《食品科学》：河北农业大学马倩云副教授等：植物糖原的提取纯化、结构修饰及应用研究进展

　　《食品科学》：河北农业大学马倩云副教授等：植物糖原的提取纯化、结构修饰及应用研究进展植物糖原（PG）是一种类糖原纳米树枝状大分子，是由α-1,4和α-1,6糖苷键连接而成的、高度支化的可溶性α-D-葡聚糖。PG是支链淀粉的类似物，广泛存在于某些植物突变籽粒的胚乳中，比如玉米、高梁、大麦、水稻等。PG主要采用水提醇沉法提取，而纯化方法各不相同。PG的高度支化结构不仅赋予了其高保水性、低黏度、良好的分散稳定性、抗氧化性、抗菌性和成膜性，还具有优异的吸附性，在增溶疏水性物质、稳定易降解物质、改善产品质地等领域有巨大的发展前景。

　　为全面了解PG的特性和发展潜力，河北农业大学食品科技学院的王蕊、吕肖瑞、马倩云*等对PG的结构与性质进行归纳与总结；其次重点比较PG几种传统与新提取方法的优缺点，概括出目前普遍使用的提取纯化方法，全面综述PG在食品领域中应用的最新研究进展，总结PG在实际应用中受到的限制，并对其最新的结构修饰方式进行系统梳理，最后对未来PG的研究重点提出了合理化建议。

　　PG为白色粉末，无结晶性，粒径约为30～100 nm，透射电子显微镜（TEM）图像显示，PG呈球形花椰菜状。图1展示了PG（A）与淀粉（B）的结构和TEM图、单独的PG纳米颗粒（C）和PG的芯-线圈模型（D），二者呈现较大差异，淀粉是连接单个簇的长链，而PG链长较短，以密集或非聚集模式进行分枝，呈外紧内松的树枝状结构。这种结构与分支密度密切相关，分支密度为平均链长的倒数。Xue Jingyi等从玉米种子中提取的PG平均链长为11～12 个葡萄糖单位，分支密度为8%～9%，蜡质玉米淀粉平均链长约为18 个葡萄糖单位，分支密度为5.6%；张瑞琪提取的PG平均链长为11.54 个葡萄糖单位，分支密度为8.66%，蜡质玉米淀粉平均链长为16.98 个葡萄糖单位，分支密度约为5.89%。因此，通过上述研究可以发现，PG高度致密的堆积结构可能含有数千个糖链，平均摩尔质量可达3.00×10 7 g/mol。

　　PG表面有大量葡萄糖残基，可与水分子结合形成氢键，因此易溶于水，不溶于乙醇，在水中具有良好的分散稳定性；多分散指数为0.26，说明其具有单分散性；在充分水合后可携带其质量250%～285%的水，表明其具有高保水性；质量分数低于12%的PG会随着流变仪剪切速率的升高出现剪切稀化行为，属于假塑性非牛顿流体，具有较低的表观黏度。Chen Hua等使用负载与未负载叶黄素的PG对Caco-2进行的细胞毒性实验表明PG没有毒性，安全性较高；其凭借高度支化结构，可与小分子活性物质结合，具有优异的负载能力，是良好的载体。优异的性质突出了PG作为一种新型的天然生物和可食用纳米材料的潜力，为后期的应用研究提供了理论依据。

　　由于PG易溶于水，不溶于乙醇，根据此性质，目前几乎所有的PG均采用水提醇沉法提取，最大程度地保证了其性质与结构不被改变。图2为样品的提取流程图，王攀、张瑞琪和韦倩倩等均将玉米种子粉碎或打浆浸提后用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值至4.8和7.0，然后121 ℃高温加热除去蛋白质，得到较高提取率和纯度的PG。表1为PG提取方法的比较。近年来，对于PG这种天然的纳米颗粒的提取，普遍是从不同蛋白质含量的谷物中提取，然而有研究表明，蛋白质浓度与细胞相容性有关，即蛋白质污染物浓度越高，对细胞的毒性越大，因此，去除提取物中的蛋白质尤为重要。Xue Jingyi等提取的PG具有最高浓度的单个纳米颗粒分布，在多糖质量分数为98.8%的PG纳米粒中检测到质量分数低于1%的蛋白质杂质。所以，原料要选择突变的玉米品种或者甜玉米种子，保证其有足够高的多糖含量，然后对玉米籽粒进行前处理，排除纤维素的干扰，再通过调节pH值和高温使蛋白质变性，离心去除蛋白质。该方法简单、成本低，蛋白质杂质质量分数低于1%，可在实验室规模上获得具有较高纯度的PG。

