多酚-膳食纖維相互作用及其影響多酚生物利用率研究進展

劉甜甜，吳曉娟，吳 偉

(中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院；稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，長沙 410004)

多酚是一種廣泛存在于植物源食品中的生物活性物質，具有良好的抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、緩解抑郁、調節(jié)膽固醇水平和延緩心腦血管疾病等生理功能[1-3]。多酚只有在胃腸道消化過程中從食品基質中釋放出來，通過腸道消化吸收進入人體代謝，才能充分發(fā)揮其健康功效，因而生物利用率對于評估多酚的生理功能具有重要意義[4]。天然多酚絕大多數以結合態(tài)存在，與膳食纖維、蛋白質、脂質以及其他小分子物質形成復合結構。在儲藏加工和機體消化過程中，多酚與其他組分會發(fā)生復雜的反應，多酚的存在形態(tài)可能會發(fā)生改變，影響其生物利用率[5]。膳食纖維是目前已知的與多酚結合最為廣泛，且緊密的膳食組分之一。多酚與膳食纖維可通過酯鍵、醚鍵或碳-碳鍵等形成共價化合物，還可通過氫鍵、疏水作用力、靜電作用力等產生非共價相互作用。膳食纖維的結合可提高多酚的化學穩(wěn)定性，有利于保持其生物活性，但另一方面，膳食纖維的束縛作用會減少多酚在胃腸道中釋放，降低其生物可及性。近年來有許多關于提高多酚生物利用率的策略，例如：通過化學修飾提高多酚的生物可及性，破壞阻礙多酚釋放的大分子結構，或將多酚裝載于微米或納米載體等，但從膳食纖維結合作用的角度分析多酚生物利用率的研究才剛剛起步[6，7]。因此，本文將重點討論多酚與膳食纖維相互作用的機理及其對多酚生物利用率的影響，為多酚-膳食纖維復合物在食品領域的應用提供參考。

1 膳食纖維與多酚的相互作用

多酚是一類含有一個芳香環(huán)以及一個或多個羥基的植物次生代謝物，根據羥基的數目和位置，可分為酚酸、黃酮、二苯乙烯和木質素等[8]。目前，研究最為廣泛的酚類物質主要為酚酸和黃酮[8]。酚酸是一類含有酚醛環(huán)和至少1個羧基的物質，主要有水楊酸、沒食子酸、蘋果酸、阿魏酸和咖啡酸等；黃酮包括2個苯環(huán)和1個雜環(huán)，根據雜環(huán)的氧化程度，可以進一步表征為黃酮、黃酮醇、黃烷酮、黃烷醇、異黃酮和花色苷等[9]。

膳食纖維是一種多糖，可分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維?？扇苄陨攀忱w維包括果膠、β-葡聚糖、樹膠、低聚糖、菊粉等，不溶性膳食纖維主要包括纖維素、半纖維素、甲殼素和抗性淀粉[10]。可溶性膳食纖維具有良好的抗氧化性質，可作為天然抗氧化劑調節(jié)機體氧化應激水平，改善氧化損傷[11]；不溶性膳食纖維有利于潤腸通便[12]、預防肥胖[13]和減少有害物質蓄積對人體造成損傷[14]等。通常不溶性膳食纖維中酚類物質含量要明顯高于可溶性膳食纖維含量，特別是在谷物中，酚類物質大多分布在由不溶性膳食纖維構成的麩皮中，并且多酚與纖維素基質結合的比例要顯著高于其他基質[15，16]。

膳食纖維和多酚之間的相互作用可以分為共價結合和非共價結合2種形式，其表征方法主要有傅里葉變換紅外分光光度法、紫外分光光度法、核磁共振波譜分析、差示掃描量熱法分析、等溫滴定量熱法和X射線光電子能譜分析等[9]。共價結合過程是不可逆的，作用很強，而非共價結合過程是可逆的，作用較弱。

