众所周知,多糖的相对分子质量、基团构成以及连接键的类型是多种多样的,所以多糖的种类也是多种多样的。因此,按照不同种类多糖的相应特性来选择相应的检测途径是十分重要的。现阶段,测定多糖含量的方式暂无明确的规定,但目前使用较多的有两种方式,即苯酚-硫酸法和蒽酮法。而其他方法如气相色谱法、液相色谱法、3,5-二硝基水杨酸法(DNS法)、薄层色谱法(TLC)、生物传感器法、差示酚硫法、MBTH法、红外光谱定量分析多糖法、BAC法等也有不少使用。
苯酚-硫酸法是指在温度较高的情况下来检测多糖的具体含量。其原理是:加入适量体积及浓度的硫酸,能将多糖分子水解成单糖,接着单糖分子会脱水缩合成糠醛,然后在混合物中加入苯酚使其生成有颜色的化合物,再用比色法测定其吸光度,进而得出其是否为均一组分。在测定多糖含量时,通常会先测定葡萄糖等单糖分子,以便形成对照,再测出多糖含量。
蒽酮法是除了苯酚-硫酸法之外,被广泛应用于测量多糖含量的方式。此方法的操作原理与苯酚-硫酸法有相似之处,即都是利用多糖分子在浓硫酸的作用下水解成单糖分子,再经过脱水缩合成羟甲基糠醛或者糠醛,后者再与蒽酮试剂反应,生成有色化合物,而此有色化合物的颜色深浅在一定范围内与多糖的含量呈正比关系,因此通常根据这个特性来进行多糖的定量。
蒽酮法有许多优点:能够一次性地测出多糖的总量,操作过程简单、快速能很快得出实验结果。也正因如此,蒽酮法被广泛应用于测定多数植物中的可溶性多糖含量。
气相色谱法在20世纪初期被首次提出,之后经不断改良,并应用于分离、分析各种物质的组成成分,可根据物质不同的理化性质将多糖中的不同组分分离开来,进而根据各组分的特性来作进一步区分。气相色谱法有流动相和固定相,在大多数情况下多以惰性分子作为流动相,而固定相则是某些活性较强的吸附剂中所采用。目前,由于技术的进步,气相色谱法分离、分析物质的部分步骤采用自动化的操作方式,可极大地提高分离的有效性。
利用此方法分离与分析多糖成分、含量时,需先利用酸将多糖分子水解成单糖分子,或者加入甲醇,将多糖分子醇解,接着通过衍生物法,增加混合物的挥发性,再利用已知的单糖分子(如葡萄糖、果糖等)作为对照或标准。气相色谱法在分析的时候,多糖通常有两种衍生的物质,即三甲基硅醚或醋酸衍生物,因为前者制备较为容易且挥发性强于后者,故前者较为常见。
在1970年左右,液相色谱法被一些学者逐渐作了改良。他们将气相色谱法的部分应用原理融入液相色谱法。而高效液相色谱法更是经过多位专家学者改良后的液相色谱法。经过30多年的发展,高效液相色谱法在多个方面(如分离的效率、分析的速度、分离的灵敏性)上都保留了经典液相色谱法的优点,在某些方面甚至还容纳了气相色谱法的优点。目前,由于多糖的利用价值不断被发现以及高效液相色谱法的种种优点,在分离、分析多糖时,采用此方法的学者越来越多,高效液相色谱法已成为分析多糖组分的重要方法。
高效液相色谱法在分类上与气相色谱法相似,也包含两个相,但与气相色谱法有所差异的是,高效液相色谱法是以液体作为流动相。而与普通液相色谱法不同的是,高效液相色谱法使用了新型的高压输液系统、检测器以及固定相,也正因这些改进,使得高效液相色谱法能够更为有效、灵敏地分析混合物的各组分。此外,高效液相色谱法还采用了管径较小的色谱柱以及颗粒特别细小的色谱填料。如此,在高压输液系统的作用下,试剂甚至能以高于普通色谱法1000倍的高速通过色谱柱,从而达到更好的分离效果。
3,5-二硝基水杨酸法(即DNS法)是在pH在7左右的中性或偏碱性的条件下发生的。利用此方法进行检测时,需先将多糖分子水解成还原糖,接着加入3,5-二硝基水杨酸,混合液加热后即生成红棕色(有时为橘红色)的3-氨基5-硝基水杨酸,再根据混合液的颜色利用比色法进行多糖含量的测定。在一定程度上,混合液的颜色越深,还原糖的相对分子质量越多。
3,5-二硝基水杨酸法有很多优点:可有效排除外来因素对实验结果的干扰,测量的准确度极高;实验过程中无危险步骤,实验环境较为安全;操作步骤简单,便于上手;精确度较高;实验原理简单易懂。正是由于3,5-二硝基水杨酸法的以上优点,此方法被应用于许多方面:该方法在某些方面比传统测定多糖含量的方法要便利,因此大多用于测量多糖含量,尤其是己糖和戊糖。该方法受外界因素影响小,能排除色素对比色的干扰,可有效检测葡萄酒中的总糖含量,进而得出多糖含量;还可检测多种药物中的多糖含量。
薄层色谱法又称薄层层析,是根据样品组分与吸附剂的吸附力及其在展层溶剂中的分批系数不同而使混合物分离。此方法对设备要求不高,且分离效果好,具有操作简单、分离快速、样品所需量较少的优点。
