＊李明坤 李和平 謝超煜

（桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西 541004）

隨著人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，為了解決石油等礦物資源帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題，采用可降解生物質(zhì)資源代替石油等礦物資源的研究已成為科研人員研發(fā)的熱點(diǎn)項(xiàng)目[1]。由于植物的可再生性，利用植物及植物廢棄物等資源作為現(xiàn)代材料、化學(xué)品的原料具有深遠(yuǎn)的意義。隨著生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)木聚糖（BX）不僅蘊(yùn)藏著豐富的生物質(zhì)能，還是綠色化學(xué)品、天然高分子材料的寶庫(kù)。

木聚糖是由半纖維素中提取出來(lái)的，生物相容性、生物降解性和生物活性是其優(yōu)異的生物學(xué)特性。一般情況下，BX是以β-(1→4)木糖苷鍵連接D-木糖殘基為主鏈的復(fù)雜分子多聚糖，其側(cè)鏈上含有許多阿拉伯糖和香豆酸等基團(tuán)。木聚糖是世界上含量第二多的異質(zhì)多聚五碳糖，主要存在于植物細(xì)胞壁中，占植物細(xì)胞干重的15%～35%。由于木聚糖每個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)的C2、C3位存在羥基，使得木聚糖可以進(jìn)行一定的化學(xué)修飾。因其羥基的存在，接枝共聚、酯化、醚化等常用的化學(xué)修飾方法可以將活性基團(tuán)引入到木聚糖的分子結(jié)構(gòu)上，增強(qiáng)它的生物活性和物理性能等，使其能夠在食品、造紙、生物、醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，前景廣闊。

在本文中，以木聚糖的抗癌活性為起點(diǎn)，介紹木聚糖的抗癌活性研究進(jìn)展，然后對(duì)木聚糖的酯化改性、接枝共聚、醚化改性這三種改性衍生物的合成及性能進(jìn)行闡述；并對(duì)今后的木聚糖衍生物的合成提出了建議，以期為木聚糖的深入研究提供參考?？梢詾樯?、精細(xì)化工、食品、藥物、藥物載體和功能性材料等方面開(kāi)辟新的思路。

1.木聚糖的抗癌活性研究

Cao等[2]發(fā)現(xiàn)麥麩阿拉伯木聚糖（AX）在S180荷瘤小鼠中，經(jīng)過(guò)AX的給藥小鼠可移植腫瘤的生長(zhǎng)得到了明顯的抑制，胸腺和脾臟指數(shù)也得到了顯著提高，并增強(qiáng)了NK細(xì)胞活性、巨噬細(xì)胞吞噬活性和脾細(xì)胞增殖，同時(shí)還增加了白介素2的產(chǎn)生以及遲發(fā)型超敏反應(yīng)，此外，AX還增加了S180荷瘤小鼠的外周血白細(xì)胞計(jì)數(shù)和骨髓細(xì)胞。增加白介素2（IL-2）的產(chǎn)生和遲發(fā)型超敏反應(yīng)。Melo-Silveira等[3]從玉米芯中通過(guò)堿性水解和超聲的方法，獲得了130kDa的雜木聚糖，該木聚糖表現(xiàn)出了高度的鐵螯合力和強(qiáng)氧化性，而且具有明顯的對(duì)人HeLa腫瘤細(xì)胞的抗增值活性，并且在3T3細(xì)胞中沒(méi)有活性。作者還提出，該活性很有可能與其基團(tuán)中的羥基有關(guān)，從而使木聚糖成為具有多種功能藥物潛力的化合物。Cholujova等[4]證明阿拉伯木聚糖MGN-3是天然的NK細(xì)胞的激活劑，凋亡和細(xì)胞因子產(chǎn)生的誘導(dǎo)劑，以及樹(shù)突狀細(xì)胞（DC）成熟和體外分化的調(diào)節(jié)劑，經(jīng)MGN-3治療的患者的NK活性明顯增加，外周血中髓樣DC的水平增加，T輔助細(xì)胞1型相關(guān)細(xì)胞因子的濃度增加。

