細(xì)菌纖維素在植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與功能研究中的應(yīng)用及進(jìn)展

李昭鋒，曹 瀟，朱 杰1,，陳思謙1,,，李 琳1,,

（1.東莞理工學(xué)院化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.東莞理工科技創(chuàng)新研究院，廣東 東莞 523808）

植物細(xì)胞壁是存在于植物細(xì)胞最外層的厚壁，分為初生壁、次生壁和胞間層，是由細(xì)胞壁多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、木質(zhì)素、水和結(jié)殼物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物[1]。細(xì)胞壁多糖組成通常為纖維素、半纖維素和果膠[2]。纖維素是植物細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，通常與半纖維素、果膠和木質(zhì)素結(jié)合在一起；半纖維素存在于植物組織的初生壁和次生壁，根據(jù)植物種類的不同而組成各有差異；果膠是大多數(shù)植物初生壁的主要成分之一，也存在于木質(zhì)組織細(xì)胞的次生壁中[1]。在植物細(xì)胞中，纖維素提供了細(xì)胞壁骨架的主要支撐力，半纖維素和果膠對(duì)細(xì)胞壁力學(xué)及流變學(xué)特性有不同程度的影響[3-4]。在植物的生長過程中，這些多糖的種類、含量和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，決定了水果、蔬菜等植物源食品的嫩度、口感等食品物性品質(zhì)[5-6]。同時(shí)，細(xì)胞壁的吸附性和透性會(huì)影響食品加工過程中細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)成分的向外釋放，對(duì)于人體攝取植物細(xì)胞中的淀粉、多酚等營養(yǎng)成分有重要影響[7-8]。此外，植物細(xì)胞壁中膳食纖維的組成和結(jié)構(gòu)對(duì)人體內(nèi)腸道微生物的組成和生理功能都有重要影響[9]，決定著人體健康，是目前食品營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]。目前，關(guān)于細(xì)胞壁多糖的組成和每種多糖的單一功能特性已有很多報(bào)道，但受限于植物細(xì)胞壁組分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，植物細(xì)胞壁各種多糖分子間相互作用及相關(guān)機(jī)理尚未得到明晰[11]。

細(xì)菌纖維素是主要由木醋酸桿菌屬（Komagataeibacter，原Gluconacetobacter）細(xì)菌等微生物生產(chǎn)的細(xì)胞外多糖。與植物纖維素相比，細(xì)菌纖維素為高純纖維素，不存在植物細(xì)胞壁中纖維素與木質(zhì)素、半纖維素、果膠等多糖間相互交聯(lián)的復(fù)雜結(jié)合關(guān)系[12]。同時(shí)，細(xì)菌纖維素具高結(jié)晶度、高親水性和高表面積比等特點(diǎn)，擁有較強(qiáng)的可調(diào)控性。通過在木醋桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基中添加半纖維素和/或果膠等細(xì)胞壁多糖成分，可以得到細(xì)菌纖維素-半纖維素和/或果膠復(fù)合物[4,13-14]。細(xì)菌纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)與植物纖維素相同，同時(shí)復(fù)合物生產(chǎn)過程中的細(xì)菌纖維素與半纖維素、果膠等多糖的結(jié)合方式與植物初生細(xì)胞壁中的多糖交聯(lián)過程類似；因此細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型已被廣泛應(yīng)用于對(duì)植物初生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與功能的研究中[5,15-16]，是研究細(xì)胞壁不同種類多糖間相互作用機(jī)理的一種重要方法。了解細(xì)菌纖維素在植物細(xì)胞壁模型中的應(yīng)用，對(duì)于深入理解植物源食品的營養(yǎng)價(jià)值，開發(fā)新型植物性功能食品具有重要的科學(xué)意義。

1 植物細(xì)胞壁多糖組成

1.1 植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

植物初生細(xì)胞壁主要以纖維素微纖絲組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，不同種類半纖維素以多種結(jié)合方式與纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，而功能性蛋白、脂質(zhì)等其他物質(zhì)分散在此多糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[17]。具體而言，植物初生細(xì)胞壁具有四級(jí)復(fù)雜的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)：初級(jí)結(jié)構(gòu)包括纖維素、半纖維素等所有多糖分子的結(jié)構(gòu)單元以及分子內(nèi)和分子間的化學(xué)鍵及物理結(jié)合；二級(jí)結(jié)構(gòu)包括局部有序排列的糖和糖醛酸分子單元，如鼠李半乳糖醛酸聚糖（rhamnogalacturonan，RG）I和RGII；三級(jí)結(jié)構(gòu)為通過共價(jià)鍵連接形成的整體空間組織；四級(jí)結(jié)構(gòu)為三級(jí)結(jié)構(gòu)單元通過非共價(jià)鍵（氫鍵或范德華力）排列形成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)[18-19]。

