综述：真菌几丁质-葡聚糖复合物的工程化生命周期：提取、多尺度改性及应用质量评估

《Carbohydrate Polymers》：The engineering lifecycle of fungal chitin-glucan complexes: Extraction, multiscale modification, and translational quality assessment

　　摘要：传统来自甲壳类的几丁质存在过敏原风险、加工过程具有腐蚀性以及纯度不稳定的问题。而真菌几丁质-葡聚糖复合物则提供了一种结构上不同的替代方案，因为其几丁质微纤丝与β-葡聚糖结构通过共价键结合，形成了双组分网络，这一结构将提取质量与改性潜力及生物功能联系在一起。本综述从原料选择、绿色提取、多尺度改性到生物医学应用等方面对真菌几丁质-葡聚糖复合物进行了评估。文中比较了五种提取策略，即深共晶溶剂法、酶法、离子液体法以及物理场辅助技术，并依据乙酰化程度、重均分子量、结晶度指数、葡聚糖含量和脱蛋白效率这五项结构质量指标对它们进行了分析。这些参数决定了可用于纳米结构构建、化学衍生化以及响应型交联的材料基础，同时也为在伤口处理、组织工程、药物递送、癌症免疫调节以及微生物群相关免疫调控领域的应用提供了指导。此外，本文还提出了“几丁质-葡聚糖复合物转化质量指数”，作为一个概念性决策框架，用于综合考虑提取过程的可持续性、改性的可行性、生物医学证据、生物安全性、监管准备情况以及生产可行性。最后，本文指出了标准化从原料到功能材料的性能参数、在不同实验室间验证转化质量指数，以及明确实现可重复生物医学应用所需的结构-功能机制等方面的重点。

引言：几丁质是一种β-1,4连接的N-乙酰-D-葡萄糖胺多糖，是仅次于纤维素的第二大天然生物聚合物（J.-K. Chen, Shen, & Liu, 2010）。由于其良好的生物相容性、可生物降解性以及可调控的生物活性，过去二十年来，几丁质及其脱乙酰衍生物壳聚糖已成为生物医学工程领域的重要材料（Baharlouei & Rahman, 2022），其应用范围涵盖了抗菌涂层、止血剂、伤口敷料、药物递送系统以及免疫调节制剂等（Alemu, Getachew, & Mondal, 2023; Chicea & Nicolae-Maranciuc, 2024）。2023年全球壳聚糖市场价值约为130亿美元，预计到2030年这一数字将上升至470.6亿美元，这反映出制药、组织工程以及先进伤口护理领域对其需求的快速增长（Hosney et al., 2025）。随着这些材料被应用于更高价值的临床场景，确保其供应的可持续性与可扩展性已成为学术界和工业界共同面临的紧迫任务（Hussain, Sam, Yaacob, & Tan, 2025）。然而，这种发展的背后却存在着对传统甲壳类来源供应链的可持续性和安全性日益增加的担忧（Muthu et al., 2021）。

大多数商业几丁质来源于虾和蟹的外壳，而这一供应链存在两大长期存在的问题（Riofrio, Alcivar, & Baykara, 2021）。从环境角度来看，脱矿质和脱蛋白过程需要大量使用强酸和强碱，从而产生大量具有腐蚀性的废弃物，这与绿色化学原则相悖（Sagar, Islam, Habib, Ahmed, & Sahadat Hossain, 2025）。从临床应用角度看，甲壳类物质可能仍含有难以完全去除的致敏蛋白以及镉、铅、砷等重金属，这些物质可能带来免疫原性和生物毒性风险。此外，由于这些物质源自贝类，对于全球0.5%到2.5%有贝类过敏症的人群来说，使用这类材料是绝对不可行的（Woo & Bahna, 2011）。综上所述，寻找高质量、可持续且无过敏原的替代几丁质来源，已成为生物材料领域的一项重要任务。

