《Frontiers in Nutrition》：Regulating polysaccharide structure and bioactivity via free radical degradation: a review of mechanisms, effects, and application prospects
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这篇综述系统阐述了羟基自由基（·OH）介导的多糖降解机制（如Fenton样反应）及其对结构-活性关系（SAR）的精准调控作用，聚焦分子量（Mw）优化、功能基团保留（如硫酸酯-OSO3–）及构象变化如何协同增强多糖生物活性（抗氧化/免疫调节等），为功能食品开发提供新策略。
1 引言
天然多糖（如人参、海藻、杏、落叶松来源）因结构类似人体糖复合物，具有免疫调节、抗氧化、降血糖等核心生物活性，是功能食品（如降糖保健品、免疫补充剂）的理想原料。然而，其天然分子量（Mw）分布宽（>1000 kDa）、结构异质性（如单糖组成、糖苷键类型）严重阻碍结构-活性关系（SAR）研究。相比超声（Mw/Mn=3.8）或酸水解（易丢失硫酸酯基）等方法，自由基降解凭借温和条件、高效性及95%以上硫酸酯基保留率，成为优化多糖SAR的关键技术——例如杏多糖经降解至5-8 kDa后，α-葡萄糖苷酶抑制活性显著提升，已应用于功能性饮料。
2 自由基降解机制与特征
降解核心机制为羟基自由基（·OH）攻击，通过Fenton样反应（H2O2与抗坏血酸/金属离子反应）生成·OH，随机裂解糖苷键。其动力学呈三阶段特征：
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阶段I（快速解聚）：·OH优先攻击主链糖苷键及弱氢键，Mw迅速下降（如落叶松阿拉伯半乳聚糖从>1000 kDa降至150 kDa）；
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阶段II（主链断裂）：断裂暴露新攻击位点，链长持续缩短；
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阶段III（缓慢降解）：短链片段主导，末端裂解为主，Mw变化趋缓。
值得注意的是，降解存在位点偏好性：如β-D-木聚糖C6位易受攻击，半乳糖醛酸-中性糖键（GalA-Rha）比同型半乳糖醛酸（GalA-GalA）更抗裂解。过程中羧基可转化为内酯，醛基（-CHO）等新基团生成，而硫酸酯基因温和条件得以保留（1H-NMR特征峰δ4.2-4.6未消失）。
3 结构-活性关系（SAR）解析
3.1 分子量（Mw）调控
降解将Mw优化至10-1000 kDa活性窗口，具体因来源/功能而异：人参多糖（免疫调节）70-150 kDa最佳，海藻硫酸化多糖（抗凝）3-8 kDa最优。机制上，Mw降低提升溶解性（如块菌多糖溶解度提高3倍），暴露活性位点（如杏多糖羧基含量增2.8倍），但过度降解（<10 kDa）会破坏结构完整性——如<5 kDa杏多糖α-葡萄糖苷酶抑制活性下降30%。
3.2 功能基团变化
自由基降解独特优势在于保留硫酸酯基（>95%），同时暴露/生成新基团：
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醛基（-CHO）：新生成于1730 cm-1（FTIR特征峰），通过C-H键电子供给能力增强抗氧化活性；
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硫酸酯基（-OSO3–）：负电荷中和·OH，提升抗凝活性（如结合凝血酶）；
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羧基：暴露后促进与胆酸结合，强化降脂效果。
3.3 单糖组成重构
降解可选择性移除特定单糖（如玉米须多糖中鼠李糖消失），或优化比例（如阿拉伯糖/半乳糖比提升增强免疫活性）。例如落叶松阿拉伯半乳聚糖经降解后，阿拉伯糖侧链减少导致构象从致密球体（粒径337.90 nm）变为半柔性螺旋（182.87 nm），更易结合巨噬细胞TLR4受体，TNF-α分泌量提升150%。
3.4 高级结构演变
降解可部分解旋三重螺旋结构（如人参多糖），暴露隐藏活性域（如β-(1→3)糖苷键）。但需注意：无螺旋结构的多糖降解后不会新生螺旋，而原有螺旋结构松动可增强活性位点可及性。此外，鼠李糖半乳糖醛酸I（RG-I）结构域因独特三维构象，降解后免疫活性显著提升。
4 应用前景与挑战
当前瓶颈包括复杂寡糖测序难（如HILIC-UPLC-Orbitrap-MS/MS无法准确解析分支结构）、工业批次差异大（Mw波动12-15%）。未来可结合AI预测裂解位点、微流控反应器实时调控参数（pH/H2O2浓度），并采用“超声预处理+自由基降解+酶修饰”组合策略，平衡效率与活性结构保留。实践案例已落地：pH 5.0-6.0下降解海藻多糖保留抗凝活性用于低钠酱料；等离子辅助降解杏多糖（5-8 kDa）提升降糖饮料功效；10-150 kDa落叶松多糖使酸奶免疫活性增强150%。
5 结语
羟基自由基降解通过精准调控Mw、保留功能基团、重构单糖组成与构象，建立了“降解-结构-活性”的清晰关联，为功能多糖的理性设计提供了新范式。未来需攻克复杂寡糖测序、工业重现性等技术壁垒，推动该技术在营养健康领域的深度应用。
