凝膠多糖自組裝作用及其應(yīng)用研究進(jìn)展

潘玉雪，徐欣東，張潤峰，王 清，陳 山

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

多糖作為由基本單糖所組成的生物大分子，其所具有的連接鍵、直鏈/支鏈比和分子質(zhì)量的多樣性以及分子多羥基性和某些特殊空間結(jié)構(gòu)，為其功能化提供了良好的條件。自組裝是大分子間通過非共價鍵相互作用來驅(qū)動分子或部分分子自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)的過程，也是生物大分子之間通過相互作用形成超分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。相較于蛋白質(zhì)，多糖在多種環(huán)境因素（溫度、pH值等）下具有更高的穩(wěn)定性，可與其他功能因子結(jié)合以構(gòu)建具有有序結(jié)構(gòu)和特異性優(yōu)勢的功能復(fù)合物。

作為三螺旋多糖的凝膠多糖（curdlan，CUR）是一類線性的-(1,3)--葡聚糖，最早由糞產(chǎn)堿桿菌發(fā)酵獲得，并被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)作為食品添加劑使用，出色的增稠性、保水性使其在食品加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CUR在體外實(shí)驗(yàn)和動物實(shí)驗(yàn)中均顯示無毒性，且在生物醫(yī)學(xué)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腫瘤特性和免疫調(diào)節(jié)活性，可刺激免疫細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子，也可作為能特異性識別免疫細(xì)胞的載體應(yīng)用于靶向給藥系統(tǒng)。截至目前，以香菇多糖、裂褶菌多糖、硬葡聚糖等為代表的三螺旋多糖已被用于構(gòu)建具有新型功能的復(fù)合物，研究表明相較于單一客體分子，經(jīng)多糖修飾后構(gòu)建的復(fù)合物在功能性和穩(wěn)定性上顯著提升，在功能藥物、藥物遞送、基因遞送、微量元素補(bǔ)充等方面具有出色的應(yīng)用潛力。近年來，CUR三螺旋構(gòu)象的獨(dú)特自組裝作用受到了越來越多的關(guān)注，有效地認(rèn)識CUR的自組裝過程可為CUR的功能化利用和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)。因此，本文綜述了CUR的自組裝作用特點(diǎn)和基于自組裝作用構(gòu)建功能材料的功能及生物活性，為CUR的自組裝作用在食品等領(lǐng)域的深入研究及應(yīng)用提供參考。

1 CUR三螺旋構(gòu)象

CUR在不同條件水溶液中主要存在3 種構(gòu)象，即無規(guī)卷曲、單螺旋及三螺旋，其中三螺旋構(gòu)象與多糖活性之間的構(gòu)效關(guān)系已有報道，當(dāng)三螺旋構(gòu)象被破壞時，其生物活性降低，這說明三螺旋構(gòu)象的完整程度對CUR的生物活性至關(guān)重要。不同于具有強(qiáng)大二級或更高階結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)及核酸，CUR和其他三螺旋-(1,3)-葡聚糖由于骨架的靈活性和能夠形成多種螺旋結(jié)構(gòu)的能力，在溶液中往往表現(xiàn)出復(fù)雜的構(gòu)象性質(zhì)，且難以觀察不同構(gòu)象之間的過渡過程。因此，對CUR的認(rèn)識仍有很大的提升空間，特別是對其構(gòu)象轉(zhuǎn)變和生物活性微觀機(jī)制的認(rèn)識。目前，對CUR三螺旋構(gòu)象的定性檢測多采用剛果紅染色法，然而隨著原子力顯微鏡的應(yīng)用及光散射法、核磁共振弛豫法、分子動力學(xué)模擬等方法的成熟，CUR三螺旋構(gòu)象的特點(diǎn)逐漸明晰。

