第1章概述
碳水化合物包括储存型（如淀粉、糖原）、结构型（如纤维素、阿拉伯木聚糖、果胶）等类型，对人类膳食和健康有重要影响。自从人类历史有记载起，我们的祖先就通过种植、采摘等方式从大自然中获取相关资源，进而通过饮食、消化等方式，为生命活动提供基础的能量物质；在自然界中，在早于人类活动历史之时，以植物为代表的自然资源通过光合作用等方式将大量的太阳能转变成纤维素、淀粉等形式存储在生命体中，滋养着地球上的其他生物。在现代，碳水化合物的结构复杂性、生物重要性及机制不明确性，使得大量科技工作者在科学研究的道路上不断追求与探索，以期揭示更多仍然未知的奥秘（Dwek，1996；Rademacher et al.，1988）。
食物中复杂碳水化合物，主要以多糖为典型代表，包括淀粉、非淀粉多糖及结构复杂的低聚糖（又称寡糖）等。多糖（ polysaccharide）通常指 10个或以上单糖通过糖苷键连接在一起形成的聚合物，广泛存在于植物、动物、微生物（真菌和细菌）中。除了人们常说的膳食纤维类多糖，还有一些具有特定生物活性的多糖，我们将其定义为生物活性多糖。本书主要讲述食物中的多糖，包括普通食物和药食两用资源，同时考虑到人们对膳食纤维的认识，也有部分内容涉及木质素、抗性低聚糖等。
1.1 复杂碳水化合物研究历史简况
19世纪末，德国著名科学家 Fischer就开始了对简单结构糖类的研究（ Fischer， 2010），Haworth等在 1920～ 1940年开展了大量有关糖环结构的基础研究工作（ Haworth， 1926；Haworth and Hirst，1930），之后越来越多的科学家加入到糖化学研究领域。正因得益于此，淀粉、纤维素、甲壳素和透明质酸等碳水化合物得到了极大重视，科学家利用各种经典化学方法对其结构开展了诸多研究工作。 1962年，Watkins和 Morgan报道了一些结构简单的糖对特定血清反应的抑制作用，结果表明自然界中的碳水化合物会和蛋白质、脂类共价连接。但直到 1980年，糖链结构的测定仍比较困难（ Dwek，1996）。 1988年，发生了一件在碳水化合物研究历史上非常重要的事，即牛津大学 Dwek博士首先提出了“糖生物学”（glycobiology）这一概念（ Rademacher et al.，1988）。自此之后，更多科学家认识到了碳水化合物在生命科学中的作用：同蛋白质和核酸一样，碳水化合物是一类在机体生命活动中非常重要的生物大分子，参与受精、细胞生长、细胞识别、免疫反应、病毒复制和炎症反应等生命活动（ Dwek，1996）。美国加利福尼亚大学知名糖生物学专家 Ajit（1993）甚至宣称 “Biological roles of oligosaccharides：all of the theories are correct”。
近年来，大量研究报道天然产物来源多糖具有免疫调节（ Cobb et al.，2004；Kang and Min，2012；Li et al.，2017a；Ramberg et al.，2010）、肠道菌群调节（ Cuskin et al.，2015； Flint et al.，2008；Hu et al.，2014；Larsbrink et al.，2014）、抗肿瘤（ Liu et al.，2016；Meng et al.，2016；Zhang et al.，2015；Zong et al.，2012）、抗氧化（ Chen et al.，2008；Jiang et al.，2016；Li et al.，2017b）和降血糖（ Luo et al.，2004；Wang et al.，2013；Zhu et al.， 2013）等功能，包括华盛顿大学 Gordon教授在内的许多科学家都证实了多糖可通过肠道微生态发挥特定生物活性（ Flint et al.，2008；Seedorf et al.，2014；Turnbaugh et al.， 2006，2009）。