天然及化学修饰结冷胶的结构 - 性质关系与应用：全面综述

《Carbohydrate Polymers》：Structure–property relationships and applications of native and chemically modified curdlan: A comprehensive review

　　

# 摘要

结冷定（Curdlan）是一种微生物来源的（1 → 3）-β-D-葡聚糖，具有刚性三螺旋结构，表现出热诱导凝胶化和Dectin-1介导的免疫调节活性，这使其区别于植物来源的葡聚糖，并在食品结构化、药物/基因递送、伤口敷料、组织工程和生物传感器等领域得到应用。然而，较差的水溶性和有限的可加工性限制了其更广泛的应用。化学衍生化可以改善溶解性并引入新的功能，但过量或非选择性取代可能会破坏三螺旋结构、减弱凝胶化能力并改变生物活性。本综述批判性地回顾了主要的改性策略，并将由此产生的物理化学和生物学变化与材料在这些应用中的性能相关联。重点讨论了分子量、取代度（DS）以及取代位点/分布如何调节链构象、螺旋完整性、聚集和凝胶网络形成，这些因素共同决定了流变性、力学和生物学性能。鉴于结冷定的许多独特功能依赖于其螺旋结构，衍生化过程必须在引入新功能与保持结构完整性之间取得平衡。衍生化后的螺旋保持取决于取代位点、取代度、取代基化学性质、分子量和溶液条件。本综述还讨论了精确结构表征、规模化加工和体内验证方面尚存的挑战。本综述为结冷定基功能性材料的理性设计和高值化利用提供了系统性框架。

# 引言

石油基聚合物支撑了现代工业，但其对有限化石资源的依赖和废弃后的持久性加剧了对可再生和可降解替代品的需求（Baishya等，2025；Lee等，2020；Rosenboom等，2022；Velasquez等，2025）。天然聚合物是丰富且可再生的材料资源。在这些材料中，多糖因其结构多样性、可生物降解性、低毒性和可调节的物理化学及生物学性质而尤为宝贵（Hu等，2019；Smeddle & Lecommandoux，2026；Wei等，2020）。多种多糖还表现出生物活性，包括免疫调节、抗病毒和抗肿瘤作用，尽管这些活性强烈依赖于其分子结构和高级构象（Brown & Gordon，2001；Hamuro等，1971；Jones等，2020；Maeda & Chihara，1971）。多糖由众多单糖单元组成，其链表现出多样化的拓扑结构和链构象，从柔性无规线团到刚性三螺旋不等（Liu, Zhang等，2026；Xu等，2026）。这些多尺度结构特征使得多糖可以通过化学/物理改性和加工成为适用于特定应用的功能材料。多糖的利用既能应对当前的环境和能源挑战，也能拓展其在各领域的潜在应用。

天然多糖通常按来源分为植物源、藻类源、动物源和微生物源（Hei等，2026；Zheng等，2026）。植物多糖在食品、化妆品、制药、能源、环境工程和生物医学科学中具有广泛应用（Arca等，2018；Hu等，2019；Miao等，2018；Wisser等，2015）。值得注意的是，纤维素、阿拉伯胶、半乳甘露聚糖、玉米纤维胶、淀粉和果胶均来源于高等植物。藻类多糖如琼脂、卡拉胶和藻酸盐，因其优异的凝胶形成性能和生物相容性，在生物材料中得到了广泛应用（Beaumont等，2021；Benselfelt等，2018；Sun等，2012）。尽管植物和藻类多糖可再生且丰富，但其产量和质量可能受到大气和地质条件的强烈影响。动物源多糖包括糖胺聚糖和壳聚糖。多种糖胺聚糖以蛋白聚糖的形式与蛋白质共价结合。值得注意的是，壳聚糖是最重要的动物多糖之一，这得益于其卓越的抗菌性能和对核酸的亲和力（Lee等，2012；Sahariah & Másson，2017）。然而，其前体几丁质相关的残留甲壳类动物蛋白质增加了过敏反应的风险（Hajeb & Selamat，2012）。此外，动物多糖中的色素和杂质含量高于其他来源的多糖，这增加了其纯化和实际应用操作的复杂性。

相比之下，微生物多糖，如黄原胶、结冷胶和结冷定，可在受控发酵条件下生产，从而获得相对一致的组成和产量（Kaur等，2014；Yin等，2025）。与通过季节性收获获得的多糖不同，微生物多糖可以全年生产，对地理位置、气候和虫害的依赖性更低。其较短的发酵周期和可控的培养条件也促进了工艺标准化、批次一致性和工业规模生产。在这些微生物多糖中，黄原胶被广泛用作增稠剂和稳定剂，而结冷胶则因其凝胶形成能力而受到重视。结冷定则以其线性的（1 → 3）-β-D-葡聚糖结构、热诱导凝胶化和生物活性而著称，这支持了其在生物材料、药物和功能食品中的应用（Chen & Wang，2020；Nishinari等，2021；Yuan等，2021）。

