《Journal of Functional Foods》：Engineering marine functional foods for gut–kidney axis modulation through sustainable food technologies and precision nutrition
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海洋功能食品的研究正从将其作为分离生物活性化合物来源，转向结合可持续加工、靶向胃肠道递送和精准营养方法的工程化食品体系。本综述讨论了如何通过绿色提取、生物精炼、发酵、膜技术和食品级递送系统，将包括大型藻类、海洋动物和海洋微生物在内的多样化海洋生物资源，以及海产
海洋功能食品的研究正从将其作为分离生物活性化合物来源，转向结合可持续加工、靶向胃肠道递送和精准营养方法的工程化食品体系。本综述讨论了如何通过绿色提取、生物精炼、发酵、膜技术和食品级递送系统，将包括大型藻类、海洋动物和海洋微生物在内的多样化海洋生物资源，以及海产品加工中增值的副产物流，转化为标准化的功能成分。这些工程策略能够增强成分的稳定性、生物可及性（bioaccessibility）和控制释放，从而为研究与肠-肾轴（gut–kidney axis）相关的微生物组介导途径提供技术基础。例如，富含岩藻多糖（fucoidan）的海洋多糖组分可作为微生物群可及底物，其加工依赖的结构特征可能影响微生物发酵、短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）产生、肠道屏障调节以及与肾脏稳态相关的下游炎症途径。来自海洋成分和更广泛的微生物组研究的证据提示了对肠道屏障完整性、SCFA产生和与肾脏应激相关的肠源性代谢物的潜在影响；然而，直接证明工程化海洋功能食品调节肠-肾轴的临床证据仍然有限。最后，研究人员强调了多组学（multi-omics）、人工智能（artificial intelligence, AI）和精准营养（precision nutrition）如何支持个体化配方设计和生物标志物引导的干预。将可持续食品工程与微生物组科学相结合，为开发用于代谢和肾脏健康的下一代海洋功能食品提供了一个转化框架。总之，该框架将海洋功能食品定位为不仅是一律有益的健康产品，而是来源特异性和有意设计的食品系统，其生物学效应取决于组成、加工、递送和宿主背景。
1. 引言
功能食品的概念正经历明显转变，从早期强调“健康海洋食品”的内在价值，转向更具选择性和技术驱动的新范式，将海洋生物质视为可回收、标准化并重新设计以针对特定生物学靶点的设计空间。微生物组科学将食物从简单营养来源重新定义为宿主-微生物代谢、屏障功能和全身信号传导的调节因子。本综述界定了关键术语：海洋生物活性物指海洋来源的单个分子（如岩藻多糖、褐藻多酚、岩藻黄质、海洋肽）；功能成分指适合加入食品的标准化制剂；海洋功能食品指成品食品；肠-肾轴指肠道微生物组成、肠道屏障功能和微生物代谢物影响肾脏生理的双向关系；精准营养作为根据个体特征定制饮食选择的统称。海洋资源因分子多样性和未充分利用的原料而具有吸引力，褐藻提供岩藻多糖、褐藻多酚和岩藻黄质，红藻提供硫酸化半乳聚糖，鱼类和贝类加工流可产生肽和结构脂质。多种海洋多糖更像微生物可及底物，其生物效应可能取决于结肠微生物的代谢能力而非宿主上消化道直接消化。
2. 食品工程控制稳定性、生物可及性和胃肠道递送
