超高分子量乙酰化胶凝剂的定向合成、表征及其流变性能

本研究通过有理设计在Sphingomonas sanxanigenens chassis NG中成功合成仅含乙酰基不含甘油基的超高分子量果胶糖（UMW-AG），其分子量达1.49×10^7 Da，显著高于天然果胶糖。结构表征显示UMW-AG具有更强的机械性能和更高的溶胶-凝胶转变温度，表明其热稳定性和三维网络结构更优。该研究为新型多糖的开发提供了可靠策略，并奠定了其在高性能多糖基材料中的应用基础。

　　

岳明|庄庄史|王伟龙|李珏|林一婷|沙伟|李国强|吴梦梦|马婷

教育部分子微生物学与技术重点实验室，南开大学生命科学学院，天津，中国

摘要

吉兰胶（GG）是一种线性阴离子杂多糖，具有凝胶化、稳定和增稠的特性，在食品、制药和化妆品行业中得到广泛应用。由于某些新应用场景对新型吉兰胶的需求，开发其变体具有重要意义。在本研究中，通过合理设计，在Sphingomonas sanxanigenens底盘NG中合成了仅含有乙酰基而不含甘油基的吉兰胶变体。此外，吉兰-NG的分子量（Mw）为1.49 ± 0.08 × 10⁷ Da，远高于由原始菌株Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461生产的吉兰胶（约500 kDa）。对质地和流变学的表征表明，吉兰-NG具有更强的自我保持能力以及更高的溶胶-凝胶转变温度，表明其热稳定性更强，三维网络结构更稳定。总之，本研究为多糖的定向合成提供了一种可靠的方法，并阐明了超高分子量乙酰化吉兰胶（命名为UMW-AG）的结构-性质关系，为其在高性能多糖基材料中的实际应用奠定了理论基础。

引言

吉兰胶（GG）是一种由Sphingomonas paucimobilis（以前称为Pseudomonas elodea）ATCC 31461产生的线性阴离子杂多糖（Giavasis等人，2000年；Picone和Cunha，2011年），自1978年发现以来因其商业潜力而受到关注。其四糖重复序列为：→ 4) α-L-Rha-(1 → 3) β-D-Glc (1 → 4) β-D-GlcA (1 → 4) β-D-Glc (1 → （Grasdalen和Smidsr?d，1987年；Morris等人，2012年）。由于其凝胶化、稳定和增稠的特性，它被广泛应用于食品、制药、石油和化妆品等行业（Franco等人，2025年；Gussenov等人，2023年；Sworn等人，1995年）。迄今为止，在四糖单元的第二个葡萄糖位置检测到了酯化残基。市场上的吉兰胶主要根据酯化程度分为两类：高酰基吉兰胶（天然吉兰胶）和低酰基吉兰胶，后者经过物理和化学脱酰处理，几乎不含酰基（Sun等人，2023年；Zhou等人，2025年）。天然吉兰胶的平均分子量通常在200到1000 kDa之间，平均约为500 kDa（Zia等人，2018年）。 聚合物修饰可以改变其物理和化学性质，从而产生具有新颖且理想特性的材料（Salachna等人，2018年）。因此，人们越来越关注使用化学修饰或物理处理来开发新型材料。Fiorica等人研究了不同分子量对吉兰胶流变性质和物理化学特性的影响，以评估其作为活性分子释放装置的潜力（Fiorica等人，2021年）。Xu等人采用化学方法获得了能够调节肠道菌群及其代谢产物的吉兰胶寡糖（Xu等人，2021年）。Gering等人通过纯化、氧化、还原链断裂和混合等策略对吉兰胶进行了化学修饰，以调节其流变性质和凝胶行为（Gering等人，2021年）。有多种传统方法可用于制备低分子量吉兰胶（Agnello等人，2018年；Baawad等人，2021年；Gao等人，2022年；Salachna，2020年）。然而，吉兰胶的分子量上限受到其生产菌株的限制。目前关于高分子量吉兰胶的制备报道较少，这在其特性研究和应用开发方面存在一定的空白。 天然多糖生产菌株Sphingomonas sanxanigenens NX02能够提供如UDP-Glc、UDP-GlcA、UDP-Man、dTDP-Rha和UDP-GlcNAc等核苷酸前体，可作为大多数鞘糖类和其他多糖的底盘细胞（Zhou等人，2025年）。我们之前的研究表明，基于NX02菌株的底盘成功合成了超高分子量的黄原胶（Wu等人，2024年）。这一结果不仅证明了该底盘菌株生产其他多糖的可行性，还为创造具有新特性的新型多糖提供了平台。 我们假设上述底盘可以作为一个平台，通过合理设计合成具有新颖结构或性质的吉兰胶变体。在此，我们基于之前的底盘菌株构建了一个新的底盘（命名为NG）。为了验证我们的假设，通过FT-IR、单糖组成分析、酰基含量分析和¹H NMR确定了NG菌株产生的吉兰胶的初级结构。为了进一步表征其结构，还进行了分子量、XRD、TG-TGA和DSC分析。此外，还利用压缩和剪切两种不同的施加力来表征吉兰-NG的质地相关特性，以研究其新颖的性质。本研究的结果可能有助于开发具有改进的质地和流变特性的吉兰胶变体。这种方法提供了一种可行的方法来创造常规物理化学处理无法获得的改性多糖，从而扩展了它们的应用范围。

菌株、质粒和试剂

本研究使用的所有菌株和质粒列在表1中。Sphingomonas sanxanigenens NXdP（CGMCC 15406）被用作亲本菌株。Escherichia coli S17用于培养重组质粒以实现基因过表达。高保真酶PrimeSTAR Max DNA聚合酶（Takara，日本）用于DNA扩增。质粒的构建遵循NEB公司的标准协议，采用Gibson Assembly方法。重组质粒由GENEWIZ公司进行测序。

吉兰胶生产菌株NG的构建

Sphingomonas sanxanigenens NX02能够自然合成多种核苷酸前体（例如UDP-Glc、UDP-GlcA、UDP-Man和dTDP-Rha），从而产生sanxan多糖（H. D. Huang等人，2009年）。此外，它还能提供大多数多糖生物合成所需的其他丰富核苷酸前体，如鞘糖类、葡聚糖和透明质酸，使得NX02菌株成为多糖生物合成的潜在底盘（Zhou等人，

结论

在本研究中，通过Sphingomonas sanxanigenens底盘NG的合理设计，成功生物合成了超高分子量乙酰化吉兰胶（UMW-AG）。值得注意的是，含有乙酰基（含量接近高酰基吉兰胶）但不含甘油基的结构目前无法通过现有的物理化学方法获得。通过对不同聚合物浓度下及其在两种阳离子（Na⁺存在下的流变性质进行系统表征，

CRediT作者贡献声明

岳明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。 庄庄史：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件应用。 王伟龙：验证。 李珏：研究。 林一婷：验证。 沙伟：验证。 李国强：方法学，研究，概念化。 吴梦梦：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。 马婷：监督，项目管理，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

本文不包含任何作者参与的动物实验。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42173079）、天津市自然科学基金（项目编号：21JCZDJC00210）和黑龙江省重点研发计划（项目编号：2024ZX02C25）的支持。