结冷定最早由Harada及其同事在黏质无色杆菌（*Alcaligenes faecalis* var. *myxogenes*）10 C3的突变体中发现，是一种通过微生物发酵产生的未分支的（1 → 3）-β-D-葡聚糖（Harada等，1966；Horiuchi等，2012）。目前，已报道有数种细菌可产生结冷定，包括农杆菌属（*Agrobacterium* sp.）、根瘤菌属（*Rhizobium* sp.）、假单胞菌属（*Pseudomonas* sp.）和芽孢杆菌属（*Bacillus* sp.）（Rafigh等，2014；Verma等，2020）。结冷定的物理化学性质主要归因于广泛的分子内和分子间氢键作用，这些氢键稳定了其螺旋链和高级聚集体（S. Liu, Mao等，2026）。这一特性使得结冷定能够在水中溶胀和分散，但无法溶解。然而，其水分散液表现出独特的温度依赖性凝胶化行为，形成两种类型的凝胶：一种是"低凝凝胶"，由单螺旋通过氢键物理交联形成；另一种是不可逆的"高凝凝胶"，与疏水相互作用和向三螺旋结构的构象转变相关（Zhang等，2002）。

除了凝胶化之外，天然结冷定还通过β-葡聚糖受体（如Dectin-1）表现出免疫调节活性，而硫酸化和其他衍生化策略可以引入或增强抗病毒、抗凝和抗菌活性（Wang, Li等，2024）。结冷定在食品中的应用可追溯到1989年，当时它在韩国、台湾和日本被用作惰性膳食纤维。结冷定随后于1996年被美国食品药品监督管理局（FDA）批准为第三种微生物发酵胶凝食品添加剂（Spicer等，1999）。2007年，它也被中国卫生部批准用于肉类和家禽产品（Chen等，2010）。考虑到人类缺乏能够在上消化道降解结冷定的消化酶，这种多糖已成功用作膳食纤维或脂肪替代品（Laroche & Michaud，2007；Yang, Li等，2016）。作为食品添加剂，结冷定被广泛用作食品中的稳定剂、增稠剂或质构改良剂，如豆腐、面条和果冻，这得益于其形成弹性凝胶的能力以及在加热和冻融处理过程中保持稳定的特性（Wang等，2010）。欧洲食品安全局近期的一项评估结论认为，在拟议的使用方式和用量下，结冷定作为食品添加剂不存在安全问题（Andreassen等，2024）。

天然结冷定的较差水溶性和有限的可加工性促使其通过酯化、醚化、氧化和胺化进行化学改性。作为天然高分子材料，结冷定及其衍生物在生物医学和制药应用中得到了广泛研究，多种结冷定基系统在实验模型中表现出良好的生物相容性。结冷定基材料可用于制备用于骨再生和伤口愈合的坚韧且具有弹性的水凝胶（Hsieh等，2017；Kim等，2012）。在药物递送方面，各种结冷定基载体可以延长药物半衰期并调节药物释放，从而改善体内疗效（Basha等，2019）。除了传统的药物递送载体外，越来越多的研究致力于开发用于基因治疗的结冷定基纳米颗粒（Basha等，2020；Ganbold等，2019）。在生物传感应用中，可逆的溶剂诱导构象变化和与发色分子的杂交使得结冷定基系统能够选择性检测寡糖（Sasaki等，2019）。因此，结冷定及其衍生物在生物医学应用中展现出了相当大的潜力。

图1展示了过去60年间结冷定相关论文的数量，特别关注最近20年和10年。由于技术限制，在20世纪90年代初之前仅有少数关于结冷定及其衍生物的论文发表。这些早期研究主要集中在结冷定的结构表征、凝胶化行为和制备方面。此后，越来越多的关注转向了结冷定及其衍生物的生物活性和应用。过去30年间论文数量增长了近10倍。自21世纪初以来，研究越来越关注拓展结冷定在生物材料中的应用，包括药物递送、组织工程、分子识别和基因递送。从2019年到2025年，年度发文量保持在100篇以上。从2021年到2026年检索日期，共检索到944篇记录，占总文献量的39.7%。2024年年发文量达到243篇，2025年为222篇，而2026年检索到的56篇记录涵盖截至8月27日的时段，不应与完整年份的数据直接比较。关键词共现网络进一步揭示了几个相互关联的研究主题，包括微生物生产和生物合成、凝胶化和食品流变学、化学改性和材料制备、免疫调节和生物医学应用以及结冷定寡糖的酶法制备。与构象、凝胶化、化学改性和应用相关的关键词之间的联系日益增多，表明研究正从对单个性质的孤立研究转向更加整合的结构-性质研究。

