《Food Physics》：Physical field-assisted technologies for polysaccharides: A critical review on extraction enhancement, structural modification, functional improvement, and future perspectives
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天然多糖作为连接质构设计与营养功能的结构可编程生物聚合物，其价值日益受到重视。然而，依赖于长时间加热、苛刻化学条件或多步纯化的传统提取路线往往会破坏分子完整性、限制提取率并导致高能耗，最终制约了最终产品的功能表现。本综述系统考察了四种具有代表性的物理场辅助提取
天然多糖作为连接质构设计与营养功能的结构可编程生物聚合物，其价值日益受到重视。然而，依赖于长时间加热、苛刻化学条件或多步纯化的传统提取路线往往会破坏分子完整性、限制提取率并导致高能耗，最终制约了最终产品的功能表现。本综述系统考察了四种具有代表性的物理场辅助提取技术（超声辅助提取、微波辅助提取、脉冲电场辅助提取和超高压辅助提取）在多糖提取及功能强化方面的应用。研究人员分析了它们的作用机制、所提取多糖的结构-功能关系、与多物理场级联及绿色溶剂的协同作用，并建立了一个面向应用的技术选择比较框架。物理场辅助提取能够在提取过程中实现原位结构调控，其表现优于传统方法。协同策略进一步提高了提取效率和功能表现。尽管取得了一定进展，但工业化放大在能量均匀性、设备设计和过程经济学方面仍面临挑战。未来的研究方向包括人工智能（AI）驱动的精准优化、面向功能的级联提取以及循环经济的整合。这些技术重新定义了多糖提取范式，以实现高附加值、功能定制化生物聚合物的可持续生产。
1. 引言
天然多糖已从主要被视为大宗亲水胶体转变为被广泛认可的“结构可编程生物聚合物”，其能够将质构设计要求与以营养为核心的配方目标相统一。除了作为增稠剂、胶凝剂和稳定剂的传统作用外，来源于植物、动物、海洋生物和微生物的多糖还在乳化稳定、泡沫调节、保水以及可食性薄膜制造方面发挥重要功能。同时，越来越多的证据表明它们作为膳食纤维具有生理益处，包括调节血糖、增强饱腹感以及与肠道菌群的益生相互作用。多糖的多功能性与市场对清洁标签食品日益增长的需求高度契合，促使制造商优先选择消费者熟悉的成分、简化的成分列表以及更温和、更可持续的加工方法。
然而，传统提取方法在提取生产率和分子完整性保存之间面临着固有的权衡，这最终限制了提取多糖在食品和生物医学应用中的功能表现。传统热水提取（HWE）通常受限于溶质扩散缓慢和细胞壁破坏不完全，导致处理时间长和过度热暴露，这种热应力会引发多糖解聚和构象变化。酸或碱辅助提取虽能加速多糖溶解，但会增加化学品消耗和废水产生，从而造成更高的环境负担，并可能引发脱酯化、电荷密度改变和支链结构降解等副反应，直接损害多糖的胶凝特性和界面活性。酶辅助提取在选择性上具有优势，但面临成本高、批次变异大和对原料基质高度敏感等挑战。在传统策略中，提高提取率通常以降解高分子量组分、产生不良颜色（如美拉德褐变）和增加杂质共提取为代价。物理场技术通过融合强化传质与可调结构调控，提供了一类全新的加工机制，它不仅能实现提取，还能进行功能强化，而非单纯的分离。
2. 科学计量分析
