果胶精细结构与其肠道微生物酵解特性的构效关系

易建勇，赵圆圆，毕金峰，吕 健，周 沫，刘大志，冯舒涵

（中国农业科学院农产品加工研究所 农业农村部农产品加工综合性重点实验室 北京100193）

果胶是自然界中分布最广泛、结构最复杂、含量最丰富的植物源酸性杂多糖，其含量通常可占到植物细胞壁干重的15%～40%[1]。果胶分子主链是由150～500 个-D-半乳糖醛酸基通过（1-4）糖苷键连接而成的，通常以部分甲酯化状态存在，其侧链由鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖组成[2]。过去一个世纪，国内外学者在不同来源果胶的提取、组分分离分析及结构鉴定等方面开展了大量的研究，对其化学结构、合成降解、理化功能及对植物生理的作用有了较全面和深入的认识。除了被作为食品添加剂广泛用于食品工业外，果胶还因具有抑制体重增长，降低血糖水平，控制脂质消化，降低胆固醇，改善肠道屏障功能、降低结肠癌发生率等多种健康功效[3-7]而被广泛用于药品和功能食品中。果胶的多种健康作用都与其参与肠道微生物酵解过程相关。随着人们对肠道微生物认识的逐渐深入，相关前沿研究备受关注，然而，总体来说相关认识仍有限。揭示果胶结构与其功能的关系至今仍是食品科学的难点和前沿领域，明确果胶结构与其结肠酵解特性的构效关系，对指导果蔬食品加工和制备功能型膳食纤维具有重要意义。

果胶在胃-小肠消化阶段和结肠发酵阶段发挥健康功效的作用机制不同。果胶在胃和小肠消化阶段，自身结构的稳定性较高，其吸水膨胀和对食糜黏度的提升可延迟胃排空并延长小肠消化时间，延缓碳水化合物等的吸收，增加食物饱腹感并防止血糖浓度波动过大，还可与胆汁酸结合，从而控制脂质消化[8-9]。在结肠发酵过程中，果胶可作为许多肠道微生物的碳源，选择性地刺激其生长和增殖，从而改善菌群结构[10-11]。有研究表明，果胶的肠道酵解特性与其精细结构密切相关[12]。特定的结构单元诱导微生物分泌特定糖苷酶，由此才实现对果胶的降解[13]。此外，肠道菌群的代谢产物——短链脂肪酸可被结肠细胞吸收[13-14]，发挥抑制脂质代谢，维护肠道屏障功能和刺激结肠受损组织愈合等作用[15]。同时，短链脂肪酸可降低大肠pH 值，抑制有害腐败菌的生长，并减少蛋白质发酵产生有害代谢产物[16]。综上，明确果胶精细结构对肠道中降解果胶优势菌属及果胶酶的影响是弄清果胶精细结构与其肠道发酵特性构效关系的关键。

果胶对其在肠道中发酵速率和大肠菌群的影响，取决于果胶的多尺度精细结构。研究表明，果胶的不同来源[17-18]、提取方式[19]，酯化度[20-23]、分子质量[10，24-25]、中性糖组成[26]等结构特征均可显著影响其肠道发酵特性。已有研究表明，果胶中性糖组成对肠道菌群和代谢产物组成影响最大[26]，而其它结构包括分子质量、酯化度主要影响菌群酵解果胶的速度，这些结论仍缺乏足够的科学证据。此外，结构域类型、中性糖连接方式、乙酰化度等其它结构特征与其发酵特性的关系尚未深入研究。目前认为，果胶精细结构通过调控降解果胶菌属的丰度，改变宿主肠道菌群结构，诱发体系中糖苷酶种类和表达量变化，进而影响果胶自身降解过程及菌群代谢产物[27-30]，这是造成不同结构果胶的肠道发酵特性差异的主要原因，具体的构效关系、作用机制尚不明晰。本文从果胶精细结构出发，梳理果胶胃肠道消化行为和结肠发酵特性，综述其精细结构特征与肠道微生物酵解特性的构效关系，以及肠道中微生物及果胶降解酶系对果胶精细结构的响应，为进一步揭示果胶的肠道益生活性提供参考。

