《International Journal of Molecular Sciences》：Extraction, Structure–Activity Relationships, and Modification of Plant-Derived Polysaccharides: An Integrated Framework for Evidence-Based Method Selection and Bioactivity Optimization—A Review
植物源多糖已被广泛研究，然而三个相互关联的挑战仍未得到充分探索：提取方法的选择往往缺乏系统验证；构效关系（structure–activity relationship, SAR）的研究仍较为零散；结构修饰策略很少基于SAR知识进行设计。本文系统总结了三个关键方面：提取、SAR和结构修饰。研究人员批判性地比较了多种提取技术，并阐明方法选择需要考虑原料特性与应用导向。研究人员还证明，提取条件可能影响结构完整性，进而影响生物活性。随后，研究人员通过考察分子量、单糖组成、糖苷键连接方式、糖醛酸含量和链构象来分析SAR，以确定生物功能的结构决定因素。最后，研究人员综述了化学修饰策略，并阐述了其功效如何依赖于最初由提取所决定的结构特征。通过整合这三个阶段的证据，本综述提供了一个实用框架，以支持植物源多糖在医药、食品和生物材料领域中合理、循证的发展。
1. 引言
多糖是由十个以上单糖残基通过多种糖苷键（涉及1→4、1→3和1→6键的α/β构型）连接而成的大分子，广泛存在于植物、动物和微生物中，在生命系统中发挥重要的生理作用，通常被认为毒性较低，并具有多方面的生物活性。这些特性使多糖成为治疗干预和疾病预防的可行候选物。然而，多糖结构的固有复杂性给提取带来了重大挑战。不同的提取方法不仅导致多糖得率的差异，还可能影响其生物活性。传统提取方法存在提取率低、处理时间长、溶剂消耗大等局限性。为克服这些局限，微波辅助、酶辅助和超声辅助技术相继被开发，有效提高了多糖提取的速度和得率。尽管如此，考虑到实验简便性、工厂适用性和成本维护，水提醇沉法仍是常用的多糖提取方法。
植物多糖已被报道具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、抗菌、抗肿瘤、免疫调节、抗病毒、抗凝血和降血糖等作用，这些活性与其结构特征密切相关。构成多糖的单糖主要包括木糖、果糖、半乳糖、葡萄糖、乳糖、甘露糖、阿拉伯糖和鼠李糖，部分多糖还含有半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸。单糖组成和比例的差异与生物活性的变化相关联。酸性多糖的单糖组成进一步包含糖醛酸部分。糖醛酸含量也是影响多糖生物活性的关键结构决定因素。某些结构复杂的多糖存在水溶性有限和粘度高的问题，导致吸收性差和生物利用度低。化学修饰提供了一种合理策略，通过靶向特定结构参数来调节多糖结构和生物学功能，从而增强其在生物医学和材料科学中的适用性。本综述采用整合的、基于证据的视角，综合了提取、SAR和结构修饰三个相互关联维度的文献，旨在为植物源多糖在制药、食品和生物材料领域的合理设计和应用提供有益参考。
本文为叙述性综述。文献检索在Web of Science、PubMed和Google Scholar中进行，使用植物源多糖、提取、SAR和结构修饰等关键词。检索优先考虑近五年的出版物，对于近期文献有限的主题，检索范围扩展至更早的开创性工作。文献检索以英文进行，包括同行评审文章和学术论文。
