多糖的氧化改性及在生物医药领域的应用探讨

（普洱市科技成果转化服务中心,云南 普洱 665000)

摘 要：多糖氧化是一种将多糖中大量羟基转化为羧基或醛基，并赋予多糖以新的性能，使之能够满足当前食品、医药等领域需要的化学改性方法，本文介绍了多糖的氧化改性方法以及氧化多糖在生物医药领域的具体应用，希望能够为当前生物医药领域的稳定发展提供参考。

关键词：多糖；氧化改性；生物医药领域

引 言

多糖是一类广泛存在于自然界中的天然大分子结构，其结构与多糖生物活性之间存在着直接的联系，并且经实验证实，部分多糖存在着良好的抗肿瘤、抗病毒等生物活性，现阶段，为进一步强化多糖结构的生物活性，可以通过化学、生物等手段对多糖结构进行定向修饰，使之更好地满足人们的需要。

1  多糖氧化改性的方法

多糖的结构链的构象不同，可以赋予其不同的生物活性特点，比方说，灵芝、香菇多糖就有着良好的抗菌、降血糖、抗癌特点，被用作添加剂添加到了食品、药品等产品当中。同时，多糖较大的分子结构使得多糖分子在使用过程中有了凝胶、成膜等特点，比方说，海藻酸钠被广泛应用于皮肤用膏体增稠工作中，k—卡拉凝胶被广泛应用于食品稳定剂、增稠剂等食品辅助剂的生产工作中。现阶段，较为常用的多糖氧化改性方法包括高碘酸盐氧化法、次氯酸钠氧化法、过氧化氢氧化法等方法。

1.1 高碘酸盐氧化法

在进行多糖氧化操作的过程中，高碘酸盐氧化是一种较为专一的氧化反应，可以将多糖链中葡萄糖残基（非还原端）上的邻二羟基裂解为具有高度还原性的二醛基，然后得到二醛多糖。同时对反应过程中单糖的分子构像进行分析可以发现，若邻二羟基在环中的取向为平伏键—平伏键、平伏键—直立键，那么化学键可以发生氧化反应，但若邻二羟基在环中的取向为直立键—直立键，那么受中间复合物无法顺利形成的影响，氧化反应将不会发生。在当前的生物医疗行业发展过程中，高碘酸盐氧化法被广泛应用于双醛壳聚糖、双醛纤维素、双醛海藻酸钠等双醛多糖的制备工作中。并且一般情况下，若反应处于酸性环境下，那么氧化反应的速率更快，得到的氧化产品醛基含量更高。但需要注意的是，在酸性过高的条件下，反应过程中容易产生断裂糖苷键，降低多糖降解与氧化产物的产率。举例来说，在利用高碘酸盐氧化法制备双醛羧甲基纤维素时，若反应环境pH值为2，那么反应得到的双醛羧甲基纤维素的醛基含量最高，但受断裂糖苷键不断产生的影响，双醛羧甲基纤维素的产率在50%以下；在提高反应环境pH值时，尽管产物中醛基含量会有所下降，但双醛羧甲基纤维素的产率将会大幅度上升。同时，由于高碘酸盐本身见光易分解，因此，在利用高碘酸盐进行多糖氧化处理时，需要保证反应全程处于遮光环境下，在避免高碘酸盐因光发生分解反应的基础上，切实提升多糖氧化反应的质量。

