燕麥β-葡聚糖的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其生物學(xué)功能研究進(jìn)展

田思萌，孔祥菊

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，哈爾濱 150081；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，哈爾濱 150001)

燕麥屬于禾本科燕麥屬一年生草本植物，是一種特殊的糧食、化妝品、飼料、醫(yī)藥和工業(yè)原料等多用途作物，含有豐富的礦物質(zhì)、維生素、良好配比的氨基酸、不飽和脂肪酸以及獨(dú)特的水溶性膳食纖維[1]。其中研究和應(yīng)用最多的是其中的非淀粉類水溶性膳食纖維即燕麥β-葡聚糖，它主要存在于燕麥籽粒的糊粉層和亞糊粉層的細(xì)胞壁，其基本結(jié)構(gòu)是由β(1→3)糖苷鍵和β(1→4)糖苷鍵連接β-D-吡喃葡萄糖單位而形成的一種高分子無(wú)分支線性黏多糖，是一種相對(duì)分子質(zhì)量較小的短鏈葡聚糖，屬于低聚糖[2]。燕麥中的β-葡聚糖含量在谷類作物中最高。

燕麥β-葡聚糖具有多種有益的生物學(xué)功能，已然成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并受到廣大消費(fèi)者的關(guān)注。特別是20世紀(jì)90年代，美國(guó)食品和藥物管理局FDA指出，每日飲食中含有3 g以上β-葡聚糖或者食用低脂肪的燕麥可以降低血脂含量，并能減少心血管疾病的發(fā)病率[3]，更是推動(dòng)了燕麥β-葡聚糖科學(xué)研究及產(chǎn)品應(yīng)用的快速發(fā)展。大量研究證實(shí)燕麥β-葡聚糖還具有降血糖、改善腸道菌群、抗氧化及提高免疫力的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)高纖維飲料、面食、糕點(diǎn)和熟肉制品等食物中[4]。為此，本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)燕麥β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)特征、含量、生物學(xué)功能及其在食品中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入分析及探討，期望能為燕麥β-葡聚糖作為食品功能因子進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)及利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 燕麥β-葡聚糖分子結(jié)構(gòu)特征

燕麥β-葡聚糖各種有益的生物價(jià)值不斷被探索，對(duì)燕麥β-葡聚糖基本結(jié)構(gòu)、含量、分布的探究也越來(lái)越深入。研究結(jié)果表明，β-葡聚糖的多種有益的功能受其結(jié)構(gòu)特征、分子量、含量、連鎖類型等多個(gè)方面的影響[5]。不同禾谷類作物籽粒中含有β-葡聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似，只是在分子中β(1→4)糖苷鍵與β(1→3)糖苷鍵組成比例中有一定區(qū)別[6]。燕麥β-葡聚糖基本結(jié)構(gòu)是β(1→3)糖苷鍵和β(1→4)糖苷鍵連接β-D-吡喃葡萄糖單元而成的線性聚合物，其中β(1→3)鍵使β-葡聚糖形成具有一定的靈活性[7]。張娟等的研究結(jié)果顯示，由β(1→4)和β(1→3)組成的燕麥β-葡聚糖結(jié)構(gòu)分布并非完全有序，但也不是完全無(wú)序的排列[8]，大約90%的葡萄糖單元排列在β(1→3)連接的纖維三糖和纖維四糖單元中，而其余結(jié)構(gòu)是較長(zhǎng)的纖維素節(jié)[9]。

燕麥β-葡聚糖在分子尺度上的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是其重量平均分子量很大程度上決定其溶解性、黏度、分散性和膠凝性[10]，而分子量影響的溶解度和黏度被認(rèn)為與燕麥β-葡聚糖產(chǎn)生的生物學(xué)功能有關(guān)[11]。由于燕麥β-葡聚糖的分子量受到加工所采取的不同方式、燕麥的品質(zhì)、農(nóng)藝措施、食品形狀等方面的影響，其生物活性也相應(yīng)地受到不同程度的影響(見(jiàn)表1)。相關(guān)研究表明，不同的加工方式，如過(guò)高的粉碎粒度、過(guò)高的溫度、壓力以及生產(chǎn)環(huán)境和酶催化等都會(huì)影響其分子量，從而影響燕麥中β-葡聚糖的含量和其生物活性[12]。不同的谷物如黑麥、大麥、燕麥、小麥β-葡聚糖的分子量范圍分別為21×103～1100×103g/mol，31×103～2700×103g/mol,65×103～3100×103g/mol，209×103～487×103g/mol[13]。在谷物中燕麥中β-葡聚糖的分子量相對(duì)較大，可能與其多種生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系密切。

表1 不同燕麥制品β-葡萄糖分子質(zhì)量之間的差異[14]Table 1 The difference of molecular weight of β-glucose in different oat products 干基%