与近期相关综述不同，本研究将提取、SAR和结构修饰整合到一个以多糖结构概念为统一核心的单一框架中。本综述聚焦于植物源多糖；微生物和动物多糖仅在必要时提及以进行比较或机制说明。在本研究中，多糖结构将提取、生物活性和修饰连接成一个连贯的框架。
2. 多糖提取工艺：提取方法对结构特征的影响
多糖的提取不仅是一个分离过程，也是一个对其后续结构特征研究产生深远影响的关键步骤。不同的提取技术通过物理或生物作用破坏植物细胞壁，这不仅影响提取率，还可能影响多糖的分子量、糖苷键、支化度和链空间构型。因此，提取方案不可避免地涉及生产率、结构保留和生物活性之间的平衡。
2.1 热水提取
热水提取（HWE）法是传统且常用的多糖提取技术。其原理是将多糖溶解在热水中，然后加入乙醇进行沉淀。该方法操作简单、经济，至今仍是工业生产和实验室研究的首选基准方法。然而，长时间加热可能导致糖苷键断裂和多糖分子量变化。研究表明，在室温下延长提取时间不会提高得率，但会降低分子量。虽然高温水提法能获得较高得率，但可能损害多糖的高阶结构完整性。不过，通过优化提取条件（温度、时间和料液比），可以提升提取性能和产物得率。值得注意的是，热水提取法仍能展现出良好的生物活性。总之，多糖在热水提取过程中的稳定性可能与其分子结构密切相关。对于需要保留高阶结构的多糖，可以优化提取条件或考虑替代方法。
2.2 物理场辅助提取（微波/超声）
物理场辅助提取可利用微波热效应或超声空化效应加速细胞壁破裂并缩短提取时间。此外，这些物理力也可能诱导多糖分子的结构改变。微波辅助提取（MAE）利用微波场中极性分子的振动产生热量，加速细胞内物质的溶解。超声辅助提取（UAE）通过空化作用产生局部高温高压，增强溶剂的渗透能力。研究表明，物理辅助提取不仅能提高得率，更重要的是，可通过超声或微波的机械剪切作用实现多糖分子量的可控降低。因此，物理场辅助提取不仅是一种加速器，也是一种分子量调节工具，可用于特异性调控多糖的分子量。
2.3 酶辅助提取
酶辅助提取（EAE）利用纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶、β-葡聚糖酶等酶降解细胞壁组分，从而在温和条件下释放多糖。与物理场辅助提取相比，酶法提取的一个重要特点是操作条件相对温和，有助于减少提取过程中的多糖降解，从而更好地保留其天然结构。在得率方面，某些多糖的酶法提取优于水提。从结构保留的角度看，酶法提取的温和条件可防止高温和强烈物理剪切对多糖链的损伤。此外，通过改变提取条件，也可能影响分子量分布。研究表明，酶法提取还可以提高分子量。对于SAR提示分子量或完整构象为活性所必需的多糖，酶辅助提取可能是首选方法。尽管酶法成本较高，但在需要保留高阶结构的场景下，这一成本是合理的。
2.4 真空提取与多技术协同
真空提取是在减压条件下降低溶剂沸点，使多糖在低于传统热水提取的温度下进行提取。目前，真空提取技术作为独立提取方法尚未见用于植物源多糖提取的报道，但常作为辅助手段使用。多技术协同提取代表了多糖提取技术的发展方向。单一提取方法往往难以兼顾得率、结构保留和成本。协同提取通过叠加不同的物理和/或生物效应，有望实现优势互补。超声-酶协同提取（UEAE）是研究最广泛的联合技术之一。超声-微波共提取法结合了两种物理场的优势。微波-酶偶联提取利用微波预处理或辅助加热来提高酶解效率并缩短总提取时间。值得注意的是，协同提取的意义不仅在于提高得率，通过调整各种技术参数，还可能实现对多糖分子量和结构构型的分级可控调节。因此，协同提取代表了从盲目追求高产率向得率、结构和活性一体化设计的范式转变。