1.2 纖維素

纖維素是自然界中分布最廣、在植物組織中含量最高的一種多糖[20-21]，在大部分植物中占細(xì)胞壁多糖的30%以上，對(duì)整個(gè)細(xì)胞在力學(xué)上起主要負(fù)載作用[21]。植物高爾基體是合成細(xì)胞壁基質(zhì)多糖（纖維素、半纖維素和果膠）的細(xì)胞器，它對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的糖鏈和糖蛋白進(jìn)行最終加工，最后通過囊泡運(yùn)輸至細(xì)胞膜外經(jīng)由纖維素合成酶合成纖維素[22-23]。植物纖維素是由D-葡萄糖以β-1→4糖苷鍵聯(lián)接而成的鏈狀分子[24]，經(jīng)平行排列組成直徑約3～4 nm的亞微纖維，隨后集合構(gòu)成直徑為10～30 nm的微纖維，再交聯(lián)形成直徑為0.3～0.4 μm、長度為7～8 μm的纖維長鏈[25]，最后通過氫鍵和范德華力緊密連接形成的由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)交錯(cuò)形成的具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的天然高分子[25]。纖維素分子中豐富的分子內(nèi)和分子間的氫鍵使大部分纖維素分子鏈形成了致密的晶體結(jié)構(gòu)，也穩(wěn)定了自身的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25]。這種致密的晶體結(jié)構(gòu)阻礙了化學(xué)試劑或者生物酶與纖維素表面的充分接觸和作用，導(dǎo)致纖維素難溶于水和一般的有機(jī)溶劑[26-27]。這既對(duì)纖維素的應(yīng)用和研究造成諸多不便，也對(duì)植物細(xì)胞壁中多糖組分的分離與純化造成阻礙。

1.3 半纖維素

半纖維素是細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去除纖維素和果膠之外的一類多糖統(tǒng)稱，它和細(xì)胞壁中的功能性蛋白有密切聯(lián)系，并對(duì)植物細(xì)胞在生長、分裂中的延展性、孔彈性和流變性質(zhì)有很大的影響[28]。在不同植物種類和細(xì)胞類型中，半纖維素組成和含量均有差異。植物細(xì)胞壁中，主要存在的半纖維素有以吡喃木糖分子鏈為主鏈的木聚糖、木葡聚糖、阿拉伯木聚糖等，和以D-葡萄糖分子鏈為主鏈的β-葡聚糖等、葡甘露聚糖等。

木聚糖是一類主要存在于植物次生壁中的半纖維素，約占細(xì)胞干質(zhì)量的15%～35%[29]。自然界中木聚糖的主鏈多數(shù)由吡喃木糖通過β-1→4糖苷鍵相連，少數(shù)由木糖殘基通過β-1→3糖苷鍵相連[30]。木聚糖主鏈上有不同的側(cè)鏈取代基如O-乙?；?，其可以與木質(zhì)素、纖維素、果膠和葡聚糖等多糖以共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵連接[30-31]。木葡聚糖是一類主要存在于高等植物初生壁中的多糖。其類骨架由300～3 000 個(gè)D-吡喃葡萄糖構(gòu)成β-D-1,4-葡聚糖骨架，連接主鏈的側(cè)鏈?zhǔn)?→6連接的α-木糖，一定比例的木糖被1→2連接的β-半乳糖取代，還可以被巖藻糖和半乳糖二糖取代[2,32]。植物細(xì)胞壁中的纖維素與木葡聚糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞壁的延展性有決定性的影響[33]，因此對(duì)木葡聚糖結(jié)構(gòu)特性的研究有助于改善植物性食品的質(zhì)地和感官性能[34]。阿拉伯木聚糖主要存在于小麥、大麥、玉米等谷物和草本植物中的半纖維素，基本結(jié)構(gòu)包括以β-D-吡喃木糖殘基經(jīng)β-1→4糖苷鍵連接而成的木聚糖主鏈和α-L-呋喃阿拉伯糖基側(cè)鏈[35]。阿拉伯木聚糖在細(xì)胞壁中主要以同其他阿拉伯木聚糖聚合物或其他細(xì)胞壁成分（如木質(zhì)素）交聯(lián)的形式存在[36]。β-葡聚糖是D-葡萄糖以混合β-1→3糖苷鍵和β-1→4糖苷鍵連接而成的葡萄糖聚合物[37]，作為一種重要的膳食纖維來源，不僅存在于谷物中，還來源于真菌、酵母和藻類[38-39]。葡甘露聚糖是主要存在于裸子植物次生壁而微量存在于被子植物中的半纖維素，其結(jié)構(gòu)包括β-葡萄糖和β-甘露糖殘基通過β-1→4糖苷鍵連接而成的主鏈和以單個(gè)半乳糖形成的側(cè)鏈[40]。

