《Food Research International》：Difructose anhydrides from inulin enhance cognitive function via gut microbiota modulation and synaptic signaling in mice
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认知增强功能性低聚果糖的肠道-脑轴调控机制研究，通过酶法高效制备DFA-I和DFA-III，证实其可改善小鼠空间学习和记忆，同时调节肠道菌群结构，增加产丁酸和乙酸菌群，并激活海马区NMDA/GABA及TrkA/NGF信号通路。
朱梦燕|胡玉山|常媛|王振龙|余书怀
江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市蠡湖大道1800号，214122
摘要
随着生活节奏的加快和信息的指数级增长，人们对增强认知能力的需求日益增加，尤其是在学习和记忆效率方面。二糖酐I（DFA-I）和二糖酐III（DFA-III）都是功能性多糖菊粉的衍生物；然而，它们在认知增强中的作用及其潜在机制仍不清楚。本研究提出了一种高纯度的酶法生产DFA-I和DFA-III的方法，评估了它们的神经认知作用和调节肠道微生物群的效果，并在小鼠体内揭示了其作用机制。行为测试显示，DFA干预后空间学习和记忆能力得到了提升。DFA干预调节了肠道微生物群，增加了益生菌属和短链脂肪酸（尤其是丁酸盐和乙酸盐）的产生。这些微生物群的变化与海马区NMDA/GABA和TrkA/NGF信号基因的表达上调相关。这些发现强调了DFA作为能够调节肠-脑轴并促进认知健康的心理生物物质的潜力。
引言
随着生活节奏的加快和信息的指数级增长，人们对增强认知能力的需求日益增加，尤其是在学习和记忆效率方面。这一需求涵盖了多个群体，包括面临学术挑战的学生、从事终身学习和技能发展的专业人士，以及希望对抗与年龄相关的认知衰退的老年人（Gheysen等人，2018年；Maresova等人，2019年）。目前，关于认知功能的研究主要集中在与认知障碍相关的疾病或衰老模型上（I. H. R. de Paiva等人，2023年；Morris等人，2015年），而健康个体对认知增强的需求却大多被忽视。由于饮食是影响认知表现的关键因素之一（Morris等人，2015年），因此识别具有潜在认知益处的功能性食品成分已成为食品科学中的一个关键研究领域。
功能性碳水化合物是一类具有特定生理益处的化合物（Shoaib等人，2016年），包括木寡糖、麦芽寡糖、乳果糖、壳聚糖寡糖以及其衍生物如低聚果糖（FOS）。这些化合物主要通过调节肠道微生物群并促进有益细菌（如双歧杆菌和乳酸菌）的增殖来发挥其益处，从而有助于改善宿主的学习、记忆和情绪调节（Gan等人，2024年；Zhang等人，2015年）。由于其生理特性和对大脑健康的积极影响，功能性碳水化合物已广泛应用于食品工业、健康补充剂和制药领域（Shuang等人，2025年）。
菊粉的代谢涉及多条途径，其代谢产物可归类为菊粉衍生物。菊粉酶将菊粉转化为FOS，这是商业生产FOS的主要途径（Mao等人，2019年）。在菊粉代谢的二糖酐（DFA）途径中，二糖酐I水解酶（IFTase-I）和二糖酐III水解酶（IFTase-III）分别催化菊粉转化为DFA-I和DFA-III（Haraguchi，2011年）。尽管菊粉衍生物和菊粉本身在物理化学和生理特性上部分相似，但它们也表现出不同的特性，使其能够在多种应用中发挥作用（Ariaee等人，2024年；Nawaz等人，2018年）。例如，FOS具有更高的溶解度，并且能有效作为益生元来提升认知表现（Igor Henrique Rodrigues de Paiva等人，2023年）。DFA-III已被证明具有促进矿物质吸收和调节免疫反应等生理益处（Mei等人，2022年）。然而，关于DFA-I的研究仍处于初级阶段，大多数现有研究集中在IFTase-I的筛选及其合成酶学特性上（Qiting等人，2024年）。因此，基于菊粉和FOS作为益生元在调节认知功能方面的作用，进一步研究DFA-I和DFA-III这两种菊粉衍生物的生物功能和作用机制是必要的。
