全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 022297205
小麦中功能性多糖 - 阿拉伯木聚糖研究进展
周素梅1 　王　强1 　张晓娜2
(1. 农业部农产品加工与质量控制重点开放实验室 ,中国农业科学院农产品加工研究所 ,北京　100193 ;
2. 河南科技学院 ,河南 新乡　415003)
摘 　要 :阿拉伯木聚糖 (AX) 是小麦细胞壁的主要结构多糖 ,具有高分子量、高粘度、氧化胶凝等物化特
性。AX对于小麦及其面制品的加工品质具有重要影响 ,同时它还具有显著的降血脂、减肥、免疫调节等
生理活性。小麦品种间阿拉伯木聚糖存在一定的遗传变异规律。本文回顾了近年来国内外在小麦阿拉
伯木聚糖研究方面取得的成果 ,将为更好地利用这一功能性多糖提供思路。
关键词 :阿拉伯木聚糖 ;小麦 ;结构 ;功能性质
RESEARCH ADVANCES IN FUNCTIONAL POLYSACCHARIDE2WHEAT ARABINOXYLAN
ZHOU Su2mei1 　WANG Qiang1 　ZHANG Xiao2na2
(11 Key Laboratory of Agricultural Product Processing and Quality Control , Ministry of Agriculture ,
Institute of Agro2Food Science and Technology , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 　100193 ;
21 Henan Institute of Science and Technology , Xinxiang , Henan 　415003)
Abstract :Arabinoxylan (AX) is a major polymer in cell wall of wheat grain ,with physicochemical properties , such as high
molecular weight , high viscosity and oxidative gelation et al . AX has significant effects on the quality of wheat and its
products , and is effective in lowering blood lipids , losing weight and immunocompetence et al . Variations in the amount and
structure of AX have been demonstrated among wheat cultivars. This paper summarized recent research in wheat AX in order to
further understand and utilization of the functional polysaccharide.
Key words :arabinoxylan ;wheat ;structure ;functional properties
收稿日期 :2008211210 　接受日期 :2009201205
基金项目 :国家自然科学基金 (30871742) ,中国农业科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 ,农业部农产品加工与质量控制重点
开放实验室开放基金
