谷物中多酚與多糖之間相互作用的研究進展

易翠平, 劉 爽, 林本平, 劉艷蘭

(長沙理工大學食品與生物工程學院，長沙 410114)

多酚是一種結構多樣化的植物次生代謝產物，在植物中具有多種功能[1]。多酚類物質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，而高劑量多酚產生的促氧化活性導致了DNA損傷與細胞凋亡，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合[4]。細胞壁多糖具有益生元、免疫調節、抗氧化、抗糖尿病和心臟保護等健康效應[5]。

近年來，研究者主要關注谷物多酚的提取制備工藝，但是由于細胞壁內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。目前關于多酚與細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胞壁多糖之間的連接鍵和分子間作用力、及多酚與細胞壁多糖相互作用對多酚提取工藝的影響進行綜述，為今后研究食品基質組分之間的相互作用以及提高多酚的利用價值提供理論基礎。

1 多酚與細胞壁多糖的相互作用機理

酚酸是多酚中與多糖產生相互作用的主要物質[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，并根據芳香環中羥基數目和位置的變化產生多種衍生物。羥基肉桂酸和羥基苯甲酸衍生物的基本結構及常見物質如圖1所示。羥基肉桂酸衍生物在結構中具有C6-C3的特點，常見物質包括阿魏酸、對香豆酸、咖啡酸等。羥基苯甲酸衍生物在結構中具有C6-C1的特點，常見物質包括沒食子酸、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)衍生物結構及常見物質

多酚根據存在形式可分為結合酚和游離酚，結合酚通常與細胞壁多糖等物質以結合態存在于植物細胞壁中[10]。多酚與細胞壁多糖主要依靠兩種作用力結合，一種為非共價相互作用，另一種為共價相互作用。

1.1 共價結合

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

表1 谷物中多酚含量及多酚與細胞壁多糖的結合形式

1.1.1 酯鍵結合

酚酸中羥基苯甲酸和羥基肉桂酸的羧基可以與谷物細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，且通常與細胞壁多糖交聯后形成細胞壁的一部分，以結合態存在。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構[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，結果表明玉米果皮中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 醚鍵結合

酚酸中羥基苯甲酸與羥基肉桂酸中的羥基可以與細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胞壁多糖形成共價連接[26]。有研究選擇玉米秸稈和稻草秸稈作為泌乳奶牛飼料，證實飼料中酚酸與多糖之間交聯結構的增加將抑制細胞壁的降解，從而減少能量的供應以及飼料中阿魏酸與香豆酸的代謝能力[26]。在多數關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 糖苷鍵結合

在谷物中，多酚與多糖在少數情況下也會通過糖苷鍵產生相互作用(圖4)。小米中存在的大多數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到目的。通過酸水解提取到黑豆中的多酚類物質，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 非共價結合

1.2.1 氫鍵作用

多酚與多糖結構中含有許多羥基，為它們之間產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胞壁多糖的吸附能力[30]。細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]，結合酚單體含量在常規環境中顯著下降[34]，這可能是由于氫鍵斷裂，使結合酚與細胞壁多糖之間的相互作用被破壞。

1.2.2 疏水相互作用

當細胞壁多糖或多酚不溶于水或溶解度較小時，細胞壁多糖與多酚可以聚集在一起產生疏水相互作用[35]。Le等[36]提出如果在纖維素聚合物的疏水區域和多酚分子結構中的疏水基團(例如芳環)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。當疏水相互作用不作為主要作用力時，緩沖液濃度改變了原花青素對細胞壁多糖的吸附程度，這是由于疏水相互作用強弱發生了變化[31]，因此，Wu等[37]也認為若較高濃度的緩沖液可以減弱多酚對細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]證實乙醇濃度的改變影響了小麥中多酚對細胞壁多糖的結合程度，因此可以認為乙醇濃度的增加破壞了多酚與細胞壁多糖之間的結合，疏水相互作用較弱。同樣的，當樣品被酸化，氫離子濃度增加時，結合酚含量降低，高粱麩皮中多酚與細胞壁多糖結合能力減小，疏水相互作用較弱[39]。

2 提高多酚釋放的加工方式

多酚常與細胞壁多糖以結合態形式存在。但結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，相比于結合酚，游離酚的抗氧化能力更強[41，42]。因此促進結合酚向游離酚的轉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行處理，以破壞多酚與細胞壁多糖之間的相互作用，促進結合酚的釋放，提高游離酚的含量[43]。

