多糖是普遍存在于动物、植物、微生物中的大分子聚合物，因其独特的结构特征及良好的安全性、生物相容性，在食品、医药、生物材料等领域具有重要应用价值，已应用于制备食品添加剂、药物活性成分或制剂辅料等。多糖功能的多样性源于其结构的多样性，目前围绕多糖的制备、结构修饰改造与合成生物学构建已成为推动其高值化应用的核心内容。在“双碳”目标和可持续发展战略背景下，多糖绿色制造技术形成与发展既可以保障多糖的高效获取利用，又可以实现资源的环境友好型生产。
多糖绿色提取、绿色改性及合成生物学是构成多糖绿色制造体系中紧密关联、逐级递进的关键技术环节（图1）。绿色提取技术通过对多糖传统提取工艺的优化升级，在降低能耗与环境负担的同时，有效保护多糖结构的完整性，为后续结构解析与功能研究提供高质量原料基础。绿色改性技术是在天然多糖的基础上，通过物理、化学或生物手段实现结构的定向调控与功能增强，从而搭建并拓展了天然多糖的功能化应用。合成生物学则是通过对糖链合成途径的工程化设计，实现多糖结构的从头构建与高效合成，为突破天然资源依赖和生产模式的限制提供了全新技术路径。哈尔滨商业大学药学院的姬新星、汲晨锋*从多糖绿色制造的整体视角出发，系统综述多糖绿色提取技术、绿色改性技术及合成生物学在多糖领域的应用，分析其优势与局限，探讨其在食品、医药及生物材料等领域的应用潜力，旨在为多糖的制备、结构研究与功能开发提供技术策略，并为多糖产业的绿色转型和高质量发展提供理论参考。
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多糖绿色提取技术研究进展
多糖绿色提取是多糖绿色制造技术体系的起点，也是多糖结构研究与功能开发的前提，该技术通过对传统技术的全面升级，能够系统地应对环境挑战。由图2可知，该技术已形成涵盖超声辅助提取、微波辅助提取、酶辅助提取及低共熔溶剂（DES）提取在内的多元化体系，在医药、功能食品、化妆品、新材料等领域得到广泛应用。相较于传统技术，绿色提取技术能最大限度保护多糖结构的完整性，并通过环境友好型溶剂的应用实现提取介质的绿色化，从源头上保障产品的安全性与可持续开发的潜力。
1.1多糖绿色提取方法
1.1.1 超声辅助提取法
超声辅助提取是一种利用超声波的空化效应、机械作用等使植物细胞壁破裂，从而加速细胞内容物溶出，增加溶剂的穿透力，进而提高有效成分溶出率的技术。由表1可知，超声辅助提取可用于根、茎、果实、全草类等部位多糖的提取，尤其多用于植物根类多糖的提取；超声提取技术在根类植物多糖中的超声功率多为200～400 W，提取温度为40～60 ℃，时间为30～50 min。与传统方法相比，超声辅助提取时间大幅缩短，效率显著提升，具有低耗能、绿色环保的优点；同时，基于超声波能够在常温甚至低温条件下有效加快成分溶出，使其同样适用于热敏性物质的提取。然而该技术也存在一定局限性：一方面，对设备要求高、提取成本高；另一方面，在提取时会使多糖部分降解，从而使有效成分浸出量减少，反而降低提取率。此外，超声时间和强度控制不当，可能导致多糖的化学结构和生物活性发生改变，这是目前超声提取法亟需解决的问题。
1.1.2微波辅助提取法
微波辅助提取法是在微波热效应及产生的电磁波效应下，促使细胞内温度及压力升高，加快细胞内外分子运动，当内压超过细胞壁所能承受的能力时，导致细胞破裂，从而将细胞内多糖等有效成分成功释放到浸提液中，具有提取效率高、操作简单及选择性好等优点，是一种高效、节能的提取技术。由表2可知，该技术可用于果实、根、叶、子实体等部位多糖的提取，尤其多用于果实类多糖的提取；超声提取技术在果实类多糖中的微波功率多为200～600 W，提取温度为50～70 ℃，提取时间为10～40 min。值得注意的是，树番茄提取时间较长，可能与其结构组织和多糖存在形式有关，提示对不同原料进行微波辅助提取时可通过参数调整予以优化。微波辅助提取相较于传统水提法核心优势体现在能够提高多糖得率且高效节能，但过高的微波功率会使多糖链降解，进而改变其天然结构。
1.1.3酶辅助提取法
酶辅助提取法通过使用特定酶水解植物细胞壁的化学成分（如几丁质、葡聚糖），破坏其坚固的网络结构，在保持细胞内活性多糖完整性的应用中具有不可替代的优势。由表3可知，酶辅助提取可用于子实体、根及根茎、全草类等部位多糖的提取，尤其多用于子实体多糖的提取；其中纤维素酶与果胶酶用于降解多糖，而木瓜蛋白酶则用于去除蛋白质；酶辅助提取温度较为恒定，一般在50 ℃左右，而提取时间和pH值差异较大可能与酶的种类和植物细胞壁成分有关，需针对不同细胞壁成分考察单一酶或复合酶系及提取条件，以实现得率最大化。酶辅助提取具有特异性高、提取效率高、安全无毒、反应条件温和、绿色无污染等优点，但对温度、pH值等要求以及成本较高，需要针对不同植物细胞壁的复杂性予以工艺优化。
1.1.4超临界流体萃取法
超临界流体萃取法利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系实现溶质与溶剂分离，通过调节体系温度或压力，可改变超临界流体的密度，从而有针对性地提取不同极性组分，超临界流体的密度、黏度及提取温度是提取的关键影响因素。由表4可知，超临界流体萃取适合提取细胞壁坚硬的子实体多糖，其中超临界CO2流体提取多糖的温度多为40 ℃左右，时间为100～270 min，压力为15～40 MPa，但得率差异较大，这可能与植物本身多糖含量、细胞壁致密程度、多糖热稳定性等因素有关。超临界流体萃取具有渗透力强、提取效率高、选择性好、能够保护有效成分、溶剂无毒环保等优点。然而，该技术也存在一定局限性，如对极性较大、分子质量大的多糖物质提取效率较低，且设备与运行成本较高，目前工业化生产中应用还较少。
