综述：面向精准营养的多糖生物工程：连接结构修饰与微生物组介导的生物转化

《Food Bioscience》：Biological Engineering of Polysaccharides Towards Precision Nutrition: Bridging Structural Modification and Microbiome-Mediated Biotransformation

　　

## 摘要要点

• 结构–功能关系影响多糖的生物活性。
• 生物修饰赋予更高的结构选择性。
• 肠道微生物组介导的生物转化有助于多糖生物活性的发挥。
• 微生物代谢产物将多糖与肠–脑–免疫轴联系起来。
• 人工智能引导的方法为精准营养提供了新兴机遇。

## 引言

生物活性多糖是植物、藻类、真菌、微生物和动物中结构多样性最为丰富的生物大分子类别之一（Kumla 等，2025）。除作为传统结构成分和储能成分外，这些复杂碳水化合物日益被认定为多功能生物分子。它们能够调节免疫反应、调控代谢途径、影响肠道微生物生态，并支持组织修复与再生（Benalaya 等，2024）。凭借良好的生物相容性、可生物降解性、低毒性和广泛的生物活性，多糖在功能性食品、营养补充剂、药物递送系统和再生医学等领域引起了广泛关注（Yu 等，2023）。单糖组成、分子量、支链结构和糖苷键等结构特征强烈影响多糖的功能性（Xue 等，2025）。越来越多的证据表明，细微的结构修饰可以显著改变受体识别、微生物利用、发酵行为以及下游生理反应。然而，这些关联并非完全一致，结构相似的多糖可能因高阶组织和理化性质的不同而产生不同的生物学结果。因此，理解多糖结构与生物活性之间的关系已成为碳水化合物科学和生物大分子工程的核心目标之一（Zhao 等，2025）。

为提高多糖功能，传统上通过化学方法进行修饰，如硫酸化、磷酸化、乙酰化和氧化。这些方法虽然有效，但往往需要苛刻的反应条件，选择性有限，且可能影响结构完整性（Gao 等，2024）。相比之下，酶催化生物催化、微生物发酵、合成生物学和肠道微生物组工程等领域的最新进展使得开发具有更高结构选择性和更温和加工条件的生物修饰策略成为可能（Gao 等，2024）。这些新兴方法扩展了定制化多糖的生成可能性，使其具备优化的生物活性和个性化治疗潜力。尽管如此，结构修饰与功能增强不应被视为等价的结果。定义明确的结构改变可以被可重复地引入，但并不能证明该结构变化是由此产生的生物学效应的原因（Nú?ez-Bretón 等，2026）。与此同时，肠道微生物组研究的进展从根本上改变了我们对多糖如何发挥生物作用的理解。多糖不再仅仅是饮食底物，而是被认定为宿主–微生物相互作用的动态调节者，能够塑造微生物组成、影响微生物代谢产物产生并调节肠–脑–免疫轴（Zhang 等，2025）。多糖发酵过程中产生的代谢产物可能直接来自微生物的初级利用，也可能间接通过交叉供能和生态相互作用产生，这使得多糖结构与下游宿主信号之间的关系本质上具有情境依赖性（Jiang 等，2026）。

结合人工智能、多组学整合和智能递送系统等新兴技术，这些发现正推动着从传统功能性成分向精准设计的基于多糖的干预方案的转变（Sun 等，2022）。然而，这一转变仍处于起步阶段。人工智能和多组学方法的预测价值受到结构表征不完整、生物数据集异质性、个体间微生物组差异以及外部和临床验证不足等因素的制约（Rehman 等，2025）。因此，工程化改造多糖结构或计算预测生物学响应的能力，并不意味着能够实现可重复的个性化干预方案。

已有综述通常将生物修饰、微生物组调节、肠–脑信号传导和人工智能辅助设计作为相对独立的领域来论述，对决定多糖修饰是否产生可重复生物学效应的结构、微生物、代谢和宿主因素之间的整合分析较为有限。本综述突破了这种碎片化的方法，将个体间微生物组介导发酵的差异性作为该领域的核心未解决挑战，而非将其视为背景性局限。这一视角在单一概念框架内将多糖结构、微生物生物转化、初级发酵产物、微生物相互作用产生的次级代谢产物、微生物代谢产物介导的信号传导和定型的后生元制剂、递送设计以及人工智能引导的精准营养联系起来。在该框架内，对生物修饰策略的评估不仅关注其实现结构精准性的能力，还关注这种精准性是否能够转化为可预测和可重复的生物学结果。这种区分在现有文献中受到的关注相对较少，是本综述的重点。图1概述了跨这些领域的概念架构，涵盖从多糖来源多样性和生物工程到微生物组–宿主相互作用再到人工智能赋能的精准营养。这些新兴发展共同揭示了下一代基于多糖的功能性食品、治疗药物和个性化健康干预方案的合理设计新机遇。为确保对这一广泛且跨学科文献进行透明综合，第2节描述本文的文献检索策略和补充性的文献计量分析。

