易建勇，趙圓圓，畢金峰，呂 健，周 沫，劉大志，馮舒涵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100193）

果膠是自然界中分布最廣泛、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、含量最豐富的植物源酸性雜多糖，其含量通常可占到植物細(xì)胞壁干重的15%～40%[1]。果膠分子主鏈?zhǔn)怯?50～500 個-D-半乳糖醛酸基通過（1-4）糖苷鍵連接而成的，通常以部分甲酯化狀態(tài)存在，其側(cè)鏈由鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖組成[2]。過去一個世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者在不同來源果膠的提取、組分分離分析及結(jié)構(gòu)鑒定等方面開展了大量的研究，對其化學(xué)結(jié)構(gòu)、合成降解、理化功能及對植物生理的作用有了較全面和深入的認(rèn)識。除了被作為食品添加劑廣泛用于食品工業(yè)外，果膠還因具有抑制體重增長，降低血糖水平，控制脂質(zhì)消化，降低膽固醇，改善腸道屏障功能、降低結(jié)腸癌發(fā)生率等多種健康功效[3-7]而被廣泛用于藥品和功能食品中。果膠的多種健康作用都與其參與腸道微生物酵解過程相關(guān)。隨著人們對腸道微生物認(rèn)識的逐漸深入，相關(guān)前沿研究備受關(guān)注，然而，總體來說相關(guān)認(rèn)識仍有限。揭示果膠結(jié)構(gòu)與其功能的關(guān)系至今仍是食品科學(xué)的難點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，明確果膠結(jié)構(gòu)與其結(jié)腸酵解特性的構(gòu)效關(guān)系，對指導(dǎo)果蔬食品加工和制備功能型膳食纖維具有重要意義。

果膠在胃-小腸消化階段和結(jié)腸發(fā)酵階段發(fā)揮健康功效的作用機(jī)制不同。果膠在胃和小腸消化階段，自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高，其吸水膨脹和對食糜黏度的提升可延遲胃排空并延長小腸消化時(shí)間，延緩碳水化合物等的吸收，增加食物飽腹感并防止血糖濃度波動過大，還可與膽汁酸結(jié)合，從而控制脂質(zhì)消化[8-9]。在結(jié)腸發(fā)酵過程中，果膠可作為許多腸道微生物的碳源，選擇性地刺激其生長和增殖，從而改善菌群結(jié)構(gòu)[10-11]。有研究表明，果膠的腸道酵解特性與其精細(xì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[12]。特定的結(jié)構(gòu)單元誘導(dǎo)微生物分泌特定糖苷酶，由此才實(shí)現(xiàn)對果膠的降解[13]。此外，腸道菌群的代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸可被結(jié)腸細(xì)胞吸收[13-14]，發(fā)揮抑制脂質(zhì)代謝，維護(hù)腸道屏障功能和刺激結(jié)腸受損組織愈合等作用[15]。同時(shí)，短鏈脂肪酸可降低大腸pH 值，抑制有害腐敗菌的生長，并減少蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生有害代謝產(chǎn)物[16]。綜上，明確果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)對腸道中降解果膠優(yōu)勢菌屬及果膠酶的影響是弄清果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)與其腸道發(fā)酵特性構(gòu)效關(guān)系的關(guān)鍵。

果膠對其在腸道中發(fā)酵速率和大腸菌群的影響，取決于果膠的多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)。研究表明，果膠的不同來源[17-18]、提取方式[19]，酯化度[20-23]、分子質(zhì)量[10，24-25]、中性糖組成[26]等結(jié)構(gòu)特征均可顯著影響其腸道發(fā)酵特性。已有研究表明，果膠中性糖組成對腸道菌群和代謝產(chǎn)物組成影響最大[26]，而其它結(jié)構(gòu)包括分子質(zhì)量、酯化度主要影響菌群酵解果膠的速度，這些結(jié)論仍缺乏足夠的科學(xué)證據(jù)。此外，結(jié)構(gòu)域類型、中性糖連接方式、乙?；鹊绕渌Y(jié)構(gòu)特征與其發(fā)酵特性的關(guān)系尚未深入研究。目前認(rèn)為，果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)通過調(diào)控降解果膠菌屬的豐度，改變宿主腸道菌群結(jié)構(gòu)，誘發(fā)體系中糖苷酶種類和表達(dá)量變化，進(jìn)而影響果膠自身降解過程及菌群代謝產(chǎn)物[27-30]，這是造成不同結(jié)構(gòu)果膠的腸道發(fā)酵特性差異的主要原因，具體的構(gòu)效關(guān)系、作用機(jī)制尚不明晰。本文從果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，梳理果膠胃腸道消化行為和結(jié)腸發(fā)酵特性，綜述其精細(xì)結(jié)構(gòu)特征與腸道微生物酵解特性的構(gòu)效關(guān)系，以及腸道中微生物及果膠降解酶系對果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，為進(jìn)一步揭示果膠的腸道益生活性提供參考。

1 果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)

