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阿拉伯木聚糖与人类健康

摘要:谷物及禾本科植物的主要非纤维聚糖是阿拉伯木聚糖(AX),它是一种木糖聚合物,取代基为呋喃阿拉伯糖。阿拉伯木聚糖降解酶酶解阿拉伯糖木聚糖的产物为阿拉伯低聚木糖(AXOS)。阿拉伯糖木聚糖及阿拉伯木聚糖低聚糖均属于膳食纤维,具有调节免疫力、降低胆固醇、减轻2型糖尿病、提高某些矿物质的吸收、增加排便量及影响益生菌等对健康有益的作用。随着对健康饮食的重视,膳食纤维,例如阿拉伯糖木聚糖及阿拉伯木聚糖低聚糖,在食品和饲料工业中受到越来越多的青睐。然而与其他较常研究的膳食纤维,例如低聚果糖相比, 阿拉伯糖木聚糖的相关研究并不多。本综述简要介绍了当前有关阿拉伯糖木聚糖的研究及其对健康的益处,以此促进此领域更深入的研究。
1.引言
随着对食品安全及健康的关注日益提高,人们对食物中的功能性成分也愈加兴趣。在这些成分中,人类日常食用的膳食纤维由于其已被证实的功效而得到较多的关注。高聚-低聚果糖、菊粉和β-葡聚糖是研究得比较多的膳食纤维。但是,还有许多其它的膳食纤维,阿拉伯木聚糖(AX)就是其中之一。国际食品法典委员会(CAC)对膳食纤维的定义是:具有十个或十个以上单元,不能被人类小肠内源酶水解的碳水化合物的聚合物,且兼具以下属性:
•食物中自然存在的可食用碳水化合物的聚合物;
•食材经过物理、酶法、化学方法获得的碳水化合物聚合物,且具有被主管当局通过公认科学依据证实,有益于健康的生理效应。
•合成的碳水化合物聚合物,且具有被主管当局通过公认的科学依据证实有益于健康的生理效应。
人类健康与膳食纤维密切相关(图1),许多对健康有益的膳食纤维可以降低血液胆固醇浓度、调节血糖、抵抗癌症。膳食纤维还被提议用于预防大肠癌。慢性炎症会提高患癌风险,血浆中的急性球蛋白即C-反应蛋白(CRP)是炎症标记物,在大肠癌前期其浓度会升高。增加膳食纤维的摄入不仅可降低CRP水平,还可降低炎性细胞因子IL-6和TNFa水平,由此增强免疫系统并降低患癌风险。虽然膳食纤维对免疫反应和炎症反应影响的确切机制尚未明了,但是一些解释这种机制的相关研究已见诸报道。受自身分子结构的影响,膳食纤维可被结合淋巴结的M-细胞吸收,后运送至下层免疫细胞及其他可产生细胞因子的细胞中,进而影响T-细胞、B-细胞、抗原敏感细胞及其他免疫细胞。肠巨噬细胞和肠树突细胞或许能吸收纤维,然后运输到淋巴结、脾脏和骨髓。纤维素对结肠上皮细胞和白细胞最直接的影响是其可以降低炎症反应和患癌风险。要得出膳食纤维影响免疫系统的结论还为时尚早,但动物实验已清楚证实,膳食纤维的种类与含量可影响免疫功能的测定指标。迄今为止,仅可溶性膳食纤维被证实具有提高免疫力的功效。
2.阿拉伯木聚糖
阿拉伯木聚糖(AX)是谷物中主要的非淀粉类聚糖,其与谷物品质相关的物理化学特性研究较多,对健康的益处却鲜有研究。近年来许多与阿拉伯糖木聚糖有关的健康效益已经得到证实,它包括对先天免疫和后天免疫的强大应答反应,抗癌活性、增加排便量、对糖耐量受损病人有益等。所以,阿拉伯糖木聚糖是属于功效众多的多功能分子,麦麸细胞壁最主要的聚合物就是阿拉伯木聚糖。虽然木聚糖在谷物各成分中的占比并不多,但其独特的物理化学性质却对谷物食品行业,包括面包制作、麸皮与淀粉的分离、糖渍冷藏面团以及动物饲料产生了很大的影响,但阿拉伯糖木聚糖对人类健康的全部影响仍有待更深入的探索。