木聚糖硫酸酯化修饰方法研究进展

韦罗璐，农承涛，周玉盼，邱海娟，李坚斌

（广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

木聚糖是自然界中最丰富的半纤维素多糖，主链由木糖单体组成，根据侧链上是否存在官能团，可将其分为均质或异质木聚糖。基于侧链上主要官能团的结构，异质木聚糖可进一步分为阿拉伯木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖和木葡聚糖［1］。自然状态下在木聚糖结构上还可观察到一些常见的侧链基团，如乙酰基团和阿魏酸，其含量的多少取决于生物质来源和所使用的处理方法［2，3］。天然来源的木聚糖具有多种生物活性，包括抗氧化［4］、抗肿瘤［5］、降血糖［6］、降血脂［7］以及益生功能［8］。多种生物学特性表明木聚糖在健康食品和药品领域具有潜在的营养和药学效果。然而，由于从天然生物中分离出的未修饰木聚糖具有较弱的生物活性，缺乏大多数常规药物所具有的药效，不能进入临床试验用于疾病治疗。因此，设计和开发基于天然木聚糖的半合成类似物具有巨大的研究潜力，因为其具有更好的药代动力学特征，药效更强。

研究表明，木聚糖的生物学或药理学活性与其分子结构密切相关［9］。通常，分子修饰提供了木聚糖作为具有治疗特性的新药理学药物的潜力［10，11］。各种类型的分子修饰可改变木聚糖的分子结构、分子量、单糖组成、主链的糖苷键、取代的类型和程度、主链的分支度和构象等方面的物理化学性质（如水溶性），可获得更广泛的应用。在过去的几十年中，木聚糖和木聚糖类衍生物，尤其是硫酸化衍生物的功能特性得到了研究者们的广泛关注。研究表明，硫酸酯化修饰能有效改变木聚糖的功能特性，近年来已成为木聚糖分子修饰领域的研究热点之一。硫酸基团的引入可改变木聚糖的结构特征，包括空间位阻和静电斥力作用，改变分子链的构象和水溶性，导致生物活性的改变。大量科学研究表明，经硫酸酯化修饰后，木聚糖不仅可以获得抗凝血活性［12］，还能产生其他新的生物活性，如抗病毒［13］、抗肿瘤［14］以及镇咳活性［15］。

1 木聚糖硫酸化方法

硫酸化改性的原理是将木聚糖溶解或分散于碱性有机溶剂中，然后在一定条件下与相应的硫酸化试剂反应。通过调节反应条件可控制硫酸基团与羟基的键合程度。当前，木聚糖硫酸化的方法主要有氯磺酸法［12］、浓硫酸法［13］、氨基磺酸法［16］和三氧化硫法［17］。

1.1 氯磺酸法

氯磺酸法的优点是产物产率和回收率高、取代度较高，反应机理如图1所示。氯磺酸与吡啶结合形成三氧化硫—吡啶络合物并释放出氯化氢，在路易斯碱溶液中，此络合物中的三氧化硫取代羟基氢得到硫酸化产物。Cong等［18］从决明子种子的碱性提取物中分离出1种阿拉伯葡糖醛酸木聚糖，以氯磺酸∶吡啶（2∶1，v/v）为酯化试剂，在40 ℃下反应4 h制备出取代度为1.16的硫酸化木聚糖。然而，令人担忧的是氯磺酸法操作复杂、反应剧烈、不易控制，而且氯磺酸具有很强的氧化性、毒性及刺激性。此外，氯磺酸是一种强酸，在硫酸化过程中木聚糖在酸性条件和相对较高的温度下容易降解。

1.2 浓硫酸法

浓硫酸法具有反应条件稳定、易操作、副反应少、化学试剂毒性低等优点，反应机理如图1所示。Nosál’ova等［15］以发烟硫酸∶DMF（1∶15，v/v）为酯化试剂在24～25 ℃下反应24 h，得到的硫酸化木聚糖中硫含量达11.5%。由于浓硫酸的强酸环境会造成木聚糖降解和炭化，且产物取代度和回收率较低，一般较少采用。

1.3 氨基磺酸法

氨基磺酸法的优点是操作安全、反应稳定，反应机理如图2所示。Levdansky等［16］以尿素为催化剂，氨基磺酸为酯化剂对桦木木聚糖进行硫酸化，通过优化反应条件制备出取代度达1.64的硫酸化木聚糖。然而，这种方法的缺点是副氨基甲酸化反应，其会影响产品的生物活性。此外，氨基磺酸对木聚糖的硫酸化反应活性较低，通常需要吡啶、尿素、硫脲、乙酰胺和甲基吡啶等碱性催化剂增强其硫酸化反应。

1.4 三氧化硫法

近年来，三氧化硫法由于反应温和、操作简单、产率高而备受关注，反应机理如图3所示。Mandal等［19］通过碱液从Scinaia hatei中提取得到木聚糖，以SO3∶DMF（1∶2.5，v/v）为酯化试剂，反应于氮气气氛下90 ℃进行，反应0.5～2 h后得到取代度为0.93～1.95的硫酸化木聚糖。然而，作为硫酸的酸酐，三氧化硫的亲核反应性能较弱，硫酸酯化修饰程度较低，取代度较低。

硫酸酯化修饰通过改变木聚糖分子量、单糖组成、取代基以及溶液分子链构象，显著增强其生物活性。硫酸基团的引入情况决定着木聚糖硫酸酯化修饰对功能特性的促进作用，选择合适的硫酸酯化修饰方法，有助于木聚糖获得特定的生物活性。由于木聚糖呈分枝结构，而硫酸酯化修饰是一个复杂的化学动态过程，涉及到复杂的立体选择和区域选择问题，同时，糖链的空间取向对木聚糖的结构修饰也存在影响。

2 展望

硫酸酯化修饰方法的反应体系大多采用强酸/有机溶剂或强酸，存在着诸多不足之处。首先，当多糖在强酸环境中进行长时间反应时多糖容易随机降解成小分子，产物的分子量和取代度不稳定，会失去其原始的生物活性；其次，多糖在有机溶剂中的溶解性较低，反应在非均相体系进行，导致硫酸基团取代度较低，生物活性低。因此，需要寻找一种高效、环保、廉价的方法以提高硫酸酯化修饰反应的速率，提高产物的稳定性和活性，有效调控多糖硫酸酯的合成。目前，多糖硫酸酯化修饰存在诸多不足，解决方法包括在硫酸酯化修饰时适当添加催化剂（如DMAP/DCC和DMAP/EDC）以提高反应速率，减少多糖的降解。另外，在硫酸酯化修饰时添加无机盐（如LiCl）/有机溶剂（如DMF）体系和离子液体可提高多糖的溶解性，使硫酸化反应在一个均相系统中进行，有利于反应的进行。合成技术的逐步改进为多糖硫酸酯化修饰提供了一种高效、环保、廉价的方法。有针对性的、有目的的修饰是研究永恒的方向，这有利于降低硫酸化多糖的制备难度，将有助于进一步深入研究硫酸化多糖构效关系及其作用机制。