综述：天然功能性多糖及其在粮食安全中的应用

《Polysaccharides》：Natural Functional Polysaccharides and Their Application in Food Security

　　

天然功能性多糖是可生物降解、安全且具有生物活性的高分子化合物，对粮食安全具有重要贡献。本综述系统概述了其分类、结构特征以及在农业害虫防治和谷物储藏中的应用，重点阐述了其作用机制和制备方法。代表性多糖包括壳聚糖、海藻酸盐、β-葡聚糖和果胶，它们通过直接害虫抑制、诱导植物抗性、生物活性封装和物理屏障形成等多种途径发挥作用。本文总结了提取、纯化和先进核磁共振(NMR)技术——包括定量核磁共振(qNMR)、扩散有序光谱(DOSY)和纯位移方法——的最新进展。讨论了批间变异性、高生产成本和监管障碍等挑战，并提出了绿色生产、精准结构定制和纳米封装等未来展望。本综述旨在指导基于多糖的材料在害虫管理和食品保护中的应用。

1. 引言
粮食安全是全球性战略问题。病虫害导致的采前和采后损失极为严重，尤其在部分非洲地区，年谷物产量损失可高达40%。合成农药和保鲜剂的过度使用引发害虫抗性、环境污染和食品安全隐患，因此亟需开发高效且安全的粮食保护策略。天然功能性多糖是由单糖单元通过糖苷键连接构成的大分子化合物，广泛存在于植物、藻类、真菌和甲壳类动物中，具有显著的结构多样性和功能多样性。近年来，天然多糖在农业害虫防治和谷物储藏中的应用研究迅速发展，包括阳离子多糖（如壳聚糖）以及阴离子或中性多糖（如β-葡聚糖、海藻酸钠）已逐步从实验室研究转向田间和仓储设施应用。然而，既有综述多集中于单一多糖或单一功能，缺少对其保障粮食安全作用的系统整合。本综述从多糖分类与结构出发，系统涵盖其在农业害虫防治、采后防虫防霉、作用机制以及制备/表征方法方面的应用，并着重介绍先进核磁共振(NMR)技术如何解析支撑后续生物活性的结构参数。

2. 主要天然功能性多糖的分类与结构特征
天然功能性多糖广泛分布于自然界，通常分为植物多糖（如果胶、半纤维素）、海洋多糖（如海藻酸钠、卡拉胶、琼脂、壳聚糖）和真菌多糖（如香菇、灵芝、灰树花多糖）。其中壳聚糖由甲壳素脱乙酰化制得，是分布最广的天然阳离子多糖。

2.1. 主要植物功能性多糖
植物来源多糖如果胶和半纤维素常被用作可食用涂层、稳定剂和封装基质。果胶是一种富含半乳糖醛酸的杂多糖，其甲酯化程度(DE)决定凝胶行为：高甲氧基果胶(DE > 50%)在酸性含糖条件下形成凝胶，低甲氧基果胶(DE < 50%)则在二价阳离子（如Ca²⁺）存在下凝胶。这种可调凝胶化特性可应用于限制氧/水分交换的粮食表面可食用涂层以及植物源杀虫剂的控释载体。

2.2. 主要海洋功能性多糖
海洋多糖富含硫酸基和糖醛酸，具有独特的流变学和凝胶形成特性。海藻酸盐是β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)组成的线性阴离子共聚物，可通过Ca²⁺交联形成稳定水凝胶，用于包封生物防治剂（如昆虫病原线虫）和制备可食用涂层，其M/G比影响凝胶强度和释放动力学。卡拉胶主要分为κ、ι、λ型，κ-卡拉胶在K⁺存在下形成硬而脆的凝胶，ι-卡拉胶在Ca²⁺存在下形成弹性凝胶，可用于食品保鲜膜和精油载体。壳聚糖是分布最广的天然阳离子多糖，其质子化氨基能与带负电的微生物膜静电结合，产生广谱抗菌作用，作为直接抗真菌剂和正电荷涂层材料应用广泛。其他海洋多糖（如岩藻多糖、琼脂）虽具有生物活性，但在谷物储藏中的直接应用较少，主要作为免疫诱导剂或霉菌毒素结合剂。

2.3. 主要真菌功能性多糖
真菌多糖尤其是食用菌（如香菇、灵芝）和曲霉属的β-葡聚糖，以β-(1→3)连接的D-葡聚糖为主链，并在O-6或O-4位带有β-(1→6)葡聚吡喃糖基分支，此外还包括α-/β-葡聚糖、杂葡聚糖、半乳聚糖和甘露聚糖。这种分支结构使真菌多糖通过两种途径在粮食安全中发挥作用：一是通过疏水作用和氢键吸附黄曲霉毒素，二是作为种子涂层或叶面喷施剂诱导植物防御反应。真菌β-葡聚糖还被掺入可食用膜中用作益生元，但其在粮食安全中最成熟且机制明确的功能仍是霉菌毒素结合和免疫诱导。

