综述：普鲁兰多糖从生物合成到食品市场的转化研究：AI辅助生产、结构-性质-功能互作、法规视角及商业化

《Carbohydrate Polymers》：From biosynthesis to food market translation of pullulan: AI-assisted production, structure-property-function interplay, regulatory perspectives, and commercialization

　　

摘要
普鲁兰多糖（pullulan）是一种由类酵母真菌白叶枝顶孢霉（Aureobasidium pullulans）产生的非离子胞外多糖，因其可生物降解性、无毒性和优异的成膜性能而在食品工业中备受关注。这些特性使其适用于可持续食品包装、食用涂层及其他食品相关应用。尽管前景广阔，普鲁兰多糖的商业化应用仍受生物合成工艺、高生产成本及各地监管要求差异等挑战的限制。虽然成本仍是障碍，但发酵技术与原料优化的进展正逐步提升其可行性。本综述探讨了其生物合成—结构—性能之间的关系与工业化生产，并重点关注人工智能（AI）在优化生产工艺、提升普鲁兰多糖性能及食品应用中的新兴作用。综述讨论了AI在菌株筛选、发酵条件优化与整体产量提升方面的作用，以及在预测成膜性和抗菌活性等功能性能方面的应用。综述还进一步评估了监管挑战与全球市场动态，突出AI对普鲁兰多糖基产品可持续发展的影响。总体而言，普鲁兰多糖是一种具有广阔前景的生物高分子材料，有望替代石油基包装并支撑可持续食品体系。通过解决生产、监管与功能方面的挑战，并整合AI驱动的创新，普鲁兰多糖基解决方案可为环保、高效的食品工业实践作出贡献。

引言
普鲁兰多糖是一种通过类酵母真菌白叶枝顶孢霉发酵产生的非离子胞外多糖，该真菌常见于土壤、水和植物材料中（Bhari等，2025；Zhang等，2025）。最初它被视为一种微生物粘液（Muthusamy等，2022），随后在其他真菌物种中亦有报道，包括银耳（Tremella mesenterica）、山核桃枝腐病菌（Cryphonecteria parasitica）、Teloschistes flavicans和玫瑰红酵母（Rhodotorula bacarum）（Singh等，2021）。近年来，普鲁兰多糖在食品工业中受到广泛关注，尤其作为包装和涂层材料（Rashid、Qayum、Liang等，2024）。其生物相容性、可生物降解性、水溶性、热稳定性和多样化的加工特性，使其成为多种食品应用中极具前景的生物材料（Pandey、Shreshtha和Sachan，2021）。普鲁兰多糖已在日本作为食品成分和添加剂使用（Bhari等，2025），并且美国食品药品监督管理局（US FDA）基于科学评估将其列为"一般公认安全"（GRAS）物质，可用于包括肉类产品在内的一般食品（Zhao、Chen和Yuwen，2025）。

在结构上，普鲁兰多糖与淀粉和支链淀粉具有相似之处，但其糖苷键的比例和排列不同，这导致其在人体胃肠道中的降解行为存在差异（Zhang等，2024）。普鲁兰多糖结构与理化特性的详细分析见图1A。其线性分子架构和强亲水性赋予其水溶性以及形成透明、柔韧材料（包括薄膜、涂层和纳米颗粒）的能力（Gao、Liu和Wu，2025；Sethunga等，2025）。普鲁兰多糖可溶于水及部分溶剂，包括稀碱液、二甲基亚砜和甲酰胺，但不溶于醇类（Agrawal等，2022）。普鲁兰多糖膜通常具有良好的氧气和油脂阻隔性能；然而，其较高的水蒸气透过率限制了其在食品包装应用中作为防潮屏障的效果（Dewan和Islam，2024；Liu等，2019；Xiao等，2022）。普鲁兰多糖的分子量也是影响其力学行为的关键因素，通常高分子量普鲁兰多糖可提供更好的拉伸强度和弹性（Dong、Lan等，2023；Shanmugam等，2022；M. Zhang等，2023）。普鲁兰多糖还可通过化学修饰或与其他材料共混来引入抗菌、生物活性并改善阻隔功能（Agrawal等，2022；Dong、Lan等，2023；Zhang等，2023）。其良好的适用性支持了广泛的食品相关应用，包括食用涂层、包埋体系、质构改良、稳定化以及活性包装（Ignatova等，2023）。随着全球对可持续材料需求的增长，特别是用于替代石油基包装、减少食品损失和开发清洁标签产品（Ullah等，2025），普鲁兰多糖已成为下一代食品体系中一种可再生且高附加值的生物高分子。

尽管普鲁兰多糖前景广阔，但从实验室规模生产向市场就绪的食品应用转化仍受到若干相互关联的科学和工业挑战的制约。这些挑战源于其生物合成、分子架构及结构—性能关系的复杂性。发酵条件、菌株性能、底物选择、下游回收工艺、分子量分布和纯度的差异均会显著影响普鲁兰多糖的材料行为和使用性能。其分子结构直接影响溶解性、粘度、凝胶特性及成膜性能，最终决定其在特定应用中的功能表现（Yin等，2025）。因此，深入理解普鲁兰多糖的生物合成及其结构与功能关系，对于开发适用性材料并实现更高效的产业化应用至关重要。在此背景下，人工智能（AI）正成为应对这些挑战的变革性工具。AI驱动的方法可通过优化发酵和提取工艺、提高资源效率以及对复杂结构—性能关系进行建模，加速普鲁兰多糖在全价值链上的研究与创新。AI还可支持预测其在特定食品应用中的功能表现，并协助监管评估、安全性评价、生命周期分析以及面向消费者的产品设计。通过整合生物、加工、材料、环境和市场数据，AI为传统试错方法提供了替代方案，并可推动普鲁兰多糖开发朝着更具预测性、可扩展性和经济可行性的框架发展。

