研究进展 | 胡萝卜膳食纤维的抗氧化作用与应用

膳食纤维和多酚是饮食中的两个主要营养成分，有助于人体健康。有科学证据表明，膳食纤维是与复杂食物基质相关的大量多酚的载体。结合多酚的存在可能有助于抗氧化活性和益生元特性。

——Composition of bound polyphenols from carrot dietary fiber and its in vivo and in vitro antioxidant activity

01

胡萝卜膳食纤维中结合型多酚的组成及其体内、体外抗氧化作用

Highlights

• 从胡萝卜膳食纤维中制备了结合型多酚（CDF-PP）

• 在CDF-PP中鉴定出42 种结合的多酚化合物

• DPPH、ORAC和PSC试验表明，CDF-PP在体外可以清除自由基

• CDF-PP在活体大肠杆菌中表现出显著的ROS清除活性

• CDF-PP可能是一种有应用前景的抗氧化剂来源

南昌大学的Ruihong Dong、Qiang Yu等采用超高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱（UPLC-ESI-QTOF-MS/MS）对胡萝卜膳食纤维中的结合多酚（CDF-PP）进行定性分析。通过将保留时间、二级质谱片段信息与真实的标准品或文献数据进行比对，检测到了11 种有机酸、9 种羟基苯甲酸及衍生物、6 种羟基肉桂酸及衍生物、4 种酚醇类及衍生物、3 种黄酮类及衍生物、7 种酯类及衍生物、2 种其他化合物的存在。此外，通过DPPH、ORAC、PSC等不同种类的检测方法测定了CDF-PP的体外抗氧化活性，表明CDF-PP能以剂量依赖的方式清除自由基。此外，CDF-PP在活体秀丽隐杆线虫中表现出显著的活性氧清除活性。本研究是首次对CDF中多酚类物质的组成和体外/体内抗氧化活性进行全面研究，这意味着CDF-PP可能是一种有应用前景的抗氧化剂来源。

CDF-PP的体外抗氧化活性

图1为CDF-PP的体外抗氧化活性，包括DPPH、ORAC和PSC自由基清除活性。在浓度为50～500 μg/mL时，CDF-PP对DPPH自由基的清除能力在28.8%～82.2%之间（图1a），EC₅₀值为157.58 μg/mL。CDF-PP的显著DPPH自由基清除活性可能与CDF-PP中存在的大量羟基有关，如酚酸、黄酮类、有机酸等。特别值得注意的是，当浓度高于400 μg/mL时，CDF-PP的DPPH清除效率高于BHT。然而，在相同浓度下，CDF-PP的DPPH自由基清除效率低于VC（图2）。

a. DPPH自由基清除活性；b.氧自由基清除能力（ORAC）；c.过氧自由基清除能力（PSC）；d.活体秀丽隐杆线虫中的活性氧清除能力（ROS）。

图1  CDF-PP的体外和体内抗氧化活性。

图2  负离子模式下CDF-PP的（A）总离子色谱图，以及（B）280 nm和（C）320 nm处的DAD色谱图。

图1b1显示了CDF-PP的ORAC动力学和剂量响应曲线，CDF-PP可以清除过氧自由基，并以剂量依赖的方式延迟荧光的衰变速度。CDF-PP的氧自由基清除能力可能是由于存在抗氧化化合物，如对苯二酚、2′-羟基苯乙酮或儿茶酚、乙酸酯，它们具有与原位产生的ROO－一起淬灭的能力，并延迟荧光探针被过氧自由基破坏。为了计算相对的Trolox等效ORAC值，图1b2所示为Trolox（5 μmol/L）的荧光衰减曲线。8 μg/mL的CDF-PP抑制自由基损伤的能力高于5 μmol/L的Trolox。当CDF-PP的浓度从1 μg/mL增加到10 μg/mL时，CDF-PP的相对ORAC值从（2.923±0.16）μmol/L Trolox增加到（12.111±0.51）μmol/L Trolox。CDF-PP抗氧化作用的机制可能是由于其对ROO－的电子给予活性，从而终止了过氧化链反应。

CDF-PP在体内的抗氧化活性

ROS检测的目的是分析CDF-PP在活体秀丽隐杆线虫中清除ROS的抗氧化潜力。图1d显示，CDF-PP的ROS清除能力水平呈剂量依赖性，ROS水平的降低与CDF-PP浓度的增加呈正相关。特别是在436 mg/L时，约49.3%的ROS被淬灭（对照组设定为100%）。这些结果与CDF-PP的体外抗氧化活性一致，说明CDF-PP可以清除活体秀丽隐杆线虫中的ROS，且ROS水平随浓度的增加而降低。

Reference:

DONG R H, YU Q, LIAO W, et al. Composition of bound polyphenols from carrot dietary fiber and its in vivo and in vitro antioxidant activity[J]. Food Chemistry, 2021, 339, 127879. DOI:10.1016/j.foodchem.2020.127879.

