张霖雲，黄崇杏，黄兴强，王健

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

普鲁兰多糖，又名支链淀粉，化学结构式为（C6H10O5）n，白色不吸湿的粉末，是出芽短梗霉在有氧条件下产生的一种细胞外黏性多糖[1-2]，无毒，无味，无致突变，可食用[3]，易于在水中溶解。普鲁兰多糖的数均分子量（Mn）约为100 kDa ～200 kDa，重均分子量（Mw）约为 362 kDa～480 kDa[4]，Mw/Mn 的值在 2.1 和4.1 之间[5]。普鲁兰多糖的规则重复结构单元是由α-（1，4）糖苷键连接的α-（1，6）麦芽三糖单元[6]（如图1）。（1→4）和（1→6）糖苷键的规则交替导致普鲁兰多糖具有柔韧的结构和较强的溶解度[7]。独特的连接模式还赋予普鲁兰多糖独特的物理特性[8]，黏合性能及其形成纤维，拉压缩模塑和不透氧膜的能力[9]。因此，普鲁兰多糖是极好的食品保鲜材料和药物封装材料[10]。普鲁兰多糖具有很少的卡路里，对哺乳动物淀粉酶具有抗性[8]，可以作为老鼠和人类的膳食纤维。普鲁兰多糖也可用作面食或烘焙食品中淀粉的部分替代品，它能够提高食品的保质期，因为普鲁兰多糖不是容易引起食物腐败的细菌、霉菌和真菌的可吸收碳源[11]。普鲁兰多糖水溶液的黏度与普鲁兰多糖的分子量成比例[12]，可以用作饮料和调味汁中的低黏度填料[13-14]，也可以用作组织工程应用中的高黏度填料[15]。普鲁兰多糖在干燥时具有较好的黏合性能[16]，并且普鲁兰多糖的黏度不受加热，pH 值变化和大多数金属离子的影响，因此普鲁兰多糖可用作食品糊中的黏合剂和稳定剂，它也可以用来将坚果黏在饼干上。普鲁兰多糖可用于生产絮凝剂，其絮凝活性与分子量大小成正比[17]。普鲁兰多糖可用于开发纳米粒子和水凝胶，用于医药行业[18-19]和基因递送工程[20-21]。普鲁兰多糖具有优异的纸张涂层黏合性，可用于纸张的生产。普鲁兰多糖在化妆品应用中也有一席之地[22]。

图1 普鲁兰多糖的分子结构Fig.1 Molecular structure of pullulan

然而，普鲁兰多糖是中性多糖，不具有电负性。普鲁兰多糖膜具有脆性、亲水性、缺乏抗菌性[23]。普鲁兰多糖转化效率较低，生产成本高[24]。这限制了它在食品保鲜、包装、医药方面的应用。为了拓展普鲁兰多糖在包装等方面的应用，有必要对其进行改性，满足更高的使用要求[25]。本文从物理改性和化学改性两方面介绍了国内外普鲁兰多糖改性处理的最新研究成果，供相关科研人员参考。

1 物理改性

1.1 普鲁兰多糖与高聚物材料共混

肖茜等[26]在普鲁兰多糖成膜液中添加了海藻酸钠和羧甲基纤维素钠制备可食用薄膜，研究了这两种物质对薄膜性能的影响。结果表明，海藻酸钠的加入改善了膜的性能。这可能是因为普鲁兰多糖和海藻酸钠分子之间相互缠绕，并且存在着大量的分子间氢键，故形成了致密的网状结构，使混合膜的拉伸强度增大，水蒸气透过率减小，阻氧性增强。羧甲基纤维素钠与混合膜液中的海藻酸钠产生了增强协同作用，使薄膜的致密性更好，混合膜的性能更佳。将普鲁兰多糖/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠混合薄膜用于芒果保鲜，可以有效地防止芒果褐变，降低呼吸作用，延长芒果的储藏期。

