具有强抗氧化活性的阿魏酸-细菌纤维素/阿拉伯木聚糖复合物的制备及其消化行为

《Carbohydrate Polymers》：Preparation and digestive behavior of ferulic acid-bacterial cellulose/arabinoxylan complex with strong antioxidant activity

本研究利用细菌纤维素/阿拉伯木聚糖复合物（BA）与槲皮素（FA）制备抗氧化膳食纤维（ADF）复合物（FA-BA），探究其功能特性及消化行为。结果表明，FA-BA复合物DPPH和ABTS抗氧化活性显著高于混合物；体外消化显示66.78%的FA被释放为生物可及态，其释放机制主要由FA与BA的氢键相互作用主导，且消化过程中氢键作用减弱。FA-BA复合物在消化后仍保留部分FA及抗氧化活性，证实其相互作用对消化行为的关键影响，为功能食品开发提供理论依据。

　　

王学青|乔治亚·普尔卡罗|杨莉|杨静静|贾朗|李静峰|范蓓|黄亚涛|王凤中|王莉莉

中国农业科学院食品科学技术研究所，北京，100193，中国

摘要

细菌纤维素/阿拉伯木聚糖复合材料（BA）被广泛用作植物细胞壁的替代品，用于结合多酚以形成抗氧化膳食纤维（ADF），这是一种潜在的功能性成分。本研究旨在利用阿魏酸（FA）制备ADF（FA-BA复合物），并研究其功能特性和消化行为。结果表明，成功制备了FA-BA复合物，其中FA含量为20.44 μg/mg，结晶度为87.56%。该复合物表现出比FA-BA混合物更强的DPPH和ABTS抗氧化活性。体外消化实验表明，复合物发生了膨胀，有66.78%的FA从复合物中释放出来并变得可被机体吸收。pH值变化（口腔-胃肠道消化）、消化酶的存在以及复合物的膨胀并未显著促进FA的释放，而FA-BA之间的相互作用是影响FA释放的主要因素。FA与BA之间的结合主要是通过氢键实现的。此外，随着消化的进行，FA与BA之间的氢键能量逐渐减弱。消化后的复合物仍保留了一部分FA和抗氧化活性。研究表明，复合物的消化行为受FA-BA相互作用的影响，这对其在功能性食品中的应用至关重要。

引言

膳食纤维和植物中的结合多酚紧密结合形成一种特殊的复合物，称为抗氧化膳食纤维（ADF）（Rocchetti等人，2022年）。ADF兼具膳食纤维和多酚的双重特性，为人类提供重要的健康益处，如抗氧化、抗炎和益生元作用（Khor等人，2017年）。ADF主要存在于植物源性食物的细胞壁中，特别是在谷物的果皮和种皮、水果皮以及蔬菜茎中，这些食物在我们的日常生活中被广泛食用（Das等人，2020年；Rocchetti等人，2022年）。因此，深入了解ADF具有重要意义。然而，从植物中提取高纯度的ADF面临许多挑战，因为植物基质是一个复杂的系统，其中包含淀粉、蛋白质和维生素等其他成分（Wang等人，2024年）。一些研究利用细菌纤维素复合材料作为植物细胞壁的替代材料来制备ADF（Chen等人，2020年；Phan等人，2017年）。细菌纤维素由Gluconacetobacter xylinus（Ga. xylinus）在培养基中产生（Mikkelsen等人，2015年）。将聚合物（如阿拉伯木聚糖）加入培养基中，通过自组装过程形成细菌纤维素复合材料（Berglund等人，2020年；Mikkelsen等人，2015年）。这些复合材料能够准确模拟植物细胞壁的结构（如形态结构、机械性能和晶体结构（Chibrikov等人，2024年；Lin等人，2015年）。细菌纤维素复合材料具有吸附多酚的能力，并可作为膳食纤维，将多酚结合形成ADF（Chen等人，2020年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年）。