操作时将适宜的固定相涂布于玻璃板、塑料或铝基片上,成一均匀薄层。待点样、展开后,根据比移值(Rf)与适宜的对照物按同法所得的色谱图的比移值作对比,用以进行药品的鉴别、杂质检查或含量测定的方法。薄层色谱法是快速分离和定性分析少量物质的一种很重要的实验技术,也用于跟踪反应进程。
生物传感器(biosensor),是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。它是由固定化的生物敏感材料制作的识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置所构成的分析工具或系统。
分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辨特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物,如抗体和抗原的结合,酶与基质的结合。
生物传感器具有以下优点:
(1)采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可以重复多次使用,克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。
(2)专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。
(3)分析速度快,可以在一分钟得到结果。
(4)准确度高,一般相对误差可以达到1%。
(5)操作系统比较简单,容易实现自动分析。
(6)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。
(7)有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和所产生的副产物。
MBTH法利用3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙(MBTH)盐酸盐水合物在中性条件下与还原糖反应生成吖嗪,再在酸性或碱性条件下,将过量的MBTH氧化生成阳离子,再与吖嗪反应生成蓝色物质。该法灵敏度高,而且不受蛋白质等物质的干扰,适用于含较低还原糖的含量测定。
红外光谱定量分析多糖是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组分含量,其理论依据是朗伯-比尔定律。定量分析方法可用标准曲线法、求解联立方程法进行定量分析。该方法具快速、便宜,作为一种快速分析具有营养功能重要多糖的方法使用,具有很大的潜力。
BCA法的原理是利用二金鸡纳酸(bicinchoninicacid,BCA)在沸水浴条件下与还原糖发生反应,生成在特定波长下有吸收峰的物质。目前该方法通过对还原糖溶液的稀释,使测定时蛋白质等杂质浓度极低,以至检测不到,因此可减少其对多糖测定的干扰。该法适用于测定和筛选大批量的微生物,但不适用于精密测定还原糖含量。
酶法测定原理为葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下,生成葡萄糖酸,在过氧化物酶的作用下与4-氨基安替比林和酚生成醌亚胺。该方法灵敏度高,操作简单。
硫酸-咔唑法主要用于糖醛酸的测定,多糖经水解氧化生成糖醛酸,在强酸中与咔唑试剂发生缩合反应,生成紫红色化合物,各中性单糖在0.04~0.32mg/mL,糖醛酸在0.01~0.08mg/mL范围内,其浓度与咔唑法检测吸收值呈线性,可定量测定。此法测定多糖含量获得的往往是总的多糖含量,无具体单糖组成细节,但由于操作简单,成本低,仍有广泛应用的前景。
通常化合物的纯度标准不能用来衡量多糖的纯度,因此可根据电泳是否呈现一条带、糖基的摩尔比是否恒定、柱层析上是否呈现一个峰来判断多糖纯度。目前,常用的多糖纯度鉴定方法有:超离心法、电泳法、凝胶柱层析、旋光测定法、高效液相色谱、凝胶柱层析。
微粒在离心力场中移动的速度与微粒的密度、大小与形状有关。如果是组分均一的多糖,则应呈现单峰。将多糖样品溶于水或0.1molNacl或0.1molTris-HCl溶液中,使多糖浓度达到1%~5%后置于离心管中进行超速离心。待离心机转速达到5000r/min后开始照相,每间隔5~10min照相一次,共五次,若转速达到6000r/min,则为最后一次照相。若最后所得五次照相所得的峰均为一个对称的峰,则可证明该多糖为均一组分。
试剂:醋酸纤维薄膜;缓冲液:0.025mol/L硼酸缓冲液,pH12.5;染色剂:0.5%甲苯胺蓝溶液或0.3%阿利新兰的3%醋酸溶液。