果膠分子結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，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）等多種結(jié)構(gòu)域單元[32]，然而這些結(jié)構(gòu)單位的排列組合方式目前尚不清楚。果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，“平滑區(qū)和毛發(fā)區(qū)模型”（Smooth region and hairy region model）是目前受到較多學(xué)者認(rèn)可的果膠結(jié)構(gòu)模型，該模型將HG 線性結(jié)構(gòu)視為果膠主鏈，將RG等連接有豐富中性糖支鏈的片斷視為毛發(fā)區(qū)。然而，這一模型仍不能完美地解釋各種果膠的精細(xì)結(jié)構(gòu)，由此學(xué)者們還提出了“RG-I 主鏈骨架”模型、“鼠李半乳糖醛酸聚糖”等其它模型[31]。然而，由于果膠結(jié)構(gòu)的原位解析技術(shù)尚不成熟，上述模型都尚未證實(shí)，目前人們?nèi)詿o法精確描述果膠在細(xì)胞壁中的天然結(jié)構(gòu)。

圖1 果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖[31]Fig.1 Schematic diagrams for citrus pectin structure[31]

線性HG 區(qū)由1，4-糖苷鍵連接的-D-半乳糖醛酸（GalA）殘基組成，其中一些C-6 羧基被甲基酯化，酯化GalA 殘基的比例被定義為酯化度，是果膠最重要的結(jié)構(gòu)特征之一，決定了分子流變、凝膠等理化特性[33]。RG- I 包含交替排列的-L-鼠李糖（Rha）和-D-GalA 殘基的骨架，Rha 殘基打斷HG 結(jié)構(gòu)，含量為20%～35%。RG-II 占果膠糖組成比例約2%～10%，是果膠中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部分，由含有大約9 個GalA 殘基的HG 主鏈組成，包含4個短側(cè)鏈，其中包括鼠李糖、巖藻糖和葡糖醛酸及少量稀有中性糖組分[1，34]。除中性糖組成外，果膠還具有分子質(zhì)量、乙?；取翁沁B接方式、分子線性度等多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)特征[35-37]，它們使得果膠原本就不均一的主鏈和支鏈結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。再者，漂燙、巴氏殺菌、高溫高壓滅菌、高壓均質(zhì)等典型食品加工操作單元也會影響果膠的精細(xì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致果膠降解及結(jié)合狀態(tài)和構(gòu)象等理化特性改變[15，37-38]，從而增加了人們理解其結(jié)腸酵解特性構(gòu)效關(guān)系的難度。

2 果膠的胃腸消化行為

一般來說，果膠在酸性條件下較穩(wěn)定，且人體消化道不分泌降解果膠所需的糖苷酶，因此果膠在經(jīng)過口腔、胃和小腸消化過程中自身結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[39]。Saito 等[40]在體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn)，約88%的果膠在回腸末端被檢出，說明果膠在經(jīng)歷胃-小腸-回腸消化過程后仍較穩(wěn)定，而約10%的降解率表明其可能被回腸末端的微生物所降解。Ferreira-Lazarte 等[41]利用體外胃腸消化系統(tǒng)研究了柑橘果膠的胃腸消化行為，也發(fā)現(xiàn)88%的果膠分子經(jīng)過胃腸道消化后其結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化。Dongowski 等[22]研究表明酯化度對果膠在小腸階段的穩(wěn)定性影響較小。果膠在胃腸消化中對宿主健康也有積極的作用。Khramova 等[8]發(fā)現(xiàn)，在酸性胃環(huán)境下果膠可以增加胃消化物的黏度，降低小鼠的血糖反應(yīng)，延長其在胃消化道的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。另一方面，也有一些研究發(fā)現(xiàn)果膠經(jīng)過胃腸階段后其結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變。王培等[42]發(fā)現(xiàn)果膠在胃消化過程中分子鏈寬值減小，同時(shí)酯化度降低，然而經(jīng)小腸消化后果膠酯化度和微觀結(jié)構(gòu)無明顯的變化，說明果膠在胃中會被部分降解，在小腸中則較為穩(wěn)定。Zhu 等[43]發(fā)現(xiàn)火龍果果膠的平均分子質(zhì)量經(jīng)過小腸消化后下降了超過50%，并推測這可能是由于果膠的降解使得更多的果膠酸和羧基暴露導(dǎo)致的。雖然果膠在胃-小腸道的具體消化行為仍有爭議，但目前學(xué)者們普遍認(rèn)可果膠在胃和小腸消化階段的穩(wěn)定性，并且人們利用這種穩(wěn)定性和果膠的乳化、包埋等特性將其廣泛應(yīng)用于功效物質(zhì)緩釋等食品和藥品領(lǐng)域[7，44]。

