木糖酯体外活性研究文献综述

课题名称

木糖酯体外活性研究

毕业设计的内容和意义

内容：本课题拟合成木聚糖乙酸酯，利用肠道菌群对木聚糖乙酸乙酯的分解作用释放乙酸，从而达到治疗慢性肾病（CKD）的目的。

意义：玉米芯有价格低廉、易得、易破碎等特点，使其成为很好的木聚糖来源。通过体外合成，可以很容易地得到木聚糖酯，而人类肠道中特定菌群能够分解相应的木聚糖酯而得到短链脂肪酸(SCFAs）。目前已有研究表明SCFAs可以直接作用于肾小球细胞, 通过调节肾小管的分泌作用调节机体的血压, 因此, 提高肠道中SCFAs水平可以改善慢性肾病（CKD）的病程。SCFAs还具有对抗肾小管细胞的氧化应急作用、改善线粒体功能,从而减弱肾损伤，达到对CKD的一定治疗效果。

文献综述

国内外研究现状

短链脂肪酸 (SCFAs) (由1-6个碳原子组成的有机脂肪酸) 是一类肠道菌群代谢产物, 在保护肠道屏障, 调节能量代谢、激素分泌, 抑制免疫炎症反应, 调控血压和抑制肿瘤等方面均扮演重要角色。

SCFAs是碳链中碳原子数为1～6的有机脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs主要是由人体中的肠道菌群代谢产生。肠道通过特定的肠道菌群，对未消化吸收的膳食纤维和糖脂、淀粉进行发酵，从而产生SCFAs。SCFAs中大部分是在结肠近端释放的其中乙酸、丙酸和丁酸在结肠内的浓度比例容易受到宿主饮食环境、宿主基因表达、肠道菌群结构等因素影响，但其大致比例约为60∶25∶15。由此可见，SCFAs中乙酸的比列较高，所以我们选择乙酸酯作为SCFAs的载体，在体内较易转化为高浓度的SCFAs。

有研究表明，SCFAs可通过激活肾脏和血管平滑肌中的GPR41、GPR43受体和Olfr78受体而参与到机体血压的调节中。Pluznick等人的研究表明通过静脉注射丙酸盐，小鼠肾小球旁器中的Olfr78受体受到激活，进而抑制肾素分泌从而使血压降低，而敲除了Olfr78受体之后，再注射则未观察到上述变化;同时，丙酸盐也可激活肾脏和血管平滑肌中的GPR41受体使血压降低，而敲除GPR41受体的小鼠中也未观察到这一降压效应。由此可见肠道微生物代谢产物SCFAs具有调节血压的作用。通过调节血压，进而也可以缓解CKD的进程。

同时，也有研究表明，SCFAs是一种体内的细胞功能调节因子,。SCFAs可以通过限制CD4 T细胞增殖,进而影响外周T细胞功能。在SCFAs存在时, 机体中巨噬细胞会相应地减少, 而引起炎症的一些促炎症因子如NO、IL-12、IL-6、等也会相应的减少。同时SCFAs还具有对抗肾小管细胞的氧化应急作用、改善线粒体功能的作用, 可以减弱肾脏损伤。在阿霉素诱导局灶性肾小球硬化症的动物模型中, 给予一种SCFAs相似结构物丙戊酸处理小鼠, 结果发现丙戊酸能减少小鼠肾脏损伤和蛋白尿的生成。SCFAs能调节肠道及其肠道外的全身炎症反应, 降低树突状细胞的成熟, 减少CD4 、CD8 T细胞的增殖, 最终调节肾脏组织的炎性反应。用产乙酸细菌进行治疗, 能提高肠道和血液中乙酸的水平, 发现能缓解对肾脏的损伤。

因此, 提高肠道中SCFAs水平可以改善CKD的病程。

1 木聚糖的提取

玉米是中国主要的农作物之一，其中不可食用的玉米芯占到例了玉米总质量的 16 %~18 %。中国每年产生的玉米芯中很大一部分用于燃烧，造成严重的大气污染和资源浪费。玉米芯的化学成分中半纤维素含量较高，其中半纤维素绝大部分为木聚糖，故玉米芯可作为提取制备木聚糖的原料。以玉米芯为原料提取木聚糖，可以实现废物的再利用，一举两得。

木聚糖的提取主要可分为酸解法、碱解法、酶解法、超声波法、蒸汽爆破法及微生物发酵等方法，我们拟采用碱性过氧化氢抽提法对木聚糖进行提取。在碱性条件下，通过过氧化氢的作用，可以脱除大部分木质素和同时具有漂白作用，还可以提高大分子尺寸半纤维素的溶解度，可以促进木聚糖的溶解和提高木聚糖的产率。

