謝勇，覃小麗，金劍波，葉正榮，易川虎，劉雄,*

1(西南大學 食品科學學院，重慶,400715) 2(銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁,554300) 3(昌都市農業(yè)科學研究所，西藏 昌都,854000) 4(昌都君親農業(yè)科技開發(fā)有限公司，西藏 昌都，854000)

葡聚糖分為α-葡聚糖(α-glucan)和β-葡聚糖(β-glucan)，是谷物類等生物中極為重要的一類膳食纖維[1]。其中，β-葡聚糖是一種水溶性/非水溶性的非淀粉均多糖，主要由β-1,3、β-1,4、β-1,6糖苷鍵連接組成，部分有支鏈結構，也有環(huán)狀結構[2]。β-葡聚糖具有抗腫瘤[3]、鎮(zhèn)痛[4]、降血糖血脂[5]及調節(jié)免疫[6]等生理功效。其吸水性較強，具有較好的凝膠性能和水合作用，可作為食品添加劑和藥物載體[7-8]。近年來，關于β-葡聚糖的國內發(fā)明專利超過200項，國外發(fā)明專利超過30項，對β-葡聚糖的結構、性質、生理功效，以及β-葡聚糖對產(chǎn)品品質的影響、加工條件對β-葡聚糖理化性質的影響等方面有了較深入的研究[2,8]。研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖的分子質量、結構、含量、性質及功效等與其來源、生長環(huán)境等因素有關。另外，β-葡聚糖也作為一種益生元，在人體上消化道不能被消化吸收利用，只能通過腸道中的微生物降解作用，產(chǎn)生有利于人體的功能性成分，實現(xiàn)其各自生理功能。然而，不適當?shù)募庸な侄螘茐氖澄镏械摩?葡聚糖結構，影響其功能發(fā)揮。因此，充分了解不同來源的β-葡聚糖理化特性，β-葡聚糖在生物體腸道中的代謝途徑及其機理，了解加工方式對食物中β-葡聚糖分子結構和理化特性的影響，有助于富含β-葡聚糖功能食品的開發(fā)和利用。

1 β-葡聚糖的來源及結構特征

β-葡聚糖廣泛存在于植物、真菌、細菌及無脊椎動物中，尤其在谷物類和真菌的細胞壁、子實體、菌絲體及細胞壁中比較常見，含量也相對較高[2]。β-葡聚糖含量、聚合度、分子質量、分子構型等會受來源、生長環(huán)境及加工方法等因素的影響，因而其功能與性質也存在差異[9]。

1.1 谷物類β-葡聚糖

谷物類如青稞、大麥、燕麥等多種谷物中均含有β-葡聚糖，其結構一般由β-1,3和β-1,4兩種糖苷鍵構成，無支鏈結構(圖1)，分子質量差異明顯(表1)。其中，β-1,4糖苷鍵與β-葡聚糖的規(guī)則結構有關，形成致密區(qū)，而β-1,3糖苷鍵主要形成無規(guī)則結構，該區(qū)域結構相對疏松而具有柔性[10]。3-O-β-纖維二糖基-D-葡萄糖(3-O-β-cellobiosyl-D-glucose, DP3)和3-O-β-纖維三糖基-D-葡萄糖(3-O-β-cellotriosyl-D-glucose, DP4)是β-葡聚糖主要水解產(chǎn)物，前者為三聚體、后者為四聚體，是β-葡聚糖的重要結構特征，其比例(DP3/DP4)可構成β-葡聚糖的指紋圖譜，是表征β-葡聚糖結構的重要參數(shù)。谷物β-葡聚糖分子中的其他低聚體單元(DPn,5≤n≤20)的比例也因谷物的種類、遺傳及環(huán)境因素的差異而不同[10-11]。

圖1 谷物β-葡聚糖的一般結構Fig.1 General structure of β-glucans from cereals

表1 谷物β-葡聚糖的含量與結構特征Table 1 Content and structure characteristic of β-gulcans

注：“-”表示未檢測出。下同。

1.1.1 青稞

青稞有黑色、藍色及白色青稞之分，白色青稞較為常見。青稞β-葡聚糖的含量與其基因、生長環(huán)境、顆粒部位、處理方式等因素有關，總含量在3.7%～16.9%，高海拔地區(qū)的含量高于低海拔地區(qū)。例如，西藏不同顏色青稞(海拔高度>4 000 m)的總β-葡聚糖含量在5.80%～6.29%，其中黑青稞中平均總β-葡聚糖和可溶性葡聚糖含量最高，分別為6.29%和2.72%，其次為藍青稞，而白青稞含量最低，分別為5.80%和2.06%，且均顯著高于低海拔(97～3 500 m)地區(qū)的青稞品種[12]。相比低海拔地區(qū)(97～126 m)，高海拔(1 200～1 500 m)地區(qū)的青稞總β-葡聚糖要高7.5%～30.8%[13]。青稞皮中的β-葡聚糖含量在4.7%～6.3%，而精粉含量在3.4%～4.4%，且高原青稞皮中的β-葡聚糖含量要比平原地區(qū)的高7.5%～28.3%。如印度不同地區(qū)的9個青稞品種、青稞表皮及精粉中的β-葡聚糖含量存在顯著差異，其中麩皮中的β-葡聚糖含量在4.6%～6.2%，而精粉中的含量在3.4%～4.5%。雖然高海拔地區(qū)青稞品種的β-葡聚糖含量更高，但相應地減少了青稞精粉的得率[7]。在土耳其不同地方不同品種青稞中也有類似規(guī)律，β-葡聚糖含量在3.73%～5.18%[1]。青稞中的β-葡聚糖由β-1,3和β-1,4糖苷鍵構成，平均分子質量在(117～188)×104Da，甚至更高，DP3/DP4比例在1.5～1.8[1]?？傊?，不同品種青稞中β-葡聚糖的含量及結構差異顯著，高海拔地區(qū)的含量高于低海拔地區(qū)，青稞皮中的含量高于青稞精粉。

