普魯蘭多糖在食品保鮮和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用綜述

孫華 張彥昊 張翔 劉孝永 辛雪 王軍華 楊金玉

摘要：普魯蘭多糖以其優(yōu)良的水溶性、成膜性、生物可降解性和生物相容性，在食品行業(yè)、制藥業(yè)和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)越來越受到人們的關(guān)注，其中普魯蘭多糖在農(nóng)產(chǎn)品保鮮和靶向藥物治療方面的應(yīng)用一直是研究的熱點(diǎn)。本文就普魯蘭多糖、普魯蘭多糖復(fù)配體系在水果、蔬菜及海產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用進(jìn)行闡述;同時(shí)概括了近年來普魯蘭多糖在生物醫(yī)學(xué)中的靶向藥物治療、基因藥物遞送和組織工程方面的應(yīng)用，并針對(duì)當(dāng)前限制普魯蘭多糖廣泛應(yīng)用的因素提出解決方案。

關(guān)鍵詞：普魯蘭多糖;農(nóng)產(chǎn)品保鮮;靶向藥物;基因遞送;組織工程

中圖分類號(hào)： Q815?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0048-04

普魯蘭多糖是一種由出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）分泌的胞外水溶性多糖，在1938年由Bauer首次報(bào)道[1]。1959年，Bender等通過研究揭示，該多糖是以 α-（1→4）糖苷鍵連接的麥芽三糖單元通過α-（1→6）糖苷鍵連接而成的線性多糖[2]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。普魯蘭多糖的α-1，4-D葡萄糖苷鍵和α-1，6-D葡萄糖苷鍵的傅里葉變換遠(yuǎn)紅外（FTIR）光譜伸縮吸收峰分別位于755、915 cm 處，為其特征吸收峰[3]。普魯蘭多糖獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其具有高水溶性、可降解性、良好的成膜性和阻氧性等特性，能廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，是一種極具開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景的功能性生物大分子[4]，普魯蘭多糖的分子量范圍為5～9 000 ku[5]。目前普魯蘭多糖在日本、韓國、美國等國家已被批準(zhǔn)作為食品、化妝品及醫(yī)藥品成分使用。2006年，我國正式將普魯蘭多糖列為食品添加劑，可在糖果、巧克力包衣、膜片、復(fù)合調(diào)味料和果蔬汁飲料中用作被膜劑和增稠劑（中華人民共和國衛(wèi)生部2006年8號(hào)公告）。市面上商品化的普魯蘭多糖產(chǎn)品有作為可食用薄膜制成的李施德林薄荷口腔護(hù)理片、皮膚護(hù)理產(chǎn)品Skin Deep以及植物膠囊等[6]。此外，普魯蘭多糖由于具有無毒副作用、無免疫原性、無致突變性及生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于不同的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如基因遞送、靶標(biāo)藥物療法、組織工程、創(chuàng)面愈合及臨床治療等[7-8]。

1?普魯蘭多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用

在食品工業(yè)領(lǐng)域，普魯蘭多糖的早期應(yīng)用涉及將其作為增稠劑、穩(wěn)定劑和膠凝劑，從而為產(chǎn)品提供良好的感官特性，延長食品的保質(zhì)期[9]。后來，普魯蘭多糖被發(fā)現(xiàn)可作為低卡路里食品和飲料的填充劑[10]。也有研究表明，普魯蘭多糖有作為益生元的開發(fā)潛力，可以促進(jìn)益生菌雙歧桿菌的生長[11]。普魯蘭多糖以其良好的成膜性、生物相容性及可降解等特點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代食品保鮮材料，近年來在食品加工與保鮮領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[12]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1?普魯蘭多糖在水果保鮮方面的應(yīng)用

普魯蘭多糖、淀粉、藻酸鹽、纖維素和殼聚糖等一些生物大分子具有良好的涂層形成性能[13-14]。普魯蘭多糖膜透明、高度不透氧并且具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可以起到色素、香料和其他營養(yǎng)或抗菌添加劑的載體作用[15-16]。普魯蘭膜可以通過抑制微生物菌群的呼吸作用來減少微生物的生長，以起到食品保鮮的作用[15]。

