燕麥β-葡聚糖功能與應用研究進展

楊成峻，陳明舜，戴濤濤，陳 軍

燕麥（Avena sativa L.）種植普遍，在世界各地有2 000 多年的種植歷史。燕麥是一種富含多種生物活性物質的作物，在營養(yǎng)價值方面優(yōu)于許多其它谷物（大麥、玉米、小米、高粱等）[1]。燕麥通常作為谷物食用，可以提供蛋白質、不飽和脂肪酸、可溶性膳食纖維、維生素和礦物質等重要營養(yǎng)成分[2]。大量的試驗和臨床研究表明，食用燕麥類制品在降低血清膽固醇水平、葡萄糖攝取、血漿胰島素反應等方面發(fā)揮積極作用[2-5]。燕麥在成熟過程中會合成種類豐富的次級代謝產物，因而使得燕麥中含有大量的生物活性物質[6]。燕麥已成為酚酸、類黃酮、類胡蘿卜素、維生素E 和植物甾醇等活性成分的優(yōu)良來源[6-8]，且含有兩類獨特的生物活性物質：燕麥生物堿（AVA）和甾體皂苷[9]。另外，燕麥也是可溶性膳食纖維的良好來源，尤其是β-葡聚糖。β-葡聚糖具有顯著的生理活性功能和營養(yǎng)特性，如具有獨特的降膽固醇和抗糖尿病作用。此外，燕麥可溶性膳食纖維中的主要活性成分被認為是β-葡聚糖[6]。目前，有關燕麥β-葡聚糖有益生理功能的證據(jù)已被美國食品和藥物管理局（FDA）以及歐洲食品安全局（EFSA）所審查和接受[10-11]。據(jù)現(xiàn)有研究報道，燕麥β-葡聚糖也可通過與微生物群相互作用，對心血管疾病、I-型糖尿病、癌癥、阿爾茨海默病、高血壓、肥胖、過敏、自閉癥、纖維肌痛和胰腺炎等主要健康疾病或慢病疾病產生積極影響。燕麥β-葡聚糖具有良好的水溶性、黏性和凝膠性等，廣泛應用于食品中，如早餐谷類、飲料、烘焙類和肉類食品等。本文總結了目前關于燕麥β-葡聚糖的功能特性及其在食品中的應用研究情況。

燕麥β-葡聚糖主要分布在糊粉、亞糊粉和胚乳組織的細胞壁中[6，12-13]，其結構如圖1所示，由吡喃型葡萄糖單元通過β-（1→3）和β-（1→4）糖苷鍵連接而成。在燕麥麩皮中β-葡聚糖的干重約4%，由70%的β-（1→4）和30%的β-（1→3）糖苷鍵連接的葡萄糖基組成[14-16]，聚合物鏈中的基本單元是由三聚體和四聚體組成[17]，在燕麥中它們物質的量比為1.5∶2.3[9，18]。根據(jù)核磁共振數(shù)據(jù)和甲基化分析，β-葡聚糖在燕麥中的相對分子質量在0.35×105～29.6×105之間[19]。過去20～30年中，公認β-（1→3）的隨機分布是β-葡聚糖具有功能特性的主要原因[20-21]?？扇苄匝帑湨?葡聚糖的摩爾質量約為5×105g/mol，而不溶性β-葡聚糖則小于2×105g/mol[22]。最新研究采用計算機技術創(chuàng)建了β-葡聚糖分子3D 模型，在形式上，β-葡聚糖分子是細長的蜿蜒鏈，間距為41.35?，分子鏈剛性隨著三糖與四糖比例的增高而增高[23]，而且比值（四糖/三糖）更高的燕麥β-葡聚糖，其溶液黏度更高[24]。研究趨勢表明燕麥β-葡聚糖的精細結構將是未來重點研究之一。

圖1 燕麥β-葡聚糖結構示意圖[25]Fig.1 Schematic diagrams of the structure of oat β-glucan[25]