2.木聚糖的化學(xué)改性及研究進(jìn)展

木聚糖是一種長(zhǎng)分子鏈的多糖，每個(gè)單元分子都具備活性羥基，因此木聚糖具有比葡萄糖等單糖分子更廣泛應(yīng)用范圍。隨著科研人員的不斷深入研究，對(duì)木聚糖的改性研究也越來(lái)越多，通過(guò)改性能夠在木聚糖分子鏈上插入許多功能性基團(tuán)，提高木聚糖的機(jī)械性能和理化性能，擴(kuò)大木聚糖的應(yīng)用范圍。

(1)酯化改性

酯化改性是增強(qiáng)木聚糖生物活性以及功能特性最重要的方法之一。酯化反應(yīng)能夠提高木聚糖的溶解度、降低結(jié)晶度、提高生物活性等。木聚糖的酯化反應(yīng)分為均相酯化和非均相酯化兩種，非均相酯化反應(yīng)一般以水為溶劑，但是酯化產(chǎn)物取代度低、均一性差，均相酯化反應(yīng)一般在一些有機(jī)溶劑和堿液中進(jìn)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應(yīng)是磺酸基于木聚糖C2、C3位羥基發(fā)生酯化脫水的過(guò)程。常用的硫酸酯化的試劑一般為濃硫酸、氯磺酸、三氧化硫、液態(tài)二氧化硫等。常用的溶劑有甲酰胺、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、吡啶等。硫酸化木聚糖不僅在歐洲各國(guó)用作抗凝血藥物，同時(shí)木聚糖硫酸鈉也被美國(guó)FDA批準(zhǔn)作為治療間質(zhì)性膀胱炎的口服藥物。

除了硫酸酯化，其他羧酸酯化修飾的木聚糖也多顯現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Fu[5]等將硬脂酸（SA）引入到粘膠纖維廠獲得的木聚糖上，合成了功能性衍生聚合物，通過(guò)透析合成了SA-X納米粒子，經(jīng)過(guò)測(cè)試平均粒徑為194nm，并以酮洛芬作為疏水模型藥物用于負(fù)荷功能評(píng)價(jià)，得到包封率為64%，藥物釋放率為43.6%的具有負(fù)載功能的納米顆粒。Gericke M等[6]制備了木聚糖碳酸苯酯（XPC）衍生物，對(duì)其進(jìn)行了全面表征。實(shí)驗(yàn)確定了該木聚糖衍生物取代度（DS）可達(dá)2.0，即完全官能化，同時(shí)也確認(rèn)了離子液體作為木聚糖反應(yīng)過(guò)程中的良好溶劑，是一種合適的反應(yīng)介質(zhì)。

(2)接枝改性

許多具有較理想生物活性的多糖因?yàn)樗苄圆钗幢皇褂?，通常我們可以通過(guò)接枝改性將離子基團(tuán)或其他親水基團(tuán)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將多糖轉(zhuǎn)化為理想的注射劑或其他劑型，從而更好地發(fā)揮其生物活性。

接枝共聚是木聚糖化學(xué)改性的重要方法之一。在引發(fā)劑的作用下，使木聚糖和單體產(chǎn)生自由基，進(jìn)行接枝共聚反應(yīng)，接枝的單體可以是丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、聚丙烯酰胺等。接枝共聚可為木聚糖引進(jìn)新的功能基團(tuán)，改善木聚糖的性質(zhì)。既能保持木聚糖的優(yōu)良特性，又能賦予其新的功能。

Gao等[7]以木聚糖為原料，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑，與N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸制備出具有溫度、pH敏感的水凝膠。制備的水凝膠的包封率達(dá)到97.60%，乙酰水楊酸的累積釋放率為90.12%，分別在腸道和胃液中占35%?；谀揪厶堑乃z已通過(guò)MTT分析證明與NIH3T3細(xì)胞具有生物相容性，并顯示出作為有針對(duì)性的藥物用于腸道靶向口服給藥的載體。