CUR作為三螺旋-(1,3)-葡聚糖中的一個主要分支，與香菇多糖、裂褶菌多糖等具有同樣的主鏈，且主鏈上帶有大量羥基，具有眾多分子間及分子內(nèi)氫鍵。前人針對CUR的三螺旋構(gòu)象提出了3 種氫鍵模型，即Type A、Type B和Type C，隨著這3 種模型的提出及深入探索，對CUR的自組裝作用得到更進(jìn)一步的認(rèn)識。如圖1A所示，CUR具有6/1右手螺旋構(gòu)型，主鏈通過-1,3-鍵進(jìn)行連接，每6 個葡萄糖殘基形成一周螺旋，主鏈葡萄糖環(huán)上C4和C6羥基間的分子內(nèi)氫鍵是螺旋結(jié)構(gòu)形成的驅(qū)動力。如圖1B所示，由C2上羥基間的分子間氫鍵作用形成了位于同一平面且與螺旋軸相互垂直的三角氫鍵網(wǎng)絡(luò)，三條多糖線性鏈在分子間及分子內(nèi)氫鍵作用下形成緊密的交叉螺旋結(jié)構(gòu)，而螺旋中心在目前的主流觀點(diǎn)中被認(rèn)為存在不等邊“六邊形”氫鍵作用，即3 條糖鏈上3 個羥基的6 個原子形成不等邊六邊形氫鍵模型，以形成穩(wěn)定的CUR三螺旋結(jié)構(gòu)。已有報道稱，同樣具有三螺旋構(gòu)象的裂褶菌多糖主鏈上的C2羥基具有疏水性，而C6羥基及側(cè)鏈葡萄糖基具有親水性，這使得當(dāng)單鏈恢復(fù)到三螺旋構(gòu)象時，疏水表面總是位于三螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)，而形成的三螺旋結(jié)構(gòu)則被親水表面所覆蓋，在三螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)形成直徑約為3.5 ?的疏水空腔，且經(jīng)過變性的空腔具有柔韌性。對于CUR而言，其螺旋結(jié)構(gòu)的中心被C2羥基占據(jù)，導(dǎo)致疏水空腔無法形成；此外，葡萄糖基側(cè)鏈的存在和數(shù)量不僅可以顯著改變葡聚糖的物理性質(zhì)，也會對三螺旋結(jié)構(gòu)的疏水空腔產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，支化度越高，形成的螺距越短，疏水空腔體積越大。因此，相對于其他帶有側(cè)鏈的三螺旋多糖，CUR自組裝形成的三螺旋構(gòu)象不存在疏水空腔。除了Type A氫鍵模型，前人還提出不同的氫鍵模型，其中在Type B氫鍵模型中，認(rèn)為CUR糖鏈呈右旋，且同一條鏈上相鄰糖環(huán)的C2羥基之間形成分子內(nèi)氫鍵（圖1C），而形成三螺旋結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力可能是范德華力；而在Type C氫鍵模型中，與其他兩種模型不同的是，CUR三螺旋呈分子間左旋，且C2羥基間的分子間氫鍵構(gòu)成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)與螺旋軸不垂直，而是沿著螺旋線（圖1D）。在這3 種模型中，最不穩(wěn)定的是Type B氫鍵模型，而Type A氫鍵模型被認(rèn)為是較為合理的三螺旋構(gòu)象模型。

圖1 CUR單股右手螺旋和3 種氫鍵模型[27-28]Fig. 1 Single-stranded right-handed helix structure and three hydrogen-bonding models of curdlan[27-28]

2 不同誘導(dǎo)方式下的凝膠多糖自組裝作用

CUR獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)和氫鍵識別能力為其功能化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，而基于螺旋構(gòu)象和氫鍵作用的自組裝過程則是使CUR研究關(guān)注度得到提升主要原因。CUR可在不同濃度的不同溶劑中呈現(xiàn)出不同的鏈運(yùn)動，這些自組裝行為可以從機(jī)理層面解釋CUR優(yōu)異的增稠性和保水性，對多糖在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。如圖2所示，多糖三螺旋在強(qiáng)極性溶劑（如二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO））中可以以無規(guī)卷曲的形式展開，這一過程稱為三螺旋的解旋，當(dāng)溶液的極性降低時，無規(guī)卷曲可以通過特異性氫鍵識別作用重新形成三螺旋，這個過程稱為三螺旋的復(fù)旋。CUR在不同誘導(dǎo)條件下引發(fā)三螺旋解旋，通過改變?nèi)芤旱臈l件，可以使解旋后形成的無規(guī)卷曲通過復(fù)旋重新形成三螺旋結(jié)構(gòu)。然而，CUR在不同誘導(dǎo)條件下所表現(xiàn)出的自組裝過程存在略微不同。