2 燕麥中β-葡聚糖含量

燕麥β-葡聚糖的含量是燕麥?zhǔn)称窢I(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，對(duì)其含量的要求已經(jīng)成為燕麥產(chǎn)品不可缺少的部分和取向[15]。燕麥β-葡聚糖的含量受到種植地區(qū)、品種、年份等幾個(gè)方面的影響，其中品種影響的程度較大，其次是種植區(qū)，年份的影響較小[16]。此外，通過(guò)一定的農(nóng)藝措施也可以使燕麥β-葡聚糖的含量發(fā)生改變，從目前已知的幾個(gè)可以影響燕麥β-葡聚糖含量的因素來(lái)看，通過(guò)培育新品種提高燕麥β-葡聚糖的含量非常具有指導(dǎo)意義。田志芳等的研究發(fā)現(xiàn)，燕麥培育的新品種中β-葡聚糖的含量較高，較多燕麥品種β-葡聚糖的含量在3.0%～5.0%之間[17]。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，燕麥資源間β-葡聚糖含量存在明顯差異，并且在不同生態(tài)區(qū)種植區(qū)域和年份(見(jiàn)表2)的燕麥資源β-葡聚糖含量也存在差異。張海芳等對(duì)不同燕麥品種和地區(qū)效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，品種對(duì)燕麥β-葡聚糖含量有著顯著的影響，其幅度在4.75%～7.12%之間，而在同一地區(qū)燕麥β-葡聚糖的含量差異不大[18]。因此，開(kāi)發(fā)高含量β-葡聚糖的燕麥品種也是未來(lái)發(fā)展的方向。

表2 不同種植地區(qū)、年份在燕麥β-葡萄糖含量之間的差異[19]Table 2 The difference of oat β-glucose content in different planting areas and years

3 燕麥β-葡聚糖生物學(xué)功能

3.1 降低膽固醇

Ho等發(fā)現(xiàn)膳食中燕麥β-葡聚糖的平均劑量達(dá)到3.5 g/d時(shí)，可明顯降低LDL-C、非HDL膽固醇和載脂蛋白B水平，并且發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖對(duì)LDL-C的影響與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和干預(yù)時(shí)間有關(guān)[20]。大量數(shù)據(jù)分析證實(shí)燕麥β-葡聚糖對(duì)LDL-C的調(diào)節(jié)與基礎(chǔ)LDL-C水平呈相反關(guān)系，但對(duì)非HDL膽固醇和載脂蛋白B沒(méi)有這種現(xiàn)象。燕麥β-葡聚糖降低膽固醇的原理可能是通過(guò)在小腸中形成黏性物質(zhì)來(lái)限制小腸對(duì)膳食中膽固醇的吸收以及對(duì)膽汁的重吸收從而使血清中TC和LDL-C濃度降低[21]。研究還發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖降血脂的原理還包括上調(diào)膽固醇7-α-羥化酶活性從而加速膽固醇的降解。同時(shí)，對(duì)比燕麥片和燕麥β-葡聚糖的降脂效果發(fā)現(xiàn)，降脂效果最好的燕麥片和提取物不是同一個(gè)品種，這表明燕麥中可能還含有其他物質(zhì)具有降脂功能[22]。對(duì)于無(wú)心血管事件史且10年冠心病風(fēng)險(xiǎn)≥5%的中年男性來(lái)說(shuō)，β-葡聚糖對(duì)于預(yù)防冠心病事件可能具有成本效益。維持每日3 g燕麥β-葡聚糖攝入量可以減少心肌梗死和冠心病死亡首次事件的發(fā)生[23]。

3.2 抗氧化

Du B等提出，燕麥β-葡聚糖具有清除自由基和減少炎癥產(chǎn)生的能力，并對(duì)血液或血漿中嚴(yán)重的氧化劑誘導(dǎo)的脂質(zhì)過(guò)氧化有顯著保護(hù)作用[24]。Suchecka等發(fā)現(xiàn)在LPS誘導(dǎo)的腸炎大鼠中，補(bǔ)充燕麥β-葡聚糖的大鼠在肝臟和胃組織中顯示抗氧化活性，導(dǎo)致ROS產(chǎn)物的減少[25]。燕麥β-葡聚糖對(duì)2，4，6-三硝基苯磺酸誘導(dǎo)的結(jié)腸炎大鼠具有間接的抗氧化作用[26]。在對(duì)高脂喂養(yǎng)的大鼠研究中發(fā)現(xiàn)，燕麥β-葡聚糖可使血清的丙二醛含量顯著降低,說(shuō)明燕麥β-葡聚糖具有一定的脂質(zhì)抗氧化作用；并且高脂組大鼠血清超氧化物歧化酶(SOD)酶活性顯著低于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)證明燕麥β-葡聚糖可以顯著提高大鼠的SOD活力,從而使機(jī)體氧化及抗氧化系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)平衡,減少自由基的毒副作用,使組織及細(xì)胞免受自由基造成的損害[27]。