Sun等[8]制備了一種基于木聚糖和聚丙烯酸的半互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠，該水凝膠具有出色的熱穩(wěn)定性，磁性和pH敏感特性，可廣泛應(yīng)用于可用于藥物釋放領(lǐng)域。彭[9]等以半纖維素為原料，MBA為交聯(lián)劑，在過(guò)硫酸銨/四甲基乙二胺氧化還原體系引發(fā)下與丙烯酸自由基接枝聚合制備了具有多重響應(yīng)的智能水凝膠。而且，對(duì)比在NaCl和CaCl2溶液中的溶脹行為發(fā)現(xiàn)，水凝膠對(duì)NaCl有明顯的刺激響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明半纖維素基水凝膠在離子吸附和分離及藥物釋放領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

(3)醚化改性

醚化改性是一種常見(jiàn)的多糖改性方式，常見(jiàn)的醚化改性有烷基化改性、季銨化改性等。在這些醚化改性中，對(duì)木聚糖進(jìn)行羧甲基化改性是一種廣泛使用的改性方式，經(jīng)過(guò)羧甲基化的木聚糖可以增加它的水溶性和電負(fù)性，增強(qiáng)或改善生物活性，對(duì)提高機(jī)體免疫力有很大作用，在生物材料等方面具有較高的價(jià)值，可廣泛用于醫(yī)藥、材料等行業(yè)。

Yang[10]等以羧甲基木聚糖為基質(zhì)，木聚糖衍生的碳點(diǎn)（CD）作為光轉(zhuǎn)化劑和納米增強(qiáng)材料，制備出一種新型可持續(xù)光轉(zhuǎn)換納米薄膜，結(jié)果表明，由于CD與羧甲基木聚糖之間的化學(xué)反應(yīng)，CD不僅可以顯著提高納米復(fù)合薄膜的機(jī)械性能，而且還可以賦予膜優(yōu)異的光學(xué)性能。Hettrich等[11]制備出非離子型的二羥丙基木聚糖和離子型的羧甲基木聚糖。并比較了不同的制備方法對(duì)取代度的影響。二羥丙基木聚糖的合成方法對(duì)取代度的影響并不明顯。相反，羧甲基木聚糖的合成方法對(duì)取代度的影響較為顯著，并且大部分顯示出良好的水溶性，從而可以由羧甲基木聚糖的水溶液制備穩(wěn)定，透明且可染色的膜。

(4)氧化改性

木聚糖的氧化改性過(guò)程主要是在C2、C3活性羥基上引進(jìn)特殊的官能團(tuán)，而不會(huì)出現(xiàn)較大的支鏈，一般通過(guò)無(wú)機(jī)氧化物的氧化作用獲得。在木糖單元的基礎(chǔ)上，以高錳酸鉀為氧化劑，氧化木聚糖發(fā)現(xiàn)，木聚糖的氧化過(guò)程包括快速氧化與緩慢氧化兩個(gè)階段；當(dāng)以溴水為氧化劑時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的探討研究發(fā)現(xiàn)木聚糖的氧化改性發(fā)生在木聚糖的主鏈C2和C3上；當(dāng)以過(guò)氧化鈉為氧化劑，采用從梧桐與小麥中提取的木聚糖進(jìn)行氧化時(shí)，發(fā)現(xiàn)木聚糖的氧化衍生物已經(jīng)生成，但是在反應(yīng)過(guò)程中存在一定量木聚糖的降解；同樣HIO4/NaClO2也可以作為木聚糖氧化改性的氧化劑，在氧化過(guò)程中還具有氧化選擇性。木聚糖通過(guò)氧化改性的方式，可以為木聚糖獲得更好、更多的應(yīng)用性能及活性提供反應(yīng)活性基團(tuán)，使其可以鏈接更多有用的官能團(tuán)及支鏈，起到一個(gè)橋梁的作用。也為木聚糖在多領(lǐng)域的研究提供了一個(gè)更好的平臺(tái)。

