小麦阿拉伯木聚糖的益生功能及对肠道微生态的调节

赵萌菲 王琳燚 袁艳枝 李绍钰

摘 要：病原体的耐药性日渐增大，替代抗生素的益生元成为近年来研究的热点问题。小麦阿拉伯木聚糖（AX）及水解产物阿拉伯低聚木糖（AXOS）作为一种新型益生元，对人和动物肠道益生菌有特异性增殖效果。此外，与菊粉等益生元相比，降解后的小麦AX显著提高小鼠结肠和盲肠短链脂肪酸的含量及其抗肿瘤免疫活性。最新研究表明，添加GH11木聚糖酶（50mg EP/kg）能够溶解和降解麦麸AX，并产生可通过盲肠微生物群发酵的低平均聚合度（avDP值为4～8）的AXOS，丁酸水平增加2mmol（P<0.05），产丁酸的细菌属柔嫩梭菌和肠单胞球菌显著增加，而拟杆菌的水平显著降低，导致微生物群移位并对体外跨上皮耐药性有益。本文主要介绍近年来关于小麦AX、AXOS益生功能及对肠道微生态的研究，为小麦产品及饲粮的有效利用与开发提供科学依据。

关键词：小麦;阿拉伯木聚糖;阿拉伯低聚木糖;益生功能;肠道微生物

随着抗生素的过度使用，病原体耐药性日渐增大，而且在畜产品中的残留很难消除，目前一些欧盟、美国联邦等国家已开始在食品、药品逐渐禁止抗生素的使用，因而代替抗生素的益生元有了更广阔的发展空间。近年来，我国小麦产量及价格相对比较稳定，小麦产品及饲料的应用越来越广泛，而且小麦中的阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX）及其水解产物阿拉伯低聚木糖（arabinoxylan oligosaccharides，AXOS）作为一种新型益生元，可特异性地促进人和动物肠道益生菌的增殖，特别对双歧杆菌、乳酸菌等益生菌的促生长作用效果可与菊粉相媲美，且降解程度越高，益生活性越好[1]。另外，小麦AX及AXOS还具有降低血液中的甘油三酯[2]、降血糖[3]、抗氧化[4]、抗肿瘤[5]、免疫调节[6-7]等生理功能，逐渐被应用于食品、医疗、饲料等行业。因此，AX与AXOS的益生功能与应用成为目前研究的热点问题。但由于小麦AX、AXOS有助于动物生长和健康的机制尚不清楚，且对肠道菌群的调节方面的报道也较少，因此，小麦在不同行业的应用仍然受到一定限制。本文主要从小麦AX与AXOS的结构和功能以及酶学特性对肠道菌群的调节三方面来介绍小麦AX及其水解产物AXOS，为小麦产品及饲粮的更有效利用与开发提供科学依据。

1 小麦AX的结构与功能

1.1 小麦AX的结构

小麦AX主要存在于小麦种皮中，是构成植物细胞壁的主要成分，其形成的阿拉伯木聚糖主链和α-L-呋喃阿拉伯糖基侧链（arabinose，Ara）结构基本相同，由β-D-吡喃木糖残基（xylose，Xyl）经β-1，4-糖苷键相互连接构成，Xyl可以在C2或C3位置被Ara单取代，也可以在C2和C3位置被Ara雙取代。除这两种侧链取代基外，AX的支链的组成还包含阿魏酸（Ferulicacid，FA）、葡萄糖醛酸及p-香豆素等多种支链[8]。因此，即使来源于同一品种小麦的不同组织其AX的结构也会不同，主要原因是其聚合度（average degree of polymerization，avDP）、侧链取代程度（average degree of arabinose substitution，avDAS）、支链取代基以及FA含量等的差异导致。另外，FA基团对于AX的结构[9]和功能[10]起着重要影响。小麦AX在水中呈螺旋棒状结构，具有很强的吸水和持水性，是引起小麦饲粮抗营养性的主要因素。根据溶解性不同，AX可分为水溶性阿拉伯木聚糖（water-extractable arabinoxylan，WE-AX）和水不溶性阿拉伯木聚糖（water-unextractable arabinoxylan，WU-AX）两类，WE-AX与WU-AX支链的结构相似，Beaugrand等[11]认为，小麦等谷物的WU-AX的聚合度和阿拉伯侧链取代程度（Ara/Xyl）要高于WE-AX，但有研究发现，小麦麸皮和面粉中WE-AX的Ara/Xyl值要高于WU-AX[12]。因此，不同研究方法或品种间存在较大差异性。另外，由于小麦AX自身结构的特异性及与其他细胞壁分子之间如木质素、纤维素等，具有物理或化学性质的结合能力，因此，小麦AX大部分以WU-AX的形式存在。