1.1.2 大麥

大麥有黑麥、糯大麥、多棱裸大麥、稃大麥等多個種類。大麥β-葡聚糖分布在其種皮、胚子葉、糊粉層、亞糊粉層、淀粉胚乳等細胞壁中。大麥總β-葡聚糖含量在0.5%～15.3%，其中大麥亞糊層細胞中的含量最高，胚乳細胞壁中也有較高的含量(約占胚乳細胞壁總多糖的75%)，而大麥胚乳細胞中的β-葡聚糖比鄰于細胞內容物[2]。同樣地，不同品種大麥中β-葡聚糖的含量及分子質量差異明顯，如干重含量高的可達11.8%～15.3%，低的含量僅有3.9%～4.9%，甚至更低；分子質量高的達2 400 kDa，低的僅有40 k～110 kDa；DP3/DP4在3.2 ～3.8[14]。例如，糯大麥中β-葡聚糖含量在5.4%～6.3%[15]；黑麥β-葡聚糖含量僅有1.9%左右；小黑麥β-葡聚糖含量更少，在0.5%～1.0%之間[11]。文獻顯示，大麥、麥麩及脫淀粉大麥中β-葡聚糖的平均分子質量分別為188、9和21 kDa[16]。由此說明，大麥中的β-葡聚糖含量相對較高，不同品種的含量及分子質量大小存在顯著差異，糖苷鍵類型與青稞β-葡聚糖相同。

1.1.3 燕麥

在燕麥中，β-葡聚糖主要存在于籽粒亞糊粉層，麩皮中也含有一定的含量。燕麥總β-葡聚糖含量在3.2%～11.3%，其中燕麥麩中含量在6.6%～11.3%，去皮燕麥粉中含量在3%～5.4%，水溶性β-葡聚糖占22%～40%，可溶性膳食纖維4.7%～8.9%，不溶性膳食纖維3.9%～9.1%，均受燕麥品種、地理位置、降水量及平均日照溫度等因素的影響[17]。例如，加拿大不同地區(qū)的8種燕麥中總β-葡聚糖含量在4.37%～5.82%，不同品種和地區(qū)之間的差異顯著[17]。芬蘭13種燕麥β-葡聚糖含量在3.9%～6.6%[18]。英國的部分燕麥β-葡聚糖的含量在2.8%～5.5%[19]。燕麥β-葡聚糖與青稞、大麥β-葡聚糖類似，均由β-1,3和β-1,4糖苷鍵連接，屬于無支鏈的黏性多糖[17]。燕麥β-葡聚糖平均分子量在79.3～1 067 kDa，也有分子質量達2 000 kDa和5 600 kDa的報道[14]。燕麥的DP3/DP4在1.5～2.3，其差異主要受品種、生長環(huán)境及其相互作用的影響[10]。

1.1.4 其他谷物

高粱中β-葡聚糖含量較低，總β-葡聚糖含量一般小于0.5%，其差異主要取決于高粱種類。高粱粉中的含量在0.3%～0.4%，其中非水溶性含量在0.19%～0.24%，水溶性含量在0.11%～0.13%。高粱胚芽中總β-葡聚糖含量在0.17%～0.27%，水溶性的含量也低于非水溶性的含量[20]。另外，小麥(<1%)及大米(0.09±0.01)%中也含有極少量的β-葡聚糖[21]。這些谷物β-葡聚糖的分子結構特征與青稞、大麥及燕麥β-葡聚糖類似，均由β-1,3和β-1,4糖苷鍵組成。

1.2 微生物β-葡聚糖

在食用菌、酵母及細菌中，β-葡聚糖主要作為其細胞壁的成分而存在，多具有支鏈結構。其中β-1,3葡聚糖是真菌細胞壁的主要成分，主要貢獻是形成細胞壁的剛性骨架而賦予其抗機械力性能，其螺旋結構對維持真菌細胞壁的彈性有著重要作用。另外，微生物β-葡聚糖的含量及結構因其種類而各異(表2)。

表2 微生物β-葡聚糖的結構特征Table 2 the structure characteristic of beta-gulcans from bacteria