了解多糖结构有助于阐述其生物活性机制及发掘新的生物学功能，除了多糖结构表征中用到的经典化学方法，科学家也尝试在其他方面进行努力并有所突破，如 Edge等（1992）利用“酶阵列”法实现了寡糖序列快速分析。 Rief等（1997）利用原子力显微镜分析葡聚糖（ dextran）单分子力谱、测定多糖中碳与硅原子之间的共价键，开启了碳水化合物微观结构研究的大门。两年后， Venkataraman等（1999）利用基质辅助激光解吸电离-质谱法（ matrix-assisted laser desorption ionization of mass spectrometry，MALDI-MS）结合新型分析系统首次实现了在皮摩尔数量级上对类肝素、葡糖胺聚糖结构序列进行解析。离子淌度质谱法（ ion mobility mass spectrometry）是近些年发展起来的，现在人们用它可实现对碳水化合物异构体进行识别（ Hofmann et al.，2015）。同时，高级显微技术（如激光共聚焦显微镜、拉曼光谱）的发展使得在生物体上“原位分析”多糖结构或相互作用成为可能（ Chundawat et al.，2011；Ding et al.，2012）。2020年，德国马克斯？普朗克固体研究所及牛津大学首次在实空间中观测到单分散聚糖分子的成像，并实现了不同同分异构体连接结构及连接位置的辨别（ Wu et al.，2020）。除此之外，人们发现了溶解性多糖单加氧酶（ lytic polysaccharide monooxygenase）氧化降解纤维素、甲壳素等“拮抗性”多糖，表明多糖类生物质的工业化利用发出了积极的信号（ Courtade et al.， 2016；Frandsen et al.，2016；Kracher et al.，2016；Leggio et al.，2015；Arfi et al.，2014）。
1.2 膳食纤维的定义
1953年，Hipsley率先提出了“膳食纤维”（dietary fiber，DF）一词，把构成植物细胞壁的纤维素、半纤维素及木质素等成分统称为膳食纤维。目前，这一名词已经家喻户晓并深入人心，在生活水平日渐提高的同时，人们愈加关注和重视膳食纤维对人体健康的影响，“膳食纤维”一词已经成为老百姓的日常生活用语，但是在科学界，人们对膳食纤维的定义依然存在争议：首先，膳食纤维既不能定义成单一的化学成分，也不能定义为一组相关的组分；其次，不同的膳食纤维可能有一种或多种生理功能，所以很难通过健康保护作用去定义膳食纤维（详见第 2章）。 2009年国际食品法典委员会（ Codex Alimentarius Commission）提出来的定义比较规范、科学，即膳食纤维是指 10个或 10个以上单体连接的碳水化合物，不能被人体小肠内源酶水解，且属于以下类别：①食物中天然存在的膳食纤维多聚物；②通过物理、酶和化学方法从食物原材料中获得的碳水化合物多聚物；③合成的碳水化合物多聚物。包括抗性低聚糖、抗性淀粉和抗性麦芽糊精。该定义中还明确：允许国际权威机构将聚合度（ degree of polymerization，DP）为 3～ 9的组分列入膳食纤维的范畴；上面类别②和③中分离与合成的膳食纤维必须对人体生理健康有一定益处。当然，对人体健康的益处更多体现在对肠道健康的影响（包括润肠通便、调节肠道微生态）方面，而且膳食纤维具有食物的属性。
1.3 生物活性多糖的定义
多糖的结构与功能研究，是整个碳水化合物领域的研究热点和难点，但是迄今为止，人们对于生物活性多糖的定义和概念没有一个清晰的表述。通过对大量文献的调研，结合对膳食纤维的认识可知，生物活性多糖是指从真菌界、动物界、植物界等中分离得到的具有某种特定生物活性的非淀粉天然大分子碳水化合物，一般是由 10个甚至数千个一种或两种以上的单糖通过糖苷键缩合而成的聚合物，该聚合物可以共价结合一些特殊官能团、蛋白质、多肽等。除了提升肠道健康水平外，生物活性多糖还应该具有其他对机体功能有益的作用。因此，部分具有特定生物活性的膳食纤维也可以归属到生物活性多糖中，如香菇多糖；但是一些膳食纤维或者多糖，仅通过简单的物理屏障、非机体的组分间相互作用等方式起到血糖调节、胆汁酸分泌抑制、体重调节等作用，不宜将其归类为生物活性多糖。