1.1 共價結合

多酚可通過酯鍵、醚鍵或碳-碳鍵等與膳食纖維共價鍵合。如圖1所示，膳食纖維可通過羥基與酚酸羧基形成酯鍵，或與芳香環(huán)羥基形成醚鍵，還可通過碳原子與酚類化合物的碳原子相連。根據不同的共價結合方式，陳彩薇等[17]發(fā)現(xiàn)米糠中4種不同存在形態(tài)酚類物質的含量從高到低依次為：不溶性酯型結合酚、不溶性苷型結合酚、可溶性酯型和可溶性苷型結合酚。其中，不溶性酯型結合酚占脫脂米糠中總酚質量的32.48%，明顯高于其他存在形態(tài)結合多酚含量，說明脫脂米糠中的多酚多以酯鍵形式與不溶性大分子物質(如膳食纖維)結合。杜小燕等[18]將小麥麥麩中的結合酚類物質分為酯苷結合型、糖苷結合型、堿解束縛型和酸解束縛型結合酚，發(fā)現(xiàn)堿解束縛型酚類物質的含量最高，占總酚的63.00%，與脫脂米糠中不同存在形態(tài)結合多酚含量分布的結論基本一致。此外，賈亮[19]發(fā)現(xiàn)杏仁種皮中酸水解可溶性結合酚含量顯著高于堿水解可溶性結合酚，而堿水解不溶性結合酚含量和種類均高于酸水解不溶性結合酚，推測杏仁種皮中可溶性結合酚主要以糖苷鍵與膳食纖維結合，而不可溶性結合酚主要以酯鍵與膳食纖維結合。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)棗子酚類物質主要以糖苷結合型和不溶性結合酚形式存在，其中果核和果皮中的酚類物質主要為不溶性結合酚，而果肉中的多酚主要為糖苷結合型酚。除天然存在的多酚-膳食纖維共價結合復合物，多酚與膳食纖維間的共價相互作用還可通過氧化反應介導、多酚氧化酶催化或在熱酸條件下生成。Fernandes等[21]以抗壞血酸/過氧化氫氧化還原對作為自由基引發(fā)劑，發(fā)現(xiàn)海帶多糖上的羥基與沒食子酸的羧基形成了酯鍵結合。Suyeon等[22]以漆酶為催化劑促使兒茶素的氧化產物鄰醌和殼聚糖上的氨基成功結合。Olive等[23]在酸性條件下觀察到兒茶素與葡聚糖酐產生了共價縮合。

1.2 非共價結合

如圖2所示，多酚與膳食纖維非共價相互作用主要包括氫鍵、疏水相互作用和靜電或離子相互作用。多酚和膳食纖維中含有許多羥基基團，這為氫鍵的形成提供了可能。氫鍵通常在多酚的羥基和膳食纖維的糖基鍵或羥基之間形成。如果先形成氫鍵，多酚和膳食纖維分子之間的距離就會縮短，從而產生范德華力。當一些不溶性的多酚和膳食纖維暴露在水中時，為了減少與水的接觸面積，多酚和膳食纖維自發(fā)的聚集在一起，就會產生疏水相互作用[4]。表沒食子兒茶素沒食子酸酯與燕麥β-葡聚糖的相互作用以氫鍵為主[24]；槲皮素與β-葡聚糖的相互作用以疏水作用力為主[25]；白藜蘆醇與羧甲基化(1,3/1,6)-β-D-葡聚糖間以弱靜電相互作用為主[26]。天然多酚與膳食纖維間通常同時存在多種不同的非共價相互作用，如：茶多酚與燕麥β-葡聚糖間為氫鍵和范德華力[27]；蘋果細胞壁與原花青素存在疏水相互作用和氫鍵作用[28]；Koh等[29]發(fā)現(xiàn)花青素的風味陽離子與藍莓果膠的自由羧基之間同時存在氫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用。雖然與共價結合相比，非共價結合作用強度較弱，但是非共價結合也可以提高多酚的穩(wěn)定性，避免光、熱導致的多酚降解[30, 31]。

