半纤维素对纤维素合成及膳食纤维网络结构的影响机制

The structure of dietary fiber network determines its absorption in human. The bacterial cellulose-plant cell wall (PCW) polysaccharide composites model has been widely used to research the structure and absorption of dietary fibers. However, it has not been well-explained about the mechanism of hemicelluloses manipulating the synthesis of cellulose, as well as the formation of dietary fiber network during the growth stage of plant cell walls. By comparing the structural variation of original BC-PCW composites with the hemicellulase treated BC-PCW composites, the influences of hemicellulose including xyloglucan, arabinoxylan and β-glucan on the synthesis process of cellulose in dietary fiber network will be investigated via ionic liquids dissolution, the calculation of molecular weights based on the intrinsic viscosity, as well as the structural and rheological analyses. Additionally, by using the high-yield cellulose-producing strain and the porous gelatine templates, the anisotropy of BC-PCW composites will be investigated via structural, rheological analyses and theoretical poroelastic model. This project is significantly important to understand the mechanism of the formation process of dietary fiber network in plant-derived food products.

膳食纤维的网络结构对其在人体内的吸收有重要影响。细菌纤维素-植物细胞壁多糖（BC-PCW）复合物模型被广泛应用于膳食纤维结构和吸收的研究，但未能充分解释半纤维素在细胞壁生长中对纤维素合成以及膳食纤维网络的调控作用。本项目计划使用离子液体溶解BC-PCW复合物，通过特征粘度法计算分子量，结合结构测定和流变学方法，将初始BC-PCW复合物结构与半纤维素酶解之后的BC-PCW复合物结构对比，从而判断木葡聚糖，阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖等半纤维素对膳食纤维网络中纤维素合成过程的影响；同时，利用细菌纤维素高产菌株和多孔性明胶模板，通过结构和流变学测定，结合孔弹性理论模型对不同BC-PCW复合物的异向均一性进行测定，由此判断不同半纤维素在细胞生长中对膳食纤维网络异向均一性的调控作用。本项目对理解植物源食品中膳食纤维网络结构的形成机理有重要的科学意义。

对植物细胞壁多糖原料的结构及功能研究往往受制于其复杂精细的纤维素-半纤维素网络结构。本项目以细菌纤维素-植物细胞壁多糖（BC-PCW）复合物为模型，研究了不同种类半纤维素与纤维素的相互作用机理，半纤维素对纤维素网络各向异性结构的影响，外场模拟环境下对纤维素分子量、结构及力学性能的影响，以及细菌纤维素的最适生产条件等。探明了了以阿拉伯木聚糖（AX）、混合链葡聚糖（MLG）及木葡聚糖（XG）为代表的半纤维素与纤维素的结合机理及对纤维素网络结构及流变特性的影响；建立了以[BMIM]Ac/DMSO为溶剂体系，利用特征黏度法计算纤维素分子量的方法；建立了以两方向的步阶挤压-应力松弛和小幅振荡剪切，结合电子显微镜及超小角中子散射法研究植物细胞壁网络结构各向异性的方法；建立了以BC-PCW为模型，模拟冻干、碱处理等外场环境对植物细胞壁结构及力学性质的影响的方法；建立了BC-PCW复合物的高效培养方法；建立了通过生物场（酶处理）和物理场（超声）处理半纤维素以获得不同分子量及分子片段BC-PCW复合物的方法。取得的关键数据为：① 高产菌株（ATCC 53582）在最适碳源（葡萄糖）、最适初始pH（5）及缓冲溶液体系（磷酸盐缓冲体系），产量为6 g/L。② BC聚合度约为3000，结晶度在85%以上，平均孔径为0.6 μm，纤维平均直径约为20 nm，储能模量为200 kPa，杨氏模量为3.5 MPa。③ BC-PCW复合物中，AX与MLG对BC网络呈现弱吸附，而XG则有强结合机制。④ 纤维素网络结构表现出径向方向的半径约100 nm的粗纤维束部分有序排列形态，而在轴向方向为均匀无序网络结构，径向方向在同压缩比下的压缩模量对比轴向方向高1.5倍。AX和MLG能形成直径为10-50 nm的球体，减弱了轴向/径向方向的压缩模量比。本项目进一步拓展了BC-PCW复合物在植物细胞壁研究中的应用，其建立的分子量、超分子结构和流变分析等方法将有利于深入了解细胞壁多糖相互作用关系及细胞壁组装过程。