巖藻多糖(Fucoidan, FUC)是一種重要的海洋多糖，普遍存在于褐藻和棘皮動物中，它具有多種生物活性，包括抗菌、抗病毒和胃粘膜保護(hù)活性。近年來，人們越來越關(guān)注其物理化學(xué)性質(zhì)，使其成為一種有前景的食品輸送系統(tǒng)功能材料，如乳劑和水凝膠。多糖的生物活性和理化性質(zhì)與其一級結(jié)構(gòu)、分子量大小和鏈構(gòu)象有關(guān)。了解粘蛋白-多糖的相互作用及其機(jī)制對于設(shè)計具有定制特性的多糖傳遞系統(tǒng)至關(guān)重要。在腸道中，不可消化的多糖可以被腸道菌群利用，調(diào)節(jié)腸道菌群組成和代謝物的產(chǎn)生，進(jìn)而影響免疫系統(tǒng)，防止病原體附著在腸表面，保護(hù)腸上皮屏障。
2023年1月南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院在Carbohydrate Polymers（IF=10.723）雜志上發(fā)表題為”Chain conformation, mucoadhesive properties of fucoidan in the gastrointestinal tract and its effects on the gut microbiota “的研究論文。筆者通過消化模型模擬評估了Ta-FUC在GIT（胃腸道）中的結(jié)構(gòu)特征及其對腸道細(xì)菌的影響。通過流變學(xué)和掃描電子顯微鏡研究了Ta-FUC的黏液粘附能力及其分子間作用力。本文提供了有關(guān)FUC生物可及性的有效信息，并揭示其作為靶向結(jié)腸輸送系統(tǒng)的益生元或輔料的潛力。
通過INFOGEST模型來模擬消化以及多糖結(jié)構(gòu)的變化。從圖1來看，唾液和酶不影響甘露半乳聚糖等的結(jié)構(gòu)，但是經(jīng)胃消化后分子量開始降低，并隨著時間的推移開始表現(xiàn)出輕微的差異。同時，Ta-FUC在腸液中的保留時間比在胃液中的保留時間短，表明這些變化可能與溶液中容易形成多糖團(tuán)聚體有關(guān)。其次，唾液以及腸液中的Ta-FUC多以隨機(jī)線團(tuán)的形式存在，而胃液中的Ta-FUC采用了更靈活的線圈構(gòu)象，鏈的卷曲和彎曲程度更高（圖2）。
聚合體的破壞和多糖鏈中化學(xué)鍵的斷裂都會導(dǎo)致CR（還原性糖）的增加。從表1可以看出，CR值在唾液消化期間保持穩(wěn)定，在胃消化和腸消化開始階段略有上升。唾液消化過程中游離單糖含量無明顯變化。在這一過程中，沒有釋放游離灶，說明FUC的主要結(jié)構(gòu)保持完整。結(jié)合消化過程中游離單糖含量和CR的結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)分子量的變化是由聚集物和鏈構(gòu)象的破壞引起的，而不是糖苷鍵的斷裂。
圖1 FUC的分子量色譜圖(A)模擬唾液消化，(B)模擬胃消化，(C)模擬小腸消化。
表1. 模擬唾液、胃和小腸消化后巖藻糖苷還原糖(CR)的含量
圖2. 模擬消化過程中Ta-FUC的鏈構(gòu)象
2.1發(fā)酵后Ta-FUC特性的變化及腸道菌群組成
在體外發(fā)酵過程中，總碳水化合物、游離單糖以及分子量均為0-24 h顯著下降，48 h后逐步上升。這些結(jié)果表明，菌群在24 h內(nèi)主要集中在增殖，然后開始分解和利用多糖。
16s結(jié)果表明樣本量合理，物種豐度和多樣性較高。發(fā)酵48 h后，F(xiàn)UC處理組的群落豐富度和多樣性均高于對照組和模型組，這個結(jié)果與化學(xué)成分分析一致。通過組間PCA以及熱圖分析可知，各組間物種豐度相近，且多樣性差異在OTU水平上。發(fā)酵后，各組的優(yōu)勢菌均為擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門。在腸道生態(tài)系統(tǒng)中，當(dāng)基因組中的多糖利用位點(diǎn)被激活時，一些擬桿菌可以促進(jìn)自身多糖降解酶的分泌，從而切斷特定的糖苷鍵，降解多種多糖（圖3）。此外，在發(fā)酵后的FUC存在下，健康小鼠和高脂血癥小鼠腸道菌群中變形菌門的比例均大幅下降。這些結(jié)果表明，F(xiàn)UC可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)來促進(jìn)腸道健康，預(yù)防疾病。