1.1.5半仿生提取法
半仿生提取法是一种将药物研究方法与分子生物学原理相结合的提取技术，它模拟药物在人体胃肠道的转运过程，先在酸性环境中提取，再转入碱性环境中提取，以模拟体内作用环境从而获取有效成分。由表5可知，半仿生可用于子实体、茎及全草类多糖提取，半仿生提取法提取时间多为60～240 min，温度为60～80 ℃，pH值为2～8，多糖得率差异较大，其中半仿生联用超声或酶法的多糖得率较高。尽管目前应用半仿生提取多糖的研究相对有限，但该方法为中药多糖的提取和应用提供了新思路。
1.1.6高压脉冲电场提取法
高压脉冲电场法通过对两电极间的料液反复施加高压短脉冲，使细胞膜电位达到临界值而产生电穿孔或破裂，从而使细胞内容物释放。该方法不破坏产物的成分和结构，且能耗低、对环境无污染。由表6可知，高压脉冲电场提取多糖的电场强度多为10～30 kV/cm、脉冲数为6～64，不同多糖得率差异显著，其中紫花山柰多糖得率较高，可能是由于根茎中多糖含量较高且高温使多糖溶出率增加。高压脉冲电场提取多糖可在室温条件下进行，且耗时短，因此在热敏性活性多糖的提取中具有独特优势，协同其他方法或可进一步提升其提取效率，如高压脉冲电场与酶或超声联用技术可进一步提升多糖得率。此外，电场强度、脉冲数等条件参数需根据不同来源原料进行优化，以权衡提取效果与经济成本。
1.1.7超高压提取法
超高压提取法是一种在常温条件下通过施加压力至100 MPa以上，使细胞结构破坏，从而促使原料中有效成分溶出的新型提取方法。该方法高效快速，能有效保护热敏成分和生物活性成分，且因极少使用有机溶剂而更加绿色安全。由表7可知，超高压提取适合提取大多数植物原料，尤其适合对根及根茎类植物中多糖的提取，超高压提取的提取压力通常在400 MPa左右，时间基本在20 min之内，所需时间较短，工艺参数因原料而异，工艺优化后可提升得率。但超高压会导致大分子物质变性，故超高压提取不适合提取大分子质量多糖，同时设备成本高，较难应用于大规模生产。
1.1.8加压热水提取法
加压热水提取法是一种通过加压使水在亚临界状态（100～374 ℃、0～22 MPa）保持液态，利用其物化性质（如介电常数、黏度）的变化从而选择性提取目标成分的技术。该技术已被应用于果蔬、谷物等多种原料，尤其在食用菌的提取中应用较为广泛。由表8可知，加压热水提取多糖的最优温度约为140 ℃，时间为20～30 min，提取压力约为1.0 MPa。加压热水提取可增强水的扩散能力，实现多糖快速提取，并能够避免有机溶剂的使用，减少环境污染，但其对设备要求较高，在工业化生产应用中存在一定难度。
1.1.9膜分离技术
膜分离技术是一种基于具有选择透过性的功能薄膜，在外界能量（如压力差、浓度差或电位差）的驱动下，使混合物中特定成分选择性透过，从而实现分离、纯化和浓缩的物理提取技术。根据分离精度与孔径差异，其主要可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，其中超滤主要用于分离大分子物质，如蛋白质、多糖、胶体等。该技术具有高效性、高选择性、条件温和、能耗较低、易于放大和集成的优势，并能较好地保持多糖生物活性。由表9可知，采用微滤、超滤、纳滤及集成串联超滤等方法，能够成功获得不同分子质量范围（2.5～100 kDa）的多糖组分，提取压力在0.03～0.6 MPa之间，多糖透过率都在80%以上，该技术不仅能精准分级多糖，还可减少蛋白质等杂质，提高多糖均一性。目前，该技术已在海藻多糖、灵芝多糖等的工业化提取中获得应用，但仍面临膜污染和前期投入成本高等挑战。
1.2绿色溶剂提取技术
1.2.1离子液体提取多糖
离子液体是指由阳离子和阴离子组成的低熔点液体，可通过离子液体的氢键相互作用，高效地破坏细胞壁，使多糖溶出。离子液体结构与功能可调性强、溶解范围广、热稳定性好、回收重复使用萃取效果稳定。由表10可知，目前研究中所选用离子液体以1-乙基-3-甲基咪唑类为主，且常与超声技术联用提取多糖，提取物均表现出良好的抗氧化活性，部分提取物多糖还兼具α-葡萄糖苷酶及淀粉酶抑制活性。
1.2.2DES提取多糖
DES通常是由氢键供体和氢键受体通过分子间作用力（如氢键、范德华力等）形成熔点显著低于单一组分的混合物，提取过程中多糖分子中的羟基或其他极性基团可与DES中的组分形成氢键，从而使多糖溶于其中。DES作为新型离子液体类似物，具有成本低、合成简单、环境友好以及能够保护多糖结构等优点，可通过调节溶剂组成改变其物理性质，从而针对性地提取不同种类的多糖。常见的DES体系包括氯化胆碱-丙三醇、氯化胆碱-尿素、氯化胆碱-乙二醇和氯化胆碱-草酸等二元DES体系，少数三元DES体系也可用于多糖提取。
1 ）二元DES提取多糖
