纖維素結合多酚的作用機制及其對多酚特性影響的研究進展

李舒婷,王琦,李正一,伍久林,陳雯,肖怡倩,鄭亞鳳*

1(福建農林大學 食品科學學院,福建 福州,350002) 2(福建省農業科學院 農業工程技術研究所,福建 福州,350003)

多酚是廣泛存在于植物中的一類具有多元酚結構的次生代謝物,具有抗氧化、調節血脂水平、預防心血管疾病、抗炎、防癌、促進腸道健康等生物活性功效[1]。隨著消費者對食品健康功效的需求日益增長,植物多酚在各類健康食品中得到廣泛的應用。然而,多酚易被氧化且穩定性差,導致其穩定性和利用率較低[2]。因此,提高多酚的穩定性和利用率成為食品加工領域的研究熱點之一。纖維素是植物細胞壁的主要成分,是一種由葡萄糖組成的化學組分單一、結構明確的大分子多糖。纖維素是自然界中來源廣泛的膳食纖維,具有不被消化酶降解、不被小腸吸收等特點[3]。研究表明,天然纖維素可吸附植物多酚,并作為其保護性載體起到提高多酚穩定性和利用率的作用[4-5]。近年來,隨著腸道菌群與人體健康關系的明確,膳食纖維對多酚的吸附能力也被認為是膳食纖維的一項重要生理功能[6]。多項研究發現膳食纖維與多酚結合形成的復合物可保護多酚達到結腸,與膳食纖維一起被腸道微生物吸收與利用,進而發揮其對人體的健康功效。近年來,越來越多的研究對纖維素進行改性處理或化學修飾,以進一步提高纖維素對多酚的吸附和遞送能力。本文綜述了纖維素與植物多酚的相互作用機制、影響因素及對多酚功能活性影響的研究進展,并探討分析纖維素與多酚相互作用在健康食品加工中的研究趨勢和應用潛力。

1 多酚與纖維素概述

1.1 多酚

植物多酚以苯酚為基本骨架,以苯環的多羥基取代為特征,是廣泛存在于茶葉、蔬菜、水果等植物中的具有多元酚結構的次生代謝物。多元酚結構使多酚類化合物具有一系列獨特的化學性質,如消毒殺菌、抗氧化性、與蛋白質等物質結合、與多種金屬離子及其化合物發生螯合反應等[1]。同時,植物多酚中含有豐富的酚羥基,可以通過氫鍵、疏水鍵或者共價鍵與高分子化合物接枝、共聚或共混。然而,多酚的穩定性相對較差,易受到溫度、光照、氧、pH等環境因素影響,發生氧化、分解等反應,使其原有的結構和活性受到改變而失去生理活性。同時,多酚的生物利用度也比較低,在進入人體后只有少部分被吸收利用,其余大部分在進入腸道后發生降解,無法到達作用靶點發揮其生理作用[7]。因此如何有效提高植物多酚的穩定性和生物利用率是當前健康食品研發領域的重要方向之一。

1.2 纖維素

膳食纖維是指在人體小腸內不會被消化酶水解,在大腸內可部分或全部發酵的多糖類大分子的總和[8]。按照溶解性膳食纖維可分為水溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維兩大類,水溶性膳食纖維主要包括果膠、葡聚糖等,水不溶性膳食纖維主要包括纖維素、半纖維素、殼聚糖等[9]。其中,纖維素作為水不溶性膳食纖維的主要組成部分,是地球上最豐富的天然可再生資源,可從筍殼、花生殼、豆渣等多種農產廢棄料中提取[10]。纖維素是由D-吡喃葡萄糖環經β-1,4糖苷鍵,以C1椅式構象聯結而成的線性高分子,其分子內部多個葡萄糖基環上均含有羥基,使得其分子之間、分子內部或纖維素與水之間都可以形成氫鍵,而氫鍵又決定了纖維素具有可及性、結晶性、化學活性等特殊性能。纖維素的結構通常分為3層,分別為：單分子層、超分子層與原纖結構層。而纖維素原纖作為細小、伸展的單元,構成了纖維素的主體[11]。