02

结合多酚对胡萝卜膳食纤维体内、体外发酵和抗氧化性的影响

膳食纤维中结合多酚的重要性日益受到关注。南昌大学的Shuai Liu、Qiang Yu、Shaoping Nie、Mingyong Xie等的本研究旨在阐明结合多酚对胡萝卜膳食纤维（CDF）体内和体外发酵和抗氧化性的影响。小鼠体内粪便和人体外粪便发酵样品的16S rRNA热测序结果显示，与CDF处理相比，去酚化胡萝卜膳食纤维（CDF-DF）处理降低了操作性分类单位（OTUs）、ACE和Chao1指数，提高了厚壁菌门/拟杆菌门的比例和细菌属的相对丰度（RA），克制了典型有益菌的RA，并提高了各种有害菌属的RA。同时，CDF-DF组的短链脂肪酸（SCFA）含量较低，而pH值高于CDF组。结合多酚与CDF-DF（CDDP）的组合可以恢复体外发酵样品中受结合多酚去除影响的这些指标。此外，CDF-DF喂养的小鼠在结肠中表现出较高的脂质过氧化（MDA）含量，以及较低的超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性。CDF-DF的细胞抗氧化活性（CAA）值低于CDF和CDDP。这些结果表明，结合多酚对CDF的发酵和抗氧化性有显著贡献。

小鼠粪便样品中微生物群落的变化

厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌种，RA大于95%（图3A）。观察发现，与普通饲料小鼠相比，以CDF饲喂的小鼠拟杆菌门RA较高（P＜0.05），而变形菌门RA较低。然而，与CDF饲喂的小鼠相比，CDF-DF饲喂的小鼠变形菌门RA较高（P＜0.05），拟杆菌门RA较低。图3B显示了3 组间的厚壁菌门和拟杆菌门比值（F/B）。结果发现，CDF饲喂小鼠的F/B比值下降是由于CDF饲喂小鼠的变形菌门RA高于正常饮食小鼠（P＜0.05；图3B）。然而，CDF-DF饲喂小鼠的F/B比值与正常饮食小鼠相比无显著差异。

A.小鼠粪便样品中门水平的微生物群组成；B.小鼠粪便样品中厚壁菌门和拟杆菌门比率；C.小鼠粪便样品中属水平的微生物群组成；D.体外发酵样品中门水平的微生物群组成；E.体外发酵样品中厚壁菌门和拟杆菌门比率；F.体外发酵样品中属水平的微生物群组成。

图3  小鼠粪便样品和体外发酵样品中的微生物群组成。

体外发酵样品中微生物群落的变化

厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门的RA在门类上占优势（图3D）。研究观察到CDF组的类杆菌RA值（22.17%）比其他组有显著差异（P＜0.05）。此外，与CDF-DF组相比，CDF组和CDDP组的变形菌门RA较低（P＜0.05；P＝0.061）。此外，3 组间未发现厚壁菌门的RA有显著差异。图3E为体外发酵样品的F/B比，说明CDF-DF组的F/B高于CDF组和CDDP组（P＜0.05）。

小鼠粪便样本中的SCFA含量

小鼠粪便样品中SCFAs的含量如图4所示。与CDF-DF饲喂的小鼠和正常饮食的小鼠相比，CDF-DF饲喂的小鼠SCFA的总含量有所增加（P＜0.05；图4A）。此外，在SCFA含量中，乙酸含量是主要的SCFA，其次是丁酸、丙酸和戊酸。此外，CDF组的乙酸和丁酸含量高于CDF-DF组（P＜0.01；P＜0.05；图4B）和对照组（P＜0.01；P＜0.05；图4D）。3 组中丙酸和戊酸含量没有发现显著差异。