DES在不同组分下呈现多样化提取特性，通过调控DES物质的量比、含水量及提取温度等参数能够实现多糖得率的提高，且显著优于传统水提法，针对不同原料细胞壁结构差异需针对性优化工艺参数。其中氯化胆碱-丙三醇体系具有极高极性，提取条件十分温和，有利于保护多糖生物活性，但其黏度较大，可能导致后续分离困难。氯化胆碱-丙三醇是多糖提取的优选DES体系，其氢键供/受体的协同作用能高效破坏原料细胞壁结构，提升多糖溶出效率。另一常用体系为氯化胆碱-尿素，其同样具有较高极性，能有效溶解植物细胞壁多糖，从而显著提高得率，但提取过程中需在较高温度条件下进行，这会导致部分尿素降解及多糖结构破坏。此外，氯化胆碱-乙二醇体系具有中等极性且黏度低，提取条件温和，有助于保护生物活性，广泛适用于中性多糖的提取，其常搭配超声-酶法或微波辅助技术，借助DES的高溶解性与辅助技术的强化传质作用，可共同实现多糖高效提取。氯化胆碱-草酸体系也是常用的提取多糖的DES组合，其氢键结合能力高，尤其适用于酸性多糖的提取，但存在黏度高、分离纯化困难、溶剂回收成本高及酸性环境导致多糖降解等问题。
2） 三元DES提取多糖
三元DES是在传统二元DES体系中引入第3种组分（可为氢键供体或氢键受体）所形成的新型溶剂。其结构更具设计性和复杂性，能够有效弥补传统二元DES在某些方面的不足，强化特定功能，例如改善黏性、增强溶解度等。采用三元DES可以突破二元DES的局限，通过多组分协同优化氢键网络与溶解性能，实现多糖高效绿色提取，如Li Rongji等利用氯化胆碱-愈创木酚-乳酸体系提取灵芝多糖，5 次回收率超88%；Feng Shiling等利用氯化胆碱-丙酸-丁酸提取油茶果壳多糖，得率为水提法的1.5 倍，并能保留其抗氧化、降血糖活性。但是三元DES也常有黏度易升高、提取率受影响、溶剂成本增加及纯化难度加大等问题。
3）pH值响应型DES提取多糖
pH值响应型DES是一种能够响应外界pH值变化，在亲水与疏水状态（或均相与异相）之间实现可逆改变的DES，其原理是基于组分的质子化或去质子化过程，改变分子间氢键相互作用，实现可逆相变行为。该溶剂具有可循环使用、溶剂回收率和提取率高等优点，通过精准调节pH值能够实现目标多糖的选择性提取。通过pH值切换可调控DES相变行为与溶解性，Chen Xueying等利用所构建的三相分配系统提取葡萄籽多糖，提取得率可达9.80%，且循环25 次性能稳定；Lei Tian等结合超声波与盐、盐双水相体系，实现了对桑树多糖的有效提取，得率达27.07%。
DES提取条件及优缺点汇总如表10所示。
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多糖绿色改性技术研究进展
在天然结构获取的基础上，绿色改性技术能够进一步实现多糖结构的定向调控与功能设计，是多糖由资源利用向高价值应用转化的关键环节。通过物理、化学或生物方法进行结构修饰，可有效改善其溶解性、稳定性及生物活性。改性多糖源于天然可再生资源，在可降解材料及功能材料领域具有良好的应用潜力。作为连接天然多糖与功能化应用的重要桥梁，绿色改性技术在多糖绿色制造体系中发挥着承上启下的关键作用。
2.1多糖的物理改性技术
2.1.1热处理改性技术
热处理法是指通过加热的方法改变或破坏多糖的高级结构，调控其分子质量，进而影响其功能与性质。该法不使用化学试剂，具备绿色、经济、操作简单等优点。但是改性程度难以精准控制，且部分热敏性多糖的生物活性会降低。由表11可知，不同干燥与热处理方式均可改变多糖分子质量、结构致密性与流变特性，且不同程度提升生物活性或益生功能；其中，水热法能够降低红藻多糖表观黏度并提高其在肠道中生物利用率；热风干燥能够增强红汁乳菇多糖凝胶性，提升其抗氧化和抑制肿瘤能力；热泵干燥能够提升裂褶菌多糖1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除活性。
2.1.2超声改性技术
超声波处理法是一种常用的物理改性方法，主要借助空化效应和机械效应断裂多糖分子链或改变其聚集状态，可有效降低多糖分子质量，从而增大其溶解性、增强生物活性。由表12可知，超声处理均未改变多糖单糖组成与官能团，但可降低分子质量、粒径与黏度，改变多糖构象，进而提升生物活性或肠道利用率；其中，超声处理能够使扁豆多糖侧链断裂、免疫活性增强；改变黑木耳多糖结晶度，且其构象由带状和三螺旋结构转变为单螺旋和无规卷曲结构后抗炎活性提升；还可降低金针菇多糖凝胶强度，提高其肠道微生物利用率。
2.1.3微波改性技术
微波法是一种高效节能、绿色安全且易于控制的物理改性方法，其核心原理是利用微波的热或非热效应定向改变多糖分子内或分子间的化学键，从而提升溶解度、改变流变特性、增强生物活性。由表13可知，微波作用可改变多糖的结构形态、流变特性与理化性质，其中，多糖结构特征与活性密切相关；如微波处理过程中，百合多糖抗氧化能力与提取时间呈负相关、与功率和温度呈正相关；微波处理能够改善玉米淀粉理化性质及结构，对于冷加工食品的研究开发具有重要意义；此外，不同微波辅助法制备的西番莲果皮多糖单糖比例、外观形貌具有差异，但官能团相似且均为非晶态，其中微波辅助酸提取法西番莲果皮多糖抗氧化性最优，与其高糖醛酸含量等结构特点相关。
2.1.4超高压改性技术
