利用阿拉伯呋喃糖苷酶预处理调控漆酶交联阿拉伯木聚糖水凝胶的流变特性

本研究针对谷物加工副产物麸皮中阿拉伯木聚糖（AX）的高值化利用问题，探讨了通过α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶（GH43和GH62）预处理调控小麦（WAX）和黑麦（RAX）来源的阿魏酰化阿拉伯木聚糖的流变特性。研究发现酶法去除阿拉伯糖残基可显著改变水凝胶的吸水性能和网络结构，并通过冷冻干燥再生过程进一步提升其粘弹性。该研究为开发具有定制流变特性的膳食纤维水凝胶提供了新策略，对促进食品体系的循环经济具有重要意义。

　　

在当今全球粮食系统中，食品损失和浪费已成为严峻挑战。据联合国粮农组织报告，每年粮食损失造成的经济价值超过9000亿美元。在欧盟范围内，农产品加工业产生的副产物占食品损失总量的22%。谷物加工过程中产生的麸皮——占小麦籽粒重量的14-25%——就是其中最具代表性的未充分利用资源。虽然麸皮富含营养价值，但目前仅有10%被用于烘焙食品或膳食补充剂，大部分只能作为动物饲料或直接废弃。

麸皮中最丰富的成分是阿拉伯木聚糖（Arabinoxylan, AX），这是一种由β-D-吡喃木糖（(1→4)-linked β-D-xylopyranose, Xylp）为主链，通过α-(1→2)和/或α-(1→3)连接L-阿拉伯呋喃糖（L-arabinofuranosyl, Araf）残基取代的复杂多糖。除了作为膳食纤维具有益生元特性外，阿拉伯木聚糖还能通过其阿魏酸（ferulic acid）残基的氧化交联形成水凝胶。阿魏酸通常酯化在阿拉伯糖的O-5位置上，在漆酶（laccase）作用下，其酚羟基被氧化形成自由基，通过共振稳定化在不同位置，两个自由基耦合形成共价连接的二聚体（dehydrodimeric ferulic acids, Di-FAs），从而交联阿拉伯木聚糖链形成三维水凝胶网络。

然而，传统的碱性提取方法会通过皂化作用去除大部分酚类基团，导致阿魏酸损失。亚临界水提取虽然能保留阿魏酸，但提取的阿拉伯木聚糖的流变特性难以精确控制。研究人员假设，通过选择性去除阿拉伯糖取代基，暴露木聚糖主链，可以增强分子间相互作用，从而调控水凝胶的流变性能。为此，来自瑞典皇家理工学院的研究团队开展了这项创新性研究，成果发表在《Food Hydrocolloids》上。

本研究主要采用了以下关键技术方法：使用亚临界水提取法从小麦和黑麦麸皮中制备阿魏酰化阿拉伯木聚糖（WAX和RAX）；采用GH43和GH62阿拉伯呋喃糖苷酶进行酶法脱支处理；利用漆酶进行氧化交联形成水凝胶；通过冷冻干燥和再生过程处理水凝胶；采用高效阴离子交换色谱（HPAEC-PAD）分析单糖组成；使用高效液相色谱（HPLC-UV）定量酚酸和阿魏酸二聚体；通过流变学测量评估水凝胶的粘弹性特性；运用广角/小角X射线散射（WAXS/SAXS）和场发射扫描电镜（FE-SEM）分析水凝胶的多尺度结构和形态。

3.1. 起始WAX和RAX底物的生化特性表征

研究人员首先对从小麦和黑麦麸皮中提取的阿拉伯木聚糖进行了全面表征。单糖组成分析显示WAX和RAX提取物的阿拉伯木聚糖纯度分别为732.2 mg/g和750.8 mg/g，阿拉伯糖与木糖比率（A/X比）分别为0.31和0.37。糖苷键分析表明，RAX中单取代木糖（3,4-Xylp）单元的相对丰度较高，而WAX中双取代木糖（2,3,4-Xylp）单元略多。酚酸含量分析显示WAX的阿魏酸含量（15.3 mg/g）高于RAX（11.3 mg/g），相当于每50个木糖单元有一个阿魏酸基团（WAX）和每70个木糖单元有一个阿魏酸基团（RAX）。尺寸排阻色谱显示RAX的分子量略高于WAX。

