《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》：Cereal arabinoxylans in nutrition and industry: extraction strategies, functional properties, and health implications—a critical review and future perspectives
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阿拉伯木聚糖（Arabinoxylans，AXs）是谷物中主要的非淀粉多糖，因其技术与营养学价值，已成为谷物化学、营养学及食品技术领域的研究热点。谷物源阿拉伯木聚糖（Cereal-extracted arabinoxylans，CEAXs）的理化特性与得率受谷
阿拉伯木聚糖（Arabinoxylans，AXs）是谷物中主要的非淀粉多糖，因其技术与营养学价值，已成为谷物化学、营养学及食品技术领域的研究热点。谷物源阿拉伯木聚糖（Cereal-extracted arabinoxylans，CEAXs）的理化特性与得率受谷物原料种类及提取/改性方法的显著影响。作为一类具有广泛应用潜力的生物聚合物，AXs展现出溶解性、黏度、凝胶化及水合作用等关键功能特性。其复杂的纤维结构赋予其多种健康益处，包括益生元效应、抗氧化活性及抗糖尿病作用，使其在医药与营养保健品领域具有重要价值。AXs通过促进短链脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）生成、调节血糖水平、增殖有益菌群及增强抗氧化能力发挥生理调节作用。本综述系统阐述了从谷物及加工副产物中提取与改性AXs的策略，并深入分析了上述策略对AXs得率、生化组成、分子特征及抗氧化活性的影响。通过整合提取与改性方法对AXs结构特征的调控机制，以及这些结构变化对其功能与营养特性的决定作用，本研究填补了AXs配料理性设计领域的关键空白。
引言
阿拉伯木聚糖（AXs）是谷物籽粒中主要的半纤维素多糖，自一个世纪前首次在小麦粉中作为黏性胶质被鉴定以来，因其多样的技术、功能及营养特性，持续受到谷物化学与食品技术领域的广泛关注。AXs具有成膜性、高持水能力及结合酚类（如阿魏酸）赋予的抗氧化性等独特结构特征，可作为冷冻稳定剂、乳化稳定剂及脂肪替代物广泛应用于食品、医药及化妆品工业。在谷物食品中，AXs通过提供可溶性与不溶性膳食纤维组分，提升产品营养价值，发挥生理调节、免疫调节及慢性病风险降低等作用。小麦、玉米、黑麦、大麦、水稻、燕麦及高粱等主要作物均富含AXs，是人类膳食纤维摄入的主要来源。然而，谷物加工过程中产生的大量秸秆、壳、麸皮、酒糟及茎秆等农业副产物，目前经济价值有限，主要用作动物饲料。从这些未被充分利用的副产物中提取纯化AXs，是将农业废弃物升级为高附加值功能性配料（如焙烤食品、饮料及包装薄膜原料）的有效策略，其中谷物麸皮因其高AXs含量，是最具商业化潜力的提取原料。尽管AXs的结构与功能已得到广泛研究，但提取与改性策略如何改变其大分子特征进而调控功能特性的机制仍不明确。本综述通过系统整合不同处理方法对AXs天然结构的修饰作用及其对功能特性与健康效应的后续影响，为下一代AXs基配料的理性设计提供理论依据。
综述方法学