阿拉伯糖木聚糖主链部分是由β-(1,4)链接的木糖组成,木糖残基的C2或C3位上被阿拉伯糖取代。由于阿拉伯糖木聚糖主要由木糖和阿拉伯糖组成,所以它也被称为戊聚糖。一些酚酸,例如阿魏酸通过酯键与阿拉伯糖的C5位相连。在氧化条件下,阿魏酸残基彼此氧化交联,在链间或链内形成二聚阿魏酸桥。阿魏酸可清除自由基,因此阿拉伯糖木聚糖用作抗氧化剂还有潜在的健康效益。阿拉伯糖木聚糖的结构及其降解过程所需的酶类列于图2。阿拉伯糖木聚糖的结构不复杂,小麦中它有两种类型:水溶性阿拉伯糖木聚糖(WE-阿拉伯糖木聚糖,占面粉阿拉伯糖木聚糖的25%-30%),和水不溶性阿拉伯糖木聚糖(WU-AX)。水溶性阿拉伯糖木聚糖松散地结合在细胞壁表面,而水不溶性阿拉伯糖木聚糖则以共价或非共价键与蛋白质、木质素和纤维素结合在一起。
3.阿拉伯木聚糖是一种益生元
人类未出生时与外界微生物是隔离的,然而降临到这个世界便开始了与微生物长达一生的联系。皮肤、口腔、呼吸道、胃肠道(GI)在内的许多人体上皮层都栖居着微生物,其中以肠道微生物的数量与种类最多,它们在肠道内外塑造着我们的免疫系统。当人体免疫系统进化到可以识别并消灭外源性物质的时候,却可以让微生物在肠道内共生,这表明肠道微生物有效诱导宿主免疫系统建立健康协调的耐受应答反应。因此,扰乱这类共生关系就会导致某些疾病的发生,例如炎性肠炎(IBD)、类风湿性关节炎(RA)或1型糖尿病。无菌动物实验已证明,微生物与肠细胞间的共生关系是免疫系统正常运行和发挥功效必不可少的要素。此外,胃肠道不同疾病与微生物的特定种类(绝大部分为致病菌)有关联,这说明了胃肠道微生物与个体健康紧密相关。
一直以来都认为膳食纤维对健康有益,而这些健康收益被认为是由微生物在大肠内发酵膳食纤维带来的。双歧杆菌是结肠内微生物的主要种群,占其已知全部微生物数量的25%。双歧杆菌发酵膳食纤维可生成短链脂肪酸,这些酸性的代谢产物能够酸化肠道,从而抑致病菌的生长。双歧杆菌对健康的有益效应还包括它能产生维生素、增强免疫力、缩短肠道转运时间、降低胆固醇等。随着对双歧杆菌与健康效益之间关系的深入了解,提高双歧杆菌在胃肠道的数量引发了人们极大的兴趣。增加双歧杆菌的方法包括引入益生菌和摄取能促进益生菌生长的益生元。因此,人体不能消化的低聚糖在功能食品行业的应用正在快速增长。大部分的益生元包括乳果糖、低聚果糖、低聚半乳糖、大豆低聚糖、低聚乳果糖、麦芽低聚糖、低聚葡萄糖、低聚木糖(XOS)和异麦芽酮糖。据相关文献报道,酶解小麦阿拉伯木聚糖得到的低聚木糖也是一种潜在的益生元。不同聚合度和取代基不同的低聚木糖到达胃肠道的不同部位发酵,发挥不同的益生元特性。因此,阿拉伯木糖低聚糖(AXOS)也是一种益生元,它可以用谷物制面过程产生的麸皮来制备。
“益生元是食物中人体不能消化的部分,其可选择性地促进结肠内有益微生物生长并/或激活其中一种或数种,从而有益人体健康”。在已经报道的益生元中, 阿拉伯糖木聚糖是一个新的种类,结肠微生物产木聚糖酶和呋喃阿拉伯糖酶,可选择性地降解阿拉伯糖木聚糖。综上所述, 阿拉伯糖木聚糖结构复杂,经不同阿拉伯糖木聚糖降解酶水解能得到不同的阿拉伯木聚糖低聚糖(AXOS)。近来,阿拉伯糖木聚糖及阿拉伯木聚糖低聚糖作为益生元得到食品和饲料行业的关注。