1 果胶精细结构

果胶分子结构极其复杂，一方面是因其包含半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonans，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖I 型（Rhamnogalacturonan，RGI）、鼠李半乳糖醛酸聚糖II 型（RG-II）、木糖半乳糖醛酸聚糖（Xylogalacturonan，XGA）等多种结构域单元[32]，然而这些结构单位的排列组合方式目前尚不清楚。果胶精细结构如图1所示，“平滑区和毛发区模型”（Smooth region and hairy region model）是目前受到较多学者认可的果胶结构模型，该模型将HG 线性结构视为果胶主链，将RG等连接有丰富中性糖支链的片断视为毛发区。然而，这一模型仍不能完美地解释各种果胶的精细结构，由此学者们还提出了“RG-I 主链骨架”模型、“鼠李半乳糖醛酸聚糖”等其它模型[31]。然而，由于果胶结构的原位解析技术尚不成熟，上述模型都尚未证实，目前人们仍无法精确描述果胶在细胞壁中的天然结构。

图1 果胶精细结构示意图[31]Fig.1 Schematic diagrams for citrus pectin structure[31]

线性HG 区由1，4-糖苷键连接的-D-半乳糖醛酸（GalA）残基组成，其中一些C-6 羧基被甲基酯化，酯化GalA 残基的比例被定义为酯化度，是果胶最重要的结构特征之一，决定了分子流变、凝胶等理化特性[33]。RG- I 包含交替排列的-L-鼠李糖（Rha）和-D-GalA 残基的骨架，Rha 残基打断HG 结构，含量为20%～35%。RG-II 占果胶糖组成比例约2%～10%，是果胶中结构最复杂的部分，由含有大约9 个GalA 残基的HG 主链组成，包含4个短侧链，其中包括鼠李糖、岩藻糖和葡糖醛酸及少量稀有中性糖组分[1，34]。除中性糖组成外，果胶还具有分子质量、乙酰化度、单糖连接方式、分子线性度等多尺度精细结构特征[35-37]，它们使得果胶原本就不均一的主链和支链结构变得更为复杂。再者，漂烫、巴氏杀菌、高温高压灭菌、高压均质等典型食品加工操作单元也会影响果胶的精细结构，导致果胶降解及结合状态和构象等理化特性改变[15，37-38]，从而增加了人们理解其结肠酵解特性构效关系的难度。

2 果胶的胃肠消化行为

一般来说，果胶在酸性条件下较稳定，且人体消化道不分泌降解果胶所需的糖苷酶，因此果胶在经过口腔、胃和小肠消化过程中自身结构较为稳定[39]。Saito 等[40]在体内研究中发现，约88%的果胶在回肠末端被检出，说明果胶在经历胃-小肠-回肠消化过程后仍较稳定，而约10%的降解率表明其可能被回肠末端的微生物所降解。Ferreira-Lazarte 等[41]利用体外胃肠消化系统研究了柑橘果胶的胃肠消化行为，也发现88%的果胶分子经过胃肠道消化后其结构未发生显著变化。Dongowski 等[22]研究表明酯化度对果胶在小肠阶段的稳定性影响较小。果胶在胃肠消化中对宿主健康也有积极的作用。Khramova 等[8]发现，在酸性胃环境下果胶可以增加胃消化物的黏度，降低小鼠的血糖反应，延长其在胃消化道的转运时间。另一方面，也有一些研究发现果胶经过胃肠阶段后其结构发生了明显的改变。王培等[42]发现果胶在胃消化过程中分子链宽值减小，同时酯化度降低，然而经小肠消化后果胶酯化度和微观结构无明显的变化，说明果胶在胃中会被部分降解，在小肠中则较为稳定。Zhu 等[43]发现火龙果果胶的平均分子质量经过小肠消化后下降了超过50%，并推测这可能是由于果胶的降解使得更多的果胶酸和羧基暴露导致的。虽然果胶在胃-小肠道的具体消化行为仍有争议，但目前学者们普遍认可果胶在胃和小肠消化阶段的稳定性，并且人们利用这种稳定性和果胶的乳化、包埋等特性将其广泛应用于功效物质缓释等食品和药品领域[7，44]。