1.2.1 真菌

(1)真菌子實體。食用菌及部分藥用真菌的子實體中含有較為豐富的β-葡聚糖，如側香菇、耳擔子菌、茯苓及青頭菌等。其中雙孢蘑菇、平菇、雞腿蘑的β-葡聚糖的平均含量分別為8.5%、14.2%及17.0%[22]。側耳擔子菌β-葡聚糖在冷水中可溶，呈凝膠狀，主鏈由β-1,3糖苷鍵構成，O-6被葡萄糖單體取代，主鏈上平均2～3個殘基就有1個分子質量為9.75×105g/mol的支鏈[23]。食用菌中β-葡聚糖的一般結構如圖2所示，主鏈由β-1,3，1,4糖苷鍵組成，支鏈由1個或多個葡萄糖分子組成，支鏈與主鏈之間靠β-1,6糖苷鍵連接。鳳尾菇中的β-葡聚糖分子主鏈由β-1,3糖苷鍵連接，每4個分子通過β-1,6糖苷鍵結合1個支鏈分子[24]。灰樹花菌β-葡聚糖的粗得率1.7%左右，分子量約300 kDa，主鏈由β-1,3糖苷鍵組成，每3個主鏈分子連接1個支鏈葡萄糖分子，支鏈與主鏈由β-1,6糖苷鍵連接[25]。櫟迷孔菌β-葡聚糖的分子質量為3～3 000 kDa，平均為16 kDa，分子結構與其他食用菌類似，支鏈由3個葡萄糖經(jīng)β-1,3糖苷鍵連接組成[2]。而光帽鱗傘及其他食用菌β-葡聚糖的主要區(qū)別在于分子質量大小、支鏈結構比例及支鏈分子的聚合度[26]。由于食用菌β-葡聚糖分子質量總體較低，且具有支鏈結構，因此會比較黏稠而具有滑膩感。

(2)酵母、曲霉菌。酵母細胞壁中，β-葡聚糖的含量達50%～65%，主鏈由β-1,3糖苷鍵構成，支鏈與主鏈由β-1,6糖苷鍵連接而成。酵母中β-葡聚糖的黏度較高，水溶性較差，高濃度條件可形成凝膠[5-6]。膠紅酵母中的β-葡聚糖主要由β-1,3糖苷鍵構成，平均分子質量78.2 kDa，平均聚合度480[4]。

1.2.2 細菌

啤酒中的短乳桿菌可產(chǎn)生2種β-葡聚糖，一種屬于胞外多糖，另一種屬于莢膜多糖，可導致啤酒變質而使其黏液呈絲狀。該類β-葡聚糖由β-1,3、β-1,2糖苷鍵及末端殘基構成，其中β-1,3糖苷鍵的比例約23.6%，每2個主鏈分子中的2號位就會與1個葡萄糖分子形成1個支鏈[27]。根瘤菌胞質間有一種環(huán)狀β-葡聚糖(圖2)，分子由10～13個D-葡萄糖分子構成，具有非還原性末端殘基，其中主要成分由12個分子(Mw=1945.363 Da)構成，糖苷鍵為β-1,3或β-1,6，兩者比例約為1∶2[2]。焦腐病菌的胞外β-葡聚糖具有半螺旋結構(圖2)，與其他細菌β-葡聚糖結構相比，其分子結構比較獨特，主要由β-1,6糖苷鍵組成，無支鏈結構，因而水溶性比較差[28]。

圖2 微生物β-葡聚糖的分子結構Fig.2 Structure of microbial β-glucans

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)谷物類β-葡聚糖含量和結構可能受品種及環(huán)境的影響而存在顯著差異，但總體而言，谷物類β-葡聚糖的含量呈青稞>大麥>燕麥>黑麥>小麥>高粱>大米的排列順序，非水溶性β-葡聚糖含量及分子量更高，而水溶性的分子量相對較低，且一般為直鏈結構，由β-1,3、β-1,4糖苷鍵組成，無支鏈結構。β-1,3糖苷鍵位于不同聚合度的連續(xù)性β-1,4糖苷鍵之間而呈非連續(xù)性排列；同等分子量時，β-1,3/β-1,4糖苷鍵的比例越高，低聚合結構如DP3與DP4的總量及其比例就越高，整個分子鏈的線性越低，分子鏈間的相互作用就越低，聚合作用越低，而溶解性越強。反之，如果DP3與DP4所占比例越低，β-葡聚糖分子鏈線性越強，分子間的空間阻礙越弱，越容易通過分子間氫鍵作用而聚集，形成網(wǎng)絡結構而易形成膠體和薄膜。從目前的數(shù)據(jù)來看，青稞β-葡聚糖分子的線性特性似乎更強，聚合狀態(tài)的結構比較緊密，大麥β-葡聚糖次之，燕麥β-葡聚糖的β-1,3/β-1,4比例較高而線性較差，聚集態(tài)結構比較分散而疏松；單純比較大麥與燕麥β-葡聚糖分子量時，前者較低，擴散速率更高，聚合作用更強，網(wǎng)狀結構更堅實[12-29]?？傊?，分子量及β-1,3/β-1,4糖苷鍵的比例是影響β-葡聚糖結構和功能性質的最關鍵因素。其他植物類β-葡聚糖主要由β-1,3、β-1,4、β-1,6糖苷鍵組成，有支鏈結構。微生物中β-葡聚糖含量較高，主要為細胞壁成分，不同來源的結構差異顯著，分子量越大，溶解性越差，主要由β-1,3糖苷鍵和β-1,6糖苷鍵單獨或/和混合構成，而β-1,4糖苷鍵相對較少，支鏈與主鏈之間通常由β-1,6糖苷鍵構成，支鏈度越高，黏度越大。盡管不同來源β-葡聚糖之間的分子量及結構差異顯著，但其性質與結構之間的規(guī)律具有一定的相似性。

2 不同來源β-葡聚糖的物理特性

β-葡聚糖的理化性質主要包括水合特性(持水性及溶脹性等)、流變性質、發(fā)泡性質及乳化性質等，其中流變性質包括黏度、凝膠化、剪切變稀、黏彈性等，其性質的差異主要取決于結構和濃度等條件。β-葡聚糖作為增稠劑、乳化劑等，常用于食品加工業(yè)，也可作為載體、敷料、護膚品而被應用于醫(yī)藥行業(yè)。

