谷物中多酚與多糖之間相互作用的研究進(jìn)展

易翠平, 劉 爽, 林本平, 劉艷蘭

(長沙理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，長沙 410114)

多酚是一種結(jié)構(gòu)多樣化的植物次生代謝產(chǎn)物，在植物中具有多種功能[1]。多酚類物質(zhì)最常見的生物活性是抗氧化與促氧化[2]。低劑量多酚能夠防止活性氧的形成從而起到抗氧化作用，而高劑量多酚產(chǎn)生的促氧化活性導(dǎo)致了DNA損傷與細(xì)胞凋亡，也正因如此可以起到抑制癌癥的作用[3]。多酚還具有抗動脈粥樣硬化、抗高血壓、抗肥胖、抗菌、抗炎、抗糖尿病等作用[3]。

細(xì)胞壁多糖是非淀粉多糖，其中不溶性部分包括纖維素、半乳甘露聚糖、木聚糖、木葡聚糖，而水溶性部分包括果膠、阿拉伯半乳聚糖、阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖，多酚主要與其中的水不溶性部分相結(jié)合[4]。細(xì)胞壁多糖具有益生元、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗糖尿病和心臟保護(hù)等健康效應(yīng)[5]。

近年來，研究者主要關(guān)注谷物多酚的提取制備工藝，但是由于細(xì)胞壁內(nèi)多酚和多糖的相互作用，影響了多酚的提取效果和純度，如果明晰多酚與細(xì)胞壁多糖間的主要作用方式，就可以更加有效地提取多酚和多糖。目前關(guān)于多酚與細(xì)胞壁多糖相互作用之間的研究大多集中在果蔬方面，對于谷物方面的研究成果比較少。本文就谷物中多酚與細(xì)胞壁多糖之間的連接鍵和分子間作用力、及多酚與細(xì)胞壁多糖相互作用對多酚提取工藝的影響進(jìn)行綜述，為今后研究食品基質(zhì)組分之間的相互作用以及提高多酚的利用價(jià)值提供理論基礎(chǔ)。

1 多酚與細(xì)胞壁多糖的相互作用機(jī)理

酚酸是多酚中與多糖產(chǎn)生相互作用的主要物質(zhì)[6]。谷物中的酚酸一般由羥基肉桂酸和羥基苯甲酸兩種基本骨架組成，并根據(jù)芳香環(huán)中羥基數(shù)目和位置的變化產(chǎn)生多種衍生物。羥基肉桂酸和羥基苯甲酸衍生物的基本結(jié)構(gòu)及常見物質(zhì)如圖1所示。羥基肉桂酸衍生物在結(jié)構(gòu)中具有C6-C3的特點(diǎn)，常見物質(zhì)包括阿魏酸、對香豆酸、咖啡酸等。羥基苯甲酸衍生物在結(jié)構(gòu)中具有C6-C1的特點(diǎn)，常見物質(zhì)包括沒食子酸、香草酸、原兒茶酸等[7]。雖然不同種類谷物的酚酸種類及含量不同，但大多數(shù)谷物中阿魏酸含量普遍較高[8，9]。

圖1 羥基苯甲酸衍生物(a)與羥基肉桂酸(b)衍生物結(jié)構(gòu)及常見物質(zhì)

多酚根據(jù)存在形式可分為結(jié)合酚和游離酚，結(jié)合酚通常與細(xì)胞壁多糖等物質(zhì)以結(jié)合態(tài)存在于植物細(xì)胞壁中[10]。多酚與細(xì)胞壁多糖主要依靠兩種作用力結(jié)合，一種為非共價(jià)相互作用，另一種為共價(jià)相互作用。

1.1 共價(jià)結(jié)合

表1列舉了部分谷物中結(jié)合酚、游離酚和總酚含量，以及結(jié)合酚與細(xì)胞壁多糖的結(jié)合形式。谷物中多酚含量豐富，多數(shù)情況下谷物中結(jié)合酚含量遠(yuǎn)高于游離酚，結(jié)合酚通過酯鍵、醚鍵等共價(jià)鍵與纖維素、半纖維素等細(xì)胞壁多糖相連。