1.2 次氯酸钠氧化法

在对淀粉、纤维素、果胶等多糖进行氧化处理时，较为常用的氧化方法为次氯酸钠氧化法。以淀粉氧化为例，近年来，在工业生产过程中，利用次氯酸钠对淀粉进行氧化处理，可以得到稳定性、成膜性、透明度等特性都比较好的氧化淀粉，但需要注意的是，在反应过程中，反应的质量与反应条件、淀粉品种以及存在形式等因素之间均存在着直接的联系，如表1所示，为不同来源淀粉在次氯酸钠氧化过程中的优化工艺条件。在不同的酸碱条件下，淀粉的氧化条件存在着一定的差别，一般情况下，若次氯酸钠氧化环境为中性、微酸或微碱性，那么氧化反应的速率将会有所上升；若反应环境为酸性或碱性，那么反应速率将会极慢。导致上述情况出现的原因为，在酸性环境下，次氯酸钠将会以HOCl或Cl2的形式存在，此时淀粉将会出现质子化或者水解反应；在碱性环境下，次氯酸钠将会以CLO-的形式存在，此时淀粉将会与环境中的碱性物质发生反应，从而形成盐；在中性环境下，次氯酸钠主要处于非解离状态下，淀粉也呈中性，便于两者发生氧化反应。需要注意的是，在制备氧化淀粉时，淀粉的氧化度与次氯酸钠溶液中有效氯的含量间呈正比例关系，与直链淀粉含量间呈反比例关系，但在偏碱性的环境下，制备的氧化淀粉中羟基含量更高。

表 1 次氯酸钠氧化不同来源淀粉的优化工艺条件

1.3  过氧化氢氧化法

在氧化多糖制备过程中，尽管次氯酸钠氧化法制备成本较低，氧化效果较好，但反应容易产生氯气，进而对工作人员身体健康与周边环境产生不利影响，现阶段，为降低上述问题出现的可能性，过氧化氢氧化法受到了人们的广泛关注。对这两种氧化法进行比较后可以发现，在进行氧化多糖制备时，过氧化氢反应生成的副产物主要为水与氧气，并不会对周边人群、环境安全造成威胁，因此，在当前无氯氧化反应过程中，过氧化氢氧化法成为了一种应用频率相对较高的氧化方法。但在实际氧化过程中，若直接使用过氧化氢对多糖进行氧化处理，所消耗的时间相对较长，得到的产品氧化度也比较低，现阶段，为进一步提升氧化反应的速率，可以通过在反应过程中添加合适的金属催化剂的方式，保证反应速率能够更好地满足人们的需要。举例来说，在玉米淀粉氧化过程中，单纯使用过氧化氢氧化法，所消耗的氧化时间约为72h，若在反应过程中，添加质量分数为0.5%的硫酸铜粉末，那么得到与上述反应等量的氧化淀粉所需的时间仅为1h，由此可知，在利用过氧化氢制备氧化多糖时，可以通过添加适量金属催化剂的方式，实现氧化多糖制备效率的提升。现阶段，对金属离子对氧化多糖制备机理进行推断时，可以发现，多糖制备机理较为复杂，经过实验分析推测，金属催化主要是通过自由基链发挥所能反应的方式，实现过氧化氢迅速分解，生产羟基自由基，然后这些自由基将会与多糖链上的葡萄糖环中的C—H键中的H发生反应，生成自由基R·CHOH，然后，经过酸、碱反应，发生糖苷键裂解反应或者生成羰基，但需要注意的是，在使用过氧化氢法对多糖进行氧化时，尽管大部分多糖的伯羟基被氧化为了醛基，但仍存在部分醛基会被继续氧化，从而生成羧基，现阶段，未生产羧基高于醛基的产品，则需要对氧化生产工艺进行优化升级。举例来说，某研究小组在进行多糖氧化产品制备实验时，曾通过干湿结合两步法，制备了一批羟基含量高于醛基含量的氧化直链淀粉，这批多糖淀粉的羧基含量为8.16%，羟基含量为0.36%，在此次实验过程中，保证反应能够切实满足人们的需要，应严格控制金属催化剂的用量，在避免因催化剂用量过低，使得氧化反应速率变化不够不明显情况出现的同时，降低因金属催化剂用量过多，导致多糖氧化速率过快，无法有效控制，出现多糖染色或者其他副反应的概率。

