综述：琼质寡糖的酶法制备与功能开发：结构-功能关系的研究进展与应用挑战

《Carbohydrate Polymers》：Enzymatic preparation and functional development of agaro-oligosaccharides: Advances in structure–function relationships and application challenges

　　

摘要

琼胶寡糖（AGOS）由琼胶降解而来，是一类来源于海洋的功能性碳水化合物，具有多样的结构和极具前景的生物学活性，包括抗氧化、抗炎和代谢调节作用。酶解降解因其条件温和、选择性高且能保留功能基团，成为AGOS生产中颇具吸引力的策略。然而，结构明确的AGOS的合理制备仍然充满挑战，因为产品谱取决于琼胶酶的催化结构、底物识别、底物性质和反应条件之间复杂的相互作用。本文综述了琼胶酶的催化特性及其在决定AGOS结构多样性中的作用。随后，我们讨论了建立可靠构效关系的挑战，因为许多已报告的生物活性仍基于表型观察，缺乏直接的机制验证。最后，我们强调了限制AGOS应用的关键障碍，包括规模化生产、质量控制、胃肠道命运和人体验证。本文提出了一种"酶—结构—功能"框架，以指导结构明确的AGOS的合理生产与应用。

引言

琼胶寡糖（AGOS）由琼胶降解产生，是一类来源于海洋的寡糖，由交替排列的D-半乳糖和3,6-脱水-α-L-半乳糖（L-AHG）单元组成。根据降解过程中所切割的糖苷键类型不同，AGOS可分为琼胶寡糖（AOS），来源于α-1,3-糖苷键的切割，和新琼胶寡糖（NAOS），来源于β-1,4-糖苷键的切割（Jiang等，2021；Long等，2024）。聚合度（DP）的变化以及与琼胶中琼胶杂多糖组分相关的硫酸基、甲基和丙酮酸取代基的存在，进一步扩展了它们的结构多样性（Chen等，2021；Fu & Kim，2010）。这种结构复杂性，加上高水溶性和多样的生物活性报告——包括抗氧化、抗炎和代谢调节作用——使AGOS成为功能性食品和营养补充剂应用中的有前景的候选者（Wang等，2020a；Wang等，2024）。然而，支撑其功能潜力的结构多样性本身也已成为建立可靠构效关系的核心障碍。

AGOS可通过物理、化学或酶学方法制备。物理方法，如辐照或超声辅助降解，通常缺乏选择性，对产品分布的控制有限。化学水解可以有效降低琼胶分子量，但往往导致产物不均一、酸敏感基团的结构性改变，以及因反应条件苛刻而产生的环境问题。相比之下，酶水解具有反应条件温和、选择性和保留功能基团的优势，使其成为生产功能性AGOS的有吸引力的策略。

尽管经过二十余年的密集研究，以及已表征的琼胶酶和报告的生物活性的快速增加，AGOS尚未实现广泛的工业应用。更根本的是，连接酶性质、AGOS分子结构和生物功能的预测框架仍然缺乏。为什么该领域始终未能建立这样的框架？

我们认为，核心障碍在于难以以可预测且可重复的方式生产结构明确的AGOS。尽管琼胶酶具有内在选择性，但这并不能保证可预测的生产，因为产品分布受活性位点结构、底物识别、底物特性和工艺参数之间的相互作用影响，而这些因素的相对贡献和机制性相互作用仍缺乏充分表征。因此，许多生物研究依赖于结构表征不完整的AGOS混合物，使得难以将观察到的效应归因于特定的分子特征。缺乏结构明确的AGOS，所报告的构效关系在很大程度上仍是相关性的而非因果性的；缺乏可靠的构效数据，基于AGOS的产品开发在很大程度上仍停留在经验阶段。

