本期介紹浙江大學(xué)陳士國(guó)教授等發(fā)表在《中國(guó)食品學(xué)報(bào)》第24卷9期特約專(zhuān)欄上的文章《食源性碳水化合物結(jié)構(gòu)解析新技術(shù)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?yàn)樘妓衔锸侨祟?lèi)飲食中的主要能量來(lái)源（40%~80%），其還賦予食物重要的結(jié)構(gòu)特性，并具有眾多重要的生理功能（菌群調(diào)控、免疫調(diào)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(lái)，以Jeffrey Gordon教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)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(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物組來(lái)改善人體健康。研究食源性碳水化合物的精準(zhǔn)構(gòu)效機(jī)制，已成為食品科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的重要課題。然而，受限于糖鏈復(fù)雜組分和分子結(jié)構(gòu)，食源性碳水化合物的研究尚在起步階段，遠(yuǎn)落后于蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等大分子的研究。

圖1 與食品碳水化合物相關(guān)研究的里程碑

2、傳統(tǒng)食源性碳水化合物結(jié)構(gòu)解析策略  

目前，對(duì)于糖鏈的分析主要基于其初級(jí)結(jié)構(gòu)信息：分子量測(cè)定、單糖組成、糖苷鍵構(gòu)成和連接形式，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析依賴(lài)大量的分析技術(shù)和化學(xué)手段，策略可以總結(jié)為“糖含量與分子量測(cè)定-部分降解-甲基化分析-核磁共振”，但是存在過(guò)程耗時(shí)、精度低、通量低，且容易在過(guò)程中造成部分結(jié)構(gòu)的丟失，無(wú)法滿足食品多糖結(jié)構(gòu)高效、快速、精細(xì)鑒定的研究需求。因此，對(duì)于多糖的結(jié)構(gòu)分析，需要更加完整的結(jié)構(gòu)鑒定策略。

圖2 解析食源性多糖結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法

3、新型食源性碳水化合物結(jié)構(gòu)解析策略

 （1）LC/QqQ-MS技術(shù)多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)模式下聯(lián)用分析整體糖鏈

多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式主要依靠三重四極桿質(zhì)譜（QqQ-MS）實(shí)現(xiàn)，定量由母離子在碰撞室產(chǎn)生的特征性子離子碎片，具有重復(fù)性好，精密度和準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，可以用來(lái)分析糖鏈的單糖組成、低聚糖組成、糖苷鍵組成，從而實(shí)現(xiàn)糖鏈整體結(jié)構(gòu)解析。這種策略被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域?qū)Χ嗵堑亩ㄐ浴⒍糠治鲋?，如分析人體液中的糖胺聚糖，檢測(cè)人乳寡糖，分析復(fù)雜生物樣本中多糖等。

（2）基于LC-MS/MS的糖鏈三維質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)

基于MS產(chǎn)生的大量高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在手工分析時(shí)耗時(shí)且費(fèi)力，因此需要建立數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)用專(zhuān)門(mén)的軟件來(lái)對(duì)試驗(yàn)獲得的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析。基于LC-MS/MS的糖鏈三維質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括保留時(shí)間（RT）、質(zhì)譜圖和二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)3個(gè)方面的數(shù)據(jù)。同時(shí)近幾年有許多基于LC-MS的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確性。

（3）基于離子淌度質(zhì)譜的糖鏈CCS值數(shù)據(jù)庫(kù)

絕大多數(shù)復(fù)合碳水化合物的構(gòu)成單糖都具有相同的原子組成和質(zhì)量，因此僅通過(guò)質(zhì)譜數(shù)據(jù)無(wú)法明確指定特定的分子結(jié)構(gòu)。離子淌度質(zhì)譜提供了額外的氣相分離維度。具有相同光譜碎片的異構(gòu)體，可以通過(guò)碰撞截面(CCS)進(jìn)一步的區(qū)分，即CCS值可作為不同結(jié)構(gòu)聚糖的依據(jù)，用作數(shù)據(jù)庫(kù)中結(jié)構(gòu)識(shí)別的附加搜索標(biāo)準(zhǔn)，提供異構(gòu)體種類(lèi)和/或結(jié)構(gòu)信息。近年來(lái)，研究人員嘗試建立聚糖CCS值數(shù)據(jù)庫(kù)，如GlycoMob，目前包含超過(guò) 1 200 個(gè)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(yīng)用較少，未來(lái)在解析復(fù)雜食源性多糖結(jié)構(gòu)具有極好的應(yīng)用潛力。

圖3 離子淌度分離異構(gòu)體示意圖

4、總結(jié)與展望

糖鏈解析是生命科學(xué)領(lǐng)域的重要課題，而近年來(lái)聚糖在食品領(lǐng)域中的研究也逐漸興起。首先，糖鏈結(jié)構(gòu)解析策略的進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展，對(duì)于推進(jìn)食品糖組學(xué)的應(yīng)用至關(guān)重要。另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是糖組學(xué)生物信息學(xué)工具的設(shè)計(jì)。目前食源性多糖沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，且食源性糖鏈的數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)距離實(shí)現(xiàn)糖組學(xué)高通量分析和發(fā)展信息學(xué)算法還有巨大的鴻溝。未來(lái)需要建立針對(duì)食源性多糖的高效、可控降解并聯(lián)合LC-MS技術(shù)的解析方法，同時(shí)建立食源性多糖數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合信息學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)食源性多糖結(jié)構(gòu)的高效解析。這將為進(jìn)一步明確食源性糖鏈精準(zhǔn)構(gòu)效機(jī)制，闡明食源性多糖與腸道菌群的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)提供理論基礎(chǔ)。

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

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