多糖在电场作用下会因其形状、分子大小及其所带电荷的不同,进而移动不同的距离。某些中性多糖分子里有顺式的邻二醇,所以尽管它们不带电荷,也能与硼砂形成复合物,进而带电荷。载体一般用电渗作用较大的玻璃纤维纸。
根据不同蛋白质分子所带电荷的差异及分子大小的不同所产生的不同迁移率,聚丙烯酰胺凝胶电泳可将蛋白质分离成若干条区带。若分离纯化的样品中只含有同一种蛋白质,蛋白质样品电泳后便会只分离出一条区带。
琼脂糖凝胶电泳是用琼脂糖作支持介质的一种电泳方法。其分析原理与其他支持物电泳最主要的区别是它兼有“分子筛”和“电泳”的双重作用。物质分子通过时通常会受到阻力,这是由于琼脂糖凝胶具有网络结构,且越是大分子物质,在涌动时受到的阻力越大。故在凝胶电泳中,带电颗粒的分离取决于分子大小以及净电荷的性质和数量。
试剂:琼脂糖制板,可直接用0.5%琼脂糖溶液或0.9%琼脂糖溶液以0.06mol/L巴比妥缓冲液(pH8.6)稀释成0.5%制板。缓冲液:0.06mol/L巴比妥缓冲液或0.05mol/L乙二胺缓冲液(pH8.5)。
在琼脂糖板下端边缘1cm处挖孔径为0.2cm的空洞,加样量在3~5μL内(约含1~10μg多糖)。电压150V,电泳1~1.5h后,染色并脱色。值得注意的是,由于甲苯胺蓝不易使中性糖染色,故样品以酸性多糖为宜。
葡聚糖凝胶是由一定平均相对分子质量的葡聚糖及相应交联剂交联聚合而成。而所用交联剂的数量及反应条件则决定了生成的凝胶颗粒网孔大小。加入的交联剂数量通常和交联度有关,且交联剂数量越多,交联度也会相应地增高。
羟丙基葡聚糖凝胶是SephadexG-25经羟丙基化处理后得到的产物,与葡聚糖凝胶相比,羟基的数目没有改变,但其碳原子所占比例相对增加。正是因此,此类型凝胶可在水中、极性有机溶剂或它们与水组成的混合溶剂中膨润使用。羟丙基葡聚糖凝胶的一大优点便是可再生,若暂时不用,则可通过水洗、含水醇洗、醇洗等方法洗净,再泡于醇中并贮于磨口瓶中备用。
凝胶柱层析具有以下优点:
(1)应用广泛。此方法适用于各种蛋白质、肽类、激素、多糖、核酸等生化物质的分离浓缩、纯化、脱盐、分析测定等。
(2)操作简便且所需设备简单。某些时候,仅需一根层析柱便可进行分离。
(3)分离条件缓和。由于凝胶骨架亲水且分离过程中化学键无任何变化,故对分离物的活性无不良影响。
(4)分离效果好且重复性高。样品回收率高接近100%。
旋光度测定的原理是直线偏振光在通过含有某些光学活性化合物的液体时引起的旋光现象,这种旋光现象能使偏振光的平面左右旋转。影响旋光度的因素有偏振光通过供试品液层的浓度(c)和厚度(l)、化合物特性、通过光线的波长(d)和测定时的温度(t)。
我国计量规程JJG675-90旋光仪已规定,仪器应按照仪器测量结果的准确度分为0.01、0.02、0.03三种准确度等级检定项目。但除了准确度、重复性、稳定性外,其他仍会检查测定管盖玻片内应力及测定管长度误差等。
根据《中国药典(1990年版)》,测定旋光度可用读数至0.01并经检定的旋光仪。示值准确性可用蔗糖作基准物进行。操作方法是取经105℃干燥了2h的蔗糖,精密称定并加水溶解,定容稀释至0.2g/mL的溶液后依法测定,结果在20℃的比旋度应为+66.60。值得注意的是,检定时的蔗糖纯度、水分、称量稀释都必须符合要求、准确,否则将会对测量结果产生极大的误差。但是按目前来说,国际上多用旋光标准石英管校验仪器,这是由于蔗糖溶液不宜久藏且易霉变。此外,国家技术监督局也采用旋光标准石英管校准仪器。中国药典(1995年版)已规定用+5和-1标准石英管,并参照JJG675-90规定,在规定温度下记录零点值,接着再放上标准石英管并读取仪器示值,如此反复测6次,按规定处理测定结果,结果与示值的误差不能超出±0.01。此外,再将测定管旋转不同角度并倒向测定,误差需不大于0.04。
高效液相色谱是目前最为常用的多糖纯度鉴定方法,它有很多优点,如操作快速,分辨率高,重现性好。将多糖的样品配成适宜的浓度后,加样并控制流速,再经示差折光检测器、HP化学工作站数据处理,观察样品经HPLC分析结果后的色谱峰的形状是否为单一的对称峰。若是单一的对称峰,则该多糖为均一组分。
多糖相对分子质量的鉴定是多糖类物质研究的重要环节。大量实验表明多糖的性质与其相对分子质量的大小紧密关联。而多糖不同于单糖和寡糖,没有专属于自己的稳定的相对分子质量,因此选取适合的检测方法显得尤为重要。常采用方法有:凝胶色谱法、超过滤法、蒸汽压渗透法、光散射法、黏度法、端基分析法、超速离心沉降法等。