1.4 果膠

果膠是大多數(shù)植物細(xì)胞壁的主要成分之一，存在于處于生長發(fā)育期間的細(xì)胞中和相鄰細(xì)胞間隔中，也存在于木質(zhì)組織細(xì)胞的次生壁中。果膠的功能不局限于細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，也在植物生長和發(fā)育、形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞黏附、信號(hào)傳導(dǎo)、壁孔隙度和果實(shí)發(fā)育等方面發(fā)揮作用。果膠是復(fù)合聚合物，主要由同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）、RGI和RGII嵌段共價(jià)連接而成[41]。鈣離子被認(rèn)為是一種軟性抑制離子，可迅速減少果膠的溶解和細(xì)胞膨松的損失。鈣離子作為細(xì)胞壁的組成部分，影響著細(xì)胞壁的強(qiáng)度，有研究表明，鈣離子通過維持較高水平的不溶性果膠物質(zhì)和減少果膠的溶解來改善細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)[42]。

2 常規(guī)植物細(xì)胞壁多糖提取方法與細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型的比較

2.1 植物細(xì)胞壁多糖的常用提取方法

研究植物細(xì)胞壁中的多糖結(jié)構(gòu)，需要一系列的物理和化學(xué)手段將其逐一分離和純化。多糖的分離常用溶劑提取法，然后進(jìn)一步純化。純化的方法有分布沉淀法、季銨鹽沉降法、柱層析法、超濾法和超離心法等，通常需要利用幾種方法結(jié)合使用才能達(dá)到效果[43]。以Zhao Xin等對(duì)浮萍細(xì)胞壁中的纖維素分離方法為例（圖1），在獲得新鮮濕物料之后，采用球磨法得到細(xì)胞壁物質(zhì)，再用冷水提取水溶性組分，剩余物質(zhì)用環(huán)己二胺四乙酸（cyclohexanediamine tetraacetic acid，CDTA）溶液處理并回收螯合物可溶性多糖，殘余顆粒用Na2CO3溶液除去果膠，再用KOH溶液除去半纖維素，最終得到纖維素[44]。Penjumras等采用大量以堿液為主的試劑對(duì)榴蓮皮中的纖維素進(jìn)行提取和表征，但纖維素純度較低，其紅外光譜圖中仍然存在較強(qiáng)的木質(zhì)素乙?；辗錥45]；Morán等通過不同試劑長時(shí)間處理和機(jī)械攪拌從劍麻中提取纖維素并表征，熱重分析結(jié)果顯示殘?jiān)袣埩舨糠帜举|(zhì)素[46]。由此可見，常規(guī)植物細(xì)胞壁研究方法中提取得到的細(xì)胞壁多糖組分純度有限，并且涉及大量的強(qiáng)極性化學(xué)試劑和處理步驟，這些處理會(huì)使原有細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，影響對(duì)其原有結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性[47]。

圖1 植物細(xì)胞壁多糖組分提取步驟[44]Fig. 1 Flow chart of the extraction of polysaccharide components from plant cell wall[44]

