《International Journal of Biological Macromolecules》：Preparation, antioxidant, and antibacterial activities of cationic inulin derivative via azide-alkyne click reaction and N-methylation
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阳离子改性被认为是增强菊粉生物活性的有效工具。在本研究中，研究人员通过叠氮-炔点击反应和N-甲基化的组合策略，设计并合成了功能化带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、ζ电位、热稳定性和溶解
阳离子改性被认为是增强菊粉生物活性的有效工具。在本研究中，研究人员通过叠氮-炔点击反应和N-甲基化的组合策略，设计并合成了功能化带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、ζ电位、热稳定性和溶解度分析，完成了对菊粉衍生物的结构解析。其抗氧化潜力通过自由基清除实验和还原力实验进行评估。同时，通过最小抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration, MIC）和最小杀菌浓度（Minimum Bactericidal Concentration, MBC）方法，在体外评估了其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）以及五种革兰氏阴性海洋细菌的抗菌活性。生物学结果表明，引入1,2,3-三唑和吡啶基团赋予了菊粉中等的抗氧化和抗菌活性。此外，通过N-甲基化生成的1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓部分进一步增强了抗氧化能力，并放大了抗菌活性，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC值为0.0156–0.0312?kg/m3，MBC值为0.0312–0.0625?kg/m3。此外，研究人员还通过溶血和细胞毒性实验评估了其生物安全性，实验结果表明，在所测试的浓度范围内，所制备的菊粉衍生物表现出良好的生物相容性，无明显溶血活性，且对L929细胞具有低细胞毒性效应。总而言之，带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物具有多功能性和合成简便性，使其非常适合有效预防活性自由基和有害细菌引起的感染，为医药和食品领域新型抗氧化剂和抗菌剂的开发提供了新的替代选择。
研究背景、问题与动机
近年来，基于天然生物聚合物的抗菌和抗氧化剂因其原料来源广泛、可生物降解、低毒以及良好的抗菌和抗氧化性能等优势，在食品、农业、医药和化妆品领域受到广泛关注并得到日益增多的应用。菊粉作为一种重要的天然可溶性膳食纤维，由通过β-(2→1)-糖苷键连接的D-呋喃果糖单元组成，通常末端有一个葡萄糖残基，具有益生元功能和其他理化特性，使其成为抗菌和抗氧化生物聚合物的潜在候选者。然而，一个关键的挑战在于菊粉分子中仅含有羟基，缺乏具有强大生物活性的功能基团，这极大地限制了其在食品和生物医药领域的进一步工业应用。
研究内容、结论与意义
为了克服菊粉天然活性的不足，研究人员探索了对其进行化学修饰。阳离子化被认为是制备具有一流抗菌和抗氧化活性的多糖基生物制品的有效策略，这归因于其对带负电细胞膜表面的静电亲和力以及吸电子能力。然而，文献中关于阳离子菊粉衍生物及其生物活性的报道非常有限。含氮阳离子杂环化合物，如三唑鎓盐和吡啶鎓盐，因其具有不饱和和芳香性π电子环系统的特殊化学结构，展现出强大的抗炎、抗氧化和抗菌特性，被视为开发阳离子多糖衍生物的重要功能化结构单元。因此，研究人员推测，将1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团引入菊粉分子，可能会显著增强其抗菌和抗氧化性能。但文献中尚未报道引入这些基团对抗氧化活性、抗菌作用及生物相容性的影响。
基于此背景，研究人员在本研究中设计并合成了带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物，旨在探究这些阳离子基团的引入对菊粉分子抗菌和抗氧化活性的影响。该研究的核心假设是，由于阳离子特性和吸电子效应，带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的菊粉衍生物在抗菌和抗氧化活性方面会表现出增强的性能。本研究成功发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。其重要意义在于，所开发的阳离子菊粉衍生物兼具多功能性和合成简便性，为有效预防活性自由基和有害细菌感染提供了有前景的材料，为医药和食品领域新型抗氧化和抗菌剂的开发提供了新的替代选择。
关键技术方法概述