3 果胶肠道微生物酵解特性

果胶经肠道微生物发酵后被降解为寡糖或低聚糖，进一步可被微生物代谢产生短链脂肪酸。许多学者采用酵解特性（Fermentation characteristics）一词来描述果胶在肠道中被微生物分解和利用的过程[18，45]，常见的参与降解果胶的微生物包括粪杆菌属、毛螺菌、瘤胃球菌、拟杆菌、双歧杆菌等。果胶的肠道酵解特性包括两方面：一是果胶自身被肠道微生物降解的情况，主要表现为果胶分子质量降低[41]及生成不同聚合度低聚糖[27]；二是菌群代谢产物的生成情况，主要包括短链脂肪酸（Short chain fat acid，SCFA）、二氧化碳等碳水化合物代谢产物和含氮、含硫物质等蛋白质代谢产物[17，26]。

果胶经肠道微生物分泌的糖苷水解酶降解为可被微生物利用的单糖，然后在厌氧发酵过程中通过碳代谢途径（糖酵解或戊糖磷酸途径）等生成SCFA[46]，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和支链脂肪酸，其组成和含量变化是反映果胶肠道发酵特性的重要指标[14，45]。SCFA 可通过降低肠道pH 值、维持大肠正常功能、调节脂质代谢等作用发挥对人体的有益作用[30，47]。SCFA 的产生需要有肠道菌群、底物和限速酶参与某些特定的代谢途径[48]。生成SCFA的肠道微生物以厚壁菌门最常见，此外还有放线菌属、拟杆菌属、变形杆菌属和疣状菌属等[49]。此外，果胶肠道酵解过程也间接影响游离氨[16]、二甲基硫醇、硫化氢、氧化三甲胺等[50]其它肠道微生物代谢产物的组成和含量，以及pH 值、二氧化碳含量[26，51]等肠道环境。果胶的精细结构特征通过影响上述生理指标，从而影响其肠道微生物酵解特性。

大量研究证实，不同来源果胶的肠道发酵特性存在显著差异[52]，人们将这种差异归结于果胶分子自身精细结构的不同[53]，例如甜菜浆多糖分为以果胶为代表的可溶性膳食纤维和以纤维素、半纤维素为代表的不溶性膳食纤维，Musco 等[54]研究发现甜菜浆的酵解特性明显分为两段：富含果胶的水溶性膳食纤维在酵解初期快速被微生物利用，而不溶性膳食纤维则大多在后续更为彻底的酵解阶段才被利用。Uerlings 等[55]评价了菊苣、甜菜果肉和柑橘皮渣的益生活性，发现菊苣根表现出较快的发酵速度，而菊苣浆则特异性地提高了乳酸杆菌属、双歧杆菌属和梭状芽孢杆菌簇IV 的丰度，且甜菜果肉、柑橘皮渣与纯果胶的发酵速度相当，而丁酸产量和双歧杆菌属的相对丰度更高，这些都说明多种膳食纤维共同被大肠酵解可能具有更好的益生效果。Min 等[56]也发现，与苹果果胶和甜菜果胶相比，大豆果胶更能刺激SCFA 产生，改善肠道菌群结构。许多研究基于不同来源的果胶结构特征的差异来考察果胶和其肠道酵解特性的构效关系。Tian 等[21]发现甜菜果胶促进了乳杆菌科、乳酸杆菌科增殖，低甲基酯化柑橘果胶和复合大豆果胶增加了丙酸盐和丁酸盐的产生，而高甲酯化果胶和甜菜果胶则无上述作用，且果胶和阿拉伯木聚糖在肠道中主要酵解部位的差异也证实了果胶结构上的特殊性。Bussolo De Souza 等[57]发现可溶性膳食纤维含量较高样品的碳水化合物在大肠发酵过程中被微生物利用的效率更高，且柑橘皮渣酵解过程刺激了瘤胃球菌属和毛螺菌属的增殖，百香果皮则显著提高了拟杆菌属和瘤胃球菌属的丰度，说明果胶结构的差异引发了特定菌属的增殖。Centanni 等[58]对比了新西兰菠菜和Karaka 梅（Corynocarpus laevigatus）果胶的酵解特性，证实不同特征果胶会引起不同的菌属响应，其中6 个菌种可以利用菠菜果胶，5 个可以利用Karaka 梅果胶。此外，单独使用拟杆菌发酵无法完全酵解果胶，还需要其它肠道菌群的配合。Larsen等[49]探究了9 种具有不同结构果胶的酵解特性，通过分析不同结构与果胶酵解速度、产物类型和肠道微生物菌群变化的关系，印证了果胶酯化度、中性糖组成、HG 和RG 结构的含量和排列、分子支链度、酰胺基团取代等果胶精细结构都是造成肠道微生物菌群变化差异的原因。另一方面，也有少量研究发现不同果蔬来源的果胶对肠道细菌多样性和SCFA 无显著影响，仅导致微生物群组成、个别菌属丰度变化和代谢产物含量改变[52]。综上，果胶对其肠道微生物酵解特性的影响取决于它们的结构特征，可以通过诸如产气动力学、肠道菌群多样性及特征菌属丰度、菌群代谢产物的组成及含量等多个维度指标对这种影响进行全面评估[28]。

