《Food Chemistry》：Long-chain alkyl-modified quaternized laminarin for enhanced antibacterial activity and food preservation
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通过季铵化反应合成了六种不同链长的C8QAS-LMA至C18QAS-LMA，其中C12QAS-LMA水溶性达2.03 g，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率分别为92%和88%，兼具抗氧化活性与非毒性，为功能性食品及包装材料提供新方案。
李星伟|高忠飞|董凯杰|李玉伦|侯贵格|丁月霞|侯云
中国国家中医药管理局处方效果与临床评价重点实验室，滨州医学院，山东省烟台市264003，中华人民共和国
摘要
由微生物及其污染物引起的食品安全危害对人类健康产生了不利影响。基于绿色食品的概念，对食品进行抗菌改性至关重要。层藻多糖（LMA）是一种天然的功能性多糖，但本身不具备抗菌性能。本文通过LMA与季铵盐（QAS）之间的碱性介导的亲核取代反应，合成了六种长链烷基修饰的季铵层藻多糖（C8QAS-LMA、C10QAS-LMA、C12QAS-LMA、C14QAS-LMA、C16QAS-LMA、C18QAS-LMA）。其结构通过FT-IR、1H NMR、元素分析和GPC进行了表征。这些改性的层藻多糖的溶解性和抗菌性能得到了提升，其中C12QAS-LMA的表现最为优异。C12QAS-LMA在水中的溶解度高达2.03克/升。在0.50毫克/升的浓度下，其对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率分别为92%和88%，且具有无毒性。与原始层藻多糖相比，C12QAS-LMA还表现出潜在的抗氧化活性和生物相容性。作为新型功能性多糖，QAS-LMA在食品工业中具有广泛的应用前景，为功能性食品、保鲜和包装开发提供了创新解决方案。
引言
天然多糖是由单糖单元通过糖苷键连接而成的高分子聚合物，在植物、动物和微生物中普遍存在。随着对绿色化学和可持续发展的日益重视，它们的良好生物相容性、可生物降解性和多功能性引起了广泛关注。不同来源的多糖具有不同的特性：植物来源的多糖（如纤维素）具有优异的机械强度，但通常需要通过羧甲基化等化学改性来提高其水溶性；动物来源的多糖（如壳聚糖）因其阳离子性质而表现出显著的抗菌和止血活性；微生物来源的多糖（如透明质酸）则因具有天然的生物相容性和调节细胞信号的能力而在组织工程中得到广泛应用。通过物理交联或化学改性，这些多糖可以被制备成多种形式，包括薄膜、微球和纳米颗粒，从而适用于各种实际应用。
层藻多糖（LMA）是一种从褐藻（如Laminaria和Undaria）中提取的β-1,3-葡聚糖。其结构主要由β-1,3-糖苷键构成，偶尔含有β-1,6-连接的支链。这种结构赋予了它多种生物活性，包括免疫调节、抗肿瘤、抗氧化和抗炎作用（Xiao等人，2025年；Zhang等人，2024年）。由于层藻多糖的广泛可用性、良好的生物相容性和已证实的无毒性，人们对它的药用、食品和化妆品应用寄予了厚望。然而，由于其较低的水溶性（Otero等人，2023年）、在生理条件下的稳定性有限以及功能范围相对狭窄，其实际应用受到了一定限制。为了克服这些限制，人们经常对多糖进行化学改性以提升其功能性能并扩展应用范围（Phuangkaew等人，2022年）。常用的改性方法包括硫酸化、羧甲基化、乙酰化和季铵化（Chang等人，2022年；Kazemi Shariat Panahi等人，2023年）。特别是季铵化处理，因其能显著增加多糖结构的阳电荷密度而受到广泛关注。