2.2 細(xì)菌纖維素的合成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

醋酸桿菌屬（Acetobacter）、葡糖醋桿菌屬（Komagataeibacter）、農(nóng)桿菌屬（Agrobacterium）、無色桿菌屬（Achromobacter）、需氧菌屬（Aerobacter）、無氧桿菌屬（Azotobacter）、腦室沙門菌屬（Sarcina ventriculi）、沙門氏菌屬（Salmonella）、大腸桿菌屬（Escherichia）和根瘤菌屬（Rhizobium）等細(xì)菌都有胞外合成纖維素的能力[48]。其中，葡糖醋桿菌屬的木醋桿菌的合成纖維素能力較強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于科研及實(shí)際生產(chǎn)中[49]。木醋桿菌合成纖維素的生化過程包含4 個(gè)主要步驟：葡萄糖在葡萄糖激酶、異構(gòu)酶和焦磷酸化酶的依次作用下生成尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose，UDPG）；UDPG在細(xì)胞膜上經(jīng)纖維素合成酶催化聚合成β-1→4葡聚糖；通過約3.5 nm大小的細(xì)胞膜孔徑，在細(xì)胞外分泌直徑為1～2 nm的亞微纖維線性鏈；亞微纖維之間通過氫鍵連接成直徑為3～4 nm的高度結(jié)晶微纖維，微纖維間相互纏繞，組成網(wǎng)狀多孔的、直徑為70～130 nm、長度不定的纖維絲帶（圖2）[50-51]。在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，細(xì)菌纖維素與植物纖維素一致，但細(xì)菌纖維素的純度、結(jié)晶度、持水性、聚合度和機(jī)械強(qiáng)度等均比植物纖維素高[48]。細(xì)菌纖維素相互糾纏的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與經(jīng)分離得到的植物細(xì)胞壁纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分相似[52-53]，這是以細(xì)菌纖維素建立植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)。

圖2 木醋桿菌細(xì)菌纖維素的合成過程[51]Fig. 2 Synthesis of bacterial cellulose by Komagataeibacter xylinus[51]

2.3 細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型的建立和意義

早在1980年，Colvin就比較了細(xì)菌纖維素與植物細(xì)胞壁纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素和植物纖維素存在高度相似性[54]。Whitney等發(fā)現(xiàn)，在木醋桿菌的培養(yǎng)基中添加木葡聚糖后，木葡聚糖可以與纖維素復(fù)合形成相互交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[55]。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在木醋桿菌的生長培養(yǎng)基中加入培養(yǎng)基質(zhì)量1%～5%的不同種類半纖維素或果膠后，當(dāng)木醋桿菌在向細(xì)胞外生產(chǎn)纖維素時(shí)，可將這些多糖引入所產(chǎn)生的纖維素網(wǎng)絡(luò)中[56]，產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素-細(xì)胞壁多糖復(fù)合物被認(rèn)為是對(duì)植物細(xì)胞壁的一種模擬。此模型的優(yōu)點(diǎn)在于：1）利用高純度纖維素作為復(fù)合物基底可以排除其他干擾物，例如研究初生細(xì)胞壁中木葡聚糖對(duì)纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，其他半纖維素和果膠將被看作雜質(zhì)，而細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物純度往往高于99%；2）通過宏觀力學(xué)和流變學(xué)測(cè)試手段，對(duì)細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖復(fù)合物結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表征，可以在一定程度上對(duì)植物性食物原料的物性起解釋說明的作用；3）木醋桿菌合成纖維素的過程與植物高爾基體細(xì)胞器合成纖維素的過程類似，具有一定可比性。細(xì)菌纖維素-細(xì)胞壁多糖模型已被廣泛用于研究細(xì)胞壁多糖之間的相互作用[57]。在食品領(lǐng)域，細(xì)胞壁多糖組分之間的相互作用很大程度決定了細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)重排，這些結(jié)構(gòu)既影響著植物性食品原料的口感等物性，也影響著膳食纖維的功能性，繼而影響人體腸道的消化功能[58]。該模型還為研究植物細(xì)胞壁和植物性食品原料提供了新的思路，可以實(shí)現(xiàn)纖維素復(fù)合材料的體外研究，模擬和控制膳食纖維在人體內(nèi)所處的環(huán)境，且實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)單，對(duì)功能性膳食纖維的開發(fā)[59]以及研究所得復(fù)合材料的宏觀、微觀特性具有重要意義。

2.4 細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型在植物性食品原料理論研究中的應(yīng)用

