《食品科学》：南昌大学刘成梅教授等：阿魏酰阿拉伯低聚木糖的制备、结构鉴别判定及构效关系研究进展

  阿魏酰低聚糖（FOs）是指低聚糖侧链部分被阿魏酸取代的一类低聚糖，被美国食品和药品管理局（FDA）认定为具有阿魏酸和低聚糖的双重生理活性。其中，阿魏酰阿拉伯低聚木糖（F-AXOs）是最常见的一类FOs，其主链由木糖构成，侧链连接有阿拉伯糖基。F-AXOs可作为烘焙食品、饮料、面食等食品的配料，提高食品的功能特性和营养特性，应用前景广阔。谷物作为人类的主食，每年被大量地生产和消耗，同时在谷物碾磨的过程中也产生了大量的谷物麸皮等副产物。谷物麸皮中富有丰富的阿魏酸和阿拉伯木聚糖，是制备F-AXOs的良好原料。

  南昌大学食品科学与技术国家重点实验室的邓奉红、胡秀婷、刘成梅*等人 对以谷物麸皮为原料制备F-AXOs的方法、F-AXOs的结构鉴别判定手段以及已知的F-AXOs结构可以进行了综述，最后重点阐述F-AXOs结构与生物活性之间的关系，并介绍F-AXOs在食品领域中的应用情况，以期为F-AXOs的生产与应用提供理论指导。

  F-AXOs通常由水解富含阿魏酰阿拉伯木聚糖（F-AXs）的不溶性膳食纤维得到，是F-AXs部分水解的产物。因此，F-AXs的结构决定了F-AXOs的结构。F-AXs主要存在于单子叶禾本科植物的细胞壁中。由于麸皮部分的细胞壁比胚乳部分厚，F-AXs在谷物麸皮中的含量大于其在胚乳中的含量，故麸皮是F-AXs的大多数来自。麸皮包括种皮、果皮、糊粉层等部分，其中糊粉层细胞是厚壁细胞，其细胞壁基质主要由阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖构成，且积累了大量营养的东西，因此，糊粉层中的F-AXs含量最高。在不同的禾本科单子叶植物中，F-AXs的含量不同：F-AXs在玉米麸皮中约占24%，在黑麦、大麦、小麦麸皮中约占10%～16%，在米糠和燕麦麸皮中则分别只占7%和5%。

  图1展示了F-AXs的一般结构，F-AXs主链是D-吡喃木糖由β-(1,4)糖苷键连接而成，α-L-呋喃阿拉伯糖通过α-(1,2)和/或α-(1,3)糖苷键与部分木糖的2/3号位连接形成侧链，部分阿拉伯糖残基5号位通过酯键或醚键与阿魏酸相连。阿魏酸是F-AXs重要的组成部分。阿魏酸残基之间可以发生自由基偶联反应，生成阿魏酸脱氢二聚体，使阿拉伯木聚糖分子内或分子间交联，进而达到稳定和加强植物细胞壁中的阿拉伯木聚糖链的作用；或与木质素、蛋白质交联，形成更复杂的聚合物，以维持细胞壁的刚性结构。这也导致了F-AXs多以不可溶的形式存在，可溶性F-AXs仅占总F-AXs的10%左右。因此，将F-AXs转变为可溶性的F-AXOs对于扩大谷物麸皮在食品中的应用场景范围、提高其附加值具备极其重大的意义。

  自水解法是指水在高温或高压作用下，解离产生水合氢离子，其可作为一种弱酸裂解阿拉伯木聚糖主链上的乙酰基和醛基，这促进了乙酸和糖醛酸的生成，进而催化F-AXs的水解，最终生成F-AXOs。一般是通过剧烈的物理手段实现该过程，目前自水解的主要手段有微波、蒸汽爆破、加压热水法等。

  酸水解法是指利用酸水解富含F-AXs的原料制备F-AXOs。有必要注意一下的是，强酸水解也可导致阿魏酸的释放。因此目前多采用可控的温和酸水解法制备F-AXOs，主要是利用低浓度的草酸和三氟乙酸。