1 β-葡聚糖結構及功能性質

1.1 結構及物理特性

研究表明β-葡聚糖的生理功能主要取決于其水溶性和黏彈特性。在低濃度β-葡聚糖條件下，其黏度相對較高，當其質量濃度高于2 g/L時，隨著剪切速率的增加其黏度降低，呈現(xiàn)假塑性[26]。β-葡聚糖還具有較高的保水能力和凝膠性能，當β-葡聚糖溶于水中即可形成黏性溶液，其特殊的流變特性與其生理特性密切相關[27]。申瑞玲等[28]比較兩種分子質量的燕麥β-葡聚糖的流變學性質，結果表明燕麥β-葡聚糖溶液是非牛頓流體，當溶液質量分數(shù)在0.2%～3%范圍時，其黏度隨剪切速率的增加而降低。Wang 等[29]報道燕麥β-葡聚糖溶液的黏度隨剪切速率的增加而降低，是典型非牛頓流體。Johansson 等[30]研究表明相同濃度的燕麥β-葡聚糖和大麥β-葡聚糖中，燕麥β-葡聚糖具有更高的黏度，說明二者的精細結構不同。研究[31-32]表明在三、四氧基的比例相同時，相同濃度燕麥β-葡聚糖黏度是大麥β-葡聚糖黏度的100 倍，這可能是由于結構特性的差異（摩爾質量）和精細結構不同導致的。綜上所述，燕麥β-葡聚糖溶液屬于非牛頓流體，且濃度、分子質量和溫度均會對其產生影響。由于結構特性差異，相比其它谷物β-葡聚糖，燕麥β-葡聚糖的黏度更大，但目前影響其黏度的原因尚存爭議。因此，燕麥β-葡聚糖的精細結構對其黏彈性和功能特性的影響將是未來研究的重點之一。

1.2 營養(yǎng)特性

燕麥β-葡聚糖在促進健康和預防疾病方面發(fā)揮著重要作用，對腸道菌群正常化，預防糖尿病，降低膽固醇和血壓，控制餐后血糖和減弱胰島素反應，降低患心血管疾病風險和調節(jié)食欲等有著積極影響，并能緩解糖尿病的并發(fā)癥[33-37]。燕麥β-葡聚糖可提高餐后飽腹感[38-39]，這可能是由于β-葡聚糖在胃腸道中不消化的特性導致的。此外，研究還表明燕麥β-葡聚糖在減少腹部脂肪和肥胖方面具有重要作用，主要是體現(xiàn)在降低體重、體重指數(shù)，體脂和腰臀比[40]。最新的研究表明，食用燕麥β-葡聚糖制品可以增強大鼠的耐力，同時增強其從疲勞中恢復力[41]。

1.2.1 有益胃、腸道健康 在過去10年中，腸、胃道微生物群研究達到新的高度，引起食品科學研究者的廣泛關注。體內微生物群落可幫助宿主抵御各種外部不利因素，并提供重要保護，臨床試驗已證實胃、腸道中的細菌菌群可治愈多種病理狀況[42-43]。微生物群落變化對宿主的生理和功能有著顯著影響，而β-葡聚糖作為一類重要益生元組成部分，可對胃、腸道微生物群產生積極影響[44]。Brennan 等[45]報道燕麥β-葡聚糖可在人體內形成凝膠狀網絡，改變胃、腸液的黏度。此外，燕麥β-葡聚糖也對腸、胃也有積極的影響，如不能被消化酶（唾液淀粉酶等）所消化，能很好地抑制黏膜嗜食性細菌在腸、胃中生長。燕麥β-葡聚糖還能通過改善有益細菌（如乳酸菌和雙歧桿菌）的繁殖條件，增加微生物的數(shù)量，保護肝臟；在大腸中，燕麥β-葡聚糖被微生物酵解，尤其會被盲腸內的乳酸菌和雙歧桿菌發(fā)酵，從而產生對人體健康有益的雙歧桿菌。Shimotoyodome 等[46]和Hedemann 等[47]研究表明燕麥β-葡聚糖能促進大鼠結腸黏膜的生長，在腸道中發(fā)揮重要作用。Metzler-Zebeli 等[48]研究的斷奶豬試驗表明燕麥β-葡聚糖可以通過增加短鏈脂肪酸的生成而改變部分基因的表達，因此，燕麥β-葡聚糖可作為益生元促進人體健康。O'SHEA 等[49]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖中混合連接的β-（1→3）/β-（1→4）β-葡聚糖可能是共生細菌的發(fā)酵底物，燕麥β-葡聚糖的消耗可刺激更多共生胃、腸道微生物群的生長。燕麥β-葡聚糖還會增加胰島素敏感性指數(shù)，食用全燕麥粉或燕麥β-葡聚糖可增加腸道Na+K+-ATP、Ca2+Mg2+-ATP 酶活性和能量電荷，特別是在回腸[50-51]。然而，燕麥β-葡聚糖影響胃、腸道中微生物種群相互作用機制還不明確，這值得進一步研究。