由于阿拉伯糖木聚糖具有阿拉伯糖取代基,而阿拉伯糖取代基又连接有阿魏酸,阿拉伯糖木聚糖的结构比大多已知的低聚糖类益生元复杂,大部分低聚糖仅在聚合度(DP)上有区别。因此,研究清楚聚合度和取代程度对阿拉伯木聚糖低聚糖功能的影响,将有助于了解阿拉伯木聚糖低聚糖的结构和功能间的关系。Zhou等(2010)研究了两种不同提取方式得到的阿拉伯糖木聚糖对小鼠免疫调节的影响,其中一种为碱提取AXa(阿拉伯糖与木糖比率(A/X)为0.83),另一种为酶法提取的AXe(A/X比率为0.56)。实验证明,两种阿拉伯糖木聚糖都能提高小鼠免疫力,虽然AXe的平均分子量较低,阿拉伯糖取代基较少,但含较多阿魏酸,但其提高小鼠免疫力的作用优于AXa。他们还发现,仅口服阿拉伯糖木聚糖能提高小鼠免疫力,而腹腔注射及及体外实验均无此作用,他们由此推断, 阿拉伯糖木聚糖提高免疫力的机理与其在体内的代谢有关。这些发现有助于与研究阿拉伯糖木聚糖在肠道内的代谢。阿拉伯糖木聚糖可以作为大肠内益生菌的益生元,例如乳杆菌和双歧杆菌。肠道内有这些益生元能增加肠粘膜抗体生成,由此提高促炎性细胞因子的表达,并提高机体防御素水平。 因此, 阿拉伯糖木聚糖益生元通过选择性地促进体内益生菌生长来提高机体免疫力。富含阿魏酸的阿拉伯糖木聚糖具有更好的免疫调节能力,因为阿魏酸是一种酚酸,酚酸具抗氧化作用,而较高的抗氧化能力可提升免疫细胞的活性。
已经鉴定了人体肠道一些产阿拉伯糖木聚糖降解酶的微生物。在这些微生物中,对阿拉伯糖木聚糖之类结构复杂碳水化合物降解效率最高的是乳杆菌、拟杆菌和非致病性梭状芽孢杆菌。耐人寻味的是,尽管双歧杆菌能够在阿拉伯糖木聚糖上生长,却一直未见有其产生木聚糖酶的报道。已经确定,双歧杆菌产a-L-呋喃阿拉伯糖苷酶和β-木糖苷酶,但是这并不等于双歧杆菌在缺乏阿拉伯糖的环境中就不能生长。在肠道中,木聚糖酶与产酶微生物间的协同作用使双歧杆菌能够降解木糖主链。
4.阿拉伯糖木聚糖是一种免疫调节剂
小鼠实验表明,麦麸中提取的阿拉伯糖木聚糖可以有效影响先天免疫应答和后天免疫应答,说明碱提取或酶提取的麦麸阿拉伯糖木聚糖都是天然的免疫调节剂。阿拉伯糖木聚糖的抗癌活性与其具有的免疫刺激作用有关,它能显著提高T-细胞和B-细胞的活力,提升患癌小鼠的体液免疫力与细胞免疫力。Akhtar等人用鸡做的实验表明,麦麸阿拉伯糖木聚糖能促进抗体介导的免疫反应。此外,阿拉伯糖木聚糖还有益于对糖耐量受损的病人。因此,阿拉伯糖木聚糖作为功能性食品具有增强免疫力和抗氧化的作用。
5.结语
许多有益健康的功能与阿拉伯糖木聚糖及其降解产物(阿拉伯木聚糖低聚糖)有关,这些作用包括它们能够担当益生元、调节免疫力、降低胆固醇、促进某些矿物质的吸收、增加排便量等。阿拉伯糖木聚糖的结构比其他膳食纤维复杂, 阿拉伯糖木聚糖或阿拉伯木聚糖低聚糖的结构与健康之间的关系有待进一步的研究。迄今对阿拉伯糖木聚糖的研究表明,阿拉伯糖木聚糖和阿拉伯木聚糖低聚糖在食品及饲料行业具有较高的应用价值。随着世界各地对食品质量的逐步重视,膳食纤维,例如阿拉伯糖木聚糖,得到了越来越多的青睐。从经济学的角度看,许多谷物加工行业可以作为阿拉伯糖木聚糖的主要来源,例如面粉加工、麸皮和淀粉分离、啤酒酿造。因此,将这些行业与生产有益健康的膳食纤维相结合有助于行业的战略升级。
 
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