凝胶色谱法又称凝胶色谱技术,作为20世纪60年代新出现并发展起来的一种分离分析技术,因其所用试剂成本低,操作简便,仪器原理通俗易懂,分离效果佳,故在多糖相对分子质量的鉴定中有着重要的作用。根据分离的对象的溶解性,凝胶色谱法可分为凝胶过滤色谱(GFC)和凝胶渗透色谱(GPC),其中GFC适用于水溶性化合物,而GPC在有机可溶的化合物中应用较多。
GFC是利用具网状结构的分子筛作用,根据相对分子质量大小或分子形状进行分离,当多糖进入色谱柱并向下运动时,大分子被迅速洗脱而小分子则进入凝胶颗粒中,中等大小分子虽可进入凝胶颗粒但不嵌入。GFC是色谱技术中最简单、最温和的,其代表是葡聚糖凝胶,洗脱溶剂主要是水。GPC主要用于有机溶剂中可溶的高聚物的相对分子质量分布分析及分离,可以分离相对分子质量从400~107的分子,交联聚苯乙烯凝胶是较常用的凝胶,而洗脱剂一般为四氢呋喃、乙酸乙酯或环己烷等。
值得注意的是,内部结构不同而相对分子质量接近的多糖类物质,无法通过凝胶色谱法达到完全分离纯化的目的,但作为一种简单易行的手段,此法可应用于复杂高聚物的初步分析,现已在分子生物学、免疫学和医学等领域被广泛采用。
超过滤又名分子过滤,属于膜分离法。超过滤法是在传统微粒过滤的基础上演化而来的,为一种新的颗粒过滤技术,因其高效、绿色和节能等优点被广泛应用于多聚物成分分析和药物生产等领域。其原理为:利用半透膜孔径的不同,通过外界加压造成膜两侧的压力差,滤出1~10nm的微粒,这些微粒恰恰是多糖溶液中的大分子物质。超过滤法对多糖相对分子质量进行鉴定时,应选用适宜孔径的超过滤膜,测出已知相对分子质量的各种多糖的百分滤过量,精确作出标准曲线,控制条件完全相同,测定待测多糖样品的百分滤过量,再与标准曲线比对即可求出近似的相对分子质量。
蒸气压渗透法具有样品用量少,解析速度快,相对分子质量测定范围广泛等优点,可在溶剂沸点以下各温度进行,因其可将热力学性质转换为电学性质,所以其准确性也得到保证。
蒸气压渗法的基本原理:根据理想溶液的拉乌尔定律,将两个匹配的热敏电阻固定在饱和蒸气池中并在两者之间悬挂溶剂,再配置一个平衡电桥,将它们全部安置在一个密封箱里,当温度达平衡时,则热敏电阻温差为零。而在电阻A上加一滴纯溶液,电阻B的溶剂被溶液代替时,由于溶液和纯溶剂的蒸气压差,破坏了电桥平衡,使溶剂在热敏电阻的表面凝结,液滴温度持续升高,与此同时蒸气压也上升。当控制器感应到溶液滴与池间纯溶剂的蒸气压已经平衡时,仪器自动停止运行,并记录A、B热敏电阻的温差,而多糖溶液中溶质的摩尔分数与该温差成正比,VPO仪上即可显示消除浓度因素后该溶液的渗透系数,并转换为质量摩尔浓度。
光散射法是多糖相对分子质量测定的一种绝对方法,其检测上限为1×107,下限可达5×103。使用光散射法进行测定时可一次性得到均方半径、重均相对分子质量等多个指标,因此光散射法在多糖类物质研究中有着不可取代的地位。
经过一定的化学反应后,多糖分子链的一端或两端具有羧基、羟基、氨基等特殊基团。当特殊基团与剩余部分的结构不相同,或具有放射性时,即可用某些分析方法定量分析其数目,得到分子链数目,进而计算相对分子质量。所以用端基分析法测定的为平均相对分子质量。例如,检测某种多糖的相对分子质量,明确其具体可测定的端基类型以及每毫克中所含的可测定端基为Xmmol,则该多糖的相对分子质量应为1/X。常用的端基分析法有3,5-二硝基水杨酸比色法(多糖与3,5-二硝基水杨酸反应形成颜色,采用已知相对分子质量和浓度的溶液作标准,经比色计算待测多糖的相对分子质量)和碱性铜盐试剂反应滴定法(用碱性铜盐试剂氧化多糖来测定多糖的半缩醛基团从而计算出相对分子质量)。
该法有一定的适用范围,当相对分子质量达到2~3×104万时,采用一般方法进行端基分析的实验误差就可达到20%。故此法适用于相对分子质量在3×104以下的大分子物质,因为相对分子质量过大,单位质量中可分析的端基就减少,检测准确度就变差。而且多糖分子之间有交化或交联时,或在操作过程中致使端基数目与分子链数目无法确定时,便不能得到真实的相对分子质量。
超速离心沉降又可分为沉降平衡法和沉降速度法。
沉降速度法是当离心机转速很高,如70000r/min(离心力约为重力的4×105倍),沉降作用占绝对优势,则扩散作用可忽略不计,此时离心力即质点在介质中运动的摩擦力,所有质点都以dx/dt的速度沉降,再测得扩散系数和沉降常数即可得相对分子质量。此法是一种相对法,可得到平均相对分子质量及其相对分子质量分布的信息。
多糖结构的鉴定时常将多糖链降解,可用酸法、酶法、甲醇解和乙酰解等方法进行,选择性降解或部分水解则可把多糖裂解成大小不等的片段,继而以片段为单位进行分析。解析这些片段则可采用红外光谱、质谱、磁共振光谱、X-射线衍射、化学降解法、免疫化学法和放射化学方法等。而至今也没有一种方法可以单独完成结构的分析,因此必须将各种方法彼此结合起来。