2.4.1 細(xì)菌纖維素-木葡聚糖模型

木葡聚糖被認(rèn)為是植物細(xì)胞壁在生長過程中調(diào)控細(xì)胞壁延展性的重要組分[60]。宏觀上，細(xì)菌纖維素-木葡聚糖模型通常被應(yīng)用于研究植物細(xì)胞壁生長階段的力學(xué)特性的變化[33,60-61]。Whitney等通過該模型發(fā)現(xiàn)，木葡聚糖結(jié)構(gòu)中的半乳糖取代基越少，與纖維素的結(jié)合越緊密，復(fù)合物的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，且具有更好的延展性[60]。Cybulska等利用該模型對(duì)細(xì)胞壁的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)木葡聚糖比果膠更能提高復(fù)合物的力學(xué)性能[61]。Szymańska-Chargot[62]和Gu Jin[63]等在培養(yǎng)產(chǎn)生細(xì)菌纖維素的培養(yǎng)基中加入梯度濃度的木葡聚糖溶液，并在拉伸條件下測(cè)試所合成的復(fù)合物的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物中木葡聚糖的含量越高，其楊氏模量越低，且具有更好的拉伸性。Lopez-Sanchez等在細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物的擠壓實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)復(fù)合物表現(xiàn)出較明顯黏彈性，在應(yīng)變較低時(shí)，復(fù)合物主要產(chǎn)生彈性變形，但在應(yīng)變較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形[64]。

木葡聚糖與纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中纖維束的排列及多糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)孔彈性都有聯(lián)系[65]。結(jié)構(gòu)上，木葡聚糖覆蓋了大部分纖維素的表面，避免了纖維素微纖維之間的直接接觸，在微纖維之間起主要的承載作用，而能發(fā)揮重要作用的木葡聚糖被機(jī)械地限制在一個(gè)較小的被稱作生物力學(xué)熱點(diǎn)部位，該部位可能是擴(kuò)張素蛋白調(diào)控細(xì)胞壁疏松的選擇性位點(diǎn)[66]。Park等發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度與相鄰纖維素微纖維之間的木葡聚糖系鏈有關(guān)系，而細(xì)胞壁的松弛則取決于木葡聚糖系鏈的移動(dòng)和/或重排[66]。Martínez-Sanz等在木葡聚糖溶液和培養(yǎng)基體積比為1∶1的條件下培養(yǎng)木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)木葡聚糖降低了生成的細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度[67]；Lopez-Sanchez等通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物中的木葡聚糖和纖維素密集交聯(lián)，木葡聚糖的存在降低了復(fù)合物對(duì)部分大分子的擴(kuò)散系數(shù)[68]；這些可能是因?yàn)槟酒暇厶窃诶w維素間的連接減小了纖維素鏈的間距，從而降低了纖維素排列的異相均一程度，使形成的凝膠更加均勻和緊密[67]。Rose等發(fā)現(xiàn)木葡聚糖不僅與細(xì)胞擴(kuò)展和發(fā)育有關(guān)，還與果實(shí)的軟化有關(guān)，因此對(duì)水果產(chǎn)品的嫩度和口感有影響[69]。由細(xì)菌纖維素-木葡聚糖模型可得出木葡聚糖對(duì)細(xì)胞壁的力學(xué)特性尤其是延展性能有較大影響。以此發(fā)現(xiàn)作為理論基礎(chǔ)，通過控制細(xì)胞壁中木葡聚糖的含量和結(jié)構(gòu)將是調(diào)控植物性食品原料力學(xué)性質(zhì)，獲得不同口感、嫩度的植物性原料產(chǎn)品的一種方法。