圖1 多酚與膳食纖維的共價結合方式

圖2 多酚與膳食纖維的非共價結合方式

2 影響多酚-膳食纖維相互作用的因素

不同來源膳食纖維與多酚的結合方式以及作用力大小主要由膳食纖維和多酚的結構決定，并受溫度、pH值、離子強度和氧化應激等環(huán)境因素影響[8]，具體如表1所示。

表1 不同因素對多酚-膳食纖維相互作用的影響

2.1 膳食纖維結構對多酚-膳食纖維相互作用的影響

膳食纖維結構復雜，影響多酚-膳食纖維結合作用的因素主要是膳食纖維的種類、分子質量以及分子結構和構象等。有研究表明，與其他膳食纖維相比，果膠對多酚具有相對較高的親和力，因為在果膠分子形成凝膠的過程中，可形成疏水的袋狀結構，這有利于產生疏水相互作用[32]。Ruiz等[33]報道，葡萄皮中的膳食纖維對原花青素的吸附能力從大到小依次為：果膠、半纖維素和纖維素。膳食纖維的分子質量影響多酚與膳食纖維結合的機制復雜。一些認為，分子質量高的膳食纖維結構更復雜，分支更多，存在更多的吸附位點，因此更容易與酚類物質相互作用[34]。Zhang等[35]發(fā)現(xiàn)果膠對阿魏酸的吸附量隨著果膠分子質量的增加先增加后減少，可能是分子質量適度增加可以使膳食纖維分子鏈變長，膳食纖維的吸附能力增加，但分子質量過大會導致膳食纖維聚集度增大、分子間空隙變小，導致吸附能力減弱。此外，Liu等[36]發(fā)現(xiàn)，纖維素結構中可用的羥基數量與多酚結合能力成正比。Fernandes等[37]發(fā)現(xiàn)，均半乳糖醛酸含量較多和側鏈殘基百分比較低的葡萄皮果膠多糖與錦葵素-3-O-β-D-葡萄糖苷有較高的結合率，這可能與膳食纖維更高的線性度和靈活性有關。

2.2 多酚結構對多酚-膳食纖維相互作用的影響

多酚的聚合度、酚環(huán)數量、空間構型和某些特定基團的存在等都會影響多酚-膳食纖維的相互作用。分子質量和聚合度與原花青素對膳食纖維的親和度呈正相關性，因為分子質量較大的多酚上有更多可以成鍵的基團[38]。Mamet等[39]發(fā)現(xiàn)，高聚合單寧與低聚合單寧相比，與果膠的結合能力更強，因為高聚合單寧中沒食子酸酯部分的存在可以增強與高度甲基化果膠的親和力。分子結構中芳香環(huán)較多的酚類化合物與纖維素的結合更強，因為越多芳香環(huán)的多酚與膳食纖維形成疏水相互作用的可能性越大[40]。在類黃酮異構體中，與燕麥β-葡聚糖的吸附量按黃酮、黃酮醇、黃烷酮和異黃酮的順序依次增加；鄰香豆酸對燕麥β-葡聚糖的吸附能力高于對香豆酸和間香豆酸；3個或3個以下的羥基可以增強黃酮類多酚對β-葡聚糖的吸附能力，而4個及以上羥基會減弱黃酮類多酚對β-葡聚糖的吸附能力；沒食子?；瘯岣邇翰杷貙Ζ?葡聚糖的的吸附能力；而甲基化或甲氧基化會降低酚酸對β-葡聚糖的吸附能力[41]。

2.3 環(huán)境因素對多酚-膳食纖維相互作用的影響

在食品儲藏和加工的過程中，多酚與膳食纖維之間的結合強度會受到各種環(huán)境因素影響，主要的環(huán)境因素有：溫度、pH值、離子強度和氧化應激環(huán)境。