表1 谷物中多酚含量及多酚與細(xì)胞壁多糖的結(jié)合形式

1.1.1 酯鍵結(jié)合

酚酸中羥基苯甲酸和羥基肉桂酸的羧基可以與谷物細(xì)胞壁多糖中的羥基形成酯鍵(圖2)[23]。在糙米、綠豆等食物中，阿魏酸為其中主要酚酸，且通常與細(xì)胞壁多糖交聯(lián)后形成細(xì)胞壁的一部分，以結(jié)合態(tài)存在。阿魏酸低聚糖酯是指阿魏酸通過酯鍵連接在阿拉伯木糖上的糖酯結(jié)構(gòu)[24]。Anne-Laure等[25]研究了玉米果皮中阿魏酸化木聚糖的合成和交聯(lián)，結(jié)果表明玉米果皮中50%的木聚糖和大約5%的阿魏酸以酯化形式存在。

圖2 阿魏酸與阿拉伯木聚糖以酯鍵連接[24]

1.1.2 醚鍵結(jié)合

酚酸中羥基苯甲酸與羥基肉桂酸中的羥基可以與細(xì)胞壁多糖中的羥基形成醚鍵(圖3)[6]。阿魏酸則以酯鍵或醚鍵的形式與細(xì)胞壁多糖形成共價(jià)連接[26]。有研究選擇玉米秸稈和稻草秸稈作為泌乳奶牛飼料，證實(shí)飼料中酚酸與多糖之間交聯(lián)結(jié)構(gòu)的增加將抑制細(xì)胞壁的降解，從而減少能量的供應(yīng)以及飼料中阿魏酸與香豆酸的代謝能力[26]。在多數(shù)關(guān)于提取多酚的研究中，通常使用堿處理來破壞醚鍵。

圖3 對香豆酸與纖維素以醚鍵相連

1.1.3 糖苷鍵結(jié)合

在谷物中，多酚與多糖在少數(shù)情況下也會通過糖苷鍵產(chǎn)生相互作用(圖4)。小米中存在的大多數(shù)酚類化合物以糖苷的形式存在[27]。在常見的多酚提取方法中，酸水解作為有效的提取方法，主要通過破壞多糖與多酚之間的糖苷鍵來達(dá)到目的。通過酸水解提取到黑豆中的多酚類物質(zhì)，表明其中部分多酚以糖苷形式與多糖相連[28]。

圖4 阿魏酸與木聚糖以糖苷鍵相連

1.2 非共價(jià)結(jié)合

1.2.1 氫鍵作用

多酚與多糖結(jié)構(gòu)中含有許多羥基，為它們之間產(chǎn)生氫鍵相互作用提供了條件[29]。大量研究證明溫度升高能夠降低多酚對細(xì)胞壁多糖的吸附能力[30]。細(xì)胞壁對花青素的吸附能力隨溫度的升高而降低，一定范圍內(nèi)燕麥β-葡聚糖對茶多酚的吸附程度隨溫度升高而降低[31，32]。隨溫度的升高，黑米中的游離酚酸含量顯著增加[33]，結(jié)合酚單體含量在常規(guī)環(huán)境中顯著下降[34]，這可能是由于氫鍵斷裂，使結(jié)合酚與細(xì)胞壁多糖之間的相互作用被破壞。

1.2.2 疏水相互作用

當(dāng)細(xì)胞壁多糖或多酚不溶于水或溶解度較小時(shí)，細(xì)胞壁多糖與多酚可以聚集在一起產(chǎn)生疏水相互作用[35]。Le等[36]提出如果在纖維素聚合物的疏水區(qū)域和多酚分子結(jié)構(gòu)中的疏水基團(tuán)(例如芳環(huán))之間建立了疏水相互作用，增加溶液濃度可以增加相互作用。當(dāng)疏水相互作用不作為主要作用力時(shí)，緩沖液濃度改變了原花青素對細(xì)胞壁多糖的吸附程度，這是由于疏水相互作用強(qiáng)弱發(fā)生了變化[31]，因此，Wu等[37]也認(rèn)為若較高濃度的緩沖液可以減弱多酚對細(xì)胞壁多糖的吸附程度，則表明二者之間存在有較弱的疏水相互作用。王彩霞等[38]證實(shí)乙醇濃度的改變影響了小麥中多酚對細(xì)胞壁多糖的結(jié)合程度，因此可以認(rèn)為乙醇濃度的增加破壞了多酚與細(xì)胞壁多糖之間的結(jié)合，疏水相互作用較弱。同樣的，當(dāng)樣品被酸化，氫離子濃度增加時(shí)，結(jié)合酚含量降低，高粱麩皮中多酚與細(xì)胞壁多糖結(jié)合能力減小，疏水相互作用較弱[39]。

