菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus Lam.）多酚在成熟过程中及体外消化过程中的动态变化，及其对肠道微生物群的影响

《Antioxidants》：Dynamic Changes in Jackfruit (Artocarpus heterophyllus Lam.) Polyphenols During Maturation and In Vitro Digestion and Their Effects on the Gut Microbiota

番石榴多酚在不同成熟阶段及体外消化、结肠发酵中的转化规律及其对肠道菌群和短链脂肪酸的影响。通过HPLC-HR TOF MS2和16S rRNA测序分析发现，成熟度影响多酚组成和生物活性，未成熟果实时Bound Polyphenols占比高，发酵后转化为Free Polyphenols，促进有益菌增殖和SCFA生成，但成熟度过高时酶抑制活性降低。研究揭示了多酚结构变化与功能活性的动态关联，为功能食品开发提供理论依据。

　　
菠萝多酚的转化机制及其对肠道菌群与短链脂肪酸的影响研究

摘要
本研究系统解析了菠萝（Artocarpus heterophyllus）不同成熟阶段多酚的动态转化规律，及其在体外模拟消化和结肠发酵过程中对肠道菌群结构及短链脂肪酸（SCFAs）产量的调控作用。通过扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）结合高效液相色谱-高分辨质谱联用技术（HPLC-HR TOF MS2），首次揭示了菠萝多酚在成熟、消化及发酵过程中的三维空间结构重构与分子转化机制。研究发现，未成熟菠萝富含结合态多酚（BP），其以木质素-多糖复合物的形式存在，经胃酸和胰酶作用后，逐步转化为游离态多酚（FP）和可溶性结合态多酚（CP）。在结肠发酵阶段，微生物酶解作用进一步释放低分子量活性成分，促进产丁酸菌增殖，形成"多酚-菌群-SCFAs"正反馈循环。该研究为精准调控菠萝功能性成分的加工工艺提供了理论依据。

引言
菠萝作为热带水果的重要经济作物，其果肉富含多酚类生物活性物质。现有研究多聚焦于游离态多酚的抗氧化活性，却忽视了结合态多酚（占总量60-80%）在消化过程中的动态转化规律。结合态多酚通过与多糖、木质素等形成复合物，既保护了活性成分免受破坏，又限制了其生物利用度。本研究创新性地构建了"成熟度-消化阶段-发酵周期"三维分析模型，首次系统揭示菠萝多酚在从青绿到成熟的全过程中，其化学组成、生物活性及菌群调控的时空演变规律。

实验材料与方法
选取海南热带作物研究所培育的泰国5号菠萝（Jackfruit Thai No.5），按成熟度分为未熟（J1）、微熟（J2）和成熟（J3）三个阶段。采用改进的Minekus体外消化模型（含唾液、胃液、肠液三阶段），结合人类粪便菌群模拟发酵体系。通过SEM观察细胞壁结构演变，FTIR解析官能团变化，HPLC-HR TOF MS2鉴定代谢产物，16S rRNA测序分析菌群结构，GC-MS检测SCFAs生成谱系。所有实验均设置三次生物学重复，数据经Shapiro-Wilk正态性检验和Duncan多重比较校正。

结果分析
1. 结构转化规律
SEM显示，未熟菠萝的细胞壁呈现致密的网状结构（J1），随着成熟度增加（J2-J3），胞间孔径扩大至微米级，多糖网络降解。FTIR分析表明，1666 cm?1处的羰基峰强度随成熟度增加而增强，提示木质素-多酚酯键解离。在胃相阶段，pH值降低至2.0促使酯键水解，释放出40-60%的游离多酚。肠相阶段（pH 7.0-7.4），胰酶分解复合多糖，结合态多酚（BP）转化为可溶性结合态（CP），其中异鼠李素-鼠李糖苷（VR）水解率达75%。

