木聚糖硫酸酯化修飾方法研究進展

韋羅璐，農承濤，周玉盼，邱海娟，李堅斌

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

木聚糖是自然界中最豐富的半纖維素多糖，主鏈由木糖單體組成，根據側鏈上是否存在官能團，可將其分為均質或異質木聚糖。基于側鏈上主要官能團的結構，異質木聚糖可進一步分為阿拉伯木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖和木葡聚糖［1］。自然狀態下在木聚糖結構上還可觀察到一些常見的側鏈基團，如乙酰基團和阿魏酸，其含量的多少取決于生物質來源和所使用的處理方法［2，3］。天然來源的木聚糖具有多種生物活性，包括抗氧化［4］、抗腫瘤［5］、降血糖［6］、降血脂［7］以及益生功能［8］。多種生物學特性表明木聚糖在健康食品和藥品領域具有潛在的營養和藥學效果。然而，由于從天然生物中分離出的未修飾木聚糖具有較弱的生物活性，缺乏大多數常規藥物所具有的藥效，不能進入臨床試驗用于疾病治療。因此，設計和開發基于天然木聚糖的半合成類似物具有巨大的研究潛力，因為其具有更好的藥代動力學特征，藥效更強。

研究表明，木聚糖的生物學或藥理學活性與其分子結構密切相關［9］。通常，分子修飾提供了木聚糖作為具有治療特性的新藥理學藥物的潛力［10，11］。各種類型的分子修飾可改變木聚糖的分子結構、分子量、單糖組成、主鏈的糖苷鍵、取代的類型和程度、主鏈的分支度和構象等方面的物理化學性質（如水溶性），可獲得更廣泛的應用。在過去的幾十年中，木聚糖和木聚糖類衍生物，尤其是硫酸化衍生物的功能特性得到了研究者們的廣泛關注。研究表明，硫酸酯化修飾能有效改變木聚糖的功能特性，近年來已成為木聚糖分子修飾領域的研究熱點之一。硫酸基團的引入可改變木聚糖的結構特征，包括空間位阻和靜電斥力作用，改變分子鏈的構象和水溶性，導致生物活性的改變。大量科學研究表明，經硫酸酯化修飾后，木聚糖不僅可以獲得抗凝血活性［12］，還能產生其他新的生物活性，如抗病毒［13］、抗腫瘤［14］以及鎮咳活性［15］。

1 木聚糖硫酸化方法

硫酸化改性的原理是將木聚糖溶解或分散于堿性有機溶劑中，然后在一定條件下與相應的硫酸化試劑反應。通過調節反應條件可控制硫酸基團與羥基的鍵合程度。當前，木聚糖硫酸化的方法主要有氯磺酸法［12］、濃硫酸法［13］、氨基磺酸法［16］和三氧化硫法［17］。

1.1 氯磺酸法

氯磺酸法的優點是產物產率和回收率高、取代度較高，反應機理如圖1所示。氯磺酸與吡啶結合形成三氧化硫—吡啶絡合物并釋放出氯化氫，在路易斯堿溶液中，此絡合物中的三氧化硫取代羥基氫得到硫酸化產物。Cong等［18］從決明子種子的堿性提取物中分離出1種阿拉伯葡糖醛酸木聚糖，以氯磺酸∶吡啶（2∶1，v/v）為酯化試劑，在40 ℃下反應4 h制備出取代度為1.16的硫酸化木聚糖。然而，令人擔憂的是氯磺酸法操作復雜、反應劇烈、不易控制，而且氯磺酸具有很強的氧化性、毒性及刺激性。此外，氯磺酸是一種強酸，在硫酸化過程中木聚糖在酸性條件和相對較高的溫度下容易降解。

1.2 濃硫酸法

濃硫酸法具有反應條件穩定、易操作、副反應少、化學試劑毒性低等優點，反應機理如圖1所示。Nosál’ova等［15］以發煙硫酸∶DMF（1∶15，v/v）為酯化試劑在24～25 ℃下反應24 h，得到的硫酸化木聚糖中硫含量達11.5%。由于濃硫酸的強酸環境會造成木聚糖降解和炭化，且產物取代度和回收率較低，一般較少采用。

1.3 氨基磺酸法

氨基磺酸法的優點是操作安全、反應穩定，反應機理如圖2所示。Levdansky等［16］以尿素為催化劑，氨基磺酸為酯化劑對樺木木聚糖進行硫酸化，通過優化反應條件制備出取代度達1.64的硫酸化木聚糖。然而，這種方法的缺點是副氨基甲酸化反應，其會影響產品的生物活性。此外，氨基磺酸對木聚糖的硫酸化反應活性較低，通常需要吡啶、尿素、硫脲、乙酰胺和甲基吡啶等堿性催化劑增強其硫酸化反應。

1.4 三氧化硫法

近年來，三氧化硫法由于反應溫和、操作簡單、產率高而備受關注，反應機理如圖3所示。Mandal等［19］通過堿液從Scinaia hatei中提取得到木聚糖，以SO3∶DMF（1∶2.5，v/v）為酯化試劑，反應于氮氣氣氛下90 ℃進行，反應0.5～2 h后得到取代度為0.93～1.95的硫酸化木聚糖。然而，作為硫酸的酸酐，三氧化硫的親核反應性能較弱，硫酸酯化修飾程度較低，取代度較低。

硫酸酯化修飾通過改變木聚糖分子量、單糖組成、取代基以及溶液分子鏈構象，顯著增強其生物活性。硫酸基團的引入情況決定著木聚糖硫酸酯化修飾對功能特性的促進作用，選擇合適的硫酸酯化修飾方法，有助于木聚糖獲得特定的生物活性。由于木聚糖呈分枝結構，而硫酸酯化修飾是一個復雜的化學動態過程，涉及到復雜的立體選擇和區域選擇問題，同時，糖鏈的空間取向對木聚糖的結構修飾也存在影響。

2 展望

硫酸酯化修飾方法的反應體系大多采用強酸/有機溶劑或強酸，存在著諸多不足之處。首先，當多糖在強酸環境中進行長時間反應時多糖容易隨機降解成小分子，產物的分子量和取代度不穩定，會失去其原始的生物活性；其次，多糖在有機溶劑中的溶解性較低，反應在非均相體系進行，導致硫酸基團取代度較低，生物活性低。因此，需要尋找一種高效、環保、廉價的方法以提高硫酸酯化修飾反應的速率，提高產物的穩定性和活性，有效調控多糖硫酸酯的合成。目前，多糖硫酸酯化修飾存在諸多不足，解決方法包括在硫酸酯化修飾時適當添加催化劑（如DMAP/DCC和DMAP/EDC）以提高反應速率，減少多糖的降解。另外，在硫酸酯化修飾時添加無機鹽（如LiCl）/有機溶劑（如DMF）體系和離子液體可提高多糖的溶解性，使硫酸化反應在一個均相系統中進行，有利于反應的進行。合成技術的逐步改進為多糖硫酸酯化修飾提供了一種高效、環保、廉價的方法。有針對性的、有目的的修飾是研究永恒的方向，這有利于降低硫酸化多糖的制備難度，將有助于進一步深入研究硫酸化多糖構效關系及其作用機制。