研究文献的系统检索和科学计量评估使用了Web of Science Core Collection (WoSCC)数据库进行。分析涵盖了超声辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）、脉冲电场（PEF）处理和超高压（HPP）加工四种技术。经过标准化筛选，文献目录被导入VOSviewer进行文献计量网络分析。年度发表动态显示，四种技术的出版产出呈现出显著的两阶段增长模式：2005至2018年为初始阶段，年出版量较低；2019年起进入快速增长期。在主要贡献国中，中国居全球之首，印度、美国、西班牙和法国紧随其后。关键词共现聚类分析表明，不同技术的核心研究主题存在显著重叠，高频关键词涵盖提取工艺优化、抗氧化活性、结构表征、理化性质分析和生物活性评估，聚焦于系统评估提取多糖的结构与功能关系。
3. 物理场提取多糖及其机制
物理场通过多尺度级联强化提取过程：外部能量输入引发初级物理效应，诱导材料微观结构变化，最终促进宏观传质。在分子尺度上，物理场能量破坏非共价相互作用并可能诱导构象变化；在细胞尺度上，物理场破坏作为细胞内多糖释放主要屏障的细胞壁和膜；同时，微流、湍流和温度梯度扰动溶剂边界层，显著降低外部传质阻力。
3.1. 超声辅助提取（UAE）
当超声波在液体介质中传播时，会产生交替的压缩和膨胀周期，引发空化效应。气泡在压缩阶段剧烈破裂，释放局部高温和高压并产生强烈的微射流和冲击波。这些效应能够破坏刚性细胞壁，产生机械剪切力，降低扩散边界层厚度并强化内外传质。在提取过程中，通常采用响应面法（RSM）结合Box-Behnken设计（BBD）进行工艺优化。相较于常规热水提取（HWE），UAE能够显著提高多糖产率，大幅缩短提取时间，并降低比能耗和碳排放。这些改进归因于空化和机械剪切力破坏了细胞壁微结构，降低了纤维素结晶度和颗粒尺寸。
3.2. 微波辅助提取（MAE）
微波是频率在300 MHz至300 GHz之间的电磁波，其机制源于极性分子对交变电磁场的响应。微波能量穿透材料并直接激发内部极性分子，产生快速均匀的体积加热。这种强烈的内部加热迅速气化胞内液体，导致压力急剧增加并使细胞结构破裂。MAE通过热效应和非热体积效应协同工作，实现高效提取。关键操作参数包括微波功率、时间、温度和固液比，其优化通常使用单因素实验和RSM法。适当的含水量和颗粒尺寸对于确保一致的体积加热至关重要。
3.3. 脉冲电场辅助提取（PEF）
PEF机制在于向生物细胞施加微秒级、高强度电脉冲。当跨膜电位超过临界阈值（约1 V）时，细胞膜脂质双分子层发生电击穿，形成可逆或不可逆的微孔，从而显著增加膜通透性，促进胞内大分子释放。由于处理过程中整体温升极小，PEF能够有效保留热敏性目标化合物的生物活性。其机制主要针对细胞膜，对细胞壁的直接作用有限，使其非常适合处理具有薄细胞壁的热敏高水分原料。
3.4. 超高压辅助提取（HPP）
HPP通常在100至1000 MPa的静水压下进行。基于帕斯卡定律，压力瞬间且均匀地传递至压力容器内的所有材料中。高压破坏了维持生物大分子高级结构的非共价相互作用，导致细胞膜功能丧失和细胞器变形，促进胞内成分释放。该过程通常在室温或低温下进行且不切断共价键，故能保留目标多糖的天然构象和生物活性。操作参数中，压力强度和处理时间对提取效率至关重要。
3.5. 比较总结与选择指南
技术选择应依据目标产品属性和原料特性进行指导。UAE和MAE分别通过空化剪切和体积加热增强传质，PEF则以最小的热效应突出膜透化作用，HPP则利用压力驱动渗透和结构调控。为弥补加工盲目性，研究人员提出了一套分层决策框架。该框架基于原料特性、工艺约束与功能产品属性进行3级结构化筛选。在选定技术后，实施过程需统筹预处理与初级回收一体化流程，进而保障多糖结构修饰效果的完整留存。
4. 物理场提取对多糖结构、功能与生物活性的影响
物理场提取是一步结构重塑干预过程，可重塑多糖的分子构建、超分子组织和杂质共提取特征。
4.1. 结构修饰