4 果胶精细结构与其肠道微生物酵解特性的构效关系

大量研究证实，不同精细结构特征对果胶自身肠道微生物酵解特性的影响也不同。已有的研究主要集中在探讨酯化度[20-23]、分子质量[10，24-25]、结构域类型及支化程度[26，49]、酰胺化度[23]等结构特征与果胶酵解特性的关系等方面。当今科学理解认为其作用机理如图2所示。一方面，果胶精细结构特征特异性激活特定肠道微生物的多糖利用位点基因（PUL），诱导其分泌相关糖苷酶，多种特异性糖苷酶相互协同可降解相应果胶结构单元，由此获得的能量使得该特定菌属快速增殖，进而形成种群优势。另一方面，这些肠道微生物在降解果胶片段的同时产生短链脂肪酸、二氧化碳等代谢产物，它们通过改变肠道环境pH 值反过来抑制非优势或有害微生物的增殖，进而发挥益生效果。上述过程涉及人体和肠道微生物的相互协调，果胶肠道微生物酵解过程仍是当前科学研究的前沿领域。

图2 果胶多尺度结构调控其肠道酵解特性的作用机理示意图Fig.2 Schematic diagram of the mechanism of intestinal fermentation characteristics affected by the multi-scale structure of pectin

4.1 单糖组成与果胶肠道酵解特性

果胶分子“毛发区”主要包含RG-I 和RG-II结构单元，它们由多达20 余种中性糖分子构成，果胶分子单糖组成[59]、糖苷键的连接和构象类型[26]呈现高度不均一性，由此导致了不同结构果胶酵解特性的巨大差异。果胶结构域组成和含量的差异是导致果胶酵解特性差异的首要因素，尤其与SCFA 的产生有显著关系。Ishisono 等[60]通过研究柠檬果胶和甜橙果胶证实了果胶侧链的存在增强了其益生活性，提出支链中性糖的组成不同是造成2 种果胶益生功能差异的直接原因。事实上，在果胶“毛发区”结构域中，RG-II 的精细结构相对保守，不同果胶之间的差异主要体现在RG-I 比例和组成的差别上。

RG-I 结构域的主链为鼠李糖半乳糖醛酸聚糖，支链则包括半乳聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖I 型和II 型等多种中性糖侧链，它们是造成果胶结构差异的常见结构单元[61]。Mao 等[62]从柑橘碱液去皮废水里提取到了富含RG-I 结构单元的柑橘果胶，进一步利用芬顿反应获得了分子质量更小的富含RG-I 结构片段，结果表明前者可显著提高双歧杆菌和乳酸杆菌的丰度，而RG-I结构片段则显著地诱发瘤球菌科细菌增殖，同时乙酸产量低于商品柑橘果胶。Moro Cantu-Jungles等[26]对比了富含阿拉伯半乳聚糖（Arabinogalactans，AGI）的半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturan，HG）片段（HG+AGI）、富含AGI 支链的的RG-I 片段，以及木葡糖醛酸聚糖（Xyloglucan，XYG）和低聚果糖（Fructooligosaccharides，FOS）的肠道酵解特性，结果表明果胶片段在酵解12 h 中的产气量显著高于XYG，其中HG+AGI 酵解后的乙酸产量相比XGY 增长量达22%，而丙酸产量相比单一的XGY 和AGI 减少了31%。Tian 等[21]通过结构分析发现，甜菜果胶分子虽然支链较多，但半乳糖醛酸聚糖片段长度高达100 左右，是其果胶分子的主要组成单元，经肠道发酵后产生较多乙酸；而大豆果胶的多聚半乳糖聚合度仅4～6，且分子中含有大量的阿拉伯聚糖和半乳聚糖侧链基团，其酵解后产生较多丙酸。上述研究可表明果胶糖醛酸比例越高越易产生更多的乙酸，中性糖含量与丙酸产量呈正相关[17]。