总的来说,多糖结构的鉴定步骤可以分为:初步推断化合物类型;得出分子式和不饱和度;明确分子式中的功能基团;确定平面结构;推断并确定主体结构。
水解法是分析多糖链结构的重要方法之一,将多糖链分解成单糖有利于提高分析的准确性。水解法主要包括酸水解、碱水解、酶解和乙酰解等,其中酸水解应用较为广泛,这是由于多糖易被稀酸催化,糖链发生断裂。此反应通常在水或醇溶液中进行,所用的酸有硫酸、硝酸和盐酸等,有机酸类有草酸、甲酸和乙酸等。同时,酸也可起到调节pH值的作用,酸性糖不容易在酸性溶液中水解,而氨基糖一类的碱性糖,在酸中溶解度高,易水解。
大量实践证明,采用酸水解对多糖进行结构鉴定时,往往需要进行预处理才能达到预期效果,目前的预处理方法有:直接酸水解、声波预处理、波预处理、子液预处理等。
盐酸水解法:盐酸作为一种常用的工业酸,也被广泛应用于水解植物多糖,在较高温度下,利用浓盐酸在高压环境下产生的强氧化性,可将多糖降解变为低聚合度的寡糖。此法条件简单,操作简便,但是无法保持稳定,耗时长,对某些多糖的寡糖水解含量过低,误差大。
三氟乙酸水解法:三氟乙酸水解法在多糖结构鉴定中有着重要地位,其氧化性不强因此对多糖的破坏小,因其富含能够吸引大量氢离子的负电基团,强催化多糖的水解。三氟乙酸有很好的挥发性,实验后处理较方便,用减压蒸馏或冷冻干燥法即可除去,省去了传统的中和步骤。但其毒性较大,存在一定的局限性。
常用的有微波辐射预处理和微波辅助离子液预处理两种方式。微波有穿透特性并可对物质的磁性和电性产生作用,在提高分子碰撞能量的同时,还能提高碰撞概率。微波辐射对多糖表面和内部结构同时进行加热,使整体结构受热均匀,热量能直达多糖深部结构。微波的显著优点是反应速度快、还原糖含量高、操作便捷、符合可持续发展。但其也有一定的局限性,如设备投资费用较高,尚不能做到普及。
离子液体指熔点低于100℃的有机盐,因正负电荷数目相等而使整体呈电中性。离子液体顾名思义是仅含离子的液体,因此具有良好的溶解性、热稳定性和不挥发性。离子液体可以提高多糖酸水解速率,提高还原糖含量,破坏多糖的结晶结构,便于后续研究的进行。离子液体蕴藏了强大的绿色能源潜力,现虽已在许多科研领域得到应用,但仍面临着合成成本较高的问题,使离子液体研发无法成为常规预处理手段,限制其在多糖结构鉴定中的应用与推广。
因为苷键通常为缩醛结构,稀碱不易将其催化水解,所以多糖比较少用碱水解。而含有烯醇苷、酚苷、酯苷和β位吸电子基团的多糖易被碱催化,因为这类苷具有酯的特性,碱水解一般就发生在单糖羟基或羧基所连接的酯上。我们通常将多糖还原端的单糖被逐个降解的反应称为“剥皮反应”,通过分析所得的醛酸即可明确原来单糖的键型。
酶水解是一种控制多糖降解的方法,对不易水解或条件不稳定的多糖,使用其他方式如酸水解时会使其脱水、异构化,而无法得到所要的寡糖。而酶水解条件温和,不会破坏多糖内部结构,可得到真正的单糖进行分析。酶具有高度特异性,α-糖苷酶一般只水解α糖苷,β-糖苷酶一般就只水解β糖苷(部分专属性较差的酶除外)。酶水解后可能得到一些次生苷,因此通过酶水解可以明确多糖的类型、苷键及糖苷键的构型、连接方式等信息。
多糖结构的研究中常用乙酰解断裂一部分苷键,而保留剩下部分,然后采用柱色谱分离,经薄层色谱(TLC)鉴定水解产物中的乙酰化单糖和乙酰化低聚糖。乙酰解反应所用试剂为乙酸酐和不同酸的混合溶液,如硫酸、高氯酸或Lewis酸等,以乙酰基为进攻基团对苷键进行裂解。具体操作如下,将糖苷溶于乙酸酐与冰乙酸中并加入3%~5%的浓硫酸,于室温下放置1~10d,并用NaHCO3中和pH值至3~4,随后萃取其中的乙酰化糖,即可获得所需乙酰化低聚糖或乙酰化单糖。多糖乙酰解的速度和糖苷键的位置有关,例如,在苷键的邻位如果存在可乙酰化的羟基,由于电负性则可使乙酰解的速度减慢,实验表明1-6糖苷键的多糖最容易断裂,1-4糖苷键和1-3糖苷键相对较牢固,最难开裂的为1-2糖苷键,明确这一点将有利于多糖结构的鉴定。
甲基化分析法作为鉴定糖残基连接方式的常用方法,有着原理简单、重复性好的优势。应用甲基化试剂将单糖残基中的游离羟基转变为甲氧基,因此可由多糖甲基化的产物中羟基所在的位置来推断糖残基的连接方式。想要得到准确的结果,甲基化是否完全就显得十分重要。判定甲基化是否完全可用红外光谱法,表现为3500cm-1吸收峰完全消失。甲基化常用方法有Purdie法、Menzies法、Hakomori法、Hamorth法、Ciucanu法和Kerek法等。