本文追溯了决定AGOS结构多样性的因素，从琼胶酶的催化结构开始，经过产物异质性，最终到这种异质性对生物解释所施加的限制。我们首先考察琼胶酶活性位点结构和催化机制如何决定初始产物谱，然后分析来自底物复杂性和加工条件的额外异质性来源。评估了这种异质性对功能解释的影响，特别关注聚合度、末端糖构型和硫酸化模式。我们进一步区分了由直接分子证据支持的机制与主要基于通路水平观察推断的机制，探讨了已报告的AGOS生物活性，突出了明确分子靶标的鉴定有限。最后，我们讨论了限制AGOS应用转化面临的障碍，包括规模化生产、质量标准化、胃肠道命运和人体验证。本文旨在建立"酶—结构—功能"框架，连接酶性质、AGOS结构和功能结果，以指导结构明确的AGOS的合理开发，而非逐一罗列单独的酶和生物活性。

章节摘录

琼胶酶的多样性与分类

琼胶酶是一类特异性切割琼胶中糖苷键的糖苷水解酶（GHs）。大多数已表征的琼胶酶均鉴定自海水、沉积物和藻类表面分离的海洋微生物，而宏基因组学方法进一步扩展了琼胶酶的多样性，使来自先前不可培养微生物的发现成为可能（Gu等，2022；Mai等，2016；图1）。选定了一些催化性质和结构表征良好的代表性琼胶酶

底物异质性限制产物均一性

即使使用具有高催化特异性的琼胶酶，所得AGOS制剂往往仍表现出相当大的结构异质性。这种表面上的矛盾源于酶特异性在单个糖苷键切割水平上发挥作用，而最终的产品分布还受到底物异质性和反应进程的影响。尽管活性位点结构决定了琼胶酶的内在切割偏好，但酶催化

聚合度效应的非线性与情境依赖性

聚合度（DP）是AGOS构效研究中最主要探讨的结构决定因素之一，因为它直接影响分子大小、链柔韧性和潜在的生物学相互作用。与其他结构特征（如骨架构型和硫酸化模式）不同，DP可通过酶转化和下游分级分离进行更为便捷的控制（Chen等，2021；Jiang等，2021）。

然而，DP依赖性活性不能脱离其他因素

AGOS生物活性：机制与证据等级

正如第3节"结构明确的AGOS生产中工艺决定因素与挑战"和第4节"AGOS构效关系的新兴原则与根本局限性"中所确立的，AGOS制剂的结构异质性以及由此导致在建立预测性构效关系方面的局限性，已深刻影响了对其生物活性的机制理解。因此，以下讨论的机制应根据其

生产规模扩展与成本

将实验室规模的酶促AGOS生产转化为工业化制造面临若干相互关联的挑战。一个主要障碍是酶的 production 成本。尽管Qu等（2020）通过在5升发酵罐中系统优化培养基、诱导条件和补料分批发酵策略，实现了总酶活性13,049.44 U/L——与初始实验室规模条件相比，酶的生产性能提升了842倍——但该研究

结论与展望

琼胶寡糖（AGOS）是具有多种生物活性的有前景的海洋来源功能性碳水化合物。二十余年来积累的丰富的琼胶酶和生物活性目录提供了坚实的知识基础，但持续的进步取决于解决一个根本性瓶颈，这也是本文的核心主题：无法可预测地连接酶性质、AGOS结构和生物功能。

这一瓶颈表现为一种

CRediT作者贡献声明

张士博：撰写——审稿与编辑，撰写——原稿，验证，项目管理，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。刘小曼：撰写——审稿与编辑，调查研究，数据整理。魏妮：撰写——审稿与编辑，调查研究，数据整理。尹金兰：撰写——审稿与编辑，调查研究，数据整理。李方：撰写——审稿与编辑，调查研究，数据整理。王伟胜：撰写——审稿与编辑，监督指导，

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致谢

作者感谢中国广西壮族自治区自然科学基金（项目编号：2022GXNSFDA035071）和广西中医药大学博士科研启动基金（项目编号：2021BS014）的资金支持。

张士博|刘小曼|魏妮|尹金兰|李方|王伟胜

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