《Food and Bioproducts Processing》：Human Milk Oligosaccharides: Overcoming Production Bottlenecks through Novel Large-Scale Strategies and Applications
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母乳中含有人乳 oligosaccharides（HMOs），作为第三大固体成分，具有调节肠道菌群、增强免疫屏障等关键功能。当前HMO生产面临原料稀缺、化学合成步骤繁琐及微生物工程效率不足等挑战，近年通过合成生物学优化酶促合成路径、利用工程菌及植物细胞系实现规模化生产，并探索捐赠母乳与乳制品提取新途径。
哈蒂斯·杜曼（Hatice Duman）| 艾莎·努尔·尤尔德库（Ay?e Nur Yurdcu）| 阿泰什·卡拉（Ate? Kara）| 米凯尔·贝切拉尼（Mikhael Bechelany）| 塞尔詹·卡拉夫（Sercan Karav）
分子生物学与遗传学系，恰纳卡莱奥内塞克兹马特大学（?anakkale Onsekiz Mart University），恰纳卡莱17100，土耳其
摘要
母乳含有营养丰富的生物活性成分以及多样化的细菌群，这些成分有助于肠道微生物群的成熟，增强免疫功能，并帮助抵御病原体。人乳寡糖（HMOs）是母乳中第三大固体成分，它们是关键的生物活性碳水化合物，能够塑造肠道微生物群，发挥抗菌作用，增强肠道屏障，并调节免疫反应。多年来，由于HMOs的获取受到限制，这一领域的研究进展缓慢。只有母乳中含有大部分HMOs，而历史上提取或合成它们既昂贵又耗时。本文探讨了缓解HMOs生产瓶颈的新方法，重点介绍了化学酶法合成、微生物工程以及从捐赠母乳或乳制品中提取HMOs的技术。文章还强调了合成生物学方面的进展，这些进展提高了复杂HMOs结构的生物合成效率、稳定性和多样性，并评估了基于植物和微生物的系统在工业规模生产HMOs方面的经济可行性和技术可行性。
引言
母乳是新生儿唯一推荐的喂养来源。它不仅促进新生儿的生长，还含有适合其年龄的生物活性成分，有助于儿童的发展和免疫系统的建立。世界卫生组织（WHO）和儿科协会建议在出生后一小时内开始哺乳，并建议在前六个月进行纯母乳喂养，之后可继续母乳喂养至两年（Meek等人，2022年）。此外，母乳因其含有免疫调节和保护性成分而在促进婴儿免疫系统发育和预防疾病方面发挥着重要作用。然而，由于某些原因（如母亲的身体状况、情绪或特定疾病），有些婴儿需要摄入婴儿配方奶。为了确保这些婴儿的健康成长，婴儿配方奶的质量至关重要。近年来，人乳寡糖（HMOs）受到了越来越多的关注，它们是母乳中除脂肪、蛋白质和乳糖之外的另一种重要成分（Jiang等人，2024年）。目前已在母乳中发现了200多种HMOs，它们在哺乳期间具有不同的结构和组成。人乳中的寡糖含量是任何家养哺乳动物乳汁的100到1000倍；每升成熟人乳中的HMOs含量约为5至15克（Oliveira等人，2015年）。人初乳中的HMOs含量甚至更高（Bode，2015年）。HMOs的结构成分主要包括五种单糖：D-葡萄糖（Glc）、D-半乳糖（Gal）、N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）、L-岩藻糖（Fuc）和唾液酸，在人体内唾液酸以N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）的形式存在（Duman等人，2024年）。乳糖前体分子通过β1-3键与乳-N-生物糖或β1-6键与N-乙酰乳糖胺连接，进一步延长其结构。晚期母乳中岩藻糖化、唾液酸化和非岩藻糖化中性HMOs的比例分别为35-50%、12-14%和42-55%（Totten等人，2012年）。
遗传因素以及母亲的分泌型（Se）和Lewis血型特征决定了母乳中HMOs的组成。血型特性决定了特定α1-2-岩藻糖转移酶（FUT2）和α1-3/4-岩藻糖转移酶（FUT3）的表达，从而形成四种不同的母乳类型：第1型为分泌型Lewis阳性（Se+/Le+）个体，占欧洲人口的约70%，这类个体含有最多的总HMOs和岩藻糖化HMOs，尤其是2’-岩藻糖乳糖（2’-FL）；第2型为非分泌型Lewis阳性个体（Se-/Le+）；第3型为分泌型Lewis阴性个体（Se+/Le-）；第4型为非分泌型Lewis阴性个体（Se-/Le-），这类个体的总HMOs含量最低（Bering等人，2018年；Gabrielli等人，2011年；Pekdemir & Karav，2024年）。