超高压处理法是近年来新兴的物理改性方法之一，包括静态超高压、动态超高压和超高压协同处理法，可根据实际需求和生产条件选择不同处理方法。该技术利用超高水压在常温或低温环境下改变多糖的溶解度和分子结构，从而改变其生物活性，具有绿色环保、无化学残留且能较好保持多糖生物活性的优势。该技术在淀粉等大分子物质改性中应用广泛，能够改变多糖的糊化特性、流变特性和消化特性，在食品加工及药物制剂方面具有潜力。由表14可知，超高压处理可改变多糖的粒径、分子质量等特征，部分调控糖含量，且均能增强其生物活性；其中，经超高压处理后，大叶黄茶多糖总糖与半乳糖醛酸含量升高、蛋白质含量降低，对酒精性肝损伤及脂肪代谢紊乱的治疗作用增强；动态高压微射流处理能够使杜仲雄花多糖粒径及其分布发生变化，从而提高其抗氧化活性；动态高压微射流处理还能提高红芸豆多糖含量，且对其热稳定性和基本结构影响较小。
2.1.5辐照改性技术
辐照改性利用电离辐射（如γ射线、电子束等）改变多糖的分子结构（如分子链、官能团），从而改变其功能特性。该方法重现性好、可定量控制、无需化学试剂，是一种高效且能够精准定制多糖性能的改性方法。由表15可知，辐照技术可通过调控处理参数（如剂量）使多糖的重均分子质量、数均分子质量（或结晶度）降低，同时优化其理化功能；如经辐照处理后，香菇多糖的糖含量与溶解度提升；小麦麸皮多糖的持水性、持油性及膨胀性增强；核桃青皮多糖的得率、糖醛酸含量提高，黏度及热稳定性得到改善，在生物活性方面，各多糖的功能特性均呈现正向提升。
2.1.6加压热水改性技术
加压热水改性是一种利用高温水的穿透力与能量破坏多糖结构、水解糖苷键的绿色物理改性技术，可定向实现多糖的分子质量降低、链构象改变及活性基团暴露，从而显著提升其溶解性、生物活性及功能特性。由表16可知，加压热水技术可通过温度调控定向改变多糖的分子特性与功能，其中，低温提取苹果渣果胶多糖适用于胶凝剂开发，中温提取能提升苹果渣果胶多糖得率，高温处理的苹果渣果胶多糖和150 ℃改性的南瓜多糖抗氧化与乳化活性显著增强；此外，该技术提取的百合多糖在得率、分子质量、中性糖及糖醛酸含量和黏度上均优于超声辅助提取法。
2.1.7共混改性技术
共混改性是一种将多糖与另一种或几种物质物理混合的改性技术。其核心在于利用不同组分的协同效应实现性能互补或增强，从而满足特定的应用需求。其优势包括操作简单、绿色温和、性能可调等。由表17可知，多糖与蛋白或淀粉的共混体系可通过浓度与比例调控实现性能优化，如可得然多糖质量分数为0.8%时肌原纤维蛋白与多糖共混体系黏度与结构恢复性最优，0.6%时凝胶特性和持水性最佳；仙草多糖与乙酰化木薯淀粉复配可借助氢键与疏水相互作用形成高强度凝胶网络，显著提升制品持水性、热稳定性与机械强度；铁皮石斛多糖与黄原胶以质量比9∶1复配时，混合物表观黏度和凝胶强度随温度升高至37 ℃而降低，且结晶度与热稳定性随黄原胶占比增加而下降，该特性适用于吞咽困难人群专用食品的开发。
2.2多糖的绿色化学改性技术
2.2.1接枝共聚改性技术
接枝共聚是通过化学方法将功能性侧链引入多糖主链上的一种改性方法（图3）。常用方法包括自由基接枝聚合、活性自由基聚合、开环聚合及超分子组装等。该技术能够有效调控多糖性能，在药物缓释、基因载体构建及高吸水材料制备等方面具有广泛应用前景。
Xiao Xingyue等利用N,N’-碳酰二咪唑自由基接枝反应，将不同比例阿魏酸标记到阿拉伯木聚糖分子上，对接枝产物的评估表明，其表观黏度升高、水溶性降低、分子质量降低、抗氧化活性增强。Chen Dan等的研究同样证明，接枝共聚可有效改变多糖理化性质与生物活性，他们将没食子酸标记到羟甲基壳聚糖上，显著提高了该多糖在肠道中的耐受性与消化稳定性，并增强了其调节肠道菌群微生态和促进益生菌生长的作用。王紫薇等通过VC-H2O2氧化还原体系引发自由基反应，成功地将阿魏酸分子接枝到可得然多糖的分子链上，制备得到可得然多糖-阿魏酸接枝共聚物，最终提高了多糖的水溶性。
2.2.2芬顿反应改性技术
芬顿反应是基于羟自由基氧化有机物的高级氧化过程，因其反应条件温和、高效且环境友好，已成为一种绿色的多糖氧化改性方法。该反应利用自由基切断糖苷键，从而使多糖分子质量降低，氧化多糖分子上的特定官能团。该方法高效迅速、绿色环保、反应条件温和、成本低，对多糖性能改善效果显著，但也存在反应可控性差、产物不均一、工艺较复杂的缺点。
王小芳等构建了降解枸杞多糖的无金属芬顿反应，结果表明，反应后多糖分子质量降低，糖醛酸和蛋白质含量轻微减少，而总多糖含量稍有提升，微观结构发生改变，理化性质及结构的改变导致其明目活性增强。Wu Dingtao等探讨超声辅助无金属芬顿反应（过氧化氢-抗坏血酸体系）对黄秋葵果胶多糖结构和生物学性质的影响，结果表明，处理后显著降低了黄秋葵果胶多糖的表观黏度、回转半径和支化度，提高了酯化度，但对其骨架和链构象无明显的影响，生物活性方面抗氧化、降血糖和免疫调节活性显著提高。Suo Andi等采用介质阻挡放电技术辅助过氧化氢-VC芬顿反应降解杏多糖，降解过程如图4所示，获得降解产物分离纯化后，得到一种半乳糖醛酸含量较高、分子质量仅为6.6 kDa的 多糖，该降解多糖与α-葡萄糖苷酶结合能力比阿卡波糖更强。
2.2.3点击化学改性技术