3 果膠腸道微生物酵解特性

果膠經(jīng)腸道微生物發(fā)酵后被降解為寡糖或低聚糖，進(jìn)一步可被微生物代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸。許多學(xué)者采用酵解特性（Fermentation characteristics）一詞來描述果膠在腸道中被微生物分解和利用的過程[18，45]，常見的參與降解果膠的微生物包括糞桿菌屬、毛螺菌、瘤胃球菌、擬桿菌、雙歧桿菌等。果膠的腸道酵解特性包括兩方面：一是果膠自身被腸道微生物降解的情況，主要表現(xiàn)為果膠分子質(zhì)量降低[41]及生成不同聚合度低聚糖[27]；二是菌群代謝產(chǎn)物的生成情況，主要包括短鏈脂肪酸（Short chain fat acid，SCFA）、二氧化碳等碳水化合物代謝產(chǎn)物和含氮、含硫物質(zhì)等蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物[17，26]。

果膠經(jīng)腸道微生物分泌的糖苷水解酶降解為可被微生物利用的單糖，然后在厭氧發(fā)酵過程中通過碳代謝途徑（糖酵解或戊糖磷酸途徑）等生成SCFA[46]，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和支鏈脂肪酸，其組成和含量變化是反映果膠腸道發(fā)酵特性的重要指標(biāo)[14，45]。SCFA 可通過降低腸道pH 值、維持大腸正常功能、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝等作用發(fā)揮對人體的有益作用[30，47]。SCFA 的產(chǎn)生需要有腸道菌群、底物和限速酶參與某些特定的代謝途徑[48]。生成SCFA的腸道微生物以厚壁菌門最常見，此外還有放線菌屬、擬桿菌屬、變形桿菌屬和疣狀菌屬等[49]。此外，果膠腸道酵解過程也間接影響游離氨[16]、二甲基硫醇、硫化氫、氧化三甲胺等[50]其它腸道微生物代謝產(chǎn)物的組成和含量，以及pH 值、二氧化碳含量[26，51]等腸道環(huán)境。果膠的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征通過影響上述生理指標(biāo)，從而影響其腸道微生物酵解特性。

大量研究證實(shí)，不同來源果膠的腸道發(fā)酵特性存在顯著差異[52]，人們將這種差異歸結(jié)于果膠分子自身精細(xì)結(jié)構(gòu)的不同[53]，例如甜菜漿多糖分為以果膠為代表的可溶性膳食纖維和以纖維素、半纖維素為代表的不溶性膳食纖維，Musco 等[54]研究發(fā)現(xiàn)甜菜漿的酵解特性明顯分為兩段：富含果膠的水溶性膳食纖維在酵解初期快速被微生物利用，而不溶性膳食纖維則大多在后續(xù)更為徹底的酵解階段才被利用。Uerlings 等[55]評價(jià)了菊苣、甜菜果肉和柑橘皮渣的益生活性，發(fā)現(xiàn)菊苣根表現(xiàn)出較快的發(fā)酵速度，而菊苣漿則特異性地提高了乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬和梭狀芽孢桿菌簇IV 的豐度，且甜菜果肉、柑橘皮渣與純果膠的發(fā)酵速度相當(dāng)，而丁酸產(chǎn)量和雙歧桿菌屬的相對豐度更高，這些都說明多種膳食纖維共同被大腸酵解可能具有更好的益生效果。Min 等[56]也發(fā)現(xiàn)，與蘋果果膠和甜菜果膠相比，大豆果膠更能刺激SCFA 產(chǎn)生，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。許多研究基于不同來源的果膠結(jié)構(gòu)特征的差異來考察果膠和其腸道酵解特性的構(gòu)效關(guān)系。Tian 等[21]發(fā)現(xiàn)甜菜果膠促進(jìn)了乳桿菌科、乳酸桿菌科增殖，低甲基酯化柑橘果膠和復(fù)合大豆果膠增加了丙酸鹽和丁酸鹽的產(chǎn)生，而高甲酯化果膠和甜菜果膠則無上述作用，且果膠和阿拉伯木聚糖在腸道中主要酵解部位的差異也證實(shí)了果膠結(jié)構(gòu)上的特殊性。Bussolo De Souza 等[57]發(fā)現(xiàn)可溶性膳食纖維含量較高樣品的碳水化合物在大腸發(fā)酵過程中被微生物利用的效率更高，且柑橘皮渣酵解過程刺激了瘤胃球菌屬和毛螺菌屬的增殖，百香果皮則顯著提高了擬桿菌屬和瘤胃球菌屬的豐度，說明果膠結(jié)構(gòu)的差異引發(fā)了特定菌屬的增殖。Centanni 等[58]對比了新西蘭菠菜和Karaka 梅（Corynocarpus laevigatus）果膠的酵解特性，證實(shí)不同特征果膠會引起不同的菌屬響應(yīng)，其中6 個菌種可以利用菠菜果膠，5 個可以利用Karaka 梅果膠。此外，單獨(dú)使用擬桿菌發(fā)酵無法完全酵解果膠，還需要其它腸道菌群的配合。Larsen等[49]探究了9 種具有不同結(jié)構(gòu)果膠的酵解特性，通過分析不同結(jié)構(gòu)與果膠酵解速度、產(chǎn)物類型和腸道微生物菌群變化的關(guān)系，印證了果膠酯化度、中性糖組成、HG 和RG 結(jié)構(gòu)的含量和排列、分子支鏈度、酰胺基團(tuán)取代等果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)都是造成腸道微生物菌群變化差異的原因。另一方面，也有少量研究發(fā)現(xiàn)不同果蔬來源的果膠對腸道細(xì)菌多樣性和SCFA 無顯著影響，僅導(dǎo)致微生物群組成、個別菌屬豐度變化和代謝產(chǎn)物含量改變[52]。綜上，果膠對其腸道微生物酵解特性的影響取決于它們的結(jié)構(gòu)特征，可以通過諸如產(chǎn)氣動力學(xué)、腸道菌群多樣性及特征菌屬豐度、菌群代謝產(chǎn)物的組成及含量等多個維度指標(biāo)對這種影響進(jìn)行全面評估[28]。