Tony Diab 等[27]在普鲁兰多糖涂膜液中掺入了山梨糖醇和蔗糖脂肪酸酯，研究其对普鲁兰多糖基食用涂层的吸水行为和热力学性能的影响以及普鲁兰多糖基涂层对草莓的保鲜效果。结果表明，在含水量为2%～8%的范围内，随着水分含量的增加，由普鲁兰多糖或普鲁兰多糖与15%山梨糖醇混合制成的薄膜的弯曲模量和最大应力也在增加；当水含量超过该范围时，观察到强软化效果。山梨糖醇的添加增加了膜的水蒸气透过率，而蔗糖脂肪酸酯的添加具有相反的效果。在草莓上应用普鲁兰多糖/山梨糖醇/蔗糖脂肪酸酯涂层导致涂层内部气体组成发生变化，涂层水果显示出更高水平的二氧化碳，内部氧气大量减少，更好的坚固性和保色性以及减少的重量损失率。

Jia Wu 等[28]探究了壳聚糖和羧甲基壳聚糖的掺入对普鲁兰多糖薄膜性能的影响。结果表明，添加壳聚糖或羧甲基壳聚糖改变了普鲁兰多糖膜的柔韧性。当羧甲基壳聚糖与普鲁兰多糖的质量比达到3∶1 时，共混膜显示出比羧甲基壳聚糖和普鲁兰多糖膜更高的拉伸强度。当壳聚糖和普鲁兰多糖按相同比例混合时，共混膜具有最佳的力学性能和氧气阻隔性能。这可能是因为壳聚糖和普鲁兰多糖之间形成了大量的分子间氢键，增加了共混膜的致密性。

Jong-Yea Kim 等[29]研究基于木薯淀粉和普鲁兰多糖的复合薄膜对干燥和潮湿储存的稳定性。结果表明，含有木薯淀粉（5%）和普鲁兰多糖（2%～10%）的复合薄膜在持续2 周的85%湿度环境储存期间表现出改善的稳定性，降低了吸湿性并减少了变形。随着木薯淀粉掺入量的增加，薄膜变得更加坚硬，表现出拉伸强度的增加，但断裂伸长率却降低。通过使用合适的复合比例（5%淀粉和2%或5%普鲁兰多糖），可以最佳地制备薄膜以显示出机械强度和对湿度的储存稳定性。这可能是因为木薯淀粉和普鲁兰多糖产生了大量的分子间氢键，增强了膜的机械性能，降低了膜对湿度的敏感性。

综上所述，普鲁兰多糖与其他材料共混成膜，能够产生大量的分子间氢键，增强膜的机械性能，改善膜的疏水性能。物理共混极大的提升了普鲁兰多糖的保鲜作用，增加了普鲁兰多糖的应用价值。

1.2 普鲁兰多糖与抗菌剂共混

TNuno H.C.S.Silva 等[23]以普鲁兰多糖和溶菌酶纳米纤维为基材通过溶剂浇铸法制备纳米复合膜。与塑化的普鲁兰多糖膜相比，掺有15.0%（质量分数）溶菌酶纳米纤维的复合膜的杨氏模量增加了47.9%，断裂伸长率降低80%，表明纳米复合膜的刚度更高。与没有自由基清除活性的普鲁兰多糖膜相比，掺有15.0%（质量分数）溶菌酶纳米纤维的复合膜的自由基清除活性为（76.7±2.5）%。与没有抗菌性的普鲁兰多糖膜相比，在普鲁兰多糖基质中仅加入5%（质量分数）的溶菌酶纳米纤维足以抑制金黄色葡萄球菌的生长，加入15%（质量分数）的溶菌酶纳米纤维的纳米复合薄膜的灭菌效率≥99.9%。结果表明，溶菌酶纳米纤维/普鲁兰多糖纳米复合薄膜非常均匀，透明且有光泽，并且具有高机械性能和高达225 ℃的热稳定性，具有极强的抑菌性能。

由图5可以看出使用硬件加速核和软件函数库两种方式所得到的局部方向场估计图基本一致。最后将每个无重叠子块的方向场图拼接在一起就可以形成指纹图像的方向场图。

Trevino-Garza 等[30]在普鲁兰多糖涂膜液中掺入了抗菌剂壳聚糖，涂覆于鲜切菠萝表面进行保鲜，并对其保鲜效果进行了表征。结果表明，与纯普鲁兰多糖涂层相比，壳聚糖使复合涂层具有了抗菌性，普鲁兰多糖/壳聚糖复合涂层有效的抑制了微生物在鲜切菠萝表面的滋生，保持了菠萝的质量特性（颜色、气味、味道、质地和整体接受度），延长了鲜切菠萝6 d 的保质期。

