综述：用于精准营养的多糖 - 金属复合物：智能递送、肠道菌群调节与肠脑通信

《Food Bioscience》：Polysaccharide–metal complexes for precision nutrition: Intelligent delivery, gut microbiota modulation and gut–brain communication

　　

**摘要**
微量营养素缺乏，特别是涉及铁、锌和钙的缺乏，继续构成重大的全球健康挑战。传统的补充策略往往受到生物利用度低、胃肠道不耐受和目标效率不足等问题的阻碍。为此，天然多糖 - 金属复合物已成为精准营养具有前景的多功能平台。这些复合物通过其可适应的配位结构和胃肠道内的响应性，整合了材料设计、受控营养素递送、菌群调节和健康调节。本综述系统考察了多糖与金属离子之间的配位机制，探讨了结构工程与智能释放行为之间的关系，并讨论了它们对提高营养素生物利用度的意义。此外，除了材料设计外，本综述通过调查多糖 - 金属系统与肠道菌群、微生物衍生产物以及菌群 - 肠 - 脑通讯的相互作用，深入探讨了多糖 - 金属系统的生物学命运，从而强调了它们在调节宿主健康方面的潜力。此外，本综述综合了多组学、分子模拟、人工智能和人群异质性方面的最新进展，以阐明靶向人群营养策略的演变。它还解决了结构变异性、金属剂量调节、机制理解和临床转化等当前挑战。通过结合材料工程、微生物调节和生理反应，本综述为理性设计下一代多糖 - 金属系统提供了全面的框架，旨在实现精准营养和个性化健康管理。

**引言**
必需微量营养素（如铁、锌和钙）的缺乏继续构成重大的全球公共卫生挑战 (Barkhidarian, Roldos, Iskandar, Saedisomeolia, & Kubow, 2021)。这种缺乏与免疫抑制、神经发育障碍和骨代谢障碍密切相关，特别是影响儿童、孕妇和老年人 (W. C. Wu, Wu, Chan, Lee, & Huang, 2023)。传统方法使用无机盐或简单螯合物，对这些缺乏的缓解作用有限 (Suzuki et al., 2021)。此外，胃肠道耐受性差、生物利用度低和组织靶向不足等问题依然存在，从而限制了精准营养干预的有效性 (X. L. Chen et al., 2025)。在“营养 - 健康 - 疾病”背景下，迫切需要有效、温和且具有组织特异性的递送系统，以提高从摄入到靶向利用的微量营养素使用效率 (Hoang et al., 2021; J. K. Yan et al., 2022)。因此，开发增强吸收并具有靶向能力的智能载体是推进精准营养干预的核心。

天然多糖为开发针对营养素递送的创新双功能材料提供了理想的框架，归因于其可编程的主链、良好的可降解性和可食用性 (Rahman et al., 2022; Sagawa et al., 2023)。丰富的羟基、羧基和氨基的存在能够与金属离子有效螯合，从而显著提高矿物质的溶解度和跨膜运输效率 (Sutirman, Sanagi, Abd Karim, Abu Naim, & Ibrahim, 2018; Wasim, Sagar, Sabir, Shafiq, & Jamil, 2017)。生成的多糖 - 金属复合材料结合了螯合驱动的溶解、扩散控制的保护和组织特异性递送，有效服务于营养素供应者和载体的双重功能 (Lai, 2015; H. Wu et al., 2020)。包括原位矿化、分级自组装、动态可逆交联和刺激响应工程在内的先进技术，非常适合信号检测 (Pugliese & Gelain, 2020; Velu, Shrestha, Shrestha, & Ariga, 2023; Xuan, Li, Ma, Cao, & Zhang, 2022)。这些方法有助于监测胃肠道微环境中 pH 值、酶活性、微生物群落和离子梯度等参数 (Velu et al., 2023)。结合人群变异性，这些技术能够实现治疗载体的靶向递送和按需释放。该策略为个性化饮食干预提供了一种基于材料的创新方法，预计将指导未来精准营养素递送系统的发展。

尽管多糖 - 金属复合物提供了有前景的应用，但在结构调节、生物相容性和对肠道环境的适应性方面仍存在挑战。此外，金属剂量的精确调节对于在确保生物安全和促进可持续发展的同时优化营养功效至关重要。因此，本文专注于天然多糖 - 金属复合物系统在个性化饮食干预中的潜在应用（图 1）。它系统地分析了它们的结构构建策略、智能响应机制、生物活性目标和肠脑轴调节。此外，它评估了它们在营养素递送、神经支持和微生态调节方面的协同途径。我们提出了一个路径框架，用于多糖 - 金属载体向“靶向特异性、响应可控和人群适应”精准营养材料的演变。这旨在为该领域基础研究突破和产业转型提供理论支持和前沿见解。