2. 活性成分动态变化
抗氧化活性呈现"U型"曲线：J3果实在胃相阶段活性最高（FRAP值达18.7 mg TE/g DW），但经肠液消化后活性骤降。而J1样品在发酵24小时后仍保持12.3 mg TE/g DW的活性，显示结合态多酚经微生物酶解后活性恢复。酶抑制活性则呈现相反趋势，J3果实的α-葡萄糖苷酶抑制活性（IC50=0.83 mg/mL）是J1的2.3倍，但胰脂肪酶抑制活性（IC50=1.7 mg/mL）显著低于未熟果。

3. 肠道菌群调控机制
16S测序显示，J1发酵体系中双歧杆菌（Bifidobacterium）丰度达18.7%（显著高于J2-J3组，p<0.01），其与SCFAs生成呈显著正相关（r=0.79）。微生物代谢网络分析表明，异鼠李素（Tax）、芦丁（Rut）等结合态多酚经酯酶（Esterase, EC3.1.1.3）和糖苷酶（β-Glucosidase, EC3.2.1.31）作用，转化为咖啡酸（CA）、香草酸（VA）等小分子活性物质。其中VA通过促进普雷沃氏菌（Prevotella）向费氏丙酸菌（Faecalis）的转化，使丁酸产量提升2.3倍。

4. 短链脂肪酸代谢网络
GC-MS检测显示，发酵体系中乙酸、丙酸、丁酸比例随成熟度变化显著（J1: 4:3:2 → J3: 2:1:3）。J1样品经发酵后丁酸生成量达24.7 μmol/g，较对照组提高2.8倍，其关键菌群包括产丁酸菌（Phascolarctobacterium）和甲烷八叠球菌（Megasphaera），与SCFAs合成呈正相关（p<0.001）。值得注意的是，J3样品的乙酸/丙酸比值降低至1.2，提示木质素降解程度影响菌群代谢类型。

讨论
本研究发现菠萝多酚的"双峰效应"：在胃相阶段，结合态多酚因胃酸激活（pH 2.0时解离度达68%）产生抗氧化活性峰值；但在肠相阶段，游离态多酚易被氧化酶（如漆酶，Laccase）催化，导致活性下降。这种动态平衡揭示了植物多酚在消化道中的时空特异性释放机制。特别值得注意的是，未熟菠萝（J1）中的异鼠李素-鼠李糖苷复合物经发酵后转化为具有β-blocking活性的槲皮素（QCT）和香草酸（VA），其协同作用使α-葡萄糖苷酶抑制活性提升至IC50=0.67 mg/mL，较单一成分提高3.2倍。

应用前景
1. 功能食品开发：建议采用J1-J2阶段菠萝作为原料，通过微囊化技术（如海藻酸钠-果胶复合体系）保护结合态多酚，使其在胃相阶段缓慢释放，提升脂酶抑制活性达4.1倍。
2. 现代农业：优化采收时间窗口，在细胞壁木质素含量达峰值（J2阶段）时采收，可获得多酚-多糖复合物含量最高（占干重28.6%），同时保持维生素C活性达85%。
3. 肠道健康管理：J1菠萝经发酵后可显著增加产丁酸菌（Faecalis）和双歧杆菌（Bifidobacterium）丰度，使SCFAs总产量提升至41.2 μmol/g，为功能性发酵食品开发提供新思路。

研究局限与展望
1. 模型简化问题：体外发酵体系无法完全模拟人体肠道环境，特别是菌群的空间分布和代谢协同效应。
2. 代谢产物追踪：HPLC-HR TOF MS2仅能检测前18种主要代谢物，建议结合代谢组学技术（LC-MS/MS）进行深度解析。
3. 作用机制深化：建议后续研究采用活体肠道模型（如GEMM）验证多酚成分对肠屏障功能的具体调控机制。

结论
菠萝多酚的生物学效应呈现显著的成熟度和消化阶段依赖性。未熟阶段的多酚复合物通过微生物酶解转化为活性小分子，形成"结构保护-精准释放-菌群调控"的三重机制。该研究为热带水果功能性成分开发提供了全新理论框架，特别在抗糖尿病（α-葡萄糖苷酶抑制）和肠道健康（SCFAs产）两个方向具有重要应用价值。后续研究应结合代谢通量和蛋白质组学技术，深入解析多酚-菌群互作网络，为精准营养干预提供理论支撑。