综述：从谷物加工副产品中提取和利用阿拉伯木聚糖：当前方法、挑战及未来展望

《Journal of Cereal Science》：Extraction and Valorization of Arabinoxylans from Cereal Processing By-Products: Current Methods, Challenges, and Future Perspectives

阿拉伯木聚糖（AXs）作为非淀粉多糖，具有 techno-functional 和健康促进特性，但提取技术研究不足。本文系统综述AXs在谷物中的分布、分子结构（包括链类型、取代基及酚酸结合）、提取方法（传统水/酸/碱法与超声波、微波、亚临界水等新兴技术）及其在食品工业中的应用潜力，指出标准化提取流程、多技术协同及绿色工艺规模化是当前研究重点。

　　

Konstantina Karakoula|Patroklos Vareltzis|Konstantinos G. Kalogiannis

西马其顿大学化学工程系，希腊科扎尼，50100

摘要

阿拉伯木聚糖（AXs）是一种非淀粉多糖，富含于谷物麸皮中，由于其技术和健康促进特性而具有显著的应用潜力。与其他在植物和谷物中丰富的多糖（如菊粉或β-葡聚糖）不同，后者已被广泛研究，且从谷物麸皮中提取的方法也较为成熟和高效，但阿拉伯木聚糖的研究程度相对较低。本文综述了阿拉伯木聚糖在谷物中的存在情况、分子结构、健康相关效应以及从农业工业副产品中提取的方法。特别关注了可水提取（WEAX）和不可水提取（WUAX）的部分，其物理化学性质受谷物类型、颗粒组分和提取方法的影响。对传统（水、酸、碱）和先进（酶法、超声波、微波、蒸汽爆破、亚临界水和DES/NADES）提取技术进行了效率、可持续性和可扩展性的评估。此外，还探讨了混合方法（如微波-酶法或超声波-亚临界水提取）作为提高产量和保持结构完整性的有效手段。尽管取得了显著进展，但在标准化协议、比较方法评估以及环保技术的可扩展性方面仍存在知识空白。未来的研究应重点优化提取条件并探讨结构与功能之间的关系，以实现阿拉伯木聚糖在循环经济框架下的工业化利用。

引言

现代食品行业面临着日益增加的环境可持续性压力，尤其是在整个生产链中减少浪费和资源损失方面。一种有前景的策略是充分利用农业工业副产品，这可以在循环经济框架内同时提高经济可行性和实现环境目标（Antunes等人，2020年）。随着人们对饮食与人类健康关系的关注度不断提高，研究人员开始关注生物活性膳食成分及其生理效应。膳食纤维因其在预防代谢和胃肠道疾病（包括肥胖、糖尿病、结直肠疾病和某些类型的癌症）方面的作用而受到重视（Morales，2023年）。膳食纤维是指在人体小肠中无法被消化的植物来源物质。传统上，这一概念主要限于多糖和木质素，但现在也包括一些寡糖，如菊粉和棉子糖（Serna-Saldivar等人，2015年）。根据溶解度，膳食纤维可分为可溶性纤维（在结肠中易吸收水分并发酵）和不可溶性纤维（有助于肠道规律运动但发酵能力有限）（Serna-Saldivar等人，2015年）。

商业纤维成分在总纤维含量及可溶性和不可溶性成分的比例上存在显著差异。精制谷物面粉的纤维含量通常较低，约为2-5%，而全谷物面粉的纤维含量较高，介于10-15%之间（Robin等人，2012年）。谷物麸皮的纤维含量最高，范围为20%-90%。在大多数谷物中，不可溶性纤维是主要成分，但燕麦中的纤维约有一半是可溶性的。相反，像菊粉、低聚果糖（FOS）、果胶和树胶这样的水溶性物质则主要是可溶性的（Robin等人，2012年）。这些溶解度和成分上的差异显著影响了膳食纤维在食品系统中的功能特性及其在胃肠道中的生理行为。

在谷物中发现的多种膳食纤维中，阿拉伯木聚糖（AXs）是一类具有健康促进潜力的非淀粉多糖，尤其是在降低与饮食相关的慢性疾病风险方面。阿拉伯木聚糖在小麦、玉米、大麦、燕麦和高粱等谷物中含量较高，主要存在于谷物的外层（Huang等人，2024年）。

许多研究将阿拉伯木聚糖与多种生物功能联系起来，如免疫调节、抗癌、抗氧化、抗炎和益生元作用，以及改善粪便体积和胰岛素敏感性。这些功能特性被认为与阿拉伯木聚糖的结构特征密切相关，包括其单糖组成、分子量、取代程度、糖苷键类型以及结合的酚酸的存在，这些特征因来源材料和谷物组织而异（Singh等人，2024年）。