1.2.2 抗糖尿病 糖尿病一般以高血糖為特征，多飲、多食、多尿、體重減輕等為典型癥狀[52]。目前研究表明燕麥β-葡聚糖能降低膽固醇和甘油三酯，維持血糖水平穩(wěn)定，因此，燕麥β-葡聚糖控制糖尿病的研究較為廣泛。Tappy 等[53]通過臨床試驗表明，燕麥和燕麥麩皮的降血糖作用主要歸因于燕麥β-葡聚糖。Abbasi 等[54]證實燕麥β-葡聚糖可降低餐后血糖濃度，并能夠調節(jié)腸道葡萄糖轉運蛋白的活性，為降低糖尿病患者血糖水平提供了一條有效的途徑。Bi?rklund 等[55]研究發(fā)現(xiàn)富含β-葡聚糖的飲料對葡萄糖和胰島素水平有積極影響，攝入5 g 燕麥β-葡聚糖可改善胰島素水平并維持葡萄糖水平穩(wěn)定。Hooda 等[56]發(fā)現(xiàn)日糧中添加6%燕麥β-葡聚糖濃縮物，可顯著降低豬的葡萄糖水平，增加短鏈脂肪酸和胰島素水平，這些變化與胃抑制肽和GLP-1 有關。Alminger 等[57]研究微生物菌群變化，發(fā)現(xiàn)厚壁菌門/擬桿菌比率上升，體外研究表明，燕麥補充劑可增加擬桿菌群的數(shù)量，β-葡聚糖經微生物群消化后，提高了丙酸鹽和丁酸鹽的產量，與低膳食纖維產品相比，富含燕麥β-葡聚糖的產品可更有效地降低葡萄糖和胰島素反應。Shen 等[58]利用燕麥β-葡聚糖喂養(yǎng)糖尿病小鼠6 周，發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖顯著降低空腹血糖和糖基化血清蛋白水平，并增加糖原水平，降低游離脂肪酸和抑制胰腺凋亡。Rumberger 等[59]發(fā)現(xiàn)，與其它纖維相比，燕麥β-葡聚糖可產生更多的丁酸鹽，表明燕麥β-葡聚糖可作為治療糖尿病的潛在藥物。Wang 等[60]發(fā)現(xiàn)黏性較高的β-葡聚糖溶液具有更好的降血糖能力。也有研究表明攝入富含燕麥β-葡聚糖的食物可以降低人體，特別是糖尿病患者的血糖水平[61-62]，這可能是由于β-葡聚糖能提高食糜的黏度，從而延緩腸道對葡萄糖的吸收。Turnbaugh 等[63]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖通過增加肥胖小鼠中編碼膳食多糖分解酶的微生物群基因，從而對肥胖小鼠產生積極影響。綜上所述，燕麥β-葡聚糖對編碼膳食纖維多糖分解酶的作用機理是未來燕麥β-葡聚糖抗糖尿病機理研究的重點之一。

