细菌纤维素在植物细胞壁结构与功能研究中的应用及进展

植物细胞壁是存在于植物细胞最外层的厚壁，分为初生壁、次生壁和胞间层，是由细胞壁多糖、蛋白质、脂质、木质素、水和结壳物质组成的复杂混合物。细胞壁多糖组成通常为纤维素、半纤维素和果胶。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起；半纤维素存在于植物组织的初生壁和次生壁，根据植物种类的不同而组成各有差异；果胶是大多数植物初生壁的主要成分之一，也存在于木质组织细胞的次生壁中。

细菌纤维素是主要由木醋酸杆菌属（Komagataeibacter，原Gluconacetobacter）细菌等微生物生产的细胞外多糖。与植物纤维素相比，细菌纤维素为高纯纤维素，不存在植物细胞壁中纤维素与木质素、半纤维素、果胶等多糖间相互交联的复杂结合关系。同时，细菌纤维素具高结晶度、高亲水性和高表面积比等特点，拥有较强的可调控性。通过在木醋杆菌发酵培养基中添加半纤维素和/或果胶等细胞壁多糖成分，可以得到细菌纤维素-半纤维素和/或果胶复合物。细菌纤维素的化学结构与植物纤维素相同，同时复合物生产过程中的细菌纤维素与半纤维素、果胶等多糖的结合方式与植物初生细胞壁中的多糖交联过程类似；东莞理工学院化学工程与能源技术学院的李昭锋、陈思谦*、李 琳*等人综述中提到细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型已被广泛应用于对植物初生细胞壁结构与功能的研究中，是研究细胞壁不同种类多糖间相互作用机理的一种重要方法。了解细菌纤维素在植物细胞壁模型中的应用，对于深入理解植物源食品的营养价值，开发新型植物性功能食品具有重要的科学意义。

1、植物细胞壁多糖组成

植物细胞壁结构简介

植物初生细胞壁主要以纤维素微纤丝组成的网络结构为基础，不同种类半纤维素以多种结合方式与纤维素网络结合，而功能性蛋白、脂质等其他物质分散在此多糖网络结构中。具体而言，植物初生细胞壁具有四级复杂的网状空间结构：初级结构包括纤维素、半纤维素等所有多糖分子的结构单元以及分子内和分子间的化学键及物理结合；二级结构包括局部有序排列的糖和糖醛酸分子单元，如鼠李半乳糖醛酸聚糖（RG）I和RGII；三级结构为通过共价键连接形成的整体空间组织；四级结构为三级结构单元通过非共价键（氢键或范德华力）排列形成的复杂空间结构。

纤维素

纤维素是自然界中分布最广、在植物组织中含量最高的一种多糖，在大部分植物中占细胞壁多糖的30%以上，对整个细胞在力学上起主要负载作用。植物高尔基体是合成细胞壁基质多糖（纤维素、半纤维素和果胶）的细胞器，它对来自内质网的糖链和糖蛋白进行最终加工，最后通过囊泡运输至细胞膜外经由纤维素合成酶合成纤维素。植物纤维素是由D-葡萄糖以β-1→4糖苷键联接而成的链状分子，经平行排列组成直径约3～4 nm的亚微纤维，随后集合构成直径为10～30 nm的微纤维，再交联形成直径为0.3～0.4 μm、长度为7～8 μm的纤维长链，最后通过氢键和范德华力紧密连接形成的由结晶区和非结晶区交错形成的具有复杂网络结构的天然高分子。

半纤维素

半纤维素是细胞壁网络结构中去除纤维素和果胶之外的一类多糖统称，它和细胞壁中的功能性蛋白有密切联系，并对植物细胞在生长、分裂中的延展性、孔弹性和流变性质有很大的影响。在不同植物种类和细胞类型中，半纤维素组成和含量均有差异。

果胶

果胶是大多数植物细胞壁的主要成分之一，存在于处于生长发育期间的细胞中和相邻细胞间隔中，也存在于木质组织细胞的次生壁中。果胶的功能不局限于细胞结构中，也在植物生长和发育、形态发生、细胞黏附、信号传导、壁孔隙度和果实发育等方面发挥作用。果胶是复合聚合物，主要由同型半乳糖醛酸聚糖（HG）、RGI和RGII嵌段共价连接而成。

2、常规植物细胞壁多糖提取方法与细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型的比较

植物细胞壁多糖的常用提取方法

研究植物细胞壁中的多糖结构，需要一系列的物理和化学手段将其逐一分离和纯化。多糖的分离常用溶剂提取法，然后进一步纯化。纯化的方法有分布沉淀法、季铵盐沉降法、柱层析法、超滤法和超离心法等，通常需要利用几种方法结合使用才能达到效果。以Zhao Xin等对浮萍细胞壁中的纤维素分离方法为例（图1），在获得新鲜湿物料之后，采用球磨法得到细胞壁物质，再用冷水提取水溶性组分，剩余物质用环己二胺四乙酸（CDTA）溶液处理并回收螯合物可溶性多糖，残余颗粒用Na2CO3溶液除去果胶，再用KOH溶液除去半纤维素，最终得到纤维素。

细菌纤维素的合成和结构特点

醋酸杆菌属（Acetobacter）、葡糖醋杆菌属（Komagataeibacter）、农杆菌属（Agrobacterium）、无色杆菌属（Achromobacter）、需氧菌属（Aerobacter）、无氧杆菌属（Azotobacter）、脑室沙门菌属（Sarcina ventriculi）、沙门氏菌属（Salmonella）、大肠杆菌属（Escherichia）和根瘤菌属（Rhizobium）等细菌都有胞外合成纤维素的能力。其中，葡糖醋杆菌属的木醋杆菌的合成纤维素能力较强，已广泛应用于科研及实际生产中。