A.总SCFA；B.乙酸；C.丙酸；D.丁酸；E.戊酸。

图4  小鼠粪便样品中SCFA的含量。

体外发酵样品中SCFA的含量

随着发酵时间的延长，总SCFA的含量均逐渐增加（图5A）。特别是在12 h时，CDF组的总SCFA含量明显高于CDF-DF组（P＜0.05）。此外，与CDF组和CDDP组相比，CDF-DF组的丙酸和丁酸含量有显著下降（图5C，5D）。此外，3 组之间的乙酸和戊酸含量没有显著差异。

A.总SCFA；B.乙酸；C.丙酸；D.丁酸；E.戊酸。

图5  粪便发酵液中SCFA的含量。

Reference:

LIU S, YU Q, HUANG H R, et al. The effect of bound polyphenols on the fermentation and antioxidant properties of carrot dietary fiber in vivo and in vitro[J]. Food Function, 2020, 11: 748-758. DOI:10.1039/C9FO02277E.

03

胡萝卜纤维（CF）复合膜用于抗氧化剂保护：粒径效应

Highlights

• 研究了分离的胡萝卜纤维（CF）的粒径（53、105和210 μm）效应

• CF显示出果胶，并共同提取了具有抗氧化作用的酚类和类胡萝卜素

• CF和抗坏血酸用于抗氧化的低甲氧基果胶基复合材料

• 粒径大小影响CF的水合特性和薄膜的机械性能

• 负载的抗坏血酸在53 μm-CF复合材料中获得了最高的水解稳定性

阿根廷布宜诺斯艾利斯大学的Alondra M. Idrovo Encalada、Ana M. Rojas等，在本文研究了胡萝卜纤维（CF）的粒径（53、105和210 μm）对其水合性能和抗氧化能力的影响，以及对用商用低甲氧基果胶（LMP）开发的CF-复合膜性能的影响。研究结果表明，CF含有胡萝卜素和酚类物质，表现出抗氧化活性，并产生了均质的钙-LMP基复合材料。53 μm-CF表现出最低的水合能力，并产生了弹性和可变形性最小的复合膜，这可能是由于CF由钙交联的LMP链桥接而成。在复合材料中发现与负载CF相关的抗氧化活性。当l-(+)-抗坏血酸（AA）也被负载时，其水解稳定性随着CF粒径的减小而增加，在0%-CF-和210 μm-CF-LMP薄膜中显示出最低的稳定性。在约250 μm以下，粒径决定了含果胶CF的水化性能，影响复合材料的微观结构和水的流动性。

水化性能

水合性能随CF的粒径显著增加（P＜0.05），从每克干纤维平衡18 h后吸水26.7 mL，到210 μm时达到36.3 mL/g。CF中存在的果胶主要负责吸水和膨胀能力。以每克纤维在18 h平衡后所吸收的水分克数确定的持水量（WHC）和保水量（WRC），53 μm的CF显著低于105 μm和210 μm的CF（图6a）。有研究观察到，减小麦麸的粒径会降低WHC，这被解释为由于纤维基质被磨碎而导致的。然而，颗粒大小对微晶纤维素的WHC影响较小。另一方面，根据研究报道，将椰子碎渣的粒径从1127 μm降低到550 μm后，水合性能（SC、WHC和WRC）增加，这是由于理论表面积和总孔隙体积的增加，以及结构的改变。然而，在550 μm以下，水化性能随着粒径的减小而降低。

53 μm粉体自发吸收水的动力学曲线也比平均粒径为105 μm和210 μm的粉体低（图6b）。考虑到所有的水化结果，将CF研磨到53 μm的平均粒径似乎降低了亲水行为。于是认为，不同的水化性能可能与纤维微结构有关。从这个意义上讲，53 μm胡萝卜纤维的比容（8 cm³/g）显著（P＜0.05）高于105 μm和210 μm粉末（图6c）。比容可以作为毛细结构差异的指标。理论上，假设化学成分保持不变，系统的孔隙率越大，吸收的水分就应该越多。

a.平均粒径；b.方程拟合；c.比容与粒径的关系。

图6  胡萝卜纤维的溶胀度（SC），持水率（WHC）和保水率（WRC）。

Reference:

ENCALADA A M I, BASANTA M F, FISSORE E N, et al. Carrot fiber (CF) composite films for antioxidant preservation: particle size effect[J]. Carbohydrate Polymers, 2016, 136: 1041-1051. DOI:10.1016/j.carbpol.2015.09.109.

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编辑/翻译：梁安琪

责任编辑：孙勇