为系统整合AXs提取、结构及功能领域的最新进展，研究人员对2020–2025年发表的同行评审文献进行了系统性检索，检索数据库包括Google Scholar、PubMed、Scopus、ResearchGate及Web of Science。检索策略采用“阿拉伯木聚糖”“提取”“谷物”“副产物”“化学结构”“功能特性”“抗氧化活性”等关键词的组合。文献纳入标准包括：谷物加工副产物的创新提取与改性策略；AXs化学组成、分子量、单体连接键及结合蛋白/酚类含量的定量数据；AXs技术功能（如凝胶化、黏度、成膜性）与生理活性（如益生元、抗氧化）的机制研究。通过对纳入文献数据的系统整理、比较与分析，明确AXs的结构-功能关系，并评估其在食品与生物医学领域的应用可行性。
谷物及副产物中AXs的分布
AXs广泛分布于谷物籽粒的结构解剖部位，包括淀粉质胚乳、糊粉层、麸皮、颖壳及营养性干生物质（叶片、秸秆等），其中营养性干生物质中半纤维素多糖含量达25%–35%。谷物外层麸皮与籽粒层的AXs丰度显著高于内部胚乳组分，麸皮约占籽粒干重的25%，是AXs的主要富集部位。多数谷物胚乳细胞壁中AXs占比为60%–70%，但燕麦与大麦例外，其AXs占比约为20%。小麦面粉中AXs含量为1.05%–2.5%，麸皮中可达11%–25%；玉米麸皮AXs含量超过30%–40%；水稻麸皮AXs含量为4.8%–8.5%；大麦麸皮AXs含量为10%–14%，胚乳中为1.2%–1.3%；黑麦籽粒AXs含量为8%–12%；燕麦麸皮为2%–5%；全小麦籽粒为4.5%–6.5%；高粱籽粒为1.75%–1.95%。冬黑麦、冬小麦与冬小黑麦的AXs含量存在显著差异，冬黑麦AXs含量为1.18%–2.65%，是冬小麦（0.78%–0.80%）与冬小黑麦（0.80%–0.84%）的2倍。这些组成差异表明，农业副产物（尤其是谷物麸皮）是商业化AXs提取的首选原料。AXs的组织定位、阿拉伯糖与木糖摩尔比（A/X比）及阿魏酸酯化度等结构特征，直接决定其提取效率、水溶性及下游技术功能表现。
谷物AXs的生化组成
AXs作为谷物细胞壁主要的非淀粉多糖，其主链由β-D-吡喃木糖基（Xylp）通过(1→4)糖苷键连接构成。主链上的木糖残基可在O-2和/或O-3位被α-L-呋喃阿拉伯糖基（Araf）单取代或双取代，同时含有少量葡萄糖、半乳糖与甘露糖。葡萄糖含量（源于淀粉、β-葡聚糖与葡甘露聚糖）可反映AXs的纯度与Ara/Xyl比。纯化小麦麸皮AXs的总糖纯度为92.7%，蛋白含量为4.5%，糖醛酸含量为1.2%；粗AXs的总糖纯度为89.2%，蛋白含量为7.3%，糖醛酸含量为1.07%。玉米麸皮AXs的酯化阿魏酸含量（0.30 mg/g）显著低于玉米麸皮提取物（1.01 mg/g）。小麦与玉米麸皮AXs主要由阿拉伯糖与木糖组成，小麦麸皮AXs蛋白含量为1.72%–8.68%，玉米麸皮AXs中阿拉伯糖占20%–21%，半乳糖占5.2%–5.8%，葡萄糖占0.3%–0.8%，木糖占34.6%–36.9%，糖醛酸占5.1%–5.7%。大麦AXs的中性糖含量为88%，蛋白含量为2.5%，木糖占48.5%，阿拉伯糖占30.3%。硬粒与软粒全小麦粉AXs的组成存在差异，软粒小麦粉AXs含蛋白148 mg/g、阿拉伯糖115 mg/g、木糖228 mg/g、葡萄糖41 mg/g；硬粒小麦粉AXs含蛋白168 mg/g、阿拉伯糖135 mg/g、木糖285 mg/g、葡萄糖34 mg/g。