谷物β-葡聚糖结构、功能及其 应用研究进展

张 宁,艾连中,张 汇

(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海食品微生物工程技术研究中心,上海 200093)

膳食纤维是不被人体胃肠道消化吸收,但可被肠道微生物降解的多糖及木质素类的总称,主要存在于植物细胞壁中[1-2]。精细食品在人们饮食中的比例不断增加,膳食纤维的比例不断减少,导致我国糖尿病、心血管疾病等患者逐年增加[3]。谷物β-葡聚糖作为一种可溶性膳食纤维得到广泛关注[4],对人体健康起着不可忽视的作用。谷物β-(1→3,1→4)-葡聚糖(β-葡聚糖)是由不同聚合度的β-(1→4)-寡葡聚糖(纤维片段)组成,这些纤维片段通过β-(1→3)-键连接,形成链状大分子形式的β-葡聚糖。不同谷物来源β-葡聚糖的精细结构,比如β-(1→4)-和β-(1→3)-键比例和DP3∶DP4比例不同,链状的空间构象会发生相应的变化,从而导致其理化性质(如溶解性和成胶性)和生理活性的差异[5]。研究表明:β-葡聚糖能有效预防代谢综合征和II型糖尿病等慢性疾病[6-7],具有改善脂肪性肥胖[8]、维护肠道健康[9]、抗肿瘤[10]、抗炎[11]和免疫调节[12]等生物活性。

欧洲食品安全局(EFSA)已认证每天食用定量的β-葡聚糖能维持并降低血液胆固醇水平和餐后血糖响应值[13]。近年来我国对β-葡聚糖的认识也越来越深入,同时,西藏、青海和内蒙古等地区大量种植青稞和燕麦,为β-葡聚糖的提取和开发利用提供了广泛的原料基础[14]。基于此,本文将对谷物β-葡聚糖的提取纯化方法进行总结,对谷物β-葡聚糖的结构特征、理化性质、功能特性等进行综述,对β-葡聚糖的开发应用进行展望。

1 谷物β-葡聚糖的提取纯化

粮食作物中大麦的β-葡聚糖含量最高,其次是燕麦和小麦,分别为2.5%～11.3%,2.2%～7.8%和0.2%～1.2%[13,15]。β-葡聚糖主要分布于谷物种子的胚乳层和糊粉层细胞壁,采用刚果红染色法对谷物种子进行处理,切片观察到β-葡聚糖(红色区域)的分布情况,如图1所示[16],约85%燕麦β-葡聚糖分布于胚乳层细胞壁,并主要集中于亚糊粉层次生壁(图1a),约70%大麦β-葡聚糖均匀分布于胚乳层细胞壁(图1b),然而,小麦β-葡聚糖主要分布于糊粉层细胞壁(图1c)。由此可见,β-葡聚糖是细胞壁的重要组成成分,对细胞的结构起着固定和支撑的作用。基于此,选择合适的方法对谷物β-葡聚糖进行制备。谷物β-葡聚糖的制备一般包括谷物前处理、谷物β-葡聚糖的提取和纯化三个部分[17]。

图1 刚果红染色观察燕麦(a)和大麦(b) 和小麦(c)中的β-葡聚糖分布情况Fig.1 The distribution of β-glucan in oat(a)，barley(b)and wheat(c)by congo red staining

1.1 谷物前处理

Myriam等[18]通过0.5 mm筛减小谷物粒径,增大谷物与提取液接触的机会,增加β-葡聚糖的得率。谷物中的内源性β-葡聚糖酶能降解β-葡聚糖,导致其分子量下降[19],因此常用高压灭菌法、乙醇回流法和烘箱加热法等灭活酶,不同灭酶方法结果差异较大,以乙醇回流法最为常用[20]。

1.2 谷物β-葡聚糖的提取

谷物β-葡聚糖大多利用水提、碱提或酶处理等从谷物中提取可溶性的β-葡聚糖。Izydorczyk等[21]采用热水法从大麦中提取得到了β-葡聚糖,发现60 ℃相比于40 ℃水溶液提取的β-葡聚糖具有更小的摩尔质量。Cui等[17]以小麦麸皮为原料,用1.0 mol/L的NaOH溶液提取β-葡聚糖,提取率为1.37%,纯度为57.13%。酶法提取β-葡聚糖作为一种绿色工艺[22],具有操作简单、耗费时间少、环保无污染、提取率高等优点,但由于谷物中含有阿拉伯木聚糖等可溶性膳食纤维使得产品纯度相对较低。此外,Hematian等[23]借助超声波辅助提取大麦中的β-葡聚糖,有效地缩短了提取时间,并且β-葡聚糖提取率达3.87%。不同提取谷物β-葡聚糖方法的优缺点如表1所示。

