第45卷第4期
燕山大学学报
Vol.45No.4
2021年7月
Journal of Yanshan University
July 2021
㊀㊀文章编号:1007-791X (2021)04-0283-22
张振琳1,2,∗，孙梦圆1,2，张忠栋1,2，高㊀静1,2
(1燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004;
2.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛066004)
㊀㊀收稿日期:2020-09-18㊀㊀㊀责任编辑：王建青㊀㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目(51703193)；河北省引进留学人员资助项目(C20200369)；河北省教育厅高等学校科技计划项目(QN2018107)
㊀㊀作者简介:∗张振琳(1979-)，女，天津人，博士，副教授，主要研究方向为智能响应高分子材料,Email:leafzzl@163㊂
摘㊀要：随着社会的不断发展，不可再生资源匮乏问题和环境污染问题日益加深，人们的节约意识和环保意识也逐渐加强，对于丰富的㊁可生物降解的和环境友好型的天然材料的研究也日益加大㊂普鲁兰多糖是一种绿的天然高分子聚合物，具有水溶性㊁无毒无害㊁无无味㊁非免疫原性㊁非致癌性和非诱变性等优良特性，在众多领域中都有极高的应用价值㊂本文介绍了普鲁兰多糖通过物理改性或化学改性，得到多种具有功能性的普鲁兰多糖衍生物，并阐述了近五年普鲁兰多糖及其衍生物在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品㊁生物医用等方面的应用㊂ 关键词：普鲁兰多糖；改性；普鲁兰多糖衍生物；应用
中图分类号:TQ317.9㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2021.04.001
0㊀引言
普鲁兰多糖为天然可降解大分子聚合物[1-2],
70sec无危害性[3]，容易制作成膜[4]，且具有良好的生物亲和性[5]，已在许多领域中得到了广泛的应用[6]㊂
普鲁兰多糖是在1938年由Bauer 发现,1958年由Bernier 成功从出芽短梗霉的发酵介质中提取出来[7],1959年,Bender 发现该多糖遇碘并不发生变反应，并将该多糖命名为pullulan [8] ㊂之后，学者
们对于普鲁兰多糖的结构㊁性能与应用进行了进一步的研究与探索㊂1976年，日本就已实现了普鲁兰多糖的商业化生产[9]
，而我国发展缓慢，需要
加快研究步伐，缩短差距，扩大其应用领域㊂
1㊀普鲁兰多糖的结构与性质
1.1㊀普鲁兰多糖的结构
普鲁兰多糖是一种由出芽短梗霉发酵所产生的微生物多糖
[10]
，又称出芽短梗孢糖㊁短梗霉多
糖㊁支链淀粉，目前普遍认为其结构如图1所示㊂
普鲁兰多糖的化学式为(C 6H 10O 5)n ，分子量在2万~200万范围之间，聚合度为100~5000，商品
常用的分子量在20万左右，大约由480个麦芽三糖组成㊂该多糖主要是由α-1,4糖苷键连接的麦芽三糖重复单元，经α-1,6糖苷键聚合而成的线型多糖[11]，每个葡萄糖单元中含有9个羟基，使其存在大量的分子间氢键㊂但该多糖结构也可能是支化的，且其主链含有最多7%的麦芽糖四糖亚基[12]，支链含有少量的麦芽糖基或葡萄糖基[13]㊂碗形垫片
其结构中α-1,4和α-1,6糖苷键的共存常被认为是直链淀粉和右旋糖酐结构之间的一种中间体[14]㊂