无壳大麦AXs的中性糖得率达98.3%，其中阿拉伯糖占26%，半乳糖占0.9%，木糖占38%，葡萄糖占5%，糖醛酸占3.5%，蛋白占10%。玉米麸皮AXs的A/X比普遍低于小麦麸皮AXs，表明其木糖主链取代度较低，分子刚性更高，阿魏酸酯化度更高；而碱法与碱辅助提取通过断裂阿魏酸与细胞壁多糖的酯键，可提高阿魏酸含量与抗氧化活性，水提或酶提法则更易保留天然分支模式，但阿魏酸释放量与抗氧化活性较低。AXs的生化组成具有显著的原料与加工依赖性，A/X比、分支度、蛋白结合及阿魏酸酯化度共同决定其分子结构，进而调控溶解度、黏度、抗氧化活性及发酵性等关键功能属性。
AXs的提取方法及得率
谷物细胞壁中AXs与多糖、蛋白通过酯化阿魏酸与二阿魏酸形成的共价交联网络紧密结合，导致大部分天然AXs难溶于水，需采用碱水解、酶解或机械破碎等强化技术破坏细胞壁基质中的共价与非共价键以释放AXs。AXs提取通常始于脱淀粉与脱脂预处理，随后通过化学、酶法或物理处理破坏细胞壁，离心分离获得可溶性AXs富集组分，提取流程可根据原料与目标AXs特性优化，以平衡得率、结构完整性与功能特性。常用提取方法包括碱法与酸法提取、酶水解、微波辅助提取、超声辅助提取、蒸汽爆破提取、热压水提取、 milling与挤压、双螺杆挤压提取、乙醇纯化及硫酸铵沉淀等。谷物麸皮因AXs含量高且为谷物加工副产物，是经济的AXs来源。碱法提取玉米麸皮AXs得率可达34%，小麦麸皮为18%；酸-碱法提取湿法磨粉、干法磨粉及干酒糟玉米麸皮AXs得率分别为25.4%、23.3%与23.0%。甜玉米芯AXs得率高于蜡质玉米芯，水提AXs得率为3.95%，非水提AXs得率为14.90%。小麦麸皮粗AXs得率为5.26%，纯化AXs为2.42%；不同小麦品种麸皮AXs含量为1.2%–13%，碱-过氧化氢提取干麸皮AXs含量为24.5%，亚临界水提取AXs含量为27.9%。碱法提取小麦、玉米、水稻与黑麦麸皮AXs得率分别为12.3%、17.5%、13.2%与11.5%，表明玉米麸皮AXs含量高于其他谷物麸皮。全麦粉（含细麸）AXs含量为5.09%±0.25%，精面粉为2.20%±0.21%，全麦粉（含粗麸）为5.84%±0.44%。瑞典商业小麦粉AXs含量为1.86%–1.93%。热处理后啤酒糟AXs得率为6.4 g/100 g，未处理啤酒糟AXs含量为11–19 g/100 g干物质。双酶法提取玉米纤维AXs得率为40%，AXs纯度达75%。玉米麸皮水解物AXs含量为31.3%（手工加工）与33%（工业加工）。无壳大麦碱法提取AXs得率为1.5%，60%乙醇沉淀法提取脱壳大麦AXs得率为1.6%（以不溶性纤维计，AXs含量为10.6%）。谷子和黍子AXs得率分别为21.7%与28.7%（w/w）。微波-酶法联用提取稻壳AXs得率为12.6%–13.1%。碱法与碱辅助提取因能有效断裂酯键与醚键，在玉米与小麦麸皮中AXs回收率最高，但可能破坏结构完整性与天然功能；水提与酶提得率较低，但更易保留分子结构，获得高溶解度与功能性的食品级AXs；微波与超声等辅助技术可平衡得率与结构保留，是极具潜力的中间方案。提取策略需与AXs最终用途匹配，仅以得率为指标不足以评估工艺优劣。
AXs的营养特性