　　相较于利用酸水解和高温使蛋白质变性，膜分离技术是一个温和且较为有效的除杂方法，但提取率不易控制，易造成PG损失，目前此方面的探索还相对较少，需进行多次研究与验证。

　　为得到较高的提取率，可在现有研究的基础上将两种或两种以上的方法联合使用，比如将超声和微波联合酶提取运用于PG的提取过程中，但具体工艺与PG结构性质之间的关系尚不明确，还需深入探索。

　　通常情况下，需要对提取纯化后PG的结构和物理化学特性进行表征分析，常用的表征方法如图3所示。

　　随着生活水平的提高，人们的关注点逐渐由温饱转移到食品的营养和功效上。酚类化合物在食品添加剂中占有非常重要的地位，但溶解性限制了其应用，比如Qu和姜黄素（CCM）。王攀等利用PG吸附增溶CCM，形成PG-CCM复合物，当PG质量浓度为50 mg/mL时，CCM的溶解度达到了29.49 μg/mL，比CCM在水中的溶解度提高了近2681 倍，图4即为增溶的示意图。此外，Rodriguez-Rosales等也研究了PG对CCM的增溶作用，采用真空干燥法和喷雾干燥法制备了不同质量比的PG-CCM固体分散体，并测定了固体分散体在缓冲溶液中CCM的溶出量，结果表明，固体分散体的可溶性CCM含量均显著高于单独的CCM（0.48 μg/mL），且随着PG-CCM比例的增加而增加，这是由于较高的PG-CCM比例为CCM提供了更大的PG表面积，从而提高了其负载量；研究进一步表明，喷雾干燥法制备的固体分散体的可溶性CCM含量高达60.8 μg/mL，明显高于真空干燥法制备的固体分散体中可溶性CCM含量（2 μg/mL），溶剂干燥速度差异是导致出现该现象的主要原因，喷雾干燥可快速去除溶剂，而真空干燥过程较长，乙醇优先脱除导致混合物中的水分相对较多，从而造成CCM结晶，溶解度下降。上述研究证实了PG与CCM的比例和分散体制备方法均影响CCM的溶出量。

　　CCM是世界卫生组织和美国食品药品监督管理局公认的天然食品添加剂，在食品领域应用极其广泛，但在光照条件下易降解。研究表明，PG-CCM的形成可以提高CCM的光稳定性，且随着时间的延长，复合物中PG的含量越多，CCM保留率越高。韩兴曼等探究了PGCCM与相同含量的物理混合物（PG/CCM）中CCM的光稳定性差异，结果发现紫外光照射一定时间后，单独的CCM保留率约25%，PG-CCM中CCM保留率约为79%，而物理混合物PG/CCM中CCM几乎没有损失，保留率仍在98%以上，上述研究表明物理混合物对CCM的稳定效果强于复合物，这是由于形成的PG-CCM复合物分子间存在大量的氢键作用，导致分子由晶体状态变为无定形状态通常情况下，晶体状态的物质稳定性往往优于无定形状态。Onoue等已证明，在极强的紫外光照射后，晶体状态的固体分散体降解率仅为17%，而无定形固体分散体降解了约50%。尽管复合物的稳定效果弱于物理混合，但总体来说，PG的加入提高了CCM的稳定性，基于此，多酚类化合物有望通过与PG结合，有效提高其稳定性和生物利用率。

　　PG主要由缺乏脱支酶的含糖突变籽粒生物合成，比支链淀粉有更高的分支度，其表面非还原端高密度分布，具有良好的成膜性能。Anderson等猜测将PG作为可食性涂层可能会降低谷类食品对水分的吸收速度，所以以即食早餐麦片为例进行研究，将PG水溶液喷洒在即食早餐麦片上，然后烘干，比较了有PG包衣和没有包衣的早餐麦片浸泡在牛奶中的质地变化，通过质构分析发现，浸泡后有包衣的麦片比没有包衣的麦片峰值力少下降20%，吸收的牛奶更少，质地保存时间更久。这是因为PG易溶于水，它作为包衣包裹在麦片表面优先溶于水，从而保护了麦片，延缓了麦片的吸水速率。由此可证明PG可以成为改善即食谷类食品口感的优异包衣材料，延长保质期，改善食品安全。