3.3 降血糖

1977年美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)發(fā)表聲明，食用燕麥?zhǔn)称愤_(dá)到一定時(shí)間，并達(dá)到燕麥β-葡聚糖的閾值，即會(huì)產(chǎn)生降血糖功效[28]。一項(xiàng)meta分析發(fā)現(xiàn)T2DM患者每日攝入燕麥 2.5～3.5 g，持續(xù)3～8周，可明顯降低空腹血糖(FPG)、糖化血紅蛋白的水平，但對(duì)空腹血漿胰島素(FPI)水平無(wú)顯著影響[29]。連續(xù)3周食用富含3 g/d的燕麥β-葡聚糖的面包可以降低T2DM患者的胰島素抵抗。服用大約0.6 g/d的劑量，持續(xù)4周以上，能夠改善糖尿病患者的血糖水平，食用低劑量的燕麥β-葡聚糖達(dá)12周也有促進(jìn)新陳代謝的作用[30]。但也有研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)8周攝入3.9 g富含燕麥β-葡聚糖的膳食對(duì)T2DM患者的FPG、FPI或胰島素抵抗均無(wú)飲食相關(guān)影響。產(chǎn)生這一差異的原因可能是T2DM患者餐后血糖和胰島素反應(yīng)的衰減與燕麥β-葡聚糖的高黏度有關(guān)，有研究證實(shí)，燕麥β-葡聚糖通過(guò)在腸胃中形成高黏性環(huán)境來(lái)發(fā)揮降糖作用,高黏度可以延遲胃排空，減慢腸道蠕動(dòng)，延緩葡萄糖在小腸中的吸收，不同燕麥β-葡聚糖的黏度差異也較大[31]。

3.4 調(diào)節(jié)腸道菌群

燕麥β-葡聚糖已被證明可以調(diào)節(jié)人類、動(dòng)物和體外發(fā)酵系統(tǒng)中的腸道微生物群，典型的是雙歧桿菌和乳酸桿菌相對(duì)豐度的增加[32]。目前認(rèn)為腸道菌群的組成是宿主體內(nèi)膽固醇和膽汁酸代謝的重要調(diào)節(jié)器。燕麥β-葡聚糖通對(duì)宿主腸道菌群產(chǎn)生影響，從而影響膽汁酸信號(hào)、短鏈脂肪酸信號(hào)以及其他膽固醇穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)因子，這是其維持體內(nèi)膽固醇穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用的機(jī)制之一[33]。張維等也發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖能顯著增加糖尿病腎病大鼠的腸道菌群豐度與多樣性，以及厚壁菌門和擬桿菌門的比值，這可能是其延緩糖尿病腎病的機(jī)制之一[34]。有研究表明，內(nèi)源性1，3(4)-多聚葡聚糖酶處理提高了燕麥β-葡聚糖的發(fā)酵能力，經(jīng)酶處理的燕麥β-葡聚糖有類似母乳低聚糖的作用，作為益生元，刺激免疫系統(tǒng)，增加未成熟的樹(shù)突狀細(xì)胞腸球菌的相對(duì)豐度，并減弱了促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生[35]。經(jīng)酶處理過(guò)的燕麥β-葡聚糖對(duì)嬰幼兒的微生物群組成產(chǎn)生有益作用，高度符合嬰兒配方奶粉，雖然尚未用于嬰兒配方奶粉，但有可能用于補(bǔ)充。

4 燕麥β-葡聚糖在食品中的應(yīng)用

Singh Mukti 等[36]以開(kāi)發(fā)功能性酸奶為主要目標(biāo)，通過(guò)將0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的純燕麥β-葡聚糖摻入酸奶混合物中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖的添加量最多可以達(dá)到0.3%，即符合營(yíng)養(yǎng)準(zhǔn)則，還可以增加營(yíng)養(yǎng)益處，而又不會(huì)影響酸奶的特性。Rosburg Valerie 等[37]發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖在低溫保存時(shí)對(duì)酸奶中的雙歧桿菌具有保護(hù)作用，增加了酸奶的口感與穩(wěn)定性。燕麥β-葡聚糖在無(wú)麩質(zhì)產(chǎn)品中的應(yīng)用也顯示出積極效應(yīng)，在質(zhì)地、體積和感官方面都有不錯(cuò)的效果[38]。將燕麥β-葡聚糖應(yīng)用在飲料制品中，既能增加飲料的黏稠度，又滿足FDA批準(zhǔn)的降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的健康要求[39]。另外，高分子β-葡聚糖也可以用在化妝品中，具有多種保護(hù)皮膚的功效如抗皺、抗老化、減少外界刺激等[40]。燕麥β-葡聚糖還可添加在香腸中來(lái)提高香腸的彈性、咀嚼性，加強(qiáng)香腸的口感和營(yíng)養(yǎng)[41]。

5 展望

本文從燕麥β-葡聚糖的分子結(jié)構(gòu)、含量以及其降膽固醇、降低血糖、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道菌群等多種生物學(xué)功效來(lái)闡述燕麥β-葡聚糖的特點(diǎn)及生物活性功能，希望能夠?yàn)槲磥?lái)多種新型燕麥?zhǔn)称返拈_(kāi)發(fā)和探索提供科學(xué)依據(jù)。隨著對(duì)燕麥β-葡聚糖的科學(xué)研究的深入，燕麥β-葡聚糖作為一種新型功能性食品配料會(huì)具有更好的食品商業(yè)前景。