浙江大学陈士国教授等 | 食源性碳水化合物结构解析新技术前沿与展望/中国食品科学技术学会

碳水化合物是健康饮食不可或缺的一部分，不仅因为碳水化合物是人类饮食中的主要能量来源（40%~80%），其还赋予食物重要的结构特性，并具有众多重要的生理功能（菌群调控、免疫调节、降低血脂、血糖等）。此外，碳水化合物可以影响肠道微生物组，近年来，以Jeffrey Gordon教授领衔的团队多次在《Cell》、《Nature》发表系列论文，阐明了天然多糖为主的食源性碳水化合物可通过调节肠道微生物组来改善人体健康。研究食源性碳水化合物的精准构效机制，已成为食品科学和生命科学领域的重要课题。然而，受限于糖链复杂组分和分子结构，食源性碳水化合物的研究尚在起步阶段，远落后于蛋白质和脂质等大分子的研究。

图1 与食品碳水化合物相关研究的里程碑

2、传统食源性碳水化合物结构解析策略

目前，对于糖链的分析主要基于其初级结构信息：分子量测定、单糖组成、糖苷键构成和连接形式，传统结构分析依赖大量的分析技术和化学手段，策略可以总结为“糖含量与分子量测定-部分降解-甲基化分析-核磁共振”，但是存在过程耗时、精度低、通量低，且容易在过程中造成部分结构的丢失，无法满足食品多糖结构高效、快速、精细鉴定的研究需求。因此，对于多糖的结构分析，需要更加完整的结构鉴定策略。

图2 解析食源性多糖结构的传统方法

3、新型食源性碳水化合物结构解析策略

（1）LC/QqQ-MS技术多反应监测(MRM)模式下联用分析整体糖链

多反应监测模式主要依靠三重四极杆质谱（QqQ-MS）实现，定量由母离子在碰撞室产生的特征性子离子碎片，具有重复性好，精密度和准确度高等优势，可以用来分析糖链的单糖组成、低聚糖组成、糖苷键组成，从而实现糖链整体结构解析。这种策略被广泛应用于生命科学、食品科学等领域对多糖的定性、定量分析中，如分析人体液中的糖胺聚糖，检测人乳寡糖，分析复杂生物样本中多糖等。

（2）基于LC-MS/MS的糖链三维质谱数据库

基于MS产生的大量高度复杂结构数据，在手工分析时耗时且费力，因此需要建立数据库以及应用专门的软件来对试验获得的质谱数据进行整合和分析。基于LC-MS/MS的糖链三维质谱数据库中，包括保留时间（RT）、质谱图和二级质谱数据3个方面的数据。同时近几年有许多基于LC-MS的数据分析方法软件，分析N-聚糖以及O-聚糖，如GlycReSoft、SweetSEQer、GlycanID，改善了人工分析师的工作流程，提高了方法的灵敏度、速度和准确性。

（3）基于离子淌度质谱的糖链CCS值数据库

绝大多数复合碳水化合物的构成单糖都具有相同的原子组成和质量，因此仅通过质谱数据无法明确指定特定的分子结构。离子淌度质谱提供了额外的气相分离维度。具有相同光谱碎片的异构体，可以通过碰撞截面(CCS)进一步的区分，即CCS值可作为不同结构聚糖的依据，用作数据库中结构识别的附加搜索标准，提供异构体种类和/或结构信息。近年来，研究人员尝试建立聚糖CCS值数据库，如GlycoMob，目前包含超过 1 200 个葡寡糖和 N-糖及其片段的参考CCS值，但目前在食源性聚糖中应用较少，未来在解析复杂食源性多糖结构具有极好的应用潜力。

图3 离子淌度分离异构体示意图

4、总结与展望

糖链解析是生命科学领域的重要课题，而近年来聚糖在食品领域中的研究也逐渐兴起。首先，糖链结构解析策略的进一步创新和发展，对于推进食品糖组学的应用至关重要。另一个关键领域是糖组学生物信息学工具的设计。目前食源性多糖没有专门的质谱数据库，且食源性糖链的数据数量级距离实现糖组学高通量分析和发展信息学算法还有巨大的鸿沟。未来需要建立针对食源性多糖的高效、可控降解并联合LC-MS技术的解析方法，同时建立食源性多糖数据库，结合信息学技术，实现对食源性多糖结构的高效解析。这将为进一步明确食源性糖链精准构效机制，阐明食源性多糖与肠道菌群的关系，实现个性化精准营养提供理论基础。

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=64ENavj7QCDqZcPkLsr-d65R70FMsdgzJ-QPF3j8FwRtASMGJytMe8Il71lgm4xDd8SHbQtgdamjQ4G3JIJ3UkrkSMnXHv28od4kMJEp_x0rvz6MnpDQd9boqwdrGZ3bYp4RMpIiMxc8jzGswNH__rluVtrBQevJGtIjH_TT0--5q2Lpjuv2mDTry-haMVPM&uniplatform=NZKPT&language=CHS