  目前，生物法主要有生物发酵法和生物酶法。生物发酵法是指将产木聚糖酶的微生物接种到含有F-AXs的培养基中进行发酵，微生物产生的酶直接作用于F-AXs从而制备F-AXOs。但生物发酵法耗时长，限制了其在食品制造业中的应用。

  生物酶法是指利用酶断裂糖苷键的作用将多糖水解为低聚糖。目前用于制备F-AXOs的水解酶主要是糖苷水解酶（GH）家族，如木聚糖酶，以及包括木聚糖酶在内的混合酶系，如崩溃酶、纤维素酶、半纤维素酶等。其中，使用最多的酶是GH10、GH11中的内切β-1,4-木聚糖酶（EC 3.2.1.8）。这类酶可催化F-AXs的木聚糖骨架中木糖残基之间β-(1,4)糖苷键的断裂，由此产生不同取代或未取代的低聚木糖。GH10内切β-1,4-木聚糖酶水解F-AXs的产物通常是阿魏酰化阿拉伯糖取代基在非还原端的木二糖，而GH11内切β-1,4-木聚糖酶水解F-AXs的产物通常是阿魏酰化阿拉伯糖取代基在非还原端第二位的木四糖，且内切β-1,4-木聚糖酶GH10、GH11都能在中间木糖上释放1个含有阿魏酰化阿拉伯糖取代基的木三糖。由此可见，木聚糖酶水解的产物聚合度多在2～4之间，具备比较好的均一性。

  然而，半纤维素与纤维素或木质素之间有高度支化和桥接，形成了空间位阻，阻碍了酶与底物中间体的形成，以此来降低了木聚糖酶对麸皮的水解效率。因此，常采用多种酶联合处理或物理结合酶处理以提高F-AXOs的得率。纤维素酶和木聚糖酶联用能够更有效地释放麸皮中的F-AXOs，是因为纤维素酶能够分解结晶纤维素，使其暴露木聚糖结构，有利于木聚糖酶的水解。此外，挤压、超声、高温度高压力蒸煮、亚临界水萃取等物理预处理可以破坏纤维之间的紧密结合，暴露酶的作用位点，来提升酶法水解谷物麸皮制备F-AXOs的得率。

  目前常使用大孔树脂或活性炭对F-AXOs进行初步纯化。最常使用的是Amberlite XAD-2大孔树脂。Amberlite XAD-2是一种非极性大孔树脂，可吸附芳香族化合物。上样之后，通常用蒸馏水和体积分数为50%的醇溶液分别洗脱，蒸馏水可洗脱除去未阿魏酰化的AXOs，体积分数为50%的醇溶液则可将阿魏酰化的AXOs从树脂上洗脱下来。因此，收集体积分数为50%的醇溶液组分，浓缩冻干，即可得到初步纯化的F-AXOs。此时，F-AXOs是不同聚合度F-AXOs的混合物。

  若要获得单一聚合度的F-AXOs，可用凝胶柱层析进行进一步分离。目前最常使用的是Sephadex LH-20凝胶。凝胶柱层析根据分子筛效应对不同分子质量样品进行分离，小分子质量的物质进入凝胶内，在柱上的流动时间长，故大分子质量的物质先被洗脱，小分子质量的物质后被洗脱。通过绘制洗脱曲线，收集单一峰组分，反复进行凝胶柱层析，直到洗脱峰完全对称，即可认为获得了单一聚合度的F-AXOs。此外，反相高效液相色谱也可用于F-AXOs的进一步分离。不同聚合度的F-AXOs极性不同，导致其在流动相和固定相中的分配不同，极性越大，保留时间越短，由此将不同聚合度的F-AXOs进一步分离。

  一般的，糖分子中不含生色基团，没有紫外吸收峰。游离阿魏酸由于含有苯环和共轭体系而具有紫外吸收。因此，F-AXOs因含阿魏酸而具有紫外吸收。此外，在F-AXOs中阿魏酸与糖分子形成酯键，这使得最大吸收峰红移，并且导致吸光度增大。

