高分子量低分支与高α-(1→3)分支右旋糖酐在体外人体肠道菌群中驱动不同的发酵动态、丁酸生成及双歧杆菌响应

《Food Hydrocolloids》：Dextrans differing in molecular weight and α-(1→3) branching exhibit distinct fermentation dynamics by human gut microbiota in vitro

　　

分子量和α-(1→3)分支不同的右旋糖酐（dextrans）在体外（in vitro）人体肠道菌群中表现出不同的发酵动态。研究人员比较了来自 W. confusa 和 P. beninensis 的两种结构相反的右旋糖酐。高分子量、低分支右旋糖酐形成高黏度、弹性溶液。两种右旋糖酐均可被肠道菌群发酵并产生高水平丁酸。高分子量、低分支右旋糖酐减少蛋白水解发酵。高α-(1→3)分支右旋糖酐缺乏低分支右旋糖酐中观察到的双歧杆菌（Bifidobacterium）增殖（bifidogenic）响应。

论文解读

研究背景与问题：外多糖（exopolysaccharides, EPS）是微生物产生的胞外碳水化合物聚合物，乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）来源EPS在发酵食品中形成，部分可抵抗上消化道消化到达结肠，被肠道微生物代谢，影响肠道菌群和短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）生成。右旋糖酐（dextran）是中性水溶性LAB来源同多糖，仅由葡萄糖组成，主链为α-(1→6)，含可变α-(1→2)、α-(1→3)、α-(1→4)分支，分子量约10³–10⁷ Da。结构差异影响水合、溶解和黏度。现有研究提示某些右旋糖酐有潜在益生元作用，但证据有限且不一致；多数只研究少数右旋糖酐，未系统比较其他可溶性纤维，常依赖单一发酵终点；相对其他可溶性纤维的发酵性不清楚，结构多样性影响未解决；多数研究缺少黏度匹配对照，而黏度可能独立影响菌群；人群肠道微生物降解右旋糖酐的遗传潜力是否常见尚不清楚。因此，研究人员比较两种新型右旋糖酐：来自 Weissella confusa VIII40 的 VIII40 dextran 和来自 Periweissella beninensis DSM 22752 的 DSM22752 dextran。先前表征显示，VIII40 分子量7436 kDa，α-(1→3)分支3%；DSM22752 分子量216 kDa，α-(1→3)分支29%。研究人员先表征理化、结构和流变性质，再用健康成人混合粪便进行体外发酵，比较 T200 和 T2000（Leuconostoc mesenteroides 来源，200和2000 kDa，α-(1→3)分支<5%），并以 inulin 为高发酵参考、psyllium husk powder（PHP）为部分发酵参考、羟丙基甲基纤维素（HPMC）为最接近 VIII40 的非发酵黏度对照。该论文发表在《Food Hydrocolloids》。结论是右旋糖酐结构强烈影响流变和体外肠道菌群发酵；高分支 DSM22752 无双歧杆菌增殖作用，主要线性右旋糖酐双歧杆菌反应相似，提示与α-(1→3)分支程度更相关；两种新右旋糖酐均支持高丁酸生成并富集健康相关类群，但高分子量、主要线性 VIII40 更有效减少蛋白水解发酵。意义在于结构定义右旋糖酐可作为兼顾配方性和微生物介导益处的可溶性纤维替代品。

关键技术方法：粪便样本来自六名健康成人（三女三男，22–28岁），前3个月未用抗生素、益生菌或益生元，无慢性胃肠或代谢病，等湿重混合为接种物。技术包括：右旋糖酐制备、分离和纯化；理化结构表征（总碳水化合物和蛋白、FT-IR、Zeta电位、粒径、SEM、水溶性、WHC、TGA）；流变学（稳态剪切、特性黏度、重叠浓度、动态振荡）；INFOGEST模拟消化；体外粪便分批发酵；GC–MS测SCFA；16S rRNA基因扩增子测序和qPCR总细菌载量；生物信息学统计；公共肠道宏基因组CAZyme分析（3,759名健康成人）。