葛晨等[31]基于普鲁兰多糖复合抗菌剂槐糖脂制备了天然抗菌薄膜，并对制膜工艺进行了探究，并将该膜应用于樱桃保鲜。结果表明，普鲁兰多糖/槐糖脂抑菌保鲜膜对于大肠杆菌和白色假丝酵母菌具有较好的抑制效果，对于樱桃的保鲜效果与空白组相比效果显著。

Synowiec Alicja 等[32]把不同浓度甜罗勒提取物加入到普鲁兰多糖溶液中，涂覆于苹果表面制备抗菌涂层，达到保鲜苹果的效果。结果发现含有甜罗勒的普鲁兰涂层对嗜温细菌具有低抗菌活性，并且对苹果表面上的根霉具有良好的抗真菌保护作用。该涂层还有助于减少重量损失并减少储存期间水果的颜色和可溶性固体的变化。

Ping Shao 等[9]使用普鲁兰多糖和羧甲基纤维素钠复合抗菌剂茶多酚制作电纺纳米纤维薄膜，并用于草莓保鲜。结果表明，茶多酚稳定地掺入到了普鲁兰多糖/羧甲基纤维素钠复合纳米纤维薄膜中，使其具有抗菌性。复合薄膜显著降低了草莓的重量损失并保持了草莓的坚固性，在储存期间改善了水果的质量。通过具有成本效益的环境条件流程，这可以减少浪费并提高可持续性。

Zhang S 等[10]制备了掺入不同浓度辣椒素的一系列海藻酸钠/普鲁兰多糖复合膜。8%辣椒素的掺入使复合膜的拉伸强度增加了19.22%，断裂伸长率降低了34.47%。此外，随着辣椒素含量的增加，复合膜的水蒸气透过率增加，水分含量减少。同时，复合薄膜对紫外和可见光具有更好的阻隔性能。复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出良好的抗菌性。对苹果进行的保鲜试验表明，掺入辣椒素的复合薄膜可以延长苹果的货架期。因此，普鲁兰多糖抗菌复合膜具有用于食品包装的潜力。

1.3 其他共混方法

Wu S J 等[33]在普鲁兰多糖基涂膜液中掺入了抗褐变剂谷胱甘肽和抗菌剂壳聚糖作用于苹果切片上，并研究了复合涂层对苹果切片的低温保鲜效果。结果表明，与纯普鲁兰多糖涂层相比，复合涂层具有抗褐变作用和抗菌作用，有效地延缓了苹果切片的酶促褐变，保持了苹果切片的硬度，减少了失重率，并抑制了苹果切片上的微生物在低温贮藏期间的生长和呼吸速率（p＜0.05），有效地延长了苹果切片的保质期。

疏水性物质主要包括蜂蜡，液体石蜡，起酥油等，能够有效地改善薄膜的疏水性和机械性能，以及水蒸气阻隔性能。Jafari S M 等[34]将不同浓度的蜂蜡添加到普鲁兰多糖和乳清蛋白浓缩物混合溶液中，并对复合薄膜的性能进行了表征及分析。结果表明，添加最小浓度的蜂蜡也可以显著提高复合薄膜的疏水性能并显著降低混合薄膜的Tg 值。扫描电镜图片表明，在干燥阶段蜂蜡可以向薄膜表面移动，导致复合薄膜具有更高的疏水性。总的来说，加入30%蜂蜡的复合薄膜具有更有利的微观结构和更高的氢连接，显著的改善了普鲁兰多糖薄膜的疏水性能。

总的来说，普鲁兰多糖具有很好的成膜性，但是其机械性能不满足包装要求，具有亲水性、脆性，没有抗菌性。普鲁兰多糖与高聚物混合提高膜的力学性能，改善膜的物理性能，增加其致密性。普鲁兰多糖与功能性材料共混，赋予普鲁兰多糖膜疏水性，抗褐变性及抗菌性能，使膜能够更针对性的保鲜水果，延长其货架期。普鲁兰多糖的物理改性具有一定的实际意义，使其能够应用到生活，有望部分代替石油基塑料薄膜，减小资源损耗，降低环境污染，提高食品包装的安全性。