本研究采用多步反应策略合成目标阳离子菊粉衍生物。首先，以菊苣菊粉为原料，在N，N'-羰基二咪唑（CDI）催化下，通过炔丙胺进行酰化反应，制备炔丙基菊粉衍生物。随后，利用铜催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC），使炔丙基菊粉衍生物与3-叠氮吡啶发生点击化学连接，得到带有1,2,3-三唑和吡啶基团的菊粉衍生物。最后，通过该中间体与碘甲烷进行N-甲基化反应，生成最终产物，即带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物。结构表征采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）等手段。活性评估方面，抗氧化活性通过羟基自由基、DPPH自由基、超氧阴离子自由基清除实验以及铁离子还原抗氧化能力实验进行测定；抗菌活性则采用最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）法，针对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及五种革兰氏阴性海洋细菌进行了测试；生物安全性通过溶血实验和L929细胞的细胞毒性实验进行评估。
研究结果
化学表征：研究人员成功合成了目标阳离子菊粉衍生物。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）分析证实了其化学结构。谱图数据显示，成功引入了炔丙基，并通过点击反应连接了1,2,3-三唑和吡啶基团，后续的N-甲基化反应生成了相应的鎓盐结构。溶解度测试表明，与原始菊粉相比，阳离子衍生物在水中的溶解度显著提高。热重分析显示，修饰后的衍生物热稳定性有所变化。Zeta电位分析证实，经过N-甲基化后，产物的表面电位从负值转变为正值，成功实现了阳离子化。
抗氧化活性：研究人员通过四种方法评估了样品的抗氧化潜力。在羟基自由基清除实验中，带有1,2,3-三唑和吡啶基团的衍生物（中间体c）以及最终的阳离子衍生物（产物d）均表现出优于原始菊粉的清除能力，且阳离子衍生物d的活性最强。在DPPH自由基清除实验中，同样观察到修饰后衍生物的活性显著增强，阳离子衍生物d的半抑制浓度（IC50）值最低，表明其清除能力最强。在超氧阴离子自由基清除实验中，阳离子衍生物d也展现出最强的清除活性。在铁离子还原抗氧化能力实验中，阳离子衍生物d表现出最高的还原力。综合结果表明，引入1,2,3-三唑和吡啶基团增强了菊粉的抗氧化能力，而进一步形成阳离子化的1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团，则能更大幅度地提升其抗氧化性能。
抗菌活性：通过最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）法评估了样品对七种有害细菌的抗菌活性。测试菌种包括革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌，以及革兰氏阴性菌大肠杆菌和五种海洋革兰氏阴性菌。实验结果显示，原始的菊粉对测试菌种没有或仅有微弱的抗菌活性。带有1,2,3-三唑和吡啶基团的中间体c对所有测试菌种均表现出中等的抗菌活性。而最终的阳离子衍生物d对所有测试菌种均表现出显著的抗菌活性，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC值为0.0156–0.0312?kg/m3，MBC值为0.0312–0.0625?kg/m3，显示出强大的抑菌和杀菌能力。特别是对海洋细菌，阳离子衍生物d也表现出有效的抑制效果。结果表明，阳离子化是提升菊粉抗菌活性的关键，1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的引入赋予了菊粉衍生物广谱且高效的抗菌性能。
生物相容性评估：为评估所制备衍生物的潜在应用安全性，研究人员进行了溶血实验和细胞毒性实验。溶血实验结果表明，在测试浓度下，原始的菊粉、中间体c和最终的阳离子衍生物d均未引起明显的溶血现象，表明其具有良好的血液相容性。细胞毒性实验采用MTT法，使用小鼠成纤维细胞L929进行评估。结果表明，在测试浓度范围内，所有样品对L929细胞的存活率影响较小，显示出较低的细胞毒性。特别是阳离子衍生物d，在具有高抗菌活性的浓度下，仍能保持良好的细胞相容性。这些结果综合表明，所制备的阳离子菊粉衍生物具有良好的生物安全性，为其在生物医学和食品领域的应用提供了支持。
结论总结
本研究成功证明了通过叠氮-炔点击反应（CuAAC）和N-甲基化，可以设计和合成带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物。核心研究问题——即引入1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团是否能同时增强原始菊粉的抗氧化和抗菌性能——得到了明确的解答。通过自由基清除实验和还原力方法获得的抗氧化能力结果表明，菊粉衍生物表现出增强的抗氧化能力，这归因于1,2,3-三唑和吡啶单元的引入及其随后的季铵化作用。抗菌研究表明，与原始菊粉相比，所制备的菊粉衍生物对选定的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌具有优异的抗菌活性，这主要归因于阳离子特性和吸电子效应。此外，溶血和细胞毒性评估证实了所制备衍生物具有良好的生物相容性。总之，带有1,2,3-三唑鎓和吡啶鎓基团的阳离子菊粉衍生物，凭借其多功能性和简单的合成路径，成为有效预防活性自由基和有害细菌感染的高度理想候选材料，为医药和食品领域开发新型抗氧化和抗菌剂提供了新的选择。