研究结果：

3.1 理化和结构表征：纯化 VIII40 总碳水化合物高于 DSM22752，残余蛋白较低；两者水溶性和持水能力相似。FT-IR 符合右旋糖酐型α-葡聚糖，指纹区差异与连接方式一致。SEM 显示 VIII40 较大片状，DSM22752 较小碎片；DLS 显示 VIII40 平均流体力学直径更大、分散更宽、Zeta电位较不负面。TGA 显示两者三阶段降解，VIII40 主降解失重更大、T_max 更高、600°C 残渣更少。结论：两者均易水合，但 VIII40 尺寸更大、更异质、热稳定性更高。

3.2 流变：稳态剪切下≤2%近似牛顿，5%剪切依赖；VIII40 表观黏度高于 DSM22752，随浓度差异增大。c* 分别为0.88%和0.79%；特性黏度187.39 vs 57.64 mL/g；M_v 4.33×10⁶ vs 4.09×10⁵ g/mol。振荡测试中 VIII40 G′>G″ 全频率，tan δ<1，呈弹性弱凝胶；DSM22752 约0.41 Hz交叉，高频 G″>G′，黏性主导。结论：高分子量低分支 VIII40 形成高黏度弹性溶液。

3.3 模拟消化：口服、胃、肠后回收 VIII40 80.3±0.3% 碳水化合物，DSM22752 75.2±0.3%；还原糖低，VIII40 0.053→0.077 mg/mL，DSM 0.088→0.209 mg/mL；回收物保留右旋糖酐 FT-IR 特征。结论：模拟上消化道后大部分聚合右旋糖酐持续存在。

3.4 结构依赖效应：

3.4.1 发酵和群落级动态：0 h 黏度 VIII40 10.8 mPa·s，HPMC 9.1；DSM22752 7.3，T200 7.2，T2000 7.4。Inulin 最快，VIII40 次快，12 h 明显；DSM22752 渐进，48 h 产气最高；PHP 渐进持续；T200/T2000 较慢；HPMC 最弱。碳水剩余：VIII40 6 h 97.8%、12 h 63.7%、48 h 33.4%；DSM 6 h 84.5%、12 h 78.4%、48 h 20.3%；T200/T2000 48 h 27.7/32.5%。α多样性下降，T200/T2000/HPMC 最强，DSM 后期保留较高。HACK 评分 VIII40 在24–48 h 最高，inulin 和 DSM 中间，T200/T2000/HPMC 低。dbRDA 显示底物轨迹不同。结论：结构不同右旋糖酐驱动不同发酵动态和菌群响应。

3.4.2 属水平纵向响应：Bacteroides 在所有右旋糖酐和 PHP 下增加，VIII40 最早；Bifidobacterium 对 inulin 响应强，其次 VIII40；DSM、PHP、HPMC 影响小。VIII40 增加 Blautia，DSM 增加 Acutalibacter 和 Faecalimonas；两者促进 Parabacteroides 和 Phascolarctobacterium，DSM 更强更晚。Inulin 增加 Megamonas，inulin 和 VIII40 增加 Megasphaera。VIII40 最明显抑制 Escherichia/Shigella，多数右旋糖酐下 Klebsiella 较低；Fusobacterium 在 VIII40 和 DSM 下低于 T200/T2000/HPMC。12 h 起 VIII40 最明显转向糖分解，蛋白分解相关丰度最低。结论：VIII40 促进糖分解、抑制蛋白水解相关菌。

3.4.3 SCFA：乙酸为主。VIII40 乙酸积累较快且终浓度高于 DSM；DSM 48 h 丙酸最高；两种新右旋糖酐丁酸增加，48 h 最高，inulin 丁酸较低；DSM 后期戊酸较高，VIII40 戊酸和异戊酸较低。总 SCFA 48 h 与 inulin 类似但低于 T200/T2000。结论：结构影响 SCFA 谱，两种新右旋糖酐高丁酸。