## 文献检索策略与文献计量分析

本综述通过结构化的文献检索和补充性的文献计量分析予以支持，以提高证据选择的透明度并刻画该领域的整体发展态势。检索框架围绕综述的主要主题设计，涵盖多糖结构–功能关系、化学和生物修饰、酶和微生物转化、发酵与微生物组相互作用、代谢产物介导的效应等方面。

## 多糖功能的结构决定因素

生物活性多糖表现出显著的结构多样性，源于单糖组成、糖苷键连接模式、支链架构、分子量和高级构象的差异（Xue 等，2025）。多糖可能以仅由一种单糖组成的均聚物形式存在，如纤维素和果聚糖；也可能以包含多种糖残基的杂聚物形式存在，如阿拉伯半乳聚糖、果胶和半纤维素（Dom?a?-K?dzia 等，2023）。

## 常见的结构–功能关系：机制视角

理解多糖结构如何影响生物活性仍然是碳水化合物研究中的核心挑战之一，尤其因为这些关系通过多种同时作用的机制而非单一结构决定因素发挥作用。免疫调节活性是结构依赖性功能研究最为广泛的例子之一。含有β-(1→3)和β-(1→6)糖苷键的β-葡聚糖被Dectin-1识别，导致活化下游信号通路。

## 生物修饰与生物转化

生物修饰作为传统化学方法的一种在机制上不同的替代方案，在定制化多糖结构和功能方面已崭露头角。这里，"多糖生物工程"作为涵盖所有依赖生物催化剂或生物系统的聚合物修饰或聚合物生成过程的总称。酶催化生物催化、微生物发酵、工程化益生菌平台和微生物生物合成与传统化学方法不同，它们通过生物系统的特异性实现结构调控。

## 比较评估：化学修饰与生物修饰

化学修饰和生物修饰通常被视为改善多糖功能的竞争性策略。关键在于确定哪种方法能够产生特定生物功能所需的结构特征，而非判定哪种方法固有地更优。这一区分至关重要，因为生物活性不仅取决于官能团的存在，还取决于其分布、分子量和三维构型。

## 体内微生物组介导的生物转化、微生物代谢产物信号传导与肠–脑–免疫轴调节

如第5节所讨论的生物修饰策略是在食用前改变多糖结构。然而，在体内还发生着一种平行且具有生物学意义的转化：在上消化道中未被消化的结构完整多糖成为结肠中微生物发酵的底物。这种肠道微生物组介导的生物转化并非被动过程，它由定殖微生物的酶谱架构所决定。

## 在食品、营养和个性化健康中的应用

多糖研究的快速扩展已催生了涵盖功能性食品、营养补充剂、微生物组靶向干预、先进药物递送系统和个性化健康技术的多种应用。然而，应用发展的速度往往超过了成功转化所需的机制和临床证据积累。因此，多糖在现代生物技术中占据独特地位。

## 结论与未来展望

生物活性多糖已从被视为简单的膳食成分转变为结构和生物学上复杂的宏分子。其效应不仅取决于初级结构特征，还取决于高级组织、理化性质、微生物转化和宿主情境。本综述表明，包括酶催化生物催化、微生物发酵、工程化益生菌和生物合成平台在内的生物修饰策略能够……

## CRediT作者贡献声明

Pallavi Sharma：写作 – 原稿撰写、可视化、概念设计。Sumer Singh Meena：写作 – 审阅与编辑、指导、概念设计。

## 未被引用参考文献

Chen 等，2024；Li 等，2024；Sabih Ur Rehman 等，2025；Wang 等，2024；Wang 等，2024；Zhang 等，2025；Zhang 等，2025。

## 资助

作者声明在撰写本手稿期间未获得任何资金、拨款或其他支持。

## 利益冲突

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

## 数据可用性

本声明"不适用"；本文是一篇综述文章。

## 利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

第一作者感谢印度政府教育部提供的奖学金支持。图表由 biorender.com 协助制作，图标取自 flaticon.com。

Pallavi Sharma | Sumer Singh Meena