2.1 β-葡聚糖的水合特性

多糖因其含有大量的游離羥基而具有較強的親水性。β-葡聚糖與其他多糖類似，具有一定的吸水性，能夠控制水分移動的能力而可用作食品增稠劑。由表3可知，燕麥β-葡聚糖具有較好的水合能力，溶脹能力在12.1～15.1 g/g[30-31]。而高黏大麥β-葡聚糖持水力約2.9 g/g，在其濃度≤0.1%范圍內呈現(xiàn)均質性，但當濃度≥0.25%時，則表現(xiàn)出不同程度的微觀非均質性和微觀黏度行為[32]。青稞β-葡聚糖的持水力可達4.2～4.9 g/g，脂肪結合能力2.1～2.4 g/g，膽汁酸結合能力21.8%～34.2%[33]。相對而言，青稞與燕麥中β-葡聚糖水合性質較強，這可能與其分子量及分子結構之間的差異有關。

相比谷物類，微生物β-葡聚糖的溶脹能力更強，但水合能力、發(fā)泡能力、發(fā)泡穩(wěn)定性和脂肪結合能力較低。如酵母細胞壁中的β-葡聚糖的溶脹能力可達5.5 g/g，有的甚至高達19.59 g/g，而持水能力僅有0.73～1.74 g/g，且明顯低于大麥和燕麥β-葡聚糖[5]。雞腿蘑菇β-葡聚糖的平均溶脹能力4.59 g/g，脂肪結合能力6.65 g/g，均大于雙孢蘑菇和平菇β-葡聚糖，而平菇的平均起泡能力和起泡穩(wěn)定性效果最好，分別為10.20%和9.16%[34]。由此可知，不同來源的β-葡聚糖，其水合性質差異較大，可能是影響β-葡聚糖其他功能性質(如膠凝性質、黏度等)的重要因素。

2.2 β-葡聚糖的膠凝性質

β-葡聚糖的膠凝作用是分子間通過聚合作用而形成三維網(wǎng)狀結構的過程，而這一過程一般都是熱可逆性的。目前，擴散限制簇聚集(diffusion limited cluster aggregation，DLCA)和碰撞限制簇聚集(reaction limited cluster aggregation，RLCA)被認為是凝膠分子相互聚集的通用理論模型，前者認為多糖分子通過分子擴散相互聚集形成分支，新生產(chǎn)的分支阻止鄰近分子進入團簇中心而形成另一個團簇，這種不斷重復的擴散運動最終導致凝膠的形成；后者認為凝膠是依靠2個分子間的概率性碰撞而形成團簇，團簇分子進一步碰撞而形成分子簇，最終形成凝膠。且一般認為，β-葡聚糖分子間之所以能夠相互聚合，與分子間形成的氫鍵有關，而氫鍵的形成主要依靠β-葡聚糖分子的纖維素樣連接區(qū)(DP>3)和纖維三糖基連接區(qū)(DP=3)的羥基。在稀溶液中，分子間距離較大，擴散速率對聚合作用的影響比單體分子的結構特征更重要，DP3/DP4的比值越高，分子剛性構象越多，擴散性越差，聚合度就越低；相反，同等條件下，DP3/DP4的比值越低，β-1,4糖苷鍵的比例越高，β-葡聚糖分子的線性特性越強，分子間的相互作用越強，分子間的締合作用也越強，凝膠形成速率越快，穩(wěn)定性越好，凝膠強度也越高[35]。而在高濃度條件下，分子間的重疊降低了其擴散的重要性，DP3/DP4構成的剛性效應可以忽略，分子鏈上反應位點的可用性更加重要，因此，DP3/DP4越高的β-葡聚糖形成凝膠的能力越強。另外，分子量越小，水力半徑越小，分子移動速度越快，這種高移動性增加了分子聚合的幾率，聚合度越高，反之亦然[36]。因此，谷物類β-葡聚糖的凝膠性質除與其分子結構相關外，還與分子量大小、分子量分布、濃度、儲存時間及溫度有關。整體而言，谷物β-葡聚糖的膠凝能力順序為：小麥>大麥>燕麥>青稞，前3者在常溫下能形成凝膠，而青稞β-葡聚糖分子中的β-1,3糖苷鍵比例較低，導致其在常溫下難以形成凝膠樣結構，僅能在較低溫度(<5 ℃)下形成微弱凝膠；對于同一種谷物β-葡聚糖，分子鏈中DP>5的比例越低，凝膠形成越快，這可能與分子鏈中相鄰連續(xù)單元聯(lián)合形成延伸區(qū)進而形成的螺旋結構有關[37-38]。另外，相比靜態(tài)膠凝過程，由于動態(tài)受力膠凝過程中β-葡聚糖的分散作用受到影響，使得分子間的聚合作用受到破壞，所得凝膠較小[10]。

真菌中的β-葡聚糖具有高度支鏈結構，易與水分子及其他分子之間形成氫鍵，具有凝膠樣結構和剪切變稀的流變性質，且凝膠結構對溫度(5～60 ℃)具有較強的穩(wěn)定性，粗品和純品的流變行為類似，可作為增稠劑應用到食品工業(yè)中[2]。但靈芝β-葡聚糖在低濃度(≤0.5%)及低臨界剪切速率條件下展現(xiàn)出剪切變稀及液體樣行為，不具有牛頓流體，其臨界濃度僅有0.79 g/L，遠低于其他多數(shù)多糖，但可形成微弱的凝膠結構，這可能與其剛性構象有關[39]。某些腐敗菌也能分泌黏性β-葡聚糖形成微凝膠樣結構，從而使食品變稠、變質[27]。