将海洋生物活性物纳入食品常受限于稳定性、分散性和生物可及性。可持续加工如超声辅助解聚、酶辅助提取、脉冲技术、发酵、膜分离和绿色溶剂系统可改善产率并生成更标准化成分。可持续性可通过可测量指标评估，例如海产品加工副产物占原始生物量约30–70%；非洲鲶鱼副产物综合生物精炼回收了鱼油、蛋白水解物、色素提取物和明胶，并识别出水和能耗为主要环境热点；褐藻级联生物精炼的净碳足迹为3.8–11 kg CO?-eq/kg干物质，净水足迹为0.1–0.2 m3/kg。食品级递送系统包括纳米乳、脂质体、水凝胶、蛋白质-多糖复合物、喷雾干燥粉末和微胶囊，可改善胶体稳定性、保护敏感化合物、调节释放行为或提高生物可及性。加工可增强功能，例如巴氏杀菌的嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）保留了代谢功效。建立机制框架需将加工参数（分子大小、硫酸化模式、粒径等）与胃肠道释放及下游肾脏结局关联。岩藻黄质在模拟消化中转化为岩藻黄醇的程度因递送背景而异；岩藻多糖在模拟消化中88.27%抵抗上消化道消化，体外发酵富集巨单胞菌属并显著增加丁酸、乙酸和丙酸。动物实验显示岩藻多糖降低血清尿酸和肌酐、抑制肾脏炎症并调节肠道微生物及屏障相关通路。
3. 肠-肾轴作为机制桥梁
肠-肾轴将食物结构、微生物发酵、肠道屏障功能和全身代谢物转运联系起来。肠道来源的代谢物如硫酸吲哚酚和苯乙酰谷氨酰胺在肾清除率下降时积累，促进炎症和纤维化应激。短链脂肪酸（SCFA）通过G蛋白偶联受体（如GPR41/FFAR3和GPR43/FFAR2）发出信号，影响免疫激活和炎症反应；微生物色氨酸代谢物通过芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AhR）调节免疫和上皮稳态；蛋白结合型尿毒症毒素（如硫酸吲哚酚和对甲酚硫酸酯）在肾清除下降时产生氧化、炎症和促纤维化信号。工程化海洋食品可能通过底物特异性机制（作为微生物选择性底物）和生态机制（改变肠道环境）影响该轴。不同海洋资源类别差异很大，特别是氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide, TMAO）含量不均，例如硬骨鱼、甲壳类和头足类远高于双壳类、腹足类和海参，而大型藻类不属于高TMAO组织。循环TMAO可来自食物中预成形的TMAO，也可通过肠道微生物将胆碱、左旋肉碱等底物转化为三甲胺（trimethylamine, TMA），再经肝脏黄素依赖性单加氧酶3（FMO3）氧化产生。TMAO作为心血管和肾脏结局的相关标志物，但其因果作用仍不确定，因此应作为需要来源特异性评估的暴露和生物标志物，而非所有海洋食品有害的证据。个体间微生物组差异导致同一种海洋成分可能产生不同反应，为精准营养提供了理由。
4. 主要海洋生物活性类别的关键机制评估
岩藻多糖常被描述为微生物可及底物，其结肠利用需要特定的酶级联，包括内切型岩藻多糖酶（主要属于GH107家族，以及GH168、GH174、GH187）、硫酸酯酶（S1_17和S1_25家族）、外切型α-L-岩藻糖苷酶（GH29、GH95）和碳水化合物酯酶。多数已表征的岩藻多糖酶来自海洋细菌（如黄杆菌科），肠道内拟杆菌门（特别是拟杆菌属）最可能通过多糖利用位点降解岩藻多糖，体外人粪便发酵富集拟杆菌属和SCFA产生菌。岩藻多糖大部分未消化到达结肠并可发酵产生SCFA，在啮齿动物模型中降低血清尿酸和肌酐、减轻肾脏炎症和纤维化；但究竟是完整多糖、脱硫岩藻寡糖还是下游SCFA介导效应尚未解决，因果组分和跨人类微生物群的效能仍不明确。海洋多酚（如褐藻多酚）为高分子量间苯三酚聚合物，小肠吸收差，大部分到达结肠被微生物解聚为低分子量酚类及间苯三酚衍生物，这些代谢物可能比母体化合物更易吸收和具有生物活性，但具体身份、数量及肾脏活性尚未明确。海洋肽和Omega-3结构脂质方面，肽的抗氧化和血管紧张素转换酶抑制活性依赖序列，消化过程中可能增强或丢失，直接肾脏终点数据稀缺；海洋Omega-3对心脏代谢益处在人体中相对充分，但证据来自补充剂而非工程化海洋功能食品，且肠-肾轴机制仍间接。最一致的局限是单项研究未能区分母体分子、微生物降解产物和下游发酵代谢物。