2 化学改性

普鲁兰多糖是中性多糖，这限制了它的应用。通过化学反应改变普鲁兰多糖的官能团，使其具有活性基团，带有电负性，改善其性能。主要的改性方法有氧化、羧甲基化、甲酰基化、硫酸化、胺化、乙酰化改性等。

2.1 氧化改性

Maria Bercea 等[35]使用 2，2，6，6-四甲基-1-哌啶和次氯酸钠对普鲁兰多糖进行氧化改性（如图2），并将氧化的普鲁兰多糖与聚乙烯醇复合制备自愈合水凝胶。结果表明，由于-COOH 基团的存在，氧化普鲁兰多糖大分子的化学活性增强，与聚乙烯醇有很强的相互作用。水凝胶自愈行为的主要作用不是破碎水凝胶界面处的简单物理黏附，而是依赖于官能团之间的动态相互作用。这些水凝胶可用于保护生物材料而不损害聚合物结构。此外，制备的水凝胶不释放细胞毒性化合物，它们可被视为生物医学应用的潜在候选者。

Liang Y P[36]等使用高碘酸盐在无光的条件下对普鲁兰多糖进行氧化，并基于壳聚糖接枝二氢咖啡酸和氧化普鲁兰多糖制备具有黏膜黏附性的pH 值响应性可注射水凝胶，应用于局部药物递送。结果表明，水凝胶具有良好的注射性，合适的凝胶化时间，体外pH 值依赖性平衡溶胀比，形态和流变学特征。当抗菌模型药物阿莫西林包封在水凝胶中时，水凝胶显示出良好的药物释放，能够有效杀死结肠肿瘤细胞（HCT116 细胞）和体外抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。

图2 2，2，6，6-四甲基-1-哌啶介导普鲁兰多糖原-OH 基团的氧化Fig.2 TEMPO mediated oxidation of pullulan primary-OH groups

2.2 羧甲基改性

普鲁兰多糖衍生物是制备水凝胶的优良材料，常用于医学之中。Feng Chen 等[37]对普鲁兰多糖进行羧甲基改性（如图3），并使用辣根过氧化物酶作为催化剂和H2O2作为氧化剂成功开发了包含羧甲基普鲁兰多糖-酪胺和硫酸软骨素-酪胺缀合物的酶促交联的可注射和可生物降解的水凝胶系统。结果表明，羧甲基普鲁兰多糖具有更好的化学活性，能够进一步处理制备羧甲基普鲁兰多糖-酪胺。通过使用小鼠皮下植入模型，水凝胶系统表现出可接受的组织相容性。这种新型可注射普鲁兰多糖/硫酸软骨素复合水凝胶预期是用于再生软骨组织的有用的生物材料支架。

图3 普鲁兰多糖的羧甲基化Fig.3 Carboxymethylation of pullulan

张欣然[17]对普鲁兰多糖进行羧甲基改性制备羧甲基普鲁兰多糖，和氯化铝混合制备复合絮凝剂。结果表明，羧甲基化提高了普鲁兰多糖的水溶性，使其带有负电性，扩展了普鲁兰的应用范围。羧甲基普鲁兰多糖的表面积增大，吸附作用大大增强。复合絮凝剂的絮凝速率加快，生成的絮体颗粒大，沉降性能良好，是一种前景良好的新型复合絮凝剂。

2.3 乙酰基改性

陈宏洋等[38]对普鲁兰多糖进行了生物素化乙酰改性，并用乙酰普鲁兰多糖耦联CD3 制备纳米粒子作为靶向抗肿瘤药物载体。红外光谱分析表明，乙酰基团成功地接枝到了普鲁兰多糖分子上，赋予了普鲁兰多糖分子活性。乙酰普兰多糖纳米粒种能有效提高T 细胞增殖并促进其分泌细胞因子。

Ravi Punna Rao 等[39]对普鲁兰多糖进行乙酰化改性赋予其疏水性能，通过乳液-溶剂-蒸发法包埋洛匹那韦（一种HIV-蛋白酶抑制剂）配制成乙酰化普鲁兰多糖的纳米颗粒。并对纳米颗粒的粒度，包封效率，体外药物释放和稳定性进行了测试。结果表明，具有高包封率（大约75%）和单分散性质的纳米颗粒在3 个月的时间内是稳定的。纳米粒子中的洛匹那韦的相对生物利用度相当于游离药物的2 倍，因此他们提出装载洛匹那韦的纳米粒子可能是治疗HIV 感染的优良替代药物。