2.1 非熱處理

發芽能夠打破種子休眠，激活細胞代謝，使細胞活化并釋放多種水解酶，促進多糖等大分子物質水解，進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合，而人體消化酶無法將酯鍵水解[44，45]。王軍等[46]對燕麥進行發芽處理后發現，可能是發芽過程中因細胞代謝而產生多種酶，水解了燕麥多酚與細胞壁多糖間的酯鍵，促進了不溶性結合酚中酚類物質的釋放，其中的不溶性結合酚類物質含量有一定程度的下降。同樣玉米發芽也可以改變酚類等營養物質的含量與組成。玉米發芽前后游離酚酸含量顯著增加，可能是由于發芽過程中產生的水解酶破壞了多酚與細胞壁多糖間的酯鍵或醚鍵等共價鍵[47]。

發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胞壁基質，或水解多酚與多糖之間的共價鍵，促進酚類物質的釋放[43]。Liu等[48]利用枯草芽孢桿菌對脫脂麥胚進行發酵處理，發酵過程中產生大量的酶促進細胞壁基質的分解，使多酚擺脫與細胞壁多糖之間的相互作用，促進了多酚的釋放。發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。總而言之，非熱條件下主要是酶破壞了多酚與多糖的相互作用，最終使結合酚轉變為游離態。

2.2 熱處理

擠壓加工是對食品進行高溫、高壓和剪切等處理，在這樣的條件下細胞壁基質被破壞，多酚與多糖之間的共價鍵斷裂，從而增加了結合酚的釋放。藜麥中多酚與果膠、纖維素等細胞壁物質以酯鍵或醚鍵共價結合[37]。Song等[37]探究了擠壓技術對紅色藜麥中結合態酚類物質含量的影響，在適當溫度下對紅色藜麥進行擠壓后，其中結合酚含量顯著降低，游離酚含量增加。這可能是由于擠壓導致細胞壁結構發生了改變，從而使細胞壁多糖與多酚之間的連接鍵斷裂，藜麥中結合的酚類物質釋放，因此擠壓是釋放藜麥中結合酚類物質的有效途徑。Chen等[51]對擠壓后脫脂米糠中酚類物質的分布進行研究后發現，經過擠壓的脫脂米糠中游離酚質量分數增加了23%，由于米糠中的酚類化合物主要與細胞壁成分通過酯鍵等共價鍵相結合，擠壓促進了共價鍵的斷裂，使米糠中的結合酚向游離態轉化。

蒸煮作為常見的水熱處理方式，利用熱能削弱了細胞壁基質與多酚的相互結合，促進了結合態酚類化合物的釋放[52]。大量關于對谷物進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，這可能是由于細胞壁多糖對酚酸的束縛減小，使酚酸從細胞壁中釋放[53]。黑米中花青素主要與細胞壁多糖通過糖苷鍵連接[39]，黑米經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胞壁多糖的復雜結構被破壞，多酚與細胞壁多糖間的連接鍵斷裂，導致多酚單體化合物的釋放[56]，因此可以認為蒸煮處理可誘導藜麥中特定種類酚酸的釋放。

3 總結與展望

多酚作為谷物中重要的活性物質，存在形式以結合態為主。多酚與多糖之間的相互作用包括非共價相互作用和共價相互作用。非共價相互作用以氫鍵和疏水相互作用為主。共價相互作用主要以酯鍵和醚鍵形式存在，同時也有少數糖苷鍵存在。由于相互作用的存在影響了多酚的提取和利用，也影響了多酚產物的純度，因此可通過發酵、擠壓等處理方法促進結合酚向游離酚的轉化，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，但是由于檢測技術的局限性、多酚與多糖結構的復雜性，使得研究進展緩慢，尤其是在谷物領域的研究成果較少。

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容進行探究。借鑒果蔬中多酚與多糖相互作用的表征方式，利用現代檢測技術對谷物中多酚與多糖之間的具體相互作用進行測定，探究多酚與多糖相互作用的影響因素，為谷物中的結合酚向游離酚的轉化提供理論基礎，進一步探究不同加工方式對多酚提取程度及穩定性的影響，多酚與細胞壁多糖的相互作用也可能會導致多糖理化性質和營養特性的改變，今后的研究可以考慮多酚的釋放和結合對細胞壁多糖理化性質及營養特性的影響。