在糖链结构鉴定中核磁共振法(NMR)起着重要作用,NMR无论是否具备相应结构知识都可获得多糖的结构信息。核磁共振法包括核磁共振氢谱(1HNMR)和核磁共振碳谱(13CNMR)等。1HNMR可以检测两个糖环中质子的化学位移变化,从而鉴别移动最大的部位及糖苷键位置。13CNMR中,C原子的信号和化学位移(δ)受苷化或羟基化而发生相似的变化效应。若糖残基中的每个C原子都明确位置,那么与已知单糖碳原子的化学位移作比对,运用苷化位移规律即可以判断多糖糖链的连接方式。当取代了糖残基上的某个位置后,端基碳与α位碳的化学位移就会明显移向低场,而β位碳偏向高场。判断双糖中两单糖的连接方式,可将双糖的13C谱与对应单糖的13C谱数据进行比较,若出现内侧糖的C原子化学位偏向低场而相邻的两个C原子化学位移略向高场方向移动,那么内侧糖的C原子就是糖的连接位置。
NMR可测定多糖中的各种官能团,但多糖分子内H-H之间、C-C之间的化学环境十分类似,NMR结果中的信号重叠,故早期NMR所提供的信息很少,多糖的结构分析依赖于化学分析法。近年来NMR技术飞速发展,1HNMR的磁场强度可达360兆周以上,使原来低磁场NMR无法区分的信号得以鉴别,很大程度上提高了分辨率,使得检测多糖结构中单糖残基的类型、C和H化学位移的归属成为现实,甚至可提供糖残基间的连接方式等诸多信息。NMR技术已在如今多糖结构的研究中扮演了重要角色。
多糖的糖环构型分为呋喃型和吡喃型,吡喃型又分葡萄糖构型、甘露糖构型和半乳糖构型。可以根据13CNMR或1HNMR图谱的数据确定糖环构型。喃糖的异头氢化学位移在δ5.4左右,呋喃糖的3C或5C在13CNMR中通常小于δ80,这可作为区别呋喃糖与吡喃糖的指标。
葡萄糖构型:葡萄糖残基中的质子为反式垂直键,质子间偶合常数J2.3、J3.4、J4.5都较大,为7~10Hz。再者可以利用葡萄糖构型在TOCSY谱显示出1位与2、3、4、5位质子的特征峰来确定。
甘露糖构型:甘露糖构型中2位质子为平伏键,因此其特征为,在NMR谱中显示很小的J1.2和相对较大的J4.5。
多糖中如果存在取代基,那么将对其活性产生显著影响,在NMR谱上便会出现特征表现。常见的取代基有硫酸基、乙酰基、烷基等。如前述,多糖可经乙酰解而变为单糖,因此对乙酰基的确定显得十分重要。其主要步骤为:将游离羟基保护起来,脱去乙酰基,使游离的羟基甲基化,对甲基化产物进行气相色谱分析还原多糖中的乙酰基位置,这也是多数取代基鉴定中常采用的化学方法之一。
糖链中糖残基连接顺序鉴定方法有:化学降解法、酶降解法、质谱分析法、核磁共振法和其他新能源方法。在研究实践中发现,单采用一种方法常不能达到目的,因此联合多种方法已经成为糖残基连接顺序测定的趋势。下面对糖链中糖残基连接顺序的鉴定方法进行简要描述。
普通化学法是应用稀酸(包括无机酸和有机酸)对多糖糖链进行完全水解或部分水解,也可采用乙酰解、碱水解或酶解,将糖链裂开形成小的片段,包括低聚糖,然后应用层析、色谱等各种后处理分析方法对低聚糖产物进行结构分析,从而得出糖链中糖残基的连接顺序。此法常无法得出准确定量的结果,因此一般不单独采用。
多糖的非末端1→6键与邻三元醇类似,可与高碘酸盐作用使糖环开裂;1→2或1→4键类似于邻二元醇,开裂后生成二分子醛。而1→3键则不受高碘酸盐影响。
高碘酸氧化法:高碘酸可选择性地使糖分子中的连二羟基或连三羟基氧化断裂,生成对应的多糖醛和甲酸,且每断裂一个C-C键需消耗一分子高碘酸,因此对高碘酸用量及甲酸的释放量进行测定,即可以判断糖苷键的位置和多糖糖残基的连接顺序。多糖的过碘酸氧化反应需在偏酸性环境下进行,采用过碘酸盐作为氧化剂,在酸水解前用NaBH4将双醛型氧化产物还原为醇,然后通过纸层析、气相层析、薄层色谱层析等方法对水解产物进行分析,即可得出多糖糖链中残基的连接方式。
Smith降解法:Smith降解法是很常用的氧化裂解法,可以说是一种经过改良的高碘酸氧化法。由于部分酸催化水解时会使苷元结构发生改变,Smith法则可避免强烈的条件导致的误差,Smith降解其实是将高碘酸氧化后的产物进行NaBH4还原,用稀酸水解,可生成二元醇。二元醇的稳定性远弱于苷,因此室温下即可水解为具有特征性的糖连接小单元。根据降解后糖残基之间的位置关系来推断糖苷键的位置和连接顺序。如有赤藓糖生成,则对应有1→4糖苷键;若有甘油生成,则表明1→6或1→2结合的糖苷键;假若能检出单糖,那么就有1→3糖苷键存在。