普魯蘭多糖對(duì)易受機(jī)械損傷的水果的保鮮效果明顯，能大大延長其貨架期。用普魯蘭多糖水溶液對(duì)藍(lán)莓進(jìn)行涂膜處理，在16 ℃貯藏14 d后，藍(lán)莓仍然能保持新鮮度;普魯蘭多糖作為良好的阻氧屏障，降低了果實(shí)的呼吸速率，延緩了果實(shí)的腐敗速度，并且很好地控制了微生物的生長，在4 ℃下，貯藏期可達(dá)28 d，果實(shí)的感官品質(zhì)如色澤、果實(shí)的飽滿度和可溶性固形物含量等指標(biāo)均高于未涂膜的對(duì)照組[17]。周文化等采用3%普魯蘭多糖溶液對(duì)芒果進(jìn)行涂膜，貯藏18 d后，芒果仍然能保持新鮮，果實(shí)的色澤、口感、飽滿度和各項(xiàng)生化指標(biāo)均高于未涂膜的對(duì)照組[18]。

有機(jī)酸及其鹽、酶、揮發(fā)性精油、植物提取物或從植物中分離出來的抗微生物活性化合物會(huì)結(jié)合到普魯蘭多糖涂層中。毫無疑問，這種可食用涂層只會(huì)使極少量抗微生物劑轉(zhuǎn)移到食物中，因?yàn)樗鼈兪菑耐繉踊|(zhì)中緩慢釋放的[19-23]。因此，這些化合物主要作用于瓜果蔬菜表面，抗菌涂層可以延長食物的保存期并可保證食物的質(zhì)量，尤其是可以保證食品在低冷條件下儲(chǔ)存或在運(yùn)輸、銷售過程中的質(zhì)量[24-26]。馬賽箭等以普魯蘭多糖作為主要涂膜液原料，復(fù)配羧甲基纖維素鈉和蔗糖酯制備成保鮮涂膜液，通過涂膜蘋果表面，可有效阻止蘋果的腐爛，減少蘋果中維生素C和有機(jī)酸的損失[27]。結(jié)合了繡線菊[Filipendula ulmaria（L.） Maxim]提取物（EMFs）的普魯蘭多糖涂層可以延長蘋果的保質(zhì)期，含有EMFs的普魯蘭多糖涂層不僅可以防止蘋果發(fā)生霉變，在儲(chǔ)存過程中，也有助于減少果實(shí)的失水和防止果實(shí)變色[28]。另外，普魯蘭多糖復(fù)配海帶源性低聚糖的復(fù)合膜可減緩圣女果變軟的速度，提高其感觀品質(zhì)，大大延長圣女果的貨架期[29]。用納他霉素與1%普魯蘭多糖復(fù)合浸潤處理鮮食葡萄后，能有效抑制儲(chǔ)藏期鮮食葡萄采后灰霉病的發(fā)生，同時(shí)降低其呼吸強(qiáng)度，延緩果實(shí)水分、維生素C含量和可溶性固形物的喪失[30]。

1.2?普魯蘭多糖在蔬菜保鮮方面的應(yīng)用

普魯蘭多糖除了對(duì)水果有良好的保鮮效果外，對(duì)蔬菜的保鮮效果也很明顯。甜椒（Capsicum annuum L.）是一種在世界各地種植的蔬菜，由于它們的顏色鮮艷、口味獨(dú)特和富含營養(yǎng)，使其成為最受歡迎的蔬菜之一，其市場(chǎng)需求量不斷增長。新鮮甜椒的特點(diǎn)是維生素C含量高且是類胡蘿卜素的良好來源[31]。但是，甜椒收獲后，容易迅速失水和老化，易受微生物侵染而導(dǎo)致腐爛，從而造成嚴(yán)重的商業(yè)損失[32-33]。根霉菌（Rhizopus sp.）是引起甜椒肉質(zhì)組織腐爛的主要病原因子[34]，這極大地限制了甜椒遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)竭b遠(yuǎn)的市場(chǎng)[35]。用普魯蘭多糖結(jié)合抗真菌活性物質(zhì)——繡線菊的水-乙醇提取物對(duì)新鮮采摘的甜椒進(jìn)行涂膜，在24 ℃貯藏5 d后，發(fā)現(xiàn)與不涂膜的對(duì)照組相比，由根霉（Rhizopus arrhizus）引起的腐爛率降低了80%。在6 ℃、相對(duì)濕度為70%～75%的條件下貯藏30 d后，檢測(cè)涂膜甜椒的表面，可以觀察到1層很薄且附著性良好的附加層，這1層覆膜有效地降低了甜椒采后總可溶性固形物含量的流失，也有效減少了失水，并且增強(qiáng)了其光澤，從而大大延長了甜椒的采后貯藏期，這種復(fù)合可食用普魯蘭多糖涂膜可以用作控制蔬菜真菌侵染的商業(yè)化殺真菌劑的替代品[36]。