4 果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)與其腸道微生物酵解特性的構(gòu)效關(guān)系

大量研究證實(shí)，不同精細(xì)結(jié)構(gòu)特征對果膠自身腸道微生物酵解特性的影響也不同。已有的研究主要集中在探討酯化度[20-23]、分子質(zhì)量[10，24-25]、結(jié)構(gòu)域類型及支化程度[26，49]、酰胺化度[23]等結(jié)構(gòu)特征與果膠酵解特性的關(guān)系等方面。當(dāng)今科學(xué)理解認(rèn)為其作用機(jī)理如圖2所示。一方面，果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)特征特異性激活特定腸道微生物的多糖利用位點(diǎn)基因（PUL），誘導(dǎo)其分泌相關(guān)糖苷酶，多種特異性糖苷酶相互協(xié)同可降解相應(yīng)果膠結(jié)構(gòu)單元，由此獲得的能量使得該特定菌屬快速增殖，進(jìn)而形成種群優(yōu)勢。另一方面，這些腸道微生物在降解果膠片段的同時(shí)產(chǎn)生短鏈脂肪酸、二氧化碳等代謝產(chǎn)物，它們通過改變腸道環(huán)境pH 值反過來抑制非優(yōu)勢或有害微生物的增殖，進(jìn)而發(fā)揮益生效果。上述過程涉及人體和腸道微生物的相互協(xié)調(diào)，果膠腸道微生物酵解過程仍是當(dāng)前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

圖2 果膠多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控其腸道酵解特性的作用機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mechanism of intestinal fermentation characteristics affected by the multi-scale structure of pectin

4.1 單糖組成與果膠腸道酵解特性

果膠分子“毛發(fā)區(qū)”主要包含RG-I 和RG-II結(jié)構(gòu)單元，它們由多達(dá)20 余種中性糖分子構(gòu)成，果膠分子單糖組成[59]、糖苷鍵的連接和構(gòu)象類型[26]呈現(xiàn)高度不均一性，由此導(dǎo)致了不同結(jié)構(gòu)果膠酵解特性的巨大差異。果膠結(jié)構(gòu)域組成和含量的差異是導(dǎo)致果膠酵解特性差異的首要因素，尤其與SCFA 的產(chǎn)生有顯著關(guān)系。Ishisono 等[60]通過研究檸檬果膠和甜橙果膠證實(shí)了果膠側(cè)鏈的存在增強(qiáng)了其益生活性，提出支鏈中性糖的組成不同是造成2 種果膠益生功能差異的直接原因。事實(shí)上，在果膠“毛發(fā)區(qū)”結(jié)構(gòu)域中，RG-II 的精細(xì)結(jié)構(gòu)相對保守，不同果膠之間的差異主要體現(xiàn)在RG-I 比例和組成的差別上。

RG-I 結(jié)構(gòu)域的主鏈為鼠李糖半乳糖醛酸聚糖，支鏈則包括半乳聚糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖I 型和II 型等多種中性糖側(cè)鏈，它們是造成果膠結(jié)構(gòu)差異的常見結(jié)構(gòu)單元[61]。Mao 等[62]從柑橘堿液去皮廢水里提取到了富含RG-I 結(jié)構(gòu)單元的柑橘果膠，進(jìn)一步利用芬頓反應(yīng)獲得了分子質(zhì)量更小的富含RG-I 結(jié)構(gòu)片段，結(jié)果表明前者可顯著提高雙歧桿菌和乳酸桿菌的豐度，而RG-I結(jié)構(gòu)片段則顯著地誘發(fā)瘤球菌科細(xì)菌增殖，同時(shí)乙酸產(chǎn)量低于商品柑橘果膠。Moro Cantu-Jungles等[26]對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 支鏈的的RG-I 片段，以及木葡糖醛酸聚糖（Xyloglucan，XYG）和低聚果糖（Fructooligosaccharides，F(xiàn)OS）的腸道酵解特性，結(jié)果表明果膠片段在酵解12 h 中的產(chǎn)氣量顯著高于XYG，其中HG+AGI 酵解后的乙酸產(chǎn)量相比XGY 增長量達(dá)22%，而丙酸產(chǎn)量相比單一的XGY 和AGI 減少了31%。Tian 等[21]通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，甜菜果膠分子雖然支鏈較多，但半乳糖醛酸聚糖片段長度高達(dá)100 左右，是其果膠分子的主要組成單元，經(jīng)腸道發(fā)酵后產(chǎn)生較多乙酸；而大豆果膠的多聚半乳糖聚合度僅4～6，且分子中含有大量的阿拉伯聚糖和半乳聚糖側(cè)鏈基團(tuán)，其酵解后產(chǎn)生較多丙酸。上述研究可表明果膠糖醛酸比例越高越易產(chǎn)生更多的乙酸，中性糖含量與丙酸產(chǎn)量呈正相關(guān)[17]。

