来自Codonopsis bulleynana的菊粉类果聚糖的物理化学性质及其对肠道微生物群的调控作用（该调控作用依赖于分子量）

《Carbohydrate Polymers》：Physicochemical properties and molecular weight-dependent gut microbiota modulation of inulin-type fructans from Codonopsis bulleynana

党参中分离的线性β-(2→1)果聚糖链长调控肠道菌群与代谢稳态，低分子量组分体外发酵活性强，而高链长CBP1通过超分子自组装形成结构屏障，抑制黏菌素降解菌增殖并实现缓释效应，多组学验证其精准微生物群修复潜力。

　　

作者：蒲德冰、梁涛、李轩、邢万琪、罗岚、丁云章、万传星、吴明义

中国科学院昆明植物研究所植物化学与天然药物国家重点实验室，中国昆明，650201

摘要

膳食纤维的治疗效果与其结构多样性密切相关，但链长对物理化学行为和肠道微生物群调节的影响仍不清楚。本文从Codonopsis bulleynana中分离出三种具有不同分子量的同源线性β-(2→1)-连接菊粉型果聚糖，分别称为CBP1–3。这些组分在水中能够自发组装成稳定的超分子纳米颗粒/盘状结构，这一过程由分子动力学模拟显示是由分子间氢键驱动的。生物评估显示：低分子量组分在体外发酵中表现出更好的效果，而相对高分子量的CBP1在体内表现出更强的活性。多组学分析支持这样的假设：这种超分子结构与延长的链长协同作用，可能起到结构屏障的作用，并赋予缓释特性。这可能通过节省营养的方式限制了分解黏蛋白的Akkermansia菌的增殖，从而维持代谢平衡。这些发现表明，相对高分子量的多糖在生理环境中具有独特的生态优势，挑战了传统的体外筛选模式，并使CBP1成为精准微生物组修复的有希望的候选物质。

引言

肠道微生物群是一个复杂的共生生态系统，定植于胃肠道，对人类整个生命周期的健康至关重要（B?ckhed等人，2005年；Sender等人，2016年）。除了在营养代谢中的基本功能外，这个微生物群还显著调节免疫调节途径、代谢平衡以及控制能量平衡和炎症反应的内分泌功能（Lynch & Pedersen，2016年；Wu & Wu，2012年）。越来越多的证据表明，肠道菌群失调与多种疾病有关，这表明针对微生物恢复的治疗策略（如精准营养）在改善这些病理状况方面具有巨大潜力（Carding等人，2015年；Tian等人，2024年）。 膳食纤维已被科学界广泛认可为通过调节肠道微生物丰度来增强宿主生理功能的有效物质（Gill等人，2021年；Veronese等人，2018年）。其中，果聚糖是一种主要由β-(2→1)和β-(2→6)-连接果糖组成的水溶性碳水化合物，被广泛认为是益生元（Shoaib等人，2016年）。这些不可消化的纤维在远端回肠和结肠中被共生微生物群发酵，选择性地刺激Bifidobacterium属和Lachnospiraceae等菌群。这一过程增强了短链脂肪酸（SCFAs）的产生，带来了从改善胰岛素敏感性到减轻全身炎症等多种益处（Man等人，2021年；Sivieri等人，2014年）。然而，关于菊粉潜在不良影响的新兴报告引发了对其风险-收益特征的讨论。一个关键的混淆因素是天然菊粉具有广泛的结构多样性，其聚合度（DP）通常在2到60之间（Vogt等人，2015年）。尽管DP对肠道微生物群的一般影响已得到一定程度的认识（Vogt等人，2015年；Du等人，2020年；Van de Wiele等人，2007年），但这些果聚糖的超微结构与其随后对肠道微生物群的重塑之间的具体关联仍不清楚。阐明这些关系对于开发具有可预测健康益处的定制膳食纤维至关重要。 我们的团队一直致力于从药用植物中发现新的天然果聚糖并阐明其多样的生物功能，这些研究引起了学术界的广泛关注（Chen等人，2024年；Zhang等人，2021年）。为了进一步探索不同植物来源果聚糖的结构和功能多样性，我们将研究扩展到了Codonopsis bulleynana（俗称Choushen）。作为著名滋补品C. pilosula的同属物种，它在中国的某些地区具有已记录的免疫调节和保肝特性（Li等人，2021年）。尽管多糖被认为是这种植物的关键生物活性成分，但其具体的结构特征及其在肠道调节中的机制作用尚未得到充分研究。 在本研究中，我们从C. bulleynana中分离并结构表征了三种具有不同分子量的果聚糖组分，发现了包括自发超分子自组装在内的独特物理化学性质。通过系统评估它们对肠道微生物群重塑和代谢调节的不同影响，本研究旨在阐明果聚糖链长与益生元活性之间的决定性关系。这些发现为多糖的结构-功能关系提供了重要见解，为开发针对特定健康效果的C. bulleynana果聚糖作为精准功能性食品成分提供了理论基础。

材料

Codonopsis bulleynana的根茎来自中国昆明。大孔阴离子交换树脂YKTS-1购自天津云凯树脂科技有限公司（天津，中国）。葡聚糖标准品来自国家食品药品监督管理局（中国）。单糖标准品（d-Glc、d-Gal、d-Fru、d-GalA、d-Ara、l-Rha、d-Man、l-Fuc）购自Sigma-Aldrich、Alfa Aesar和TCI。1-苯基-3-甲基-5-吡唑酮（PMP）购自Aladdin（上海，中国）。

CBP的分离和化学表征

新鲜的C. bulleynana根（2.0公斤）经过依次水提取、乙醇沉淀和离子交换色谱处理，得到了三种不同的多糖组分：CBP1、CBP2和CBP3（图1A）。相对于新鲜原料的产率分别为CBP1 12.43克（0.62%）、CBP2 12.67克（0.63%）和CBP3 42.1克（2.11%）。紫外-可见光谱（图S1）在260纳米和280纳米处没有显著吸收峰，证实了纯化样品（CBPs）的纯度。

讨论

观察到所有CBP组分都能组装成稳定的超分子结构，表明这些线性菊粉型果聚糖具有内在的结构-性质关系。此外，最近的研究表明，来自dahlia tubers（Arnon等人，2021年）和Leuconostoc citreum（Jiménez-Sánchez等人，2019年）的菊粉也具有自组装成有序纳米结构的能力，这支持了这种行为可能是普遍特征的观点。

结论

本研究确定这些多糖为同源线性菊粉型果聚糖，其中聚合链长决定了其生物活性，尽管它们具有共同的自我组装特性。从物理化学角度来看，所有CBP组分都具有通过分子间氢键自发自组装成超分子纳米颗粒的内在能力。然而，在生物学上，相对高分子量的CBP1在体内表现出更强的活性。与低分子量组分不同，...

CRediT作者贡献声明

蒲德冰：撰写——原始草稿、方法学、研究、资金获取。 梁涛：方法学、研究。 李轩：方法学、研究。 邢万琪：方法学。 罗岚：研究。 丁云章：方法学。 万传星：研究。 吴明义：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2025YFC3409500）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB1230000）、国家青年人才支持计划、国家自然科学基金（82304344、92478130、82473811）、昆明植物研究所战略性先导科技专项（KIBXD200402）、云南省基础研究项目（202301AV070008、202302AA310012、202401AT070231）的支持。