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小麦麸皮不溶性粗纤维与细纤维的体外模拟消化后益生元效应研究

1. 研究作者与发表信息
本研究由Nana Zhang、Linlin Sun、Lirong Chen、Encan Liu、Yuqiu Guo和Kuijie Gong*（通讯作者）合作完成，研究团队来自山东省农业科学院作物研究所（Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences）。论文发表于*International Journal of Biological Macromolecules*期刊，2024年8月29日在线发布，卷279，文章编号135197。

2. 学术背景与研究目标
小麦麸皮（wheat bran）是膳食纤维（dietary fiber, DF）和生物活性化合物的重要来源，但其主要成分为不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber, IDF），存在结构致密、生物利用度低等问题，限制了其在肠道健康中的应用。此前研究多关注通过物理、化学或生物改性提高小麦麸皮的可溶性成分（如SDF），但针对改性后IDF的益生元特性及其对肠道菌群的影响缺乏系统性研究。

本研究旨在通过体外模拟消化和结肠发酵实验，比较改性细小麦麸皮（modified wheat bran, MWB）与天然粗小麦麸皮（native wheat bran, NWB）的理化特性差异，评估其释放可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber, SDF）、多酚及短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）的能力，并分析其对肠道微生物群落结构和功能的影响，为全谷物食品开发提供理论依据。

3. 研究流程与方法
研究分为四个主要阶段：

（1）样品制备与改性处理
- 样品来源：小麦麸皮取自山东鲁粮集团，去除胚芽和杂质后分为两组：
- NWB组：过60目筛，保留天然粗纤维结构。
- MWB组：经纤维素酶水解、挤压膨化结合超微粉碎（160目），获得疏松多孔的细纤维。

（2）体外模拟胃肠消化
- 消化流程：参考Fan等（2024）和Brodkorb等（2019）方法，模拟口腔（α-淀粉酶）、胃（胃蛋白酶）和肠（胰蛋白酶）三阶段消化，离心收集消化残渣冻干。
- 关键检测：
- 干物质与有机物消化率（DMD/OMD）：通过两阶段酶解-灼烧法测定，计算残留物质量变化。
- 粒径分布与微观结构：激光粒度仪（Mastersizer 2000）和扫描电镜（SEM）观察改性前后纤维形态。

（3）体外结肠发酵实验
- 发酵模型：采用健康小鼠粪便菌群接种基础培养基，分别添加MWB、NWB和益生元对照（低聚果糖，FOS），厌氧条件下发酵0-48小时。
- 动态监测指标：
- SDF与IDF含量：AOAC 991.43方法测定。
- 多酚释放：Gong等（2018）方法提取结合态与游离态多酚。
- SCFAs产量：HPLC（C18柱）检测甲酸、乙酸、丙酸等含量。

（4）微生物群落分析
- 高通量测序：提取发酵样本细菌DNA，扩增16S rRNA V4区（引物515F-806R），Illumina NovaSeq平台测序。
- 生物信息学分析：
- 物种注释：基于SILVA数据库，分析门、属水平微生物丰度差异。
- 功能预测：Tax4Fun工具比较MWB、NWB与FOS组的代谢通路。

4. 主要研究结果
（1）改性显著提升纤维消化率与结构特性
- MWB的DMD（58.60%）和OMD（59.05%）显著高于NWB（53.64%和54.13%）（p<0.05）。
- SEM显示MWB呈现疏松多孔结构（图2），粒径分布更广（跨度值3.48 vs. NWB的2.65），利于酶接触。

（2）结肠发酵促进活性物质释放
- SDF与多酚：发酵12小时，MWB组的SDF含量（3.76 g/100g）和游离多酚（9.43 mg/g）均显著高于NWB（3.40 g/100g和9.01 mg/g）（p<0.05），表明改性IDF更易被菌群降解。
- SCFAs：MWB组总SCFAs产量在6小时达峰值，乙酸占比最高（图5），但丁酸和戊酸在后期发酵中优势明显，提示MWB可能促进产丁酸菌增殖。

（3）微生物群落与功能差异
- 菌群结构：MWB组乳杆菌（*Lactobacillus*）相对丰度在6小时显著高于NWB和FOS组（p<0.05），而FOS组双歧杆菌（*Bifidobacterium*）增殖更显著（图7-8）。
- 功能预测：Tax4Fun显示MWB与FOS在代谢通路（如碳水化合物代谢）上相似性较高，但MWB对肠道菌群多样性的提升更显著。

5. 研究结论与价值
本研究证实，通过挤压膨化结合超微粉碎的物理改性可有效破坏小麦麸皮IDF的致密结构，提高其结肠发酵效率，促进益生菌（如乳杆菌）增殖和SCFAs生成。MWB的益生元效应接近FOS，且能提供更丰富的微生物多样性，适合作为全谷物食品的功能性配料。

6. 研究亮点
- 方法创新：首次系统评估改性IDF（而非全麸皮）的益生元特性，排除可溶性成分干扰。
- 发现新颖：揭示MWB通过释放阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖选择性促进乳杆菌生长，与FOS的作用机制互补。
- 应用潜力：为开发高纤维、促肠道健康的全谷物产品提供改性工艺优化方向。

7. 其他价值
研究还发现，MWB释放的多酚可能通过抑制有害菌（如*Staphylococcus*）进一步优化菌群平衡（图8f），其抗氧化活性与SCFAs的协同作用值得后续研究。