真菌作为一种替代几丁质来源越来越受到关注，因为它们能提供非甲壳类生物质，且不易引发贝类过敏反应。这一替代方案的可行性有着坚实的产业基础。根据联合国粮食及农业组织的数据，2022年全球可食用蘑菇的产量约为4830万公吨，其中香菇、平菇和白玉菇占据了主要种植量（Ravlikovsky, Pinheiro, Kucheruk, & Symochko, 2025）。蘑菇加工过程中会产生约26%到46%的生物质废物，主要为菌柄和废弃培养基，目前这些废物大多被用于堆肥或直接丢弃（Martín, Zervakis, Xiong, Koutrotsios, & Str?tkvern, 2023）。如果能够将这些未被充分利用的副产品转化为几丁质-葡聚糖复合物的原料，不仅可以实现农业废物的高值利用，还能建立无需额外投入新原材料的稳定供应链。在真菌细胞壁中，几丁质并非以独立且易于分离的聚合物形式存在，而是嵌入由β-葡聚糖、甘露蛋白以及其他细胞壁成分构成的复合基质中。正是这种结构特点，使得从真菌中提取几丁质-葡聚糖复合物时，需要选择性破坏细胞壁基质，同时保持几丁质与葡聚糖之间的天然结合关系。这种天然的雙组分结构带来了两大优势：其一，葡聚糖部分有助于改善材料的膨胀性能和加工适应性；其二，几丁质与β-葡聚糖的共存为Toll样受体2和树突状细胞相关C型凝集素-1通路所介导的协同模式识别提供了结构基础（Amarsaikhan & Templeton, 2015）。这种免疫学意义应结合聚合物的大小、β-葡聚糖的暴露程度、分支状况、聚集状态以及材料形态来理解，而不能仅仅归因于乙酰化程度或葡聚糖含量。此外，该材料并非源自贝类，因此符合纯素食和清真饮食的要求，这大大提升了其在临床和消费市场的接受度（Herdiana, Sofian, Shamsuddin, & Rusdiana, 2024; Jones et al., 2019）。由此可见，几丁质-葡聚糖复合物并非简单的甲壳类几丁质替代品，它在结构组成和生物功能方面都具有独立的价值，体现了真菌衍生生物材料的独特应用潜力。

对于真菌几丁质-葡聚糖复合物的环境友好性评价，也需要依靠具体的工艺指标，而不仅仅是基于其生物来源的优势。在一项比较生命周期评估研究中，Berroci等人发现，真菌几丁质纳米纤丝的全球变暖潜力为每千克产品18.5公斤二氧化碳当量，而虾壳和蟹壳几丁质纳米晶的这一数值则分别为906.8公斤和543.5公斤二氧化碳当量/千克。在考虑到提高能源效率以及95%的溶剂和化学品回收率的优化生产情景下，真菌几丁质纳米纤丝的全球变暖潜力可降低到每千克14.7公斤二氧化碳当量（Berroci, Vallejo, & Lizundia, 2022）。因此，真菌几丁质-葡聚糖复合物应被视为一种潜在的低碳替代材料，而非天生就具备绿色特性的材料。

尽管真菌几丁质-葡聚糖复合物逐渐被认可为一种结构上不同于甲壳类几丁质的替代材料，但其发展仍然处于分散状态。现有的综述大多将真菌细胞壁多糖、几丁质/壳聚糖或β-葡聚糖视为独立的聚合物类别，分别阐述了它们的化学结构和生物活性，但对于作为整体材料系统的几丁质-葡聚糖复合物，则阐述得不够清晰。这种区分非常重要，因为真菌几丁质-葡聚糖复合物中的几丁质微纤丝和β-葡聚糖链存在于一个经过共价键连接的细胞壁结构中，因此原料的来源、提取历史以及结构的完整性共同决定了其改性的可行性和应用性能。这种材料的复杂性为实际应用带来了诸多障碍，包括提取工艺标准不统一、结构表征结果不一致、提取质量与后续改性之间的关联较弱，以及与实际应用相关的验证工作不足。为了解决这些问题，本综述按照从原料到应用的发展路径，依次探讨了真菌几丁质-葡聚糖复合物的原料选择、结构质量指标、绿色提取方法、多尺度改性技术、生物医学应用匹配以及转化评估等内容。通过将几丁质-葡聚糖复合物视为一種整体材料系统，本综述为评估由提取过程决定的结构质量，并将这类质量属性与改性设计、生物医学应用匹配以及转化评估相结合，建立了一个分析框架。

