《Journal of Advanced Research》：Process-Programmed Extraction–Structure–Activity (ESAR) relationships in edible and medicinal mushroom polysaccharides: a mechanistic and application-oriented framework
编辑推荐：
本综述创新性地提出ESAR框架，系统阐释了提取工艺参数如何决定蘑菇多糖的结构特征，进而调控其免疫调节、抗氧化、抗肿瘤、降血糖等多种生物活性。文章强调通过精准调控提取过程来“编程”多糖分子构象，为开发功能明确的天然产物提供了新范式，对功能食品和药物研发具有重要指导意义。
引言
食用真菌，俗称蘑菇，以其营养、药理和烹饪价值而闻名。在其众多生物活性成分中，多糖作为关键的多功能大分子脱颖而出。这些聚合物存在于真菌细胞壁中，作为能量储备在细胞内储存，或分泌到细胞外以介导防御和表面粘附。值得注意的是，诸如灰树花、香菇等食药用菌是这些化合物的主要来源。蘑菇多糖是结构多样的碳水化合物链，由糖醛酸和中性糖通过糖苷键连接而成。它们积累在子实体、菌丝体和发酵液中，是真菌生物学不可或缺的一部分。除了营养价值，蘑菇还贡献蛋白质、脂质、维生素和其他生物活性物质，然而多糖因其药理多功能性以及作为合成或植物源聚合物的可持续替代品而独具优势，具有生态和生物医学价值。其已报道的生物活性广泛，包括抗病毒、抗氧化、抗血管生成、抗癌、免疫调节、抗糖尿病和抗炎作用。重要的是，它们的低毒性、副作用小和广泛可得性增强了它们对功能性食品、营养保健品和治疗剂的吸引力。
然而，大多数研究严重依赖于基于提取物的检测，这导致难以将活性归因于特定的结构基序或解释基质水平的协同作用。实际上，多种大分子之间的相互作用可能增强生物活性，这表明食用整个蘑菇可能带来与纯化组分不同的益处。在众多大分子中，多糖是最普遍和研究最深入的，被广泛称为生物反应调节剂。它们的活性与其结构特征密切相关，而结构特征又受提取方式的影响。认识到这种相互依存关系对于将描述性观察转化为预测性理解至关重要。
ESAR框架在蘑菇多糖中的相关性
蘑菇多糖的生物活性在ESAR框架下能得到最好的理解，其中提取选择和它们的变量影响分子结构，进而决定生物功能。具体而言，提取/加工条件塑造了精细的结构参数，包括单糖组成、糖苷键和分支、分子量以及高级构象，这些是报告在这些多糖中显著的种间多样性的基础。在此背景下，我们综合阐述了提取驱动的结构结果如何控制功能输出，符合结构是活性近端决定因素的原则。
在ESAR框架内，单糖组成是一个由加工定义的关键质量属性。单元操作及其特定设置决定了哪些多糖结构域被溶解、共提取或降解，从而塑造表观和内在的单糖组成。与键合/分支相结合，单糖组成约束了高级构象，并最终决定生物活性。大多数蘑菇多糖富含葡萄糖、甘露糖和半乳糖，岩藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、核糖和木糖作为异质性的调节剂。提取策略强烈影响这些谱图及其生物活性：温和的热水提取倾向于富集β-葡聚糖，而碱性或酶辅助的提取途径则增加了甘露聚糖/半乳甘露聚糖和其他杂聚物的回收率。相反，过度的热或酸强度会选择性地减少脱氧糖或驱动部分解聚，改变单糖组成和分子量。强化技术如超声波和微波可以增强传质和中性/侧链糖的共提取，而亚临界水则有利于水解和分子量降低，这可以改变给定单糖组成下的构象平衡。
