为豆胶的硒化反应定制酸性深共晶溶剂：探究酸度与极性对硒元素掺入及分子量的影响

《International Journal of Biological Macromolecules》：Tailoring acidic deep eutectic solvents for selenylation of locust bean gum: Elucidating acidity and polarity effects on selenium incorporation and molecular weight

　　摘要在食品胶体领域，硒改性被视为开发有机硒添加剂的一种极具前景的策略。然而，硒多糖的合成常常受到硒含量低以及分子量降解难以控制的影响。本研究设计了一系列酸性深共晶溶剂，这些溶剂由氯化胆碱与多种羧酸结合而成，可作为用于豆胶硒化的双功能介质。由此得到的硒化豆胶硒含量显著提高，可达11,038微克/克，这一数值远远高于采用硝酸/亚硒酸钠和DMSO作为反应介质的方法。进一步分析表明，ADES的酸度、极性与硒化效率之间存在显著相关性，较高的酸度和极性通常意味着更高的硒含量。FT-IR和13C NMR分析证实，硒以亚硒酸酯的形式存在，主要通过甘露糖残基的C-6羟基发生取代反应形成。此外，分子量分析显示，多糖的降解程度受溶剂酸度和极性的共同影响，较高的极性会导致分子量进一步降低，这可能与多糖的溶解度增加及构象变化有关。重要的是，基于密度泛函理论及分子动力学模拟的计算分析表明，ADES与豆胶之间的氢键作用增强，从而提升了溶解度并暴露出更多活性位点，进而提高了硒化效率。这项研究证明，通过调控ADES的物理化学性质，可以精确控制硒多糖的硒含量和分子量，为定向合成具有生物活性的糖衍生物提供了有效策略。

引言硒是人类生理活动中不可或缺的微量元素，因其具有多种重要的生物学功能。硒为重要的抗氧化蛋白——尤其是硫氧还蛋白还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶——提供活性中心，有助于直接中和氧化性物质，如脂质过氧化物和H2O2，从而保护细胞膜和DNA免受氧化损伤[1]。硒对多种基本生理过程至关重要，硒缺乏与认知功能下降、心肌病及心力衰竭密切相关[2]。值得注意的是，硒蛋白不仅参与甲状腺激素的代谢，还在炎症反应和免疫功能中发挥重要调节作用[3]。目前，硒主要以无机形式存在，主要为硒酸盐和亚硒酸盐。但由于其高毒性和低生物利用度，无机硒的应用受到限制[2]。相比之下，有机硒形式——如硒蛋白、硒核苷酸及硒多糖——具有较低的细胞毒性、更好的稳定性以及更高的吸收效率，因此更易于被整合到参与氧化还原过程的关键蛋白质中[4]。其中，硒化多糖因安全性高且具有多种生物活性，已成为研究热点[5]。

目前，获取硒多糖的主要方法包括从富含硒的植物或真菌中提取、微生物转化以及化学合成[6][7]。其中，化学合成因其能够精确控制硒与多糖之间的结合位点（如羟基或氨基）及键合形式（如SeO或SeC键），同时还能获得硒含量更高的产物，已成为制备硒多糖的主要方法[5]。传统的化学硒化方法主要包括硝酸-亚硒酸钠法、冰醋酸-亚硒酸法以及硝酸-亚硒酸钠-氯化钡法[8]。这些方法是通过让多糖在特定溶剂（如硝酸或冰醋酸）中与亚硒酸或亚硒酸钠直接反应来合成硒多糖。然而，多糖是富含羟基的大分子，易形成分子内和分子间的氢键，从而导致其在不同溶剂中的溶解行为各异。在传统的硒化方法中，由于多糖结构的不同，其溶解效果也存在显著差异，使得最终得到的硒多糖结构具有高度随机性[9]。此外，多糖硒化属于酯化反应，反应溶剂中的水会阻碍反应进程，导致通过传统方法合成的硒多糖硒含量较低。另外，传统硒化方法往往需要较高温度（80–100℃）或强酸催化，这可能导致多糖链发生随机断裂和降解。因此，很难控制硒多糖的结构，也就难以开展结构与活性之间的关系研究[10]。综上所述，传统硒化方法存在硒含量低、溶解性差以及分子量降解难以控制等缺陷，因此亟需开发一种兼具溶解和催化功能的新型溶剂体系。