此外，阿拉伯糖、半乳糖低聚糖含量也影响果胶肠道微生物酵解特性[63]。含有半乳糖醛酸、木聚糖组分的果胶的主要降解产物是乙酸，阿拉伯半乳糖则以丙酸为主[14]。Rastall 等[64]报道了改性后的向日葵和朝鲜蓟果胶对拟杆菌、普氏杆菌生长的促进作用明显高于两种相应天然果胶，这种差异可以归因于RG-I 的分支结构半乳聚糖在酶水解后的Gal∶Rha 比率。Di 等[65]认为果胶分子中的阿拉伯聚糖和半乳聚糖侧链越丰富，果胶分子对双歧杆菌的增殖效果就越明显，该果胶的益生效果优于果胶低聚糖。Gómez 等[66]提出双歧杆菌在果胶低聚糖（Pectic oligosacharides，POS）上的生长主要归因于其对POS 上中性糖组分的利用，这些寡聚体约占POS 单糖总量的40%。Onumpai 等[12]和Gullón 等[28]也表明双歧杆菌可以降解富含阿拉伯糖和半乳糖的果胶及POS，验证了阿拉伯糖和半乳糖含量与肠道益生活性的相关性。阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸等寡糖在肠道发酵过程中，可显著促进乳杆菌、肠球菌和费氏杆菌属的生长，由此表现出益生活性[39，67]。此外，中性糖组成更为丰富的柑橘皮渣对双歧杆菌的增殖效果也要优于商品果胶；相比于柑橘和大豆果胶，支链较多的甜菜果胶对乳杆菌和毛螺菌科的增殖效果更强[21]。综上所述，肠道菌群变化主要由果胶的单糖组成决定，进而影响果胶肠道微生物代谢产物含量。

4.2 半乳糖醛酸聚糖主链修饰与果胶肠道酵解特性

果胶分子“平滑区”主链通常由1，4-半乳糖醛酸构成，该主链单元常常发生甲酯化、乙酰化取代，它们主要通过影响果胶酶作用于HG 上糖苷键的空间位阻，进而影响果胶的酵解特性。

果胶酯化度是HG 主链最重要的结构特征，也是决定果胶肠道发酵特性的关键精细结构特征之一，然而其对果胶肠道微生物发酵特性的影响仍存在争议。Ferreira-Lazarte 等[10]发现洋蓟和向日葵果胶酯化度均对SCFA 的产量无显著影响。Ghaffarzadegan 等[20]研究发现高酯果胶和低酯果胶的产气量并无明显差异，而喂食高酯果胶大鼠组的肠道菌群发生了明显改变，特别是厚壁菌门以及颤螺旋菌属中的瘤胃菌科丰度显著下降。Dongowski 等[22]研究了酯化度分别为34.5%，70.8%和92.6%的3 种果胶的肠道酵解特性，发现随着果胶酯化度的提高，小鼠盲肠中的SCFA 产量显著下降，表明低酯化度有利于提高果胶酵解速度。Gulfi等[23]通过发酵过程的产气量评估了具有酯化度为53%和31%果胶的发酵特性，结果表明高酯化度果胶的产气量略高于低酯化度果胶（27.9 mL v.s.24.9 mL），而两者SCFA 产量的差距较小（977 μmol v.s.960 μmol）。然而两者发酵速率的相当，这可能是由于该研究采用的果胶样品酯化度差异相对较小造成的。Larsen 等[49]通过化学或酶法改性制备了酯化度分别为11.4%和31.8%的青柠果胶和柠檬果胶，发现它们酵解72 h 后的乙酸与丙酸产量之比分别为3.4∶1 和3.6∶1，显著高于酯化度分别为58.8%和74.7%的柑橘果胶和柠檬果胶（2.4 和2.9）。Tian 等[21]发现，相比于高酯化度果胶，低酯柑橘果胶显著增加了盲肠中的SCFA 产量，这可能是由于果胶裂解酶作用于低酯化度果胶的效率更高所致，表明果胶酯化度显著影响其在盲肠中的发酵特性，然而随着在结肠阶段果胶酵解程度的提高这种影响造成的差异也逐渐减小。该团队后来利用猪动物模型，提出半乳糖醛酸聚糖酶对低酯化度果胶的降解效率更高，证实了相比于高酯果胶，低酯果胶更容易被大肠中的微生物酵解[21]，说明低酯果胶是更适合肠道菌群的底物，然而低酯果胶虽促进了拟杆菌、费氏杆菌等的生长，但没有显示双歧活性[18]。Gulfi 等[23]也发现低酯果胶被肠道菌群降解得更慢，可更彻底地发酵。