作者简介 :周素梅 (1971 - ) ,女 ,河南商丘人 ,博士 ,副研究员 ,主要从事粮油深加工与功能食品方面的研究。E2mail :zhousumei @yahoo. com. cn　　早在上世纪二十年代 ,谷物化学家从小麦面粉中分离到一种较高粘度的多糖 ,因其主要由阿拉伯糖(Arabinose)和木糖 (Xylose) 等五碳糖组成 ,遂命名为戊聚糖 ( Pentosan) ,后来研究者又陆续从黑麦、大麦、玉米、稻谷等许多谷物的种皮和细胞壁组织中发现了此类多糖[1 ] 。为了与小麦中另一种戊聚糖 - 阿拉伯半乳聚糖区分 ,目前通常以阿拉伯木聚糖的概念出现。阿拉伯木聚糖 (Arabinoxylan ,以下简称 AX) 受到重视始于上世纪八十年代。研究者在发现小麦面粉中AX对面团和面包品质的重要影响之后 ,在小麦育种 界 ,AX已成为除蛋白质和淀粉之外 ,最受关注的小麦组分。AX具有高粘度、高持水性等特征 ,可作为食品增稠剂、稳定剂 ;还具有诸多重要的生理活性 ,如降低血清胆固醇、调节血糖水平、抗氧化、增强免疫力等[2 ] 。AX在小麦中的含量并不高 ,作为一种次要组分能够在农业育种、谷物化学、食品加工备受重视 ,与其独特的结构、性质有直接关系。本文重点介绍国内外近年来有关 AX结构、性质与功能等方面的研究进展。
792　核 农 学 报　2009 ,23 (2) :297～301Journal of Nuclear Agricultural Sciences
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1 　阿拉伯木聚糖 (AX)在谷物中的分布
AX在谷物中的含量通常不高 ,但它却是构成植物
细胞壁的重要成分 ,与其他非淀粉多糖 (β- 葡聚糖、阿
拉伯半乳聚糖、纤维素、木质素等) 一起共同构成了小
麦各组织的细胞壁 ,成为细胞骨架的重要组分[1 ] 。在
小麦籽粒的外层麸皮和内层胚乳中 ,分布着不同含量
的 AX , 整个小麦籽粒中 AX 的含量约为 418 %～
710 % ,胚乳中约为 115 %～310 % ,而麸皮中这一比例
则高达 2010 %～2510 %[3 ] 。不同部位的 AX ,在细胞壁
非淀粉多糖组成中的比例亦有显著差别 ,麸皮中 AX
所占比例为 64 %～69 % ,而在胚乳中这一数值高达
88 %[4 ] 。此外 ,在不同的组织中 ,AX 的溶解性质也有
明显差别 ,如在小麦胚乳中 ,容易被水提取的 AX 约占
总 AX的 25 %左右 ,而在麸皮中这一比例下降至 10 %
左右 ,可能是麸皮中较多存在的纤维素、木质素等物质
干扰了 AX的提取[2 ] 。
2 　阿拉伯木聚糖 (AX)的提取与分离
根据 AX在水中溶解的难易程度 ,通常将其分为
两大 类 : 水 溶 阿 拉 伯 木 聚 糖 ( Water2extractable
arabinoxylan, WEAX) 和水不溶阿拉伯木聚糖 ( Water2
unextractable arabinoxylan ,WUAX) [2 ] 。WUAX 虽然不能
被水提取 ,但在碱性条件下 ,尤其是在热碱液 ( KOH、
NaOH、Ba (OH) 2 )中可被充分提取 ,因此 WUAX 有时又
被称为碱可提取阿拉伯木聚糖。此外 ,在相关生物酶
(木聚糖酶、半纤维素酶等) 的作用下 ,原来不可溶的
AX也因酶的降解而变得可溶 ,此部分 AX 被称为酶可
提取阿拉伯木聚糖 ( Enzyme2extractable arabinoxylan) [5 ] 。
AX的提取方法也据此主要分为三大类 :水Π热水提取、
碱法提取以及酶法提取。比较而言 ,水提取的得率一
般较低 ;碱法的提取率虽然比较高 ,但是碱法通常会破
坏 AX结构中的某些功能基团 ,如阿魏酰基团、蛋白质
基团等 ,可能削弱其功能性质 ;酶法提取的条件较为温
和 ,对 AX的糖链结构会造成部分降解 ,但一般不会影
响其中的功能基团。也有报道称经酶改性的 AX ,其生
理活性反而会大幅增加[6 ] 。
对初步提取后 AX 的分离、纯化通常要去除共存
的蛋白质、淀粉、阿拉伯半乳聚糖等杂质。去除蛋白质
的方法有许多 ,例如在提取前对原料采用高温处理
(120 ℃、90min) 、热乙醇溶液预处理 ;对提取液采用加
