燕麦β-葡聚糖的分子结构特点及其生物学功能研究进展

田思萌，孔祥菊

(1.哈尔滨医科大学 基础医学院，哈尔滨 150081；2.哈尔滨医科大学附属第一医院，哈尔滨 150001)

燕麦属于禾本科燕麦属一年生草本植物，是一种特殊的粮食、化妆品、饲料、医药和工业原料等多用途作物，含有丰富的矿物质、维生素、良好配比的氨基酸、不饱和脂肪酸以及独特的水溶性膳食纤维[1]。其中研究和应用最多的是其中的非淀粉类水溶性膳食纤维即燕麦β-葡聚糖，它主要存在于燕麦籽粒的糊粉层和亚糊粉层的细胞壁，其基本结构是由β(1→3)糖苷键和β(1→4)糖苷键连接β-D-吡喃葡萄糖单位而形成的一种高分子无分支线性黏多糖，是一种相对分子质量较小的短链葡聚糖，属于低聚糖[2]。燕麦中的β-葡聚糖含量在谷类作物中最高。

燕麦β-葡聚糖具有多种有益的生物学功能，已然成为国内外研究的热点，并受到广大消费者的关注。特别是20世纪90年代，美国食品和药物管理局FDA指出，每日饮食中含有3 g以上β-葡聚糖或者食用低脂肪的燕麦可以降低血脂含量，并能减少心血管疾病的发病率[3]，更是推动了燕麦β-葡聚糖科学研究及产品应用的快速发展。大量研究证实燕麦β-葡聚糖还具有降血糖、改善肠道菌群、抗氧化及提高免疫力的作用，已经广泛应用在生产高纤维饮料、面食、糕点和熟肉制品等食物中[4]。为此，本文在查阅大量国内外文献的基础上，对燕麦β-葡聚糖的结构特征、含量、生物学功能及其在食品中的应用等方面进行了深入分析及探讨，期望能为燕麦β-葡聚糖作为食品功能因子进行深度开发及利用提供科学依据。

1 燕麦β-葡聚糖分子结构特征

燕麦β-葡聚糖各种有益的生物价值不断被探索，对燕麦β-葡聚糖基本结构、含量、分布的探究也越来越深入。研究结果表明，β-葡聚糖的多种有益的功能受其结构特征、分子量、含量、连锁类型等多个方面的影响[5]。不同禾谷类作物籽粒中含有β-葡聚糖的化学结构类似，只是在分子中β(1→4)糖苷键与β(1→3)糖苷键组成比例中有一定区别[6]。燕麦β-葡聚糖基本结构是β(1→3)糖苷键和β(1→4)糖苷键连接β-D-吡喃葡萄糖单元而成的线性聚合物，其中β(1→3)键使β-葡聚糖形成具有一定的灵活性[7]。张娟等的研究结果显示，由β(1→4)和β(1→3)组成的燕麦β-葡聚糖结构分布并非完全有序，但也不是完全无序的排列[8]，大约90%的葡萄糖单元排列在β(1→3)连接的纤维三糖和纤维四糖单元中，而其余结构是较长的纤维素节[9]。

燕麦β-葡聚糖在分子尺度上的物理化学性质，特别是其重量平均分子量很大程度上决定其溶解性、黏度、分散性和胶凝性[10]，而分子量影响的溶解度和黏度被认为与燕麦β-葡聚糖产生的生物学功能有关[11]。由于燕麦β-葡聚糖的分子量受到加工所采取的不同方式、燕麦的品质、农艺措施、食品形状等方面的影响，其生物活性也相应地受到不同程度的影响(见表1)。相关研究表明，不同的加工方式，如过高的粉碎粒度、过高的温度、压力以及生产环境和酶催化等都会影响其分子量，从而影响燕麦中β-葡聚糖的含量和其生物活性[12]。不同的谷物如黑麦、大麦、燕麦、小麦β-葡聚糖的分子量范围分别为21×103～1100×103g/mol，31×103～2700×103g/mol,65×103～3100×103g/mol，209×103～487×103g/mol[13]。在谷物中燕麦中β-葡聚糖的分子量相对较大，可能与其多种生物学效应的关系密切。