图1㊀普鲁兰多糖的结构
Fig.1㊀Structure of pullulan polysaccharides
1.2㊀普鲁兰多糖的性质
普鲁兰多糖是白的㊁中性㊁无味㊁无嗅㊁不吸
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湿㊁无毒无害的粉末，在250ħ时开始分解,280ħ时分解为焦炭，因此具有一定的耐热性[15-17]㊂因为普鲁兰多糖特殊的多糖结构，而使其具有许多优良的特性㊂普鲁兰多糖每个葡萄糖单元中含有9个羟基，极易溶于水，与其他水溶性多糖相比，其水溶液稳定，黏度较低，且其水溶液黏度不受温度㊁pH值和大多数金属离子的影响，因此常被用作食品添加剂[18]㊂普鲁兰多糖易溶于DMSO㊁DMF㊁DMA和稀碱溶液，不溶于无水乙醇等其他有机溶剂[19]㊂普鲁兰多糖具有较高的成膜性[20]㊁可纺性[21]㊁黏附性[22]㊁非免疫原性[23]㊁非致癌性[24]㊁非诱变性[25]㊁生物相容性[26]和可降解性[27]，有一定的机械强度，薄膜透明性好，且具有良好的低透氧性和耐油性[28]，因此其产物在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品和生物医用等方面具有非常广阔的应用㊂
2㊀普鲁兰多糖的改性方法
普鲁兰多糖因其大量的优良特性而备受关注，但在实际应用中，仍具有一定的限制㊂普鲁兰多糖不具有电负性，亲水性强，基本无抗菌特性[29]，形成的薄膜脆性大[30]，所以在实际应用时，要加以修饰
改性，从而拓展其在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品㊁生物医用等方面的应用㊂2.1㊀物理改性
物理改性普鲁兰多糖是通过物理共混达成的，通过掺入其他具有一定特性的组分，来提高普鲁兰多糖的性能，或给予产物新的特性，以扩大普鲁兰多糖的应用㊂
Kowalczy等[31]在普鲁兰多糖溶液中加入明胶和具有抗菌特性的山梨酸钾，溶液浇铸成膜后，对薄膜中山梨酸钾的释放速率和薄膜的抗菌特性进行了研究㊂结果表明，作为碱金属盐的山梨酸钾会提高溶液的pH值，而当普鲁兰多糖溶液中引入明胶时，共混的薄膜形成液的pH值降低，这样更有利于山梨酸钾发挥抗菌作用㊂此外，明胶的加入，会使山梨酸钾的释放速率减缓，当山梨酸钾的浓度为2%时，共混的薄膜溶液对交配曲霉㊁灰葡萄孢㊁酿酒酵母和柠檬克勒克酵母表现出强烈的抑制作用，从而提高了普鲁兰多糖薄膜的抗菌特性，扩大了普鲁兰多糖在食品包装和涂层材料中的应用前景㊂
Chu等[32]研究了防腐剂肉桂精油(CEO)和表面活性剂吐温80的添加对普鲁兰多糖基可食膜的结构㊁物理性能㊁抗氧化性能和抗菌性能的影响㊂结果表明，在普鲁兰多糖基复合膜中掺入CEO会降低其拉伸强度㊁透明度㊁水含量和水蒸气渗透性，但会显著提高其抗氧化性能和抗菌性能㊂CEO占12%的薄膜表现出最强的抗氧化和抗菌能力㊂吐温80的添加，使薄膜中形成了亚微观胶束，改善了复合薄膜的稳定性并减少了CEO的损失，但降低了复合膜的透明度和防水性能㊂Silva等[33]进行了普鲁兰多糖与作
为化学增强剂的表面活性剂(油酸㊁聚山梨酯80和丙二醇)混合的研究，制备了负载药物丙胺卡因和利多卡因盐酸盐的冻干黏膜黏附口腔分散片㊂结果表明，普鲁兰多糖与表面活性剂之间存在明显的协同作用，普鲁兰多糖与渗透促进剂一起显著提升了黏膜黏附的作用，显著改善了局部麻醉药在猪上皮表面的渗透㊂这种新颖的药物输送平台可能会应用在牙科领域，从而能够在常规和微创牙科手术中更换注射麻醉的方法，扩大了普鲁兰多糖在生物医药方面的应用㊂