热处理 ( 95 ℃、5 - 10min) 、等电点沉淀、有机溶剂
(Sevage 法) 沉淀、蛋白质酶水解、粘土吸附等[2 ,7 ] 。去
除淀粉最有效的方法则是利用淀粉酶 (α2淀粉酶、葡萄
糖淀粉酶)的水解作用 ,然后通过透析、超滤或分级沉
淀的方式将小分子的糖除去。阿拉伯半乳聚糖是 AX
纯化中较难去除的杂质 ,利用 (NH4 ) 2 SO4 和乙醇分级
沉淀能够达到较好的分离效果[8 ] 。在 AX 结构、性质
的研究中 ,为了得到高纯度的多糖 ,常采用离子交换以
及凝胶过滤色谱对所提取的 AX进一步纯化[9 ] 。
3 　阿拉伯木聚糖 (AX)的结构与物化性质
311 　结构
AX的基本结构包括以β2D2吡喃木糖残基 (Xyl) 经
β2(1 →4)糖苷键连接而成的木聚糖主链和α2L2呋喃阿
拉伯糖基 (Ara)侧链。Xyl 可在 C2 或 C3 位被 Ara 单取
代 ,也可在 C2 和 C3 位被 Ara 双取代。另外 ,在某些
Ara 的 C5 位上存在着以酯键相连接的阿魏酸 ,这种
Ara 通常连接在 Xyl 的 C3 位上[2 ] ,其结构模型见图 1。
图 1 　AX基本结构示意图
Fig. 1 　Structural diagram of AX
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　　多糖主链上的取代程度被认为是造成 AX 溶解性
差异的主要原因之一。研究者对两类 AX 的取代程度
进行了不少研究 , 但研究结果不一。Hoseney[10 ] 和
Beaugrand[11 ]等认为 WUAX具有较高的分枝 ,即 AraΠXyl
比值较高。与此观点相反 ,郑学玲等[9 ] 的研究认为小
麦麸皮和面粉中的 WEAX 具有较高的分枝结构。
Gruppen[12 ]认为 WUAX比 WEAX 具有更多连续未取代
和孤立取代的 Xyl 残基 ,这可能是二者在具有相似
AraΠXyl 比值和糖苷键组成的情况下 ,前者比后者更容
易被降解的原因。
312 　物化性质
31211 　分子量　高聚物分子量的测定方法不同 ,得出
的数值会有一定差别 ,因此 ,总体上只是大致反映高聚
物的聚合度 ,称为平均相对分子质量。利用沉降法测
得的小麦 WEAX 的分子量范围为 65000～66000 ;而用
凝胶过滤色谱法测得的数值为 800000～ 5000000、
70000～1000000[1 ] 。凝胶过滤色谱法测定结果往往偏
大 ,这与 AX 多糖分子的分枝状 (非球形) 结构有关。
另外 ,Gruppen[12 ] 利用光散射法测得小麦中 WUAX 的
重均分子量为 850000 ;周素梅[13 ] 利用高效液相凝胶色
谱法测得小麦面粉中 WEAX、WUAX 的平均相对分子
质量分别为 4612KDa、27314KDa。
31212 　水合性质　AX 的水合性质指的是 AX 结合和
保持水分的能力 ,此性质对于食品体系中水分的分配
具有重要影响[14 ] 。不同研究者对 AX水合性质的表达
方法可能不同 , Wang 等[15 ] 用测定持水能力 (water2
binding capacity) 的方法 ,得到 WUAX (纯度 50 %) 的持
水 率 为 716gΠg。 Gruppen[12 ] 用 膨 润 率 ( Swelling
properties)来表示 WUAX的这一数值为 26mlΠg。WEAX
因为能够很好地分散于水中 ,所以其水合性质不能用
上述方法表示 ,一般通过 DSC 或 NMR 的方法可得到
WEAX保持结合水的能力。
31213 　粘度 　多分枝结构的 AX 具有相对刚性的构
象 ,溶液的粘度很高 (特性粘度[η]为 2175～5148dlΠg) 。
有报道用酶法去除AX中部分Ara 侧链后 ,分子的不对
称性 (刚性 ) 下降 , 溶液的 [η] 值也随之下降[1 ] 。
Izydorczyk[2 ]利用 (NH4 ) 2 SO4 分级沉淀将小麦胚乳中的