2.4.2 細(xì)菌纖維素-果膠模型

食品工業(yè)中，果膠的存在對(duì)食品產(chǎn)品品質(zhì)有重要的影響。Harris等發(fā)現(xiàn)在食物中加入植物細(xì)胞壁多糖可以影響食物的質(zhì)地，而果膠能增加食物膠化的質(zhì)感[70]。Voragen等發(fā)現(xiàn)果膠分子在水果和蔬菜中的含量和組成對(duì)新鮮食品和加工食品的質(zhì)量有重要的影響，常作為天然成分加入到食品中起膠凝、增稠和穩(wěn)定作用[71]。細(xì)菌纖維素-果膠模型中，可使用酯化程度不同的果膠添加至木醋桿菌培養(yǎng)基中形成復(fù)合物[72-73]，研究它們?cè)诶w維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程中的作用。鈣離子的存在會(huì)影響果膠和纖維素的結(jié)合，進(jìn)而影響細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物的力學(xué)性能[42]。Lin Dehui等在沒有鈣離子的條件下用多種不同類型的果膠合成了細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)各種類型的果膠均能與纖維素結(jié)合，且中性糖側(cè)鏈含量越高的果膠結(jié)合效果越好，相關(guān)果膠分子不會(huì)硬化，也不影響纖維素晶體結(jié)構(gòu)，模型擬合結(jié)果表明復(fù)合物的承載能力主要來自纖維素和果膠的共同作用[72]。Lopez-Sanchez等在不同黏度的含果膠培養(yǎng)基中合成了細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物中大部分果膠（質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%～80%）不與纖維素緊密結(jié)合，只有小部分果膠（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～40%，通常是酯化程度較高的果膠）與纖維素形成微纖維結(jié)構(gòu)，且該部分果膠降低了纖維素的結(jié)晶度，同時(shí)影響著復(fù)合物的孔彈性[73]。Dayal等發(fā)現(xiàn)果膠可以改善細(xì)菌纖維素的機(jī)械性能，形成的細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物的壓縮模量比純細(xì)菌纖維素提高了約20 倍[74]，但是提高的程度不及細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物[61]。Lopez-Sanchez等對(duì)添加鈣離子的酯化程度不同的細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物的承載能力進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鈣離子對(duì)復(fù)合物的抗壓能力起著關(guān)鍵性作用，并且在鈣離子含量相同時(shí)，酯化程度低的果膠復(fù)合物比酯化程度高的果膠具有更大的壓縮應(yīng)力[75]。Park等在含果膠和木醋桿菌的培養(yǎng)基中添加氯化鈣和聚半乳糖醛酸溶液，發(fā)現(xiàn)所合成的細(xì)菌纖維素-果膠復(fù)合物的和頻振動(dòng)光譜強(qiáng)度相對(duì)于不添加時(shí)的果膠復(fù)合物有所下降，這可能是果膠在鈣離子和聚半乳糖醛酸的共同作用下降低了復(fù)合物中纖維素的結(jié)晶度[76]。這些研究結(jié)果表明果膠在植物細(xì)胞壁力學(xué)中發(fā)揮了重要作用。

2.4.3 細(xì)菌纖維素-阿拉伯木聚糖模型

禾本科植物初生細(xì)胞壁中，少量的木葡聚糖和果膠主要修飾纖維素成分，同時(shí)連接有大量阿拉伯木聚糖或葡萄糖醛酸的雜木聚糖[77]。細(xì)菌纖維素-阿拉伯木聚糖作為禾本科植物初生細(xì)胞壁模型，通常被用作與細(xì)菌纖維素-木葡聚糖或果膠等復(fù)合物模型進(jìn)行對(duì)比。Mikkelsen等用阿拉伯木聚糖和(1→3)(1→4)-β-D-葡聚糖同木醋桿菌合成的細(xì)菌纖維素構(gòu)建復(fù)合物模型，發(fā)現(xiàn)兩種聚合物均與纖維素密集結(jié)合，但不能顯著改變纖維素網(wǎng)絡(luò)的延展性，也不能改變纖維素的結(jié)晶度，與木葡聚糖或果膠相比，阿拉伯木聚糖對(duì)細(xì)胞壁的力學(xué)性能影響較小[77]。Lopez-Sanchez等比較了細(xì)菌纖維素-木葡聚糖和細(xì)菌纖維素-阿拉伯木聚糖兩種復(fù)合物的壓縮和流變性能，發(fā)現(xiàn)兩者均表現(xiàn)出黏彈性，這是由于半纖維素的加入使纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，在壓縮時(shí)容易引起纖維素的黏附，在復(fù)合物變形程度較小時(shí)，細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗變形能力，而阿拉伯木聚糖對(duì)復(fù)合物的影響較小[64]；Lopez-Sanchez等還發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素-木葡聚糖復(fù)合物對(duì)分子質(zhì)量大于10 kDa的大分子的滲透性弱于阿拉伯木聚糖復(fù)合物，是因?yàn)槟酒暇厶呛屠w維素密集結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有更低的孔隙度[68]。Stevanic等以黑麥阿拉伯木聚糖為原料合成了細(xì)菌纖維素增強(qiáng)復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)阿拉伯木聚糖的側(cè)鏈基團(tuán)的脫支反應(yīng)增加了自身的結(jié)晶度，阿拉伯木聚糖與細(xì)菌纖維素的共同作用增強(qiáng)了膜的剛度和強(qiáng)度[78]，Mikkelsen等還發(fā)現(xiàn)在形成纖維素復(fù)合物的過程中，木醋桿菌產(chǎn)生的酶促反應(yīng)消耗阿拉伯木聚糖的側(cè)鏈基團(tuán)導(dǎo)致脫支反應(yīng)無法正常進(jìn)行，產(chǎn)生了局部相分離，使阿拉伯木聚糖無法實(shí)現(xiàn)如同木葡聚糖或果膠與纖維素之間的相互作用[77]，Lin Dehui等通過構(gòu)建細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型證實(shí)了木葡聚糖與纖維素的結(jié)合是強(qiáng)且不可逆的，而阿拉伯木聚糖與纖維素的相互作用是弱且可逆的[79]。這些結(jié)果表明，阿拉伯木聚糖在與纖維素網(wǎng)絡(luò)相互作用的方式上和木葡聚糖及果膠有顯著不同，對(duì)植物性食品產(chǎn)品的口感和嫩度影響可能較小。