5. 精准营养作为海洋功能食品设计的未来框架
PREDICT等平台研究显示即使对相同食物，个体间餐后血糖和脂质反应存在显著差异，个性化饮食干预可改善甘油三酯和次要心血管代谢结局。美国国立卫生研究院的“精准营养健康计划”（Nutrition for Precision Health）旨在利用饮食、基因、蛋白质、微生物组、代谢组和情境因素的相互作用，开发预测个体对食物反应的算法。人工智能（AI）可整合海洋成分组成、物种特征、加工条件和食品基质特性，预测稳定性、生物可及性和潜在生物功能；也可结合微生物组、代谢组和临床数据，识别可能对特定海洋成分产生良好反应的个体模式，从而指导成分选择、配方设计、剂量优化和亚组识别。海洋功能食品特别适合精准营养，因为多样的海洋成分和可调节的配方变量创造了比单一化合物补充剂更广阔的设计空间。但这种灵活性也带来复杂性，需同时考虑宿主异质性和成分异质性（物种、产地、季节、加工、TMAO、碘暴露、污染物）。目前该框架仍属前瞻性，需要配方特异的人体干预研究验证。
6. 当前局限性与证据缺口
不同海洋来源对肠-肾轴相关终点的证据等级差异很大。最强的证据支持可持续提取、成分分级、标准化和食品级递送等技术阶段，可基于理化、技术和生物可及性结局评估。然而，成分性能改善本身并不能证明下游微生物组或肾脏相关生物学反应的调节。在工程化海洋食品、微生物生态和肠-肾轴之间，证据较为间接，许多机制原理来自更广泛的微生物组研究，而非直接使用工程化海洋功能食品的干预研究。最大的转化缺口是缺乏对照人体干预试验，证明明确的标准化工程化海洋配方能够可重复地改变微生物组功能并进而影响肠源性代谢物或肾脏相关终点。精准营养部分也尚未在海洋功能食品中得到前瞻性验证，海洋特异预测模型仍需建立。
7. 安全性与可持续性挑战
海洋资源可能含有重金属、污染物、过量碘、天然毒素或致敏蛋白，取决于物种、栖息地、营养级和地理来源。TMAO相关效应需要来源特异和情境特异评估，加工和配方可通过改变分子结构、致敏性、氧化产物的形成等影响安全性。可持续性同样至关重要，负责任的采购、生态系统保护、能源和溶剂高效利用、废物减少以及标准化质控，确保扩大海洋生物质或加工副产物的使用不会增加环境或食品安全负担。安全评估需与功效测试并行，包括毒理学评价、暴露评估、稳定性测试、致敏性考虑、污染物规格和明确标签。
8. 未来展望与结论
未来海洋功能食品的发展需解决海洋原料的种属、地理、季节、生命周期和收获条件差异引起的批次间变异，以及加工步骤（提取、分级、解聚、发酵、纯化、干燥、包封和储存）引入的额外变异。未来5–10年优先研究方向包括：确定哪些海洋生物活性物和分子特征可重复地与特定生物学反应相关；建立来源认证和成分表征的标准化方法；界定可接受的批次变异范围；检验加工引起的结构变化是否转化为可预测的微生物组和宿主反应。监管框架需考虑物种身份、地理追溯、污染物和毒素监测、致敏性、氧化变质产物，并区分常规食品、新型成分、提取物和功能性配方。转化路线可分为三个研究视野：短期（3–5年）进行物种认证、来源追溯、成分分析、污染物和过敏原筛查，建立参考材料和质控方案；中期（5–10年）开展综合人体研究，将充分表征的海洋配方与胃肠道行为、微生物组反应、代谢物和肾脏相关生物标志物关联，初步建立预测模型；长期建立整合海洋来源、加工、食品基质、多组学、临床和安全数据的验证性精准设计系统，为特定生物学情境识别适当、有效且安全的海洋配方。总之，未来配方应使成分组成、食品基质性质和递送特征与预定义的消费者表型和可测量的生物学终点相匹配。可持续食品技术提供制造逻辑，肠-肾轴研究提供机制框架，精准营养提供个体化策略，但直接人体证据仍是重要的转化优先事项。