1.4 复杂碳水化合物研究前景与展望
1.4.1 正确认识复杂碳水化合物结构类型
虽然很多研究者都认为以多糖为代表的复杂碳水化合物具有结构不确定性、分析结果低重现性、无规律性，但大家并不否认天然产物来源多糖中普遍存在葡聚糖、半乳聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘露聚糖、阿拉伯木聚糖、果胶等结构类型多糖。目前可能由于技术局限性等因素，许多报道的多糖结构都是“独一无二”的，即他人很难重复获得相同结果。例如，我们从车前子种皮中以阿拉伯木聚糖为主的多糖组分中进一步纯化获得果胶结构类型多糖，进一步修正、丰富了车前子中的多糖类型（ Yin et al.，2012a，2012b）。因此，我们提出了“多糖结构的相对有序性”这一概念，即在某种程度上，多糖的结构有一定规律可循，绝大部分多糖往往可被归为具有某一特征结构的化合物，如葡聚糖、阿拉伯木聚糖、葡甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖、果胶等。所以，可以利用已有知识有效地对不同来源的多糖依据其含有的单糖和糖苷键类型进行科学的分析与判断。
1.4.2 提高样品制备效率，保证样品可重现性
提取制备复杂碳水化合物时，考虑到后续分离纯化中的损失，以及各项理化性质分析、精确结构解析、溶液构象分析、体内外实验等研究需要大量的样品，从原料提取制备的第一步开始就要注意，应当*大程度一次性提取制备获得足够的复杂碳水化合物，以避免多次提取所造成的误差。此外，样品分离纯化时，除了满足结构分析、功能活性研究等需求外，应当特别注意得率问题，即不提倡以牺牲样品得率来单纯满足结构分析和功能活性机制探索需求。对于纯化得到的复杂碳水化合物，鼓励从其单糖组成及比例、电荷均一性、相对分子质量分布等方面综合分析、评价，保证用于结构分析的样品是比较理想的“均一”多糖。
1.4.3 利用以“部分降解-甲基化-核磁共振”为核心的结构表征方法
以多糖为例，在前期研究中（谢明勇等， 2017），我们曾专门分析了如何提高多糖结构分析精确性的方法，即鉴于多糖（特别是杂聚糖）结构的复杂性，目前很难用一种或几种方法解析出其一级结构，必须结合大量的化学分析和现代仪器分析方法进行综合解析，可以将“部分降解-甲基化-核磁共振”作为多糖精细结构表征的核心技术，这是现阶段切实可行的方法，再辅助结合离子色谱、电喷雾电离串联质谱法（ electrospray ionization tandem mass spectrometry，ESI-MS/MS）、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法（ matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry，MALDI-TOF/MS）、离子淌度质谱法等技术，可对多糖结构进行科学、准确的解析。此外，不能将蛋白质结构理论与研究思路“照搬”至多糖相关研究，应尽快建立适用于多糖结构分析的理论与方法，有利于提升本领域研究水平。
1.4.4 深入阐明生物活性机制和构效关系
以多糖为代表的复杂碳水化合物生物活性研究存在的问题如下：一是研究更多地停留在体外实验阶段，二是构效关系的研究还不完善。许多研究对多糖的功能活性评价通过体外实验完成，而对于该多糖在体内的吸收、分布、作用机制，包括在细胞膜或脂质体表面的构象作用，多糖、蛋白质及脂类结合的化学和物理进程，以及这类分子聚集体所形成的微环境与它们的生物功能之间的关系等的研究还
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