木聚糖及其衍生物的合成与性能研究进展

＊李明坤 李和平 谢超煜

（桂林理工大学化学与生物工程学院 广西 541004）

随着人类对自然环境保护意识的提高，为了解决石油等矿物资源带来的一系列环境问题，采用可降解生物质资源代替石油等矿物资源的研究已成为科研人员研发的热点项目[1]。由于植物的可再生性，利用植物及植物废弃物等资源作为现代材料、化学品的原料具有深远的意义。随着生物质转化利用技术的不断提高，人们发现木聚糖（BX）不仅蕴藏着丰富的生物质能，还是绿色化学品、天然高分子材料的宝库。

木聚糖是由半纤维素中提取出来的，生物相容性、生物降解性和生物活性是其优异的生物学特性。一般情况下，BX是以β-(1→4)木糖苷键连接D-木糖残基为主链的复杂分子多聚糖，其侧链上含有许多阿拉伯糖和香豆酸等基团。木聚糖是世界上含量第二多的异质多聚五碳糖，主要存在于植物细胞壁中，占植物细胞干重的15%～35%。由于木聚糖每个循环结构的C2、C3位存在羟基，使得木聚糖可以进行一定的化学修饰。因其羟基的存在，接枝共聚、酯化、醚化等常用的化学修饰方法可以将活性基团引入到木聚糖的分子结构上，增强它的生物活性和物理性能等，使其能够在食品、造纸、生物、医药、材料等领域进行应用，产生相应的经济价值，前景广阔。

在本文中，以木聚糖的抗癌活性为起点，介绍木聚糖的抗癌活性研究进展，然后对木聚糖的酯化改性、接枝共聚、醚化改性这三种改性衍生物的合成及性能进行阐述；并对今后的木聚糖衍生物的合成提出了建议，以期为木聚糖的深入研究提供参考。可以为生物、精细化工、食品、药物、药物载体和功能性材料等方面开辟新的思路。

1.木聚糖的抗癌活性研究

Cao等[2]发现麦麸阿拉伯木聚糖（AX）在S180荷瘤小鼠中，经过AX的给药小鼠可移植肿瘤的生长得到了明显的抑制，胸腺和脾脏指数也得到了显著提高，并增强了NK细胞活性、巨噬细胞吞噬活性和脾细胞增殖，同时还增加了白介素2的产生以及迟发型超敏反应，此外，AX还增加了S180荷瘤小鼠的外周血白细胞计数和骨髓细胞。增加白介素2（IL-2）的产生和迟发型超敏反应。Melo-Silveira等[3]从玉米芯中通过碱性水解和超声的方法，获得了130kDa的杂木聚糖，该木聚糖表现出了高度的铁螯合力和强氧化性，而且具有明显的对人HeLa肿瘤细胞的抗增值活性，并且在3T3细胞中没有活性。作者还提出，该活性很有可能与其基团中的羟基有关，从而使木聚糖成为具有多种功能药物潜力的化合物。Cholujova等[4]证明阿拉伯木聚糖MGN-3是天然的NK细胞的激活剂，凋亡和细胞因子产生的诱导剂，以及树突状细胞（DC）成熟和体外分化的调节剂，经MGN-3治疗的患者的NK活性明显增加，外周血中髓样DC的水平增加，T辅助细胞1型相关细胞因子的浓度增加。

2.木聚糖的化学改性及研究进展

木聚糖是一种长分子链的多糖，每个单元分子都具备活性羟基，因此木聚糖具有比葡萄糖等单糖分子更广泛应用范围。随着科研人员的不断深入研究，对木聚糖的改性研究也越来越多，通过改性能够在木聚糖分子链上插入许多功能性基团，提高木聚糖的机械性能和理化性能，扩大木聚糖的应用范围。

(1)酯化改性

酯化改性是增强木聚糖生物活性以及功能特性最重要的方法之一。酯化反应能够提高木聚糖的溶解度、降低结晶度、提高生物活性等。木聚糖的酯化反应分为均相酯化和非均相酯化两种，非均相酯化反应一般以水为溶剂，但是酯化产物取代度低、均一性差，均相酯化反应一般在一些有机溶剂和碱液中进行。