分子量是ESAR框架中的一个基本物理化学参数，它深受提取和下游加工条件的影响。低分子量部分通常与增强的生物活性相关，因为较小的多糖片段更有效地穿透细胞并更直接地结合受体。这解释了为什么较温和的提取方法往往优于较剧烈的方法。然而，这种关系是非线性的：过度的酸/碱强度或长时间的高温暴露会导致过度解聚、三螺旋完整性的丧失，从而降低生物活性。相反，高分子量多糖通常表现出增加的粘度、降低的水溶性和更大的空间位阻，这会阻碍细胞摄取并减弱生物活性。经典例子说明了这种平衡：香菇的热水提取产生香菇多糖（分子量4–60 kDa），具有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒和细胞因子刺激活性。同样，茯苓多糖在2–40 kDa范围内显示出峰值抗肿瘤活性，这是一个平衡溶解度、吸收和β-葡聚糖受体结合的“最佳分子量窗口”。同样重要的是，存在与“低分子量总是更好”的概括相矛盾的高分子量例子。这些案例表明，中分子量范围（20–40 kDa）一致地提供了可溶的、受体可及的链，结合了抗氧化和抗癌潜力。
蘑菇多糖的构象和结构特性
在ESAR框架内，蘑菇多糖的构象和精细结构是过程编程的关键质量属性，其中提取和下游步骤不仅决定产率，而且保持或改变糖苷键和分支模式。这些关键质量属性进一步决定了高级堆积，进而支撑了多糖的生物活性。
蘑菇葡聚糖包括(1→3)、(1→4)、(1→6)、混合和分支键合。受控条件下的热水提取通常保留β-葡聚糖螺旋，使得能够结合Dectin-1并介导巨噬细胞免疫调节。相比之下，酶辅助方案以最小的糖苷损伤打开细胞壁，从而保留键合模式和分支，通常增强免疫调节和抗氧化结果。超声波或微波强化加速了传质，但引入了空化和热剪切，可能破坏螺旋堆积：展开β-葡聚糖螺旋暴露侧链，有时增强自由基清除但削弱Dectin-1识别。碱性提取进一步说明了这种双重性：它溶解细胞壁葡聚糖并将几丁质脱乙酰化为阳离子壳聚糖，改变链间关联。虽然这增加了抗菌和止血特性，但它将受体结合从经典的β-葡聚糖识别转移开。亚临界水将多糖推向较少有序的结构状态，例证了较高的强度如何 destabilize 螺旋。
下游处理继续这种“结构编程”：Sevag/酶法脱蛋白去除了糖蛋白，澄清了碳水化合物表位并锐化了Dectin-1/TLR2信号传导，但代价是失去了协同的糖蛋白相互作用。分级乙醇沉淀按溶解度和堆积分离多糖，其中较早的馏分通常有利于更纯净的免疫刺激剂，而较晚的馏分则富集抗氧化或凝集素-补体基序。
蘑菇多糖的生物技术前景和功能潜力
蘑菇多糖因其广泛的功能潜力而被广泛研究，为了解其生物活性和机制提供了关键见解。这些生物活性源于由提取塑造的结构特征。
