通过受控碱性提取条件调控小麦麸阿拉伯木聚糖的分子特性及功能

《Food Hydrocolloids》：Tuning the molecular characteristics and functionality of wheat bran arabinoxylans via controlled alkaline extraction conditions

　　

•使用NaOH和NH?OH从麦麸中提取了碱溶性阿拉伯木聚糖（AX）
•提取条件对AX的精细结构和物理性质有影响
•温和碱性条件下得到的AX具有较低的A/X比和较低的分子量
•NMR分析和二维图谱揭示了AX的结构特征——微异质性
•发现了AX结构特征与流变性质之间的一些关系

引言
阿拉伯木聚糖（AX）是谷物细胞壁中主要的非淀粉多糖，尤其常见于小麦、黑麦、玉米和大麦（Bataillon, Mathaly, Nunes Cardinali, & Duchiron, 1998; Izydorczyk & Biliaderis, 1995; Izydorczyk & Biliaderis, 2007），通常被归类为半纤维素（Bataillon et al., 1998）。AX由β-(1-4)连接的D-木糖吡喃残基（Xylp）构成线性链骨架，α-L-阿拉伯糖呋喃单元（Araf）连接在木糖残基的C(2)和/或C(3)位置上（Izydorczyk & Biliaderis, 1995; Izydorczyk & Biliaderis, 2007）。AX中的阿拉伯糖呋喃基团主要以单体取代基的形式存在，尽管据报道某些AX中存在少量寡聚侧链，由两个或更多通过1-2、1-3和/或1-5糖苷键相互连接的阿拉伯糖残基组成。除阿拉伯糖残基外，可能还连接有半乳糖、葡萄糖醛酸、乙酰基和木糖基团，但这些通常含量较少，可能源自AX分离物或浓缩物制备过程中的其他污染物多糖。与所有多糖一样，AX在分子量（多分散性）、阿拉伯糖与木糖单元的比值（A/X）、各种糖苷键的相对比例和序列以及其它取代基（如阿魏酰基）的存在等方面均表现出结构异质性（Izydorczyk & Biliaderis, 2007; Kaur & Sharma, M. 2019; Kaur, Pandey, & Bhushan, 2025; Huang et al., 2024; Lynch et al., 2021）。

AX的一个独特结构特征是阿魏酸（FA）通过酯键共价连接到某些阿拉伯糖残基的C(5)位上（Smith & Hartley, 1983）。这些阿魏酰化阿拉伯糖单元通常连接到木糖残基的C(3)位而非C(2)位（Izydorczyk & Biliaderis, 1995; Izydorczyk & Biliaderis, 2007）。阿魏酸通常以小分子形式存在于小麦AX的顺式异构体中；然而，有报道指出WB细胞壁中高达30-40%为顺式阿魏酸（MacCallum & Walker, 1991）。尽管阿魏酸含量相对较少，但它对AX的功能性具有显著影响，无论是在细胞壁基质内部还是作为胶体分离物之后。水溶性AX（WEAX）在植物细胞壁中并未通过其FA基团进行广泛的交联，因此易于溶解于水中（Geissmann & Neukom, 1973; Izydorczyk & Biliaderis, 1993; Vansteenkiste, Babot, Rouau, & Micard, 2004）。另一方面，水不溶性AX（WUAX）由于涉及FA二聚体和三聚体的交联以及与复杂细胞壁基质中其他聚合碳水化合物的广泛氢键作用而主要呈不溶性，导致形成更刚性的结构（Izydorczyk & Biliaderis, 2007）。由于其高分子量和阿魏酸含量高，AX能够轻易地在AX链与植物细胞壁的其他成分（如蛋白质、β-葡聚糖、木质素和纤维素）之间形成共价/非共价键；因此，植物细胞壁结构中存在大量不可水溶性的AX（Beaugrand et al., 2004; Saulnier, Sado, Branlard, Charmet, & Guillon, 2007）。