　　我国是世界上第一大水果生产国，据权威数据统计，2021年我国水果产量为28629.4万 t，然而损耗量却高达1亿 t，换算经济价值超过1000亿，这些损失主要是由于果蔬在运输与贮藏的过程中出现的机械损伤、质地变软、颜色变深、细胞变老、营养流失等问题。目前的保鲜技术主要有气调保鲜技术、低温高湿保鲜技术、可食性涂膜保鲜和化学保鲜等。物理保鲜对于贮藏环境的温度和湿度等控制较严格，且成本高、能耗大、冷链设施不完善；化学保鲜对一些抗氧化剂的使用条件要求较高，还可能存在安全隐患；而生物保鲜即用天然的多糖、蛋白质、脂类等制成可食性涂膜更易被人们所接受。通过分子间相互作用形成可食用的薄膜，能有效抑制运输和贮藏过程中果蔬水分和营养的流失，避免果蔬与外界氧气发生氧化反应，进而增强其抗病菌能力，减少损失。

　　Yuan Dan等提取了马尾藻多糖（SPP），将其添加到CS中，结合超声处理制备了含SPP的多糖基可食性包装膜，并命名为C2/SPUS，未超声的命名为C2/SP，0.4、0.8、1.2表示加入SPP的质量，单位为g（图5），对照组、C2组、C2/SP0.4和C2/SP0.8组的草莓贮藏7 d后均发生萎缩与霉变，形态和颜色几乎无显著差异，只有C2/SP1.2包装的草莓发霉程度相对较轻，而超声处理的薄膜包装草莓7 d后未出现明显发霉，且随着SPP含量的增加，保鲜效果越来越好。此外，李天密等使用CCM作为抗菌剂添加到保鲜膜中，应用于培根和火腿的保鲜，效果也较为明显。因此可以用PG代替SPP，引入超声的操作步骤，制成薄膜后应用于保鲜领域，探究以PG为抗菌剂、经过超声与未超声形成的薄膜抗菌能力的差异；也可以使用PG增加CCM的溶解度，将二者共同作为抗菌剂添加到可食性薄膜中，探究二者是否具有协同作用，能否对抗菌性产生积极作用，进而保证果蔬、生鲜产品及肉制品的新鲜度，延长货架期。

　　PG表面含有大量紧密堆积的羟基，易与水形成氢键，在冷水中分散与溶解，黏度较低，具有良好的保水性和分散稳定性。当PG分散在水中时，它以单分散、低黏度和高度水合的胶体颗粒形式存在，具有良好的皮肤保湿作用。依靠其保水性，PG常作为潜在的透皮治疗保湿剂被广泛应用于日化行业中，并且目前已经被列入了中国现有化妆品成分目录中。

　　PG纳米层的水化性质导致了其显著的润滑性能，结合其生物相容性，PG纳米颗粒成为了一种非常有前途的生物环境润滑候选材料，它还是研究水合水动力学的理想样品；将PG与荧光素结合可做成一种新型的pH值依赖性生物传感器，用于水中重金属的检测，随着pH值的升高，荧光强度升高，当有金属离子存在时，荧光会被猝灭，荧光强度就会相应的降低；PG在基因传递过程中也发挥了重要作用，其超支化结构可保护DNA或RNA免受裂解，保留时间延长。此外，佐剂即免疫调节剂或免疫增强剂，是疫苗的一种添加剂，其本身没有抗原性，但能增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫反应的类型。

　　PG是近年来发展迅猛的新型纳米材料，凭借自身优异的性质逐渐走入人们的视线，并广受学界关注。然而PG在应用于诸多领域的同时，仍面临包封率低、载药能力差、对消化敏感、递送电荷种类有限等应用障碍，通过化学修饰引入所需基团可解决上述问题，扩大应用范围。已有专家学者采用酯化、取代、季铵化、羧甲基化等方式对PG进行化学修饰（表2），获得了良好的作用效果。

　　近年来，纳米载体的发展引起了专家们极大的兴趣，然而PG的高亲水性和相对较低的包封率限制了其在包裹亲脂分子方面的应用。为了提高PG的包封率，Xue Jingyi等用不同的酸酐包括醋酸、戊酸和N-辛酸对PG纳米颗粒表面的羟基进行酯化，得到疏水性不同的PG纳米颗粒，分别命名为AAPG、VAPG和CAPG（图6A）。在酯化程度相同的条件下，CAPG比AAPG对CCM的包封率更高，而VAPG随着酯化程度的增大，其对CCM的包封率呈现上升的趋势，所以可通过接枝不同种类或含量的酸酐增强疏水性，有效提高PG的包封率。

　　Xue Jingyi等在用VA修饰过的PG（VAPG）的基础上，进一步使其与玉米醇溶蛋白相互作用，形成用于包裹疏水性抗菌化合物的新型纳米络合物（VAPG-Z）（图6B），利用VAPG-Z和PG-Z分别负载丁香酚和百里香酚，测定其抗氧化活性和抗菌活性，发现负载丁香酚和百里香酚的纳米复合物对食源性病原菌具有优异的抗菌活性和抗氧化性，表明PG可作为一种可生物降解的纳米级给药系统，显著提高生物活性化合物的溶解性和生物利用度。