本综述对普鲁兰多糖从生物合成到食品市场应用的转化提供了全面概述。首先探讨其生物合成及结构—性能关系；随后探讨AI驱动的创新在可持续生产、提取、结构—性能建模与功能性预测方面的应用；进一步评估全球监管格局，重点强调监管途径、安全与合规挑战、环境考量以及主要食品应用；最后通过经济分析、市场增长、规模化障碍以及AI在定制化面向消费者的普鲁兰多糖基食品创新中的作用来论述其商业化问题。通过连接基础科学、数字工具、监管框架和商业化策略，本综述强调了释放普鲁兰多糖在食品领域全部潜力所需的关键路径。

节选片段

普鲁兰多糖分子生物合成与结构—性能关系之间的相互作用
普鲁兰多糖的结构—性能关系与其生物合成、发酵条件、菌株特性以及下游纯化密切相关。在生产过程中，碳源供应、氧气供给、pH、搅拌、真菌形态和酶调控等因素不仅影响普鲁兰多糖产量，还会影响其分子量分布、分支模式、纯度和组成。这些结构和组成特征决定了其功能表现

普鲁兰多糖生产和功能建模中的AI驱动创新
食品工业随着AI的整合经历了变革性变化，特别是在包括普鲁兰多糖在内的各类多糖的生产与优化方面。AI驱动的方法在优化普鲁兰多糖合成与提取、建模结构—性能关系以及预测面向消费者的所需功能性能方面发挥着关键作用（见表2、图2）。

普鲁兰多糖在食品中使用的监管途径与挑战
普鲁兰多糖在食品应用中的全球监管途径较为复杂，制造商必须在不同地区应对若干挑战。在美国，普鲁兰多糖的GRAS状态允许制造商在特定条件下将其用于食品产品，无需获得上市前批准，前提是遵守安全与质量规范。然而在某些情况下，制造商仍需提供其安全性证据，尤其是当产品被宣传为……

环境影响：普鲁兰多糖生命周期评估
由于环境担忧日益加剧，普鲁兰多糖作为石油基包装材料的一种可再生、可生物降解替代品而备受关注。生命周期评估（LCA）提供了一个系统框架，用于从原材料获取和生产到运输、使用及报废管理等全过程中的环境影响评估（Cheng等，2011）。然而，可再生来源和可生物降解性本身并不能确立普鲁兰多糖具有低于……的环境影响

普鲁兰多糖的食品应用
普鲁兰多糖是一种可生物降解、无毒、无味且成膜性能优异的生物高分子，在食品技术中具有广阔潜力。其与其他多糖、蛋白质、脂类、精油、天然提取物及纳米结构材料的相容性，使得开发食用膜、活性与智能包装、抗菌涂层、复合包装系统以及敏感生物活性成分的载体成为可能。普鲁兰多糖基材料可改善机械强度和水分……

普鲁兰多糖在食品领域的商业化
食品行业多糖的商业化已取得显著增长，这主要受消费者对天然、可持续和功能性成分需求增加所驱动。此外，随着清洁标签、功能食品和健康意识趋势持续塑造食品市场，各类真菌多糖有望继续增长。这些多糖越来越多地被纳入各类食品产品，包括功能食品、饮料和膳食……

生物技术驱动的进展
生物技术在推进普鲁兰多糖生产方面提供了重要机遇，特别是通过基因工程和成本降低策略。虽然白叶枝顶孢霉中普鲁兰多糖的生物合成已得到充分研究，但这一过程底层的分子机制仍不完整。未来研究应聚焦于解码参与普鲁兰多糖生产的复杂酶促途径、调控网络及遗传因素。可采用CRISPR/Cas9等技术来优化……

结论
作为一种多功能聚合物，普鲁兰多糖具有改变食品工业的显著潜力，特别是在食品包装、保鲜及功能食品应用等领域。其可生物降解性、无毒、成膜能力和水溶性等独特性能，使其成为可持续食品包装解决方案、食用涂层和包埋体系的理想候选材料。尽管前景广阔，其商业采用仍受到高……的限制

CRediT作者贡献声明
Muhammad Wajid Ullah：原创稿件撰写、软件、资金获取、形式化分析、数据整理、概念化。Su Sun：原创稿件撰写、软件、形式化分析、数据整理、概念化。Zainab Jamil：原创稿件撰写、软件、形式化分析、数据整理、概念化。Omar Mohammad Atta：原创稿件撰写、软件、形式化分析、数据整理、概念化。Lili Zhang：原创稿件撰写、形式化分析、数据……

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明
作者使用了基于AI的工具，包括Grammarly和ChatGPT，以纠正语法错误、拼写错误、标点符号问题，并提升整体可读性及语言清晰度。所有借助这些工具生成的内容均经作者严格审阅和修订，作者对本文最终版本承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知可能影响本文所报道工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到南京林业大学（中国南京，项目编号：163105998、163105999）紫金山教师科研启动基金、国家自然科学基金（32471808、22408176）和江苏省自然科学基金（BK20240684）的支持。

Muhammad Wajid Ullah | Su Sun | Zainab Jamil | Omar Mohammad Atta | Lili Zhang | Maleeha Azhar | Hidayat Ullah | Faryal Taimour | Mazhar Ul-Islam | Sehrish Manan | Yimin Fan | Zhiguo Wang
南京林业大学轻工与食品工程学院、化学工程学院、林业资源高效加工与利用江苏省协同创新中心、林产化学品与材料国际创新中心，江苏南京 210037，中国