Liu等[34]研究了纳米TiO2对支链淀粉膜的微观结构㊁物理性能㊁机械性能和光学性能的影响㊂结果表明，纳米TiO2的添加改善了膜的水蒸气阻隔性能㊁机械性能和对紫外线的膜阻隔性能，扩大了普鲁兰多糖在食品包装中的应用㊂
总体来说，当普鲁兰多糖与其他物质共混时，可能会与加入物之间产生分子间相互作用，比如：氢键和其他协同作用等，进而影响产物结构，改变普鲁兰多糖的性能㊂同时也会结合共混物的特性，提高产品的综合性能㊂现已有大量的对普鲁兰多糖进行物理改性的研究，提高了普鲁兰多糖的疏水性[35]㊁抗菌性[36]㊁抗氧化性[36]㊁缓释药性㊁机械性能和膜的韧性等，增强了普鲁兰多糖的实际应用，使普鲁兰多糖可以广泛地应用在生活中，从而节约了地球的有限资源，保护了地球的生态环境㊂
2.2㊀化学改性
化学改性普鲁兰多糖，是通过化学反应改变普鲁兰多糖的官能团或引入新的官能团及特殊结
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第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展285
㊀构，改善其性能，如加强普鲁兰多糖的电负性㊁抗菌性㊁疏水性㊁化学活性㊁光响应性㊁温敏性㊁pH 响应性等，扩大其应用范围㊂常用的化学改性普鲁兰多糖的方法有酯化㊁胺化㊁季铵化㊁醚化㊁
硫酸化㊁硫醇化㊁氧化㊁叠氮化㊁共聚交联等㊂2.2.1㊀酯化
Lee and Na [37]通过酯化反应将油酸和二氢卟
吩e6接枝到普鲁兰多糖上，即普鲁兰多糖中的羟基与油酸和二氢卟吩e6中的羧基发生反应，使普鲁兰多糖结合油酸的亲脂性与二氢卟吩e6的光敏性，用于光动力靶向转移性癌症㊂此研究利用结肠癌㊁乳腺癌和肺癌细胞系证实了产物普鲁兰多糖-油酸-二氢卟吩e6与癌细胞的相互作用和检测效力，在激光照射下，癌细胞处积累的普鲁兰多糖-油酸-二氢卟吩e6可产生单线态氧，导致细胞凋亡和坏死㊂因此，证明了油酸结合聚合光敏剂是一种潜在的靶向光动力转移性癌症的方法㊂
Niu 等[38]用普鲁兰多糖和不同的羧酸酐(乙
酸酐㊁丙酸酐和丁酸酐)反应，合成了具有不同取
代度的普鲁兰多糖乙酸酯㊁普鲁兰多糖丙酸酯和普鲁兰多糖丁酸酯，具体反应过程如图2，通过溶液浇铸法获得了普鲁兰多糖酯膜，研究了水蒸气透过率㊁氧气透过率㊁表面疏水性㊁颜和机械性能㊂结果显示，纯普鲁兰多糖膜的水蒸气透过率值高于普鲁兰多糖酯制备的膜㊂用普鲁兰多糖酯薄膜包装的草莓减重率显著降低，保持了草莓的硬度，延长了草莓的货架寿命
㊂
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图2㊀普鲁兰多糖与羧酸酐的酯化反应
Fig.2㊀Esterification of pullulan with carboxylic anhydride
㊀㊀Jia 等[39]通过酯化反应将4-氯丁酰氯接枝到普鲁兰多糖上，得到氯化普鲁兰多糖，然后硬脂酸酯与氯化普鲁兰多糖发生氮氧化物自由基偶
支承板
联反应，得到两亲性聚合物，能够与疏水物(DOX)自组装成纳米级递送载体，合成路线如图
3㊂
图3㊀普鲁兰多糖与4-氯丁酰氯的酯化反应Fig.3㊀Esterification of pullulan polysaccharides
客户通讯录管理系统with 4-chloroprene chloride
㊀㊀研究表明，所提出的基于普鲁兰多糖的递送纳米颗粒具有出的生物相容性，并且具有超声刺激药物释放的特性㊂