2.3 β-葡聚糖的流體流動性質

研究顯示，中性多糖的特性黏度遵循Hggins方程，即

ηsp=C[η]+k[η]2C2

(1)

剛性多糖的特性黏度則遵循方程

ηsp=C[η]+kC[η]sp

(2)

式中:ηsp,特性黏度;C,濃度;[η],固有黏度;k為常數(shù)。

但后者僅在特性黏度為1.2～2范圍適用，因為特性黏度大于2時，多糖分子間的相互作用的影響將不可忽略。動態(tài)黏度(η*)與表觀黏度(η)之間的關系遵循Cox-Merz定律，即:

|η*(w)|w→0=|η(γ)|γ→0

式中:w,角頻率，rad/s；γ,剪切速率，1/s。

該方程多與凝膠狀態(tài)結構有關，在穩(wěn)定剪切試驗中會斷裂，使得η*>η，但在高濃度時，兩者的變化幾乎是平行的，且η*>η[38]。固有黏度([η])與分子量(M)之間的關系遵循Mark-Houwink-Sakurada方程，即

指數(shù)α因β-葡聚糖的不同來源而異[35]。而β-葡聚糖溶液的剪切變稀行為可用交叉模型描述，即:

η0,零剪切速率黏度;η∞表示無窮大剪切速率黏度;γ,剪切速率;K為常數(shù);n表示取決于β-葡聚糖濃度的冪指數(shù)[39]。

總體而言，β-葡聚糖溶液的黏度受其來源、分子量、溫度、濃度及溶劑等因素的影響，其中β-葡聚糖的結構為最主要的影響因素。以谷物β-葡聚糖為例，β-1,4糖苷鍵具有半螺旋結構特征，而β-1,3糖苷鍵具有彎曲變形的結構效應，同等分子量情況下，兩者比例越高，DP4/DP3的比例也越高，葡聚糖分子的內部相互作用越強，線性β-葡聚糖分子間的締合趨勢越強，抗流性作用越明顯，黏度也就越大。相比大麥水溶性β-葡聚糖，燕麥β-葡聚糖分子鏈中β-1,4/β-1,3比例及DP4/DP3的比例更高，抗流性更強，因而黏度更高[35]。在同等濃度下，燕麥β-葡聚糖的黏度隨其分子量的增加而增大，在低濃度時表現(xiàn)為牛頓流體，在高濃度時具有假塑性[40]。青稞β-葡聚糖還具有熱彈性流變行為，即剪切速率越大，表觀黏度越低，在同等剪切速率下，濃度越高，黏度越大。這可解釋為β-葡聚糖在溶液中是一種動態(tài)糾纏網(wǎng)絡結構，同時，β-葡聚糖分子羥基形成的分子間和分子內氫鍵也會強化這種網(wǎng)狀結構，這種結構會限制β-葡聚糖分子鏈的移動，但會隨外界條件的改變而變化。另外，濃度增加1%，表觀黏度約增加10倍，黏彈性模量與溫度呈負相關性[37]。大麥與燕麥β-葡聚糖具有青稞β-葡聚糖相似的表觀密度變化規(guī)律，分子量越大，表觀密度越低，但兩者在溶液中的聚合構象卻是不同的，前者比較有序和固定，后者分布較廣而比較疏松[41]。靈芝β-葡聚糖在低濃度時也表現(xiàn)為牛頓流體，且臨界濃度隨分子量的增加而降低，其剪切行為也遵循交叉模型[39]。

表3 不同來源β-葡聚糖的理化性質Table 3 The physicochemical property of β-glucan from different resouces

3 β-葡聚糖在生物體內的降解機理及代謝途徑

β-葡聚糖作為一種膳食纖維，具有多種生物活性，如抗腫瘤、調節(jié)免疫、改善糖尿病癥狀及肥胖癥等[42]。一方面，β-葡聚糖與其他水溶性膳食纖維類似，可誘導腸道上皮細胞產(chǎn)生免疫應答進而提高宿主的免疫能力；另一方面，β-葡聚糖由于其結構復雜，且人體消化系統(tǒng)無相應的消化酶，僅能通過腸道微生物發(fā)酵轉變?yōu)槎喾N生物活性成分。然而，β-葡聚糖具有β-1,2/β-1,3/β-1,4/β-1,6多種糖苷鍵，因而需要不同的酶進行降解[42-43]。研究證實，人類腸道中發(fā)酵利用β-葡聚糖的微生物主要包括革蘭氏陰性擬桿菌門和革蘭氏陽性厚壁菌門，且兩者在維持腸道菌群穩(wěn)定和人體健康方面具有重要作用[41]。其中，谷物β-葡聚糖主要被擬桿菌門細菌中的B.ovatus降解和利用，且長期缺乏膳食纖維將不可逆地改變腸道微生物生態(tài)，因而，膳食纖維及腸道菌群對人體健康具有不可替代的作用[42]。因此，了解腸道微生物如何將β-葡聚糖分解而轉化為人體所需要的各種生物活性成分具有重要意義。