表1 不同提取β-葡聚糖方法比较Table 1 Comparison of the extraction methods for β-glucans

1.3 谷物β-葡聚糖的纯化

谷物β-葡聚糖提取物中通常含有少量的淀粉、蛋白质和阿拉伯木聚糖等成分,为进一步提高产品纯度,采用硫酸铵沉淀、乙醇分级沉淀和柱层析等方法进行纯化。

β-葡聚糖在较低浓度的硫酸铵溶液(20%～55%)中形成沉淀,而阿拉伯木聚糖需要在较高浓度的硫酸铵溶液(55%～95%)中才能沉淀,因此,可通过该性质将两者进行分离。Cui等[21]经硫酸铵分级小麦麸皮中β-葡聚糖得到91.58%β-葡聚糖产品。乙醇分级沉淀是基于不同分子量的多糖在不同浓度乙醇溶液中溶解度不同而达到分离效果,随着乙醇浓度的增加,分子量从大到小的β-葡聚糖可逐渐被分级。宋雪梅等[24]用乙醇沉淀莜麦麸皮中的β-葡聚糖,结果表明乙醇浓度为70%时分级效果最好。凝胶柱层析是多糖分离纯化最常用的一种方法,基于不同分子量进行分级,可得到分子量分布窄,纯度高的多糖组分,但纯化效率较低,成本较高。对于谷物β-葡聚糖,一般可采用琼脂糖凝胶柱层析法进行分离纯化[24],袁建等[25]用此方法分离纯化小麦麸皮的β-葡聚糖提取物,得到产品的纯度为97.03%。

综上,制备谷物β-葡聚糖的一般流程可总结如下:

谷物(麸皮或颗粒)→粉碎过筛→脱脂灭酶→溶剂提取→离心取上清(残渣可二次提取)→去除淀粉、蛋白→乙醇沉淀→干燥→β-葡聚糖粗品→纯化→高纯度β-葡聚糖。

以上流程得到β-葡聚糖粗品的纯度为33%～87%[26]。在制备谷物β-葡聚糖时,需综合考虑成本、得率、纯度及特性等各方面因素,选择合适的提取和纯化工艺,最大程度地利用谷物β-葡聚糖。

2 谷物β-葡聚糖的结构

谷物β-葡聚糖由β-D-吡喃型葡萄糖基单元通过β-(1→4)-糖苷键重复连接形成纤维三糖或四糖片段,同时含有5～14个葡萄糖残基的纤维素寡聚物,这些纤维素寡聚物再通过单一的β-(1→3)-糖苷键连接组合,形成线型同聚多糖[27]。谷物β-葡聚糖的化学结构相对简单,可通过常规的甲基化和核磁共振分析对其化学结构进行解析[27-28]。

此外,还可通过选择性酶解的方式释放寡糖片段,通过寡糖片段的组合判断谷物β-葡聚糖的精细结构。地衣聚糖酶(Licheninase,EC 3.2.1.73)可特异性水解谷物β-葡聚糖中与β-(1→3)-键相连的β-(1→4)-糖苷键,从而得到不同聚合度的寡糖片段[29],如图2所示。通过阴离子交换色谱(HPAEC)或基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)技术判断寡糖片段的聚合度和比例,通过组合即可进一步明确谷物β-葡聚糖的化学结构。

图2 谷物β-葡聚糖经地衣聚糖酶(EC 3.2.1.73)水解后寡糖产物Fig.2 The structure of β-glucan and hydrolysates after treatment of licheninase

不同来源谷物β-葡聚糖的精细结构具有较大的差异,主要体现在纤维三糖和纤维四糖的比例以及β-(1→4)-与β-(1→3)-糖苷键的比例[30-32]。如小麦、大麦和燕麦β-葡聚糖里纤维三糖(DP3)的相对比例分别为67%～72%、52%～69%和53%～61%,而纤维四糖(DP4)的相对比例分别为21%～24%、25%～33%和34%～41%,DP3和DP4比例分别为3.0%～4.5%、1.8%～3.5%和1.5%～2.3%[29,33],两者的摩尔比被称为谷物β-葡聚糖的结构指纹,是结构特征的重要差异,比例越高,纤维三糖的含量就越高[34]。此外,即使同种谷物β-葡聚糖的DP3和DP4比例也有差异,从而β-(1→4)-和β-(1→3)-糖苷键的比例也有差异,这可能与谷物品种和生长环境的不同有关[17,35]。常见的谷物的β-葡聚糖含量、分子量、纤维三糖和四糖比例及β-(1→3)-与β-(1→4)-糖苷键的比例如表2所示。

