引言
库尔兰（curdlan）是一种微生物产生的β-1,3-葡聚糖，由于其能够形成强韧、热稳定的凝胶，从而提高多种食物基质中的持水能力、口感和结构稳定性，在食品系统中被广泛用作赋形水胶体（Aquinas, Bhat, & Selvaraj, 2022）。除了其物理特性外，天然β-1,3-葡聚糖作为具有潜在代谢和免疫调节作用的生物活性膳食碳水化合物也越来越受到关注（Singh & Bhardwaj, 2023; Watanabe, Yamano, Masujima, Ohue-Kitano, & Kimura, 2021）。越来越多的证据表明，这些益处可能是通过与肠道微生物组的相互作用实现的，尽管其背后的微生物机制尚未完全明了（Karimi, Homayoonfal, Malekjani, Kharazmi, & Jafari, 2024; Yu et al., 2024）。
由于库尔兰的溶解度较差且聚合度较高，其被微生物分解的可能性有限。因此，从库尔兰衍生出的β-1,3-葡聚糖寡糖成为结构相关但更易被利用的衍生物，它们可能更易于进入微生物的代谢途径，并产生不同的发酵产物。然而，尽管β-1,3-葡聚糖被广泛认为是功能性膳食纤维，但其聚合度对肠道微生物利用和代谢反应的影响程度仍然不清楚。理解这种结构依赖性效应对于开发能够以可预测方式调节肠道生态系统的靶向碳水化合物成分至关重要。
在人体肠道微生物组中，Bacteroidota门成员是复杂糖类代谢的主要驱动者（Mandelli et al., 2024）。Bacteroides、Parabacteroides和Prevotella等属编码了大量的碳水化合物活性酶（CAZymes）和转运系统，这些酶和系统能够分解多种膳食多糖。在Bacteroidota中，糖类代谢通常组织在多糖利用位点（PULs）中，这些位点通过传感器调节器（HTCS）、表面糖苷结合蛋白（SGBP）、糖苷水解酶（GH）和TonB依赖性转运蛋白（TBDT）整合了感知、结合、解聚和转运功能（Golisch, Lei, Tamura, & Brumer, 2021）。这些协调系统决定了复杂糖类的处理方式以及降解产物是留在细胞内还是可供其他微生物利用，从而影响整个微生物群的代谢相互作用（Culp & Goodman, 2023）。虽然β-葡聚糖通常被认为是可发酵的膳食纤维，但β-1,3-葡聚糖链的降解需要专门的糖苷水解酶（例如GH16和GH81），而这些酶在肠道微生物中的分布并不均匀，因此可能会影响微生物对不同结构β-葡聚糖的反应（Gao et al., 2024; Wardman, Bains, Rahfeld, & Withers, 2022）。
越来越多的证据表明，聚合度可能会影响β-1,3-葡聚糖发酵过程中微生物对碳的利用方式。例如，Bacteroides uniformis可以在聚合物和寡聚态β-1,3-葡聚糖上生长，但在如层连二糖（laminaribiose）到层连七糖（laminariheptaose）这样的寡糖上生长更快，这表明较短片段可能绕过速率限制性的解聚步骤，加速碳的吸收（Singh, Rajarammohan, Thakur, & Hassan, 2020）。进一步的粪便发酵研究表明，聚合度不同的β-葡聚糖具有不同的代谢模式：β-葡聚糖与更强的丁酸盐生成相关，而β-葡聚糖寡糖则更倾向于产生乙酸盐和丙酸盐（Ni et al., 2024）。这些发现表明，聚合度可能影响碳水化合物在肠道微生物生态系统中的处理、运输和发酵方式。
重要的是，肠道中复杂糖类的降解很少局限于单一微生物。在以Bacteroidota为主的生态系统中，主要降解者可以生成可溶性寡糖和中间代谢物，这些物质可能被邻近的微生物利用，从而在微生物群内引发代谢相互作用（Culp & Goodman, 2023）。例如，多糖发酵模型显示Bacteroides可以生成寡糖池，这些寡糖随后可以在特定培养基中刺激Parabacteroides的生长，这表明在碳水化合物降解过程中可能存在生产者-消费者动态（Cao et al., 2023）。此外，Parabacteroides和Prevotella越来越被认为是多功能的碳水化合物利用者，它们的生态角色可能根据糖类结构和社区环境而变化（Gálvez et al., 2020）。然而，对于β-1,3-葡聚糖而言，目前尚不清楚这些菌类是通过直接降解糖类还是通过间接利用中间产物来发挥作用的。