1.2.3 降低膽固醇 燕麥β-葡聚糖以其降膽固醇作用而聞名，美國食品和藥物管理局（FDA）和歐洲食品安全管理局（EFSA）表明，每天3 g 燕麥或大麥β-葡聚糖就有益于降低血液膽固醇水平，降低患冠心病風險[64]。Whitehead 等[65]研究表明每天至少攝入3 g 燕麥β-葡聚糖，可使正常或高膽固醇患者血漿總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平降低5%～10%，劑量大于3g/d 可使總血液和低密度脂蛋白膽固醇水平分別降低0.25 mmol/L 和0.30 mmol/L，而不改變高密度脂蛋白膽固醇或甘油三酯。Ho 等[66]分析表明，燕麥β-葡聚糖對LDL-膽固醇、非HDL-膽固醇有降低作用，因此，富含β-葡聚糖的食物可能具有潛在的降低患心血管疾病風險的能力。Wolever 等[67]觀察到燕麥β-葡聚糖在分子尺度上的物理、化學性質對血液膽固醇水平有著積極影響，尤其與β-葡聚糖的重均分子質量、溶解度和黏度相關。目前燕麥β-葡聚糖降血液膽固醇的機制尚不清楚，而燕麥β-葡聚糖干擾膽汁鹽再循環(huán)的能力以及對膽固醇代謝的影響機制是當前較為權威的結果[68-70]。Theuwissen 等[71]研究表明燕麥β-葡聚糖通過腸道微生物群產短鏈脂肪酸（丙酸鹽）的主要機制是降低膽固醇，腸道微生物系代謝纖維并向宿主產生短鏈脂肪酸，而丙酸與乙酸（膽固醇生物合成的主要底物）比例的增加會導致膽固醇生物合成的減少。關于燕麥β-葡聚糖降膽固醇研究較多，然而其干擾膽汁鹽循環(huán)能力的影響機制尚不清楚，以及燕麥β-葡聚糖的理化特性如粒徑、溶解度、構象等是否也能影響膽固醇代謝，這也為未來的重要研究方向之一。

1.2.4 免疫作用 研究表明多糖可增強免疫能力，可為新型安全、耐受性免疫佐劑的研究提供廣闊領域，在研究的多糖中，β-葡聚糖最有應用潛能[72]。燕麥β-葡聚糖被認為是一種強的免疫刺激劑，能夠與免疫細胞的表面受體（單核細胞、粒細胞和NK 細胞）結合，激活和調節(jié)體液免疫和細胞免疫，從而刺激免疫反應。燕麥β-葡聚糖可能通過3 種免疫刺激機制發(fā)揮作用，調節(jié)巨噬細胞、T淋巴細胞和補體系統(tǒng)的活性，由于這些特性，燕麥β-葡聚糖可以通過刺激T 淋巴細胞的活性來調節(jié)天然免疫反應和增強適應性[73-74]。動物模型的研究表明，飲食中添加燕麥β-葡聚糖可以激活表達CD8 和TCR1 表面分子的T 細胞，從而增強免疫系統(tǒng)[75]。Jin 等[76]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖單獨應用時可以調節(jié)免疫應答，并能連接天然免疫和適應性免疫，提高疫苗的免疫原性，當燕麥β-葡聚糖作為免疫刺激劑或免疫佐劑時，脫肽酶、CR3、CD5、內?；窠涻０返瓤勺R別燕麥β-葡聚糖的受體。Yun 等[77]發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖能夠有效地改變小鼠腸系膜淋巴結和派爾集合淋巴結細胞數(shù)量（Thy1.2、CD4 和CD8 細胞），通過口服或腸外燕麥β-葡聚糖注射可增強小鼠對金黃色葡萄球菌或害蟲感染的抵抗力，通過口服或腸胃外處理燕麥β-葡聚糖來增強小鼠對金黃色葡萄球菌或大腸桿菌感染的抗性。Udayangani 等[78]也發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖具有免疫調節(jié)特性，經納米β-葡聚糖給藥的斑馬魚（被致病菌攻擊的斑馬魚），其存活率顯著增高。Sahasrabudhe 等[79]研究表明燕麥β-葡聚糖的酶促預消化增強了其對特定免疫受體的影響，可通過控制燕麥β-葡聚糖的粒徑、分子質量以及受體特異性結合位點來設計有效的功能性飼料和食品添加劑。R?sch 等[80]研究表明燕麥β-葡聚糖分子特異性對免疫調節(jié)起著重要作用，例如燕麥β-葡聚糖不溶性，顆粒大小，顆粒構象和顆粒均勻性等特征。由此可看出燕麥β-葡聚糖受體特異性結合的位點將是未來燕麥β-葡聚糖免疫作用方向的重點研究之一。