圖2 多糖三螺旋構(gòu)象的解旋和復(fù)旋作用[23]Fig. 2 Denaturation and renaturation of triple-helix polysaccharides[23]

2.1 CUR在加熱/退火處理下的自組裝作用

CUR又名熱凝膠，其獨(dú)特的膠凝特性表現(xiàn)為當(dāng)加熱到80 ℃以上再退火后，會形成凝膠強(qiáng)度較高的熱不可逆凝膠，而當(dāng)加熱到55～65 ℃后再退火，會形成凝膠強(qiáng)度較低的熱可逆凝膠（圖3）。目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，前者的凝膠機(jī)理在微觀上表現(xiàn)為三螺旋結(jié)構(gòu)在高溫下解旋成單鏈，在退火后重新復(fù)旋形成三螺旋結(jié)構(gòu)，三螺旋結(jié)構(gòu)之間由至少一條單鏈連接或者以聚集體的形式存在，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而在宏觀上表現(xiàn)出極高的凝膠強(qiáng)度；后者的凝膠機(jī)理在微觀上表現(xiàn)為三螺旋在加熱下解旋為單螺旋，退火時少部分單螺旋復(fù)旋為三螺旋，但溶液中仍以單螺旋占主導(dǎo)，多條單螺旋或三螺旋鏈間也存在一定的連接，但構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如前者，從而在宏觀上表現(xiàn)出較低的凝膠強(qiáng)度。

圖3 CUR在加熱/退火處理下的自組裝機(jī)理[35-38]Fig. 3 Self-assembly mechanism of curdlan under heat-annealing treatment[35-38]

此外，對于其他三螺旋多糖，如硬葡聚糖三螺旋構(gòu)象也會隨著加熱而發(fā)生解旋，在退火后又發(fā)生復(fù)旋，利用這一自組裝過程可以構(gòu)建基于三螺旋多糖的復(fù)合物。然而，高于80 ℃的加熱/退火處理雖可以使CUR自組裝形成高密度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但卻對原料的熱穩(wěn)定性提出了一定的要求，且宏觀上形成的凝膠也增大了產(chǎn)物分離純化及表征的難度，因此在選擇該自組裝方法時需要充分考慮原料和產(chǎn)物的要求。

2.2 CUR在二甲基亞砜/水溶液體系中的自組裝作用

由三螺旋的形成機(jī)理可知，3 條螺旋鏈間主要通過氫鍵作用形成穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)。DMSO作為強(qiáng)極性有機(jī)溶劑，可有效破壞氫鍵作用，從而導(dǎo)致三螺旋發(fā)生解旋。通過改變DMSO/水混合溶液中DMSO的占比，可以控制三螺旋的構(gòu)象狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三螺旋解旋后復(fù)旋的自組裝過程，但這一可逆過程通常會出現(xiàn)三螺旋含量損失，即復(fù)旋生成三螺旋的數(shù)量會少于解旋前。CUR在DMSO/水體系中的分子構(gòu)象研究同其他三螺旋多糖一樣，在純DMSO溶劑中，CUR溶液的特性常數(shù)（與大分子在溶液中的形態(tài)有關(guān)，其取決于溫度、溶劑等，當(dāng)處于0.5～1.0時，大分子表現(xiàn)為略微緊縮線團(tuán)；當(dāng)處于0.8～1.0時，松散度增加，大分子表現(xiàn)為松散線團(tuán)；當(dāng)為1～2時，大分子表現(xiàn)出較強(qiáng)剛性）也處在0.5～0.8之間，說明CUR在純DMSO中以完全解旋的無規(guī)卷曲形式存在；然而，有關(guān)CUR在不同DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的構(gòu)象轉(zhuǎn)變研究較少，但存在一些其他三螺旋多糖構(gòu)象與DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，如圖4所示，可提供一定的參考。