AXs作为复杂膳食纤维，其健康益处高度依赖化学结构。AXs是重要的益生元，可被结肠共生菌（如拟杆菌属、双歧杆菌属与乳杆菌属）发酵利用，调节肠道菌群结构。发酵动力学受AXs分子量、A/X比及分支模式的调控：高分支、高A/X比的AXs（如小麦麸皮与部分小米AXs）水溶性优异，易被微生物利用，发酵速率快；低A/X比、线性主链的AXs（如玉米麸皮AXs）发酵较慢，但可产生更长链的短链脂肪酸（SCFAs）。高分子量AXs发酵缓慢但持久，低分子量AXs则易被双歧杆菌与乳杆菌快速利用。AXs发酵产生乳酸、乙酸、丙酸与丁酸等SCFAs，通过激活G蛋白偶联受体、抑制组蛋白去乙酰化酶及刺激肠内分泌L细胞，参与免疫调节、能量代谢、肠细胞增殖、炎症调控、血糖稳态与脂质代谢。SCFAs通过促进宿主防御肽、抗炎细胞因子与激素分泌，增强肠道屏障功能与胰岛素敏感性。玉米麸皮AXs作为膳食纤维补充剂可缩小“纤维缺口”，诱导肠道菌群靶向改变；AXs微胶囊可实现结肠靶向胰岛素递送，在糖尿病大鼠模型中使血清葡萄糖降低75%，降糖效果持续48小时。小麦麸皮阿拉伯木聚糖寡糖（AXOS）可显著增加老年健康人群粪便中双歧杆菌丰度，改善粪便性状。大麦AXs通过促进回肠与盲肠SCFAs生成，增加GLP-1分泌，改善餐后血糖调节，呈现“第二餐效应”。水稻麸皮AXs可抑制流感病毒与SARS-CoV-2复制，具有潜在抗病毒活性。AXs还可通过调节肠道菌群、改善葡萄糖耐量与降低血清胆固醇，发挥抗炎、抗氧化、抗癌及免疫调节作用。AXs的生理效应取决于分子量、A/X比、分支度与阿魏酸交联度四大分子参数，通过选择特定谷物副产物或精准加工干预（如酶法或物理改性），可理性设计AXs结构，获得快速发酵的高取代度寡糖（用于近端肠道健康）或线性高分子量聚合物（用于远端结肠持续SCFAs释放）。
技术功能特性与工业应用
作为天然大分子亲水胶体，可溶性AXs因其在宽pH范围内调节流体流变、稳定乳液及形成黏合凝胶的能力，工业需求持续增长。AXs的技术功能特性由其分子量、木糖主链聚合度、A/X取代模式及内源性结合蛋白与酚酸共同决定。AXs的高持水能力与水合动力学可调控相体积与黏度，作为清洁标签脂肪替代物、包埋基质及敏感生物活性化合物的控释载体。在食品工业中，AXs广泛用作质构改良剂与稳定剂，优化焙烤食品、饮料、挤压零食、乳化酱汁、沙拉酱与汤类的感官属性与货架期。AXs的水溶性受A/X比、分子量及交联度影响，未取代主链区域易通过分子间氢键聚集；酶法与碱法处理通过断裂细胞壁基质中的共价键，提高AXs溶解度与提取率。面包加工过程中AXs溶解度在搅拌与发酵阶段显著升高，但终产品中溶解度降低；可溶性AXs可改善面粉品质，不溶性AXs则产生负面影响。AXs的持水能力（WHC）为13.3–16.13 g水/g干物质，可显著影响面团中水分分布与流变特性，提高面包比容与柔软度。AXs的高黏度源于分子量、链长、取代模式与阿魏酸交联，过氧化物酶或漆酶催化阿魏酸二聚化可诱导AXs氧化凝胶化，形成热稳定、pH耐受且高持水的三维网络结构。AXs与蛋白结合可改善油水乳液界面性质，碱法提取的小麦与玉米麸皮AXs因分子量、蛋白与酚酸含量适宜，具有优异的天然乳化活性。AXs凝胶可用于生物活性化合物递送，玉米麸皮AXs合成的银纳米颗粒对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌与肺炎克雷伯菌具有抗菌活性，可用于可持续包装材料；漆酶与山梨醇改性的玉米麸皮AXs薄膜拉伸性能优异；AXs基可食用膜与纳米复合膜具有良好机械性能、抗氧化与抗菌活性，适用于低水分产品包装。