此外，阿拉伯糖、半乳糖低聚糖含量也影響果膠腸道微生物酵解特性[63]。含有半乳糖醛酸、木聚糖組分的果膠的主要降解產(chǎn)物是乙酸，阿拉伯半乳糖則以丙酸為主[14]。Rastall 等[64]報(bào)道了改性后的向日葵和朝鮮薊果膠對擬桿菌、普氏桿菌生長的促進(jìn)作用明顯高于兩種相應(yīng)天然果膠，這種差異可以歸因于RG-I 的分支結(jié)構(gòu)半乳聚糖在酶水解后的Gal∶Rha 比率。Di 等[65]認(rèn)為果膠分子中的阿拉伯聚糖和半乳聚糖側(cè)鏈越豐富，果膠分子對雙歧桿菌的增殖效果就越明顯，該果膠的益生效果優(yōu)于果膠低聚糖。Gómez 等[66]提出雙歧桿菌在果膠低聚糖（Pectic oligosacharides，POS）上的生長主要?dú)w因于其對POS 上中性糖組分的利用，這些寡聚體約占POS 單糖總量的40%。Onumpai 等[12]和Gullón 等[28]也表明雙歧桿菌可以降解富含阿拉伯糖和半乳糖的果膠及POS，驗(yàn)證了阿拉伯糖和半乳糖含量與腸道益生活性的相關(guān)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腸道發(fā)酵過程中，可顯著促進(jìn)乳桿菌、腸球菌和費(fèi)氏桿菌屬的生長，由此表現(xiàn)出益生活性[39，67]。此外，中性糖組成更為豐富的柑橘皮渣對雙歧桿菌的增殖效果也要優(yōu)于商品果膠；相比于柑橘和大豆果膠，支鏈較多的甜菜果膠對乳桿菌和毛螺菌科的增殖效果更強(qiáng)[21]。綜上所述，腸道菌群變化主要由果膠的單糖組成決定，進(jìn)而影響果膠腸道微生物代謝產(chǎn)物含量。

4.2 半乳糖醛酸聚糖主鏈修飾與果膠腸道酵解特性

果膠分子“平滑區(qū)”主鏈通常由1，4-半乳糖醛酸構(gòu)成，該主鏈單元常常發(fā)生甲酯化、乙酰化取代，它們主要通過影響果膠酶作用于HG 上糖苷鍵的空間位阻，進(jìn)而影響果膠的酵解特性。

果膠酯化度是HG 主鏈最重要的結(jié)構(gòu)特征，也是決定果膠腸道發(fā)酵特性的關(guān)鍵精細(xì)結(jié)構(gòu)特征之一，然而其對果膠腸道微生物發(fā)酵特性的影響仍存在爭議。Ferreira-Lazarte 等[10]發(fā)現(xiàn)洋薊和向日葵果膠酯化度均對SCFA 的產(chǎn)量無顯著影響。Ghaffarzadegan 等[20]研究發(fā)現(xiàn)高酯果膠和低酯果膠的產(chǎn)氣量并無明顯差異，而喂食高酯果膠大鼠組的腸道菌群發(fā)生了明顯改變，特別是厚壁菌門以及顫螺旋菌屬中的瘤胃菌科豐度顯著下降。Dongowski 等[22]研究了酯化度分別為34.5%，70.8%和92.6%的3 種果膠的腸道酵解特性，發(fā)現(xiàn)隨著果膠酯化度的提高，小鼠盲腸中的SCFA 產(chǎn)量顯著下降，表明低酯化度有利于提高果膠酵解速度。Gulfi等[23]通過發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量評估了具有酯化度為53%和31%果膠的發(fā)酵特性，結(jié)果表明高酯化度果膠的產(chǎn)氣量略高于低酯化度果膠（27.9 mL v.s.24.9 mL），而兩者SCFA 產(chǎn)量的差距較?。?77 μmol v.s.960 μmol）。然而兩者發(fā)酵速率的相當(dāng)，這可能是由于該研究采用的果膠樣品酯化度差異相對較小造成的。Larsen 等[49]通過化學(xué)或酶法改性制備了酯化度分別為11.4%和31.8%的青檸果膠和檸檬果膠，發(fā)現(xiàn)它們酵解72 h 后的乙酸與丙酸產(chǎn)量之比分別為3.4∶1 和3.6∶1，顯著高于酯化度分別為58.8%和74.7%的柑橘果膠和檸檬果膠（2.4 和2.9）。Tian 等[21]發(fā)現(xiàn)，相比于高酯化度果膠，低酯柑橘果膠顯著增加了盲腸中的SCFA 產(chǎn)量，這可能是由于果膠裂解酶作用于低酯化度果膠的效率更高所致，表明果膠酯化度顯著影響其在盲腸中的發(fā)酵特性，然而隨著在結(jié)腸階段果膠酵解程度的提高這種影響造成的差異也逐漸減小。該團(tuán)隊(duì)后來利用豬動物模型，提出半乳糖醛酸聚糖酶對低酯化度果膠的降解效率更高，證實(shí)了相比于高酯果膠，低酯果膠更容易被大腸中的微生物酵解[21]，說明低酯果膠是更適合腸道菌群的底物，然而低酯果膠雖促進(jìn)了擬桿菌、費(fèi)氏桿菌等的生長，但沒有顯示雙歧活性[18]。Gulfi 等[23]也發(fā)現(xiàn)低酯果膠被腸道菌群降解得更慢，可更徹底地發(fā)酵。