2  氧化多糖在生物医药领域的应用

基于氧化可令多糖性能得到改善，从实践应用的角度来看氧化多糖的实用性更强，尤其是在生物医药领域将拥有更加精确而丰富的使用路径。比如，氧化纤维素可用于止血药剂的制备工作中，这种材料在促凝血性方面极具优势，故而适用于充当止血敷料；氧化壳聚糖可用于缝合，此类材料属于可降解性生物材料，应用于手术缝合可提升手术质效。不仅如此，氧化多糖还可用于治疗尿毒症。比如，双醛淀粉能够与人体内的代谢产物发生反应，形成的席夫碱能够用于制作用于肾衰竭治疗的口服药剂。因此，在当前的生物医药研究领域，为使多糖的性能能够更好地满足产品的生产需要，可以对其进行氧化处理，使氧化后的多糖结构能够在生物医药领域充分发挥自身的作用。

2.1 蛋白质基生物材料交联剂

经氧化处理制备的多糖分子上的醛基可以与蛋白质的氨基之间发生席夫碱交联反应，反应后得到的蛋白质分子结构有着良好的热稳定性，双醛多糖结构有着良好的生物降解性与生物相容性，因此，在当前的生物医药领域，氧化多糖可以被用作蛋白基生物材料的交联剂。举例来说，对多糖进行氧化处理，制备得到的双醛葡甘聚糖层作为交联剂被当做创伤敷料的胶原与明胶基医用水凝胶[3]。

2.2 包合物制备

经氧化处理制备的多糖分子可以被当做是包合物的主体，并通过包合作用使疏水性药物能够进入到水环境当中，在生物医药领域，包合物的制备与应用可以实现药物的增溶与缓释。实践证明，多种多糖分子会在溶液中形成特殊的空腔结构，将客体小分子包裹起来，在当前的医药领域，应用这些多糖分子的包合作用，不仅可以实现生物体的杀菌消毒，还可以实现活性药物分子的缓释、靶向给药，从而更好地满足生物体对于药剂的需要。

3  结论

总而言之，氧化法是当前多糖化学改性过程中最为简便，适用范围极为广泛的一种方法，现阶段，这一方法已经被广泛应用于食品、药品、冶金等行业中，并且取得了良好的使用效果，但对多糖的氧化方法进行调查分析后可以发现，各种方法在实际使用过程中仍存在着一定的不足，具体来说，首先在利用现有的次氯酸钠氧化法进行多糖氧化时，尽管氧化效率较高，但氧化时产生的副产物将会对工作人员与周边环境的安全造成威胁；其次，尽管过氧化氢是一种较为清洁的氧化药剂，但在实际使用过程中，为提升氧化反应效率，不可避免地会使用一些金属催化剂，这些催化剂也会造成一定的环境污染；最后，尽管在用高碘酸盐进行多糖氧化时，能够得到活性较高的双醛多糖，但这种氧化反应的价格偏高，对反应环境也有着特殊的要求，所以，这一技术方法大多被应用于实验室氧化多糖的制备工作中，无法实现双醛多糖产品的大批量制备。因此，现阶段，为切实满足生物医药行业对氧化多糖产品的需要，开发成本低廉、高效绿色的多糖氧化技术方法，成为了一项极为必要的工作。

参考文献

[1] 王世越,柯钦豪,周宏福,等.多糖的化学修饰及抗氧化性变化的研究进展[J].湖北科技学院学报（医学版）,2021,35(2):170-173.

[2] 许英瑞,朱妍丽,薛元泰,等.黑枸杞多糖的提取及其对副干酪乳杆菌L9、嗜热链球菌G2生长特性及抗氧化能力的影响[J].食品与发酵工业,2021,47(17):179-185.

[3] 黄海潮,王锦旭,潘创,等.超声波辅助过氧化氢法降解坛紫菜多糖及其抗氧化活性的研究[J].南方水产科学,2020,16(1):110-119.

作者简介：李宇涵（1988 -），男，云南普洱人，哈尼族，大学本科，助理研究员；研究方向：科技管理服务。

       来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第12期   在线投稿  >>