点击化学是一种高效构建以碳-杂原子键为核心的化学改性方法。该方法以分子功能为导向，通过模块化预制单元，在温和条件下发生快速、高选择性的环加成反应，具有经济性高、副产物无害、绿色环保的优点。反应包括铜催化叠氮-炔烃环加成、应变促进叠氮-炔烃环加成和逆向电子需求狄尔斯-阿尔德反应，反应原理如图5所示。
点击化学的交联能力为构建结构明确的多糖基功能材料提供了基础。Chen Yun等通过巯基-烯点击化学，将定制抗菌肽模块化接枝至葡聚糖骨架，在保留高效抗菌活性的同时显著降低了其溶血毒性，制备出抗菌活性增强与毒副作用减弱的仿生抗菌材料。Castrejón-Comas等通过叠氮-炔点击反应实现了透明质酸的高效共价交联，形成了稳定的水凝胶网络，并进一步与导电聚合物复合，制备出能响应电刺激并显著加速伤口愈合的智能敷料。Yang He等利用无铜点击化学将功能性糖聚合物共价锚定于树突状细胞表面，增强了其抗原提呈效能，为细胞疗法开辟了新途径。
2.3多糖物理-化学改性技术
2.3.1微水固相改性技术
微水固相法是一种基于多糖胶吸水膨胀特点提出的创新型植物多糖胶改性方法，将多糖胚乳微水吸胀的过程与反应试剂的渗入过程进行耦合，在多糖胶吸水膨胀过程中同步进行改性反应。反应在微量水分的固态体系中进行，避免了传统水相或有机溶剂产生大量废水的问题，绿色环保并能有效改善多糖性能。由表18可知，微水固相改性可改变皂荚多糖的理化性质及结构，氧化改性效果与H2O2浓度相关，羧甲基化改性可增强其处理污水的能力，季铵型阳离子改性能够保持皂荚多糖固有的假塑性流体特征。研究证明了微水固相法是一种高效的绿色改性技术，在多糖改性方面具有广泛的应用前景。
2.3.2等离子体改性技术
等离子体改性利用较高密度的等离子体轰击材料表面从而发生物理轰击和化学反应，进而改变材料表面结构与理化性质。其优点在于绿色、高效，能精准调控多糖物化性质，且适用范围广。由表19可知，等离子体技术可有效改性不同来源多糖并优化其功能特性，等离子体处理可改善柑橘果胶、石斛多糖的理化性质及结构，显著提升柑橘果胶对猪肉保鲜效果以及石斛多糖的抗氧化活性与免疫反应性；等离子体处理可提高杏多糖的α-葡萄糖苷酶抑制率，使其展现出良好抗糖尿病 活性。但该技术仍存在改性效果不均一、难以实现规模化生产、多糖部分功能活性下降等问题。
2.3.3复合改性技术
复合改性是一种通过调控不同多糖分子间的相互作用，诱导其自发组合，形成具有特定结构和功能材料的改性技术。其优势在于制备条件绿色温和、功能协同增强、产物生物相容性好等。由表20可知，多糖基水凝胶可通过共价交联或复合构建实现性能强化，如天花粉多糖醛衍生物与羧甲基壳聚糖交联形成的水凝胶保水性与抗菌性提升，可加速伤口愈合并减少瘢痕增生；岩藻多糖-壳聚糖基纳米脂质体构建的双网络水凝胶兼具优良的机械强度、自愈合性、可注射性及pH值响应释放能力，适用于智能药物递送与组织工程；大黄芒柄花多糖-羧甲基壳聚糖复合水凝胶溶胀性与黏弹性提升，具有显著抗氧化活性，负载抗坏血酸后对金黄色葡萄球菌具有抗菌作用，在可再生生物材料开发领域潜力显著。多糖复合改性的缺点在于多方法参数协同调控难度大、产物结构与性能可控性差，且多步骤操作提高了成本，同时增加了试剂残留风险，限制了其规模化应用。
2.4多糖的生物改性技术
2.4.1酶法改性技术
酶法改性是一种利用酶的催化特性与底物特异性结合，实现对多糖糖苷键及官能团的特异性修饰的生物改性技术。该技术条件温和、专一性强、反应高效并且副产物无毒。由表21可知，酶法改性可通过定向调控多糖糖苷键与分子结构实现功能优化；如酶法改性可通过转糖基反应重组玉米淀粉糖链结构，提升产物消化抗性，可用于功能食品配料生产；β-半乳糖苷酶等复合酶可显著改变大豆种皮多糖的组成、结构与分子链形貌，增强其乳化能力；α-淀粉酶修饰蛹虫草多糖则可提升其Fe2+螯合能力与DPPH自由基清除率，增强抗氧化活性。但该技术存在反应条件难以控制、酶成本较高等问题。
2.4.2发酵改性技术
发酵改性是利用微生物代谢活动对天然多糖进行结构修饰的生物改性技术。微生物在发酵过程中产生的酶或代谢产物断裂糖苷键、修饰支链或引入新的官能团，进而改变多糖的结构与功能。该技术具有环境友好、反应效率高、特异性强的优势，是多糖绿色改性的重要发展方向之一。由表22可知，副干酪乳酪杆菌发酵处理可使黄精多糖分子质量从50～650 kDa降解至2～100 kDa，其中10～50 kDa组分活性最佳，能增强细胞增殖活性、降低β-半乳糖苷酶活性，显著提升抗衰老效果；乳酸菌发酵铁皮石斛多糖可降低其分子质量并使分子形貌呈球形，强化对酒精性肝病的治疗作用；乳酸菌发酵香菇多糖则能改变其单糖组成，对免疫抑制小鼠展现出良好的保护效果。但该技术存在发酵周期较长、产物分离纯化难度大等缺点。
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多糖的合成生物学制造策略
尽管绿色提取与改性能够显著提升天然多糖的利用率，但其仍受限于原料来源、生产模式和结构可控性。多糖合成生物学则是通过引入合成生物学的理念与技术实现特定糖链的工程化设计与绿色高效制造，为多糖结构的精准构建提供了全新的技术路径。该策略可有效突破传统提取方法在环境污染和资源可持续性等方面的限制，在医药、食品、材料领域都展现出广泛应用前景。作为绿色制造技术的高级阶段，多糖合成生物学有望推动多糖生产模式由依赖天然资源向设计驱动制造转变。