2.5 提取方法的可扩展性与工业适用性
在实验室多糖提取中，得率、结构完整性和生物活性是首要考虑因素，而工业规模生产还涉及可扩展性、成本效益、环境影响、溶剂回收和法规遵从等额外约束。越来越多的研究强调，提取方法不仅要评估其得率和效率，还要评估其工业可行性。
2.5.1 多糖提取的可扩展性
可扩展性是工业应用的关键因素。热水提取设备要求简单、工艺参数成熟，可扩展性高，是食品和医药领域的首选方法。而MAE和UAE等辅助技术在大规模应用中面临加热不均、能量分布和设备安全等挑战。目前已有研究报道了新型绿色提取技术——均质辅助负压空化提取（HNPCE）技术，其在中试规模下的得率与实验室结果基本一致，且设备投资低、原料处理量大、环保，显示出优异的可扩展性。
2.5.2 成本与经济可行性
成本考虑通常包括原材料、设备、能源、劳动力和废物处理。由于资本投入相对较低且操作简单，热水提取仍是工业中常用的方法。新兴绿色技术可能涉及更高的资本投入。酶法多糖提取成本受原料价格、资本投入和固定成本等多因素影响，需要进行全面的工艺经济评估。在经济可行性方面，EAE可能主要聚焦于高价值药用或食品级多糖的提取。
2.5.3 环境影响与绿色化学
在工业多糖生产中，环境可持续性日益受到关注。传统HWE虽以水为溶剂，但能耗高且产生大量废液。微波、超声、酶辅助和高压液相萃取等环境友好型提取技术具有溶剂消耗低、处理时间短、碳足迹低等优势。绿色溶剂、水性体系和可生物降解酶的使用进一步增强了现代提取方法的环境友好性。数据表明，绿色提取技术在植物多糖领域具有明确的环境优势。
2.5.4 溶剂回收与废物管理
溶剂回收和废物管理是工业提取中至关重要的经济和环境考量。传统醇沉法消耗大量乙醇，若无溶剂回收，该步骤将大幅增加加工成本。高效溶剂回收系统的采用可节省时间并降低成本。基于膜的下游工艺，包括超滤、透析和反渗透，因其能够在纯化多糖的同时减少溶剂使用而受到关注。
2.5.5 工业应用总结
总之，工业规模的多糖提取需要同时考虑得率、质量、成本和可持续性。HWE因其成熟的工艺和成本优势仍是大规模生产中最常用的方法，而新兴绿色技术虽具有环境效益，但在可扩展性和成本方面面临挑战。将提取与下游加工和副产品利用相结合，是推动绿色、可持续且有利可图的多糖产业的关键。
2.6 总结：从提取科学到工业应用
尽管存在上述总体趋势，但关于提取方法与多糖性质之间的关系仍存在相互矛盾的发现。这些差异可能源于原料组成、设备参数、料液比和结构表征方法的差异。值得注意的是，高提取率并不一定意味着方法更优。方法选择应从纯度、分子量保留、生物活性、能耗、溶剂使用、成本和可扩展性等多个维度进行评估。因此，最佳提取方法取决于目标多糖、所需结构特征和预期应用，而非仅取决于得率。基于上述分析，我们提出了一个整合框架。不同提取方法可能通过影响分子量、链构象和支化密度等结构属性来塑造多糖的生物活性谱。提取方法的选择并非中立的技术决策，而可能塑造多糖的结构特性和潜在活性谱。
3. 多糖结构-生物活性相关性研究进展
多糖的生物活性并非由单一结构因素决定，而是反映了多种结构元素的综合作用，包括分子量、单糖组成、糖苷键连接模式、支化度、糖醛酸含量和链形态。目前，SAR研究正从单因素搜索范式向多因素交互网络分析转变。
3.1 植物多糖提取物的异质性
大多数植物源多糖提取物是异质性混合物而非纯一化合物。粗多糖提取物通常含有共提取的蛋白质、多酚和其他小分子污染物，即使纯化后，多糖组分也常呈现宽分子量分布，并可能同时含有中性和酸性多糖成分。这些异质性可能影响观察到的生物活性。