表1 不同燕麦制品β-葡萄糖分子质量之间的差异[14]Table 1 The difference of molecular weight of β-glucose in different oat products 干基%

2 燕麦中β-葡聚糖含量

燕麦β-葡聚糖的含量是燕麦食品营养评价的一个出发点，对其含量的要求已经成为燕麦产品不可缺少的部分和取向[15]。燕麦β-葡聚糖的含量受到种植地区、品种、年份等几个方面的影响，其中品种影响的程度较大，其次是种植区，年份的影响较小[16]。此外，通过一定的农艺措施也可以使燕麦β-葡聚糖的含量发生改变，从目前已知的几个可以影响燕麦β-葡聚糖含量的因素来看，通过培育新品种提高燕麦β-葡聚糖的含量非常具有指导意义。田志芳等的研究发现，燕麦培育的新品种中β-葡聚糖的含量较高，较多燕麦品种β-葡聚糖的含量在3.0%～5.0%之间[17]。目前国内外现有研究表明，燕麦资源间β-葡聚糖含量存在明显差异，并且在不同生态区种植区域和年份(见表2)的燕麦资源β-葡聚糖含量也存在差异。张海芳等对不同燕麦品种和地区效应研究发现，品种对燕麦β-葡聚糖含量有着显著的影响，其幅度在4.75%～7.12%之间，而在同一地区燕麦β-葡聚糖的含量差异不大[18]。因此，开发高含量β-葡聚糖的燕麦品种也是未来发展的方向。

表2 不同种植地区、年份在燕麦β-葡萄糖含量之间的差异[19]Table 2 The difference of oat β-glucose content in different planting areas and years

3 燕麦β-葡聚糖生物学功能

3.1 降低胆固醇

Ho等发现膳食中燕麦β-葡聚糖的平均剂量达到3.5 g/d时，可明显降低LDL-C、非HDL胆固醇和载脂蛋白B水平，并且发现燕麦β-葡聚糖对LDL-C的影响与实验设计和干预时间有关[20]。大量数据分析证实燕麦β-葡聚糖对LDL-C的调节与基础LDL-C水平呈相反关系，但对非HDL胆固醇和载脂蛋白B没有这种现象。燕麦β-葡聚糖降低胆固醇的原理可能是通过在小肠中形成黏性物质来限制小肠对膳食中胆固醇的吸收以及对胆汁的重吸收从而使血清中TC和LDL-C浓度降低[21]。研究还发现燕麦β-葡聚糖降血脂的原理还包括上调胆固醇7-α-羟化酶活性从而加速胆固醇的降解。同时，对比燕麦片和燕麦β-葡聚糖的降脂效果发现，降脂效果最好的燕麦片和提取物不是同一个品种，这表明燕麦中可能还含有其他物质具有降脂功能[22]。对于无心血管事件史且10年冠心病风险≥5%的中年男性来说，β-葡聚糖对于预防冠心病事件可能具有成本效益。维持每日3 g燕麦β-葡聚糖摄入量可以减少心肌梗死和冠心病死亡首次事件的发生[23]。

3.2 抗氧化

Du B等提出，燕麦β-葡聚糖具有清除自由基和减少炎症产生的能力，并对血液或血浆中严重的氧化剂诱导的脂质过氧化有显著保护作用[24]。Suchecka等发现在LPS诱导的肠炎大鼠中，补充燕麦β-葡聚糖的大鼠在肝脏和胃组织中显示抗氧化活性，导致ROS产物的减少[25]。燕麦β-葡聚糖对2，4，6-三硝基苯磺酸诱导的结肠炎大鼠具有间接的抗氧化作用[26]。在对高脂喂养的大鼠研究中发现，燕麦β-葡聚糖可使血清的丙二醛含量显著降低,说明燕麦β-葡聚糖具有一定的脂质抗氧化作用；并且高脂组大鼠血清超氧化物歧化酶(SOD)酶活性显著低于对照组，实验证明燕麦β-葡聚糖可以显著提高大鼠的SOD活力,从而使机体氧化及抗氧化系统保持动态平衡,减少自由基的毒副作用,使组织及细胞免受自由基造成的损害[27]。