2.4 其他改性方法

普鲁兰多糖衍生化赋予了普鲁兰多糖电负性，因此可以和带相反电荷的聚合物制备纳米颗粒，用于递送药物或者易挥发物质，延长药物或易挥发物质的缓释时间。Liming Yuan 等[40]制备了胆甾醇疏水改性的普鲁兰多糖，胆甾醇疏水改性的动力普鲁兰多糖和胆甾醇疏水改性的羧化普鲁兰多糖，并基于普鲁兰多糖衍生物和人血清蛋白复合制造纳米粒子。结果表明，吸附了人血清蛋白的胆甾醇疏水改性的动力普鲁兰多糖纳米粒子具有最慢的药物释放速率。Mocanu G 等[41]通过高碘酸盐氧化羧甲基普鲁兰多糖来合成羧甲基普鲁兰纳米颗粒。获得的多糖纳米粒子具有两亲性和热敏性特征，被认为是药物释放系统的潜在支持物。Marita Dionisio 等[42]使用硫酸化普鲁兰多糖和胺化普鲁兰多糖分别和角叉菜胶和壳聚糖制作纳米材料应用于蛋白质递送，结果表明，基于普鲁兰多糖衍生物的纳米颗粒具有应用于透黏膜蛋白递送的潜力。Wang X 等[43]制备交联的琥珀酰基普鲁兰多糖-羧甲基壳聚糖复合海绵用于潜在的伤口敷料。体内实验表明，复合海绵可以有效治愈雄性小鼠皮肤缺损的全层伤口，加速成纤维细胞增殖和增强上皮迁移。

普鲁兰多糖衍生物也可以用来制作薄膜，但是通常是和其他的物质复合成膜，制备的薄膜具有较好的物理性能和一定的生物活性。Susana C.M.Fernandes等[44]通过用3-氨基丙基三甲氧基硅烷对普鲁兰多糖进行改性处理，将活性氨基丙基引入普鲁兰多糖聚合物主链赋予其抗微生物活性。结果表明，官能化的普鲁兰多糖显示出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗微生物活性。由于补充抗菌性能与普鲁兰多糖材料相关的热和机械性能的结合，这些材料可开发用于干燥食品包装以及生物医学应用的新薄膜和涂料。

Ram Sarup Singh 等[25]使用氨基甲酰基化衍生出氨基甲酰基普鲁兰多糖，对其进行表征和评估其角膜伤口愈合的潜力。流变学行为表明氨基甲酰基普鲁兰多糖的黏度增强，这是由氢键增加导致的。氨基甲酰基普鲁兰多糖具有较强的氧中和能力。巨大的角膜黏合强度和高氧中和能力使得氨基甲酰基乙基普鲁兰多糖具有较高的角膜伤口愈合性能。用于角膜伤口愈合的氨甲酰基乙基普鲁兰的研究可能是未来研究的一个领域。

Aundray Raj Soni 等[45]通过把丙烯酰胺接枝到普鲁兰多糖上来开发pH 值响应速率控制聚合物，结果表明，丙烯酰胺接枝的普鲁兰多糖可用作pH 值响应速率控制聚合物。

综上所述，对普鲁兰多糖进行化学改性，能够使其带有电负性，增加普鲁兰多糖的化学活性。通过与其他高聚物的官能团进行交联合成新的材料，应用于纳米科技、医学等方面的研究。

3 结论

普鲁兰多糖是一种可食用的生物多糖，在食品、包装等领域具有广泛的应用。对普鲁兰多糖的改性处理有效的改善了其性能，拓展了其应用。然而，改性处理对普鲁兰多糖分子结构的变化及官能团的取代位置没有准确的说明，需要待进一步的研究。普鲁兰多糖的价格是限制普鲁兰多糖大量使用的主要因素，未来应该进一步研究普鲁兰多糖的生产方式，提高生产效率，降低成本。普鲁兰多糖膜具有较好的亲水性，这严重阻碍了其在包装行业的应用推广，疏水性的普鲁兰多糖衍生物的开发具有很大的应用的价值。