研究表明,纖維素對人體健康有重要作用。人體缺乏纖維素酶,無法對纖維素進行消化、吸收與利用,因此纖維素在腸胃道內具有一定穩定性。但由于纖維素的吸水性,其在腸道內吸水膨脹不僅可以對腸內容物進行稀釋,改善腸道菌群環境,還可以促進腸道蠕動,利于糞便排泄,預防腸道腫瘤的發生,同時可以平抑血糖和血脂水平[12]。纖維素不僅是主要的膳食纖維來源,在食品加工應用中還具有生物可降解性、安全無毒、來源廣泛、制備成本低等優點。

2 纖維素與多酚的互作機制

纖維素和多酚是水果、蔬菜等植物源食物中廣泛存在的功能性成分,纖維素與多酚結合后所形成的復合物可保護多酚在人體消化道內不受環境的破壞,順利達到胃腸道的下部,并在結腸中釋放出來,發揮有益作用,與纖維素一起被腸道微生物吸收利用[13-14]。近年來隨著腸道菌群與人體健康關系的日益明確及結腸功能性食品研發的升溫,纖維素作為多酚的食品級活性成分輸送系統,可實現多酚的控制釋放與結腸靶向運輸。

纖維素在分子間易形成氫鍵,這是其能與多酚發生相互作用的基礎。纖維素與多酚的相互作用受非共價結合的調節,主要是物理結合,不伴隨化學反應。非共價相互作用是指生物大分子與特異性生物活性小分子以氫鍵、離子鍵、范德華力及疏水相互作用等非共價作用力結合,其相互作用的鍵能較弱,比共價鍵小1～2數量級,但分子間的弱締合驅動力在一定條件下可發生協同作用,形成具有定向性和選擇性的強驅動力[15],可以通過等溫模型描述其作用過程。PHAN等[16]研究發現纖維素與兒茶素、綠原酸、矢車菊素-3-O葡萄糖苷等多酚之間的相互作用均以非共價結合為主。研究表明,纖維素與多酚相互作用的本質為疏水相互作用與氫鍵介導的非共價作用[17-19]。纖維素與多酚表面共同存在羥基,有利于氫鍵的形成[20]。如圖1-a所示,氫鍵一般形成于纖維素糖苷鍵的氧原子與多酚的羥基之間[21],使分子間距離縮短,有利于范德華力的產生。疏水相互作用指的是水與水不溶性分子(非極性分子)之間的相互作用,不溶于水的分子會聚集在一起產生較低的表面勢能,從而盡可能地減少與水的接觸。纖維素與大多數多酚都不溶于水,聚集會導致疏水相互作用。疏水相互作用是纖維素與多酚結合的主要驅動力,并且多酚具有的疏水芳香環會促進疏水相互作用的發生[19]。

a-納米纖維素通過氫鍵結合與槲皮素相互作用[22];b-多酚在纖維素上的結合的初始和擴展階段圖1 纖維素與多酚互作示意圖Fig.1 Schematic representation of the interaction between cellulose and polyphenols

纖維素是一種表面多羥基極性強的聚合物,其羥基中氧原子的孤對電子可與水分子中的氫原子相互吸引形成氫鍵,在疏水作用的驅動下,多酚與纖維素表面結合位點進行接觸,而氫鍵會促進其結合更加緊密[19,22]。纖維素結構包括纖維素結晶和無定形區,纖維素表面的結合位點存在于纖維素結晶上,多酚的吸附通常不發生在無定形區域。纖維素對多酚的吸附分為自發快速的初始階段與平穩而且緩慢的擴展階段[23]。在結合的初始階段,由于纖維素表面的結合位點數量充足,部分酚類物質可迅速地與其結合;在結合的擴展階段,位點的飽和導致兩者結合較為緩慢,未結合的多酚會在結合物表面發生締合堆疊導致結合能力受限[24](圖1-b)。