另一方面，也有少量研究發(fā)現(xiàn)高酯果膠的腸道酵解特性更好。Fa?k 等[59]研究發(fā)現(xiàn)，相對于低酯果膠（DM 20%），高酯果膠（DM 70%）更為顯著地提高了血液和盲腸中的短鏈脂肪酸總量，以及盲腸中艾克曼菌屬的豐度，這種現(xiàn)象可能是由于高酯果膠可以進(jìn)行更徹底地發(fā)酵，產(chǎn)生較多的短鏈脂肪酸，而低酯果膠因具有較多的羧基而形成了更多位點(diǎn)的分子交聯(lián)，由此阻礙了微生物的酵解進(jìn)程。此外，目前學(xué)者對酰胺化等其它果膠主鏈修飾的研究較少。有研究表明，酰胺化后的果膠雖然具有很好的溶解特性，然而其腸道微生物酵解速度顯著降低[23]。綜上，目前多數(shù)研究結(jié)論支持低酯化度果膠更易被腸道微生物酵解利用，然而酯化度等果膠主鏈修飾對果膠酵解特性的影響仍存在爭議，有待更有力的科學(xué)證據(jù)驗(yàn)證。

4.3 分子質(zhì)量與果膠腸道酵解特性

分子質(zhì)量是果膠重要的結(jié)構(gòu)特征，顯著影響其腸道酵解特性和益生功效，然而針對性的系統(tǒng)研究仍然較少。Gulfi 等[23]發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量為53 ku的蘋果果膠的酵解速率、產(chǎn)氣量和SCFA 含量均顯著低于分子質(zhì)量為205～262 ku 的果膠。Ferreira-Lazarte 等[10]發(fā)現(xiàn)洋薊和向日葵POS 可促進(jìn)雙歧桿菌和乳酸桿菌的增殖，抑制擬桿菌和梭狀芽胞桿菌的生長，尤其雙歧桿菌對低分子質(zhì)量的果膠物質(zhì)具有較強(qiáng)的親和力，而針對向日葵果膠做同樣的處理卻只有擬桿菌和普氏菌的豐度發(fā)生變化。Ghaffarzadegan 等[20]研究了不同分子質(zhì)量對果膠和瓜爾膠腸道發(fā)酵特性的影響，結(jié)果表明分子質(zhì)量可以顯著影響盲腸產(chǎn)氣量、腸道菌群和高酯飲食引發(fā)的炎癥。Hu 等[68]用高壓均質(zhì)處理后的車前草果膠喂食小鼠，結(jié)果表明高壓均質(zhì)處理顯著降低了果膠粒徑和聚合度，由此導(dǎo)致盲腸和結(jié)腸SCFA 產(chǎn)量提高。Gómez 等[25]也發(fā)現(xiàn)POS 可產(chǎn)生更多的乙酸和丁酸，果膠能產(chǎn)生更多的丙酸。Dou 等[69]利用超聲處理獲得了不同分子質(zhì)量的黑莓果膠，證明分子質(zhì)量較小的黑莓果膠更容易被腸道微生物酵解，酵解過程可顯著提高SCFA 產(chǎn)量，同時(shí)降低結(jié)腸pH 值，降低厚壁菌門和擬桿菌門豐度的比例。