　　改性后的PG除了应用于上述药物的输送方面外，将其运用到果蔬贮藏的保鲜方面也意义非凡，即将经过修饰的PG作为一种载体，负载活性物质，添加到涂膜溶液中，可起到增溶和强化抗菌效果的作用。从图7可看出，所有样品均出现一定程度的脱水现象，但用纳米复合物洗涤过的草莓显然比水洗或未洗涤的对照品具有更新鲜的外观。水洗和未洗涤的草莓在室温下放置3 d、4 ℃放置7 d后均出现腐烂，塑料袋密封的草莓虽未腐烂，但质地变软，只有涂覆纳米复合物的草莓在这3 种情况下一直未出现变软与腐烂的现象，说明该纳米复合物较好地发挥了抗菌作用，延长了草莓在贮藏过程中的保质期。

　　通过辛烯基琥珀酸修饰的PG也可以降低亲水性。王劲松等将PG进行辛烯基琥珀酸取代反应后，通过调节pH值制得疏水性纳米PG，随后加入中链三酯，制成疏水性纳米PG的Pickering乳液，研发出一种可食性纳米涂膜保鲜剂。保鲜剂中利用疏水性纳米PG的Pickering乳液作为包埋材料包埋了两种抗菌物质，即肉桂醛和抗菌肽Enterolysin A，使得两种抗菌剂产生了极好的协同作用，既延长了抗菌剂的药效，又有效提高了抗菌剂的活性米乐M6官网，将涂膜运用于葡萄的抑菌保鲜，对照组葡萄仅能贮藏约20 d，而实验组可贮藏35 d，效果极其显著。

　　辛烯基琥珀酸取代的PG除了运用于涂膜保鲜中，还可以添加到食品中。Scheffler等将PG和糯玉米淀粉（WCS）分别进行辛烯基琥珀酸取代反应，制备了不同取代度的PG-OS和WCS-OS，并将二者分别与液态鱼油进行高能均质，从而形成了纳米乳液。贮藏4 周后，纳米乳液的粒径均有所增加，在低取代度下，PG-OS在稳定鱼油乳液方面表现出与WCS-OS相似的能力，但在高取代度下，含有WCS-OS的乳液粒径增加了102 nm，含有PG-OS的乳液粒径仅增加了29 nm，表现出更好的乳化性，这是因为较高的取代度会导致疏水PG在油滴表面的疏水结合增强，从而增加油滴之间的排斥力，使乳化性能更好。图8为疏水PG纳米颗粒形成的水包油Pickering乳液模型，在乳液形成后，PG-OS纳米粒子分布在液滴的油水界面上，为单个油滴之间提供空间位阻、疏水结合和静电斥力，从而提高了乳状液的稳定性。因此PG-OS作为乳化剂未来还可用于抵抗淀粉老化，或者添加到乳饮料、冰淇淋和奶油等乳化性不太优异的食品中，增强稳定性，提高食品质量，改善口感。

　　此外，Bi Lin等为了提高PG的包封率和载药能力，进而延长抗菌肽(乳链菌素，以下简称Nisin)对病原体（单核细胞增生李斯特菌）的疗效，对来自Su1突变体玉米的PG进行β-淀粉分解、琥珀酸或辛烯基琥珀酸取代反应后作为Nisin的递送载体吸附Nisin，最终选出负载量最大的两个样品，即PG-OS(0.12)（辛烯基琥珀酸修饰）和PGB-OS(0.12)（β-淀粉分解且辛烯基琥珀酸修饰），进行抑菌实验。图9表明抗菌肽对病原体的疗效延长起到了较明显的作用，7 d后，Nisin的活性降为0，而辛烯基琥珀酸修饰后负载Nisin的样品活性明显；15 d后，PGB-OS(0.12)的活性明显，而PG-OS(0.12)的活性几乎丧失。这说明取代反应提高了PG的负载能力，从而使Nisin通过与阴离子纳米粒子形成疏水和静电相互作用，提高了自身的保留时间，表现出了更好的抗菌活性。