溫度對于多酚與膳食纖維之間的氫鍵和疏水相互作用具有重要意義。形成氫鍵是一個釋放能量的放熱過程，而形成疏水相互作用是一個需要能量的吸熱過程，多酚與膳食纖維間通常同時存在氫鍵與疏水鍵，不同的多酚-膳食纖維結構中氫鍵與疏水鍵比例不同，因此其親和度隨溫度變化的趨勢并不一致[4]。例如，隨著溫度的上升，纖維素對矢車菊素-3-葡萄糖苷的吸附能力逐漸減弱，對阿魏酸吸附能力先增強后減弱，而對兒茶素吸附能力不受溫度的影響[42]。在阿魏酸與果膠的相互作用中，溫度的升高增加了吸附量，可能意味著疏水鍵的生成；溫度的進一步升高降低了吸附量，可能與氫鍵的變化相關[35]。在食品加工過程中，溫度常與濕度同時影響膳食纖維對多酚的吸附能力，干燥通過減小膳食纖維的表面積、降低孔隙率減少了膳食纖維與多酚的結合[43]。

pH值可以顯著影響多酚與膳食纖維之間的共價和非共價相互作用，并使多酚的結構發(fā)生變化。pH值過高會使多酚-膳食纖維間的酯苷鍵斷裂，而pH值過低則會使多酚-膳食纖維間的醚苷鍵斷裂，因此人們常用堿水解和酸水解的方法來提取膳食纖維中的結合多酚[44]。Lin等[45]發(fā)現(xiàn)花青素與果膠的結合作用隨著pH值的升高先增強后減弱，因為pH值適度增加會使多酚-膳食纖維間離子或靜電相互作用增強，而pH值過高會導致多酚發(fā)生降解。

溶液的離子強度對于多酚-膳食纖維的疏水相互作用至關重要。有機分子間的疏水相互作用隨著離子強度的增加而增加[46]。離子濃度上升使蘋果膳食纖維與花青素的結合能力提高，可能是由于離子強度的增加導致多酚-膳食纖維間疏水相互作用增加[47]。Phan等[42]發(fā)現(xiàn)，纖維素對矢車菊素-3-葡萄糖苷的吸附能力隨著離子濃度的升高而降低；對兒茶素的吸附能力不受離子濃度的影響，說明纖維素與矢車菊素-3-葡萄糖苷和兒茶素間可能不存在疏水相互作用。

在食品儲藏加工過程中，會產生許多具有強氧化性的自由基。當環(huán)境中產生和清除自由基的能力不能達到平衡時會生成氧化應激環(huán)境。Xu等[48]發(fā)現(xiàn)，荔枝“Guiwei”經過一年時間的儲藏后，荔枝果肉中總膳食纖維中結合酚含量基本不變，但不溶性膳食纖維中的結合酚含量降低，而可溶性膳食纖維中的結合酚含量增加。荔枝儲藏使得多酚與膳食纖維的結合方式發(fā)生了變化，這種變化可能是通過氧化使多酚和膳食纖維結構改變來實現(xiàn)的。Bautista-等[49]研究了6種不同種類的原花青素類單寧與葡萄皮不溶性細胞壁物質(膳食纖維)的相互作用，發(fā)現(xiàn)氧化可提高原花青素對葡萄皮細胞壁的結合能力，表沒食子兒茶素沒食子酸酯相較于其他5種酚類物質表現(xiàn)出了較高的膳食纖維親和力。