分子質(zhì)量越高的果膠其半乳糖醛酸酶外切位點(diǎn)就越少，同時(shí)腸道內(nèi)容物黏度也會增加，導(dǎo)致酶和底物接觸頻率減少，從而降低腸道微生物的酵解特性，繼而也會影響果膠的降血脂、降膽固醇等生理功效。小分子質(zhì)量果膠水溶性好，其發(fā)酵能力也較好[15]，同時(shí)因其具有較簡單的結(jié)構(gòu)和較低的位阻而使其更容易被微生物分泌的果膠酶作用，進(jìn)而發(fā)酵速度更快，效率更高[70]。然而，最新的研究表明，越復(fù)雜的底物，發(fā)酵越慢，越容易到達(dá)結(jié)腸遠(yuǎn)端并刺激那里的有益菌生長，同時(shí)可限制遠(yuǎn)端結(jié)腸的蛋白質(zhì)發(fā)酵，避免局部產(chǎn)生過多有害代謝物[70]。另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)果膠及POS 在發(fā)酵后的培養(yǎng)基中的微生物總數(shù)無顯著差異[39]。綜上所述，分子質(zhì)量較小的果膠在大腸中發(fā)酵會產(chǎn)生更多的SCFA，具有更好的益生功效，而調(diào)控SCFA的最大產(chǎn)量需將果膠分子質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)。

4.4 腸道菌群對不同果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

果膠對宿主健康的影響是通過改變腸道中微生物種群及其代謝產(chǎn)物引起的[71]。研究表明，果膠結(jié)構(gòu)特征顯著影響腸道菌群的組成和特定屬種的豐度，不同結(jié)構(gòu)果膠組分可誘導(dǎo)特定腸道細(xì)菌增殖。

瘤胃球菌屬[72]、普雷沃氏菌屬[73]、擬桿菌屬是腸道中主要的可降解多糖的細(xì)菌，由于其攜帶的糖苷水解酶和果膠酸裂合酶的基因序列中有超過81%的片段可參與降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的果膠，這些菌可在多種果膠來源的底物上生長[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，因此大多數(shù)擬桿菌屬都能降解具有不同結(jié)構(gòu)的果膠多糖[13]。Luis 等[74]研究了擬桿菌在富含半乳糖醛酸聚糖的果膠上的生長情況，結(jié)果顯示多形擬桿菌和細(xì)金擬桿菌可將果膠完全降解，且大約70%的微生物可在以半乳糖醛酸聚糖和半乳聚糖為碳源的底物上生長，其中只有4 個擬桿菌屬菌株可利用RGI 主鏈。然而，不能利用RG-I 和馬鈴薯半乳聚糖的菌株在其相應(yīng)的寡糖上的生長率分別為56%和100%，表明這些微生物雖然分解天然果膠的能力較低，但可利用果膠的降解產(chǎn)物，這也反映了不同菌種對特定果膠結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。Tingirikari 等[39]研究發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌屬通過分泌β-半乳糖苷酶、β-1，3-半乳糖苷酶、內(nèi)切-β-1，4-半乳聚糖酶來發(fā)酵低分子質(zhì)量的果膠多糖，證實(shí)了微生物分泌特征糖苷酶的能力是決定其是否可以降解相應(yīng)果膠片段的前提。

具有特定結(jié)構(gòu)的果膠對調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)具有積極作用。Tian 等[18]研究表明，含有3%果膠的飲食可使腸道微生物的優(yōu)勢菌從乳酸桿菌轉(zhuǎn)向了普氏菌。Jiang 等[3]發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充果膠可以調(diào)節(jié)高脂飲食喂養(yǎng)大鼠的腸道微生物群，并將擬桿菌和厚壁菌的豐度恢復(fù)到正常水平。Bianchi 等[75]在所有橫結(jié)腸、升結(jié)腸和降結(jié)腸中都觀察到了雙歧桿菌屬、擬桿菌屬、普魯希氏桿菌和腸桿菌科的豐度增加，而乳酸桿菌屬和腸球菌科減少。Olano-Martin 等[76]報(bào)道稱POS 和柑橘果膠均顯著增加了雙歧桿菌的數(shù)量，而乳酸菌的數(shù)量僅隨POS 的增加而增加，且這種增加在統(tǒng)計(jì)上并不顯著。Chung 等[51]認(rèn)為當(dāng)果膠和其它膳食纖維一起被腸道微生物酵解時(shí)可以誘導(dǎo)更豐富的菌群多樣性。Bang 等[77]在結(jié)腸發(fā)酵模擬體系下發(fā)現(xiàn)柑橘果膠酵解初期產(chǎn)物以乙酸為主，6 h 以后丁酸產(chǎn)量迅速上升，整個過程中梭菌綱中梭菌屬XIV 簇增殖最為明顯，特別是毛螺菌屬和丁酸梭菌屬。

4.5 果膠酶系對不同果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

果膠在腸道中降解是通過微生物分泌的多種酶共同催化而實(shí)現(xiàn)的，糖苷水解酶（GH）和多糖裂解酶（PL）家族是參與多糖水解的酶系。有研究表明[27]，擬桿菌屬對復(fù)雜碳水化合物的代謝是由多糖利用基因（PULs）介導(dǎo)的，微生物通過自身分泌的胞外糖苷酶（CAZymes）的內(nèi)切作用對果膠進(jìn)行初步降解[27]。果膠分子不同結(jié)構(gòu)域中包涵不同類型糖苷鍵，它們需要通過專一糖苷酶才能被分解，而不同微生物攜帶的糖苷酶基因可表達(dá)的糖苷酶類型不同，這是果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)影響其酵解特性的底層機(jī)制。