  红外光谱扫描可得到被测物质官能团的信息，故红外光谱可用于鉴定F-AXOs特有的阿拉伯糖、木糖和阿魏酸的官能团。

  如前所述，F-AXOs由阿魏酸和AXOs两部分所组成，故一般先水解F-AXOs测定其中的阿魏酸含量，再对糖链部分进行结构解析。

  F-AXOs中的阿魏酸是以结合形式存在的，测定其中的阿魏酸含量需要在碱性环境下进行皂化反应，是因为碱可断裂阿魏酸与阿拉伯糖基之间的酯键或醚键，将结合阿魏酸转变为游离阿魏酸。再将乙酸乙酯萃取得到的游离阿魏酸吹干、甲醇复溶，以阿魏酸标准品为对照进行液相色谱分析，即可测得F-AXOs中阿魏酸的含量。

  单糖组成的测定是将AXOs水解成单糖，然后利用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）法或气相色谱（GC）进行测定。其中，HPAEC-PAD对糖类物质的检测具备极高的灵敏度和很低的检出限，这是由于糖类遇碱后阴离子化，在恒定电位的安培检测器中有响应值。而GC测定则需要对单糖进行衍生化处理，操作复杂、耗时长。对于F-AXOs，其主链由木糖组成，侧链连接有阿拉伯糖，故常以阿拉伯糖与木糖（A/X）的比例反映其分支程度，A/X比例越大表明F-AXOs的分支程度越大。此外，除木糖与阿拉伯糖之外的单糖成分也可以表征F-AXOs支链的复杂程度。

  F-AXOs的平均聚合度（avDP）可根据还原糖/总糖含量进行计算，以确定F-AXOs总体聚合度的高低。具体的聚合度分布可用不同聚合度的木糖为标准品进行HPAEC-PAD分析，根据出峰时间定性，峰面积定量。但由于木糖标准品聚合度有限，更高聚合度的F-AXOs无法用HPAEC-PAD分析进行对照定性。质谱在聚合度和相对分子质量解析方面也具备极其重大的应用。

  在糖类精细结构的解析方面，核磁共振波谱法（NMR）发挥了重要的作用，NMR分为1D NMR（1H NMR和13C NMR）和2D NMR，它能够给大家提供糖类连接方式和构型等多方面的信息。

  目前已从小麦麸皮、米糠、黑麦麸皮、玉米麸皮、燕麦麸皮、大麦麸皮、小米麸皮、竹子等物质中制备分离得到多种F-AXOs，图2展示了这些F-AXOs的结构。其中均分离得到了O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-[5-O-(反式-阿魏酸)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖（F-AXOs-1），根据来源和提取方式的不同，其主链木糖数量在2～4个之间。小麦麸皮是制备F-AXOs的主要的组成原材料。目前，以小麦麸皮为原料制得的F-AXOs还包括O-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→2)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-[5-O-(反式-阿魏酸)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖（F-AXOs-2）、5-O-(反式-阿魏酸)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(2→1)-D-吡喃型木糖（F-AXOs-3）、3-O-乙酰-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-[5-O-(反式-阿魏酸)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖（F-AXOs-4）。利用玉米麸皮制备的F-AXOs结构更复杂，其中阿魏酸多以脱氢二聚体的形式存在，常通过5-5(F-AXOs-5)、8-O-4(F-AXOs-6)、8-8C(F-AXOs-7)之间的偶联形成。此外，从麦草中制备的F-AXOs的结构是O-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-[5-O-(反式-阿魏酸)-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖（F-AXOs-8）。

  阿魏酸广泛存在于植物细胞壁中，是一种抗氧化能力极强的酚酸类化合物，而低聚糖在一些研究中也显示出抗氧化活性。目前，在细胞、斑马鱼、大鼠模型中均证实了F-AXOs的抗氧化活性，且F-AXOs的抗氧化活性可能来自于阿魏酸和AXOs的相互作用。

  F-AXOs的抗氧化活性与阿魏酸的含量有关。与非阿魏酰化的AXOs相比，F-AXOs的阿魏酸部分被认为在抗氧化活性方面发挥着至关重要的作用。抗氧化活性测定根据结果得出，与AXOs相比，F-AXOs对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基、2,2’-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐（ABTS）阳离子自由基、羟自由基和超氧阴离子自由基具有更强的清除能力和更强的金属离子螯合能力。阿魏酸含量是决定F-AXOs抗氧化能力的重要的因素，F-AXOs抗氧化活性与阿魏酸含量具有非常明显的相关性（r＝0.94）。即阿魏酸含量越高，抗氧化能力越强，且呈现浓度依赖性。由此可见，阿魏酸是F-AXOs主要的抗氧化组分。