2 提高多酚釋放的加工方式

多酚常與細(xì)胞壁多糖以結(jié)合態(tài)形式存在。但結(jié)合酚在人體胃腸道的消化吸收較為困難[40]，且大量研究表明，相比于結(jié)合酚，游離酚的抗氧化能力更強(qiáng)[41，42]。因此促進(jìn)結(jié)合酚向游離酚的轉(zhuǎn)化將成為多酚更好被吸收利用的有效途徑。因此，人們采取多種方式對谷物進(jìn)行處理，以破壞多酚與細(xì)胞壁多糖之間的相互作用，促進(jìn)結(jié)合酚的釋放，提高游離酚的含量[43]。

2.1 非熱處理

發(fā)芽能夠打破種子休眠，激活細(xì)胞代謝，使細(xì)胞活化并釋放多種水解酶，促進(jìn)多糖等大分子物質(zhì)水解，進(jìn)而影響酚類化合物的含量與形成。燕麥中多酚大多通過酯鍵與纖維素或半纖維素結(jié)合，而人體消化酶無法將酯鍵水解[44，45]。王軍等[46]對燕麥進(jìn)行發(fā)芽處理后發(fā)現(xiàn)，可能是發(fā)芽過程中因細(xì)胞代謝而產(chǎn)生多種酶，水解了燕麥多酚與細(xì)胞壁多糖間的酯鍵，促進(jìn)了不溶性結(jié)合酚中酚類物質(zhì)的釋放，其中的不溶性結(jié)合酚類物質(zhì)含量有一定程度的下降。同樣玉米發(fā)芽也可以改變酚類等營養(yǎng)物質(zhì)的含量與組成。玉米發(fā)芽前后游離酚酸含量顯著增加，可能是由于發(fā)芽過程中產(chǎn)生的水解酶破壞了多酚與細(xì)胞壁多糖間的酯鍵或醚鍵等共價(jià)鍵[47]。

發(fā)酵過程中微生物所分解的多種胞外酶如纖維素酶、葡聚糖酶等可有效分解細(xì)胞壁基質(zhì)，或水解多酚與多糖之間的共價(jià)鍵，促進(jìn)酚類物質(zhì)的釋放[43]。Liu等[48]利用枯草芽孢桿菌對脫脂麥胚進(jìn)行發(fā)酵處理，發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量的酶促進(jìn)細(xì)胞壁基質(zhì)的分解，使多酚擺脫與細(xì)胞壁多糖之間的相互作用，促進(jìn)了多酚的釋放。發(fā)酵過程顯著增加了燕麥中總酚含量，尤其是游離酚含量[42]。由于阿魏酸酯酶能夠使低聚糖阿魏酸酯等以酯鍵結(jié)合的阿魏酸游離出來[49]，因此王謙等[50]利用阿魏酸酯酶釋放米糠中的阿魏酸后效果顯著?？偠灾?，非熱條件下主要是酶破壞了多酚與多糖的相互作用，最終使結(jié)合酚轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)。