四种技术均被证明能够通过解聚效应降低多糖分子量（Mw），但机制和程度各异。UAE利用空化产生的强大剪切力机械切割糖苷键；MAE通过热降解诱导解聚；PEF对主链的直接降解较弱，有限于侧链断裂或聚集体解离；HPP的影响更为复杂，高压在促进释放的同时，流体静压和剪切力可能会诱导多糖链的部分降解，且溶剂pH会与压力产生协同效应。此外，物理场还能破坏维持多糖高级构象的非共价相互作用，诱导链构象和宏观形态的变化。
4.2. 功能修饰
Mw降低和链构象扩张是改善理化性能的内在驱动。解聚导致了链缠结的减少，从紧密有序结构向松散无规线团的转变暴露了内部的羟基和羧基等亲水基团，增强了水-聚合物相互作用并增加了溶解度。由于链解缠结网络减弱，四种技术均能降低多糖溶液黏度并呈现剪切变稀行为，其中PEF导致的黏度降低最为温和。此外，破环聚集体和高级结构暴露了反应性基团（如-COOH和硫酸基团），这些基团可作为电子供体清除自由基，从而提升抗氧化活性。
4.3. 生物活性与生物可及性
适度的Mw降低和链构象展开可解除空间位阻，使多糖能够与受体结合从而激活免疫细胞并促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等免疫因子的释放。然而，物理场能量过强会导致结构被过度破坏，失去受体识别所需的链构象，反而造成生物活性大幅下降。相比于UAE和MAE，PEF和温和的HPP在平衡提取效率与结构保留方面更有利于生产高免疫调节活性的多糖。
5. 多物理场协同策略与绿色溶剂整合
单一物理场存在的固有局限性限制了进一步突破，当前研究趋势转向了多物理场的智能结合及与绿色溶剂的联用。
5.1. 多物理场协同效应
基于时序进行划分，多物理场协同策略分为顺序处理与同步耦合两类。超声-微波协同提取（US-MAE）通过微波体积加热加剧胞内压，结合超声波产生剪切空化破坏细胞壁，以进一步缩短提取时长并提升产率。超高压-超声（HPP-US）处理则由高压实现基质软化，超声则放大质量传递效率。此外，非热协同组合脉冲电场-超声（PEF-US）更展现出在各类大分子提取中的应用潜力。
5.2. 物理场技术与绿色溶剂的整合
以水、稀酸或稀碱的传统溶剂法常引发大分子的过度降解。将低共熔溶剂（DES）替代传统提取介质并结合物理场介导，由于天然溶剂的卓越调配灵活性，实现氢键网络的精准剥离与靶向分级。亚临界水提取（SWE）则在降压控温的物理状态下，大幅降低体系介电常数与表面张力，成为中极性物质的高效绿色提取替代方案。
6. 挑战、机遇与未来研究方向
尽管物理场技术在实验室规模展现出巨大潜力，但向工业应用的过渡及向精准化、可持续方向演进仍面临重大挑战。
6.1. 规模化挑战与过程工程
UAE面临随体积增大导致的声能衰减和分布不均问题；MAE在放大时受限于微波有限的穿透深度和加热不均导致局部过热；PEF在连续流系统中存在电极腐蚀、电弧放电风险以及对高电导率物料的限制；HPP则因其固有的间歇式批次处理模式导致产能低且设备资本支出庞大。借助计算流体力学优化反应器几何形状与预测能量分布，是推动连续流设计的关键方向。
6.2. 未来前景
6.2.1. 人工智能（AI）赋能的精准加工
AI具备解决多变量复杂多糖辅助提取非线性问题的潜力。人工神经网络（ANN）展现出的精确预测能力结合遗传算法（GA），实现了对处理工艺的高通量寻优。未来，整合实时感知与机理耦合的数字孪生模型将彻底推动物理辅助多糖制造的工业化迈进。
6.2.2. 面向最终应用的功能导向设计
研究正从“产量驱动提取”转向面向特定应用的“功能靶向定制”。在此架构中，结合多物理场处理强度可有效调节果胶多糖的酯化度，以获取在低糖凝胶食品应用中的无需化学改性脱酯的高附加值多糖产物。
6.2.3. 可持续性与循环经济
农业副产物重组意味着直接获取可持续生物质高价值成分的关键。物理场辅助技术凭借低能耗表现减轻了生产流程碳足迹，生命周期评估（LCA）量化表明了多物理场结合策略的切实有效性。将各类可再生能源利用与废弃物资源化深度集成，将成为新一代多糖绿色生物炼制核心技术体系的一大基盘。