3. 天然功能性多糖的制备与结构分析
3.1. 提取与纯化
热水回流是主要提取方法，因其简单且成本低。为提高效率并保持结构，发展出微波辅助、超声辅助及微波-超声协同辅助等提取技术，协同提取的得率显著高于单一辅助法和热水提取。绿色提取技术包括亚临界水提取(SWE)和深共熔溶剂提取。纯化方法包括超滤、醇沉、离子交换层析和尺寸排阻色谱(SEC)，其中SEC是制备高纯度多糖最有效的方法。新开发的多糖纯化仪器(PSPI)基于柱后分流和衍生化，利用苯酚-硫酸衍生化进行紫外-可见检测，同时通过示差折光检测器指导馏分收集。使用PSPI可将粗大豆可溶性多糖的碳水化合物含量从81.7%提纯至97.2%，回收率为86.5%。

3.2. 结构表征技术与定量构效关系
初级结构表征通常涉及四个方面：分子量和分子量分布测定（常采用高效尺寸排阻色谱HPSEC联用示差检测、多角度激光光散射MALLS或粘度法）；单糖组成分析（经三氟乙酸完全酸水解后，采用PMP或糖醇乙酸酯衍生化，再用HPLC或GC-MS分析）；糖苷键类型和取代模式（通过Ciucanu–Kerek甲基化分析结合GC-MS鉴定部分甲基化糖醇乙酸酯）；异头碳构型（α或β）与残基序列（采用一维和二维NMR确定）。高级结构可由刚果红实验、圆二色谱(CD)、粘度法、动态MALLS和原子力显微镜(AFM)展示。定量构效关系(SAR)方面，对127项体外实验的荟萃分析表明，可溶性壳聚糖的脱乙酰度(DD)是决定杀菌活性的主导因素(p < 0.0001)，每增加1%的DD可使最低抑菌浓度的对数值(logMIC)平均降低0.040；分子量则非显著预测因子。真菌多糖的生物活性主要取决于单糖组成、分子量、糖苷键连接模式和高级结构，尤其是β-(1→3)/(1→6)三股螺旋结构。

3.3. 先进NMR在多糖表征中的应用及与粮食安全的相关性
NMR是可完整提供未衍生化多糖初级和构象信息的唯一技术。定量核磁共振(qNMR)可无衍生化精确测定单糖组成、糖苷键比例和残基化学计量，例如用于定量黄芪α-葡聚糖的单糖组成和果糖等难测糖。qNMR测定的壳聚糖DD值与对采后重要病原真菌的抗真菌MIC存在定量关联。扩散有序光谱(DOSY)基于分子平移扩散系数分离NMR信号，可有效解析混合物中的重叠共振。在酵母和蘑菇β-葡聚糖的比较研究中，常规一维/二维NMR显示相似连接模式，但DOSY揭示酵母β-葡聚糖的不同连接信号共同扩散，而蘑菇β-葡聚糖的信号分别扩散，表明存在不同多糖群体，这些差异与黄曲霉毒素吸附效率和免疫调节活性相关。纯位移技术通过抑制同核标量耦合将多重峰压缩为单峰，极大提高谱图分辨率，可用于复杂碳水化合物的解析。选择性激发方法可通过形状脉冲聚焦单个端基异头质子，追踪整个糖残基的自旋体系。

4. 天然功能性多糖在农业害虫防治中的应用
4.1. 多糖基封装和递送系统用于害虫防治
多糖因其生物相容性、可降解性和结构可调性成为生物防治剂的重要载体。海藻酸盐和壳聚糖基质可用于包封昆虫病原线虫，例如含Oscheius carolinensis线虫的海藻酸盐微球经CaCl₂交联后在不同季节气候条件下表现出良好的稳定性和控释能力。多糖载体也被广泛用于包封植物源杀虫剂和精油(EOs)。精油纳米/微乳及纳米/微包封体系可克服其不稳定、高挥发和热分解等问题。多糖基杀菌剂载体具有高载药量和控释特性，通过pH响应机制提高生物利用度并减少环境影响。一项突破性研究开发了壳聚糖和海藻酸钠包覆的树枝状介孔有机硅纳米粒(DMONs-NH₂)包封多菌灵，所得CBZ@DMONs@SA/CS纳米农药具有pH和温度双重响应性、缓释性能及显著改善的叶面润湿和粘附力，冲洗后保留量为游离多菌灵的3.61倍，对斑马鱼急性毒性降低4.75倍，同时对灰葡萄孢具有有效防效。