Miura 等[40]开发了一种直径小于10nm 含胆
固醇的普鲁兰多糖(CHP)自组装纳米凝胶，并进一步进行了羧基取代，即普鲁兰多糖与琥珀酸酐反应，制备成了阴离子型的纳米凝胶疫苗㊂结果表明,CHPCOOH 纳米凝胶疫苗能够有效激活免疫系统并产生抗体，尤其是细胞免疫,CHPCOOH 纳米凝胶疫苗能够在体内靶向呈递抗原细胞，并显示出非常强的细胞毒性T 淋巴细胞活化作用，因此认为,CHPCOOH 纳米凝胶有潜力成为一种新型的性癌症疫苗，其活性可以扩大免疫的范围㊂2.2.2㊀胺化
Zhang 等[41]报道了以精胺修饰的普鲁兰多糖
作为聚阳离子模型，结构如图4㊂精胺修饰的普鲁兰多糖与血清蛋白的高比值，导致了较大的多复合体的形成，从而促进了细胞摄取，增强了溶酶体逸出，提高了RNAi(核糖核酸干扰，是指在进化过程中高度保守的㊁由双链核糖核酸诱发的㊁同源信使核糖核酸高效特异性降解的现象)效率㊂另外,
由于精胺修饰的普鲁兰多糖与血清蛋白的比值升高，游离的精胺修饰的普鲁兰多糖的补充也使RNA(核糖核酸)转染得到增强㊂这些结果表明，在含血清的培养基中，通过调整多聚体中氮磷比，可以更有效地调节多聚体的RNAi 效率㊂
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2021
图4㊀精胺修饰的普鲁兰多糖的结构
Fig.4㊀Structure of pullulan modified by spermine ㊀㊀Song等[42]研究了以CDI为活化试剂，普鲁兰多糖与乙二胺反应，从而得到胺化普鲁兰多糖，如图5，并且进一步制备了金纳米棒和胺化普鲁兰多糖的纳米复合材料㊂实验证明，此纳米复合材料可靶向癌症，且其具有特异的光热响应性，在一定时间内，可通过施加不同的光强或热量，调节金纳米棒的释放量，进而进行不同强度的㊂
图5㊀胺化普鲁兰多糖的制备
Fig.5㊀Preparation of aminated pullulan
2.2.3㊀季铵化
Moraes等[43]通过添加反应性的缩水甘油三甲基氯化铵(GTMAC)，将季铵盐基团与普鲁兰主链相连，进而合成阳离子普鲁兰多糖衍生物，如图6，使其能够在静电相互作用的驱动下与miRNAs(一种21~25nt长的小分子核糖核酸，可作用于特定基因，阻遏翻译)形成复合物，烷基化的普鲁兰多糖能够与miRNA相互作用并形成稳定的多聚体㊂Moraes等是通过琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度法确认了miRNA的存在㊂用高达200μg/mL的纳米复合物孵育人脐静脉内皮细胞1天后，进行了体外测试，结果
diat
显示无任何细胞毒性㊂用荧光标记的miRNA的荧光显微镜图像可证明，季铵化普鲁兰多糖能够促进miRNA在细胞内的传递㊂结果证明，使用普鲁兰多糖的阳离子衍生物和miRNA形成多聚体，为在水性介质中生产多糖纳米颗粒提供了一种简便而通用的方法，并且可能会用于基因传递
㊂
图6㊀阳离子普鲁兰多糖衍生物的制备过程
Fig.6㊀Preparation of cationic pullulan derivatives 2.2.4㊀醚化
Meo等[44]研究了一种新的纳米水凝胶，该纳米水凝胶是基于疏水的荧光分子核黄素四丁酸酯修饰的多糖，具有应用于药物输送的潜力㊂分别选择透明质酸和普鲁兰多糖作为阴离子和中性多糖的代表，并将核黄素四丁酸酯的溴己基衍生物化学连接到这些聚合物链上(如图7)，由于这种衍生作用，聚合物链能够在水性环境中自组装，从而形成透明质酸和普鲁兰多糖分别具有约312nm 和210nm的平均直径的纳米水凝胶㊂这些新的纳米水凝胶显示出低的多分散指数和负电势㊂此外，纳米水凝胶可轻松装载模型药物，在水和生理条件下显示出长期稳定性，并具有出的细胞相容性
