸附特性和可回收性,潜力显著。针对饮用水中的亚砷酸[As(Ⅲ)]污染问题,Chen等利用木浆制备了2种基于生物质的纳米结构材料,即微米级二甲醛纤维素-半胱氨酸(MDAC-cys)和纳米级二甲醛纤维素-半胱氨酸(NDAC-cys)纤维,如图5所示。两者对As(Ⅲ)最大吸附容量分别为344.82和357.14 mg/g。硫含量测定证实半胱氨酸的硫醇基赋予材料优异吸附性能。微米级系统因高成本效益更适合实际应用,用于去除水中的As(Ⅲ)。
3.5EDC参与的分步嫁接改性
表面改性的纳米纤维素在生物医学、抗菌/过滤等领域应用广泛。EDC/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)偶联法常被用于其功能化,该法在水溶性、效率及反应条件上具备优势。Wassgren等采用两步法实现精氨酸改性CNF:先用TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化CNF,再用EDC/NHS交联精氨酸,研究pH与时间对胺官能度的影响。活化可防止精氨酸自交联,表明仅特定活性酯中间体参与形成酰胺; 提高pH可促进伯胺脱质子,显著增加接枝量。羧甲基纤维素(CMC)因其优异的水溶性和商业可用性等特点,可在水相中与蛋白质或肽进行化学改性。Gürer等利用水相EDC反应体系,将甘氨酸甲酯/L-色氨酸甲酯与CMC交联,如图6a所示。增加氨基酸酯的浓度可使偶联效率达20%~80%,活性炭辅助碱催化脱保护提高了聚合物水溶性。表征证实氨基酸酯通过酰胺键与CMC连接,但存在EDC副产物及残留甲酯基团,该方法为多糖主链设计特定肽提供了途径。
3.6 多糖-氨基酸聚合物的区域选择性改性
蛋白质药物具有特异性高、起效快等优点,但存在稳定性差、溶解性低、半衰期短及免疫原性等问题。高相对分子质量聚乙二醇(PEG)化可保护蛋白质,但PEG不可生物降解,可能导致细胞内积累和毒副作用。利用可生物降解的多糖与蛋白结合是潜在策略,但现有方法缺乏区域选择性,易致产物不均一。Zhou等开发了区域/化学选择性合成策略,如图6b所示:首先使用N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)和三苯基膦(Ph3P)在二甲基乙酰胺(DMAc)和溴化锂溶剂中,对非还原端葡聚糖主链羟基进行区域选择性溴化,得到6-Br多糖羰化物; 随后通过SN2取代反应,使其与氨基酸酯偶联。该策略显示,组氨酸酯的侧基胺可与6-Br醋酸纤维素反应,而色氨酸酯则不能。所得多糖的酯基位置不受氨基酸影响,该方法为多种多糖-氨基酸酯的位点选择性修饰及后续蛋白/多肽高效交联奠定了基础。
4 改性多糖-氨基酸聚合物的特殊理化性质及应用
4.1 力学特性及应用
纤维素纳米材料应用潜力大,但制备具有特定自组装性质的薄膜较难,需改性以引入特定的超分子相互作用。Gabrielli等将TEMPO氧化纳米晶(TOCNC)分别与精氨酸(Arg)和色氨酸(Trp)功能化,所得TOCNC-Trp薄膜表面粗糙度增加,TOCNC-Arg/TOCNC-Trp薄膜均呈现多层有序结构,且韧性模量和断裂应变有所改善,TOCNC-Arg刚度提高。相比其他TEMPO改性纳米纤维素,TOCNC-氨基酸聚合物在密度、应力、应变及弹性模量上表现出差异,这与纳米晶性质、制备方法及氨基酸侧链的直接影响有关。Sun等通过美拉德反应制备燕麦β-葡聚糖-氨基酸/肽聚合物。2%(m/v)的氨基酸聚合物溶液呈现剪切稀化行为,表观黏度高于原葡聚糖; 高剪切速率下,肽聚合物黏度骤降,呈牛顿流体。7%(m/v)时,所有交联液的储能模量(G')均大于损耗模量(G″),表现出类固体行为。这项研究可为燕麦葡聚糖的质量控制与功能化应用提供依据。水凝胶应用广泛,但GGM因力学性能差,难以直接形成网络,L-苯丙氨酸可以改善瓜尔胶聚合物的力学性能。Jalababu等将N-丙烯酰基-L-苯丙氨酸(APA)接枝到GGM上,并与AMPS(含强电离磺酸基)等功能单体自由基共聚,合成了新型pH敏感水凝胶。该水凝胶溶胀能力显著,在药物控释、金属离子吸附及生物医学领域具有应用潜力。