免疫刺激是蘑菇多糖促进健康的核心机制，特别是在免疫功能通常受损的脆弱人群如癌症患者和老年人中。这些聚合物日益被视为预防保健中的天然免疫调节剂，因为它们参与先天和适应性免疫。如第3节所述，通过温和热水或酶辅助提取保留的β-葡聚糖构象通常激活NK细胞、中性粒细胞和巨噬细胞，触发细胞因子释放，刺激B细胞增殖、抗体产生以及T细胞向Th1或Th2亚型分化，从而增强细胞和体液免疫。Th1和Th2细胞之间的平衡至关重要：Th1细胞通过干扰素-γ驱动细胞免疫，而Th2细胞通过白细胞介素分泌支持抗体介导的免疫。巨噬细胞激活通常是第一道反应线，伴随吞噬作用后分泌促炎细胞因子如IL-1和TNF-α，以及一氧化氮和活性氧活性，这些活性取决于多糖溶解度和分子量馏分。然而，这种促炎增强必须仔细平衡，过度激活有组织损伤和慢性炎症的风险。
在结构水平上，具有β-(1→6)分支的β-(1→3)-葡聚糖代表了蘑菇中主要的免疫调节基序。β-(1→3)骨架为Dectin-1和CR3提供了识别表位，而β-(1→6)侧链增强了受体簇集和信号放大。通过热水或酶辅助提取保留的三螺旋构象通过多价结合进一步强化了这些相互作用。相比之下，α-连接或弱分支的多糖表现出有限的受体亲和力，因此免疫增强作用较弱。
蘑菇多糖作为天然抗氧化剂发挥着关键作用，研究证明其具有显著的抗氧化活性。诸如香菇、姬松茸和云芝等物种表现出有效的抗氧化作用，通常归因于其螯合过渡金属和抑制脂质过氧化的能力。这种活性不仅与β-葡聚糖骨架有关，还与共价结合的酚类部分如酪氨酸和阿魏酸有关，这些物质增强了自由基淬灭能力。
蘑菇多糖在糖尿病管理中的治疗潜力：机制和临床证据
糖尿病以葡萄糖代谢的慢性失调为特征，导致高血糖和微血管并发症。蘑菇多糖，特别是来自灰树花和香菇的多糖，作为具有前景的抗糖尿病作用的多功能生物聚合物而受到关注。它们的作用超越了简单的葡萄糖降低；相反，它们协调肠道微生物群、氧化应激和脂质代谢的系统水平调节，从而产生多因素益处。
机制上，MPs调节多个信号通路以恢复代谢稳态。例如，银耳葡聚糖木聚糖在正常血糖和糖尿病大鼠模型中表现出调节作用，突出了其预防和治疗潜力。同样，PSG-1通过上调eNOS、PI3K和p-Akt，同时抑制促凋亡Bax，改善了糖尿病主动脉内皮功能障碍。这种血管保护强调了蘑菇多糖的心脏代谢维度——一个常被以葡萄糖为中心的解释所掩盖的角度。
肠道微生物群调节反复出现作为一个中心主题。羊肚菌多糖通过促进有益的乳酸菌同时抑制促炎放线菌种群，缓解了HFD/STZ诱导的T2D，从而改善了肠道屏障完整性。类似地，黑木耳多糖水解物改善了GLP-1分泌和胰腺胰岛素水平。这些发现表明蘑菇多糖作为天然益生元发挥作用；然而，由于人类微生物组与动物模型相比的复杂性，临床转化仍然有限。
蘑菇多糖的抗肥胖作用
肥胖是一种由能量失衡驱动的慢性代谢紊乱，常伴有全身性炎症、血脂异常和胰岛素抵抗。近年来，蘑菇多糖已成为具有抗肥胖作用的有前景的生物活性膳食成分，这主要归因于其作为益生元和代谢调节剂的双重作用。通过抵抗消化和 undergo 微生物发酵，蘑菇多糖可以有益地重塑肠道微生物群，同时作用于控制脂肪生成和脂质代谢的分子途径。
例如，银耳多糖显著抑制3T3-L1细胞中的脂肪生成分化，通过下调转录因子C/EBPα、PPARγ和瘦素。这一机制见解直接将蘑菇多糖的结构基序与抑制脂肪细胞成熟联系起来，突出了它们作为抗脂肪生成药物的治疗潜力。同样，灵芝菌丝体富含β-葡聚糖的提取物可对抗胰岛素抵抗相关的菌群失调，增强肠道屏障完整性，并减轻代谢性内毒素血症。