已开发了多种从谷物副产物（如麸皮）中提取和纯化AX的方法，包括碱性和酸性提取方案（H?ije, Gr?ndahl, T?mmeraas, & Gatenholm, 2005; Hollmann & Lindhauer, 2005; Zhou et al., 2010; Izydorczyk & Biliaderis, 2007）、酶解（Beaugrand et al., 2004; Maes, Vangeneugden, & Delcour, 2004）、微波辅助提取（Rose & Inglett, 2010）、超声辅助提取（Hromadkova, Ková?iková, & Ebringerová, 1999）、蒸汽爆破（Allen et al., 2001）以及双螺杆挤出加工，将机械研磨、混合和加热融为一体（Marechal, Jorda, Pontalier, & Rigal, 2004; Zeitoun, Pontalier, Marechal, & Rigal, 2010）。在这些技术中，碱处理已被广泛研究为从谷物麸皮中分离AX的有效方法，特别是从玉米和小麦麸皮中。碱性提取通过聚合物阿拉伯糖残基上阿魏酸酯的脱酯作用以及纤维素和半纤维素之间某些共价键的断裂而得以促进，从而去除二阿魏酸和三阿魏酸交联以增强不溶性AX部分的溶解性（Izydorczyk & Biliaderis, 2007; Yan et al., 2019; Husain, Whitney, & Simsek, 2026; Nishitsuji et al., 2025）。值得注意的是，这些聚合物中并非所有FA基团都参与交联，在WUAX上也发现了一些单体的、未交联的FA基团（Kale, Hamaker, & Campanella, 2013）。Saulnier和Thibault（1999）报道，对于聚合度约为2000的玉米麸皮AX制剂，约有75个FA残基酯化连接到聚合物链上，其中约30个参与交联。因此，碱提取的AX可能保留一些残余的单体FA基团酯化连接到多糖分子上。他们还推测，酯化FA残基的数量或碱提取AX制剂的FA含量取决于所使用的碱处理条件的严重程度；因此，AX的凝胶特性也可能受到从玉米麸皮中提取这些多糖的条件的影响。碱处理不会断裂二阿魏酸核心结构中的C-C或C-O键（Burr & Fry, 2009）。

AX可潜在用作硬质食品凝胶、质地调节剂、益生元以及结肠给药系统的基质（Izydorczyk & Biliaderis, 2007; Martinez-López et al., 2019; Schupfer et al., 2021）。然而，迄今为止的研究主要集中在从小麦WEAX制备的凝胶（Anderson & Simsek, 2019; Carvajal-Millan et al., 2007; Izydorczyk, Hussain, & MacGregor, 2001; Morales-Burgos et al., 2021）。另一方面，小麦WEAX的大规模分离受到其在小麦胚乳中含量低的限制，导致提取率低。此外，这些聚合物的FA含量取决于小麦品种和种植条件（Izydorczyk & Biliaderis, 1993; Izydorczyk & Biliaderis, 2007），因此无法有效控制。相反，玉米麸皮具有较高的AX水平，且特别富含FA（Kale et al., 2013）。因此，在温和的提取条件下，可能可以获得高产率的AX制剂，且具有比小麦WEAX更高的FA含量的额外优势。这将使得制备更强的凝胶并通过修改提取工艺来控制凝胶特性成为可能（Kale et al., 2013）。