表2 谷物β-葡聚糖含量、分子量、纤维三糖/ 纤维四糖比例及β-(1→4)-与β-(1→3)-糖苷键的比例Table 2 Content,molecular weight,ratio of trisaccharide and tetrasaccharide and ratio of β-(1→4)- and β-(1→3)-glycosidic linkage of cereal β-glucans

3 谷物β-葡聚糖含量的测定方法

由于谷物β-葡聚糖的结构比较明确,因此,可通过特定的方法对样品中的β-葡聚糖含量进行定性和定量测定。

3.1 荧光法

β-葡聚糖与荧光增白剂特异性结合,结合后Caleofluor荧光强度增强,其荧光强度增量与β-葡聚糖含量呈一定的线性关系[36]。该法简便快速、精确度高、实用性强,对工业上β-葡聚糖的含量测定起一定的指导意义。但荧光增白剂对光敏感,影响测定结果,因此,难以在较广范围内使用。

3.2 刚果红法

β-葡聚糖与刚果红染料特异性结合,吸收强度随β-葡聚糖的浓度增加而增强,可用于β-葡聚糖的定量分析[37]。该方法快速、简便,但水不溶的β-葡聚糖无法被检测到,结果偏低。

3.3 酶法

最常用的就是Mcclear等[38]提出的酶法,经过简化以后成为常用分析方法,即AOAC955.16法[39]。β-葡聚糖酶特异性水解与β-(1→3)-键相连的β-(1→4)-糖苷键,降解为寡糖片段,β-葡聚糖苷酶再将寡糖片段降解为葡萄糖,通过测定葡萄糖含量,进而换算得到β-葡聚糖含量。该法要求酶的纯度高,否则测定结果不准确。该法简便,用样量少,但价格相对较高,是目前定量测定β-葡聚糖广泛使用的方法。表3总结了不同测定β-葡聚糖方法的优缺点,在实际应用中可选择合适的方法进行定性和定量分析。

表3 不同测定β-葡聚糖方法比较Table 3 Comparison of the methods of measurement of β-glucans

4 谷物β-葡聚糖的理化性质

4.1 溶液流变性质

通常情况下,谷物β-葡聚糖为白色粉末,溶于水呈淡黄色,不溶于乙醇、丙酮等有机试剂,具有吸水溶胀能力,有良好的持水性,Lee等[40]报道,大麦β-葡聚糖的持水性达6.02～6.81 g/g。水溶液中β-葡聚糖分子间相互缠绕并发生氢键作用形成聚集体,表现出高黏度和凝胶化的性质[3,41-42]。Nicolai等[43]表示随β-葡聚糖浓度增加,分子链间聚集缠绕更紧密;分子量降低,分子链短而移动性增加,成胶速率增加,浓度增加较分子量降低而言更有利于成胶。Li等[41]表示三糖和四糖比例高的β-葡聚糖分子浓溶液更容易聚集而成胶,这是由于纤维三糖单元易形成网络交联区所致。Burkus等[44]研究表明β-葡聚糖的临界浓度、黏度、黏弹行为和剪切变稀性质主要和多糖分子量有关,分子量在100～200 kDa的谷物β-葡聚糖在室温下很容易成胶(8%～10%,w/v),分子量越大,黏度越大,储能模量越小。谷物β-葡聚糖的高黏度和易成胶特性使之具有良好生理功能和潜在的商业应用价值。

4.2 乳化性

β-葡聚糖增加乳状液的外相黏度,限制了液滴的运动,降低油水界面表面张力[45],有利于乳状液的稳定。在制备和稳定乳液的过程中,大液滴被外力作用后变小,乳化剂吸附到小液滴上,阻止液滴间聚集或絮凝成大液滴,进而维持其长期稳定性。当乳化剂浓度太低或外力作用较大而乳化剂不能及时被液滴吸附时,乳化剂在界面连续相一侧形成的具有粘弹性的界面膜被破坏,液滴就会聚集或絮凝,乳化稳定性下降,如图3所示[46]。Kontogiorgos等[47]表明低分子量β-葡聚糖分子链向水相中伸展,形成网络结构,产生空间位阻、静电排斥等作用抑制了微粒的聚集,而高分子量β-葡聚糖通过提高水相黏度分别表现出良好的乳化稳定性。

图3 制备和稳定乳液的主要物化过程示意图Fig.3 Illustration of main physico-chemical processes involved in making of emulsions