**章节要点**

**多糖 - 金属配位原理**
天然多糖含有羧基、羟基和氨基官能团，能够形成多配位网络 (M. Wu et al., 2025)（表 1）。羧基通过去质子化赋予负电荷，通常通过单齿或双齿配位与金属离子（包括 Fe2+、Ca2+ 和 Cu2+）形成稳定的螯合物 (Alle et al., 2020; Guo et al., 2023; Leonardi et al., 2021; Ma et al., 2017)。羟基作为

**构建智能响应结构的策略**
多糖 - 金属复合物的合成与智能响应系统的结构设计和功能调节密切相关。这是因为多糖基质与金属离子之间的相互作用决定了它们的配位特征、金属掺入效率和生物学性能。已经开发了多种构建策略，以实现可调的金属结合、受控释放和在生理条件下的适应性行为

**肠道反应和个性化释放机制**
胃肠道不仅是营养素吸收的主要部位，也是一个复杂的生物环境，其特征是多样的物理化学和微生物信号。pH、离子组成、酶活性、微生物代谢和氧化还原状态等参数的变化可能显著影响多糖 - 金属配位网络的稳定性。通过利用这些内源性触发器，多糖 - 金属复合物可以促进智能潜力

**多糖 - 金属系统在脑肠轴中的潜在作用**
肠道菌群已被认为是连接营养素递送、宿主代谢和神经功能的关键介质。作为多功能营养载体，多糖 - 金属复合物促进金属离子的受控释放，并与肠道微生物和肠道环境动态相互作用。多糖 - 金属离子 - 微生物系统不是通过简单的线性途径运作，而是构成一个双向调节网络（图 4

**婴儿、幼儿、孕妇和老年人的微量元素缺乏风险概况**
不同的生命阶段导致微量营养素的需求、吸收和代谢不同，使它们成为精准营养的关键目标 (Yoon, Lee, & Oh, 2024)。处于快速生长发育阶段的婴儿和幼儿对微量元素（包括铁和锌）的需求增加 (Abate, Hassen, & Temesgen, 2023; Hong, 2025)。这些元素的充足摄入对神经发育、免疫系统成熟和整体生长至关重要。

**从“试错”到“理性设计”**
随着多糖 - 金属系统变得更加复杂，基于经验优化和迭代筛选的传统研发模型面临着日益增长的困难 (Agrawal, Goktas, Kumar, & Leung, 2025)。多糖分子量的变异性、多样的金属配位位点以及胃肠道环境的变化共同使得材料设计和功能预测具有挑战性。计算生物学、材料信息学和人工智能的最新进展带来了新的当前研究

**当前研究**
多糖 - 金属复合材料因其生物相容性、可适应结构和多样的生理作用而受到显著关注。多糖中的官能团（如羧基和氨基）与铁和锌等金属离子形成稳定的复合物，提高了它们的稳定性和生物利用度 (Bai et al., 2025b; Y. B. Hu et al., 2024; X. B. Li et al., 2022)。这些系统现在不仅用于微量元素补充，还包括胃肠道释放、肠道

**结论**
多糖 - 金属复合系统是材料科学、营养科学和生命科学交叉领域的一个关键研究区域。这些系统在推动微量营养素递送从传统补充方法向以精准调节为特征的模式转变方面起着重要作用。经验证据表明，多糖与金属离子之间形成的配位结构不仅提高了金属元素的稳定性和生物利用度

**CRediT 作者贡献声明**
张孝良：写作 – 原稿，构思。唐睿：构思。王智：形式分析。庄红：写作 – 审阅与编辑，调查

**未引用参考文献**
Cheng et al., 2024; Du et al., 2024; Du et al., 2024; Gao et al., 2025; Gao et al., 2024; Jia et al., 2021; Li et al., 2025; Li et al., 2023; Li et al., 2021; Li et al., 2021; Liu et al., 2024; Liu et al., 2023; Liu et al., 2025; Liu et al., 2025; Wang et al., 2013; Wang et al., 2022; Wang et al., 2025; Wu et al., 2025; Zhang et al., 2022; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2019; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2022; Zhu et al., 2024.

**利益冲突声明**
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本报告中所述的工作。

**数据可用性**
数据可在请求时提供。

**利益冲突声明**
? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本报告中所述的工作。

**致谢**
这项工作得到了吉林省科技发展计划项目（20230204032YY）的支持。

张孝良 | 唐睿 | 王智 | 庄红
吉林大学食品科学与工程学院，吉林长春，130062