3.3 降血糖

1977年美国食品和药物管理局(FDA)发表声明，食用燕麦食品达到一定时间，并达到燕麦β-葡聚糖的阈值，即会产生降血糖功效[28]。一项meta分析发现T2DM患者每日摄入燕麦 2.5～3.5 g，持续3～8周，可明显降低空腹血糖(FPG)、糖化血红蛋白的水平，但对空腹血浆胰岛素(FPI)水平无显著影响[29]。连续3周食用富含3 g/d的燕麦β-葡聚糖的面包可以降低T2DM患者的胰岛素抵抗。服用大约0.6 g/d的剂量，持续4周以上，能够改善糖尿病患者的血糖水平，食用低剂量的燕麦β-葡聚糖达12周也有促进新陈代谢的作用[30]。但也有研究发现连续8周摄入3.9 g富含燕麦β-葡聚糖的膳食对T2DM患者的FPG、FPI或胰岛素抵抗均无饮食相关影响。产生这一差异的原因可能是T2DM患者餐后血糖和胰岛素反应的衰减与燕麦β-葡聚糖的高黏度有关，有研究证实，燕麦β-葡聚糖通过在肠胃中形成高黏性环境来发挥降糖作用,高黏度可以延迟胃排空，减慢肠道蠕动，延缓葡萄糖在小肠中的吸收，不同燕麦β-葡聚糖的黏度差异也较大[31]。

3.4 调节肠道菌群

燕麦β-葡聚糖已被证明可以调节人类、动物和体外发酵系统中的肠道微生物群，典型的是双歧杆菌和乳酸杆菌相对丰度的增加[32]。目前认为肠道菌群的组成是宿主体内胆固醇和胆汁酸代谢的重要调节器。燕麦β-葡聚糖通对宿主肠道菌群产生影响，从而影响胆汁酸信号、短链脂肪酸信号以及其他胆固醇稳态调节因子，这是其维持体内胆固醇稳态方面发挥着重要作用的机制之一[33]。张维等也发现燕麦β-葡聚糖能显著增加糖尿病肾病大鼠的肠道菌群丰度与多样性，以及厚壁菌门和拟杆菌门的比值，这可能是其延缓糖尿病肾病的机制之一[34]。有研究表明，内源性1，3(4)-多聚葡聚糖酶处理提高了燕麦β-葡聚糖的发酵能力，经酶处理的燕麦β-葡聚糖有类似母乳低聚糖的作用，作为益生元，刺激免疫系统，增加未成熟的树突状细胞肠球菌的相对丰度，并减弱了促炎细胞因子的产生[35]。经酶处理过的燕麦β-葡聚糖对婴幼儿的微生物群组成产生有益作用，高度符合婴儿配方奶粉，虽然尚未用于婴儿配方奶粉，但有可能用于补充。

4 燕麦β-葡聚糖在食品中的应用

Singh Mukti 等[36]以开发功能性酸奶为主要目标，通过将0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的纯燕麦β-葡聚糖掺入酸奶混合物中，结果发现β-葡聚糖的添加量最多可以达到0.3%，即符合营养准则，还可以增加营养益处，而又不会影响酸奶的特性。Rosburg Valerie 等[37]发现β-葡聚糖在低温保存时对酸奶中的双歧杆菌具有保护作用，增加了酸奶的口感与稳定性。燕麦β-葡聚糖在无麸质产品中的应用也显示出积极效应，在质地、体积和感官方面都有不错的效果[38]。将燕麦β-葡聚糖应用在饮料制品中，既能增加饮料的黏稠度，又满足FDA批准的降低心血管疾病风险的健康要求[39]。另外，高分子β-葡聚糖也可以用在化妆品中，具有多种保护皮肤的功效如抗皱、抗老化、减少外界刺激等[40]。燕麦β-葡聚糖还可添加在香肠中来提高香肠的弹性、咀嚼性，加强香肠的口感和营养[41]。

5 展望

本文从燕麦β-葡聚糖的分子结构、含量以及其降胆固醇、降低血糖、抗氧化、调节肠道菌群等多种生物学功效来阐述燕麦β-葡聚糖的特点及生物活性功能，希望能够为未来多种新型燕麦食品的开发和探索提供科学依据。随着对燕麦β-葡聚糖的科学研究的深入，燕麦β-葡聚糖作为一种新型功能性食品配料会具有更好的食品商业前景。