擬桿菌和普雷沃菌屬是腸道中降解果膠的主力軍，而腸桿菌科和梭菌屬的一些細(xì)菌可分泌不同種類和活性的果膠酶[49]。不同果膠結(jié)構(gòu)域均由其特征性單糖通過多種糖苷鍵連接而成，需要與之匹配的多種果膠酶共同作用才能將其降解。例如，HG 結(jié)構(gòu)相對簡單，通過果膠酶（PG）、果膠裂解酶（PL）和果膠甲酯酶（PME）等幾種酶配合就可完全降解[78]；而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的RG-II 擁有多達(dá)21 種糖苷鍵，完全降解需要復(fù)雜的糖苷酶、裂解酶系協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)[27]，降解后會生成具有適當(dāng)聚合度的聚糖運(yùn)輸?shù)街苜|(zhì)中[13]。Uerlings 等[55]研究發(fā)現(xiàn)，果膠及含果膠加工副產(chǎn)物在腸道微生物酵解過程中，丁酰輔酶A 轉(zhuǎn)移酶基因的表達(dá)量顯著升高。Li等[79]從桑葚中分離出來一種分子質(zhì)量為86.83 ku且富含中性糖的果膠，研究發(fā)現(xiàn)該果膠可顯著刺激腸道中的多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）增殖，這種菌能合成260 多種分解植物成分的各類酶，對腸道中膳食纖維的降解具有重要作用。Luis等[74]還發(fā)現(xiàn)一種可切割半乳聚糖以及HG 和RGI骨架的菌，并從其轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)中鑒定了可調(diào)控阿拉伯聚糖、半乳聚糖、RGI 和HG 降解的PUL，表征了與果膠代謝相關(guān)的PUL 的功能，研究了每個PUL 調(diào)控特定果膠的降解機(jī)制。該研究詳細(xì)探討了果膠酶系對不同果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，如exo-GHs 降解半乳聚糖和阿拉伯聚糖生成的寡糖，exo-GHs 和內(nèi)切PLs 降解HG 和RGI 主鏈，單個GH2 β1，4-半乳糖苷酶（BT4667）解聚了表面半乳糖苷內(nèi)切酶產(chǎn)生的半乳糖寡糖，RGI-PUL編碼的酯酶BT415 促進(jìn)鼠李糖-GalA 重復(fù)單元的主鏈降解。RG-II 結(jié)構(gòu)單元包含13 種不同的糖和21 種不同的糖苷鍵，Ndeh 等[27]報(bào)道RG-II 上調(diào)了腸道微生物3 個多糖利用位點(diǎn)，降解RG-II 需要調(diào)動7 個GH 家族的酶，這些基因座編碼多個L-鼠李糖苷酶和L-阿拉伯糖苷酶。盡管已有研究描述了單個微生物果膠降解酶，但人們對這些糖苷酶參與整個果膠協(xié)同降解的機(jī)制的理解仍然只是冰山一角。

綜上，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的果膠，包含的中性糖和糖苷鍵的種類多，降解需要的酶的種類越復(fù)雜，酵解速度就越慢。然而，與結(jié)構(gòu)簡單且酵解速度極快的FOS 相比，果膠通過在腸道不同部位的持續(xù)緩慢酵解，更好地發(fā)揮了腸道益生作用，特別是在大腸遠(yuǎn)端[80]。物質(zhì)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，它到達(dá)結(jié)腸遠(yuǎn)端部分并刺激產(chǎn)生SCFAs 的厚壁菌門和擬桿菌的生長的機(jī)會越大，避免結(jié)腸的遠(yuǎn)端部分因含有具有蛋白水解活性的微生物過度繁殖而釋放過多胺類和含氨等有害代謝產(chǎn)物，增加宿主患結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[39]。

5 結(jié)語

果膠是人們?nèi)粘ｏ嬍持凶畛z入的膳食纖維之一，具有多種健康功效，其結(jié)構(gòu)特征和腸道酵解特性成為近年來的研究熱點(diǎn)。近十年來的研究結(jié)果加深了人們對不同尺度果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控其腸道酵解特性的認(rèn)識，然而這些理解仍不夠全面深入。主要原因是果膠多尺度結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性和非均一性導(dǎo)致了系統(tǒng)揭示其腸道酵解特性的構(gòu)效關(guān)系難度極大。未來，果膠結(jié)構(gòu)特征與其腸道發(fā)酵特性的構(gòu)效關(guān)系存在幾個亟待完善的地方，包括典型果膠結(jié)構(gòu)域的降解特性及其微生物代謝產(chǎn)物指紋特征；腸道中降解果膠的優(yōu)勢屬種對特定果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制，重點(diǎn)是解析特定果膠結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)專一性糖苷酶的表達(dá)的分子機(jī)制；特定果膠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物的變化與果膠健康功效的關(guān)系。理解這些問題，可幫助精準(zhǔn)改性果膠精細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)其腸道微生物酵解行為，為調(diào)控果膠腸道益生活性提供理論依據(jù)。