圖4 幾種三螺旋多糖的構(gòu)象與DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系[32-34,42-46]Fig. 4 Relationship between the conformation of several triple-helix polysaccharides and the mass fraction of DMSO[32-34,42-46]

從圖4中可以看出，當(dāng)DMSO/水體系中DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，相關(guān)多糖的三螺旋均會發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，在DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到100%后均以無規(guī)卷曲形式存在于溶液中。值得注意的是，隨著三螺旋多糖分子質(zhì)量的升高，不同三螺旋多糖保持三螺旋構(gòu)象的DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間也變大，這說明在DMSO/水溶劑體系中，當(dāng)分子質(zhì)量增大，維持三螺旋的氫鍵數(shù)量也增多，從而提升了解旋三螺旋所需的DMSO量。在三螺旋完全解旋后，通過降低DMSO/水中DMSO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以使無規(guī)卷曲重新自組裝成三螺旋，但相較原始狀態(tài)下的三螺旋數(shù)量有所減少。然而，DMSO作為高毒性的有機(jī)溶劑，其在復(fù)合物的構(gòu)建中具有潛在的安全風(fēng)險，因此需要對構(gòu)建過程和產(chǎn)物進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控和檢測。

2.3 CUR在堿中和處理下的自組裝作用

類似于DMSO/水溶液體系，維持CUR三螺旋構(gòu)象的氫鍵也會在堿液中受到OH的破壞。如圖5所示，相關(guān)研究表明，具有三螺旋構(gòu)象的-葡聚糖，包括CUR、香菇多糖、硬葡聚糖等在不同濃度的NaOH/水溶液中，三螺旋構(gòu)象會發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)變，且三螺旋構(gòu)象的完整程度與NaOH濃度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，對于NaOH濃度與CUR構(gòu)象的關(guān)系，相關(guān)研究結(jié)果存在一定的分歧，即令CUR構(gòu)象轉(zhuǎn)變所需的NaOH濃度有所不同，造成這些分歧的原因可能是CUR濃度、分子質(zhì)量不同。

圖5 幾種三螺旋多糖的構(gòu)象與NaOH濃度的關(guān)系[41,48-52,54-56]Fig. 5 Relationship between the conformation of several triple-helix polysaccharides and the concentration of NaOH[41,48-52,54-56]

由圖5可知，分子質(zhì)量較低的三螺旋多糖，保持三螺旋構(gòu)象的NaOH濃度區(qū)間卻較大，這說明相比于具有較高分子質(zhì)量的多糖，較低分子質(zhì)量的多糖在NaOH溶液中存在更多的三螺旋聚集體（triple-helical aggregates，THAs）。因此，在堿中和（alkila-neutralization，AN）處理下，需充分考慮THAs對CUR自組裝作用的影響。圖5中所有三螺旋多糖在較低的NaOH濃度下均能保持較完整的三螺旋構(gòu)象，推測在此階段主要是THAs內(nèi)較弱的分子間氫鍵被破壞，造成THAs的大量解離；在NaOH濃度進(jìn)一步升高后，3 條螺旋鏈間的強(qiáng)分子間氫鍵被破壞，從而造成了單體三螺旋（independent triple helices，ITHs）的解旋，最后形成無規(guī)卷曲。

還需重點(diǎn)指出的是，在NaOH誘導(dǎo)的三螺旋多糖構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程中，研究者發(fā)現(xiàn)多糖分子質(zhì)量存在一定的降低，但通過紅外光譜、旋光度測定等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量降低是構(gòu)象轉(zhuǎn)變所引起的，而非糖鏈一級結(jié)構(gòu)降解所致，排除了分子質(zhì)量對相關(guān)測定指標(biāo)的干擾，這為研究CUR的自組裝過程規(guī)律和理論提供了重要支撐。