形成的ADF具有重要的功能特性。Ramírez Tapias等人（2022年）和Zhang等人（2024年）报告称，ADF的抗氧化活性比单一成分更强。此外，ADF的功能特性的发挥取决于其在胃肠道中的消化行为（Wang等人，2024年）。ADF在消化过程中吸水膨胀，多酚从ADF中释放出来并变得可被机体吸收（Rocchetti等人，2022年）。这意味着ADF中的细菌纤维素复合材料将多酚带入胃肠道，在那里多酚发挥有益作用（Zhang等人，2024年）。因此，阐明ADF的消化行为，特别是多酚的释放机制，对于开发相应的功能性食品至关重要。多种因素影响消化过程中多酚的释放，进一步影响其在体内的生物可利用性和吸收（Sharma等人，2025年）。例如，胃肠道环境（pH值和消化酶）可能会降解细菌纤维素复合材料的结构，使多酚释放到消化液中（Rap?等人，2021年；Winslow等人，2018年；Zhu等人，2010年）。此外，Zhang等人（2024年）发现绿原酸的释放可能与ADF网络结构的膨胀和分解有关。然而，现有文献主要关注消化条件和结构变化对细菌纤维素复合材料中多酚释放的影响，忽视了多酚与ADF中细菌纤维素复合材料之间的相互作用对其生物可利用性的重要性。Phan等人（2015年）和Sharma等人（2025年）报告称，这些相互作用在控制多酚释放中可能起重要作用。Padayachee等人（2013年）发现，一旦多酚与细菌纤维素复合材料结合，在消化过程中释放的多酚量很低（低于2%）。遗憾的是，现有研究没有使用“多酚-细菌纤维素复合材料混合物”作为额外的对照组来研究相互作用对多酚释放行为的影响，并全面比较这些影响因素。

纤维素和阿拉伯木聚糖是植物细胞壁的主要成分（Bento-Silva等人，2018年），而阿魏酸（FA）是植物细胞壁中最丰富的多酚（Leontakianakou等人，2025年）。因此，本研究制备了细菌纤维素/阿拉伯木聚糖复合材料（BA），并使用FA制备了ADF（FA-BA复合物）。研究了FA-BA复合物的结构和抗氧化活性。此外，系统探讨了ADF在体外胃肠道消化过程中的结构变化以及影响FA释放的因素，以揭示其消化行为。我们提出以下假设：复合物中FA与BA之间的相互作用将决定FA在消化过程中的释放和生物可利用性。这项研究有助于进一步研究FA-BA复合物在体内的健康益处。

材料

Ga. xylinus（ATCC 700178）购自北京BeNa培养收集中心。FA（纯度≥98%，SF8030）、2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）和2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）试剂盒购自北京Solarbio公司。阿拉伯木聚糖（P-WAXYM）购自上海Megazyme公司。关于阿拉伯木聚糖的信息由Megazyme公司提供，包括：(1→4)-β-D-木吡喃糖苷骨架与α-L-阿拉伯呋喃糖连接。

微观结构观察

BA的分子量为132.7 ± 9.4 kDa，干重为1.68 ± 0.13%。如图1A所示，BA的表面结构非常致密和紧凑，由高度缠结的纤维素纤维组成。此外，纤维素纤维随机排列并相互缠绕。阿拉伯木聚糖聚集形成球状结构并吸附在纤维素纤维上。早期研究中也观察到类似的现象，即阿拉伯木聚糖通过某种方式附着在纤维素上。

结论

总之，本研究制备了ADF（FA-BA复合物），以系统探讨其功能特性和消化行为。结果表明，该复合物具有强烈的DPPH和ABTS抗氧化活性。此外，消化过程中复合物的结构逐渐松散，FA被释放并变得可被机体吸收。FA与BA之间的非共价相互作用，尤其是氢键，是影响FA从复合物中释放的主要因素。

CRediT作者贡献声明

王学青：撰写——原始草稿、软件使用、方法学设计、数据整理、概念构建。 乔治亚·普尔卡罗：撰写——审阅与编辑、监督。 杨莉：撰写——审阅与编辑、监督。 杨静静：软件使用、数据分析。 贾朗：数据验证、软件操作。 李静峰：软件使用、数据分析。 范蓓：资源获取、实验调查。 黄亚涛：数据验证、资源管理。 王凤中：项目监督、资金争取。 王莉莉：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2021YFD1600100）、青海省科技计划（2022-ZJ-T04；2021-NK-A3）、拉萨市重点科技计划（LSKJ202431；LSKJ202312）以及益蒙创新创业计划（2022）的支持。