  此外，阿魏酸的存在形式也对抗氧化能力具有非常明显的影响。Snelders等研究之后发现，AXOs与游离单体阿魏酸组成混合物的水溶性VE等效抗氧化能力（TEAC）和氧自由基吸收能力高于相同浓度的游离单体阿魏酸。然而，单阿魏酰化F-AXOs的TEAC却低于游离单体阿魏酸；相比于单阿魏酰化的F-AXOs，二阿魏酰化（DiFA）的F-AXOs的TEAC逐步降低。不同连接方式的阿魏酸脱氢二聚体也具有不一样的抗氧化活性。此外，F-AXOs的抗氧化活性还与抗氧化测试类型有关，不一样的抗氧化测试得到的结果是不同的。如与F-AXOs相比，游离阿魏酸具有更强的DPPH自由基清除能力，但对低密度脂蛋白氧化的抑制作用较弱。这可能是由于F-AXOs糖链部分的存在改变了阿魏酸的亲水性，在后一种抗氧化活性的测定系统中，抗氧化剂水相和亲脂性相之间的分配系数会影响其抗氧化能力。

  F-AXOs的抗氧化活性还与F-AXOs的聚合度有关。Zhao Wenhong等发现低聚合度的F-AXOs对DPPH自由基、超氧阴离子自由基与羟自由基的清除率和对铁离子的还原能力高于游离阿魏酸。这原因是低聚糖通过影响自由基在阿魏酰基中的单电子转移，进而影响自由基清除能力。然而，在质量浓度0.2～5.0 mg/mL范围内，高聚合度的F-AXOs对DPPH自由基的清除率和对铁离子的还原能力低于游离阿魏酸。这原因是高聚合度F-AXOs的空间构型对阿魏酰基团形成空间位阻作用，阻碍了阿魏酸发挥抗氧化作用。

  此外，不同来源和方法制备的F-AXOs具有不一样的抗氧化活性，这原因是不同来源和方法制备的F-AXOs在阿魏酸含量、聚合度和A/X比例方面存在一定的差异。如Veenashri等研究之后发现，从鸭脚稗中制备的F-AXOs清除12% DPPH自由基的最低质量浓度为10 μg/mL，而大米、小麦、玉米中制备的F-AXOs在质量浓度为100 μg/mL的条件下仍未显示出抗氧化活性，铁离子还原能力测定实验也得到了相同的结论。这表明从鸭脚稗中制备的F-AXOs具有最强的抗氧化活性，且该研究之后发现从玉米中制备的F-AXOs具有最低的抗氧化活性。

  F-AXOs是一种非消化性低聚糖，因此，人体摄入之后，F-AXOs进入大肠被肠道微生物利用。研究之后发现，F-AXOs可调节肠道菌群组成，具有益生性。

  FOs的益生性与阿魏酸的含量和存在形式有关。与AXOs相比，与阿魏酸连接的F-AXOs在结肠中发酵速度更慢。是因为肠道菌群须首先分泌酯酶释放F-AXOs中的阿魏酸，然后才能将AXOs进一步水解为单糖作为碳源。释放的阿魏酸可影响肠道菌群的生长，调节肠道菌群比例与丰度，影响肠道中微生物酶的表达与活性，进而影响乙酸、丁酸、丙酸等短链脂肪酸和异丁酸、异戊酸等支链脂肪酸的产生。此外，与阿魏酸取代程度较低的F-AXOs（阿魏酸的质量分数为0.30%）相比，高阿魏酸取代的F-AXOs（阿魏酸的质量分数为7.17%）发酵程度低，这是因为阿魏酸取代在空间上阻碍了微生物酶的作用，表明阿魏酸取代能抑制AXOs的发酵。

  木聚糖主链的avDP亦可影响F-AXOs的益生性。低聚合度的AXOs（avDP≤4）能够在一定程度上促进双歧杆菌增殖，并产生更多的乙酸盐和丁酸盐，但它们对蛋白质发酵的抑制作用不太明显；高聚合度的AXOs（avDP＝61）发酵速度较慢，对蛋白质发酵的抑制作用更强，特别是在结肠的远端部分，但它们既不能增加结肠丁酸盐浓度，也不能促进盲肠中双歧杆菌的增殖。