3.1 β-葡聚糖在生物體內的降解過程及機理

由于不同來源的β-葡聚糖在結構(如分子量、糖鏈長度、糖苷鍵類型及比例、DP2:DP3:……DPn、支鏈、聚合形態(tài))上存在諸多差異，因而其在腸道微生物的降解過程及機制也不同。微生物降解β-葡聚糖的能力由其葡糖苷酶的種類及活性決定，而這些酶又由相應的基因編碼而成，因而腸道微生物的基因決定了其代謝特征。反之，膳食纖維的種類也會影響微生物的種類和分布[43]。目前，將腸道微生物降解β-葡聚糖及其他多糖的基因歸于碳水化合物基因家族(carbohydrate-active enzymes, CAZymes)成員之一，其中降解β-葡聚糖的酶系統(tǒng)可分為結合家族、降解家族及轉運家族3類[44-45]。研究表明，谷物β-葡聚糖的降解場所位于細菌細胞表面，主要由CBM(carbohydrate-binding modules， CBM)結合家族、GH(glycoside hydrolase family, GH)糖苷降解家族及轉運家族完成。以B.ovatus為例，該類微生物具有一套相對完整的β-糖苷酶系統(tǒng)，這套系統(tǒng)類似于原型多形類桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)的淀粉利用系統(tǒng)(starch utilization system，SUs)。谷物β-葡聚糖在B.ovatus細胞表面，首先與CBM家族蛋白特異性結合，再由GH家族酶降解為葡萄糖，最終經(jīng)轉運蛋白將葡萄糖分子轉入細胞內。因而，β-葡聚糖降解為葡萄糖的過程可分為3個階段，即捕獲(結合)、分解、轉運(如圖2所示)。捕獲階段(圖3-A)，β-葡聚糖分子靠自身的移動(Motility)、其他大分子或細菌的趨化作用(Chemotaxis)、蛋白受體及相關糖蛋白的特異性結合共同介導了細胞表面酶與底物的特異結合，為β-葡聚糖的降解做好準備；降解階段(圖3-B)由BACOVA-02741基因編碼的BoGH16(GH16)酶家族和BACOVA-02745基因編碼的BoGH3(GH3)酶家族完成，其中GH16特異性降解β-1,4糖苷鍵，GH3家族降解β-1,3糖苷鍵。該階段的初期，由通過N端半胱氨酸殘基的酯化作用固定于細胞膜的GH16酶家族完成。

由于GH16對β-1,3/β-1-4混合型葡聚糖具有很高的特異性，它首先通過內切作用將谷物β-葡聚糖的β-1,4糖苷鍵分解，產(chǎn)物為較大的低聚糖，然后逐步水解次級產(chǎn)物的β-1,4糖苷鍵將其轉變?yōu)榉肿恿扛〉牡途厶?，最終被降解為限制性消化三糖(G4G3G)和/或四糖(G4G4G3G)，前者由3個葡萄糖

A-識別過程；B-降解過程：C-轉運及代謝過程圖3 β-葡聚糖在腸道的降解途徑及機理Fig.3 Pathway and mechanism of β-glucan degradation in intestinal tract

分子經(jīng)1個β-1,3和β-1-4糖苷鍵連接而成，后者由4個葡萄糖分子經(jīng)2個β-1,4和1個β-1-3糖苷鍵連接，這些限制性消化三糖和四糖則由GH3家族先從非還原性末端逐步將β-1,4糖苷鍵水解，每水解1次釋放1個葡萄糖分子，GH3可完全將GH16不能水解的低聚糖水解為葡萄糖，且僅有G3G(即β-1,3葡聚二糖)為新的中間產(chǎn)物；轉運階段(圖3-C)，該階段可通過多種模式進入微生物細胞內：(1)ATP主動運輸；(2)ABC轉運體(ATP binding cassette transporter, ABC transporter)；(3)離子連接運輸(major facilitator superfamily)；(4)PEP依賴性磷酸轉移酶轉運(PEP: carbohydrate phosphotransferase system)[43-46]。值得注意的是，在β-葡聚糖的降解的過程中，微生物之間存在競爭關系，為了維持腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，某些中間產(chǎn)物可被其他微生物利用，這種稱之為互飼(cross-feeding)共生作用，對保持腸道各種菌群的相對豐度有重要作用[43]。例如，在β-葡聚糖的降解過程中，部分中間產(chǎn)物可被其他厭氧微生物利用產(chǎn)生H2等終產(chǎn)物，生成的H2與CO2可被甲烷菌利用而生成甲烷，同時，H2的消耗有利于降解β-葡聚糖的微生物繼續(xù)生長和繁殖。甲烷再經(jīng)醋酸菌或雙歧桿菌發(fā)酵生成乙酸或經(jīng)硫酸鹽還原菌產(chǎn)生H2S，乙酸再經(jīng)乳酸菌發(fā)酵可生產(chǎn)丁酸(圖3-C)，這些生成的SCFAs對宿主具有多種生理功效。研究顯示，SCFAs包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸及己酸，其中丙酸和丁酸的生物活性較強，SCFAs能與腸道上皮屏障的完整性、腸道免疫，可減少腸道NH3的釋放。生產(chǎn)的丙酸、丁酸等活性物質可通過血液循環(huán)進入宿主細胞改善各種代謝性疾病和調節(jié)免疫能力[45-46]。