4.2 抗菌特性及应用
为解决合成塑料的环境问题,生物聚合物基抗菌食品包装备受关注。虽然GGM具备良好成膜性,但其包装应用受限,而芦荟凝胶(AV)和聚-赖氨酸(ε-PL)在改善薄膜性能方面具有潜力。Zhao等研究表明,添加AV能提高GGM薄膜水溶性,而额外添加ε-PL可进一步提升水溶性。ε-PL能显著增强复合薄膜的水蒸气阻隔性和韧性。仅含ε-PL的复合薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展现出明显抑菌圈,证实其作为高水溶性抗菌包装材料的潜力。同时,Zhang等开发了ε-PL交联氧化纤维素(TOCN)的绿色高效工艺,制备了聚氨基纤维素纳米纤维(ε-PL-TOCN),得率大于60%。优化反应条件(羧基含量、ε-PL浓度等)可控制氨基含量与性能。温和的两步法结合低耗机械处理实现高效胺化,所得ε-PL-TOCN具有优异的热稳定性、机械强度和荧光性。氨基质子化赋予其pH响应性分散能力,ε-PL接枝显著提升了纤维素的抗菌/抗真菌活性(>99%),适用于果蔬保鲜。
4.3 生物学特性及应用
胺官能化多糖水凝胶(如壳聚糖基)是重要的生物材料。O'Connor等开发了葡聚糖与氨基酸二胺交联的简便水凝胶制备法。得益于氨基酸甲酯的水解,制备的水凝胶表现出优异的pH响应性。增加氨基酸比例会降低交联密度,从而增大溶胀度并改变形貌。所有凝胶均显示出与未改性葡聚糖相似的良好生物相容性。龙眼果肉多糖具有多种生物活性,如抗氧化、抗癌和免疫调节活性等。Yi等研究了氨基酸通过美拉德反应(MR)对龙眼果肉多糖(LP)的改性。LP为杂多糖,与赖氨酸反应最活跃(褐变程度高),反应4 h获得的MR改性产物(MLP)结构显著改变,LP主要为小分子,而MLP形成网络结构。改性后,MLP的自由基清除能力与巨噬细胞免疫刺激作用增强,但抑制癌细胞生长的能力减弱。
4.4 抗凝血活性及应用
肝素作为治疗血栓栓塞性疾病和献血后预防血液凝固的药物,有副作用和动物源风险,因此,研究新兴绿色的抗凝剂十分有必要,而半胱氨酸作为一种天然含硫氨基酸可作为天然抗凝物质。二醛纤维素(DAC)因结晶度低、反应活性高,应用前景广阔。Dacrory等发现该材料显著延长凝血酶原时间(PT)和部分凝血活酶时间(PTT),抗凝活性呈浓度依赖性,在有效浓度内对正常细胞安全性高,其抗凝机制可能涉及吸附钙离子和抑制凝血酶活性。
展望
多糖-氨基酸聚合物代表了一种新型功能化材料,通过多糖与特定氨基酸交联优化性能(如改善溶解性、降低黏度、增强生物相容性)显著提升多糖应用潜力。关键改性策略包括酯化交联用于精确结构调整和抑制不良水合行为; 利用曼尼希反应“一锅法”结合碱性氨基酸以引入多配体增强病毒抑制性,适用于包装和防护领域; 高碘酸盐氧化裂解糖环后形成二醛多糖,再与氨基酸胺基通过席夫碱反应交联,可应用于环保除汞等领域; 温和的EDC/NHS交联则用于构建色氨酸或ε-聚赖氨酸修饰的生物黏附或抗菌材料。虽然不同氨基酸交联提供多样的活性基团,深入理解其作用机制仍需更多研究。发展更绿色高效的位点特异性交联方法以生产结构均一的聚合物是未来重要的研究方向,特别是满足组织工程、再生医学等对生物安全性有严格要求的应用。目前,此类聚合物在抗菌材料和离子吸附中已显现潜力,但需优先考量生产成本和安全性以确保其可持续发展惠及社会。
责任编辑:莫弦丰
该文发表于《林业工程学报》2026年第1期。
引文格式:
吉骊,王泽龙,宁如霞,等.植物多糖-氨基酸聚合物的合成方法及其应用研究进展[J].林业工程学报,2026,11(1):1-9.
JI L,WANG Z L,NING R X,et al.Advances in synthesis methods of plant polysaccharide-amino acid couplings and their applications[J].Journal of Forestry Engineering,2026,11(1):1-9.
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图片来源于网:Rachel