同樣的，通過加入酸溶液進(jìn)行中和，或使用大量水對CUR堿溶液進(jìn)行透析以除去其中的Na和OH，也可以誘導(dǎo)CUR糖鏈實(shí)現(xiàn)從無規(guī)卷曲自組裝成三螺旋的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。值得注意的是，通過AN誘導(dǎo)得到的三螺旋，其結(jié)構(gòu)的剛性強(qiáng)度較低，說明相比于未處理樣品，通過AN處理自組裝得到的三螺旋也存在一定的數(shù)量及強(qiáng)度損失。此外，有研究表明，除了在加熱/退火處理?xiàng)l件下CUR可以形成凝膠外，AN處理也可使CUR形成凝膠，此類凝膠的形成機(jī)制為：分散在堿性溶液中的CUR分子間及分子內(nèi)氫鍵被破壞，通過加酸進(jìn)行中和可形成一種新的氫鍵，但其凝膠強(qiáng)度較低，屬于熱可逆的低凝固凝膠，被稱為“堿中和凝膠”。

3 種誘導(dǎo)方式下自組裝的特點(diǎn)及局限性如表1所示。

表1 3 種誘導(dǎo)方式的特點(diǎn)及局限性Table 1 Characteristics and limitations of three induction methods

CUR從單鏈到三螺旋的自組裝過程復(fù)雜，多糖分子質(zhì)量/濃度、溶劑含量/濃度、退火溫度/時間等均對復(fù)旋過程產(chǎn)生影響，且由于復(fù)旋產(chǎn)物存在損失，造成復(fù)旋產(chǎn)物形態(tài)各異；因此，在選擇誘導(dǎo)自組裝過程的條件時需充分考慮過程及產(chǎn)物需求。

3 基于凝膠多糖自組裝作用構(gòu)建的功能材料及其應(yīng)用

聚合物自組裝技術(shù)在闡釋生物大分子行為和構(gòu)建功能因子遞送體系等方面做出了重要貢獻(xiàn)，是近年來食品與材料科學(xué)領(lǐng)域中不斷發(fā)展的一個重要研究項(xiàng)目。三螺旋可逆構(gòu)象轉(zhuǎn)變的性質(zhì)（即解旋/復(fù)旋過程）使三螺旋多糖表現(xiàn)出獨(dú)特的分子識別行為和不可比擬的特征，其可通過自組裝作用形成有序的層次結(jié)構(gòu)，以“超分子化學(xué)包裝”來包裹各種客體功能因子。然而，由于多糖不具有如DNA和蛋白質(zhì)的模板合成特征，導(dǎo)致多糖易受分子質(zhì)量的影響而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、構(gòu)象以及生物活性的差異。針對這個問題，可以通過三螺旋多糖的自組裝作用在不改變糖鏈組成的情況下自發(fā)地將無序糖鏈構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛱擎湗?gòu)象，這可有效減少由多糖分子質(zhì)量不同所引起的構(gòu)象差異，同時提升多糖的生物活性，延伸多糖的功能性。

3.1 加熱/退火處理下CUR自組裝功能材料及其應(yīng)用

3.1.1 CUR自組裝功能材料在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

基于CUR的膠凝特性，其在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛，可作為增稠劑、膠凝劑及穩(wěn)定劑應(yīng)用于食品加工中，在發(fā)揮膳食纖維作用的同時可作為肉制品中有效的脂肪替代品，改善肉制品等加工食品的品質(zhì)以及增強(qiáng)產(chǎn)品的功能性。Jiang Shuai等在香腸制作過程中添加不同含量的熱可逆和熱不可逆CUR凝膠，結(jié)果顯示兩種凝膠的添加均降低了香腸的烹飪損失以及改善了香腸的顏色、口感質(zhì)地及流變特性，且熱可逆凝膠在香腸中能夠起到膠凝劑的作用，熱不可逆凝膠則可作為一種潛在的仿脂肪劑。凍熟面條（frozen-cooked noodles，F(xiàn)CN）在冷藏過程中因冰晶形成而造成面筋網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度降低及淀粉特性受損，導(dǎo)致其品質(zhì)及烹飪質(zhì)量下降，CUR的添加可緩解FCN在冷藏過程中的品質(zhì)劣化等問題，Liang Ying等將CUR的膠凝過程與FCN的熟化過程結(jié)合進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加了0.5% CUR的FCN在冷凍過程中其面筋網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出更致密、更連續(xù)的特性，阻止了水分的流動，增強(qiáng)了FCN的硬度、耐嚼性和延展性，且CUR的添加抑制了冰晶的生成，使冰晶更小、分布更均勻，增強(qiáng)了FCN的凍融穩(wěn)定性。

