综述：多糖提取技术的最新进展：提取机制、混合策略及新兴技术

《Carbohydrate Polymers》：Recent advances in polysaccharide extraction: Mechanisms, hybrid strategies, and emerging technologies

　　

赵雅|王飞|张亚星|张亮晓|王晓|李培武

杭州香湖实验室，311231，中国

摘要

多糖因其生物活性和功能特性而在食品和制药领域受到越来越多的重视。从复杂的生物基质中高效提取多糖仍然是研究和制造中的一个主要障碍。本综述批判性地总结了多糖提取和分离的绿色技术的最新进展。所涵盖的方法包括场辅助工艺、基于酶的处理方法以及物理化学分离平台。重点介绍了空化、电穿孔和质量传递增强等机制原理。研究了操作条件对产量、结构完整性和生物活性的影响。指出了阻碍实际应用的挑战和知识空白。未来的工作应优先考虑标准化的结构功能评估、可扩展的过程设计以及溶剂和能源的高效整合。本综述整合了机制和实际证据，以支持合理的方法选择，并提高生物活性多糖生产的可重复性。

引言

来自自然资源（包括植物、真菌和海洋生物）的多糖在制药、功能性食品和生物材料领域引起了极大的关注，因为它们具有显著的结构多样性、良好的生物相容性和较低的毒性（Ullah等人，2019年）。许多研究表明，天然多糖表现出广泛的生物活性，包括抗肿瘤活性（Soares等人，2011年；Wu等人，2017年）、降血糖活性（Wang等人，2016年）、抗病毒活性（Guo等人，2014年；Komatsu等人，2013年）、抗氧化作用（Qiu等人，2014年）、促进消化健康和免疫调节作用（Schepetkin & Quinn，2006年；Yu等人，2018年）。重要的是，这些生物活性不仅仅由来源决定，还受到特定结构特征的控制，如分子量（Mw）分布、单糖组成、尿酸含量、糖苷连接模式和分支结构（Deng等人，2022年）。因此，对于天然多糖而言，提取不应仅仅被视为一个以产量为导向的回收步骤；而是一个关键的结构控制过程，它直接影响提取产物的保存、改变或选择性富集功能基团，从而塑造其最终的生物和应用价值（Chemat等人，2017年；Zhang & Kang，2017年）。

尽管多糖很重要，但其提取在技术上仍然具有挑战性。传统的溶剂或热水提取方法由于其简单性仍被广泛使用，但它通常需要较长的提取时间、大量的溶剂和较高的能量输入，并且可能导致热降解或非选择性地共提取杂质。为了解决这些限制，已经开发了一系列绿色和强化技术，包括微波辅助提取（MAE）、超声波辅助提取（UAE）、酶辅助提取（EAE）、三相分离（TPP）和脉冲电场（PEF）处理（Chemat等人，2017年）。然而，这些技术的性能不能仅通过提取产量来评估。越来越多的证据表明，提取参数从根本上决定了最终多糖组分的物理化学特性，从而调节其生物效力（Dong等人，2016年）。例如，过高的超声强度或长时间的微波照射可能会导致解聚并降低分子量，而许多免疫调节和其他功能效果与分子大小和结构完整性密切相关（Xu等人，2016年）。因此，相同的提取强化策略可能会根据多糖类型以及提取条件在多大程度上保持或重塑其分子结构而减弱或增强功能性能。

还应注意的是，上游原材料处理也可能影响后续的提取行为。干燥方式、颗粒大小减小、脱脂或脱色、水分调整和有限的酶预处理等因素可以改变基质的可访问性和传质阻力，从而影响提取效率和结构保存（Kouamé等人，2025年；Nilmat等人，2024年；Wang, Ren等人，2025年；Zhang, Liu等人，2025年）。此外，尽管制药和生物材料科学领域的最新研究不断扩展了生物活性大分子的下游应用范围，但提取本身在控制多糖结构和功能方面的作用仍需要更多的系统关注。