1.2.5 抗癌 近來研究發(fā)現(xiàn)，許多富含復合多糖的草藥具有良好的抗癌效果，這些復合多糖如β-葡聚糖，一種非纖維素聚合物，糖苷位置在β-（1-3），β-（1-4）或β-（1-6）上的β-葡聚糖[81]。β-葡聚糖的抗癌作用被證明與其結構的復雜性有關，一些結果表明β-葡聚糖的免疫調節(jié)和抗癌功能與其結構、分子質量、支化度和構象息息相關[36，82]。目前，沒有明確的證據(jù)表明β-葡聚糖可以有效地用作抗癌因子，然而，已有許多研究闡釋了其在體外和體內影響癌細胞的作用[83-85]。Choromanska 等[86]對3 種細胞系（人肺腺癌、人多藥耐藥小細胞肺癌和正常人角質形成細胞）進行了測試，發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖具有強抗腫瘤性質，同時對正常細胞無毒性。Cheung 等[84]和Demir 等[87]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖在殺死癌細胞中的免疫活化過程中具有重要作用。此外，研究表明燕麥β-葡聚糖對LPS 注射誘導腸炎大鼠的健康狀況有積極影響[88-91]。Blaszczyk等[92]通過基因表達的變化得出燕麥β-葡聚糖在由LPS 誘導的炎癥大鼠中發(fā)揮著保護作用，并指出生物體內高分子質量與低分子質量β-葡聚糖的作用模式具有差異。燕麥β-葡聚糖的分子質量決定了其在體內的作用[93]。研究表明高分子質量的燕麥β-葡聚糖在降低LPS 誘導的結腸組織以及胃、肝或脾中的腸炎氧化應激方面更有效[88-91]，而且日糧中添加低分子質量燕麥β-葡聚糖可改善健康對照組大鼠和LPS 所致腸炎動物結腸組織的形態(tài)[88]。燕麥β-葡聚糖物理特性對癌細胞的免疫活化作用的影響將是未來燕麥β-葡聚糖功能特性研究方向的重點之一。

2 食品應用

β-葡聚糖具有增稠、穩(wěn)定、乳化、凝膠化等多種功能[94]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，肥胖人群由于攝入過多的脂肪，具有更高患冠心病、高血壓、中風、糖尿病和癌癥等疾病風險，而功能性食品是治療各種疾病的安全方法，因此，在食品研究領域中燕麥β-葡聚糖受到廣泛關注。在肉類、烘焙食品、醬汁湯、飲料和其它食品的制備中，其主要是利用燕麥β-葡聚糖的乳化性、增稠性、穩(wěn)定性和凝膠性等制備功能性食品[25]。以下詳細介紹燕麥β-葡聚糖在幾種食品行業(yè)中的應用。

2.1 肉類食品

隨著人們對健康飲食意識的不斷提高，功能性食品市場自20世紀80年代中期首次推出，并不斷發(fā)展，肉類食品得益于此，而開發(fā)功能性食品的一種方法是使用益生元等成分。益生元物質可增強腸道中益生菌的活性，越來越多的科學證據(jù)表明燕麥β-葡聚糖和微生物胞外多糖對人類健康具有積極作用[35]。Wollowski 等[95]研究表明較大的肉類飲食會增加患結腸癌的風險，而益生元和益生菌具有抗癌作用，其可通過減少結腸細胞中的DNA 損傷、降低促癌酶活性、阻礙誘變劑的結合和增加免疫刺激來發(fā)揮保護作用。Amini 等[96]研究表明燕麥β-葡聚糖對香腸的物理和感官特性有顯著的影響，可利用燕麥β-葡聚糖和抗性淀粉組合生產益生菌香腸。Afshari 等[97]將β-葡聚糖加入漢堡肉餅中，提高了其蒸煮率、保濕率和可接受性、可模塑性等。此后，燕麥β-葡聚糖可作為益生元成分加入各類肉食產品中以提高其產品質量，并豐富肉類功能性食品。