3.1多糖的微生物合成与代谢工程
通过代谢工程改造微生物合成功能多糖主要有以下3 种策略：利用并优化其内源天然途径；引入外源基因以改造或优化原有途径；从头创建新的代谢途径（图6）。常用工具包括质粒系统、基因编辑技术及诱导表达系统等。
3.1.1基于大肠杆菌体系的多糖生物合成
大肠杆菌因其遗传背景清晰、碳源利用率高、生长速度快且工业化基础完善等优势，广泛应用于代谢工程领域，被认为是合成功能多糖的理想宿主。大肠杆菌作为多糖合成底盘菌，通过酶改造、体系优化及途径创新实现高效合成，展示出其在非动物源产物制备中优势。
Deng Jianqun等利用大肠杆菌代谢工程高效合成肝素，将非天然单糖高效引入大肠杆菌K5荚膜多糖，并利用聚焦一站式蛋白质修复服务的理性迭代定点诱变（PROSS-FRISM）策略改造关键酶人源硫酸转移酶（NST），获得高性能突变体NST-M8，合成的肝素硫酸化程度高，抗活化凝血因子X活性高达246.09 IU/mg，而抗凝血因子IIa活性仅为未分级肝素的26%，在保持强效抗凝的同时，可显著降低出血风险，是一种极具潜力的非动物源肝素替代品。程剑等构建并优化了肺炎链球菌3型荚膜多糖（Type 3 CPS）微生物合成体系，为其发酵生产奠定了重要基础。该体系分别能够在谷氨酸棒状杆菌与大肠杆菌中异源表达Type 3 CPS合酶CPS3B及其单糖前体合成途径相关酶，实现Type 3 CPS的初步合成，在大肠杆菌体系中引入辅助膜蛋白CpsC后，Type 3 CPS产量提升至105 mg/L。Gu Simin等创建了一个高效的内源性3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸供给平台，突破了硫酸化化合物生物合成中磺酸基供体供应的关键瓶颈，通过理性改造新型磺基转移酶BtaAPSST，将其整合至硫酸软骨素A（CSA）生产菌株后，该工程菌CSA产量可达1.89 g/L，硫酸化率达76%，为微生物合成各类硫酸化产物提供了可扩展的解决方案。
3.1.2基于酵母菌体系的多糖生物合成
酵母具有安全性高、遗传背景清晰以及完善的真核表达系统等优势，通常作为宿主通过代谢工程合成功能性多糖。以无机物为底物改造酵母代谢途径合成功能多糖，其核心在于重构其中心代谢途径，通常涉及糖酵解、发酵、三羟酸循环和氧化磷酸化等关键环节的工程化改造。通过多策略协同优化构建真核微生物（酿酒酵母、毕赤酵母）多糖合成细胞工厂，能够实现目标产物的高效定向合成，为真核天然产物绿色制造提供通用策略。
李茜等采用代谢工程中常用的“推-拉-抑制”策略系统优化酿酒酵母中β-葡聚糖合成条件，通过强化前体供给、引导通量转向和减少旁路消耗，引入木糖利用途径及调控相关基因，动态调控内切葡聚糖酶表达，成功降低了产物分子质量，实现了低分子质量β-葡聚糖的高效合成。Lv Binying等系统性地构建了高效的毕赤酵母CSA合成细胞工厂，在5 L发酵罐中实现了7.13 g/L的CSA产量与48.4%的硫酸酯化度，为CSA的绿色生物制造提供了新平台。
3.1.3基于枯草芽孢杆菌体系的多糖生物合成
枯草芽孢杆菌作为革兰氏阳性菌，具有无毒、安全性高、基因编辑便捷、分泌能力强、碳源利用广泛及适应能力强等特点，目前已被广泛用于代谢工程和合成生物学研究。枯草芽孢杆菌凭借安全的宿主特性，通过合成途径构建、前体优化及关键基因整合，能够实现多种多糖及其前体的高效合成，其在多糖生物制造中具有独特的优势。
Ling Meixi等通过代谢工程改造枯草芽孢杆菌合成几丁质寡糖，通过过表达壳寡糖合成酶N-乙酰氨基葡萄糖转移酶构建合成途径，优化尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺的合成，从而提高了几丁质寡糖的产量，为几丁质的合成奠定了基础。Jin Peng等将来源于大肠杆菌的关键合成酶基因整合至枯草芽孢杆菌中，合成了软骨素和肝素前体，产量较摇瓶发酵提高1 倍，为相关物质的生物合成提供了更安全的途径。张琳培等通过代谢工程改造枯草芽孢杆菌，组合过表达肝素合成关键前体途径中的5 个基因，实现了肝素前体的高表达，摇瓶产量达2.89 g/L，分子质量为75.90 kDa，经3 L罐发酵优化后产量提升至7.25 g/L，分子质量变为46.66 kDa，结果表明，前体物的充足供应与比例平衡是调控产量与分子质量的关键。Zhang Quanwei等以蔗糖为碳源，通过在枯草芽孢杆菌中构建“合成-可控降解”耦合系统，实现了低分子质量透明质酸的高产与定制化合成，通过强化前体供应、削弱竞争途径，并将透明质酸酶表达水平与核糖体结合位点工程精准关联，在3 L发酵罐中将产量提升至19.38 g/L，并可定向得到分子质量为2.20×103～1.42×106 Da的目标产物，提供了一种通过代谢工程耦合可控生物降解从而生产特定链长功能性多糖的通用策略。
3.1.4基于谷氨酸棒状杆菌体系的多糖生物合成
谷氨酸棒状杆菌是美国药品监督管理局认证的安全菌株，具有遗传背景明确、底物来源广泛等特点，已在工业规模化生产多糖中广泛应用。其代谢工程改造的关键途径包括提高多糖合成相关酶的活性、阻断代谢支路以及完善代谢网络等。谷氨酸棒状杆菌作为多糖合成的优质底盘菌，能够通过前体强化、碳流重定向、胞内外协同优化等策略实现多元多糖高效合成，其通路调控通用性为多糖定向制备提供了新范式，未来需聚焦更多新型多糖合成适配性，优化工业级发酵稳定性。