3.2 分子量与生物学功能之间的联系
分子量是影响多糖理化性质和生物活性的最基本结构特征之一。然而，分子量与生物活性之间的相关性并非简单线性，而是多种因素相互作用的结果。高分子量虽有利于形成三螺旋高阶结构，但过大的分子尺寸会增加溶液粘度并降低溶解度；而低分子量虽更易溶于水并穿透组织屏障，但过低的聚合度可能导致缺乏足够的有序结构域。研究表明，具有优异生物活性的多糖分子量范围因来源而异。
3.3 单糖组成与比例：影响多糖结构特征和生物活性的关键参数
单糖是多糖的构建模块，调节多糖所表现出的静电荷、反应基团和生物活性。单糖类型为多糖活性提供了基本的化学框架，单糖的摩尔比与生物活性密切相关。值得注意的是，同一来源的单糖可产生截然相反的作用，这可能与特定单糖种类有关。因此，某一单糖的功能可能取决于其结构背景，不能脱离整体多糖架构来理解。
3.4 糖苷键与支化度：活性识别的重要结构参数
多糖中的各种单糖通过糖苷键连接形成不同的糖链和分支，而键的类型和连接方式以及分支的程度和结构对多糖的功能活性有显著影响。β-(1→3)和β-(1→6)糖苷键被认为有助于多糖的免疫调节、抗氧化和抗炎等生物活性。侧链对多糖生物活性有显著贡献。糖苷键模式和支化程度共同构成受体识别的分子指纹。高支化密度可能诱导空间位阻，抑制分子间氢键，从而增强水溶性；而低支化密度可能有利于形成致密螺旋结构或高粘度凝胶，从而降低水溶性。
3.5 糖醛酸含量：果胶型多糖的活性密码
从天然植物中提取的果胶多糖通常由四个主要结构域组成：鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（RG-I）、同型半乳糖醛酸聚糖（HG）、木糖半乳糖醛酸聚糖（XGA）和鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（RG-II）。研究表明，某些多糖的糖醛酸含量与其生物活性之间存在剂量依赖性正相关。糖醛酸的作用可能不仅限于调节蛋白质结合亲和力和生物活性，还可能作为特定膜受体的直接活性配体参与信号转导。然而，关于糖醛酸的研究目前主要局限于建立相关性，其详细分子机制仍不清楚。
3.6 链构象：从一级结构到高级结构的功能转变
链构象是多糖从一级结构到高级组织的结构桥梁，也是SAR范式中最接近机制理解的水平。三螺旋构象可影响某些多糖的生物活性。研究表明，链构象在植物源多糖中可能发挥不同作用。此外，多糖链的构象具有可调节性。超声、微波照射、加热和辐射等外部刺激能够诱导链构象变化。这意味着不同的提取方法不仅改变化学组成，还可能调节物理构象，从而激活或抑制生物学功能。
3.7 高级结构
目前，关于多糖高级结构的研究面临一定局限。尽管已观察到结构-活性相关性，但通往因果机制的道路仍然漫长。累积的显微镜证据表明，具有生物活性的多糖表现出显著的形态多样性。显然，多糖的生物活性与结构致密程度密切相关。在免疫调节方面，目前缺乏将高级结构与特定受体结合及下游信号通路激活联系起来的系统性证据。
3.8 溶液环境对多糖构象的影响
除了上述内在结构参数外，多糖在水溶液中的实际构象还高度依赖于溶剂条件，包括水分子和离子强度。这种环境敏感性可能具有直接的功能意义。分子动力学（MD）模拟提供了关于多糖链周围水分子组织以及多糖在水中构象转变的原子级细节。此外，周围溶液的离子强度也对调节多糖构象产生关键影响。总之，多糖的构象可能在水分子、离子强度和温度条件之间存在一定的特定平衡。我们建议未来的研究应至少明确说明用于构象和生物活性评估的溶剂体系、离子强度、pH值和温度。