动物研究进一步证实了这些发现。杏鲍菇多糖减少了HFD小鼠的肠系膜脂肪沉积和体重，通过抑制脂质吸收和上调LDL受体表达，从而增强LDL-C清除。同样，黑木耳多糖显著降低了总胆固醇、甘油三酯和LDL-C，同时提高了HDL-C活性。这些效应共同表明蘑菇多糖调节全身脂质谱，与代谢综合征管理的临床策略一致。
蘑菇多糖的抗肿瘤活性
真菌多糖的抗肿瘤潜力最早在20世纪60年代由Chihara认识到，引发了几十年对其作用机制和治疗应用的研究。从那时起，蘑菇来源的多糖已被证明具有双重抗肿瘤活性：通过诱导凋亡、氧化应激和细胞周期阻滞直接靶向癌细胞；通过增强宿主免疫反应，特别是通过与Dectin-1、CR3、LacCer和清道夫受体等免疫受体的相互作用。
一个充分表征的例子是茯苓多糖，它通过促进细胞因子释放，提高了T细胞、NK细胞、巨噬细胞和B细胞的细胞毒性潜力。这种免疫激活通过上调促凋亡基因导致肿瘤凋亡。然而，虽然这些发现表明强烈的免疫刺激作用，但许多研究依赖于体内小鼠模型而没有标准化的免疫学终点，使得向人类的转化相关性不太确定。
临床应用已经取得进展，蘑菇多糖与化疗一起用于结直肠癌、胰腺癌、胃癌和肝癌。它们的主要益处在于降低治疗相关毒性、延长生存期和通过抑制肿瘤进展和增强细胞凋亡来改善生活质量。例如，香菇多糖抑制了小鼠H22肝癌细胞增殖，肿瘤抑制率分别达到65.41%和61.07%。这些效应伴随着血清IL-2和TNF-α的升高，两者都是抗肿瘤免疫的关键介质。
蘑菇多糖在高脂血症管理中的机制和治疗潜力
高脂血症是心血管疾病和代谢综合征的主要风险因素，仍然是全球主要的健康负担。在此背景下，蘑菇多糖已成为脂质调节的有吸引力的天然候选物，因为它们能够同时调节多种代谢途径，包括脂质代谢、氧化应激、胆汁酸合成和肠道微生物群组成。
一个代表性例子是黑木耳多糖组分，它通过显著降低血浆甘油三酯、LDL-C和总胆固醇水平，在昆明小鼠中表现出显著的降脂活性。这些效应表明其作为天然降脂剂的效率。类似地，杏鲍菇多糖已被广泛研究其保肝和降脂潜力。在HFD诱导的模型中，杏鲍菇多糖通过降低胆固醇、甘油三酯和LDL-C同时增加HDL-C来改善脂质谱。
总之，目前的证据强调蘑菇多糖通过多种机制调节脂质代谢。它们似乎通过调节HMG-CoA还原酶等酶、增强胆汁酸合成以促进胆固醇排泄以及重组影响脂质吸收的肠道微生物群落来发挥作用。
蘑菇多糖的保肝潜力：机制和治疗意义
肝脏对解毒和代谢至关重要，极易受到毒素损伤。各种蘑菇多糖已证明具有保肝特性。例如，在罐装姬松茸加工过程中，废水衍生的多糖在CCl4诱导的肝损伤模型中表现出显著的保肝作用。特别是，Abap1002和Abnp1002引起了血清转氨酶的剂量反应性下降，并伴随坏死、肝细胞变性和炎症浸润的减弱。
相比之下，榆耳多糖在一个更具疾病相关性的模型中进行了测试。预处理显著减轻了大鼠中酒精诱导的肝损伤，降低了血清酶并抑制了脂质过氧化标志物。重要的是，酶促抗氧化剂和非酶促对应物都得到了恢复。与主要证明酶泄漏减少的姬松茸组分相比，榆耳多糖提供了更广泛的抗氧化再平衡，表明更强的治疗潜力。
蘑菇多糖的额外生物活性潜力