本文旨在全面概述从谷物加工副产品中提取阿拉伯木聚糖（AXs）的方法及其结构特性（图1）。考虑到它们的不同物理化学性质、提取挑战和功能潜力，本文同时讨论了可水提取（WEAX）和不可水提取（WUAX）的阿拉伯木聚糖。特别关注了分子结构的变化（如溶解度、取代程度、分子量和结合的酚类物质）如何影响阿拉伯木聚糖的生物活性及其在营养和技术应用中的重要性。

先前的研究广泛探讨了从各种谷物来源或通过特定加工技术提取阿拉伯木聚糖的方法，重点在于最大化产量和理解其组成。然而，许多研究较为零散，仅关注个别提取技术、特定谷物基质或狭窄定义的结构参数，这限制了跨研究的比较。此外，关键方面（如提取强度、结构特征（如分子量分布和取代模式）与技术和功能性能之间的相互作用）往往被单独研究，而非综合分析。此外，新的环保提取方法经常在没有与传统化学方法直接比较的情况下进行评估，这使得对其实际相关性和可扩展性的客观评估变得复杂。通过批判性地综合和比较传统和新兴的提取方法，本文旨在澄清这些空白，并提供一个结构化的框架，将提取条件与阿拉伯木聚糖的结构和功能联系起来，从而支持其在营养和技术应用中的合理利用。

部分摘要

阿拉伯木聚糖（AXs）是一种由β-(1→4)-连接的D-木吡喃糖（Xyl）骨架组成的杂多糖，其上附着有多种α-L-阿拉伯呋喃糖（Araf）单元。这些侧链可以连接在木糖单元的O-2和/或O-3位置，而阿魏酸通常酯化在阿拉伯糖的O-5位置。这种分支结构导致不同谷物之间的结构多样性，直接影响其物理化学和功能特性（

谷物种类和组分中的阿拉伯木聚糖含量

不同谷物类型、谷物部位和加工副产品中的阿拉伯木聚糖（AXs）含量存在显著差异。麸皮和谷粒的外层是提取和利用的重点，因为它们含有丰富的AXs。关键谷物（如小麦、二粒小麦、大麦、玉米、黑麦、燕麦和高粱）中AXs含量较高（Zhang等人，2014年）。

总体而言，AX的总含量通常在2-5%之间

提取方法概述与挑战

由于阿拉伯木聚糖（AXs）与细胞壁基质紧密结合，其提取性有限，这种结合由多种化学和物理相互作用维持。最新研究表明，AXs的提取性和结构特征受谷物基因型和细胞壁组织的影响（Huang等人，2024年；Zhang等人

亚临界水提取（SWE）

亚临界水提取（SWE）是一种现代且环保的技术，利用高温（通常在150至374°C之间）和高压使水处于接近其临界点的密集压缩流体状态。在这种亚临界条件下，水会发生显著的物理化学变化，如介电常数显著降低和离子产物增加，从而增强了其溶解能力（

AX提取过程的放大与技术经济可行性

从谷物副产品中提取阿拉伯木聚糖（AXs）的创新技术虽然取得了进展，但仍面临技术和经济上的障碍。实验室规模的方法（包括利用超声波、微波和酶辅助的方法）在提高产量和选择性方面显示出潜力。然而，向更大规模的转化常常受到能源分配、可重复性和工艺整合等挑战的阻碍（Kumar等人，2023年）。

阿拉伯木聚糖作为功能性成分的应用

在增值框架下，阿拉伯木聚糖为将谷物加工副产品升级为高附加值的活性成分提供了关键机会。将其纳入食品系统可以将低价值的副产品（如麸皮和碾磨残渣）转化为具有营养和技术价值的成分，支持循环经济战略。

结论

阿拉伯木聚糖（AXs）是谷物副产品中的关键生物活性多糖，在食品、营养补充剂和益生元应用中具有巨大潜力。其提取性和功能性很大程度上取决于谷物来源、解剖起源和提取条件。传统方法（如碱法和水提取）可获得中等产量，但可能会影响结构完整性。新兴的绿色技术（包括超声波、微波、酶法和亚临界水提取）

CRediT作者贡献声明

Patroklos Vareltzis：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。Konstantinos G Kalogiannis：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Konstantina Karakoula：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、概念构思

未引用的参考文献

Nguyen和Le，2013年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目是在希腊国家恢复与韧性计划2.0的框架下进行的，由SUB项目资助。