CUR經(jīng)加熱/退火形成的純凝膠機(jī)械性能、保水性能不足，通過添加其他物質(zhì)，例如一些糖和多元醇，可使CUR凝膠質(zhì)地特性得到改善、凍融穩(wěn)定性得以提高，且多元醇的添加能夠防止糖分的過度消耗，對糖尿病患者有益。近年來CUR基共混膜的開發(fā)受到廣泛關(guān)注，功能物質(zhì)的添加可提高純CUR基膜的機(jī)械強(qiáng)度以及力學(xué)性能、滲透性、熱穩(wěn)定性，且添加抗菌物質(zhì)可賦予薄膜抗菌性能，所得CUR基共混膜可替代有毒、有害且難降解的塑料包裝。Zhang Yu等用溶液流延法將CUR/聚乙烯醇/百里香精油共混液倒在聚四氟乙烯板上，于100 ℃下加熱2 min，最后在25 ℃、相對濕度25%下恒溫恒濕處理24 h，制備得到用于冷凍肉保鮮的共混膜，結(jié)果表明，聚乙烯醇的添加提高了膜的力學(xué)性能，百里香精油的添加明顯提高了膜的斷裂伸長率并改善了膜的抗氧化性能，且保鮮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷凍肉的保鮮期延長了10 d，該CUR基共混膜的研究對更多新型綠色安全的肉類、冷凍食品包裝薄膜的開發(fā)及應(yīng)用具有促進(jìn)作用。

3.1.2 CUR自組裝功能材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

CUR的凝膠特性除了在食品領(lǐng)域已有研究，在新型功能藥物的制備領(lǐng)域也有應(yīng)用。CUR在溶液體系中可以自組裝形成與膠原蛋白具有相似螺距和螺旋形成方式的三螺旋，且在加熱/退火后形成的凝膠特性與膠原蛋白相似。Wu Chaoxi等制備了可模擬膠原的超螺旋網(wǎng)絡(luò)，通過將CUR粉末溶解在一定體積的無水DMSO中并加熱到100 ℃，加入同體積的水（100 ℃）混合后退火12 h，以實(shí)現(xiàn)最終的凝膠化，最后將凝膠在水中清洗以去除DMSO。CUR在溶劑和較高溫度的作用下，無規(guī)則糖鏈形成超螺旋后以六邊形的方式纏繞成直徑為20～40 nm且富含水分的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的動態(tài)性和應(yīng)力響應(yīng)性，可由各向同性向各向異性轉(zhuǎn)變，同時力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些納米纖維網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出類似于包括皮膚和肌腱在內(nèi)的膠原組織的非線性彈性，此仿生及動態(tài)超級網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于組織工程、藥物傳遞系統(tǒng)、人造皮膚和軟機(jī)器人等領(lǐng)域。

CUR在高溫加熱/退火下形成的凝膠具有彈性及高吸水性，是制備凝膠材料的良好選擇。Wojcik等利用CUR制備所得的泡沫狀生物材料當(dāng)與創(chuàng)面液體接觸時會變?yōu)檐浤z，其內(nèi)部具有高度多孔性及高吸水性，能夠防止傷口感染以及促進(jìn)傷口愈合。CUR除了在新型傷口敷料的研究中發(fā)揮出巨大的作用，近來其優(yōu)異性能也被應(yīng)用在制備新型載藥水凝膠材料方面，Michalicha等先將CUR溶液在93 ℃下加熱15 min再退火，再將聚多巴胺（polydopamine，PDA）沉積在凝膠表面，抗生素藥物慶大霉素通過PDA的醌基結(jié)合到水凝膠上，制備得到一種具有結(jié)合活性分子能力和保留機(jī)械性能的載藥水凝膠，顯示出CUR制備包括載藥水凝膠在內(nèi)的新型功能材料的潛力，具有良好的應(yīng)用前景。