3 纖維素與多酚互作的影響因素

3.1 纖維素結構的影響

在食品的加工過程中,由物理作用引起的纖維素結構變化會影響纖維素與多酚的結合。LIU等[25]發現對纖維素進行冷凍干燥處理會顯著降低其與多酚的結合能力。這是由于微纖維內的大部分水分子被去除,其網絡結構變得更加密集,同時纖維素分子的羥基可用性受到影響,導致結合位點數量的降低。此外,將凍干處理的纖維素復水后再次與多酚進行結合,發現其結合能力稍有提升,這表明纖維素網絡發生溶脹,有助于纖維素與多酚的結合。

3.2 多酚物質結構與分子質量的影響

多酚物質的分子構象是影響纖維素與其結合的一個重要因素,多酚分子適當的羥基化有利于兩者結合。WANG等[26]通過比較肉桂酸的羥基同分異構體對膳食纖維的結合水平,發現鄰羥基肉桂酸的結合水平明顯高于間羥基肉桂酸與對羥基肉桂酸。FERNANDES等[27]研究表明,分子結構中含有3個羥基基團的多酚,具有更強的分子親和力,更易于結合的發生;而當酚類物質具有的羥基數量超過4個時,分子間的空間位阻被過多增加,不利于兩者結合[26]。多酚分子的酰基化能促進纖維素對其的吸附作用,比起未酰基化的花青素,酰基化處理后的花青素在纖維素上的吸附程度更高[24]。而甲基化、甲氧基化的多酚分子則會降低其在膳食纖維中的吸附能力[26]。

多酚的分子質量與聚合度是影響兩者相互作用的另一個因素。PADAYACHEE等[14]研究比較了不同分子質量多酚的吸附能力,結果表明分子質量與結合水平正相關,原因在于分子質量增加,鄰位酚組和芳香環的結合位點增多,能促進氫鍵的形成與疏水相互作用的發生。BOURVELLEC等[28]發現除了分子質量的影響之外,多酚的聚合度也與其對膳食纖維的親和力正相關。聚合度較低的多酚分子易發生自交聯,從而限制其與膳食纖維的結合[29],但與分子質量的影響程度相比,聚合度對兩者相互作用的影響相對輕微。

3.3 環境因素的影響

食物在體內的消化或食品的加工過程中,pH值、溫度與離子強度的變化均會影響纖維素與多酚的非共價結合。

pH值是環境因素中影響兩者結合的最主要因素。COSTA等[30]發現pH值(2.0～7.0)是影響纖維素與兒茶素、咖啡酸、阿魏酸等酚類結合的首要因素,pH 2.0時達到吸附的最大程度。有研究表明,多酚在較低pH值下更加穩定[31],pH值影響了多酚的穩定性,從而使兩者結合受到影響[18]。而不同多酚在不同的pH條件下結合情況不同,例如花青素在pH 3.6時與膳食纖維的親和力最強[32],而提高pH值又有利于阿魏酸與膳食纖維的相互作用[33],這與每種多酚個體在不同pH值下的穩定情況有關。pH值除了會影響多酚的穩定性進而影響兩者作用外,還會影響纖維素中質子化與去質子化的官能團數量的比值[25]。當pH值增加時該比值也增加,導致分子間排斥力與吸引力受影響,從而影響相互作用。

溫度是影響酚類物質與纖維素等多糖類物質結合的另一個關鍵因素。PHAN等[18]發現溫度的升高會導致兩者結合力下降;LIU等[34]發現反應溫度從27 ℃升高至42 ℃,會明顯降低兒茶素對纖維素的結合作用。因為溫度升高會減弱兩者的非共價相互作用,主要是影響了氫鍵作用,不利于結合。

離子強度也會影響纖維素與多酚物質的相互作用。BOURVELLEC等[35]研究了離子濃度對膳食纖維與花青素結合的影響,發現當離子濃度逐漸提升至1 mol/L時,多酚對膳食纖維的吸附力也隨之提升,離子強度的升高可增強靜電作用,使結合更加緊密。ZAINUDDIN等[36]在溶液中加入了十六烷基三甲基溴化銨等離子表面活性劑,有效提升了納米纖維素與姜黃素的結合效率。此外,FOO等[37]使用單寧酸和癸胺等離子活性劑也得出了類似的研究結論。主要是由于活性劑的加入使得納米纖維素表面改性,結合位點增加,有利于疏水相互作用。除此之外,在溶液中加入乙醇、二氧雜環乙烷等溶劑會降低溶液的極性而減弱二者的結合作用;加入尿素則會破壞氫鍵作用,抑制多酚的結合[28],不利于相互作用。