硫酸酯化是多糖酯化改性的重要手段之一。木聚糖的硫酸酯化反应是磺酸基于木聚糖C2、C3位羟基发生酯化脱水的过程。常用的硫酸酯化的试剂一般为浓硫酸、氯磺酸、三氧化硫、液态二氧化硫等。常用的溶剂有甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、吡啶等。硫酸化木聚糖不仅在欧洲各国用作抗凝血药物，同时木聚糖硫酸钠也被美国FDA批准作为治疗间质性膀胱炎的口服药物。

除了硫酸酯化，其他羧酸酯化修饰的木聚糖也多显现出优异的性能。Fu[5]等将硬脂酸（SA）引入到粘胶纤维厂获得的木聚糖上，合成了功能性衍生聚合物，通过透析合成了SA-X纳米粒子，经过测试平均粒径为194nm，并以酮洛芬作为疏水模型药物用于负荷功能评价，得到包封率为64%，药物释放率为43.6%的具有负载功能的纳米颗粒。Gericke M等[6]制备了木聚糖碳酸苯酯（XPC）衍生物，对其进行了全面表征。实验确定了该木聚糖衍生物取代度（DS）可达2.0，即完全官能化，同时也确认了离子液体作为木聚糖反应过程中的良好溶剂，是一种合适的反应介质。

(2)接枝改性

许多具有较理想生物活性的多糖因为水溶性差未被使用，通常我们可以通过接枝改性将离子基团或其他亲水基团引入多糖分子中增加多糖的水溶性。多糖水溶性的增加可以将多糖转化为理想的注射剂或其他剂型，从而更好地发挥其生物活性。

接枝共聚是木聚糖化学改性的重要方法之一。在引发剂的作用下，使木聚糖和单体产生自由基，进行接枝共聚反应，接枝的单体可以是丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、聚丙烯酰胺等。接枝共聚可为木聚糖引进新的功能基团，改善木聚糖的性质。既能保持木聚糖的优良特性，又能赋予其新的功能。

Gao等[7]以木聚糖为原料，N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂，与N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸制备出具有温度、pH敏感的水凝胶。制备的水凝胶的包封率达到97.60%，乙酰水杨酸的累积释放率为90.12%，分别在肠道和胃液中占35%。基于木聚糖的水凝胶已通过MTT分析证明与NIH3T3细胞具有生物相容性，并显示出作为有针对性的药物用于肠道靶向口服给药的载体。

Sun等[8]制备了一种基于木聚糖和聚丙烯酸的半互穿网络复合水凝胶，该水凝胶具有出色的热稳定性，磁性和pH敏感特性，可广泛应用于可用于药物释放领域。彭[9]等以半纤维素为原料，MBA为交联剂，在过硫酸铵/四甲基乙二胺氧化还原体系引发下与丙烯酸自由基接枝聚合制备了具有多重响应的智能水凝胶。而且，对比在NaCl和CaCl2溶液中的溶胀行为发现，水凝胶对NaCl有明显的刺激响应。实验结果表明半纤维素基水凝胶在离子吸附和分离及药物释放领域具有潜在应用。

(3)醚化改性

醚化改性是一种常见的多糖改性方式，常见的醚化改性有烷基化改性、季铵化改性等。在这些醚化改性中，对木聚糖进行羧甲基化改性是一种广泛使用的改性方式，经过羧甲基化的木聚糖可以增加它的水溶性和电负性，增强或改善生物活性，对提高机体免疫力有很大作用，在生物材料等方面具有较高的价值，可广泛用于医药、材料等行业。

Yang[10]等以羧甲基木聚糖为基质，木聚糖衍生的碳点（CD）作为光转化剂和纳米增强材料，制备出一种新型可持续光转换纳米薄膜，结果表明，由于CD与羧甲基木聚糖之间的化学反应，CD不仅可以显著提高纳米复合薄膜的机械性能，而且还可以赋予膜优异的光学性能。Hettrich等[11]制备出非离子型的二羟丙基木聚糖和离子型的羧甲基木聚糖。并比较了不同的制备方法对取代度的影响。二羟丙基木聚糖的合成方法对取代度的影响并不明显。相反，羧甲基木聚糖的合成方法对取代度的影响较为显著，并且大部分显示出良好的水溶性，从而可以由羧甲基木聚糖的水溶液制备稳定，透明且可染色的膜。

