本期介紹浙江大學陳士國教授等發(fā)表在《中國食品學報》第24卷9期特約專欄上的文章《食源性碳水化合物結構解析新技術前沿與展望》。
1、食源性碳水化合物概述
碳水化合物是健康飲食不可或缺的一部分，不僅因為碳水化合物是人類飲食中的主要能量來源（40%~80%），其還賦予食物重要的結構特性，并具有眾多重要的生理功能（菌群調控、免疫調節(jié)、降低血脂、血糖等）。此外，碳水化合物可以影響腸道微生物組，近年來，以Jeffrey Gordon教授領銜的團隊多次在《Cell》、《Nature》發(fā)表系列論文，闡明了天然多糖為主的食源性碳水化合物可通過調節(jié)腸道微生物組來改善人體健康。研究食源性碳水化合物的精準構效機制，已成為食品科學和生命科學領域的重要課題。然而，受限于糖鏈復雜組分和分子結構，食源性碳水化合物的研究尚在起步階段，遠落后于蛋白質和脂質等大分子的研究。
圖1 與食品碳水化合物相關研究的里程碑
2、傳統(tǒng)食源性碳水化合物結構解析策略
目前，對于糖鏈的分析主要基于其初級結構信息：分子量測定、單糖組成、糖苷鍵構成和連接形式，傳統(tǒng)結構分析依賴大量的分析技術和化學手段，策略可以總結為“糖含量與分子量測定-部分降解-甲基化分析-核磁共振”，但是存在過程耗時、精度低、通量低，且容易在過程中造成部分結構的丟失，無法滿足食品多糖結構高效、快速、精細鑒定的研究需求。因此，對于多糖的結構分析，需要更加完整的結構鑒定策略。
圖2 解析食源性多糖結構的傳統(tǒng)方法
3、新型食源性碳水化合物結構解析策略
（1）LC/QqQ-MS技術多反應監(jiān)測(MRM)模式下聯(lián)用分析整體糖鏈
多反應監(jiān)測模式主要依靠三重四極桿質譜（QqQ-MS）實現(xiàn)，定量由母離子在碰撞室產生的特征性子離子碎片，具有重復性好，精密度和準確度高等優(yōu)勢，可以用來分析糖鏈的單糖組成、低聚糖組成、糖苷鍵組成，從而實現(xiàn)糖鏈整體結構解析。這種策略被廣泛應用于生命科學、食品科學等領域對多糖的定性、定量分析中，如分析人體液中的糖胺聚糖，檢測人乳寡糖，分析復雜生物樣本中多糖等。
（2）基于LC-MS/MS的糖鏈三維質譜數(shù)據庫
基于MS產生的大量高度復雜結構數(shù)據，在手工分析時耗時且費力，因此需要建立數(shù)據庫以及應用專門的軟件來對試驗獲得的質譜數(shù)據進行整合和分析?；贚C-MS/MS的糖鏈三維質譜數(shù)據庫中，包括保留時間（RT）、質譜圖和二級質譜數(shù)據3個方面的數(shù)據。同時近幾年有許多基于LC-MS的數(shù)據分析方法軟件，分析N-聚糖以及O-聚糖，如GlycReSoft、SweetSEQer、GlycanID，改善了人工分析師的工作流程，提高了方法的靈敏度、速度和準確性。
（3）基于離子淌度質譜的糖鏈CCS值數(shù)據庫
絕大多數(shù)復合碳水化合物的構成單糖都具有相同的原子組成和質量，因此僅通過質譜數(shù)據無法明確指定特定的分子結構。離子淌度質譜提供了額外的氣相分離維度。具有相同光譜碎片的異構體，可以通過碰撞截面(CCS)進一步的區(qū)分，即CCS值可作為不同結構聚糖的依據，用作數(shù)據庫中結構識別的附加搜索標準，提供異構體種類和/或結構信息。近年來，研究人員嘗試建立聚糖CCS值數(shù)據庫，如GlycoMob，目前包含超過 1 200 個葡寡糖和 N-糖及其片段的參考CCS值，但目前在食源性聚糖中應用較少，未來在解析復雜食源性多糖結構具有極好的應用潛力。
圖3 離子淌度分離異構體示意圖
4、總結與展望
糖鏈解析是生命科學領域的重要課題，而近年來聚糖在食品領域中的研究也逐漸興起。首先，糖鏈結構解析策略的進一步創(chuàng)新和發(fā)展，對于推進食品糖組學的應用至關重要。另一個關鍵領域是糖組學生物信息學工具的設計。目前食源性多糖沒有專門的質譜數(shù)據庫，且食源性糖鏈的數(shù)據數(shù)量級距離實現(xiàn)糖組學高通量分析和發(fā)展信息學算法還有巨大的鴻溝。未來需要建立針對食源性多糖的高效、可控降解并聯(lián)合LC-MS技術的解析方法，同時建立食源性多糖數(shù)據庫，結合信息學技術，實現(xiàn)對食源性多糖結構的高效解析。這將為進一步明確食源性糖鏈精準構效機制，闡明食源性多糖與腸道菌群的關系，實現(xiàn)個性化精準營養(yǎng)提供理論基礎。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=64ENavj7QCDqZcPkLsr-d65R70FMsdgzJ-QPF3j8FwRtASMGJytMe8Il71lgm4xDd8SHbQtgdamjQ4G3JIJ3UkrkSMnXHv28od4kMJEp_x0rvz6MnpDQd9boqwdrGZ3bYp4RMpIiMxc8jzGswNH__rluVtrBQevJGtIjH_TT0--5q2Lpjuv2mDTry-haMVPM&uniplatform=NZKPT&language=CHS