Wang Yang等利用谷氨酸棒状杆菌合成透明质酸，通过筛选高产透明质酸合成酶、过表达中间途径的酶从而促进前体供应并抑制内源性胞外多糖生物合成，促进产物合成与营养物质吸收，实现协同优化胞内合成与胞外分泌，系统性提升了多糖产量。Liu Yinlu等以谷氨酸棒状杆菌为宿主、葡萄糖为碳源，通过敲除6-磷酸果糖激酶基因阻断糖酵解途径，将碳通量重新定向到戊糖磷酸途径，从而实现景天庚酮糖的合成，通过敲除pfkA基因重定向碳流至戊糖磷酸途径的策略，为驱动各类多糖所需前体的高效供应提供了通用模式。
3.2多糖微生物合成的原料创新与功能转化
传统生物制造模式通常以精制糖类为理想碳源，该模式在很大程度上提升了功能多糖的合成效率。随着合成生物学的进步，通过改造微生物代谢网络，可构建能够直接利用低碳化合物及农业废弃物等非常规碳源的细胞工厂。该策略推动了生物制造由线性消耗模式向循环再生模式转变，重塑了产业资源基础，开辟了绿色制造路线，以碳循环代替碳排放，提高了环保价值，为可持续生物经济提供了多样化的技术支持。
3.2.1基于微生物利用农业废弃物合成多糖
农业废弃物作为丰富的生物质资源，可为推动能源结构转型及绿色低碳发展提供有效途径。该策略以农业废弃物为底物，通过微生物将其转化为多糖及高价值产物，是实现循环生物经济与“双碳”目标背景下的关键技术创新。
Xu Wenqiang等鉴定得到细菌纳米纤维素高产菌株Komagataeibacter nataicola DHU-1，解析出其含有3 个纤维素合成关键基因簇，并构建了高效的阿拉伯糖诱导系统；以脱毒玉米芯残渣水解液为底物，实现了细菌纳米纤维素产率和糖转化率分别提升24%、45%，产物结晶度及力学性能显著优化，为多糖绿色生物制造提供了新路径。Shi Zhuangzhuang等以谷氨酸棒状杆菌为底盘菌，实现了葡萄糖与木糖的同步利用，消除了碳代谢抑制。经密码子优化、关键前体途径强化及培养基组分的系统性优化后，以玉米秸秆水解液为唯一碳源合成软骨素时，其产量仍达6.64 g/L，为糖胺聚糖的绿色生物制造提供了参考。Xu Xinxin等以预处理玉米秸秆为底物，将体外多酶分子与酿酒酵母复合组装，靶向去除β-葡萄糖苷酶，定向水解纤维素二糖并将其转化为支链淀粉，从而缓解产物抑制，高效生物合成人造淀粉与微生物蛋白，显著提升了纤维素消化率并降低了成本，为饲料短缺问题及农业废弃物资源化提供了学术可行的创新方案。
3.2.2基于微生物利用低碳化合物合成多糖
微生物能够利用CO2等低碳化合物合成淀粉、葡聚糖、海藻糖等功能多糖，兼具固碳减排与绿色资源转化双重价值，这为多糖合成提供了可持续替代方案。
Tang Hongting等构建了将CO2转化为多元化产物的整合平台，利用电化学技术将CO2转化为C1-3中间体，借助酵母代谢工程成功地将C1-3底物转化为多种糖类产物，包括单糖、木糖、木糖醇、肌醇、氨基葡萄糖及蔗糖，并通过人工合成淀粉途径（ASAP）利用葡萄糖合成淀粉，这一以低碳化合物为底物生产高碳化合物的方法具有广阔前景。Shi Zhihui等通过低碳微生物制造技术，将产油酵母重构为高效的淀粉生产细胞工厂，通过重构淀粉生物合成与糖异生途径，并调控细胞形态，使工程化酵母能以二氧化碳电合成的乙酸为唯一碳源，获得高达细胞干质量47.18%的淀粉，还可通过菌株和工艺工程调节淀粉组成和淀粉-蛋白质比例，实现定制化淀粉合成，不仅阐明了微生物高效合成淀粉的代谢机制，更建立了一个优于自然光合作用的可定制化合成平台，推动了低碳营养制造的发展。
3.3多糖的无细胞合成
通过代谢工程和原料创新，功能多糖合成的规模化生产和可持续性发展已取得一定的进展。但细胞的代谢网络复杂、膜屏障导致传质受限、细胞生长与产物合成相互竞争，仍严重制约着合成路线的理性设计和生产效率的进一步提升。无细胞合成体系通过在体外构建多种酶的合成途径，避免了细胞结构和生理约束，为构建非天然路径及结构精确、功能定制的多糖合成提供了高度可控的平台。
Cai Tao等利用11 步反应人工合成淀粉，通过模块设计将热力学不利的C1模块换为C1e模块，整合31 种生物体的62 种酶组装11 个模块，形成10 步反应的ASAP1.0，经13C同位素标记验证其从甲醇合成淀粉的全功能；针对ASAP1.0中甲醛酶活性低等瓶颈，通过定向进化或突变体整合获得3 种工程酶；整合后构建的ASAP2.0，实现了高效人工淀粉合成。Wang Yuyao等构建了体外生物转化平台，体现出从低碳分子直接制备高值糖类的通用性，为负碳生物制造提供了关键技术基础，通过酶工程与系统优化提升了C1-3体外合成蔗糖的效率，并且成功以甲醇为底物合成得到支链淀粉，进一步引入糖原分支酶合成了支链淀粉。Yao Zhiyuan等构建了无细胞级联催化系统，利用Salvage通路将廉价单糖转化为核苷酸前体，关键酶多杀巴斯德氏菌透明质酸合酶经跨膜结构截断与pET-32a(+)载体融合硫氧还蛋白标签融合改造，能够实现高效可溶性表达，结合ATP/UTP双再生策略，在24 h内能够合成分子质量可调的透明质酸（1.28 g/L），为透明质酸的规模化、模块化生物制造提供了高效平台。无细胞合成生物学逐步实现了由低碳化合物、CO2到淀粉、蔗糖及透明质酸的高效、可控生物制造。无细胞合成生物学具有高度灵活性、模块化设计、可编程控制及高通量等特点，使其成为天然产物合成的先进技术之一。