HMOs是一种不可消化的碳水化合物，它们在小肠中不被吸收，而是进入结肠，在那里与原有的微生物群相互作用，成为母乳中第三大成分（Mills等人，2023年）。HMOs通过促进有益微生物的生长、抑制有害微生物以及代谢有价值的生物质，显著影响早期肠道微生物群的平衡（Duman等人，2021年）。多项研究表明，HMOs具有多种功能，包括调节肠道微生物群、增强肠道屏障功能、促进生长、改善大脑发育和认知能力，以及缓解婴儿常见疾病（如非表皮念珠菌病、过敏反应和腹泻）（Mills等人，2023年；Tarrant & Finlay，2023年）。
人乳并非普遍可获得的食品资源，因此不能将其视为可用于生产和管理的商品。市场上的母乳采购受到法律和道德限制。现有的母乳捐赠程序也不完善，因此从母乳中工业化生产HMOs并不现实。鉴于HMOs因其重要的生物学作用而受到广泛关注（Alipour等人，2025年；Bode，2006年），人们正在研究多种HMOs或其类似物的合成方法（Jiang等人，2024年）。由于化学合成需要对每种HMO分子进行多次保护和去保护步骤，从而降低产率和效率，因此包括微生物和酶法在内的生物合成技术取得了显著进展（Han等人，2012年）。例如，已证明来自大肠杆菌（Escherichia coli）的唾液酸转移酶可以用于合成唾液酸化寡糖，同时结合胞苷一磷酸（CMP）-Neu5Ac的微生物或酶法合成（Endo等人，2000年）。
本文综述了HMOs的多种生物合成方法，特别关注合成生物学领域的最新进展，尤其是基于酶的催化和全细胞生物合成技术。文章讨论了具有催化能力的酶的特性、酶的结构-功能关系及其生物技术应用，并指出了高效可持续生产HMOs当前面临的挑战和未来需求。一些值得注意的进展包括利用人类和植物细胞系进行可扩展的酶工程，以提高HMOs生物合成的效率、产量和底物多样性。
人乳寡糖的重要性
人乳寡糖是一类未结合的、多功能且不可消化的糖类，它们在结构上具有多样性，是人类母乳所特有的（Cheng等人，2021年）。由于其独特的复杂碳水化合物结构，HMOs能够抵抗胃肠道水解，也不会被胃酸或胰酶及刷状缘酶显著降解，因此几乎无法被吸收。这一特性使HMOs能够到达新生儿的肠道下部，在那里发挥作用
合成方法
鉴于HMOs在母乳中的重要性以及合成技术的进步，目前已经成功制备出了高浓度、低聚合度的HMOs。常用的合成方法包括化学合成、酶合成和微生物介导的生物合成。由于人母乳资源有限，大规模提取HMOs并不现实。化学合成过程劳动密集且效率低下，且技术复杂
HMOs的先进分析方法
HMOs的分析鉴定一直具有挑战性，这主要是由于这些化合物复杂的立体化学结构和高度分支的分子结构（Grabarics等人，2017年）。现有的分析平台仅能部分揭示糖谱信息，因此早期的母乳糖组学研究主要集中在识别和测量少数几种糖类。过去十年中，糖组学技术得到了改进，现在能够实现全面、快速、灵敏的分析
监管方面与质量控制
母乳是获取HMOs的主要来源。其他哺乳动物的乳汁中HMOs的含量较低，结构复杂性和多样性也较低。目前已有多种方法可用于提取HMOs，每种方法都有其优势和局限性，决定了其适用的应用领域。为应对当前挑战并加速这一领域的发展结论与未来展望
近几十年来，人们开发出了多种获取HMOs的方法。每种方法都有其独特的优缺点，这些因素决定了其适用的应用场景。系统地评估和整合这些技术，并结合相关知识，可以开发出创新的策略来解决问题并推动该领域的发展。尽管HMOs的有限可用性和伦理问题使其不适合作为膳食成分，但
作者贡献声明
塞尔詹·卡拉夫（Sercan Karav）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。艾莎·努尔·尤尔德库（Ay?e Nur Yurdcu）：撰写 – 审稿与编辑。哈蒂斯·杜曼（Hatice Duman）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。米凯尔·贝切拉尼（Mikhael Bechelany）：撰写 – 审稿与编辑。阿泰什·卡拉（Ate? Kara）：撰写 – 审稿与编辑
未引用的参考文献
A Adams和Gutiérrez，2019；The Baby-Friendly Initiative，2012。
资助情况
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的资助。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