质谱分析法(MS)作为确定糖残基连接顺序最有效的方法,已被广泛应用于科学研究,主要是根据质谱产生的碎片组成来推测糖残基的连接顺序。其主要原理是将多糖样本的分子电离并使其进入分析器,按照每一原子的质荷比例在分析器有序排开,即得质谱图。通过分析质谱图上糖链糖残基质量的增加来对多糖进行结构分析。因此MS的本质不是吸收光谱,其准确性有赖于核素的精确质量是多位小数,不存在两种核素共用一个波峰,分析器中速度慢的偏转大而速度快的偏转小,从而导致不同波峰的产生。MS还可以定性分析,但其应用有一定局限性,如对多糖组分连接顺序进行定量分析时要经过复杂的分离纯化过程,因此常与色谱法联用,完成一个复杂多糖的分析,因为色谱法是一种对多糖有效的分离方法,适用于定性分析,和质谱法优势互补。
紫外分光光度计法是用在紫外光区的各种波长的光,收集多糖中成分的吸收光谱,因每种分子或原子的空间排列不同,其吸收光谱的能量也不同,每种成分所对应的吸光值很少出现相同的情况,借此可以将各种成分区分开来,进而明确各成分之间的结构和连接顺序。在进行紫外分光光度计检测之前,需要应用苯酚硫酸法对多糖进行处理。苯酚硫酸法测定多糖结构中连接顺序的原理为:在多糖液中加入浓硫酸,使其水解为单糖,并产生糖醛衍生物,此衍生物能与苯酚反应形成橙红色化合物,在紫外分光光度计中的一定范围内橙红色的深浅与糖中组分含量成正比,故可在485nm波长(最大吸收峰时的波长)处用比色法进行鉴定。
紫外分光光度计法操作简单,结果快速观察,色差维持持久,可重复性高,适用于多数实验室。使用时应注意:一种多糖中的每种组分都需制作标准曲线;鉴定杂多糖时注意校正;使用此法时应考虑到样本量和浓度对光密度值的影响,通常控制光密度值在0.1~0.3,通过调整多糖溶液的浓度或加样量来控制,而现实情况中,多糖的溶解度有一定限度,想要提高溶液浓度常常比较困难,因此通常改变加样量来体现光密度值的变化;在鉴定多糖时,应注意到其他杂质的影响,如280nm的峰代表蛋白质,620nm处的峰来判断色素的有无,260nm处的峰来鉴别核酸。
红外光谱法(IR)是研究多糖链连接顺序的一种常用方法,且发展迅速,衍生技术较多。IR可鉴定多糖的构型、其间取代基的种类和数目,还可鉴别多糖的基本类别,如吡喃糖苷在其特征峰上有3个吸收峰,而呋喃糖苷相应峰中仅2个。一般来说,物质类别不同,其对红外光区域的选择性也不同,如羟基、醚键、氨基等的吸收光谱较强,C-C等吸收带很弱。同种基团的吸收峰必然在特定区域出现,因此可以在红外光谱的不同区域中找到各种物质所对应的峰,进而对该物质或基团的种类和数目做出推断,结合其他图像后处理技术将多糖内部的连接结构阐释清楚。IR在医药化学方面的应用广泛,从传统仪器到如今的新技术发展,IR得到了核心技术上的革新,已然成为多糖结构研究中的重要手段。
红外光谱法有很多的分类与分支,根据红外光波长的大小可分为近红外光谱、中红外光谱和远红外光谱,其中近红外光谱是多糖结构研究中使用较多的一种红外光谱法,故做以下简单描述。
近红外光谱(NIR)为一种介于可见光(Vis)与中红外光(MIR)之间的辐射光,一般认为波长在780~2526nm之间。作为人类发现的首个非可见光区,近红外光谱区经过众多学者的研究,已制造出现代化的近红外光谱仪,可将样本中的分子和基团信息特征性地反映在近红外光谱上,成本低廉,反应高效,绿色环保,适合测量的物质种类繁多,受限制较少,在医药、化学、生物等各个领域有广泛应用,是一项深受研究者喜爱且发展前景良好的技术。
主要优点:多糖无需预处理,近红外光穿透力强,使得反射技术在近红外光谱中得以应用,提高结果的准确性和抗干扰性,同时还克服了过去仪器不能实时监测的弊端,对实验人员的要求相对较低;不破坏多糖样品本身。主要缺点:分散性多糖的分析不太适用,也不适用于含H2O较多的多糖。
是糖苷键构型鉴定的最简便方法,此法可以区别吡喃型糖和呋喃型糖,根据各自的优势构象,解析1HNMR图谱中信号峰的位置和宽度,从而进一步确定多糖中糖苷键的构型。耦合常数是判断苷键类型的重要指标,端基质子的耦合常数差值在葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖等中可以作为参考依据,但由于某些糖的端基质子耦合常数接近而且存在信号重叠,故不能完全按照耦合常数来判断糖苷键的构型。
需要注意的是:①核糖的两种优势构象自由能相近需由其他方法鉴别。②1HNMR图谱上羟基峰较宽,δ值变化较大,可用重水除去以减少对其他质子的影响。③糖环中的糖苷键构型在1HNMR信号重叠严重,常造成读谱困难。④异头氢的δ位于较低场,因此异头氢所在范围的质子信号数目即代表相应的单糖种类数;同时也可根据δ判断α型吡喃糖与β型吡喃糖,借此分析糖环的构型。
13CNMR比1HNMR的化学移位范围广,具有良好的分辨率,根据图谱结果,对照文献数据,可直接得出多糖中糖苷键的构型信息。与1HNMR类似,多糖的异头碳δ位于较低场,因此异头碳所在范围的信号数目即代表相应的单糖种类数。