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结 语
在碳中和及可持续发展的战略背景下，多糖科学研究也应积极响应国家号召，向绿色化、智能化和系统化方向转变。多糖绿色制造技术的系统研究具有重要的综合价值。通过绿色提取、绿色改性与合成生物学手段的协同应用，可在保障多糖结构完整性与功能可控性的同时，显著降低能耗、减少有害试剂使用和排放，提升产品安全性与生产过程的绿色化水平。该技术体系不仅有助于推动多糖在食品、医药及生物材料等领域的高值化应用，促进传统多糖产业向绿色生物制造转型升级，也可为构建低碳循环的生物制造模式、实现碳中和目标提供重要技术支撑，具有显著的学术意义与现实应用价值。
4.1多糖绿色提取技术的发展与推进
绿色提取技术具有环保、高效和符合可持续发展理念的特点，被视为多糖提取的理想方法。然而，该技术仍面临成本高、操作复杂等挑战，多数仍处于实验研究阶段，尚未实现规模化应用。目前工业中仍以传统提取方法为主，新型提取技术的普及程度有限。因此，未来应致力于推动绿色提取技术的创新发展，例如通过多技术协同使用、人工智能优化实验参数提升其适用性、鼓励并推动大型企业的实际应用等。
4.2多糖绿色改性技术的挑战与创新
绿色改性技术正在不断发展，目前已形成以物理改性、绿色化学改性及生物改性为代表的多元技术体系。然而，改性技术向绿色化转型过程中仍面临一定挑战，物理改性方法虽避免了化学试剂的使用，但改性深度和可控性有限，适用范围仍有待拓展，绿色化学改性虽引入温和反应条件、生物基试剂或水相体系，但在反应选择性、过程稳定性及规模化应用方面仍需进一步优化，生物改性依托于酶催化或微生物转化，受限于酶源成本、反应效率及体系复杂性。面对这些挑战，应通过加强多学科交叉融合，推动技术创新，发展绿色改性方法，利用大数据与人工智能预测和优化反应条件，推动规模化生产过程。
4.3多糖合成生物学的开发与应用
利用微生物代谢工程合成功能多糖是一项新兴的技术，可显著提高生产效率、降低生产成本，并赋予多糖新的功能或活性；然而，该技术在实际应用中存在诸多挑战，如宿主代谢负担过重导致生长缓慢、副产物生成从而降低目标产物得率、分离纯化困难、发酵过程较难控制以及成本高等，因此限制了其工业化推广。未来可开发适应多糖合成需求的新型宿主，并对合成工具进行创新，优化合成途径与工艺流程，开发低成本培养基并推进废物循环利用，逐步替代传统提取方法，实现“实验室菌株”到“工业细胞工厂”的跨越。
综上所述，多糖绿色制造技术不仅为多糖科学的可持续发展提供了重要支撑，也为食品、医药及生物材料等领域的绿色转型提供了新的技术路径，具有良好的研究价值与应用前景。未来应推动建设智能化绿色提取工厂，利用人工智能模拟与优化提取工艺，大力发展推动绿色提取、改性技术，加强基因编辑与合成生物学技术研发，实现功能多糖的规模化精准制造。
作者简介
通信作者：
汲晨锋，研究员，博士生导师，博士后合作导师，哈尔滨商业大学药学院副院长、省级重点实验室学术委员会主任。北京中医药大学中药学博士，哈尔滨商业大学中药学博士后，澳大利亚西澳大学访问学者。为黑龙江省高层次人才、师德先进个人、博士后青年英才计划、哈尔滨市青年科技奖获得者。主要研究方向为植物多糖的化学和药理研究、抗炎与免疫药物研究，多年来开展了基础性和开发应用性研究工作。已主持各类项目20余项，已获得各级科研奖励24 项，其中黑龙江省科学技术奖（自然科学类）9 项、黑龙江省中医药科学技术奖4 项、黑龙江省高校科学技术奖7 项；发表论文100余篇，其中SCI、EI收录论文50余篇，出版学术专著3 部，授权国家发明专利5 项。兼任世界中医药学会联合会中药专业委员会和中药新药创制专业委员会理事、中国药理学会海洋药物药理专业委员会委员、中国民族医药学会药理毒理学分会理事、黑龙江省细胞生物学学会副理事长、黑龙江省中西医结合学会药学分会副会长，《食品科学》编委、《中草药》编委、《中国药学杂志》青年编委。
引文格式：
姬新星, 汲晨锋. 多糖绿色制造技术研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(10): 433-452. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251106-048.
JI Xinxing, JI Chenfeng. Research progress on green manufacturing technologies for polysaccharides[J]. Food Science, 2026, 47(10): 433-452. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251106-048.
实习编辑：王雨婷；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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