(4)氧化改性

木聚糖的氧化改性过程主要是在C2、C3活性羟基上引进特殊的官能团，而不会出现较大的支链，一般通过无机氧化物的氧化作用获得。在木糖单元的基础上，以高锰酸钾为氧化剂，氧化木聚糖发现，木聚糖的氧化过程包括快速氧化与缓慢氧化两个阶段；当以溴水为氧化剂时，经过实验的探讨研究发现木聚糖的氧化改性发生在木聚糖的主链C2和C3上；当以过氧化钠为氧化剂，采用从梧桐与小麦中提取的木聚糖进行氧化时，发现木聚糖的氧化衍生物已经生成，但是在反应过程中存在一定量木聚糖的降解；同样HIO4/NaClO2也可以作为木聚糖氧化改性的氧化剂，在氧化过程中还具有氧化选择性。木聚糖通过氧化改性的方式，可以为木聚糖获得更好、更多的应用性能及活性提供反应活性基团，使其可以链接更多有用的官能团及支链，起到一个桥梁的作用。也为木聚糖在多领域的研究提供了一个更好的平台。

(5)交联改性

木聚糖的交联改性主要是通过交联剂“手拉手”的方式，使木聚糖与链接分子在交联剂的作用下，发生链的增长过程及分子网络化作用。木聚糖的活性基团与交联剂的活性基团作用，伸出交联分支，使交联剂的活性基团与链接分子的活性基团作用，从而达到木聚糖自身交联的目的。乙二醛、三聚磷酸钠及环氧氯丙烷等是比较常用的交联剂。木聚糖交联改性后，其抗压强度、耐酸碱性能及耐腐蚀性能等都有显著改善。

(6)复合改性

通过醚化、接枝和酯化等一系列化学改性，增强木聚糖的生物活性，但目前研究多为单改性，对复合改性的研究才刚刚起步。Bouramtane等[12]通过复合改性，合成了由硅核和带有5-(4-羟苯基)-10,15,20-三苯基卟啉（TPPOH）壳的木聚糖形成的核-壳杂化纳米颗粒，体外分析显示，与游离TPPOH相比，经木聚糖涂覆的纳米颗粒对HCT116细胞和HT-29细胞的效力分别高40倍和10倍。Luís等[13]将羧甲基木聚糖与甘草精油混合得到可食用薄膜。此外，这些膜具有抑制粪肠球菌和单核细胞增生李斯特菌生长的能力。Kong等[14]将已通过马来酸酐改性的木聚糖与N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸进一步交联聚合制备了MAHX-g-P(NIPAm-co-AA)水凝胶。结果证明，经过复合改性的水凝胶表现出优异的溶胀-溶胀性能，均匀的多孔结构以及温度/pH双重敏感性。Debashis和Tamal在[15]碱性介质中将羧甲基纤维素（CMC）和木聚糖基均聚物合改性得到共聚CMC-木聚糖凝胶。Wu等[16]经过复合改性制备出木聚糖-壳聚糖-锌络合物（XCGZC），结果表明XCGZC的IC50为5.37mg/mL，等于3.28mg/mL BHT的抗氧化能力，而且XCGZC对草芽孢杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、巨大芽孢杆菌表现出优异的抗菌活性。

3.结束语

木聚糖是天然存在的且含量丰富的多糖，具备抗癌活性。对木聚糖的羟基进行化学修饰能够改善其稳定性，水溶性及其生物活性。为此对木聚糖进行有目的的化学修饰是可行的，但目前单一修饰的木聚糖衍生物存在活性较低，功能性较差的问题，提出两点建议以供后续研究参考：

（1）木聚糖是一种具备长链结构的多糖，每个分子单元具备两个活性羟基，通过单一的改性手段修饰木聚糖，不能有效利用木聚糖结构单元的活性羟基，为此建议通过多种修饰方法对木聚糖进行化学改性，能够合理的利用木聚糖上的活性羟基，也能够更好的增强分子链的数目以及长度，提供更为优异的理化性能，使其应用在食品、医药、材料、环境等相关领域。

（2）复配改性修饰的方法是一种有效提高生物活性的手段。通过将木聚糖与其他同样具备多种生物活性的物质进行复配，然后经上述改性手段进行修饰或者多种改性方式依次修饰，并通过交联的手段合成具备空间网络构型的高分子衍生物，结合两种物质的活性一般可以获得更高的生物活性。