5 谷物β-葡聚糖的生物活性

谷物β-葡聚糖作为一种水溶性膳食纤维,表现出广泛的生物活性,如降血脂、降血糖、改善肠道健康等。

5.1 降血脂,预防心血管疾病

谷物β-葡聚糖增加肠道的黏性,结合胆汁酸,吸收多余的胆固醇和甘油三酯,从而减少胆固醇的肝肠循环,并促进其排出体外[48]。研究表明燕麦β-葡聚糖能显著降低由高脂饮食引起的小鼠血清总甘油三酯和血清总胆固醇水平[49-50]。此外,Aoki等[51]通过高脂饮食喂养的小鼠表明β-葡聚糖能增加胆固醇7α-羟化酶基因的表达,加快胆固醇转化成胆酸,体内胆固醇水平显著下降。

5.2 降血糖,预防糖尿病

β-葡聚糖分子互相交联的网状结构形成物理屏障阻碍食物和消化酶的接触,在胃肠道中形成的黏液,延长胃的排空时间,减缓小肠收缩率,减少胰岛素的释放量,从而降低葡萄糖的吸收率,降低患II型糖尿病的风险[52-54]。Biörklund等[55]研究发现燕麦麸β-葡聚糖分子量越高,黏度越大,降低餐后血糖指数与胰岛素水平效果越显著。

5.3 改善肠道健康

β-葡聚糖作为一种可溶性膳食纤维不能被消化酶降解,进入肠道与肠粘膜,与肠道菌群作用,在大肠中被发酵产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸,肠道pH降低,病原菌生长繁殖能力下降,同时丁酸为大肠细胞的代谢提供能量[51,56-57]。β-葡聚糖作为新一代益生元,选择性刺激结肠中某些细菌的生长活性,促进有益菌生长,抑制有害菌繁殖,改善肠道菌群结构和多样性,刺激肠道蠕动,加速有毒物质排出体外[58-59]。Wang等[58]研究表明,高分子量β-葡聚糖的摄入改变肠道菌群组成,增加拟杆菌属和降低厚壁菌属数量,推测β-葡聚糖对肠道菌群的影响可能和分子量有关。燕麦β-葡聚糖能显著抑制由高脂饮食引起的小鼠肠道菌群中乳杆菌属和拟杆菌属细菌多样性的降低[49]。

6 谷物β-葡聚糖的应用前景

目前,谷物β-葡聚糖主要应用在食品和化妆品领域。

6.1 在食品中的应用

β-葡聚糖有着增稠性、稳定性、乳化性和成胶性等良好物性[60]。研究显示,冰淇淋中添加燕麦β-葡聚糖能提高其黏度、膨胀率和抗溶性,赋予产品润滑和糯性口感,蛋糕中添加1%～5%燕麦纤维能增加成品体积,改善组织结构并赋予产品良好口感[61-62]。β-葡聚糖良好的耐热性和高持水性,一定程度上阻碍了面包芯水分的扩散,阻碍了淀粉的重结晶化,淀粉老化速率下降,从而延长货架期[63]。β-葡聚糖良好的持水性和凝胶性能使香肠富有弹性,多汁易咀嚼,有良好的色泽和风味[64]。牛奶和高分子量燕麦β-葡聚糖的结合制得一种低热量和低胆固醇乳品,且β-葡聚糖和酪蛋白颗粒的结合改善了乳品外观[65]。

6.2 在化妆品中的应用

β-葡聚糖可刺激免疫系统,激活巨噬细胞,产生促进伤口愈合的细胞因子,同时被免疫细胞膜上受体识别激活免疫活性细胞,促进纤维细胞合成胶原蛋白,促淡化疤痕,祛除皱纹,并对皮炎、湿疹和牛皮癣等皮肤病的情况均有改善[60,66]。Pillai等[67]发现燕麦β-葡聚糖通过细胞间隙渗透到皮肤表层和深层,提高细胞滋润度,令皮肤富有弹性,是一种天然的保湿因子。Kanlayavattanakul等[68]在护肤膏中加入0.04%的β-葡聚糖,受试者28 d后皮肤状况显著改善,眼部皱纹变浅,前臂皮肤紧致。

7 结语

谷物β-葡聚糖是膳食纤维的重要来源,表现出降血糖、降血脂、提高免疫活性及改善肠道健康等生物活性,在疾病预防和治疗中有着的重要作用,与人类健康息息相关。本文比较了谷物β-葡聚糖不同提取方式和测定方法的优缺点,总结了其结构和溶液性质及生理活性,并概述了β-葡聚糖在食品和化妆品行业的应用。谷物β-葡聚糖的生理活性受其理化性质和结构特征影响,过去研究β-葡聚糖主要通过提高肠道黏度阻碍葡萄糖和胆固醇等的吸收预防糖尿病和肥胖等慢性疾病,在肠道中发酵产生短链脂肪酸改善肠道健康。不同结构特征的谷物β-葡聚糖在生理功能中所起的作用有待进一步研究,为进一步发挥β-葡聚糖的生理活性具有极大指导意义。

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