综述：用于农业生物技术目的的明串珠菌属葡聚糖水凝胶文献系统映射

《Polymers》：Systematic Mapping of the Literature on Dextran Hydrogels Produced by Leuconostoc sp. for Agrobiotechnological Purposes

　　

农业面临向可持续实践转型的挑战，推动了植物促生菌（PGPB）的使用。然而，由于环境压力和干燥过程，这些细菌的存活力遭受严重损失。尽管合成水凝胶提供了保护，但其较低的生物降解性和毒性构成了生态风险，这使得由明串珠菌属生产的葡聚糖水凝胶成为一种生物相容的生物技术替代方案，尽管其面临机械稳定性相关的挑战。所采用的方法论包括在Scopus数据库中对2010–2026年期间的文献进行系统性映射。检索于2026年5月2日进行，使用了定义的检索方程，并使用RStudio（Bibliometrix）、VOSviewer和Plotly Studio处理了447篇文献，以分析趋势和合作网络。系统性映射的结果揭示了一个呈指数增长的领域（R² = 0.998），以农业科学（23.5%）和生物化学（16%）为主导。中国在产出量上占据科学产出的主导地位，而意大利和美国在定性影响力方面处于领先地位，Cimini、Schiraldi和Pandey等研究人员作为关键参考文献。研究证实了从明串珠菌属的基础表征向用于固定PGPB的基质开发的演变，将存活力损失从6 log降至可控制的4 log CFU水平。聚类分析显示出向纳米技术和响应多重刺激的“智能水凝胶”发展的明显趋势。最后，研究人员在创建预测性释放模型方面发现了战略性空白，并迫切需要通过低成本工艺实现该技术的大众化，这些是巩固可持续精准农业的核心方面。

1. Introduction
当代农业面临向可持续实践转型以减少对化学肥料依赖的挑战，推动了预计到2025年达到41.4亿美元的全球生物刺激素市场的发展。然而，非产芽孢植物促生菌（PGPB）对环境压力高度敏感，在配制和干燥过程中可遭受高达6 log CFU的存活力损失。尽管合成水凝胶具有高保水能力，但其有限的生物降解性及如丙烯酰胺等残留单体的潜在毒性构成了严重的生态风险。在此背景下，明串珠菌属作为一种 robust 的生物技术替代方案应运而生。该菌通过胞外右旋糖酐蔗糖酶以蔗糖为底物，催化水解并聚合葡萄糖单元形成具有α-1,6键的葡聚糖，产量可达3.7 g/L。这种胞外多糖具有生物相容性，且结构中含有77–88%的(1,6)-α-D-吡喃葡萄糖单元，能够形成用于细胞固定的三维网络。

与其他合成聚合物或海藻酸盐、壳聚糖等生物聚合物相比，明串珠菌属生产的葡聚糖具有显著优势：它被公认为安全（GRAS），能形成稳定的三维网络，在简单发酵条件下使用低成本蔗糖即可实现高产，且其降解产物无毒。通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、结合多角光散射（MALS）的尺寸排阻色谱（SEC）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）等分析技术证实，葡聚糖水凝胶具有高线性、高分子量（10⁴至10⁷ Da）、孔径可调（50至300 μm）、无定形形态以及剪切稀变流变学特性（储存模量G′在10²至10⁴ Pa之间）。这些特性使其成为封装和保护PGPB免受干燥胁迫的独特基质。在农业应用中，葡聚糖水凝胶不仅可将PGPB的存活力损失从6 log CFU降至约4 log CFU，还可用作农用化学品控释载体、土壤保湿剂和种子包衣剂。为绘制该主题的科学演变、识别知识空白并检测新兴趋势，研究人员利用Scopus数据库并借助RStudio、Bibliometrix、VOSviewer和Plotly Studio等工具进行了系统性文献映射。

2. Materials and Methods
本研究采用的方法论由系统性文献映射组成，旨在识别、评估和解释关于明串珠菌属生产的葡聚糖水凝胶在农业生物技术目的中的相关研究。

2.1. Search Strategy and Document Selection
文献计量数据收集于2026年5月2日进行。为确保搜索有效整合生物聚合物、支持基质、生产微生物和应用部门，使用了特定的布尔逻辑检索方程，包含多糖、水凝胶、明串珠菌属以及农业生物技术等相关术语。研究的时间范围设定为2010年至2026年，以捕捉从基础表征到智能递送系统的技术转型。执行查询后，最终获得了447篇文献用于处理和分析。

2.2. Processing Tools and Bibliometric Analysis
在元数据处理和科学指标生成方面，研究采用了多种专业软件工具。RStudio和Bibliometrix包用于精确量化国家、机构和期刊的生产力，并计算H指数和G指数等影响力指标；VOSviewer用于构建和可视化关键词共现网络及国际合作结构，以检测主题集群；Plotly Studio则用于创建图表，以动态解读出版分布和科学产量增长的指数拟合。

