综述：壳聚糖、植物胶多糖及其他多糖的提取、纯化、表征与应用

本综述系统阐述了天然多糖（如壳聚糖、植物胶多糖等）的提取、纯化、表征技术及其广泛应用。文章重点介绍了化学、物理及生物提取方法，以及脱蛋白、色谱等多种纯化策略，并详述了紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、热重分析、扫描/透射电镜等表征手段。文章强调这些生物多糖凭借其生物相容性、可降解性及生物活性，在组织工程、伤口愈合、药物递送、食品工业等生命科学与健康医学领域展现出巨大潜力，是开发新型生物材料与治疗策略的重要资源。

　　

1. 引言

生物聚合物是所有生命形式的重要组成部分，其中多糖作为一类由单糖单元通过糖苷键连接而成的高分子量碳水化合物，因其卓越的生物相容性、可降解性、低毒性和生物活性而备受关注。天然多糖来源广泛，包括植物（如纤维素、淀粉）、动物（如壳聚糖、透明质酸）、藻类（如藻酸盐）和微生物（如右旋糖酐）。它们根据结构可分为同多糖和杂多糖，根据功能可分为结构多糖（如植物中的纤维素、真菌和节肢动物中的几丁质）和储存多糖（如淀粉和糖原）。多糖的化学结构和排列方式显著影响其特性和潜在应用价值，例如，壳聚糖和植物胶多糖因其优异的生物相容性、可降解性和抗菌活性，在基于生物聚合物的产品开发中具有首要意义。

2. 多糖的提取

多糖的提取是其应用的第一步，主要原理是通过物理、化学或生物方法破坏细胞壁，使多糖释放出来。提取方法的选择取决于多糖的特性和来源材料。

2.1. 化学提取法

化学方法主要包括碱提取和酸提取。酸性多糖（含有羧基或硫酸根）在碱性溶液中易于电离形成可溶性盐，因此碱提法广泛应用于水生生物和植物来源多糖的提取。例如，用1% NaOH溶液处理Laminaria japonica粉末可有效提取多糖。酸提法则使用稀酸溶液，如用1%柠檬酸提取Crassostrea rivularis中的多糖。NaOH的浓度对提取过程有显著影响，且碱提法通常比热水提取更快。对于一些植物胶多糖，如来自Araucaria heterophylla和Prosopis chilensis的胶，则采用乙醇浸泡过夜、三氯乙酸脱蛋白、丙酮沉淀和透析的方法。甲壳素和壳聚糖的提取通常涉及脱矿质、脱蛋白和脱色步骤，然后通过脱乙酰化获得壳聚糖。

2.2. 物理提取法

物理方法通常更高效、环保。

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  超声辅助提取：利用超声波空化效应破坏细胞壁，加速细胞内成分溶解，能显著提高多糖得率。例如，从蘑菇副产物中提取水溶性多糖。但其可能产生杂质，且高提取率通常需要较高的超声功率和操作温度。
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  微波辅助提取：通过电磁波与极性溶剂直接作用产生快速内部加热，有效破碎细胞壁。该方法能减少提取时间和溶剂消耗，适用于热敏性化合物。提取参数如微波功率、时间、液固比需优化以防止多糖降解，例如用于提取P. ginseng和多桑叶多糖。
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  红外辅助提取：利用红外辐射加热溶剂，具有成本低、操作简单、提取时间短、温度低、提取因子高等优点。例如用于提取Bletilla striata多糖。
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  超临界CO₂萃取：一种“绿色”技术，利用超临界CO₂的可调密度和溶解能力进行选择性分离。通常需要添加乙醇等改性剂以增强极性化合物（如多糖）的溶解性。
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  亚临界水萃取：将水加热至沸点以上但低于临界温度，并保持液态。高温高压使亚临界水能够通过微小压力调整提取极性和非极性化合物，是一种环保高效的方法，例如用于提取Lentinus edodes和Dendrobium nobile Lindl多糖，甚至可用于几丁质的制备。
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  动态高压微射流技术：通过微尺寸喷嘴在高达200 MPa的压力下产生高频振动、剪切、瞬时压降和空化作用，高效破碎细胞。该方法提取速率高、时间短，能增强生物聚合物的溶解度，但可能导致多糖链断裂。