4.2. 植物免疫诱导
多糖还可作为直接激发子诱导植物免疫。从胶孢炭疽菌PHXP3中分离的胞外多糖CPEPS-2由葡萄糖、甘露糖和半乳糖以38.98:40.04:20.98比例组成，分子量约23.8 kDa。在100 μg/mL浓度下，该多糖对烟草疫霉和大豆疫霉的抑制率分别为60.1%和68.8%，温室防效达75.0%和80.4%。CPEPS-2可促进本氏烟PR1表达和胼胝质积累，定位于植物细胞膜或细胞壁，直接作为碳水化合物激发子诱导免疫。灵芝副产物粗多糖可通过诱导番茄抗病性有效控制番茄黄化曲叶病毒。果胶水解产生的寡聚半乳糖醛酸也是植物防御反应的关键激发子，通过调节基因表达增强病原抗性。

4.3. 田间验证和比较功效
田间数据虽有限但正逐渐出现。灵芝多糖(GLP)与化学杀菌剂复配作为种子包衣剂，在温室和田间对小麦和玉米主产区土传病害的防效超过75%，同时延长持效期并将化学杀菌剂用量减半。多糖凝胶珠共载活酵母和噻虫胺（CO₂ + CLO@CAG）的钙海藻酸盐系统在田间对害虫防效达86.05%，显著高于商业噻虫胺颗粒剂的62.79%。凝胶珠可连续释放CO₂至少35天，在20 cm半径内形成CO₂梯度吸引地下害虫，并在3天内毒杀所有诱集的蛴螬。然而，多季节多点田间试验数据仍然有限，大多数研究只进行单季或有限地点，需与常规化学农药在功效、单位面积成本和环境影响方面进行综合比较。

4.4. 杀虫机制和靶标物种
壳聚糖及纳米制剂对储藏物害虫的杀虫活性已有文献证明。负载精油的壳聚糖纳米粒在较低浓度下对赤拟谷盗表现出比纯油更高的熏蒸和触杀毒性。不同储藏物害虫中，绿豆象最敏感（LC₅₀为0.27 μL/L空气），而玉米象和赤拟谷盗的LC₅₀分别为14.35和3.74 μL/L空气。多糖的杀虫机制包括：肠道物理阻塞（多糖在消化道内膨胀形成凝胶阻碍营养吸收）、消化酶抑制（抑制α-淀粉酶和蛋白酶活性）、拒食作用（涂层降低可食性）和增强递送（纳米制剂提高活性成分生物利用度）。这些机制与多糖结构特征相关，分子量影响肠道凝胶形成能力，脱乙酰度影响与昆虫围食膜的静电作用，分支模式影响酶抑制效力。

5. 天然功能性多糖在谷物储藏期间昆虫和霉菌控制中的作用
5.1. 多糖基可食用涂层和封装系统用于储粮保鲜
壳聚糖、淀粉、海藻酸盐和果胶等衍生的可食用涂层具有优异的成膜性、抗菌性和阻隔性。壳聚糖涂层可使食品表面细菌数减少2.62 log₁₀ CFU/g，酵母/霉菌数减少1.72 log₁₀ CFU/g。掺入百里香精油的壳聚糖涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有显著抗菌活性，并有效减少草莓贮藏期间失重、硬度下降、pH升高和微生物生长。在花生种子长期贮藏中，负载纳他霉素、没食子酸、肉桂醛、茶多酚和薰衣草精油等抗菌剂的壳聚糖涂层表现出显著效果，其中壳聚糖-薰衣草精油处理使害虫发生率在12个月后由5.4%降至1.82%；壳聚糖-纳他霉素组合效果最佳，将黄曲霉毒素B1含量从60.33 μg/kg降至4.95 μg/kg，并将种子发芽率从52.33%提高到80.33%。多糖基封装系统也已专门开发用于储粮保护，例如利用海枣核多糖包封桃金娘精油，对贮粮中锈赤扁谷盗实现100%成虫致死和完全抑制后代出现，同时包封油对粗面粉品质影响极小，形成“吸引-杀死”策略和循环经济方案。

5.2. 霉菌毒素缓解和去除
天然多糖去除霉菌毒素的能力已得到充分研究。壳聚糖通过静电作用和氢键结合毒素，β-葡聚糖的结构复杂性增强吸附容量，海藻酸盐的凝胶特性可物理截留毒素。β-葡聚糖的β-(1→3)主链和β-(1→6)短侧链结构具有高黄曲霉毒素吸附效率。双孢蘑菇热碱提取β-葡聚糖在体外可吸附90.2%的黄曲霉毒素B1，平菇菌丝体β-葡聚糖在优化条件下对牛乳中黄曲霉毒素M1的吸附率可达100%。需要指出，实际谷物基质中吸附效率受水分活度、