蘑菇多糖在其已有充分记载的治疗特性之外，还表现出抗炎活性、抗衰老效应和辐射防护特性。例如，竹荪多糖在HFD小鼠中引发了炎症细胞因子的剂量依赖性调节，增强抗炎介质同时抑制促炎对应物，从而突出了其免疫调节潜力。
在皮肤老化领域，灵芝多糖通过调节ROS/MAPK和cAMP/PKA通路，保护免受UVB诱导的成纤维细胞光老化和黑素生成，在斑马鱼中具有可比疗效，抑制了UVB驱动的色素沉着。结构多样性在枸杞多糖组分中也很明显，它们具有不同的单糖组成和构象，导致通过IIS通路激活在秀丽隐杆线虫中具有不同的抗衰老机制。
蘑菇多糖还表现出辐射防护特性，这是一个日益受到关注的领域，因为合成辐射防护剂的局限性。例如，亚侧耳多糖通过抑制ER应激通路，减少了小鼠中γ辐射诱导的脾细胞凋亡。
蘑菇多糖的潜在应用
蘑菇多糖由于其生物活性功能，被广泛应用于功能性食品、营养保健品和化妆品中，有助于疾病预防和健康增强。它们由无毒、生物相容和可生物降解的碳水化合物聚合物组成，表现出独特的物理化学特性，包括凝胶、增稠和成膜能力。
蘑菇多糖作为功能性成分显示出巨大潜力。例如，真菌几丁质作为一种来自真菌的多糖，由于其安全性和持续可得性，在食品和营养保健品中作为纳米材料显示出巨大潜力。将蘑菇多糖纳入食品基质可增强营养价值和功能特性。这种改进源于结构依赖的流变行为——这是提取控制的聚合物构型的直接结果。
蘑菇多糖在食品包装中的应用
将蘑菇来源的多糖加入纤维素纳米纤维膜中，已被证明可以减少食品储存过程中的氧化和脱水。这种改进例证了提取和混合条件决定了聚合物链排列和表面反应性，进而控制屏障和保湿特性。真菌几丁质被认为是甲壳素的一种可持续且具有成本效益的替代品，由于其易于提取而受到广泛关注。提取强度和脱乙酰度决定了结晶度和薄膜特性。β-葡聚糖与真菌几丁质的组合产生了纳米级复合结构，纤维尺寸和几丁质与β-葡聚糖的分布因物种而异。这种结构组织增强了机械性能，包括高拉伸强度和类弹性体回弹性，特别是在加工成纸基包装时。
转化与临床前景
基于其技术和营养应用，转化证据进一步强调了EMMPs的临床和商业潜力。尽管EMMPs已显示出广泛的临床前功效，但向临床和监管环境的转化仍处于早期阶段。几种多糖包括香菇多糖、裂褶菌多糖和云芝多糖肽已进入人体临床评估，作为癌症治疗、代谢调节和免疫调节的佐剂，其中一些已在日本和中国获批用于临床。最近的临床证据表明，香菇多糖在TACE治疗后增强了肝细胞癌患者的免疫恢复并降低了调节性T细胞比例，而对52项RCT的荟萃分析证实，香菇多糖联合顺铂显著改善了恶性胸腔积液病例的治疗反应和生活质量。从ESAR的角度来看，标准化提取确保了β-(1→3)/(1→6)-葡聚糖螺旋的保留，这是受体结合和细胞因子激活的基础；这种结构保真度直接支持了观察到的持续临床免疫调节。
结论与展望
across 食用和药用蘑菇，加工不是一个背景细节，而是一个可编程变量，它定义了EMMP的结构，从而决定了功能。文献一致表明，在溶剂、pH、温度、时间、强化和分级分离方面的选择重塑了单糖组成、键合模式、分子量窗口和三螺旋完整性，进而控制了受体结合、氧化还原平衡和代谢结果。然而，大多数主张仍然是描述性的，因为提取历史、结构分析和生物测定很少作为一个单一的因果链对齐。本综述提出了ESAR框架作为连接加工、分子结构和生物功能的统一策略。