4 提高纖維素對多酚吸附作用的研究進展

近年來,利用纖維素對多酚的吸附作用形成纖維素/多酚穩定復合物,逐漸成為開發新型健康食品的研究熱點。然而,天然纖維素對多酚的吸附能力和負載率有限,且在食品當中添加過量纖維素對食品品質易造成不利的影響。這些因素都在一定程度上限制了纖維素作為多酚保護性載體的應用,為進一步發揮纖維素來源廣泛和生物安全性高的優勢,克服其作為載體的局限性,大量研究測定了纖維素與不同多酚互作的效果并分析互作機理(表1)。纖維素(含納米纖維素)、纖維素衍生物及植物細胞壁與多酚的互作方式均為疏水相互作用、氫鍵等非共價作用結合,要克服纖維素自身缺點并提高其對多酚的吸附作用,最直接的方式即為優化纖維素的粒徑換和增加纖維素載體的結合位點。

前期研究表明,對以纖維素為主的植物膳食纖維進行改性處理,可顯著改變膳食纖維的粒徑,進而提高其吸附能力[38-39]。近年來,納米技術在食品中的創新應用已成為現代食品科學的研究前沿,其中納米級纖維素在食品工業中表現出巨大的應用潛力[40]。農產品加工副產物中往往含有豐富的纖維素,通過化學或物理方法破壞纖維素中的無定形區,可制備成納米纖維素(cellulose nanofiber,CNF)以及納米纖維素晶體(nanocrystalline cellulose,NCC)等。相對于天然纖維素,CNF具有高比表面積、豐富的表面羥基等優點,不僅可提高對多酚的結合效率和保護作用,還可進一步對其表面進行化學修飾,促進對多酚的保護和遞送能力。LI等[22]以CNF作為載體與槲皮素相互作用,通過優化溶液組分配比和制備工藝,得到穩定的CNF/槲皮素復合物。研究結果表明,CNF對槲皮素的負載率和包埋率分別達到了78.91%和88.77%。與對照槲皮素相比,CNF/槲皮素復合物具有更強的抗氧化活性與持續釋放能力,同時也保護了槲皮素在腸胃道中的穩定性。FOO等[37]用油棕加工廢棄物為原料制備桿狀NCC(直徑13～30 nm,長150～360 nm),并通過單寧酸和癸胺對NCC進行表面化學修飾,使得其對脂溶性的姜黃素也有良好的吸附作用,修飾后的NCC對姜黃素的結合率最高可達99%,約為未修飾NCC的最高結合率(54%)的2倍。纖維素衍生物也可作為載體與多酚結合。LIU等[41]以纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素為載體,通過等溫模型擬合發現纖維素的吸附能力隨著其側鏈的增加而增大。綜上所述,當纖維素的粒徑降低至納米級后,雖然其與多酚結合的互作模式未發生改變,但是CNF和NCC表面上結合位點的增加使得對多酚的負載率顯著提升。同時,對CNF的化學修飾還能進一步提高其對脂溶性多酚吸附能力。

表1 纖維素與不同多酚的相互作用的研究Table 1 Studies on the interactions between cellulose and various polyphenols

5 纖維素與多酚相互作用對多酚特性的影響

越來越多的研究表明,當纖維素與多酚通過非共價結合形成穩定復合物后,可對多酚的穩定性、功能活性和生物利用率等可發生積極的影響(表2)。

5.1 對多酚穩定性的影響

多酚具有許多生理活性,但易受溫度、光照、氧、pH 等因素影響,發生氧化、分解等反應,使其穩定性降低,而無法良好的發揮自身的功能活性。同時,由于人體內消化道環境復雜多變,多酚無法在胃腸道內保持相對的穩定性。研究表明在多酚體系中加入纖維素,可有效改善多酚的穩定性[4,22,43]。多酚穩定性的增強主要是由于纖維素本身帶負電荷,在多酚中加入纖維素可提升多酚顆粒的分散性,并且纖維素作為保護性載體可使多酚有效避免溫度、光照等環境因素對其穩定性的破壞。