需要注意的是:①多糖中所含单糖位置的不同会对异头碳化学位移产生影响,在图谱上几乎完全重叠。②D-核糖和D-古洛糖的两端基碳化学位移值差异较小,而当两者都形成甲苷后,根据苷化移位原则,α、β甲苷端基碳移位不同,故根据此差异可以区分糖苷键的构型和分支点。甲苷化可用于其他多种多糖的构型鉴定。③取代基的空间排列不同会对结果产生影响,异头碳取代基δ处于高场的为垂直键,低场的则为平伏键,这可作为判断糖环中糖苷键的构型依据。现如今已有自动程序可有序的检测多糖糖苷键的构型,利用13CNMR的图谱和文献中碳谱数据,以及甲基化的产物分析构建出可能的特异连接和不同位置的差异。若可结合其他NMR技术,则可将多糖的糖苷键构型逐步完善,这也是接下来该领域研究的方向之一,自动化分析和多技术联用已是当前多糖结构分析的必然趋势。
当多糖中有众多单糖时,根据1HNMR法和13CNMR法中的端基质子和碳原子上的耦合常数或其他信息均不能对糖苷键的构型进行鉴定时,或者上述方法的结果存在严重重叠时,可考虑采用碳-氢耦合常数(13C-1H耦合常数)来进行判断。多糖糖苷键中的端基质子处于直立键和平伏键时的13C-1H耦合常数相差10Hz左右。多糖的优势构象和13C-1H耦合常数对糖苷键构型的判断颇为重要,若优势构象是1C式而耦合常数约170Hz,其构型则为α-D或β-L型;耦合常数约为160Hz则对应β-D或α-L型。而优势构象为1C式时,耦合常数在α-L或β-D型时为170Hz,在β-L或α-D型苷键时为160Hz。而多糖中存在两种优势构象并存的现象,就如艾杜糖与核糖。13C-1H耦合常数的局限性在于呋喃型糖苷的特殊性,但对于某些应用HNMR和CNMR等方法均不奏效的多糖,13C-1H耦合常数可作为首选方法。
多糖具有独特的理化性质,如高渗透压、高黏性、吸水性、凝胶性等,国内外主要通过压力、循环次数、料液比等因素变化来研究DHPM对多糖流变性、凝胶性、溶解性、吸水性、热力学特性等方面的影响。
多糖在实际应用中,必须考虑到流变性,其流变性的不同直接影响了在机体内的吸收和代谢过程。较常见的流变性指的是黏度,多糖中糖链越简单,相互结合越少,黏度就越小,越有利于注射给药和食用。多糖流变性主要受pH值、浓度、相对分子质量、添加剂等的影响,改变这些因素,对多糖的实际应用有所帮助。
多糖经DHPM一定压力或者循环次数的处理,会使其中的亲水与疏水基团更多地暴露出来,增强其亲水亲油的能力。大豆多糖在DHPM处理过程中,处理达4次时,亲水与疏水基团暴露较多,分子质量及粒径分布向中分子质量靠拢,使得乳化性和乳化稳定性达到最高。
某些多糖经过提取后具有增稠成胶的作用,主要分为冷凝胶和热凝胶。常见的具备良好凝胶性的是果胶复合物、卡拉胶和海藻酸钠等,应用动态高压微射流技术(DHPM)可对凝胶性进行鉴定。
多糖的比旋度常是决定其物理特性的指标,每种多糖都有各自的比旋度,很少出现相同,因此使用旋光仪测定比旋度可作为鉴定多糖类型的手段。
多糖相对分子质量较大,一般对水的亲和力很小,只有一些相对分子质量小、分支少的多糖的水溶解性才会较大。但多糖在酸碱溶液中的溶解性较大,部分多糖可在酸或碱溶液中完全溶解,借此也可对多糖类型进行分析。
综上所述,世界范围内对多糖的研究已经有了巨大突破,在过去几十年的研究历程中,多糖的结构和内在特性的解析已经有很好的研究基础。放眼当今先进仪器的不断出世,结合原有的传统技术,多糖的研究已经有了长足的进步,但是在多糖分离、纯化、质控等方面仍显得比较棘手,尤其是对复杂多糖结构的研究,无法做到重复性高、结果一一对应的结果,使得多糖结构的研究很难有一个稳定的标准。而且对多糖活性的研究更多地停留在体外实验阶段。目前开发出的活性多糖只有几种,如香菇多糖、灵芝多糖和云芝多糖等,并且它们是通过静脉注射的方式进入人体发挥功效的。多糖在体内的作用机制,包括在细胞膜或脂质体表面的构象作用,多糖、磷脂及蛋白质缔合的化学和物理进程以及这类分子聚集体所形成的微环境与它们的生物功能之间的关系等还有待深入地研究。而下一阶段针对多糖的各项研究,应注意以下几个方面:
(1)对分离提纯工艺进行改进,减少多糖中杂质对结果的影响。
(2)提高仪器检测的分辨率,使结果与多糖一一对应。
(3)对于复杂多糖的研究可采用分区域检测的方法,明确每一个小区域的结构,再将完整多糖的全貌显现出来。
(4)在多糖活性作用机制的研究上,必须联合多种方法,对结果进行综合分析才能得出相对准确的结论,而且需要重复实验加以验证。
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