圖3. (A) OTU級別的主成分分析。(B) OTU級別的非度量多維尺度。(C)門水平的相對豐度。(D)屬水平的腸道微生物組成。
2.2Ta-FUC體外消化對SCFAs的影響
SCFAs濃度被認(rèn)為是微生物活動的重要指標(biāo)，主要受飲食習(xí)慣和宿主腸道共生菌群結(jié)構(gòu)的影響。體外發(fā)酵后SCFAs結(jié)果表明，F(xiàn)UC可以促進(jìn)健康小鼠和高脂血癥小鼠腸道菌群的代謝和發(fā)酵。（表4）
表4. 不同發(fā)酵時間點(diǎn)的SCFAs濃度。
3.1流變特性
筆者基于二元混合物的流變學(xué)，利用連續(xù)流動和動態(tài)振蕩流變學(xué)，評價了MUC（黏蛋白）和FUC之間的相互作用。根據(jù)圖4所示的定性分析發(fā)現(xiàn)FUC比MUC更不緊湊和穩(wěn)定，受流動行為和時間的影響更小。隨著剪切速率的增加，溶液的粘度降低，這可能是由于聚合物鏈逐漸與流動方向解纏或排列，聚合物鏈網(wǎng)丟失導(dǎo)致。
加入n -乙基馬來酰亞胺(NEM)、尿素(U)和TW20形成含有阻斷劑的聚合物分散體，用來深入了解FUC以及MUC在粘附過程中的超分子相互作用。結(jié)果表明PH=7時，添加了0剪切速率的阻斷劑后，MUC-FUC-NEM的粘度顯著降低，而且所有聚合物溶液的剪切應(yīng)力均有下降，以上結(jié)果反映了聚合物分子間松散的糾纏的不同，表明在模擬腸道環(huán)境中，MUC和FUC之間存在復(fù)雜的相互作用。
圖4. 聚合物分散體(FUC, MUC和MUC-FUC) (A, B)和MUC-FUC阻滯劑(NEM, Tween 20和尿素)(C, D)在pH=3和pH=7時的流動曲線。
3.2掃描電鏡形態(tài)觀察
電鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酸性條件下（模擬胃環(huán)境），F(xiàn)UC及MUC均為片狀而MUC-FUC混合物表現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)。說明酸性環(huán)境下FUC與MUC相互作用有限，這與流變學(xué)分析結(jié)果一致。中性條件時，多糖的表觀形態(tài)由片狀逐漸變?yōu)槎嗫?，形成疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這可能是由于較高的負(fù)電荷密度導(dǎo)致鏈之間的距離較遠(yuǎn)，從而促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和親水性。此外，在腸道環(huán)境中觀察到MUC-FUC存在三維糾纏和相互連接的網(wǎng)絡(luò)，表明MUC與FUC之間存在有效的相互作用。
本研究在體外研究了Ta-FUC在消化和糞便發(fā)酵過程中的結(jié)構(gòu)特征及其與黏蛋白的相互作用。通過對其分子量、CR、單糖組成和鏈構(gòu)象參數(shù)的分析，估計Ta-FUC是一種不可消化的多糖。然而，多糖鏈在模擬胃條件下轉(zhuǎn)向更卷曲和彎曲，Mw暫時下降但主要結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。體外糞便發(fā)酵48 h后，Ta-FUC的Mw顯著降低，SCFAs含量隨時間增加。根據(jù)菌群組成分析，Ta-FUC可以被腸道菌群利用，也可以被微生物產(chǎn)生的水解酶降解。
此外，通過流變學(xué)分析和掃描電鏡研究了Ta-FUC的粘蛋白粘附性能。Ta-FUC在腸道環(huán)境中比在胃環(huán)境中表現(xiàn)出更高的粘附功能。超分子間的主要相互作用按強(qiáng)度排序?yàn)槎蜴I、氫鍵和疏水相互作用。延長FUC在腸黏膜的滯留時間，構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)，有助于提高M(jìn)UC對功能性成分在腸道黏膜傳遞的屏障性能。目前的研究為FUC作為益生元候選材料和靶向給藥材料在功能性食品和制藥行業(yè)的潛在應(yīng)用提供了重要的結(jié)構(gòu)和功能信息。
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文本：宗嫻
排版：檀檀
審核：三黍市場運(yùn)營部