近年来，肠-脑轴的发现彻底改变了我们对饮食成分如何影响神经功能的理解。这一范式转变表明，肠道微生物群及其代谢产物可以直接调节海马区的突触可塑性和神经发生（Carbia等人，2023年；Doenyas等人，2025年）。因此，开发针对肠道的新认知增强剂已成为食品科学中的一个变革性研究方向。目前，阐明功能性碳水化合物（包括菊粉及其衍生物）通过肠-脑轴改善大脑健康的机制已成为国际研究的前沿（Ping等人，2025年）。许多动物和临床研究表明，肠道微生物群失调与认知障碍、情绪障碍和其他脑部相关疾病之间存在密切关联（Sherwin等人，2019年；Schneider等人，2024年）。此外，肠道微生物组成的显著改变已被证明可以积极影响大脑健康，补充特定肠道细菌可以缓解抑郁症、自闭症谱系障碍和阿尔茨海默病的症状（Kennedy等人，2016年）。这些发现不仅揭示了肠道微生物群与大脑功能之间的复杂相互作用，还为通过调节微生物群改善大脑健康提供了新的途径。研究表明，菊粉和FOS可以显著提升学习和记忆能力，表明这些化合物可能通过中枢神经系统发挥认知促进作用（Ni Lochlainn等人，2024年）。然而，菊粉和FOS通过肠道微生物群在健康个体中增强认知功能的潜力仍有待讨论。因此，研究两种结构新颖的菊粉衍生物——二糖酐I和III（统称为DFAs）在健康个体中的认知调节作用和机制，旨在填补DFAs相关功能研究中的关键空白，并为基于这些化合物开发精准的大脑健康干预措施提供理论基础。
在本研究中，我们利用酶转化和多步骤纯化过程从菊粉中获得了高纯度的DFA-I和DFA-III，为后续研究DFAs介导的肠-脑轴调节奠定了材料基础。通过Y迷宫空间参考记忆测试和开放场地测试评估了DFAs的认知增强潜力。进行了营养、代谢和组织学评估，以考察DFAs干预对正常小鼠整体健康的影响。此外，还采用了肠道微生物群测序、短链脂肪酸（SCFAs）分析及实时荧光定量PCR技术，以阐明DFAs通过多靶点机制调节肠-脑轴的途径。这些发现为益生元介导的肠-脑轴调节提供了新的理论见解和干预策略。
部分内容摘录
DFAs的制备
向6升酶反应器中加入5升去离子水。随后将系统预热至50°C并保持在该温度下，建立稳定的反应环境，然后加入50克菊粉（来自菊苣Orafti HP，分子量约为5000 Da，聚合度超过23，由BENEO-Orafti NV（比利时蒂嫩）提供）和5毫升AS-85IFTase-III（来自Arthrobacter sp. ISL-85）。
DFAs的产率和纯度
通过上述酶反应和后续纯化步骤，从300克菊粉中成功获得了172.33±3.51克DFA-I和139.67±4.51克DFA-III，产率分别为57.47±1.17%和46.56±1.5%（表2）。高效液相色谱（HPLC）分析表明，DFA-I和DFA-III的纯度分别为99.34±0.28%和99.51±0.27%（图S1）。与先前报道的结果相比，产品产率
讨论
本研究成功建立了一种高效且可扩展的从菊粉生产高纯度DFAs（特别是DFA-I和DFA-III）的工艺。通过酶转化和多阶段纯化技术，获得了产率为57.47±1.17%和46.56±1.50%的DFA-I和DFA-III，纯度均超过99%。这些结果为后续研究DFAs的生物学效应提供了坚实的材料基础，特别是它们对
作者贡献声明
朱梦燕：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，研究，数据管理。胡玉山：方法学，研究，数据管理。常媛：方法学，研究，数据管理。王振龙：方法学，研究，数据管理。余书怀：监督，项目管理，方法学，研究，资金获取，数据管理，概念化。
符合伦理标准
本文不包含任何由作者进行的涉及人类参与者或动物的研究。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，未使用任何AI工具。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（31901630）、江苏省自然科学基金-青年项目（BK20190583）、中央高校基本科研业务费（JUSRP12007）和江苏省博士后科研计划项目（2020Z047）提供的财政支持。