3. Results and Analysis
文献增长动态和跨学科性质分析表明，年度和累积科学产出均呈指数增长趋势，决定系数（R²）为0.99859，反映出该领域正处于快速增长阶段。按学科领域分布，农业与生物科学（23.5%）、生物化学（16%）和化学工程（11.8%）占据主导地位，证实了该领域处于分子生物学、过程工程和应用农业科学的交叉点。

文献计量分析揭示了该领域的知识结构。被引频次最高的出版物奠定了智力基础，涵盖了海洋多糖、固态发酵和智能水凝胶技术。当前应用导向的研究主要集中在细菌包埋、养分控释和土壤水分管理三个方面。在人类资本方面，意大利和印度的研究人员在积极且高影响力的生产力方面处于领先地位，如意大利的Cimini和Schiraldi以及印度的Pandey和Ashok。国家层面的分析显示，中国在出版物数量上占据主导地位，而意大利和美国在单篇论文的影响力方面处于领先地位。国际科学合作网络揭示了亚洲和欧洲集群作为技术核心的成熟全球学科结构。期刊分析表明，《Applied Microbiology and Biotechnology》和《Bioresource Technology》是连接基础微生物生理学和应用水凝胶工程的关键桥梁。关键词共现网络和频率分析证实，该领域已从基础表征阶段演变至先进材料工程阶段，核心主题包括胞外聚合物（EPS）、发酵、固定化，并出现了向纳米技术和“智能水凝胶”发展的明显趋势。

4. Future Research Trends
该领域正从基础表征向“智能释放”系统的开发转型。研究指出了当前存在的挑战与机遇，如活微生物的固定化、机械稳定性和生产成本等工业放大的关键障碍。

4.1. Optimization of Viability in Hydrogels with Integrated Microorganisms
未来研究需优化葡聚糖基质与细菌膜之间的化学相容性，避免引发应激反应。需针对不同菌种调整孔径分布，并系统评估环境条件下包埋PGPB的长期储存稳定性。添加冷冻保护剂和开发多菌株共包埋的标准化协议，以及使用海藻酸盐-葡聚糖共混物和层层涂覆策略是极具前景的方向。

4.2. Development of Smart and Multi-Responsive Hydrogels
研究正朝着同时响应pH值、温度、湿度、光照等环境刺激的材料发展。未来的智能基质将能够根据作物需求释放养分。掺入酶可降解交联剂和使用热响应性葡聚糖衍生物是实现同步释放和温度触发释放的重要方向。此外，将土壤水分传感器集成到水凝胶珠中也是一个具有变革性的目标。

4.3. Nanotechnology and Nanoscale Structuring of Biopolymers
将纳米结构整合到葡聚糖水凝胶中可实现对活性化合物的超精确控释。通过引入纳米颗粒或纳米粘土可显著增强基质的机械性能并延长释放周期。未来的研究应聚焦于使用农业废弃物作为纳米填料来源的一锅法绿色合成，以及开发内嵌于水凝胶中、能够实时检测病原体或养分缺乏的纳米传感器。

4.4. Predictive Modeling and Controlled Biodegradation Kinetics
为确保养分同步输送，亟需开发稳健的数学模型。未来的趋势包括利用人工智能（AI）和机器学习（ML）预测水凝胶在环境中的行为。多尺度建模方法，结合分子动力学模拟和有限元分析，将用于预测释放动力学。建立农业水凝胶的标准化体外-体内相关性（IVIVCs）并开发开放获取的预测平台是关键。

4.5. Scalability and Technological Democratization (Low-Cost Hydrogels)
降低大规模农业应用的成本是当务之急。研究将聚焦于使用廉价原材料和简化制造工艺。直接使用发酵液或富含蔗糖的农业废物流作为培养基质，以及开发葡聚糖-木质素或葡聚糖-纤维素复合材料，可大幅降低成本。去中心化生产模式有望进一步实现该技术的大众化，特别是在发展中国家。

5. Conclusions
关于明串珠菌属生产的葡聚糖水凝胶的研究已从理论细分领域转变为加速和指数增长的科学领域，其决定系数达到近乎完美的拟合（R² = 0.998）。该领域的演变从基础表征转向先进的材料工程，使用葡聚糖作为PGPB固定的保护基质对于减少干燥过程中的存活力损失至关重要。未来研究将致力于开发用于精准农业的“智能水凝胶”和纳米技术，并通过废弃物的增值利用降低生产成本，以实现该技术的大众化并确保当代农业的气候韧性。