2.3. 生物提取法

酶水解是一种环保、易于操作的提取方法，通常在较低温度和较短时间内进行，可防止多糖结构损伤并避免释放不需要的细胞成分。关键参数包括酶浓度、pH和提取温度。例如，使用胰蛋白酶、果胶酶和木瓜蛋白酶从Tuber aestivum（夏块菌）中分离多糖，或使用半纤维素酶和甘露聚糖酶从Plantago major L.叶片中提取针对木聚糖和半乳甘露聚糖底物的多糖。

3. 多糖的纯化

提取后的粗多糖混合物需要经过纯化以获得更均一的多糖组分，便于后续研究和应用。纯化方法包括去除杂质和进一步的物理或化学分离。

3.1. 多糖的脱蛋白

去除蛋白质是关键步骤。常用的方法有：

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  Sevag法：广泛使用，能有效变性蛋白质且通常不影响多糖，但可能主要去除游离蛋白而非蛋白质-多糖复合物，并可能导致多糖损失。
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  三氯乙酸沉淀法：能够从粗多糖中去除总蛋白质，且多糖损失率相对较低。
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  三相分离法：结合盐析、等电点沉淀和溶剂沉淀，已成功用于纯化C. fluminea（金蛤）提取的多糖。
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  硫酸铵盐析法：一种更温和的方法，可在不损害生物活性的情况下去除蛋白质-多糖复合物中的蛋白质。
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  对于壳聚糖，也可采用酶法脱蛋白，如使用固定化胃蛋白酶处理。

3.2. 色谱柱分离法

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  阴离子交换色谱：基于多糖的离子特性进行分离，适用于纯化各种酸性/中性多糖和粘多糖。酸性多糖在pH 6.0时可被交换剂吸附。常用DEAE-纤维素或DEAE Sephadex等填料，用不同浓度的NaCl溶液进行洗脱。
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  凝胶柱色谱：根据多糖的尺寸和形状进行分离（筛分原理），使用Sephadex、琼脂糖、葡聚糖等凝胶作为固定相，能有效去除小分子和无机盐杂质。
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  亲和柱色谱：基于生物特异性相互作用，具有高效率、易于操作等优点，但为特定多糖寻找合适的配体可能比较困难。

3.3. 其他纯化技术

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  透析和超滤：基于分子大小的膜分离技术。
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  离心：基于大小和密度差异进行分离。
  这些方法通常结合使用，但由于多糖结构的复杂性和缺乏公认的万全之法，获得完全纯化的多糖仍具挑战性。

4. 多糖的表征

对提取纯化后的多糖进行表征至关重要，以深入了解其生物学特性、理化性质、结构和表面特性。

4.1. 紫外-可见光谱

用于研究电子跃迁和检测涉及发色官能团的修饰。例如，可用于确认多糖复合材料中特定化学物种的存在，分析多糖基材料的光学性质（如表面等离子体共振），以及通过检测260 nm和280 nm处的吸收峰来评估多糖提取物中核酸和蛋白质污染情况。

4.2. 傅里叶变换红外光谱

用于快速鉴定多糖中的官能团。特征峰包括：O-H伸缩振动（3550–3220 cm^-1），C-H伸缩振动（约2900 cm^-1），C=O伸缩振动（约1650 cm^-1），以及吡喃环、糖苷键、硫酸基团等的振动。FTIR可用于分析药物递送系统、可食用薄膜、组织工程支架等多种应用中多糖的分子相互作用和结构确认。

4.3. X射线衍射分析

用于确定多糖的结晶性质、晶相组成和结晶度指数。例如，从菠萝皮中提取的真菌壳聚糖在2θ = 12.33°（无定形相）和22.66°（结晶相）处显示出特征值，结晶指数为51.61%。XRD有助于理解材料在生物材料、纺织涂层、伤口愈合和农业应用中的结构-功能关系。

4.4. 热重分析

通过监测质量随温度的变化来评估多糖的热稳定性。大多数多糖在200°C以下分解，但有些聚合物表现出良好的热稳定性。TGA可用于确定分解温度，比较粗制和纯化组分的稳定性，并评估生物聚合物基材料（如食品包装薄膜、组织工程支架、纳米复合材料）的热性能。

4.5. 扫描电子显微镜

用于观察多糖的表面形态和形状。SEM可以揭示不同提取和纯化方法导致的微观结构差异，例如纤维状细丝、颗粒状结构、多孔支架的孔径和互联性、纳米颗粒的形貌和大小等，这些信息对于理解其功能性质至关重要。