部分加熱/退火處理下CUR自組裝功能材料的研究匯總?cè)绫?所示。

表2 加熱/退火處理下CUR自組裝功能材料的相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters related to CUR self-assembled functional materials under heat-annealing treatment

3.2 溶劑方式誘導(dǎo)CUR自組裝功能材料及其應(yīng)用

得益于三螺旋復(fù)旋時所表現(xiàn)出的自組裝特性，近年來CUR為相關(guān)藥物遞送系統(tǒng)的構(gòu)建提供了良好的載體。目前除了在加熱/退火處理?xiàng)l件下誘導(dǎo)CUR自組裝構(gòu)建功能材料外，還有利用改變?nèi)軇l件以誘導(dǎo)CUR自組裝構(gòu)建功能材料，該方式多為在DMSO/水溶液體系中進(jìn)行。

在DMSO/水溶液體系中，CUR經(jīng)DMSO/水溶液溶解，THAs發(fā)生解離形成ITHs，ITHs進(jìn)一步解旋成無規(guī)卷曲，通過加入大量的水或者進(jìn)行透析，單鏈可以自組裝成三螺旋結(jié)構(gòu)，利用這一原理，可將功能因子與三螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合構(gòu)建功能材料。Lehtovaara等在DMSO/水體系中將聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）接枝到CUR主鏈上，并在自組裝過程中將抗腫瘤藥物阿霉素（adriamycin，ADM）包裹進(jìn)螺旋結(jié)構(gòu)中心，制備得到具有類似核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒（圖6A）。該復(fù)合藥物具有良好的緩釋效果，可用于開發(fā)藥物傳遞和控釋體系，并能夠提供有效的免疫治療活性。Liu Zonglin等將不同物質(zhì)的量比的CUR和酞菁（phthalocyanine，PC）混合在DMSO中，用水稀釋誘導(dǎo)三螺旋自組裝過程發(fā)生以構(gòu)建CUR-PC復(fù)合物，復(fù)合物尺寸比CUR大得多，且復(fù)合物的形態(tài)與復(fù)旋后的CUR完全不同，表明PC被包裹在CUR三螺旋結(jié)構(gòu)中。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中將HeLa細(xì)胞暴露在CUR-PC和長波長光源下可使大部分細(xì)胞凋亡，說明利用CUR剛性螺旋構(gòu)象構(gòu)建的CUR-PC復(fù)合物可作為具有抗腫瘤功效的光敏劑。

不同功能聚合物之間的雜化組裝是自然界多個系統(tǒng)分層自組裝的常見過程之一，這些過程表現(xiàn)出的組裝特異性和有序性有助于設(shè)計具有新功能的自組裝系統(tǒng)。CUR糖鏈不僅可以自組裝形成三螺旋構(gòu)象，還可與其他聚合物鏈形成雜化螺旋，這為CUR復(fù)合物的構(gòu)建提供了一個新思路。Tamaru等利用-(1,3)-葡聚糖、-(1,4)-葡聚糖以及陽離子聚噻吩（polythiophene，PT-1）之間的協(xié)同作用設(shè)計了一種雜化螺旋復(fù)合物。首先在CUR糖鏈上接枝麥芽糖側(cè)鏈，通過酶促反應(yīng)將側(cè)鏈轉(zhuǎn)化成直鏈淀粉，得到聚合物淀粉接枝凝膠多糖（amylose-grafted curdlan，AGC），然后將PT-1與AGC混合，利用分子間特異性識別功能及螺旋形成能力自組裝成雜化螺旋（圖6B）。在該具有明確層次結(jié)構(gòu)的樹枝狀超分子組裝體中，主鏈與側(cè)鏈均保持了原有的螺旋結(jié)構(gòu)和分子結(jié)合能力，且側(cè)鏈上PT-1的熒光能量通過樹枝狀結(jié)構(gòu)高效轉(zhuǎn)移到CUR主鏈的PT-1上，成功構(gòu)建了一個自發(fā)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）系統(tǒng)，可將該基于超分子策略構(gòu)建的“Janus型FRET系統(tǒng)”看作一種高效的光收獲系統(tǒng)。此外，如圖7所示，Koumoto等在裂褶菌多糖與聚核苷酸鏈特異性結(jié)合的研究基礎(chǔ)上，于DMSO/水體系中構(gòu)建了由兩條CUR鏈和一條聚核苷酸鏈組成的CUR/聚核苷酸雜化螺旋，并對CUR鏈與聚核苷酸鏈的結(jié)合能力進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，不同分子質(zhì)量CUR對聚核苷酸具有不同的結(jié)合能力，這被認(rèn)為是CUR-CUR自組裝和CUR-聚核苷酸自組裝之間競爭的結(jié)果。該雜化螺旋可作為一種DNA片段或RNA片段的遞送體系，有助于拓展CUR在基因遞送載體上的應(yīng)用范圍。