CGC的结构架构与特征参数：CGC在提取、改性以及生物医学应用过程中的独特表现，并非由某一项单一属性单独决定，而是源于三种相互关联的结构参数——乙酰化程度、重均分子量以及结晶度指数的共同作用，而这三种参数都源于真菌细胞壁特有的分子结构。正是这些参数共同决定了真菌几丁质-葡聚糖复合物的结构特性，使其区别于甲壳类来源的材料。

从真菌中提取CGC的方法：在比较各种具体的提取技术之前，首先需要明确并标准化所使用的真菌原料，因为预处理步骤会影响到细胞壁结构的可提取性。通常，蘑菇子实体需要先经过清洗以去除表面杂质，必要时进行干燥，然后通过搅拌机、研磨机、粉碎机或均质器将其机械破碎。得到的粉末还可以通过筛分来减少颗粒大小的不均匀性。所有这些操作都会影响后续所有步骤中的物质传输过程。

CGC的改性与衍生化策略：虽然真菌几丁质-葡聚糖复合物的结晶度（44%–63%）明显低于甲壳类几丁质（85%–92%），但这一结构优势并不能直接转化为其在水溶液中的加工性能（Grifoll et al., 2024）。几丁质的主链保持着高度有序的分子内和分子间氢键网络，这使得链段难以移动，也难以与水发生作用；而共价连接的β-葡聚糖基质虽然会形成无定形区域，从而增加反应位点的可及性，但……

生物医学应用：CGC的生物医学性能不仅取决于其多糖组成，还与提取过程以及后续改性过程中形成的结构特性和界面性质密切相关。提取和改性操作可以改变基于CGC材料的表面化学性质、孔隙率、机械性能、吸液能力以及物质传输行为。这些变化会影响这些材料与细胞、组织、生物流体以及微生物群落的相互作用，进而决定它们的……

主要挑战与未来的应用方向：尽管CGC在生物医学功能材料领域具有显著的内在优势，但从实验室研究走向实际临床应用仍然面临着诸多系统性障碍。从根本上说，这些障碍都源于一个核心问题，那就是目前缺乏针对关键结构参数的标准报告规范，这些参数包括乙酰化程度、重均分子量、结晶度指数、葡聚糖含量以及脱蛋白速率等。由于缺乏统一的评估标准，很难准确判断提取产品的质量、改性的效果以及最终产品的应用前景。

结论与未来展望：CGC是一类源自细胞壁的多糖材料，其性能受真菌来源、几丁质-葡聚糖的共价结构以及加工历史等多方面因素的影响。本综述将CGC的开发视为一个完整的工程生命周期，这一周期始于真菌原料的选择，经过由提取过程决定的结构质量评估，进而发展到多尺度改性、生物医学应用匹配以及转化评估等多个阶段。在这个生命周期中，乙酰化程度、重均分子量、结晶度指数、葡聚糖含量……等参数都起着至关重要的作用。

作者贡献说明：王辉：撰写原始稿件、软件应用、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。张能奇：可视化处理、结果验证、实验研究、数据整理。向厚乐：可视化处理、结果验证、实验研究。寇静伟：可视化处理、结果验证、实验研究。杨鹏鹏：资金筹集、正式数据分析。应汉杰：项目监督、资源协调、项目管理。吴静兰：撰写审稿与编辑稿件、项目监督、资源协调、正式数据分析。

未引用参考文献：Zannat and Shamshina, 2025；Zhao, Wang and Lou, 2021

利益冲突声明：不存在任何利益冲突。

致谢：本项目得到了中国国家重点研发计划的支持（2022YFC2105400）。

王辉|张能奇|向厚乐|寇静伟|杨鹏鹏|应汉杰|吴静兰
南京工业大学生物技术与制药工程学院，中国南京