4.6. 透射电子显微镜

提供比SEM更高的放大倍率和分辨率，用于观察样品的内部组成和纳米级细节。TEM可以可视化纳米颗粒的结构和排列（如聚集状态、球形纳米颗粒、空心管状结构）、多糖分子的链构象（如“领结”结构），是优化药物递送系统和理解材料在纳米尺度行为的关键工具。

4.7. 气相色谱-质谱联用

用于鉴定和量化化合物，特别是聚合物热解产生的单体和降解产物。例如，用于分析几丁质热解产生的挥发性化学品（如乙酰胺、糠醛），或鉴定天然树胶（如Albizia zygia胶）中的有益化合物（如酯类），以及确定多糖的单糖组成。

4.8. 核磁共振波谱

用于确定分子的结构、性质和动力学。¹H NMR、¹³C NMR以及二维NMR技术可以提供关于糖残基类型、连接方式（如α(1-2), (1-4), (1-6)糖苷键）、序列排列等详细信息，是解析复杂多糖精细结构的强大工具。

5. 多糖的应用

多糖及其衍生物因其成本低、毒性小、生物相容性好、可生物降解等优点，在众多领域有广泛应用。

5.1. 组织工程

壳聚糖、几丁质、纤维素、藻酸盐、透明质酸、淀粉等多糖可作为支架材料，用于软骨、骨骼、肌腱等组织的再生。这些生物材料需要具备生物相容性、可控降解性、结构完整性、高孔隙率和适当孔径分布。例如，壳聚糖与羟基磷灰石或碳纳米管的复合材料在人工骨开发和骨再生方面显示出潜力；藻酸盐凝胶基质可用于间充质干细胞向软骨细胞的分化。

5.2. 伤口愈合与敷料

壳聚糖、几丁质、透明质酸、纤维素和藻酸盐等多糖因其生物相容性、生物医学活性、天然来源和低毒性而广泛应用于伤口护理。它们可以制成敷料，为损伤部位提供屏障，防止感染。例如，透明质酸具有独特的粘弹性，可用于治疗烧伤、溃疡和深度皮肤损伤；由N,O-羧甲基壳聚糖、纳米姜黄素和氧化藻酸盐制成的水凝胶显示出良好的伤口愈合能力；掺入纳米银的藻酸盐水凝胶具有强大的抗菌效果。

5.3. 药物递送与控释

天然多糖聚合物作为药物递送系统的载体，具有低毒性、生物相容性、可生物降解性和廉价等优点。它们可以克服传统化疗药物溶解度差、酶降解、快速肾清除、副作用大等挑战。基于多糖的纳米载药系统可以利用增强的渗透性和滞留效应，提高药物在肿瘤部位的富集。例如，淀粉基材料（如pH响应性羟乙基淀粉）被用于修饰抗癌药物阿霉素的递送；羧甲基纤维素可用于制备结肠靶向给药的聚电解质磁性纳米载体；纯化的植物胶多糖经羧甲基化和交联后可制成负载姜黄素的纳米载体，用于乳腺癌治疗；瓜尔胶包被的壳聚糖纳米颗粒用于抗结核药物的递送。

5.4. 食品工业

多糖在食品工业中作为增稠剂、稳定剂、胶凝剂、乳化剂和包装材料被广泛应用。例如，琼脂因其在低温下凝胶化的特性被用于食品；塔玛胶和黄原胶用于控制食品体系中水的行为；来自Sphingomonas paucimobilis的微生物多糖（结冷胶）可作为稳定剂和增稠剂；右旋糖酐是第一个被批准用于食品的商业化微生物多糖，用于保湿、增粘和抑制糖结晶；壳聚糖由于其抗菌和二价矿物螯合能力，可作为食品包装材料的替代品，例如壳聚糖-木薯淀粉可食用涂层对Lactobacillus spp具有抑制作用。

6. 结论

天然来源的多糖，如壳聚糖、植物胶、纤维素和淀粉，是一类丰富且极具价值的生物聚合物，在生物和医学领域具有广泛的应用前景。它们凭借其固有的生物相容性、可降解性、抗菌、抗氧化和抗炎特性，成为组织工程、伤口管理、靶向药物递送和食品工业等领域创新策略的理想选择。随着对多糖提取、纯化、表征和功能化研究的不断深入，这些天然大分子有望在未来的纳米技术、生物材料和人类健康领域发挥更大的作用。