AX分级 ,得出 AX 的结构参数与特性粘度间的关系 :
高粘度的聚合物 XylΠAra 比值高 ,阿魏酰含量高而双取
代 Xyl 残基少。Xyl 残基上 C(O)22 位比 C(O)23 位单
取代数量增加 , [η]下降 ;Ara 寡聚侧链在低粘度的聚
合物中更为普遍。总的来看 ,影响 AX 溶液粘度乃至
表观分子量的因素大致可归结如下 :1) 多糖分子的聚
合度或主链长度 (DP 值) ;2) Ara 取代基团的存在 ;3)
Ara 基团在主链上的分布方式 ;4) 其他功能基团 (阿魏
酰)的存在。
31214 　氧化胶凝性质　AX在与能产生自由基的试剂
(如 H2O2Π过氧化物酶、(NH4 ) 2 S2O8 、FeCl3 、亚油酸Π脂肪
氧合酶)共存时 ,分子之间可能发生共价交联 ,不仅造
成溶液粘度增大 ,最终可导致凝胶的形成 ,这就是 AX
的氧化胶凝性质[10 ] 。AX 结构中的阿魏酰基团被认为
是氧化胶凝的缔结者。Izydorczyk[2 ] 探讨了 AX 的结构
和分子量对其胶凝能力的重要意义 ,发现只有那些阿
魏酸含量高、分子量高、有一定量未取代木聚糖主链的
AX才能够产生广泛的交联 ,形成良好的凝胶网络。
Figueroa[16 ]的研究结果显示不仅芳香环对于交联反应
是必需的 ,而且受苯氧基自由基的异构化作用 ,丙烯链
也参与了氧化交联。
4 　阿拉伯木聚糖 (AX)的功能性质
411 　加工功能性质
小麦中阿拉伯木聚糖 (AX) 的加工功能性质主要
指它在小麦磨粉品质、面粉加工品质 (面团、面制品品
质)等加工中所发挥的作用。
41111 　对小麦磨粉品质的影响　AX填充于淀粉颗粒
与蛋白质基质之间 ,起到了类似粘结剂的作用。AX的
含量与小麦胚乳的硬度之间存在一定的相关性 ,从而
影响到出粉率、淀粉破损率等小麦磨粉品质。Bettge
等[17 ]研究发现 AX 对硬质小麦硬度的影响较小 ,对软
质小麦的影响较大。
41112 　对面团吸水率的影响　AX在面粉中的含量虽
然较低 ,其吸水量却占到面团总吸水量的 20 %～
30 %。发生氧化胶凝后 , AX 持水能力将进一步提
高[18 ] 。
41113 　对面团流变性的影响 　和面时加入戊聚糖可
增加面团的弹性和抗延伸性[10 ] 。因此对于粉质较差
的面粉 ,除了添加面筋蛋白以外 ,添加适量的 WEAX
也能达到品质改良的效果[19 ] 。当 AX 发生氧化胶凝
后 ,这种影响力还会放大[20 ] 。
41114 　对面包品质的影响 　将水溶性戊聚糖或纯化
的 WEAX添加到面团中可增大面包的体积。水不溶
性戊聚糖对面包品质的影响则类似于不溶性膳食纤
维 ,适量添加可增大面包体积 ,但同时增加了面包心的
粗糙程度 ;添加过量则对面包的整体品质有劣化作
用[9 ,18 ] 。Roels 等人[21 ] 的研究却显示在固定蛋白质水
平和 Glu21 分数的情况下 ,水溶性戊聚糖含量升高将
导致面包体积下降。
992　2 期 小麦中功能性多糖 - 阿拉伯木聚糖研究进展
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412 　生理功能性质
41211 　润肠通便、预防结肠癌 　在植物膳食纤维中 ,
小麦麸皮预防和治疗便秘的效果是最显著的[22 ] ,而其
中的有效成分已证实主要与 AX 有关[9 ] 。AX 能够降
低胆汁酸通过肠道的时间 ,减少胆汁酸与结肠细胞的
接触 ;促进肠道内双歧杆菌的增殖 ,产生短链脂肪酸 ,
尤其是较高浓度的丁酸 ;同时降低作为结肠癌诱发因
子的葡萄糖苷酶、葡萄糖醛酸酶和尿酶等微生物代谢
酶的活性 ,因此能够显著预防结肠癌的发生[23 ,24 ] 。
41212 　降血脂、降血糖 　从小麦麸皮中提取的 AX 能
够显著降低高血脂小鼠的血清中总胆固醇和低密度脂
蛋白水平 ,减小动脉硬化指标 ,对小鼠高脂血症和动脉
硬化具有较好的预防和治疗作用[9 ,25 ] 。而 Lu 等人[26 ]