2.4.4 其他細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型

細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型也應(yīng)用在了對(duì)其他細(xì)胞壁多糖功能的研究中。Iwata等采用醋酸桿菌培養(yǎng)法制備了包括葡糖醛酸木聚糖、O-乙?；咸侨┧崮揪厶?、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖、葡甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖6 種不同類型的細(xì)菌纖維素復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)葡甘露聚糖對(duì)細(xì)菌纖維素的親和性最高，能降低纖維素的結(jié)晶度；木聚糖類多糖和木葡聚糖對(duì)細(xì)菌纖維素的親和性較高，并通過與纖維素交聯(lián)來影響其結(jié)晶度；阿拉伯半乳聚糖對(duì)細(xì)菌纖維素的親和性最低，且對(duì)纖維素的結(jié)晶度影響很小[80]。Lin Dehui等合成了細(xì)菌纖維素-阿拉伯半乳聚糖復(fù)合物并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)阿拉伯半乳聚糖既不會(huì)改變纖維素的結(jié)晶度，也不會(huì)改變纖維素網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)[81]。Dammstr?m等構(gòu)建了由木醋桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素和葡糖醛酸木聚糖基質(zhì)組成的模型體系，發(fā)現(xiàn)葡糖醛酸木聚糖的塑化作用以及葡糖醛酸木聚糖和水的相互作用能使纖維素軟化[82]。Tokoh等用果膠、木聚糖和葡甘露聚糖合成了對(duì)應(yīng)的纖維素復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)木聚糖和葡甘露聚糖能夠影響纖維素的尺寸，并降低纖維素I型結(jié)晶的比例，這在含木聚糖的復(fù)合物中最為顯著，而在含果膠的復(fù)合物中幾乎觀察不到[83]。Tan等構(gòu)建了細(xì)菌纖維素衍生的植物細(xì)胞壁模型，并研究果膠和木葡聚糖對(duì)沙門氏菌吸附纖維素的影響，發(fā)現(xiàn)果膠的結(jié)合增加了沙門氏菌的吸附，而木葡聚糖對(duì)沙門氏菌的吸附無明顯影響，這對(duì)降低與新鮮農(nóng)產(chǎn)品有關(guān)的致病菌的黏附具有重要的參考價(jià)值[84]。

2.5 細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型在研究膳食纖維營養(yǎng)特性中的應(yīng)用

膳食纖維是指不能在人體小腸內(nèi)被消化吸收，而在人體大腸內(nèi)能夠被腸道菌群部分或全部發(fā)酵的可食用植物性成分[85-86]。膳食纖維的攝入已被證明具有許多益處，如改善脂質(zhì)和脂肪代謝、提高益生元活性、降低患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)等[87]。在水果和蔬菜中，主要的膳食纖維素來源通常是果膠和木葡聚糖[88]，而在谷類細(xì)胞壁中，則是阿拉伯木聚糖和混合鏈葡聚糖[89]。目前對(duì)膳食纖維功能特性的研究，主要研究原料為已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)的分離細(xì)胞壁多糖，其次為結(jié)構(gòu)復(fù)雜而未能完全明確的植物性食品[59]。膳食纖維可根據(jù)溶解度分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維。不可溶膳食纖維主要由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等細(xì)胞壁成分組成；而可溶性膳食纖維則由果膠、樹膠、黏液等組成[90]。Zhang Zhiyu等發(fā)現(xiàn)果膠類膳食纖維可以調(diào)節(jié)腸道菌群的群落結(jié)構(gòu)并可抑制過敏性呼吸道炎癥[91]；Chen Ye等證明了從大豆殘?jiān)刑崛〉目扇苄陨攀忱w維具有降低膽固醇的作用[92]；Tingirikari等發(fā)現(xiàn)由右旋糖酐合成的葡聚糖對(duì)益生菌的生長具有促進(jìn)作用，同時(shí)不會(huì)促進(jìn)大腸桿菌的生長，是一種潛在的有益人體消化和健康的益生元[93]。