细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型的建立和意义

研究者发现，在木醋杆菌的培养基中添加木葡聚糖后，木葡聚糖可以与纤维素复合形成相互交联的网络结构。研究人员还发现，在木醋杆菌的生长培养基中加入培养基质量1%～5%的不同种类半纤维素或果胶后，当木醋杆菌在向细胞外生产纤维素时，可将这些多糖引入所产生的纤维素网络中，产生的细菌纤维素-细胞壁多糖复合物被认为是对植物细胞壁的一种模拟。此模型的优点在于：1）利用高纯度纤维素作为复合物基底可以排除其他干扰物，例如研究初生细胞壁中木葡聚糖对纤维素网络结构的影响时，其他半纤维素和果胶将被看作杂质，而细菌纤维素-木葡聚糖复合物纯度往往高于99%；2）通过宏观力学和流变学测试手段，对细菌纤维素-植物细胞壁多糖复合物结构特性进行表征，可以在一定程度上对植物性食物原料的物性起解释说明的作用；3）木醋杆菌合成纤维素的过程与植物高尔基体细胞器合成纤维素的过程类似，具有一定可比性。细菌纤维素-细胞壁多糖模型已被广泛用于研究细胞壁多糖之间的相互作用。

细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型在植物性食品原料理论研究中的应用

1）细菌纤维素-木葡聚糖模型

木葡聚糖与纤维素网络结构中纤维束的排列及多糖网络结构孔弹性都有联系。结构上，木葡聚糖覆盖了大部分纤维素的表面，避免了纤维素微纤维之间的直接接触，在微纤维之间起主要的承载作用，而能发挥重要作用的木葡聚糖被机械地限制在一个较小的被称作生物力学热点部位，该部位可能是扩张素蛋白调控细胞壁疏松的选择性位点。

2）细菌纤维素-果胶模型

食品工业中，果胶的存在对食品产品品质有重要的影响。研究发现果胶分子在水果和蔬菜中的含量和组成对新鲜食品和加工食品的质量有重要的影响，常作为天然成分加入到食品中起胶凝、增稠和稳定作用。细菌纤维素-果胶模型中，可使用酯化程度不同的果胶添加至木醋杆菌培养基中形成复合物，研究它们在纤维素网络结构形成过程中的作用。钙离子的存在会影响果胶和纤维素的结合，进而影响细菌纤维素-果胶复合物的力学性能。

3）细菌纤维素-阿拉伯木聚糖模型

禾本科植物初生细胞壁中，少量的木葡聚糖和果胶主要修饰纤维素成分，同时连接有大量阿拉伯木聚糖或葡萄糖醛酸的杂木聚糖。细菌纤维素-阿拉伯木聚糖作为禾本科植物初生细胞壁模型，通常被用作与细菌纤维素-木葡聚糖或果胶等复合物模型进行对比。研究者用阿拉伯木聚糖和(1→3)(1→4)-β-D-葡聚糖同木醋杆菌合成的细菌纤维素构建复合物模型，发现两种聚合物均与纤维素密集结合，但不能显著改变纤维素网络的延展性，也不能改变纤维素的结晶度，与木葡聚糖或果胶相比，阿拉伯木聚糖对细胞壁的力学性能影响较小。

4）其他细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型

细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型也应用在了对其他细胞壁多糖功能的研究中。Iwata等采用醋酸杆菌培养法制备了包括葡糖醛酸木聚糖、O-乙酰基葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖、葡甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖6 种不同类型的细菌纤维素复合材料，发现葡甘露聚糖对细菌纤维素的亲和性最高，能降低纤维素的结晶度；木聚糖类多糖和木葡聚糖对细菌纤维素的亲和性较高，并通过与纤维素交联来影响其结晶度；阿拉伯半乳聚糖对细菌纤维素的亲和性最低，且对纤维素的结晶度影响很小。

细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型在研究膳食纤维营养特性中的应用

膳食纤维是指不能在人体小肠内被消化吸收，而在人体大肠内能够被肠道菌群部分或全部发酵的可食用植物性成分。膳食纤维的摄入已被证明具有许多益处，如改善脂质和脂肪代谢、提高益生元活性、降低患各种疾病的风险等。在水果和蔬菜中，主要的膳食纤维素来源通常是果胶和木葡聚糖，而在谷类细胞壁中，则是阿拉伯木聚糖和混合链葡聚糖。目前对膳食纤维功能特性的研究，主要研究原料为已经确定结构的分离细胞壁多糖，其次为结构复杂而未能完全明确的植物性食品。

结 语

植物细胞壁的复杂组成和结构特性限制了对其特定成分的研究。当前的部分研究方法存在步骤繁琐、成本较高和准确性低的问题。细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型在一定程度上解决了这些问题，尤其是应用在细胞壁结构和力学特性及膳食纤维的功能特性的研究领域中有较好的效果。在食品工业领域，作为植物细胞壁的一个简化模型，细菌纤维素-植物细胞壁多糖模型仍然具有巨大的发展潜力。在未来可利用该模型继续深入研究不同种多糖对细胞壁力学特性的影响，结合对实际植物性食品原料物性的研究，开发出更受消费者喜爱的蔬果类产品；另外，可以联合新一代高通量测序技术，以细菌纤维素-植物细胞壁多糖复合物为原料，更深入研究膳食纤维对肠道微生物的影响。同时，对细菌纤维素-多糖复合物的深入理解，也有利于新型食品产品、医药和生物材料的进一步开发和利用。

本文《细菌纤维素在植物细胞壁结构与功能研究中的应用及进展》来源于《食品科学》2020年41卷19期263-271页，作者：李昭锋，曹潇，朱杰，陈思谦，李琳。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190929-349。

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修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

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