2.2 烘焙食品

在面包和蛋糕的制備中加入燕麥β-葡聚糖，可改善面包的理化性能，在意大利面類食品中加入燕麥β-葡聚糖，可降低血糖指數(shù)，有效地對抗代謝性疾病[98]。加入燕麥β-葡聚糖的面包和蛋糕可延緩葡萄糖的釋放，防止高血糖的發(fā)生。Ekstr?m 等[99]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖適宜用于烘焙，因為燕麥β-葡聚糖分子質量高，而且可用于調整面包產品的血糖狀況。相比大麥β-葡聚糖，燕麥β-葡聚糖具有更好的流變性能，能制備出更高品質的面包，這可能是由于大分子質量的燕麥β-葡聚糖具有更高的黏性[100]，因此，在烘焙產品中可加入燕麥β-葡聚糖以提高其產品質量，豐富功能性烘焙產品。

2.3 飲料行業(yè)

燕麥β-葡聚糖不僅可應用于谷物類食品，還可應用在低脂冰淇淋、酸奶、飲料等食品中[101]。有研究表明燕麥β-葡聚糖的加入能促進酸奶中乳桿菌的生長和活力[102]。Rezaei 等[103]表明在冷凍酸奶中加入燕麥β-葡聚糖會增加酸奶黏度、膨脹度、硬度和穩(wěn)定性，并且在低溫下延長老化時間，可調節(jié)冷凍大豆酸奶的質地特性，從而改善該冷凍甜點的質量。Ladjevardi 等[104]通過添加燕麥β-葡聚糖提高了益生菌的活力，降低了酸奶的脂肪含量并提升了酸奶的品質。Mahrous 等[105]研究表明燕麥β-葡聚糖的添加對攪拌型酸奶和濃縮酸奶的化學成分無顯著影響。Sharafbafi 等[106]在牛奶中加入高分子質量燕麥β-葡聚糖，制備了低熱量、低膽固醇含量的乳制品。Rinaldi 等[107]發(fā)現(xiàn)含β-葡聚糖和果膠的酸奶比含淀粉和不含β-葡聚糖的酸奶具有更快的蛋白質分解速度、更快的多肽釋放和更高的游離氨基酸比例。Lyly 等[108]和Mielby等[109]發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖的添加，降低了番茄湯的咸度和清晰度以及水果飲料酸度，而對飲料回味感知并沒有顯著影響。Brennan 等[110]認為燕麥β-葡聚糖的加入還可用來控制膨化小吃產品的血糖反應，因此，燕麥β-葡聚糖在飲料行業(yè)具有廣闊的應用前景。

3 結論與展望

燕麥β-葡聚糖作為一種可溶性膳食纖維具有豐富的功能性質，可廣泛應用于功能性食品及生物醫(yī)藥領域。本文綜述了燕麥β-葡聚糖資源的開發(fā)利用，以期進一步擴大燕麥β-葡聚糖的應用價值。目前以燕麥β-葡聚糖改善胃腸道消化特性的研究為焦點，雖然已明確β-葡聚糖對微生物群具有顯著的影響，并對腸道健康起積極作用，但其確切的作用機制及燕麥β-葡聚糖對微生物群的作用靶點尚不清晰，值得進一步研究。此外，目前的研究主要是以燕麥β-葡聚糖單一的原料為研究對象，而富含燕麥β-葡聚糖的原料以及燕麥β-葡聚糖-配體復合物是否也具有類似燕麥β-葡聚糖的特性，以及其作用機制如何，這也是值得研究的重要科學問題。最后應對燕麥β-葡聚糖的分子結構（如分子質量、單元組成和粒徑等）與理化性質以及功能特性之間的關系進行系統(tǒng)研究，尤其是增強免疫系統(tǒng)和抗癌的分子機制，從而使燕麥β-葡聚糖更好地為人類服務。