3.9 SAR研究中的矛盾发现与方法学局限
尽管前述章节描述了总体趋势，但结构参数与生物活性之间的关系在不同研究中并不总是一致的。这些矛盾表明，结构参数并非独立作用，而是在影响生物活性时相互交互。因此，没有任何单一结构参数足以预测所有多糖的生物活性，可能需要结合结构表征、计算建模和功能测定的多因素分析来建立可靠的SAR。
3.10 表征方法及其局限性
植物源多糖的结构表征依赖于化学、色谱、光谱和显微镜方法的组合。常用技术包括用于分子量和单糖组成分析的尺寸排阻色谱（SEC）和高效液相色谱（HPLC）、用于糖苷键甲基化分析的气相色谱-质谱联用（GC-MS）、用于官能团鉴定的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、用于糖苷键和异头构型分析的核磁共振（NMR），以及用于形态观察的扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。然而，每种方法都有固有局限性。为克服这些局限，先进的 analytical 技术正越来越多地应用于多糖表征，包括圆二色光谱（CD）、先进NMR技术和小角X射线散射（SAXS）等。这些方法学局限部分解释了为何多糖构效关系的跨研究比较仍然困难，以及为何高级结构与生物活性之间的机制联系仍知之甚少。
4. 结构修饰
植物源多糖常因高分子量、低支化度、溶解度有限或缺乏官能团而表现出较弱的生物活性。结构修饰的目的不仅在于增强活性，还在于积极验证SAR原理。通过化学修饰SAR衍生的关键参数，可以放大已知活性并激活新功能。当前多糖修饰方法包括硫酸化、磷酸化、羧甲基化、硒化、甲基化、乙酰化和金属离子络合等。这些方法引入不同的官能团或螯合金属离子，从而改变分子量、电荷密度、亲水/疏水平衡和链构象，进而调节生物活性。
4.1 硫酸化：负电荷密度对生物活性的影响
硫酸化是一种将多糖羟基替换为硫酸基团（-SO3H）的化学修饰策略。最常用的方法包括氯磺酸-吡啶法、浓硫酸法和三氧化硫-吡啶法。硫酸化是调节多糖生物活性的有效手段。硫酸化修饰表明，硫酸基密度、负电荷密度和金属离子螯合能力与抗氧化、降血糖和抗凝血活性密切相关。值得注意的是，修饰程度即取代度是生物活性类型和强度的重要贡献因素，该参数存在最佳范围，更高的取代度并不一定意味着更好的活性。
4.2 磷酸化：链构象与水溶性的双向优化
磷酸化使用三氯氧磷、磷酸盐和五氧化二磷等试剂添加磷酸基团（-PO3H2）。这种修饰不仅改变多糖链的化学组成，还可能诱导多糖链构象的变化。磷酸化提供了一种激活因缺乏有序构象而活性较低的多糖的途径，这种激活通过诱导螺旋结构实现。然而，传统磷酸化受限于有毒溶剂和苛刻反应条件的依赖。未来探索温和且位点选择性的酶法磷酸化方法是有前景的替代方案。
4.3 羧甲基化：提高多糖水溶性的重要方法
羧甲基化使用氯乙酸和氢氧化钠向多糖添加羧甲基（-CH2COOH）基团。这种修饰可改善水溶性，而水溶性是多糖活性发挥的必要条件。羧甲基化修饰证实了水溶性、生物利用度和生物活性之间存在内在联系。对于水溶性差的天然多糖，羧甲基化可能是首选的修饰方法，因为溶解度是其生物活性得以发挥的前提。
4.4 硒化：微量元素与多糖的协同增强
硒多糖是在聚合物链中引入硒元素的有机硒化合物，兼具硒和多糖的双重活性，可能具有更优的生物活性且更易被人体吸收。硒化处理后，修饰多糖的粒径减小，表面形态转变为随机分布的多孔结构。硒化多糖除表现出增强的抗氧化活性外，在模拟胃消化过程中还表现出较强的硒释放能力，并能修复胃黏膜损伤。