2.2 熱處理

擠壓加工是對食品進(jìn)行高溫、高壓和剪切等處理，在這樣的條件下細(xì)胞壁基質(zhì)被破壞，多酚與多糖之間的共價(jià)鍵斷裂，從而增加了結(jié)合酚的釋放。藜麥中多酚與果膠、纖維素等細(xì)胞壁物質(zhì)以酯鍵或醚鍵共價(jià)結(jié)合[37]。Song等[37]探究了擠壓技術(shù)對紅色藜麥中結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)含量的影響，在適當(dāng)溫度下對紅色藜麥進(jìn)行擠壓后，其中結(jié)合酚含量顯著降低，游離酚含量增加。這可能是由于擠壓導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，從而使細(xì)胞壁多糖與多酚之間的連接鍵斷裂，藜麥中結(jié)合的酚類物質(zhì)釋放，因此擠壓是釋放藜麥中結(jié)合酚類物質(zhì)的有效途徑。Chen等[51]對擠壓后脫脂米糠中酚類物質(zhì)的分布進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過擠壓的脫脂米糠中游離酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了23%，由于米糠中的酚類化合物主要與細(xì)胞壁成分通過酯鍵等共價(jià)鍵相結(jié)合，擠壓促進(jìn)了共價(jià)鍵的斷裂，使米糠中的結(jié)合酚向游離態(tài)轉(zhuǎn)化。

蒸煮作為常見的水熱處理方式，利用熱能削弱了細(xì)胞壁基質(zhì)與多酚的相互結(jié)合，促進(jìn)了結(jié)合態(tài)酚類化合物的釋放[52]。大量關(guān)于對谷物進(jìn)行蒸煮處理的研究表明，蒸煮處理可以改變酚酸的存在狀態(tài)，這可能是由于細(xì)胞壁多糖對酚酸的束縛減小，使酚酸從細(xì)胞壁中釋放[53]。黑米中花青素主要與細(xì)胞壁多糖通過糖苷鍵連接[39]，黑米經(jīng)蒸煮處理后游離酚酸含量顯著增加，尤其是游離兒茶酸的含量增加了4～11倍，這是由于蒸煮過程中花青素與細(xì)胞壁多糖的糖苷鍵斷裂，分解形成原兒茶酸[54]。Rocchetti等[55]研究表明，藜麥經(jīng)過蒸煮后，總酚含量，特別是酚酸含量有所增加，其原因可能是高溫蒸煮加熱過程中細(xì)胞壁多糖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)被破壞，多酚與細(xì)胞壁多糖間的連接鍵斷裂，導(dǎo)致多酚單體化合物的釋放[56]，因此可以認(rèn)為蒸煮處理可誘導(dǎo)藜麥中特定種類酚酸的釋放。

3 總結(jié)與展望

多酚作為谷物中重要的活性物質(zhì)，存在形式以結(jié)合態(tài)為主。多酚與多糖之間的相互作用包括非共價(jià)相互作用和共價(jià)相互作用。非共價(jià)相互作用以氫鍵和疏水相互作用為主。共價(jià)相互作用主要以酯鍵和醚鍵形式存在，同時(shí)也有少數(shù)糖苷鍵存在。由于相互作用的存在影響了多酚的提取和利用，也影響了多酚產(chǎn)物的純度，因此可通過發(fā)酵、擠壓等處理方法促進(jìn)結(jié)合酚向游離酚的轉(zhuǎn)化，以提高多酚的利用程度。近年來對于多酚與多糖之間的相互作用的研究不斷深入，但是由于檢測技術(shù)的局限性、多酚與多糖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得研究進(jìn)展緩慢，尤其是在谷物領(lǐng)域的研究成果較少。

為了更好地探究多酚與多糖的相互作用，在今后的研究中可以對以下內(nèi)容進(jìn)行探究。借鑒果蔬中多酚與多糖相互作用的表征方式，利用現(xiàn)代檢測技術(shù)對谷物中多酚與多糖之間的具體相互作用進(jìn)行測定，探究多酚與多糖相互作用的影響因素，為谷物中的結(jié)合酚向游離酚的轉(zhuǎn)化提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究不同加工方式對多酚提取程度及穩(wěn)定性的影響，多酚與細(xì)胞壁多糖的相互作用也可能會導(dǎo)致多糖理化性質(zhì)和營養(yǎng)特性的改變，今后的研究可以考慮多酚的釋放和結(jié)合對細(xì)胞壁多糖理化性質(zhì)及營養(yǎng)特性的影響。