3.2. 阿拉伯呋喃糖苷酶处理对阿拉伯木聚糖结构的影响

研究人员使用GH43和GH62阿拉伯呋喃糖苷酶对WAX和RAX进行脱支处理。结果显示，两种酶协同作用时能更有效地去除阿拉伯糖，WAX和RAX的阿拉伯糖去除率分别增加48%和33%。重要的是，酶处理没有去除与阿魏酸连接的阿拉伯糖单元，表明交联位点数量保持不变。研究人员估计，酶处理后WAX和RAX中分别剩余7和11个非阿魏酰化阿拉伯糖单元（每100个木糖单元），这可能是由于阿拉伯糖去除导致AX链聚集，进一步阻碍了酶的可及性。

3.3. 漆酶和阿拉伯呋喃糖苷酶处理后酚酸含量

研究发现，漆酶处理导致WAX和RAX中阿魏酸含量减少，同时8-8′和5-5′二聚体增加。有趣的是，仅用漆酶处理时，RAX的阿魏酸减少程度比WAX更显著，尽管WAX的阿魏酸含量更高。阿拉伯呋喃糖苷酶预处理对不同来源的阿拉伯木聚糖产生了不同的影响：WAX经GH43单独处理后，漆酶介导的氧化程度显著增加，而经GH43+GH62处理后，阿魏酸氧化程度大幅降低。相反，RAX经GH62单独处理后，交联程度大大降低。这些差异可能与阿拉伯糖取代模式和阿魏酸的可及性有关。

3.4. 先前阿拉伯呋喃糖苷酶处理调控再生后漆酶交联水凝胶的流变特性

水凝胶的凝胶评分显示，阿拉伯呋喃糖苷酶处理显著影响了WAX的凝胶形成，而RAX水凝胶受影响较小。未经任何酶处理的WAX在添加漆酶后形成松散水凝胶，而经GH62或GH62+GH43预处理的样品则表现为粘性液体。吸水性能测试表明，酶处理和冷冻干燥再生后，水凝胶的吸水能力明显降低，固体含量增加了最多4倍。流变学测量显示，所有样品的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），表明它们都具有水凝胶特性。再生处理后，所有WAX和RAX样品的G′模量均比未再生样品高。值得注意的是，阿拉伯糖去除对WAX和RAX水凝胶的流变特性产生了截然不同的影响：RAX水凝胶经GH43和GH62处理后显示出最高的G′和G″模量，而WAX水凝胶未经任何酶处理时表现出最高的G′值。

3.5. 阿拉伯糖去除影响漆酶交联水凝胶的多级组装

通过WAXS和SAXS分析水凝胶的多尺度结构发现，WAX分散体和氢键比RAX具有更高的有序度。酶处理和再生后，RAX和WAX水凝胶的有序度均增加，表明主链相互作用增强。SAXS分析显示，所有样品的Porod指数在3-4之间，表明存在紧凑的3D结构。FE-SEM图像显示，酶处理破坏了WAX水凝胶的分级组织，而RAX水凝胶则形成了更紧密的网络结构，这与流变学测量结果一致。

本研究证实，通过阿拉伯呋喃糖苷酶预处理结合冷冻干燥再生过程，可以精细调控漆酶交联阿拉伯木聚糖水凝胶的流变特性。研究发现，阿拉伯糖去除对小麦和黑麦来源的阿拉伯木聚糖产生不同的影响：RAX水凝胶经酶处理后表现出更高的粘弹性，而WAX水凝胶的流变性能则受到影响。这种差异主要归因于多糖聚集、水合作用和漆酶可及性等生物物理特性的变化。

该研究的重要意义在于提供了一种酶法策略来定制阿拉伯木聚糖水凝胶的功能特性，为谷物加工副产物的高值化利用开辟了新途径。这些具有可调流变特性的膳食纤维水凝胶在食品工业中具有巨大应用潜力，可作为食品亲水胶体使用，不仅能够改善食品的质构特性，还能提供益生元 benefits，同时促进食品体系的循环经济。未来研究应关注该技术的技术经济潜力，包括工艺可扩展性、酶成本和生命周期评估等方面。