(5)交聯(lián)改性

木聚糖的交聯(lián)改性主要是通過(guò)交聯(lián)劑“手拉手”的方式，使木聚糖與鏈接分子在交聯(lián)劑的作用下，發(fā)生鏈的增長(zhǎng)過(guò)程及分子網(wǎng)絡(luò)化作用。木聚糖的活性基團(tuán)與交聯(lián)劑的活性基團(tuán)作用，伸出交聯(lián)分支，使交聯(lián)劑的活性基團(tuán)與鏈接分子的活性基團(tuán)作用，從而達(dá)到木聚糖自身交聯(lián)的目的。乙二醛、三聚磷酸鈉及環(huán)氧氯丙烷等是比較常用的交聯(lián)劑。木聚糖交聯(lián)改性后，其抗壓強(qiáng)度、耐酸堿性能及耐腐蝕性能等都有顯著改善。

(6)復(fù)合改性

通過(guò)醚化、接枝和酯化等一系列化學(xué)改性，增強(qiáng)木聚糖的生物活性，但目前研究多為單改性，對(duì)復(fù)合改性的研究才剛剛起步。Bouramtane等[12]通過(guò)復(fù)合改性，合成了由硅核和帶有5-(4-羥苯基)-10,15,20-三苯基卟啉（TPPOH）殼的木聚糖形成的核-殼雜化納米顆粒，體外分析顯示，與游離TPPOH相比，經(jīng)木聚糖涂覆的納米顆粒對(duì)HCT116細(xì)胞和HT-29細(xì)胞的效力分別高40倍和10倍。Luís等[13]將羧甲基木聚糖與甘草精油混合得到可食用薄膜。此外，這些膜具有抑制糞腸球菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌生長(zhǎng)的能力。Kong等[14]將已通過(guò)馬來(lái)酸酐改性的木聚糖與N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸進(jìn)一步交聯(lián)聚合制備了MAHX-g-P(NIPAm-co-AA)水凝膠。結(jié)果證明，經(jīng)過(guò)復(fù)合改性的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的溶脹-溶脹性能，均勻的多孔結(jié)構(gòu)以及溫度/pH雙重敏感性。Debashis和Tamal在[15]堿性介質(zhì)中將羧甲基纖維素（CMC）和木聚糖基均聚物合改性得到共聚CMC-木聚糖凝膠。Wu等[16]經(jīng)過(guò)復(fù)合改性制備出木聚糖-殼聚糖-鋅絡(luò)合物（XCGZC），結(jié)果表明XCGZC的IC50為5.37mg/mL，等于3.28mg/mL BHT的抗氧化能力，而且XCGZC對(duì)草芽孢桿菌、鼠傷寒沙門(mén)氏菌、巨大芽孢桿菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性。

3.結(jié)束語(yǔ)

木聚糖是天然存在的且含量豐富的多糖，具備抗癌活性。對(duì)木聚糖的羥基進(jìn)行化學(xué)修飾能夠改善其穩(wěn)定性，水溶性及其生物活性。為此對(duì)木聚糖進(jìn)行有目的的化學(xué)修飾是可行的，但目前單一修飾的木聚糖衍生物存在活性較低，功能性較差的問(wèn)題，提出兩點(diǎn)建議以供后續(xù)研究參考：

（1）木聚糖是一種具備長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的多糖，每個(gè)分子單元具備兩個(gè)活性羥基，通過(guò)單一的改性手段修飾木聚糖，不能有效利用木聚糖結(jié)構(gòu)單元的活性羥基，為此建議通過(guò)多種修飾方法對(duì)木聚糖進(jìn)行化學(xué)改性，能夠合理的利用木聚糖上的活性羥基，也能夠更好的增強(qiáng)分子鏈的數(shù)目以及長(zhǎng)度，提供更為優(yōu)異的理化性能，使其應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、材料、環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域。

（2）復(fù)配改性修飾的方法是一種有效提高生物活性的手段。通過(guò)將木聚糖與其他同樣具備多種生物活性的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，然后經(jīng)上述改性手段進(jìn)行修飾或者多種改性方式依次修飾，并通過(guò)交聯(lián)的手段合成具備空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的高分子衍生物，結(jié)合兩種物質(zhì)的活性一般可以獲得更高的生物活性。