因此，β-葡聚糖被降解為葡萄糖、二糖及低聚糖，進入微生物細胞內后，并不會立即被微生物直接利用，而是需要進一步參與微生物細胞內的代謝作用才能產(chǎn)生微生物自身所需要的能量和營養(yǎng)物質。其中葡萄糖可參與EMP等多條途徑，或與其他微生物之間的共生關系產(chǎn)生SCFAs(圖3-C)[47]。目前，關注較多的SCFAs為乙酸、丙酸和丁酸，其中乙酸含量可占總SCFAs的一半以上，豐度最高，其代謝主要有2條途徑，腸原桿菌通過乙酸輔酶途徑(acetyl-CoA pathway)將H2和CO2或蟻酸合成乙酸，該路徑合成的乙酸占多數(shù)；多聚乙酰細菌(acetogenic bacteria)通過Wood-Ljungdahl途徑(Wood-Ljungdahl pathway)將低聚糖降解為乙酸，該途徑生成的乙酸約占1/3。然而，丙酸和丁酸受到更多的關注，丙酸可通過3條途徑形成，琥鉑酸途徑(succinate pathway)：甲基丙二酸單酰輔酶A經(jīng)脫羧作用變?yōu)楸］o酶A，該途徑在厚壁菌門和擬桿菌門細菌中均有存在；丙烯酸酯途徑(acrylate pathway)：乳酸經(jīng)過乳酸脫水酶及后續(xù)酶反應生成丙酸；丙二醇經(jīng)丙二醛脫氫酶還原為丙二醛，輔酶A依賴的丙醛脫氫酶將丙二醛轉變?yōu)楸；o酶A，再經(jīng)后續(xù)反應轉化為丙酸，其中琥鉑酸途徑為主導途徑。丁酸生成途徑主要包括丁酸激酶途徑和丁酸輔酶A:乙酸輔酶A轉移酶途徑，前者利用磷酸轉丁酸酶(phosphotransbutyrylase)和丁酸激酶(butyrate kinase enzymes)將丁酸輔酶A轉變?yōu)槎∷?，該途徑不是常見代謝方式，主要限于一些糞球菌屬(Coprococcusspecies)，而后者中丁酸輔酶A經(jīng)過一步酶反應即轉變?yōu)槎∷?，該途徑存在于腸道大多數(shù)產(chǎn)丁酸細菌(如Faecalibacterium,Eubacterium,及Roseburia)[45-47]。值得注意的是，同時產(chǎn)丁酸和丙酸的微生物并不多見，僅在少許厭氧菌中出現(xiàn)。

4 加工對β-葡聚糖理化性質的影響

β-葡聚糖具有多種生理功效因而其具有較好的應用前景，如可用作傷口敷料、牙周炎等藥物載體、飼料、化妝品和食品增稠劑等[2, 4]。但在加工中，β-葡聚糖的結構與性質會受到加工方式的影響(表4)，如熱處理、機械加工、非熱處理、生物處理等。

表4 加工方式對β-葡聚糖理化性質的影響Table 4 Effect of processing methods on the physicochemical property of β-glucans

4.1 熱處理對β-葡聚糖理化性質的影響

研究表明，蒸煮、高壓加熱、微波、紅外、焙烤等等熱處理對總β-葡聚糖的含量無顯著影響，但其理化性質如分子量、水合作用及黏度等會受到不同程度的影響。

常壓蒸汽、高壓蒸汽、熱風焙烤及紅外焙烤熱處理不會影響β-葡聚糖的含量及分布，但可增加β-葡聚糖分子量[10]。燕麥皮β-葡聚糖粗品與燕麥粉、燕麥片(β-葡聚糖含量均為0.5%)相比，在未煮制之前，其β-葡聚糖的釋放率分別為55.2%、55.0%、50.2%，煮制之后釋放率分別為55.2%、28.2%、21.6%；當β-葡聚糖含量增加到1.0%時，煮制后其釋放率均顯著低于未煮制的釋放率，但重均分子量呈增加趨勢；煮制之后粗燕麥β-葡聚糖在體外消化過程中的黏度降低，燕麥片和燕麥粉的黏度增加，但3者的最終黏度基本相同[49-50]。在用糯大麥制得的意大利面條中，總β-葡聚糖含量在9.7%～9.9%，原粉可溶性β-葡聚糖占57.7%。加熱煮制之前，新鮮面條和干燥面條中可溶性β-葡聚糖分別占18.7%和9.6%，而黏度僅有17 cp，相當于大麥原粉的1/17；加熱煮制后，其含量在新鮮面條和干燥面條中分別占83.1%和67.3%，后者的平均分子量達1163×103g/mol，比在大麥原粉中的分子量高122%，黏度相當于大麥原粉的4倍[51]。說明常規(guī)加熱處理不會影響β-葡聚糖的總含量，但會增加其溶解性和分子量，不過分子有聚集效應而降低其釋放度。也有研究表明，焙烤對面包中β-葡聚糖的分子量及結構沒有顯著影響[1]。另外，在長時間(40 h)加熱條件下，β-葡聚糖可與食品體系中的氨基酸或多肽發(fā)生美拉德反應而形成復合物，該復合物的表觀溶脹黏度、乳化特性、溶脹能力、脂肪結構能力均得到顯著增強[52]。

4.2 非熱處理對β-葡聚糖理化性質的影響

燕麥β-葡聚糖經(jīng)γ-射線輻照(15 kGy)后，其分子量由自然狀態(tài)的200 kDa降低到45 kDa，黏度降低，持水力、溶解性、抗氧化性、抗腫瘤作用及降低餐后血糖作用均增強，且在正常細胞中無毒性[3]。焙烤酵母β-葡聚糖的平均分子量、溶脹能力、粘度均隨著輻射劑量(5～50 kGy)的增加而降低，而脂肪結合能力、乳化性質、起泡性質、膽汁酸結合能力及抑菌活性卻增強[49]。酶結合超聲處理可提高β-葡聚糖的得率[10]。