3.5 关联：线性混合效应模型显示多数显著关联涉及 SCFA。丙酸与 Phascolarctobacterium 和 Bacteroides 正相关，乙酸与 Bifidobacterium 正相关；Ruthenibacterium、Peptococcus、Ruminococcus 与产气和多种 SCFA 负相关。结论：发酵活性与特定菌属关联。

3.6 CAZymes：在3,759名健康成人宏基因组中，右旋糖酐降解相关 CAZyme 广泛可检测，但平均比果聚糖相关低约8倍（54.8 vs 445.2 RPKM）。右旋糖酐相关 CAZyme 东亚最高，拉美和南亚最低；果聚糖南亚最高，撒哈拉以南非洲最低。右旋糖酐相关在西化与非西化间无差异，果聚糖非西化更低；两者非西化变异更大。右旋糖酐相关在≥60岁高于年轻成人，果聚糖无年龄差异；右旋糖酐无性别差异，果聚糖男性更高。结论：人群广泛存在右旋糖酐降解遗传潜力，但低于果聚糖。

讨论总结：物性和流变表明 VIII40 适合强增稠和黏弹性食品，DSM22752 适合饮料等中等黏度产品。模拟消化支持右旋糖酐上消化道稳定性。这是首个比较结构不同右旋糖酐与高、部分、低发酵性可溶性纤维的体外研究。所有α-(1→3)分支右旋糖酐可发酵，但程度和动态依赖结构；VIII40 接近 inulin，DSM22752 更像部分发酵 PHP。两种新右旋糖酐高丁酸。DSM22752 广泛利用但无双歧杆菌效应。双歧杆菌反应更与α-(1→3)分支程度相关而非分子量；低分支右旋糖酐在>35倍分子量范围内均有双歧杆菌效应。研究人员提出高密度α-(1→3)分支可能改变α-(1→6)主链可及性和解聚，影响双歧杆菌可用α-(1→6)葡寡糖。Bacteroides 通过 Sus 样多糖利用位点利用右旋糖酐，受影响较小。制备差异可能贡献，但归一化后利用动力学仍不同。两新右旋糖酐增加 Phascolarctobacterium 和 Parabacteroides，限制 Enterobacteriaceae 和 Fusobacterium，VIII40 增加 Blautia 并更好保留 HACK，转向非蛋白水解。右旋糖酐相关 CAZyme 低于果聚糖，提示底物特异性。VIII40 有望用于植物蛋白丰富食品，可能替代 inulin；右旋糖酐 CAZyme 在成人包括老年广泛检测，支持老年食品。结构定义右旋糖酐可解决配方-功能权衡。未来需梯度分支、个体供体、原位生产vs外源添加、体内和人体研究。

研究结论翻译：右旋糖酐结构强烈影响流变性质和体外肠道微生物发酵，对食品应用有重要意义。高分支 DSM22752 右旋糖酐不具有双歧杆菌增殖作用，而主要线性右旋糖酐尽管分子量差异大，表现出相似双歧杆菌效应，表明双歧杆菌反应与α-(1→3)分支程度更密切相关。两种新右旋糖酐均支持高水平丁酸生成并富集若干健康相关类群，但高分子量、主要线性 VIII40 右旋糖酐比其他受试底物更有效地使肠道微生物群落远离蛋白水解发酵。总体而言，这些发现支持结构定义右旋糖酐作为有前景的可溶性纤维替代品，用于纤维强化食品，比许多当前使用的纤维成分更好地协调配方性与微生物介导益处。未来研究应检查在可比分子量下具有梯度α-(1→3)分支的右旋糖酐以建立分支剂量反应，并使用个体供体粪便发酵评估个体间差异。比较食品中原位产生和外源添加右旋糖酐的研究，以及随后的体内和对照人体研究，将确定当前发酵反应是否在食品基质中保留并转化为生理益处。