  此外，F-AXOs的益生性与侧链阿拉伯糖的平均取代程度（avDS）有关。Pollet等发现，取代程度高的AXOs发酵程度低，且未发酵组分的A/X比例大于已发酵组分的A/X比例，表明阿拉伯糖取代程度低的AXOs优先被肠道菌群利用。同样地，Pastell等研究表明，双歧杆菌几乎完全发酵无取代或单取代的AXOs，而不能发酵双取代的AXOs（O2和O3位置被阿拉伯糖基取代），这说明取代程度低的AXOs可发酵性更强。此外，avDP＝12/avDS＝0.69和avDP＝15/avDS＝0.27的两种AXOs肠道发酵特性相似，这表明avDS对发酵特性的影响有限，而avDP对发酵特性的影响更加显著。

  由此可见，F-AXOs的益生性来自于AXOs部分和阿魏酸部分。因此，F-AXOs的益生性不仅取决于阿魏酸含量与存在形式、主链木糖的avDP和侧链阿拉伯糖的avDS，可能还与AXOs的精细结构相关，包括阿拉伯糖和阿魏酸的取代位置等。

  目前，F-AXOs主要被作为食品配料添加于面制品中，如饼干、面包、馒头等。黄俊卿将F-AXOs添加至饼干中，明显降低了饼干中二羰基化合物、蛋白质氧化产物和晚期糖基化终末产物的产量，但对饼干的质地和外观产生了负面影响。杨梅将F-AXOs制备成海藻酸钠-F-AXOs微胶囊添加至面团中，既保持了面制品的质构和风味，又保留了F-AXOs的抗糖化作用。

  F-AXOs拥有非常良好的抗氧化活性与益生性，可将其作为益生元添加至食品中，提高食品的营养特性，是用于制备功能性食品的良好配料。研究表明，阿魏酸拥有非常良好的抗菌作用，常被用于增强生物膜的抗菌性能，延长水产品保质期。此外，制备F-AXOs后，谷物麸皮剩余的部分主要为纤维素和木质素，可进一步用于生物炼制（如生物燃料乙醇的生产），以实现谷物麸皮的综合利用。

  近年来，研究者发现蛋白质与阿魏酰化多糖通过酶法交联能够显著改善蛋白质的溶解性、乳化性等功能特性，然而，关于F-AXOs与蛋白质交联的研究较少。相比于阿魏酰化多糖，F-AXOs的相对分子质量明显降低，水溶性提高，因此，蛋白质分子与F-AXOs可能具有更高的交联程度。此外，由于F-AXOs具有更低的相对分子质量，蛋白质与F-AXOs的交联物可能具有更高的蛋白质含量。

  综上所述，F-AXOs的结构取决于F-AXs的结构，而F-AXs的结构由谷物种类决定。不同的制备方式或不同的酶作用于F-AXs也会得到不同结构的F-AXOs，是因为糖苷键的断裂具有随机性或酶的作用位点和偏好不同。F-AXOs具有非常出色的抗氧化活性和益生性，这些功能特性与F-AXOs的来源、阿魏酸的含量与存在形式、糖链的聚合度以及侧链的分支程度有关，且与F-AXOs的精细结构相关，在未来需进一步探究。目前，对于F-AXOs的安全性风险评估和体内的功能评价研究较少，完善毒理学评价对推动F-AXOs在食品中的应用至关重要。我国谷物麸皮产量巨大，开发F-AXOs资源可提升谷物麸皮的附加值，减少资源浪费及环境污染，故F-AXOs的应用前景十分广阔。

  本文《阿魏酰阿拉伯低聚木糖的制备、结构鉴别判定及构效关系研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷21期303-311页. 作者：邓奉红，胡秀婷，罗舜菁，刘成梅. DOI:10.7506/spkx1103-027. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

  实习编辑：李雄；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

  为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

  为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院、中国食品杂志社、国际谷物科技学会（ICC）将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间：2024年 8月 3—4 日，会议地点：中国 湖北 武汉。

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