細(xì)菌纖維素作為一種可食用的天然不可溶性膳食纖維，其椰果產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)中。菲律賓地區(qū)由椰子汁和細(xì)菌纖維素制成的名為Nata-de-Coco的細(xì)菌纖維素凝膠，是東南亞地區(qū)的一種傳統(tǒng)甜點(diǎn)[94]。目前市面上各式各樣奶茶產(chǎn)品中添加的椰果成分也是由細(xì)菌纖維素制成。細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型因?yàn)槠浣M分可調(diào)整性及結(jié)構(gòu)易分析性，是研究膳食纖維的一種可行模型[10,59,95]。Mikkelsen等構(gòu)建了細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型并用于膳食纖維的體外發(fā)酵性能的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的短鏈脂肪酸有利于刺激對(duì)人體健康有益的腸道微生物，還可以對(duì)炎癥性腸胃病和結(jié)腸直腸癌起一定的預(yù)防作用[59]。Zhai Xichuan等以細(xì)菌纖維素和魔芋葡甘聚糖為原料，制成細(xì)菌纖維素-魔芋葡甘聚糖高脂飼料，通過喂養(yǎng)小鼠發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素-魔芋葡甘聚糖的復(fù)合與單獨(dú)添加細(xì)菌纖維素或魔芋葡甘聚糖相比，對(duì)降低體質(zhì)量和血脂更加有效[96]。此外，膳食纖維組分對(duì)多酚的吸附作用也是目前食品營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Phan等利用細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型研究了多酚在半纖維素或果膠存在時(shí)對(duì)纖維素的吸附作用，發(fā)現(xiàn)纖維素是兒茶素的主要結(jié)合對(duì)象，木葡聚糖和阿拉伯木聚糖等對(duì)兒茶素的吸附?jīng)]有明顯的促進(jìn)作用，帶負(fù)電的果膠對(duì)帶正電荷的氰苷-3-葡萄糖苷的吸附效果最好，而對(duì)帶負(fù)電的阿魏酸的吸附效果最差，說明多酚對(duì)纖維素的吸附與靜電作用和纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)[97]。Liu Dongjie等通過細(xì)菌纖維素構(gòu)建植物細(xì)胞壁模型并研究多酚在不同條件下對(duì)纖維素的吸附作用，發(fā)現(xiàn)煮沸和高壓對(duì)多酚與纖維素的吸附作用沒有影響，而凍干會(huì)降低多酚與纖維素的吸附作用，說明多酚與纖維素的相互作用和纖維素網(wǎng)絡(luò)的溶脹能力有關(guān)[98]。Makki[10]和Sawicki[99]等研究發(fā)現(xiàn)，可發(fā)酵膳食纖維能通過發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸降低結(jié)腸pH值，從而對(duì)腸道微生物群的組成和活性造成顯著影響，能有效預(yù)防腸道疾病、結(jié)腸癌和代謝綜合征等疾病，細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型也證明了類似的結(jié)果，其步驟更加簡(jiǎn)單、直接，從而節(jié)約研究成本。因此，細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型在對(duì)研究植物性食品原料中營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收的理論方面提供了一種很好的方法和思路。

3 結(jié) 語

植物細(xì)胞壁的復(fù)雜組成和結(jié)構(gòu)特性限制了對(duì)其特定成分的研究。當(dāng)前的部分研究方法存在步驟繁瑣、成本較高和準(zhǔn)確性低的問題。細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型在一定程度上解決了這些問題，尤其是應(yīng)用在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性及膳食纖維的功能特性的研究領(lǐng)域中有較好的效果。在食品工業(yè)領(lǐng)域，作為植物細(xì)胞壁的一個(gè)簡(jiǎn)化模型，細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖模型仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖磥砜衫迷撃Ｐ屠^續(xù)深入研究不同種多糖對(duì)細(xì)胞壁力學(xué)特性的影響，結(jié)合對(duì)實(shí)際植物性食品原料物性的研究，開發(fā)出更受消費(fèi)者喜愛的蔬果類產(chǎn)品；另外，可以聯(lián)合新一代高通量測(cè)序技術(shù)，以細(xì)菌纖維素-植物細(xì)胞壁多糖復(fù)合物為原料，更深入研究膳食纖維對(duì)腸道微生物的影響。同時(shí)，對(duì)細(xì)菌纖維素-多糖復(fù)合物的深入理解，也有利于新型食品產(chǎn)品、醫(yī)藥和生物材料的進(jìn)一步開發(fā)和利用。