5.2 對多酚功能活性的影響

多酚本身具有許多利于機體的功能特性,但由于其性質不穩定,纖維素在此充當一個保護性載體,有效阻止消化過程中酶對多酚的反應,使其能順利被運送至腸道[5]。纖維素與多酚相互作用可提高多酚抗氧化、抑菌、抗腫瘤等功能活性。纖維素與槲皮素、EGCG、兒茶素等多酚結合后具有更強的協同抗氧化能力,更有效的阻斷自由基反應[4,22,42]。纖維素-多酚復合物在大腸消化階段被釋放,并參與代謝,復合物可有效抑制病菌的生長,調節腸道內菌群平衡[44]。GEORGE等[45]通過體外研究證明纖維素-多酚復合物可抑制金黃色葡萄球菌的生長。GIL-SNCHEZ等[46]研究表明,在膳食纖維與多酚的共同影響下,腸道內乳酸菌群數量增加,同時也增加了結腸內產生的短鏈脂肪酸,其對腸道健康有重要作用。與膳食纖維結合后的多酚對動物體內黑色素瘤內腫瘤有抑制作用,同時也可抑制人類白血病和宮頸癌細胞的增殖[47]。在多酚與膳食纖維結合后,膳食纖維使其溶液分散性增強、溶解性增加,并減少了多酚的結晶,有利于多酚更有效發揮本身的功效。

5.3 對多酚生物利用率的影響

體外消化研究表明,纖維素的存在會降低多酚在小腸的生物可及性并延緩了其在上消化道的釋放,但是會使其更易到達消化道下部,在結腸發揮作用[43]。BOURVELLEC等[48]發現膳食纖維可充當多酚的保護性載體,限制酚類物質在消化道上部的釋放,進而到達結腸,同時充當可將多酚轉化為活性物質的結腸微生物的養分。多酚的生物利用度與纖維素的粒徑大小與含量有重要關聯,纖維素含量越高,生物利用率越小;纖維素粒徑越小,生物利用率越高。

表2 纖維素與多酚相互作用對多酚的增效作用Table 2 Synergistic effect of interaction on polyphenols

6 結論與展望

本文針對近年來關于纖維素與多酚互作機制的研究進展進行綜述,大量研究明確了二者之間主要是通過氫鍵、疏水相互作用、離子鍵等非共價作用機制而進行的自發快速結合反應,并分析了影響其相互作用的多種因素,包括纖維素與多酚的結構、環境因素等。一些研究還通過優化纖維素的粒徑、增加結合位點以及對纖維素進行化學修飾等方法,進一步提升纖維素作為多酚的天然載體和穩定劑的功效。

纖維素與多酚形成的復合物可保護多酚免受環境影響,提高其穩定性,并可靶向遞送至人體結腸組織,同時纖維素具有較好的安全性和腸道穩定性,使其與多酚協同發揮對腸道菌群的有益作用,進而促進人體健康。

綜合以上有益因素,可將纖維素/多酚復合物作為新型食品添加劑或復配功能因子,利用纖維素自身可作為食品穩定劑、乳化劑及脂肪替代品的特點,結合多酚物質的功能活性,在食品加工中同時做到提升口感、品質和食品的功能性、健康性,以用于在預防和治療高血脂等有關疾病的功能性食品中發揮功效。因此,纖維素與多酚的互作對食品加工、人類健康等方面的應用具有重要意義。

然而,目前在纖維素與多酚的互作機理研究與應用領域雖然已取得了顯著的成果,但仍有一些問題需要進一步研究和闡明:纖維素與多酚相互作用的分子機制,包括分子結合位點和具體的連接方式,還有待于進一步確定;探索如何更加靈活和有效地控制復合物中多酚的緩釋,合理利用載體的保護并充分發揮其功能活性;由于人體消化代謝過程的復雜性,纖維素與多酚復合物的協同增效作用對人體健康,特別是腸道環境與菌群結構的影響,還需進一步的研究。