在焙烤食品中，AXs可提高面包比容，抑制淀粉回生，延缓老化；添加5%的阿魏酰化与水解AXs可维持面包体积与 crumb结构，实现高纤维强化；AXs通过竞争水分抑制淀粉结晶，降低淀粉消化率，增加抗性淀粉含量，调节焙烤食品血糖生成指数。AXs还可改善面团流变特性，提高淀粉糊化率，增强发酵特性，作为糖替代物、益生元、抗氧化剂与降胆固醇生物活性物质应用于食品体系。AXs的工业应用需兼顾功能表现、工艺可扩展性、重现性与成本效益，通过结构驱动设计匹配特定终端需求。
争议与未来研究方向
尽管AXs的结构、功能与健康效应研究已取得显著进展，但文献中仍存在大量变异与矛盾结果。谷物原料的种属差异（小麦、黑麦、玉米、大麦、水稻、高粱、燕麦的AXs含量、分支度、A/X比、分子量分布与阿魏酸取代度不同，甚至同一物种的品种、基因型、生长环境与农艺措施也会影响AXs组成）是变异的主要来源。提取方法的差异（碱法得率高但破坏结构，水提与酶法保留结构但得率低，物理辅助技术改变分子量、分支与阿魏酸含量）导致溶解度、黏度、抗氧化活性与益生潜力的报告差异，可能源于提取诱导的结构修饰而非原料本身差异。分析方法的差异（单糖组成、分子量、抗氧化活性、膳食纤维含量与发酵性的检测方案不同，如抗氧化活性采用ABTS、DPPH、FRAP、ORAC等不同机制的方法，分子量表征采用GC、HPLC、NMR、SEC等不同技术）进一步加剧了结果的不一致性。AXs结构与生物功能的关联仍存在争议：高取代度AXs的溶解性、发酵性与益生活性更优，但部分研究报道低取代度或低分子量组分具有更强生理效应；阿魏酸酯化对抗氧化能力的贡献难以量化，因酚酸释放受提取条件、加工历史与分析方法的显著影响。未来研究需优先建立标准化的提取、纯化与分析方案，提高研究可比性；系统阐明A/X比、分子量、分支度与阿魏酸含量等分子结构参数与技术功能、生理效应的关联；采用统一分析方法开展多谷物物种的比较研究，区分原料效应与方法学偏差；加强人体临床试验，验证AXs的益生元、血糖调节、抗氧化与免疫调节效应，确定有效剂量。精准提取技术、生物精炼策略与靶向结构改性技术为定制化AXs功能提供了新机遇，深入理解加工诱导的结构变化对功能的调控机制，将推动下一代AXs基配料（兼具优化技术与健康属性）的理性设计。
结论与未来展望
AXs是一类关键的谷物源膳食纤维，其技术、营养与治疗功能严格由其大分子结构而非单纯植物来源决定。现有研究已阐明化学、酶法与物理提取策略对分子量、A/X比等核心结构特征的调控机制，但实验室成果向商业化与生物医学应用的转化仍需解决关键研究缺口。AXs的健康益处（抗炎、抗糖尿病、抗氧化）主要源于其结合的羟基肉桂酸（尤其是阿魏酸），谷物麸皮阿魏酰化AXs的益生元、抗氧化、抗炎与抗癌特性使其在炎症性肠病、肠易激综合征、结肠癌等胃肠道疾病的靶向药物递送系统中具有应用潜力。在食品体系中，AXs作为清洁标签增稠剂、乳化剂与成膜剂的水胶体行为已得到认可，但其在多组分食品基质中的结构互作机制仍需深入探索，未来需系统研究改性AXs组分对实时面团流变、淀粉糊化特性及终产品感官属性的影响，以满足消费者对健康高品质食品的需求。构建基于农业废弃物流的可持续循环生物经济，需突破规模化生产的经济与工程瓶颈，优化绿色提取技术，开展全生命周期评估验证环境可行性，建立低成本下游纯化模型，并主动对接全球新食品原料监管框架。通过上游加工与终端需求的精准匹配，食品与制药工业可充分挖掘AXs家族的多功能潜力。