3 多酚-膳食纖維相互作用對多酚生物利用率的影響

3.1 多酚-膳食纖維相互作用對多酚生物可及性的影響

多酚的生物可及性是食物基質中釋放的酚類物質經消化后可被胃腸道黏膜吸收的百分比。結合多酚在胃腸道中會發(fā)生一系列的酶促反應，以游離和可溶性結合的方式釋放到胃和小腸的消化液中。多酚-膳食纖維相互作用會嚴重阻礙人體胃腸道內酯酶對不溶性多酚的水解。當食物基質中含有菊粉微粒時，橄欖苦苷經胃腸道消化后的生物可及性降低了27.5%[50]。Carrillo等[51]證明在沒有細胞壁物質的情況下，花青素的生物可及性更強。米糠膳食纖維經胃腸道消化后，僅釋放19.91 mg /100 g DW的酚類物質，占米糠膳食纖維中總結合酚類物質的2.68%[52]。膳食纖維的結構(如粒徑大小)對結合多酚的生物可及性有重要影響。不溶性膳食纖維結合多酚的生物可及性與膳食纖維粒徑的大小呈反比，減小膳食纖維顆粒的大小可以提高多酚在小腸中的生物可及性[53]。膳食纖維的性質(如溶解性)對結合多酚的生物可及性也有較大影響。Zhao等[54]發(fā)現(xiàn)，米糠不溶性膳食纖維(IDFDRB)結合酚的生物可及性遠低于米糠可溶性膳食纖維(SDFDRB)結合酚，IDFDRB的多酚生物可及性僅為18.8%，而SDFDRB的多酚生物可及性達87.4%，IDFDRB中的酚類物質主要在胃中釋放；而SDFDRB中的酚類物質主要在小腸中釋放。

3.2 多酚-膳食纖維相互作用對多酚生物利用率的影響

多酚的生物利用率是多酚在食用后被吸收到血液循環(huán)系統(tǒng)的程度[54]。結合多酚被人體利用的過程如圖3，人攝入食物后，胃和小腸消化將酚類物質從食物基質中釋放出來，然后胃腸道表皮細胞將游離酚吸收進入血液循環(huán)，血漿將它們分布到達人體不同靶向器官，發(fā)揮不同的生物活性，最后經代謝排出體外。多酚在胃和小腸中生物可及性很低，大多數的結合多酚會到達消化道下部——大腸，大腸微生物如雙歧桿菌和乳酸菌產生的糖酶、酯酶和其他胞外酶可以水解多酚和膳食纖維的共價鍵，釋放多酚并將其發(fā)酵成各種分解代謝物。Merve等[55]發(fā)現(xiàn)，添加果膠和菊粉可以有效提高黑莓泥中某些酚類物質在體外結腸發(fā)酵后釋放的含量，并產生了一些低分子質量代謝物，如酪醇、沒食子酸和苯甲酸，這些簡單酚類化合物可以調節(jié)免疫系統(tǒng)、調節(jié)腸道菌群激活短鏈脂肪酸排泄、促進腸道健康。酚類物質的吸收可以通過協(xié)助擴散和主動運輸來實現(xiàn)[56，57]。多酚被上皮細胞吸收后進入血液循環(huán)。Pimpao等[58]在攝入富含酚類的漿果果泥的志愿者的血漿中發(fā)現(xiàn)了幾種酚硫酸鹽，這些代謝物在血液循環(huán)下可跨越血腦屏障內皮細胞，發(fā)揮神經保護作用。與脂肪和蛋白質相比，增加碳水化合物的攝入可以顯著增加血漿中表兒茶素和兒茶素黃烷醇的含量[59]。目前有關膳食纖維結合多酚生物利用率的研究報道主要集中于結合多酚在胃腸道消化環(huán)境的釋放和利用方面，而關于真實的貯藏加工條件下多酚-膳食纖維相互作用的變化，以及這些變化如何影響多酚生物利用率的研究較少。

圖3 膳食纖維結合多酚在胃腸道中的吸收和代謝

4 展望

目前對于多酚-膳食纖維相互作用的研究幾乎都僅限于簡單的環(huán)境因素對于多酚和膳食纖維親和性的影響。但在復雜的食品貯藏加工或者機體消化條件下，多酚和膳食纖維相互作用具體發(fā)生怎樣的變化研究還不夠深入。在不同的環(huán)境條件下，到底有哪些非共價作用增強、哪些非共價作用減弱，不同加工強度是否導致多酚和膳食纖維結合作用不同程度的變化，這些變化又怎么影響多酚的消化和吸收尚不清楚。因此，將食品加工和人體消化環(huán)境下多酚-膳食纖維具體的結構變化規(guī)律闡明，找到多酚-膳食纖維相互作用變化規(guī)律與多酚生物利用率之間的關聯(lián)，是未來研究的重點。這對于改善多酚-膳食纖維的功能性質和提高多酚的生物利用率具有重要意義。