　　PG作为一种超支化的葡聚糖纳米颗粒，虽然具有包裹生物活性物质的潜力，但它对消化降解非常敏感，这就在一定程度上限制了其作为生物活性化合物口服载体的应用。Miao Ming等从不同含糖量的Su1玉米突变体中提取出水溶性PG，并通过酶介导的转化，将转葡萄糖苷酶与β-淀粉酶联合使用进行酶解，使α-1,4-糖苷键转化为α-1,6-糖苷键，双酶修饰增加了PG表面α-1,6-糖苷键的比例。通过测定与计算表明，不同突变体中的α-D-葡聚糖消化率之间存在差异，α-1,6-糖苷键含量高的样品的消化率反而低，在α-1,6-糖苷键比例为6.81%的样品中，快速消化淀粉的比例为72.55%，缓慢消化淀粉为17.39%，抗性淀粉仅为10.06%；而在α-1,6-糖苷键比例为7.71%的样品中，快速消化淀粉比例为69.13%，缓慢消化淀粉为16.82%，抗性淀粉达到了14.05%。因此α-1,6-糖苷键的水解很可能是减缓葡萄糖释放的步骤，从而导致水溶性α-D-葡聚糖的消化率低于淀粉。双酶修饰提高了PG的耐消化性，减缓了消化速度，使其有望成为优异的生物活性成分的口服给药系统。

　　为了使PG不仅仅局限于递送带正电荷的生物活性化合物，Lu Fangjia等在PG和辛烯基琥珀酸酐反应的基础上引入了带正电的季铵基团，对骨髓来源的树突状细胞进行了卵清蛋白（OVA）抗原摄取研究，发现修饰后的阳离子PG-OVA复合体能有效地被树突状细胞吞噬，阳离子PG促进了阴离子生物活性物质在细胞内的转运。体内炎症研究也表明，负载后可诱导许多炎症细胞在注射部位聚集，与OVA单独注射相比，具有良好的免疫应答。季铵化的PG可有效延长抗原在体内的保留时间和提高细胞摄取能力，对于我国出现的传染性或者流行性疾病，季铵化的PG完全可以应用于疫苗佐剂的研发，诱发高效的特异性免疫反应，提高机体的保护能力，同时减少免疫物质的用量，降低疫苗的成本。

　　羧甲基化常用于多糖的化学修饰，可以使多糖发生衍生化或转化，进而改变多糖的性质。Hu Xiuting等通过磷酸化酶对PG进行羧甲基化和链延长，成功制备了pH值响应型水凝胶，并对其结构与功能进行了详细研究。结果表明，葡聚糖链在羧甲基化PG的非还原末端被延长，形成的双螺旋作为交联点，形成了呈多孔状和相互连通形态的水凝胶。羧甲基化使水凝胶表现出对pH值的响应行为，pH值为3～5时，凝胶体积较小；pH值为6～8时，由于静电斥力，凝胶体积变大，由此构建了基于胃肠道pH值差异的生物活性成分体内控释系统。

　　PG作为一种新型天然的纳米材料，绿色且安全，与合成材料相比，具有可食用性和可生物降解性，并且依靠外紧内松的高度支化结构常被用作结构性支架以开发功能性生物聚合物，与多种活性物质相结合，最大程度上发挥活性物质的功能，这与人们追求的绿色健康饮食理念高度符合，广受国内外研究人员的关注。由此，近年来PG的应用日益增多，尤其在食品领域中，PG具有较大的发展。PG常作为增溶剂、稳定剂和抗菌剂负载活性物质，应用于食品中或者包装方面，增加了食品的功能性，促进了食品包装膜的创新发展。经化学修饰后的PG添加到食品中常用于改善食品的乳化性，提高食品的外观和品质，改善耐消化性，提高包封率和递送能力，有效促进了食品行业的发展。

　　综上所述，PG具有多重生物活性，但关于PG的相关研究仍存在不足之处，需进一步研究与探索：1）为进一步提高PG提取率与纯度，未来可使用超声和微波联合酶解提取PG，利用蛋白酶除去结合态蛋白质，进一步纯化PG，并系统分析不同提取纯化方法导致的PG提取率、纯度、结构与性能差异；2）科学研究是为了解决实际问题，促进社会的发展，然而目前只是停留在实验室阶段，未应用于生产实际，亟需开发适合大规模生产的PG提取工艺；3）目前大多数研究利用PG与其他物质形成二元复合体，未来可尝试对PG进行结构修饰，提升其应用价值；4）关于PG的二元复合体安全性只停留在体外模拟胃肠道实验上，需进一步探究体内胃肠道实验，揭示其吸收与代谢途径，为PG在食品领域的应用提供理论依据 。

　　本文《植物糖原的提取纯化、结构修饰及应用研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷3期285-294页. 作者：王蕊，吕肖瑞，张鹏敏，王文秀，孙剑锋，马倩云，王颉. DOI:10.7506/spkx0202-025. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

　　为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院、中国食品杂志社将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管重点实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间：2024年 8月 3—4 日，会议地点：中国 湖北 武汉。