㊂
图7㊀普鲁兰多糖与核黄素四丁酸酯的溴己基
衍生物的醚化反应
Fig.7㊀Etherification of pullulan and the bromohexyl
derivative of riboflavin tetrabutyl ester
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第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展287
㊀2.2.5㊀硫酸化
Dionísio 等[45]对中性多糖普鲁兰多糖进行了
化学修饰，获得了带电荷的衍生物：与SO 3反应,DMF 为络合物，生成了硫酸盐衍生物(SP)，如图
8㊂硫酸盐衍生物会相互凝聚，形成具有结合模型蛋白(BSA)能力的纳米颗粒，并显示出足够的尺寸用于药物输送，因此具有药物输送时作为纳米载体的潜力
㊂
图8㊀普鲁兰硫酸盐衍生物(SP)的制备
Fig.8㊀Preparation of sulphate derivatives of pullulan (SP)
㊀㊀Mihai 等[46]报道了与有机碱配合使用的普鲁
兰多糖硫酸盐衍生物的研究，并探讨了使用的配
合物和反应温度对普鲁兰多糖硫酸化产生影响㊂结果显示,SO 3㊃DMF 配合物在较低温度下更具反应性㊂在较高温度下，取代度不会显著增加，但会发生链断裂;SO 3㊃Py(吡啶)配合物更稳定，因此在较低温度下反应性较低；随着温度的升高，取代
度升高，但在大约80ħ时，大分子链会发生脱水，并形成凝胶状聚合物㊂两种方法获得的相同取代度的产品，具有不同的黏度行为，用SO 3㊃DMF 配合物获得的产品黏度低于使用SO 3㊃Py 配合物获得的产品黏度，这是因为，在均质(DMF-普鲁兰多糖的溶剂)和非均质介质中(因为Py 仅使普鲁兰多糖骨架膨胀)，聚合物链上的取代基分布不均，进而得到不同的黏度行为㊂2.2.6㊀硫醇化
Leonaviciute 等[47]合成了可用于黏膜黏附的
硫醇化普鲁兰多糖，使用了两种合成途径：溴化亲核取代(如图9)和高碘酸盐裂解的还原胺化(如图10)，而后将接枝率最高的硫醇化普鲁兰多糖(普鲁兰多糖-半胱胺)与6-巯基烟酰胺反应(6,6-DTNA)，如图11，并通过NMR 分析证实其在普鲁兰多糖结构中的存在㊂比较这两种方法，还原胺化具有较高偶联速率㊂对于硫醇化的聚合物，在旋转圆柱体上的黏附时间最多可延长46倍，对于预活化的聚合物，可延长至75倍㊂对于经过修饰的普鲁兰多糖样品流变学测量显示，在60min 内
添加黏液后，动态黏度增加了98倍和160倍，而未修饰的支链淀粉完全没有显示出黏度增加㊂此外，实验显示，两种衍生物对人结肠癌细胞活力的影响均较小㊂从而得出结论：预活化的硫醇化普鲁兰多糖是一种有应用前景的黏膜黏附聚合物，可开发用于黏膜药物递送系统
㊂
图9㊀普鲁兰多糖-硫脲共轭物的合成Fig.9㊀Synthesis of pullulan-thiourea
conjugate
图10㊀普鲁兰多糖-半胱胺偶联物的合成Fig.10㊀Synthesis of pullulan-cysteamine conjugates
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