灰树花超微粉中发掘两种具有不同流变特性与益生功能的高分子量葡聚糖

食药用真菌灰树花（Grifola frondosa，俗称“舞茸”）富含具有免疫调节^[1]、抗肿瘤^[2]等多种活性的多糖，是开发功能性食品和益生元的宝贵资源。然而，其细胞壁结构致密，导致高分子量多糖难以高效提取，且这些大分子多糖的精细结构如何决定其物理特性与益生功能，仍是领域内亟待厘清的关键科学问题。

针对上述挑战，以郭龙明为第一作者、陈少丹副研究员为通讯作者的广东省科学院微生物研究所联合江西中医药大学研究团队，近期在国际知名期刊《Food Hydrocolloids》（Q1，IF: 12.4）上发表了题为“Structural characterization of two high molecular weight glucans with distinct rheological and probiotic properties from ultrafine powder of Grifola frondosa”的研究论文。该研究创新性地采用超微粉碎技术预处理灰树花子实体，从中成功分离出两种高分子量葡聚糖，命名为GFP20与GFP40。研究综合运用多角度激光光散射、核磁共振、扫描电子显微镜、流变性测定、分子动力学模拟、原子力显微镜、体外发酵模型及代谢组学等先进技术，系统分析了这两种多糖从结构到功能的差异。

结果表明，GFP20与GFP40均以→4)-α-D-Glcp-(1→为主链，但分支结构截然不同。GFP20是高度分支的α/β混合构型葡聚糖，其侧链由多个→6)-β-D-Glcp-(1→残基构成；GFP40分支度较低，侧链为单个α-D-Glcp残基。构象参数分析显示，GFP20的ρ值(Rg/Rh)为0.91，在水溶液中呈致密球状构象；GFP40的ρ值为0.22，呈伸展柔性链构象。

图1. GFP20和GFP40的2D NMR谱和结构。HSQC ( A , E)，¹H-¹H COSY ( B、F)，HMBC ( C , G)谱图及GFP20和GFP40 ( D , H)的推定结构

GFP2和GFP40水溶液均为非牛顿假塑性流体，呈现剪切稀化行为。GFP20表现出比GFP40更高的表观粘度，且具有浓度依赖的凝胶化转变能力；而GFP40始终维持液态特征，未能形成凝胶网络。原子力显微镜观察显示，GFP20形成交联网状结构，GFP40呈伸展分散的链状结构。分子动力学模拟进一步揭示了两种葡聚糖的构象及动态差异，GFP20具有更紧凑的链构象、更多的氢键网络及较低的分子流动性；GFP40则呈现伸展构象、更强的分子间相互作用及更高的分子流动性。这些从结构到构象的多层次差异，是二者后续性质与功能分化的基础。

图2. GFP20和GFP40的流变学特性、微观结构及分子动力学模拟参数。稳态剪切流变行为曲线( A、B)，储能模量( G′)和损耗模量( G′′)对频率( C、D)，AFM图像( E , F)，GFP20和GFP40水溶液模型的O和H原子的RDF曲线( G )和总MSDs ( H )。

体外发酵实验表明，GFP20与GFP40对肠道菌群表现出结构依赖性的差异化益生调节模式与利用机制。在体外发酵实验中，两者均能显著提高db/db小鼠肠道菌群的多样性，并被有效降解（总糖消耗率分别为81.09%和58.74%），促进乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等短链脂肪酸及吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乳酸等有益代谢物的生成，但两者富集的有益菌属截然不同：GFP20特异性富集拟杆菌属（Bacteroides）和副拟杆菌属（Parabacteroides），而GFP40则特异性富集乳杆菌属（Lactobacillus）和粘液乳杆菌属（Limosilactobacillus）。在单菌发酵实验中，GFP40可被多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）、卵形拟杆菌（B. ovatus）、鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）和罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）直接利用；而GFP20仅能被两种乳杆菌直接利用，不能被两种拟杆菌直接利用。然而，经L. rhamnosus预发酵降解后，其产物却能有效促进拟杆菌的生长，揭示了关键的“交叉喂养”机制：乳杆菌先将结构复杂的GFP20初步解聚，其产物进而支持拟杆菌的生长，部分解释了在复杂菌群中GFP20富集拟杆菌属的生态现象。

图3. 细菌群落在属( A )水平上的相对丰度，与Con相比,吲哚乙酸( B )、吲哚- 3 -丙酸( C )、吲哚- 3 -乳酸(D )、吲哚- 3 -丁酸( E )含量，葡萄糖( F )、麦芽糖( G )、麦芽三糖( H )、乙酸( I )、丙酸( J )、丁酸(K )、乳酸( L )含量的变化。* P < 0.05，* * P < 0.01，* * * P < 0.001，* * * P < 0.0001，多形芽孢杆菌( M、N)和卵形芽孢杆菌( O、P在GFP20和GFP40存在下的生长曲线，鼠李糖乳杆菌( Q , R)和罗伊氏乳杆菌( S , T)在GFP20和GFP40存在下的生长曲线。

本研究从灰树花超微粉中制备两种结构不同的均一高分子量葡聚糖，阐明了其精细结构、流变性质和益生功能，揭示了葡聚糖结构特征与肠道菌群调节功能之间的内在联系。两种不同结构和流变性质的葡聚糖可通过选择性调节菌群结构、促进有益代谢物生成发挥潜在的益生功能，为灰树花高分子量多糖在功能性食品及改善代谢性疾病领域的应用提供了理论依据。

[1] Ma X L, Meng M, Han L R, et al. Immunomodulatory activity of macromolecular polysaccharide isolated from Grifola frondosa[J]. Chinese Journal of Natural Medicines, 2015, 13(12): 906-914.

[2] Ren B, Wei S X, Huang H. Recent advances in Grifola frondosa polysaccharides: Production, properties, and bioactivities[J]. Current Opinion in Food Science, 2023, 49100946: 100946.