圖6 負(fù)載有ADM的CUR-PEG復(fù)合物俯視圖（A）和PT-1在AGC溶液中的復(fù)合及發(fā)射示意圖（B）[17,88]Fig. 6 A top view of the CUR-PEG composite loaded with ADM (A)and schematic representation of complexation and emission of PT-1 in AGC solution (B)[17,88]

圖7 CUR/聚核苷酸雜化螺旋的構(gòu)建示意圖[90]Fig. 7 Schematic illustration for the construction of CUR/polynucleotide co-helix[90]

綜上，利用CUR三螺旋構(gòu)象所表現(xiàn)出的各方面特性可以有選擇性地構(gòu)建相關(guān)功能產(chǎn)物，這些成果很大程度上歸功于三螺旋的自組裝過程，其類似一種“開關(guān)”效應(yīng)，可以在特定條件下將功能物質(zhì)通過物理組裝和化學(xué)鍵與多糖大分子進(jìn)行結(jié)合，提高功能因子等客體分子的穩(wěn)定性及遞送性能。目前CUR三螺旋自組裝作用在食品領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用主要集中在食品添加劑及新型包裝膜，基于CUR在加熱/退火條件下自組裝表現(xiàn)出的獨(dú)特凝膠特性在許多領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。此外，此自組裝表現(xiàn)出的特殊性質(zhì)存在巨大的潛在應(yīng)用價值，例如可以構(gòu)建多肽/多糖雜化螺旋以及納米顆粒/多糖復(fù)合物用于功能肽和微量元素納米顆粒的遞送。

4 結(jié) 語

CUR因其獨(dú)特的三螺旋構(gòu)象和自組裝特點(diǎn)已受到廣泛的關(guān)注與研究，特別是利用三螺旋自組裝作用構(gòu)建功能材料已成為研究熱點(diǎn)。不同的誘導(dǎo)方式下，CUR的自組裝過程具有不同的特點(diǎn)，THAs的存在極大地降低了CUR的溶解度，不論是DMSO/水體系中還是AN處理誘導(dǎo)下的CUR自組裝過程都存在一定的局限性，在選擇誘導(dǎo)方式時應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求開發(fā)和選擇更適合的方式或者優(yōu)化和完善現(xiàn)有方式，遵循制備過程簡便、綠色的要求，提高產(chǎn)物純度及降低產(chǎn)物毒性。基于自組裝過程的作用及特點(diǎn)，CUR在食品添加劑、新型包裝膜等食品領(lǐng)域具有巨大的潛力，在微量元素補(bǔ)充劑、功能因子遞送等熱門研究方向也具有可預(yù)見的研究和應(yīng)用價值。此外，對于CUR三螺旋結(jié)構(gòu)的自組裝過程調(diào)控及機(jī)理，尤其是三螺旋的定量分析檢測和特異性氫鍵識別功能等方面還可繼續(xù)深入挖掘和探索，使CUR除了作為食品添加劑在食品領(lǐng)域的得以應(yīng)用外，再進(jìn)一步發(fā)揮其作為一種高安全性功能物質(zhì)載體的應(yīng)用潛力。