另一方面，也有少量研究发现高酯果胶的肠道酵解特性更好。Fa◦k 等[59]研究发现，相对于低酯果胶（DM 20%），高酯果胶（DM 70%）更为显著地提高了血液和盲肠中的短链脂肪酸总量，以及盲肠中艾克曼菌属的丰度，这种现象可能是由于高酯果胶可以进行更彻底地发酵，产生较多的短链脂肪酸，而低酯果胶因具有较多的羧基而形成了更多位点的分子交联，由此阻碍了微生物的酵解进程。此外，目前学者对酰胺化等其它果胶主链修饰的研究较少。有研究表明，酰胺化后的果胶虽然具有很好的溶解特性，然而其肠道微生物酵解速度显著降低[23]。综上，目前多数研究结论支持低酯化度果胶更易被肠道微生物酵解利用，然而酯化度等果胶主链修饰对果胶酵解特性的影响仍存在争议，有待更有力的科学证据验证。

4.3 分子质量与果胶肠道酵解特性

分子质量是果胶重要的结构特征，显著影响其肠道酵解特性和益生功效，然而针对性的系统研究仍然较少。Gulfi 等[23]发现分子质量为53 ku的苹果果胶的酵解速率、产气量和SCFA 含量均显著低于分子质量为205～262 ku 的果胶。Ferreira-Lazarte 等[10]发现洋蓟和向日葵POS 可促进双歧杆菌和乳酸杆菌的增殖，抑制拟杆菌和梭状芽胞杆菌的生长，尤其双歧杆菌对低分子质量的果胶物质具有较强的亲和力，而针对向日葵果胶做同样的处理却只有拟杆菌和普氏菌的丰度发生变化。Ghaffarzadegan 等[20]研究了不同分子质量对果胶和瓜尔胶肠道发酵特性的影响，结果表明分子质量可以显著影响盲肠产气量、肠道菌群和高酯饮食引发的炎症。Hu 等[68]用高压均质处理后的车前草果胶喂食小鼠，结果表明高压均质处理显著降低了果胶粒径和聚合度，由此导致盲肠和结肠SCFA 产量提高。Gómez 等[25]也发现POS 可产生更多的乙酸和丁酸，果胶能产生更多的丙酸。Dou 等[69]利用超声处理获得了不同分子质量的黑莓果胶，证明分子质量较小的黑莓果胶更容易被肠道微生物酵解，酵解过程可显著提高SCFA 产量，同时降低结肠pH 值，降低厚壁菌门和拟杆菌门丰度的比例。

分子质量越高的果胶其半乳糖醛酸酶外切位点就越少，同时肠道内容物黏度也会增加，导致酶和底物接触频率减少，从而降低肠道微生物的酵解特性，继而也会影响果胶的降血脂、降胆固醇等生理功效。小分子质量果胶水溶性好，其发酵能力也较好[15]，同时因其具有较简单的结构和较低的位阻而使其更容易被微生物分泌的果胶酶作用，进而发酵速度更快，效率更高[70]。然而，最新的研究表明，越复杂的底物，发酵越慢，越容易到达结肠远端并刺激那里的有益菌生长，同时可限制远端结肠的蛋白质发酵，避免局部产生过多有害代谢物[70]。另一方面，有研究发现果胶及POS 在发酵后的培养基中的微生物总数无显著差异[39]。综上所述，分子质量较小的果胶在大肠中发酵会产生更多的SCFA，具有更好的益生功效，而调控SCFA的最大产量需将果胶分子质量控制在一定范围内。