将长链烷基季铵盐（QAS-LMA）引入层藻多糖中显著提升了其性能（图1），使其从一种天然多糖转变为一种多功能、高性能的材料（Su等人，2022年；Xie等人，2019年）。季铵化处理显著增强了层藻多糖的抗菌活性（Wei等人，2022年）。季铵基团的永久正电荷使其能够与细菌膜中的负电荷磷脂层产生强烈的静电相互作用（Wang等人，2016年），同时疏水性烷基链会插入膜的疏水核心，破坏膜的结构并导致细胞内容物泄漏（Jeong等人，2024年）。与先前的研究一致，季铵化多糖对常见病原体（如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）具有显著的抑制作用，且随着烷基链长度的增加，抑制效果更明显（Liu等人，2015年；Xie等人，2018年）。此外，疏水性烷基链的引入赋予了层藻多糖两亲性，提高了其表面活性并降低了水体系的表面张力（Qi等人，2023年；Zhang等人，2023年），这表明其在食品应用中可作为天然乳化剂或稳定剂。关于季铵化木聚糖的研究也表明，季铵化可以增强多糖的成膜能力和机械性能（Wang等人，2022年）。通过控制季铵化的程度，可以调节薄膜的关键性能，如透明度、柔韧性和气体阻隔性（Min等人，2020年），从而延长食品的保质期并使其适用于包装应用。此外，当QAS-LMA与其他生物聚合物结合使用时，可以协同增强其抗菌和抗氧化等性能，满足食品保鲜的多种需求。
总之，季铵化是一种有效的方法，可用于提升天然多糖的功能性并扩大其应用范围。未来的研究应重点开发结构-活性关系模型，优化提取和改性工艺，并深入理解其在复杂食品基质中的作用机制，以加速这些绿色功能性材料在现实食品应用中的转化（Liu等人，2024年）。
随着消费者对食品安全和生态可持续性的要求不断提高，QAS-LMA作为一种有前景的替代品，有望取代传统的食品添加剂和包装材料，为食品产业的可持续发展做出贡献。
材料
本研究使用了以下材料：层藻多糖（LMA，分子量：139千道尔顿，纯度≥98%），由上海比德药业科技有限公司提供；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）购自中国医药试剂有限公司；甲基叔丁基醚、N-甲基二乙醇胺（MDEA）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）和对甲苯磺酰氯（TsCl）也来自中国医药试剂有限公司。另外还制备了六种不同的对甲苯磺酰季铵盐（C8QAS-Ts、C10QAS-Ts等）。
结构表征
FT-IR光谱的测量范围为4000–500厘米?1，结果如图1(a)所示。与已报道的层藻多糖光谱（Li等人，2022年）一致，在3500–3300厘米?1范围内出现了一个宽谱带，这归因于O-H键的伸缩和氢键的形成。在改性后的光谱中，2854厘米?1和2927厘米?1处的峰分别对应于–CH?和–CH?–基团的对称和非对称O-H键伸缩振动，这些峰的强度明显增强。
结论
本研究通过季铵化反应成功合成了一系列具有不同烷基链长度的QAS-LMA。QAS基团的共价接枝显著增强了层藻多糖的抗菌活性，使其对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）均表现出强烈的抑制作用。在合成的衍生物中，C12QAS-LMA和C14QAS-LMA具有最广的抗菌谱和最明显的生物膜抑制效果。
作者贡献
侯勇、丁月霞和侯贵格设计了研究并撰写了论文；李晓伟和高志飞合成了QAS-LMA衍生物并对其进行了表征；李晓伟和李玉伦进行了抗菌测试和生物相容性实验；董凯杰和侯贵格提供了与生物相容性实验相关的科学指导。
所有数据均为实验室内部生成，未使用任何外部数据来源。所有作者对工作的各个方面负责。
作者贡献声明
李星伟：撰写——初稿、方法学、数据整理。高忠飞：方法学、数据整理。董凯杰：方法学、实验设计。李玉伦：数据整理。侯贵格：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹措、概念构思。丁月霞：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。侯云：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹措、概念构思。
未引用参考文献
Kazemi Shariat Panahi等人，2023年
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢山东省实验室计划（SYS202205）、山东省自然科学基金（项目编号ZR2023MH022、ZR2023MH190）、山东省科技型中小企业创新能力提升项目（项目编号2024TSGC0457、2023TSGC0870）以及山东省药物不良反应监测中心科研项目（2025SDADR038）的财政支持。同时感谢山东重点实验室的协助。