尽管碱性提取被广泛用于谷物细胞壁多糖，但在不同控制的pH/时间条件下提取介质对WB来源AX结构和功能性的影响在很大程度上仍未被探索。例如，Carvjal-Millan等人（2007）使用0.5 N NaOH在25°C/8小时条件下从玉米麸皮中提取AX，Herrera-Balandrano等人（2020）则在37°C/2-6小时条件下进行了提取，并报道了AX浓缩物的化学成分、得率和某些物理性质。Yan等人（2019）进行了一项类似的研究，关注从各种谷物（玉米、小麦和红色/白色高粱）麸皮中以0.625 N NaOH在25°C和85°C条件下提取麸皮AX，时间为2小时。本研究旨在评估和比较两种不同的碱——NaOH（强碱）和NH?OH（弱碱）——在不同pH和时间条件下60°C时对其对AX提取物的得率、纯度、分子/结构特征和流变行为（增稠和凝胶化特性）的影响。选择氨提取方案是基于利用氨的挥发性的可能性，氨可以被收集并重复使用，从而减少WB湿加工方案的环境足迹。此外，研究最多的水溶液NaOH溶液也在相同条件下使用，以比较评估其对AX可提取性的影响。在本研究中，采用一系列分析方法评估所获得AX浓缩物的分子特征，如HPLC-SEC-RI色谱法、二维NMR波谱法（包括二维DOSY NMR）和FTIR，以检查AX聚合物链在水环境中的分子异质性和扩散性质；同时使用1H NMR和HPLC-DAD-MS来研究碱介导的AX阿拉伯糖残基上共价结合的阿魏酸脱酯程度。二维NMR波谱实验用于研究AX侧链的结构多样性并检测其他共提取的多糖的存在，而二维DOSY NMR图谱则用于揭示具有不同分子复杂性和/或不同扩散特性的不同AX群体。最后，通过稳态剪切和动态流变测量，评估了从WB中碱提取的AX结构特征与其增稠和/或凝胶化行为之间的关系。

材料
硬小麦（Triticum durum）麸皮由Flourmills Thrakis I. Ouzounopoulos, S.A.（希腊Alexandroupolis）提供。农用乙醇（96.0% v/v），用于麸皮回流和AX沉淀，购自Alcovin Industrial and Commercial S.A.（希腊雅典）。七水磷酸氢二钠和二水磷酸二氢钠购自Merck KGaA（德国Darmstadt）。二水氯化钙购自Panreac Química

阿拉伯木聚糖浓缩物的纯度
从WB不同提取处理获得的AX浓缩物的基本组成如图3所示。在整个纯化过程中，蛋白质也被沉淀，淀粉水解产物和盐通过透析被去除。AX提取物中的蛋白质浓度范围为8.7至11.3%（w/w）。提取介质类型对蛋白质含量的影响很小；相反，碱性度是主要决定因素，蛋白质含量随pH水平升高而增加。

结论
在本研究中，采用NH?OH和NaOH作为提取介质，在60°C下以各种条件（pH 8.5、9.5、10.5和11.5；提取时间2小时和4小时）从麦麸中提取AX。温和碱性条件下分离得到的AX具有较低的A/X比和较低的分子量（Mp），无论提取介质如何；而在较高pH下，则获得了取代度（Araf）增加的AX浓缩物。此外，使用NH?OH和NaOH在pH 8.5和9.5下提取的AX具有较高的……

CRediT作者贡献声明
Athina Lazaridou：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、数据整理、概念构思。Costas Biliaderis：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、概念构思。Manolis Matzapetakis：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、形式分析、数据整理。Maria Zervou：撰写——审阅与编辑、验证、资源、方法论、形式分析、数据……

未引用参考文献
Hromádková et al., 1999; Hussain et al., 2026; MacCallum and Walker, 1991; Morales-Burgos et al., 2019; Yao et al., 2021b; Yin et al., 2012; Zheng et al., 2011.

资金
本研究由欧盟和希腊国家资金通过竞争力、创业和创新运营计划共同资助，在"研究——创造——创新"项目（项目编号：Τ2ΕΔΚ-00468）下实施。

利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系："鉴于Athina Lazaridou作为副编辑的角色，她未参与本文的同行评审，也未获取有关其评审的信息。本文编辑流程的全部责任已委托给另一位期刊编辑。" 其他所有作者声明他们没有已知的竞争性财务利益。

致谢
我们感谢"INSPIRED"项目（MIS 5002550）在"加强研究与创新基础设施"行动中对本工作相关NMR基础设施的支持，该项目由"竞争力、创业和创新"运营计划（NSRF 2014–2020）资助。

Christos-Konstantinos Mouzakitis | Kali Kotsiou | Maria Irakli | Manolis Matzapetakis | Maria Zervou | Costas G. Biliaderis | Athina Lazaridou