4.4 肠道菌群对不同果胶精细结构的响应

果胶对宿主健康的影响是通过改变肠道中微生物种群及其代谢产物引起的[71]。研究表明，果胶结构特征显著影响肠道菌群的组成和特定属种的丰度，不同结构果胶组分可诱导特定肠道细菌增殖。

瘤胃球菌属[72]、普雷沃氏菌属[73]、拟杆菌属是肠道中主要的可降解多糖的细菌，由于其携带的糖苷水解酶和果胶酸裂合酶的基因序列中有超过81%的片段可参与降解结构复杂的果胶，这些菌可在多种果胶来源的底物上生长[27]，如半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖、阿拉伯聚糖、低聚半乳糖、低聚阿拉伯糖和菊粉等，因此大多数拟杆菌属都能降解具有不同结构的果胶多糖[13]。Luis 等[74]研究了拟杆菌在富含半乳糖醛酸聚糖的果胶上的生长情况，结果显示多形拟杆菌和细金拟杆菌可将果胶完全降解，且大约70%的微生物可在以半乳糖醛酸聚糖和半乳聚糖为碳源的底物上生长，其中只有4 个拟杆菌属菌株可利用RGI 主链。然而，不能利用RG-I 和马铃薯半乳聚糖的菌株在其相应的寡糖上的生长率分别为56%和100%，表明这些微生物虽然分解天然果胶的能力较低，但可利用果胶的降解产物，这也反映了不同菌种对特定果胶结构的响应。Tingirikari 等[39]研究发现双歧杆菌属通过分泌β-半乳糖苷酶、β-1，3-半乳糖苷酶、内切-β-1，4-半乳聚糖酶来发酵低分子质量的果胶多糖，证实了微生物分泌特征糖苷酶的能力是决定其是否可以降解相应果胶片段的前提。

具有特定结构的果胶对调控肠道菌群结构具有积极作用。Tian 等[18]研究表明，含有3%果胶的饮食可使肠道微生物的优势菌从乳酸杆菌转向了普氏菌。Jiang 等[3]发现补充果胶可以调节高脂饮食喂养大鼠的肠道微生物群，并将拟杆菌和厚壁菌的丰度恢复到正常水平。Bianchi 等[75]在所有横结肠、升结肠和降结肠中都观察到了双歧杆菌属、拟杆菌属、普鲁希氏杆菌和肠杆菌科的丰度增加，而乳酸杆菌属和肠球菌科减少。Olano-Martin 等[76]报道称POS 和柑橘果胶均显著增加了双歧杆菌的数量，而乳酸菌的数量仅随POS 的增加而增加，且这种增加在统计上并不显着。Chung 等[51]认为当果胶和其它膳食纤维一起被肠道微生物酵解时可以诱导更丰富的菌群多样性。Bang 等[77]在结肠发酵模拟体系下发现柑橘果胶酵解初期产物以乙酸为主，6 h 以后丁酸产量迅速上升，整个过程中梭菌纲中梭菌属XIV 簇增殖最为明显，特别是毛螺菌属和丁酸梭菌属。

4.5 果胶酶系对不同果胶精细结构的响应

果胶在肠道中降解是通过微生物分泌的多种酶共同催化而实现的，糖苷水解酶（GH）和多糖裂解酶（PL）家族是参与多糖水解的酶系。有研究表明[27]，拟杆菌属对复杂碳水化合物的代谢是由多糖利用基因（PULs）介导的，微生物通过自身分泌的胞外糖苷酶（CAZymes）的内切作用对果胶进行初步降解[27]。果胶分子不同结构域中包涵不同类型糖苷键，它们需要通过专一糖苷酶才能被分解，而不同微生物携带的糖苷酶基因可表达的糖苷酶类型不同，这是果胶精细结构影响其酵解特性的底层机制。