以往的综述已涵盖了结冷定的大部分主要方面（Aquinas等，2022；Cai & Zhang，2017；Chen & Wang，2020；Yuan等，2021；Zhang & Edgar，2014a）。较新的综述变得越来越专门化：Ganie等（2024）考察了结冷定和普鲁兰的化学功能化，He等（2024）讨论了结冷定在β-葡聚糖基免疫靶向递送系统中的角色，Shukla等（2025）调查了其生物学和可持续工业应用。2026年，Xu等（2026）研究了结冷定的构象、凝胶化和食品应用，Wu等（2026）考察了用于可持续食品包装的结冷定基薄膜和涂层。尽管这些综述涵盖了本综述考虑的大多数单独主题，但改性化学、分子结构和材料性能之间的关系在文献中仍然较为零散。保持结构的衍生化、机械强韧的水凝胶和薄膜以及面向食品的界面设计方面的快速进展，创造了对更新的讨论的需求，这些讨论需要更明确地将分子结构、改性模式和应用性能联系起来（Dowdall & Hoare，2025；Ganie等，2024；He等，2024；Yin等，2025）。因此，本综述重点关注分子量和取代的程度、位点及分布如何影响链构象和高级缔合，以及这些结构变化如何在流变性、凝胶化、界面性质、生物活性和整体应用性能中得到体现。这一视角还考虑了化学功能化与结冷定螺旋构象和凝胶形成能力的保持或破坏之间的关系。

因此，本综述首先总结结冷定寡糖的生产和结冷定衍生化的主要途径。随后，考察结冷定及其衍生物的物理化学和生物学性质，特别关注自组装、流变性和凝胶化对分子结构和改性化学的依赖性。尽管凝胶化和自组装是结冷定的已知特征，但它们对改性化学的依赖性及其对应用性能的影响在以往的综述中尚未得到充分整合。随后讨论了食品和生物医学应用，包括质构改良、薄膜和涂层、药物和基因递送、水凝胶、组织工程和生物传感，并与相关的材料性质相联系。最后，讨论了区域选择性改性、定量结构表征、规模化加工和应用特异性验证方面的挑战。

## 章节摘要

### 化学结构与衍生化

在过去几十年来，关于结冷定衍生物的研究不断扩大，这主要源于克服天然结冷定较差水溶性的需要，同时保留其固有的生物活性和凝胶形成能力。虽然结冷定在水中的溶解性较差，但它可溶于碱性溶液、DMSO（二甲基亚砜）和离子液体中（Suzuki等，2022），从而实现均相衍生化和溶液加工。结冷定可通过其丰富的羟基进行化学改性，生成……

### 天然结冷定的物理化学性质

天然结冷定的物理化学行为强烈依赖于处理条件。在水中，它维持水合悬浮状态而非形成分子溶液，而碱和DMSO则破坏其分子间缔合和高级螺旋结构。

水合、链构象和分子缔合的这些变化决定了古古豆胶后续的热诱导和非热诱导凝胶化行为。
应用
由于其可调的凝胶化行为以及与金属纳米粒子、碳基材料、生物聚合物和生物分子整合的能力，古古豆胶及其衍生物已被广泛研究作为功能基质和支架材料。这些特性支持其在食品质构改良、脂肪替代、食品包装、药物和基因递送、组织工程和生物传感中的应用。在食品应用中，热诱导古古豆胶凝胶被广泛用于调节食品质构。
结论与未来展望
古古豆胶是一种微生物胞外多糖，具有线性、非支链的(1→3)-β-D-葡聚糖结构、刚性三螺旋构象以及特征性的热诱导凝胶化行为，这些特性使其区别于植物来源的多糖。结合其Dectin-1介导的免疫调节活性，这些内在特性支持了基于古古豆胶的食品材料、生物材料和免疫治疗递送系统的开发。化学衍生化可以进一步引入新的活性。
缩写
FDA：美国食品药品监督管理局
Mw：重均分子量
DMSO：二甲基亚砜
CCD：羧基古古豆胶
SCD：硫酸化古古豆胶
PCD：磷酸化古古豆胶
QCD：季铵化古古豆胶
DP：聚合度
DNA：脱氧核糖核酸
SAXS：小角X射线散射
SALS：小角光散射
SWNT：单壁碳纳米管
DCs：树突状细胞
GOS：(1→3)-β-D-葡聚糖寡糖
MDSCs：髓源抑制细胞
CMCD：羧甲基古古豆胶
DS：取代度
ECD：酯化古古豆胶
HIV：人类免疫缺陷病毒
CRediT作者贡献声明
高姝娜：原稿撰写、调查研究、形式分析。吴敏：原稿撰写、调查研究。周子瑜：调查研究。戴欧维：调查研究。袁百花：调查研究。张洪斌：审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资助获取、形式分析、概念化。
未引用参考文献
Fukuhara和Inoue，2011
Wang、Dong、Xu、Han和Ni，2016
Xu等，2020
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会被认为影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（批准号：22573065，21774075）的支持。
高姝娜 | 吴敏 | 周子瑜 | 戴欧维 | 袁百花 | 张洪斌