在硒多糖的合成过程中，多糖链内部及分子间强烈的氢键作用导致其在许多非质子溶剂中溶解性较差，这一问题带来了很大挑战[11]。因此，要在非水介质中实现高效溶解，对于顺利合成并调控这些衍生物的结构至关重要。近年来，离子液体和深共晶溶剂被作为多糖衍生的替代反应介质进行了研究。与传统的硝酸或醋酸基体系相比，这类溶剂能更好地溶解多糖，提供更为均匀的反应环境，从而提高反应的可控性并减少非特异性降解。不过，由于成本较高且操作复杂，离子液体基体系的实际应用受到限制[12][13]。深共晶溶剂则作为离子液体的有力替代品出现，用于多糖的功能化处理。这类溶剂通常由季铵盐（作为氢键受体）和氢键供体通过非共价相互作用形成，具有很强的氢键形成能力[14][15]。这一特性使它们能够有效打破多糖分子内部及分子间的复杂氢键网络，从而促进多糖的溶解。此外，通过调整氢键受体和供体的种类及比例，或加入其他成分，还可以精细调控深共晶溶剂的极性、粘度和密度等物理化学性质[16]。这种高度的可定制性使得研究人员能够设计出适用于特定多糖溶解及后续硒化反应的深共晶溶剂体系，从而克服传统单一溶剂的局限性。

在之前的研究中，我们使用了基于醇胺的深共晶溶剂体系，制备了分子量相近但硒含量不同的硒化豆胶。结果表明，硒化处理显著提升了豆胶的免疫调节活性。此外，硒化豆胶中较高的硒含量与巨噬细胞中NO生成的增加有关。然而，这些体系中硒的掺入量仍然相对有限，无法开展更广泛范围内的硒含量与活性关系研究。另一个限制多糖硒化效率的重要因素是硒供体的亲电性不足，这直接影响了酯化反应的速率和转化率。为解决这一问题，我们引入了酸性深共晶溶剂作为多糖硒化的多功能反应介质。这类溶剂具有强大的氢键供体能力，能够打破生物聚合物内部及分子间的复杂氢键网络，从而促进其在非水环境中的有效溶解。同时，这类溶剂自身的酸性特征可实现对硒化反应的就地催化，进一步提升了整体修饰效率。

在本研究中，我们设计了一系列含有不同氢键供体的酸性深共晶溶剂，并将其用于硒化豆胶的合成。本研究旨在评估这类溶剂对硒化反应的影响。此外，还通过傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、核磁共振波谱以及尺寸排阻色谱结合多角度激光散射技术，对硒化豆胶衍生物的化学结构进行了分析。同时，通过密度泛函理论计算和分子动力学模拟，研究了多糖与酸性深共晶溶剂之间的相互作用，探讨了溶剂酸度和极性对硒掺入量及分子量的影响。这项研究为多糖衍生物的合理设计提供了理论依据，也为未来研究硒多糖的结构与活性关系奠定了基础，同时也指出了在实际应用中需要解决的关键问题。

化学品与试剂二甲基亚砜、氯化胆碱、乙酸、乙醇酸、乳酸、丙酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、柠檬酸、丙酮、抗坏血酸、溴化钾、环己烷、盐酸羟胺、乙二胺四乙酸二钠、2,3-二氨基萘以及氢氧化钠。所有试剂均为分析级纯度，购自上海京春生化科技有限公司。

豆胶

酸性深共晶溶剂的制备一系列酸性深共晶溶剂是由季铵盐型氢键受体和酸型氢键供体共同合成的。通过傅里叶变换红外光谱分析了氢键供体和受体所具有的特征官能团，同时检测了酸性深共晶溶剂中是否存在氢键结合。这些溶剂的光谱特征与它们的组成成分极为相似，尤其是与氢键供体对应的部分，说明氢键供体在光谱中起主导作用。同时，这种光谱一致性也反映了……

讨论在本研究中，酸性深共晶溶剂作为有效的双功能介质，实现了豆胶的硒化反应。通过将多糖溶解与酸催化功能集成于同一体系，酸性深共晶溶剂克服了传统硒化方法的诸多局限，如硒掺入量低以及分子量降解难以控制等问题。值得注意的是，虽然加入了DMSO作为辅助溶剂以降低粘度并提高传质效率，但在整个反应过程中，酸性深共晶溶剂始终是主要的溶剂相。

作者贡献声明薛顺金：撰写原文、数据整理。阿尔努尔·H·巴加迪：可视化处理、实验研究、数据整理。高玉佳：正式分析、数据整理。田娜娜：可视化处理、实验研究。刘润：可视化处理、实验研究。陈静博：可视化处理、实验研究。彭腾腾：数据整理。刘晓晓：可视化处理、实验研究。秦晓杰：可视化处理。王志佳：可视化处理。孔伟宝：可视化处理。周宇波：监督指导。李渊：监督指导、项目管理。

利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢作者衷心感谢以下项目的支持：国家自然科学基金（32560543）、甘肃省高等学校学科专业建设支持计划项目（2026CYZC-015）、兰州市科技计划项目（2023-3-4、2023-2-21、2023-ZD-27）、中央引导地方科技发展资金项目（24ZYQA039、24ZYQA040）、甘肃省科学研究基金（23JRRA1482）以及国家科学技术项目。薛顺金|阿尔努尔·H·巴加迪|高玉佳|田娜娜|刘润|陈静博|彭腾腾|刘晓晓|秦晓杰|王志佳|孔伟宝|周宇波|李渊|王俊龙