拟杆菌和普雷沃菌属是肠道中降解果胶的主力军，而肠杆菌科和梭菌属的一些细菌可分泌不同种类和活性的果胶酶[49]。不同果胶结构域均由其特征性单糖通过多种糖苷键连接而成，需要与之匹配的多种果胶酶共同作用才能将其降解。例如，HG 结构相对简单，通过果胶酶（PG）、果胶裂解酶（PL）和果胶甲酯酶（PME）等几种酶配合就可完全降解[78]；而结构复杂的RG-II 拥有多达21 种糖苷键，完全降解需要复杂的糖苷酶、裂解酶系协作才能实现[27]，降解后会生成具有适当聚合度的聚糖运输到周质中[13]。Uerlings 等[55]研究发现，果胶及含果胶加工副产物在肠道微生物酵解过程中，丁酰辅酶A 转移酶基因的表达量显著升高。Li等[79]从桑葚中分离出来一种分子质量为86.83 ku且富含中性糖的果胶，研究发现该果胶可显著刺激肠道中的多形拟杆菌（B.thetaiotaomicron）增殖，这种菌能合成260 多种分解植物成分的各类酶，对肠道中膳食纤维的降解具有重要作用。Luis等[74]还发现一种可切割半乳聚糖以及HG 和RGI骨架的菌，并从其转录组学数据中鉴定了可调控阿拉伯聚糖、半乳聚糖、RGI 和HG 降解的PUL，表征了与果胶代谢相关的PUL 的功能，研究了每个PUL 调控特定果胶的降解机制。该研究详细探讨了果胶酶系对不同果胶精细结构的响应，如exo-GHs 降解半乳聚糖和阿拉伯聚糖生成的寡糖，exo-GHs 和内切PLs 降解HG 和RGI 主链，单个GH2 β1，4-半乳糖苷酶（BT4667）解聚了表面半乳糖苷内切酶产生的半乳糖寡糖，RGI-PUL编码的酯酶BT415 促进鼠李糖-GalA 重复单元的主链降解。RG-II 结构单元包含13 种不同的糖和21 种不同的糖苷键，Ndeh 等[27]报道RG-II 上调了肠道微生物3 个多糖利用位点，降解RG-II 需要调动7 个GH 家族的酶，这些基因座编码多个L-鼠李糖苷酶和L-阿拉伯糖苷酶。尽管已有研究描述了单个微生物果胶降解酶，但人们对这些糖苷酶参与整个果胶协同降解的机制的理解仍然只是冰山一角。

综上，结构越复杂的果胶，包含的中性糖和糖苷键的种类多，降解需要的酶的种类越复杂，酵解速度就越慢。然而，与结构简单且酵解速度极快的FOS 相比，果胶通过在肠道不同部位的持续缓慢酵解，更好地发挥了肠道益生作用，特别是在大肠远端[80]。物质结构越复杂，它到达结肠远端部分并刺激产生SCFAs 的厚壁菌门和拟杆菌的生长的机会越大，避免结肠的远端部分因含有具有蛋白水解活性的微生物过度繁殖而释放过多胺类和含氨等有害代谢产物，增加宿主患结肠癌的风险[39]。

5 结语

果胶是人们日常饮食中最常摄入的膳食纤维之一，具有多种健康功效，其结构特征和肠道酵解特性成为近年来的研究热点。近十年来的研究结果加深了人们对不同尺度果胶精细结构调控其肠道酵解特性的认识，然而这些理解仍不够全面深入。主要原因是果胶多尺度结构的高度复杂性和非均一性导致了系统揭示其肠道酵解特性的构效关系难度极大。未来，果胶结构特征与其肠道发酵特性的构效关系存在几个亟待完善的地方，包括典型果胶结构域的降解特性及其微生物代谢产物指纹特征；肠道中降解果胶的优势属种对特定果胶精细结构的响应机制，重点是解析特定果胶结构诱导专一性糖苷酶的表达的分子机制；特定果胶结构导致的菌群结构及其代谢产物的变化与果胶健康功效的关系。理解这些问题，可帮助精准改性果胶精细结构和设计其肠道微生物酵解行为，为调控果胶肠道益生活性提供理论依据。