利用普魯蘭多糖良好的成膜性，將普魯蘭多糖與1.0%牛至精油復(fù)配成膜，能使球芽甘藍(lán)在16 ℃下貯藏14 d，并且可以有效抑制黑霉的生長。與不涂膜的球芽甘藍(lán)相比，包被了普魯蘭多糖膜、普魯蘭多糖與牛至精油復(fù)合膜的球芽甘藍(lán)的失質(zhì)量率分別下降了8.04%和9.30%，而且涂抹了復(fù)合膜的樣品在色澤和外觀上都有明顯的提高[37]。此外，普魯蘭多糖還可以可食性涂層的形式用于白蘆筍茅的低溫貯藏，可保證白蘆筍茅在冷藏過程中的質(zhì)量不受影響，并通過延緩其水分散失，防止其尖端表面紫色的形成，從而保持白蘆筍的質(zhì)量[38]。

1.3?普魯蘭多糖在海產(chǎn)品和雞蛋保鮮方面的應(yīng)用

由于普魯蘭多糖可以直接食用，因而可將普魯蘭多糖噴灑在海魚表面形成1層薄膜，這1層普魯蘭膜可以有效減少海魚表面水分的蒸發(fā)，并能降低營養(yǎng)物質(zhì)的氧化損耗和抑制揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，從而保持海魚的原有風(fēng)味[39]。將普魯蘭多糖混合0.05%還原性谷胱甘肽、0.5%檸檬酸、0.2%山梨酸鉀用于海產(chǎn)品蟶的防腐保鮮，在約2 ℃的冷藏環(huán)境下，可以使其貨架期延長至10 d[40]。

用普魯蘭多糖水溶液浸泡或噴霧雞蛋，能在雞蛋表面形成涂膜層，從而阻止微生物侵入及空氣的流通，使蛋白和蛋黃保鮮，減少失質(zhì)量，延長鮮雞蛋的貨架期。在4 ℃貯藏9周后，涂膜了普魯蘭多糖的雞蛋品質(zhì)從AA級(jí)降到A級(jí)，直到第10周，依然能保持在A級(jí)[41]。

以上研究結(jié)果說明，不管是在生鮮水果還是生鮮食材的防腐保鮮上，普魯蘭多糖都有顯著的效果，開展普魯蘭多糖對(duì)食品的防腐保鮮研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

2?普魯蘭多糖在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

普魯蘭多糖在制藥行業(yè)中的應(yīng)用主要涉及硬膠囊和軟膠囊的制造。普魯蘭多糖可以替代明膠制造膠囊以滿足各種文化和飲食需求者的需要，包括素食主義者、糖尿病患者和飲食限制的患者等[42]。近期，普魯蘭多糖在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)涉及微球體作為藥物遞送載體的開發(fā)。研究指出，普魯蘭多糖可賦予微球體穩(wěn)定性、生物相容性和生物可降解性[43-44]。

普魯蘭多糖在麥芽三糖重復(fù)單元的吡喃葡萄糖環(huán)上的9個(gè)羥基賦予了其獨(dú)特的性質(zhì)，可以通過取代這些羥基來增強(qiáng)普魯蘭多糖在生物醫(yī)學(xué)各方面的應(yīng)用[45]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，普魯蘭多糖已經(jīng)被證實(shí)在基因遞送、靶向藥物治療、組織工程、傷口愈合以及諸如血管隔室成像、受體和淋巴結(jié)靶向特異性成像等診斷應(yīng)用中有極大的開發(fā)潛能。此外，普魯蘭多糖也被用作一種潛在的可替代葡聚糖的血漿擴(kuò)張劑[46]。

2.1?普魯蘭多糖在靶向藥物方面的應(yīng)用

普魯蘭多糖極容易被化學(xué)修飾形成衍生物，如酯化、羧甲基化、陽離子化等[5]。此外，普魯蘭多糖可以與肝臟細(xì)胞表面的去唾液酸糖蛋白特異性結(jié)合，使得普魯蘭多糖易于在肝臟聚集。利用這一特性，將阿霉素與普魯蘭多糖結(jié)合，能夠形成以阿霉素為核、普魯蘭多糖為包被的靶向給藥納米顆粒，這種納米給藥顆粒被認(rèn)為是一種很有前景的肝臟抗腫瘤免疫療法的靶向給藥體系[47]。包含電荷可逆的普魯蘭多糖外殼裝配聚-β-氨基酯/聚-乳酸-乙醇酸共聚物的納米顆粒可作為紫杉醇和考布他汀A4的藥物載體，用于肝癌的治療[48]。