的临床研究表明 ,对于 II型糖尿病人 ,每天摄入 15g 富
含 AX的膳食纤维能够显著提高血糖控制水平。
41213 　减肥　动物试验显示 ,AX ,尤其是碱可提取的
AX 能显著降低肥胖大鼠体重 , 使之达到正常水
平[9 ,27 ] 。其减肥机理推测主要是由于 AX的高持水性、
高粘度在消化道中形成了粘性物质 ,容易产生饱腹感
并阻碍了食物中营养成分的吸收。
41214 　免疫增强、抗肿瘤 　米糠来源的 AX (MGN23)
被称为已知自然界免疫增强功能最佳的天然提取物 ,
已被用于艾滋病、癌症等的临床治疗[6 ] 。小麦麸皮中
的 AX与米糠中的 AX 具有类似结构 ,周素梅等[28 ] 的
研究表明 ,利用酶法从小麦麸皮中提取的 AX 与临床
用药 ———人参多糖的免疫增强活性相当。AX抗肿瘤、
抗病毒的活性也主要与其增强宿主的免疫水平有关。
41215 　抗氧化　袁小平等[29 ] 采用枯草芽孢杆菌木聚
糖酶水解小麦麸皮 ,所制备的 AX 的酶解产物 ———阿
魏酰低聚木糖具有抗氧化和清除自由基活性 ,能够抑
制红细胞膜脂质过氧化。AX 的抗氧化活性似乎主要
与其功能基团 (阿魏酰) 有关 ,碱提 AX 的这一活性基
本消失 ;同时 ,适当的酶解有助于活性的提高。
5 　阿拉伯木聚糖 (AX)的遗传育种研究
近年来有关 AX的研究报道更多集中在遗传育种
领域。国内外有关小麦品种间 AX的遗传特性有不少
报道 ,但目前仍侧重于对数量遗传性状的研究 ,公认的
结果是小麦籽粒中 AX 含量同时受品种、环境及其互
作效应的显著影响 ,其中基因的作用更为重要[30 ,31 ] 。
在总戊聚糖含量差异不显著的情况下 ,硬麦的水溶性
戊聚糖含量显著高于软麦[32 ] 。张岐军等[33 ] 以软白麦
为材料 ,考察了戊聚糖对饼干和蛋糕品质的影响 ,发现
水溶性戊聚糖、酶解戊聚糖、总戊聚糖含量与蛋糕体积
呈显著负相关 ,非水溶性戊聚糖对饼干的品质有劣化
作用 ,并就此提出在软质小麦育种中应选取戊聚糖含
量低的品种。
有关品种间 AX结构与性质变异的研究则相对开
展的较少而且信息不多 ,通常是由粘度 (间接反映聚合
度) 、AraΠXyl 比值、取代度等几个简单指标来反映。
Martinant 等[34 ]曾在面粉提取物粘度与 AraΠXyl 比值间
发现了高度遗传相关性 ,并在 Synthetic 与Opata 杂交小
麦的 1BL 染色体上发现了与相对粘度和 AraΠXyl 比值
有关的数量特性基因位点 (QTL) 。Ordaz 等[35 ] 也发现
小麦品种间同时存在的 AX 数量和结构的差异 ,而且
WEAX与 WUAX的结构变化趋势 (AraΠXyl)基本一致。
6 　阿拉伯木聚糖 (AX)的研究和发展展望
AX的结构、物化及功能性质目前已基本清楚 ,未
来的研究和发展有望在以下两方面取得突破 :1) 作为
功能性食品配料的开发 ;2)在作物育种领域的研究。
小麦麸皮中富含 AX(20 %～25 %) ,我国有丰富的
小麦麸皮资源 ,每年大约有 2000 万吨 ,但目前麸皮的
主要用途是作为饲料或发酵培养基 ,价格低廉。从小
麦麸皮中提取的 AX具有易分散于水、高粘度、高持水
性的特点 ,可作为增稠剂、稳定剂广泛用于饮料、肉制
品、面制品中。尤其值得一提的是 ,AX 不仅符合优质
食用胶的特征 ,同时拥有可溶性膳食纤维和活性多糖
的润肠通便、降血脂、免疫增强、抗肿瘤等诸多生理功
能 ,可作为一种多用途的功能性食品配料加以开发。
目前 AX 在作物遗传育种上的研究虽然尚不成
熟 ,但其应用前景十分可观。AX对面粉品质的改良作
用已经得到大多数研究者的认可 ,通过遗传育种的手
段来改善不同用途小麦中 AX 的含量或结构 ,就此提
高面粉的加工和营养功能性质 ,并减少化学改良剂的
使用 ,符合现代食品工业的发展大趋势 ,必将越来越受
到小麦育种、谷物化学和食品加工业的重视。
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