1.2 小麦AX的功能

目前小麦AX的益生功能对人体应用研究较多，人类营养学家研究发现，由于小麦AX 结构的特异性及高聚合度等原因使其在肠道后端发酵，降低了胆汁酸与结肠细胞的接触时间，同时降低结肠内葡萄糖苷酶和葡萄糖醛酸酶等微生物代谢酶的活性，从而能更有效地调节肠道后段的健康[13-14]。而且Lupton等[15]测试所有的高纤维样品中，富含AX的小麦麸皮纤维素抗肿瘤效果最好。近年来，小麦AX对肠道的免疫调节功能报道也越来越多，通过给小鼠口服碱性或酶提取的小麦AX发现，其对小鼠先天或获得性免疫应答都有良好作用，而且通过体外发酵方式研究其益生活性，发现面粉来源的AX比麸皮来源的AX在提高小鼠结肠和盲肠短链脂肪酸的含量及其抗肿瘤免疫活性方面更为突出，其原因与小麦面粉来源的AX含有较高蛋白质和FA有关。这也表明小麦AX的免疫活性可能与肠道短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）含量间接相关[7]。此外，FA是小麦AX中的重要组成部分，通过发酵制备的麦麸阿魏酰低聚糖（feruloyl oligosaccharides，FOs）可有效提高大鼠血浆和组织中抗氧酶活性和谷胱甘肽含量，降低DNA氧化应激代谢产物8-羟基脱氧鸟苷的含量，从而显著提高其抗氧化及抗应激能力[16]。然而，小麦AX在畜禽饲料应用上却受到一定的限制，AX是小麦中的非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSP）的重要组成部分，是小麦饲粮中的主要抗营养因子，添加木聚糖酶可基本消除AX的抗营养作用，提高肠道有益菌（如双歧杆菌、乳酸菌等）的数量[17]，降低有害菌（类杆菌、梭菌类等）的增殖[18]，因此，木聚糖酶的添加成了目前降低小麦AX抗营养作用最普遍的方法。而且最近有研究发现，小麦饲料中添加木聚糖酶，可调节肉鸡脂代谢相关基因的表达，降低肉鸡腹脂率，提高经济效益[19]。

2 小麦AXOS的结构与功能

小麦AXOS主要是由AX的降解形成，当缺乏外源酶降解时，AX主要靠肠道内细菌分解分泌的木聚糖酶等降解酶进行降解产生，主要原因是这些细菌含有与多糖利用相关的基因座（PULs）[20]。想要完全降解需要借助外源木聚糖酶来帮助降解，不仅可以使WU-AX的分子质量减小，还可以使WU-AX向WE-AX转变，并进一步降解为短链的AXOS[21]。AXOS具有除AX以外更多的益生功能。AX 、AXOS的功能活性、分子質量大小及分子结构与avDP与avDAS值密切相关[22]。Pastell等[23]采用体外发酵培养分子质量分别为354、278、66ku的AX发现，低分子质量的AX 降解产物作为益生元更具优势。并且研究对比5种不同avDP、avDAS值发现，平均聚合度（avDP）为29的AXOS可以到达结肠远端，并降低蛋白水解浓度，更有效地调节后肠的健康，预防结肠癌;而具有较低聚合度（avDP）为8的AXOS主要在近端结肠发酵[24-25]。且avDAS值越大，AX越难被降解[26]，通过添加支链酶后，降解难度降低也证明了这一观点[27]。因而，不同的avDP、avDAS值在不同的组织部位发挥的作用不一样。另外，AXOS还具有降低血液胆固醇、维持胃肠健康和增加矿物质吸收等功能[28]。在食品中，还可根据AXOS保湿性和持水性来改变面团的流变特性，可作为食品增稠剂和稳定剂;并且利用良好的双歧杆菌增殖效果及良好的耐热、耐酸及贮藏稳定性，已经使用在豆浆粉、发酵乳和乳酸菌等饮品中[29-30]。