2.2?普魯蘭多糖在基因遞送方面的應(yīng)用

普魯蘭多糖和普魯蘭糖衍生物可以作為基因或蛋白質(zhì)的潛在載體[49]。具有親水核的普魯蘭多糖納米顆粒有助于靶向基因的遞送，而不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞有任何細(xì)胞毒性[50]。普魯蘭多糖納米顆?？梢詫邢蚧蚪Y(jié)合在其表面并保護(hù)它們免受DNA酶的降解。普魯蘭多糖作為基因藥物的給藥載體，陽離子化普魯蘭多糖納米轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可以保持較高的轉(zhuǎn)染效率，基因藥物的生物利用度因此大大提高[51]。葉酸-低分子量聚乙烯亞胺修飾的普魯蘭多糖可將葉酸受體（FR）介導(dǎo)的基因/短干擾RNA（siRNA）輸送到特定的FR過表達(dá)癌細(xì)胞中，用于沉默基因的表達(dá)，被用于肝臟細(xì)胞靶向基因傳遞治療肝癌。此外，葉酸的羧基與聚乙烯亞胺共軛普魯蘭多糖上的氨基縮合能進(jìn)一步加強(qiáng)基因的轉(zhuǎn)染和沉默效應(yīng)[52]。

2.3?普魯蘭多糖在組織工程方面的應(yīng)用

組織工程是通過使用合適的人造三維（3D）支架，創(chuàng)建一個(gè)適于增強(qiáng)受損組織或器官自愈能力的細(xì)胞環(huán)境的過程[53-54]。普魯蘭多糖復(fù)合物支架可以有效地增進(jìn)細(xì)胞的分化和增殖，以促進(jìn)組織再生[54]。

許多具有與天然組織相同性質(zhì)的生物聚合物可以被模制成不同的形式應(yīng)用于組織工程，如支架、水凝膠、微成型基質(zhì)、微珠和納米顆粒等[55]。這些生物聚合物在組織工程中的應(yīng)用主要涉及表面改性等。普魯蘭多糖的表面性質(zhì)能夠通過在其羥基上進(jìn)行所需化學(xué)基團(tuán)的取代容易地得到增強(qiáng)[56]。三維普魯蘭醋酸纖維素支架具有細(xì)胞相容性，可以緩解皮膚組織工程中的細(xì)胞附著、擴(kuò)散和增殖[57]。羧甲基普魯蘭多糖-硫酸軟骨素水凝膠可充當(dāng)軟骨組織再生的支架[58]。新型普魯蘭生物綴合物可以用于選擇性乳腺癌骨骼轉(zhuǎn)移治療[59]。新型兩親性普魯蘭多糖納米凝膠交聯(lián)水凝膠具有較強(qiáng)的機(jī)械性能和較好的生物降解性，可作為組織工程的通用支架[60]。即使沒有任何生長因子，水凝膠也可以正常工作，以改善受損組織的細(xì)胞浸潤和再生。

3?結(jié)論與展望

普魯蘭多糖以α-（1→4）糖苷鍵連接的麥芽三糖單元，通過α-（1→6）糖苷鍵連接而成線性多糖的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其具有高水溶性、成膜性及可生物降解等特性，能廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及化妝品等各個(gè)領(lǐng)域;普魯蘭多糖的麥芽三糖重復(fù)單元的羥基使其易被特定基團(tuán)替換而產(chǎn)生多種多樣的衍生物，適于在生物醫(yī)學(xué)的靶向藥物治療、基因藥物遞送及組織工程中使用，是一種極具開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景的功能性生物大分子。然而，目前國內(nèi)普魯蘭多糖產(chǎn)量低，價(jià)格較高，一直維持在25美元/kg的售價(jià)，使其應(yīng)用受到了限制，因此，篩選高產(chǎn)普魯蘭多糖的出芽短梗霉菌株和優(yōu)化發(fā)酵條件是降低普魯蘭多糖生產(chǎn)成本的一個(gè)重要途徑。另外，對(duì)普魯蘭多糖生物合成機(jī)制進(jìn)行深入研究，解析其生物合成機(jī)制，通過分子遺傳手段改造現(xiàn)有菌株，提高普魯蘭多糖產(chǎn)量和分子量，也是一個(gè)降低其生產(chǎn)成本的有效途徑。隨著近年來基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)在生物研究中的廣泛應(yīng)用，利用組學(xué)和分子遺傳學(xué)相結(jié)合的研究方法將加快普魯蘭多糖生產(chǎn)和生物合成機(jī)制的研究進(jìn)程，為進(jìn)一步擴(kuò)大普魯蘭多糖的應(yīng)用領(lǐng)域和開發(fā)其利用價(jià)值提供廣闊的前景。

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