4.3 機械加工對β-葡聚糖理化性質的影響

粉碎、擠壓、攪拌及輥壓是常采用的機械加工方式，粉碎物料粒度對β-葡聚糖的釋放和分子量大小分布也有影響，顆粒越小，β-葡聚糖的釋放度越高[50]。相比于粗糙顆粒，含有小顆粒燕麥麩皮的面包中，β-葡聚糖得率和黏度較高，但分子量較小，聚合度較低。將青稞全麥顆粒粉碎并進行分級，小顆粒粉所得β-葡聚糖的峰值分子量較低，即過度研磨會降低β-葡聚糖的分子量；輥壓、擠壓與粉碎類似，可以增加β-葡聚糖的得率，但會降低其分子量[53]。在加工含β-葡聚糖面包時，面團混合攪拌時間與β-葡聚糖的分子量呈負相關性，DP3/DP4的比例會適當增加[1]；超細粉碎可提高燕麥β-葡聚糖的分子量和溶解性，但會降低持水能力和多分散性系數(shù)[54]。說明機械加工不僅對β-葡聚糖含量有一定影響，對其理化性質也有影響。

4.4 生化處理對β-葡聚糖理化性質的影響

淀粉酶的水解可使顆粒表面的淀粉分散并吸收外圍的水分，從而增加了β-葡聚糖釋放量，但長時間的水解會使β-葡聚糖內源酶溶出而降低β-葡聚糖的分子量[50]。同樣，纖維素酶可以增加燕麥β-葡聚糖的溶解度，但會使其持水能力降低[54]。發(fā)酵也會對β-葡聚糖分子量及結構產(chǎn)生一定的影響[1]。焙烤酵母中的β-葡聚糖經(jīng)熱水、蛋白酶及脂肪酶處理后，其溶脹能力、水合能力及脂肪吸附能力最高可增加252.9%、138.4%和138.8%。與酶降解相比，酸水解可降低β-葡聚糖水解產(chǎn)物的聚合度[5]。

總體而言，熱處理可降低-β葡聚糖的得率，增加分子量，增強乳化特性、黏度及溶解性；非熱處理可增加得率和溶解度，降低分子量，理化特性也得到增強；機械加工與酶處理的影響比較類似，均可增強得率，而降低分子量及理化特性。這說明加工處理有利于β-葡聚糖分子從其體系中溶出，提高得率，其機理可能是細胞壁與細胞膜因高溫而被破壞，增加了β-葡聚糖從細胞中釋放的幾率，同時，高溫可使淀粉顆粒糊化及蛋白分子變性，降低了淀粉分子、蛋白分子與葡聚糖分子間的相互作用，從而增加了β-葡聚糖分子量的得率。但加工過程會改變其結構及理化性質，主要機理可能是在加工過程中，其長鏈分子發(fā)生斷裂，分子間的締合作用因加工而失去部分驅動力，分子的線性特性減弱，從而使其分子量降低，分子量分布范圍也隨之降低，分子分散性更強，暴露出更多的羥基，溶解性增強而持水力降低[1,49,51,54]。同時，較好的溶解性或構象的變化增強了其在生命體內的移動性，能高效地被生命體腸道微生物利用，從而增強了其生物活性。另外，熱處理之所以會降低得率，可能是因為熱處理如焙烤會使原料發(fā)生一定的炭化，而黏度的增加可能是因為熱處理迫使其分子間發(fā)生聚合作用，抗流性增強[55-56]。

隨著現(xiàn)代食品加工技術和設備的發(fā)展，用于富含β-葡聚糖的食物的加工方式會越來越多，如：物理加工技術中的蒸汽熱處理、干熱處理、高壓、擠壓、輻照、微波、紅外、超聲波等，化學加工技術中的酸堿處理、有機修飾等，以及生物技術中的發(fā)酵及酶處理。這些加工處理技術對食物中的β-葡聚糖是否產(chǎn)生分解破壞，分解的作用機理如何，分解產(chǎn)物對食品品質和食用安全性是會產(chǎn)生什么樣的影響，都需要進一步深入研究。

5 展望

β-葡聚糖廣泛分布在天然植物和微生物中，是一種具有抗腫瘤、抗炎、調節(jié)免疫、降血糖、降血脂等多種生物學活性的多糖，受到國內外廣大科技工作者和健康行業(yè)的關注，被應用于醫(yī)藥、功能性食品、食品添加劑、化妝品添加劑、飼料添加劑等健康產(chǎn)業(yè)中。天然植物和微生物中β-葡聚糖含量、結構、理化性質、生物活性等受原料種類、品種、生長環(huán)境的影響而存在顯著差異，這種差異對β-葡聚糖生理功效和應用特性有何影響，還需進一步深入研究。同時，富含β-葡聚糖的原料在加工過程中，由于受到物理、化學、生物等因素的影響，其分子結構、理化特性、生物活性均會受到不同程度的改變。但這些改變的化學機理、生物學機理以及對食品品質和食用安全性的影響，也是值得進一步深入研究，以提高富含β-葡聚糖食品的食用品質、營養(yǎng)品質和消費者的接受度。