樊洪玉等人优化了碱性过氧化氢法，将玉米芯粉末用质量分数为 95 %乙醇溶液在索氏提取器中抽提12 h，脱除蜡质。按照1:1.5固液比加入去离子水，在75℃条件下抽提 3 h。固液分离，随后向浓缩液加入其四倍体积的质量分数为 95 %乙醇溶液，4 ℃下静置，获得水溶性多糖；再向不溶于水的滤渣中按照1:20固液比加入碱性过氧化氢溶液(NaOH 5%、H2O2 1%)，彻底反应。反应结束后，减压过滤，用3 M 盐酸溶液中和至中性，采用逐级提高乙醇浓度的方法来提取木聚糖，以浓度75%沉淀的效果最佳。

2 木聚糖乙酸酯的制备

多糖醋化一般是通过在路易斯溶液中相应的酸基与多糖轻基发生酯化反应脱水,然后经过碱中和即可得到多糖的酯化盐。张佳等人通过氯磺酸/甲酰胺法制得木聚糖硫酸酯盐，因而我们拟采用酰氯作为酯化剂，在无水甲酰胺溶剂中进行酯化，进而得到木聚糖乙酯。

首先将木聚糖溶于一定体积的无水甲酞胺,60℃恒温水浴,搅拌溶胀。在将混合物在一定体积倍量的无水甲酰胺中冰浴至0℃,用恒压漏斗缓慢滴加过量的酰氯。滴加速度以温度升幅来控制,使反应期间温度控制在10℃以下。加完酰氯后,升温至60℃,保持温度反应，直至反应完全。反应结束后立即将反应液倒入其6倍体积的无水乙醇中终止反应,边倒边搅拌,静置过夜。分液漏斗过滤,将沉淀真空干燥后用蒸馏水溶解,配成浓度约为10%的溶液,边溶解,边调整溶液Ph至中性,加入过量体积无水乙醇沉淀，过夜。

所得沉淀烘干后配成水溶液,调Ph至9.0~10.0。,60℃水浴搅拌加热,通风橱内开口除氨,反应过程中不断用饱和溶液维持Ph至9.0~10.0。向上述溶液中加入浓度约为1%的氯化钠,调至中性,加入过量的无水乙醇,反复醇沉次。最后用布氏漏斗抽滤,无水乙醇洗涤沉淀,真空烘干即可。

3 木聚糖乙酸酯的表征

分子量：通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定提取的木聚糖乙酯的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)以及多分散性 D(Mw/Mn)

红外光谱特征：分别取玉米芯木聚糖及其乙酸酯1~2mg,P2O5干燥样品24h,溴化钾压片,用红外分光光度计于4000nm~400nm波数范围内扫描,得到红外光谱。

热稳定：运用热重分析法与微分热重法，对木聚糖乙酯在升温过程中木聚糖乙酯的质量损失及热性能进行检测。

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研究内容

1. 玉米芯来源木聚糖的提取。
2. 木聚糖乙酸酯的合成。
3. 木聚糖乙酸酯的表征。

4. 木聚糖乙酸酯的体外分解。

研究计划

2020.3-2020.4：前期文献调研。

2020.4-2020.5：木聚糖的提取、木聚糖乙酸酯的制备与表征。

2020.5-2020.6：木聚糖乙酸酯的体外分解的应用整理实验记录，撰写毕业设计，准备毕业答辩。

研究方法与要解决的主要问题

研究方法：

通过碱性过氧化氢抽提法从玉米芯中提取出木聚糖，再通过乙酰氯、甲酰胺对木聚糖进行酯化得到木聚糖乙酯，然后再通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定提取的木聚糖乙酯的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)以及多分散性 D(Mw/Mn)，通过热重分析法与微分热重法分析其热稳定性，通过红外光谱分析其红外特性。

主要问题：

提取木聚糖时，使用乙醇分级沉淀的方法，要探究出乙醇使用的最佳浓度。在对木聚糖进行酯化时所用乙酰氯具有较强的腐蚀性及刺激性，应设法寻找更加温和的酯化剂。

特色与创新

玉米芯价格低廉，中国每年产生的玉米芯中很大一部分用于燃烧，容易造成大气污染和资源浪费。以玉米芯为原料提取木聚糖，可以实现废物的再利用，一举两得。

运用碱性过氧化氢法提取玉米芯，操作简便、快捷，不用像发酵法那样时间长，不用像蒸汽爆破法那样需要特定设备，对设施的要求较低，污染较小。