为了解决这些问题，我们比较了库尔兰β-1,3-葡聚糖（CBG）及其衍生的β-1,3-葡聚糖寡糖（OBG）与葡萄糖（作为易于发酵的参考底物），以探究β-1,3-葡聚糖的聚合度如何影响肠道微生物组的结构和功能。我们采用了一种综合的多组学方法，结合了16S rRNA基因测序、宏基因组学分析、短链脂肪酸（SCFA）定量和非靶向代谢组学研究，旨在表征这些结构相关碳水化合物对微生物和代谢的响应。具体来说，我们研究了：（i）CBG和OBG如何重塑肠道微生物群组成，特别是Bacteroidota门；（ii）这些变化是否与与β-1,3-葡聚糖代谢相关的GH家族和碳水化合物利用途径的富集相吻合；（iii）这些功能变化如何与SCFA谱型和更广泛的代谢组重塑相关。通过将社区组成与酶水平和代谢物水平的响应相结合，本研究提供了关于β-1,3-葡聚糖聚合度如何影响微生物组碳水化合物处理的见解，为设计具有更可预测生态和代谢结果的特定结构葡聚糖成分提供了框架。
章节摘要
材料
商业库尔兰（CBG）購自中国吉林的Eonbar Biology公司。OBG通过使用β-1,3-葡聚糖酶对CBG进行酶解制备，方法依据之前发表的研究（Wei et al., 2025）。薄层色谱（TLC）硅胶60 F254板购自德国达姆施塔特的MilliporeSigma公司。葡萄糖购自中国上海的Aladdin Chemical Reagent有限公司。寡糖标准品（从层连二糖到层连五糖）购自Megazyme公司。
CBG和OBG样品的特性
商业CBG产品中的葡萄糖含量可忽略不计（低于检测限），粗蛋白含量为2.69克/千克，灰分含量为5.5%（重量百分比），总糖含量为714.5克/千克（表1）。库尔兰样品具有较高的分子量，重量平均分子量（Mw）为2249千道尔顿，数平均分子量（Mn）为2229千道尔顿，分散度较低（Mw/Mn≈1.01），表明产品高度均一（表1）。峰值分子量（Mp）为1974千道尔顿，略低。
讨论
在所有处理组中，底物的可用性显著改变了肠道微生物组、功能能力和代谢产物。葡萄糖支持了微生物的快速增长，并促进了包括糖酵解和丙酮酸代谢在内的核心碳代谢途径，同时增加了广谱Bacteroides菌种的扩增。这伴随着乙酸盐和丙酸盐产量的增加，反映了易获取碳源的有效利用（Fultz et al., 2021）。
结论
这项多组学研究表明，β-1,3-葡聚糖的聚合度塑造了肠道微生物组的结构、功能能力和代谢产物。与葡萄糖相比，库尔兰（CBG）及其寡糖（OBG）都富集了Bacteroidota菌群，但导致了不同的生态和代谢结果。CBG促进了与聚合相关的碳水化合物处理，富集了糖类降解酶和类似Sus的系统，并支持了以多糖为主导的发酵模式。
CRediT作者贡献声明
李昂格尔·董（Lianger Dong）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。 罗韶青（Shaoqing Luo）：撰写 – 原稿，方法学，实验设计。 沙·穆罕默德·米斯巴胡拉（Shah Muhammad Misbahullah）：实验设计，数据分析。 徐江琪（Jiangqi Xu）：资源获取，数据分析。 万思宝（Sibao Wan）：资源获取，概念构思。 高海燕（Haiyan Gao）：资源获取，项目管理。 秦珍（Zhen Qin）：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号32172160）和北京科技与商学院食品风味与健康交叉创新项目（编号FFHCI-2025065）的财政支持。