鉴于此，本综述试图将多糖提取置于统一的提取-结构-活性视角下。与许多主要关注提取产量或单独处理个别技术的先前综述不同，它强调提取参数不仅仅是操作变量，也是下游物理化学性质和生物功能的重要决定因素。为此，本综述探讨了主要传统、新兴和混合提取技术的物理、化学和生物学原理；将关键操作参数与结构修饰、物理化学行为和生物活性联系起来；比较了这些技术在提取效率、结构保存、工艺可行性和工业可扩展性方面的表现；并进一步讨论了定向提取、以结构为导向的过程设计、技术经济考虑和基于AI的过程优化。总体而言，它旨在提供基于机制和应用相关的指导，以合理提取和可持续利用天然多糖在食品、制药和先进材料中的应用。

部分摘录

微波辅助提取（MAE）

MAE是一种先进的绿色提取技术，利用非电离电磁辐射（通常为300 MHz至300 GHz）来促进细胞内化合物的快速释放。与传统加热方法不同，MAE直接在基质内部产生热量，从而在提取效率和选择性方面具有明显优势（Mirzadeh等人，2020年）。

超声波辅助提取（UAE）

虽然微波辅助提取（MAE）在快速体积加热方面表现出色，但其对高温的依赖性对热不稳定的多糖存在热降解风险（Kaur等人，2025年）。为了克服这一热限制，研究人员越来越多地转向机械强化方法。在优化条件下，超声波可以显著缩短提取时间，尽管所需时间取决于基质和目标物质。此外，它还可以提供高

酶辅助提取（EAE）

尽管像MAE和UAE这样的物理场辅助技术具有动力学优势，但它们强烈的能量输入往往缺乏底物选择性，可能会无差别地切割脆弱的多糖链。EAE代表了从传统的物理和溶剂基方法向绿色和可持续生物加工的范式转变（Wen等人，2020年）。与依赖热或机械剪切的物理提取方法不同，EAE利用酶的固有生物特异性

新兴的物理化学和生物技术

尽管EAE保证了出色的结构保存，但其工业可扩展性往往受到反应动力学缓慢和酶成本高昂的瓶颈限制。因此，现代生物精炼厂迫切需要能够弥合物理场速度和生物方法温和性之间差距的平台。除了MAE、UAE和EAE方法之外，新兴的物理化学和非热技术提供了高效溶剂和高度选择性的多糖提取途径

组合提取技术

如前文所述，没有一种提取技术是完美的：酶法在动力学上较慢，而高强度的物理方法可能缺乏选择性并存在大分子降解的风险。随着对可持续制造需求的增加，组合提取技术作为一种强大的解决方案出现，旨在在产品质量、生产成本和溶剂最小化之间取得平衡（Tang等人，2025年）。通过整合

下游处理和膜分离

虽然绿色提取技术显著提高了粗多糖的产量，但这只是生产生物活性大分子的初始步骤（Hu等人，2025年）。在通过高能场或超临界流体进行初步提取之后，现代生物精炼厂的关注点必须转向这些提取物的精细化下游处理（Eder等人，2021年）。这种转变是由于粗提取物不可避免地与广泛的

当前技术趋势的总结及统一框架

本综述批判性地审视了多糖提取的最新进展，并强调了从传统溶剂基程序向更绿色技术的明显转变。场辅助方法（如MAE和UAE）、酶辅助提取以及TPP和PEF等分离方法可以减少溶剂使用和处理时间，并通常提高产量（Gupta等人，2025年）。然而，不应仅通过产量来评估提取性能。

缩写

AI	人工智能
ANFIS	自适应神经模糊推理系统
APTT	活化部分凝血活酶时间
ANN	人工神经网络
CAPEX	资本支出
DES	深共晶溶剂
EAE	酶辅助提取
FAE	微生物发酵辅助提取
GA	遗传算法
GC–MS	气相色谱-质谱
HPAEC-PAD	高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测
IEC	离子交换色谱
ILs	离子液体
LCA	生命周期评估
MAE

CRediT作者贡献声明

赵雅：撰写——原始草稿，调查，概念化。王飞：撰写——原始草稿，可视化，概念化。张亚星：验证。张亮晓：监督，概念化。王晓：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，概念化。李培武：撰写——审稿与编辑，资源获取。

资金

本工作得到了“先锋”和“领头鹅”研发计划（2024SSYS0103）以及杭州市关键科学研究计划项目（2025SZD1B05）的支持。

未引用的参考文献

Li等人，2025

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。