3 小麦AX对肠道微生态的调节

小麦AX与AXOS作为肠道细菌发酵的底物，主要被双歧杆菌和乳酸杆菌利用形成终极产物SCFA，并且刺激肠道微生物分泌木聚糖酶、木糖苷酶等[31-32]。通过分析双歧杆菌和乳酸杆菌提取物发现，双歧杆菌提取物中主要是乙酸、丙酸、丁酸和异丁酸等多种挥发性SCFA，乳酸杆菌提取物中乙酸含量很高[33]。乙酸和丙酸经结肠吸收后主要用于肝脏合成葡萄糖的底物，参与机体糖代谢和脂代谢[34]。丁酸主要维持肠道黏膜完整性，是结肠细胞中最重要的能源物质，是SCFA中益生元活性的重要指标。研究者通过体外发酵法检测葡萄糖、菊粉及碱提、酶解（AXEM1 、AXEM2 ）、柠檬酸解（AXC2 、AXC1 ）小麦AX产品，发现只有酶解AX产品AXEM2 中检出丁酸，这与益生活性值最高相符，分数为0.35[1]。近年来，有研究者通过焦磷酸测序16S rRNA基因发现，低聚木糖可增加肉鸡的盲肠中乳酸杆菌属的比例及乙酸和丙酸的浓度，但不改变特定微生物属存在与否，而且乙酸的产生促进肠道健康[35]。另外，将小麦麸皮AXOS作为碳源制备的发酵培养基，经过33h发酵后志愿者肠道内一些指标也发生了显著变化，如pH从7.3降至5.2、FASC含量从2.8增至98.9、丁酸含量从0.6增至16.4，这也充分说明了AXOS作为肠道细菌发酵底物的益生性[36]。SCFA的增加使肠道pH降低，有助于控制病原菌的生长繁殖，对大肠杆菌、沙门氏菌有明显的抑制作用[37]。 还有研究者通过给小鼠添加不同剂量的小麦AX发现，AX均能提高小鼠结肠、盲肠短链脂肪酸含量[7]，通过设置低、中、高剂量试验也证明此观点[38]。徐海燕等[39]分析低聚木糖对2种乳杆菌和3种双歧杆菌发现，1%的低聚木糖对人体肠道中的植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）有明显的增殖作用，并可抑制大肠杆菌的生长，且对肠球菌无明显的增殖效果。此外，最新研究表明，GH11木聚糖酶能够溶解和降解麦麸AX以产生可通过盲肠微生物群发酵的低avDP值的AXOS，导致微生物群移位并对体外跨上皮耐药性有益。通过添加较高剂量（50mgEP/kg，EP =酶蛋白）GH11木聚糖酶降解后能显著的将AXOS的avDP值转变为4～8，丁酸水平增加2mmol（P<0.05），产丁酸的细菌属柔嫩梭菌群、普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）和肠单胞球菌（Intestinimonas sp.）显著增加，而拟杆菌的水平显著降低[40]。因此，对于小麦AX、AXOS有助于人和动物生长及肠道健康的机制表现出较好的发展前景。

4 结语

小麦AX及其产物AXOS等益生功能的研究在国内外已有较多报道，但多集中在人和小鼠研究中，在畜牧业上的应用研究也都集中在小麦AX对动物生产水平上的影响，在肠道微生态的调节方面报道也较少，而且研究结果差异较大，其原因可能是降解酶菌种来源、酶学特性、小麦不同组织和个体差异等，从而限制了小麦在畜牧业上更好的发展。 因此，有必要针对小麦AX及降解产物AXOS酶学特性及对肠道细菌代谢机理上做更多的研究，为新型益生元及小麦产品的有效利用和开发提供科学依据。◇

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The Probiotic Function of Wheat Arabinoxylan and Its Regulation of Intestinal Microecology

ZHAO Meng-fei 1，2 ，WANG Lin-yi 2，YUAN Yan-zhi 1，2 ，LI Shao-yu 2

（ 1 College of Animal Science and Veterinary Medicine，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450046，China; 2 Institute of Animal Husbandry and Veterinary Science，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China）

Abstract：The pathogen resistance is increasing，prebiotics replace antibiotics become a hot topic in recent years.As novel prebiotics，wheat arabinoxylan（AX）and its hydrolyzate arabinoxylan（AXOS）show better proliferation effects on intestinal probiotics in human and animals.In addition，compared with the prebiotics such as inulin，the degraded wheat AX significantly increased the content of short-chain fatty acids in the mouse colon and cecum，and the antitumor immunity in mice，and new research have shown that GH11 xylanase（50 mg EP/kg）was able to solubilise and degrade wheat bran AX to yield low average degree of polymerization（avDP values 4～8）AXOS that can be fermented by cecal microbiota，and increased（P<0.05）butyrate levelsby 2mmol compared to control by adding enzyme dosage.Butyrate-producing bacterial genera Faecalibacterium and Intestinimonas were significantly increased，while Bacteroidetes levels were significantly lowered.This article mainly introduced the research on probiotics and the intestinal microecology of wheat AX and AXOS in recent years，which provided scientific basis for the effective utilization and development of wheat products and diets.

Keywords：wheat;arabinoxylan;arabinoxylan oligosaccharides;probiotic function;intestinal microorganisms

（責任编辑 李婷婷）