DOI: https://doi.org/10.1186/s40538-024-00667-w
تاريخ النشر: 2024-09-17
المؤلف: Yongwei Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستقلبات الميكروبية في تكنولوجيا الغذاء
نظرة عامة
الإنولين هو بوليسكاريد قائم على الفركتوز يتميز بهيكل سلسلة خطية مع روابط β-(2 → 1)، وغالبًا ما ينتهي بجزيء جلوكوز. هذا البوليسكاريد الوظيفي الطبيعي يعمل كألياف غذائية قابلة للذوبان ويظهر فوائد فسيولوجية متنوعة، بما في ذلك خصائص مضادة للأكسدة، وتعزيز فلورا الأمعاء، وتعزيز وظيفة المناعة، وامتصاص المغذيات، والتحكم في نسبة السكر في الدم، وتأثيرات محتملة مضادة للسرطان. تناقش المراجعة التقدمات الحديثة في استخراج وتنقية وتوصيف الهيكل والأنشطة الحيوية للإنولين، بهدف إنشاء أساس لمزيد من البحث والتطوير في إنتاجه.
تشير النتائج إلى أن استخراج الماء الساخن لا يزال الطريقة الرئيسية لاستخراج الإنولين، على الرغم من أن دمجه مع تقنيات مساعدة يمكن أن يعزز العائد والاستدامة. تؤثر الخصائص الهيكلية للإنولين، بما في ذلك درجة البوليمرية (DP)، وطول السلسلة، والوزن الجزيئي، بشكل كبير على خصائصه وتطبيقاته عبر مجالات مختلفة. على الرغم من أن له أنشطة بيولوجية واعدة، إلا أن التحديات لا تزال قائمة، مثل الحاجة إلى مزيد من التحقق من آليات عمله في التطبيقات الغذائية، وتقييمات السلامة، واستكشاف تأثيراته الدوائية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على منهجيات متقدمة لتعميق فهم علاقات الهيكل-الوظيفة للإنولين والتحقيق في إمكانياته التآزرية مع مركبات حيوية نشطة أخرى لتطوير منتجات مبتكرة لقطاعات الغذاء والصحة.
مقدمة
الإنولين، وهو بوليسكاريد يتكون من وحدات د-فركتوز مرتبطة بواسطة روابط جليكوسيدية β-(1-2)، يظهر متوسط درجة بوليمرية (DP) تتراوح من 2 إلى 60. تتكون الأوليغوسكاريدات، التي تُعرف بأنها إنولين مع DP أقل من 10، من عدد أقل من وحدات الفركتوز. على الرغم من الاختلافات في DP والوزن الجزيئي (Mw) عبر مصادر نباتية مختلفة، يحتفظ الإنولين بإطار هيكلي ثابت. يتم استخراجه بشكل أساسي من عائلات نباتية متنوعة، لا سيما الهندباء، التي تُفضل للإنتاج الصناعي. لقد أدت تعددية استخدامات الإنولين إلى دمجه في قطاعات الغذاء والصحة والتكنولوجيا الحيوية، حيث يعمل كألياف غذائية وظيفية تعزز الملف الغذائي للمنتجات.
تشمل الأنشطة البيولوجية للإنولين مجموعة واسعة، بما في ذلك تعديل المناعة، والوقاية من السرطان، وتنظيم استقلاب الجلوكوز والدهون، وخصائص مضادة للأكسدة، وإدارة الوزن، وحماية الكبد. هذه الخصائص تجعل الإنولين مكونًا غذائيًا وظيفيًا ذا قيمة. مع تقدم البحث، تظهر تطبيقات جديدة ورؤى حول خصائص الإنولين، مما يبرز إمكانياته للابتكار عبر مجالات متعددة. تهدف هذه الورقة إلى تقديم مراجعة شاملة لاستخراج وتنقية وتوصيف الهيكل والأنشطة الحيوية للإنولين، وبالتالي إنشاء أساس نظري قوي للتطورات المستقبلية في المنتجات المستدامة والمفيدة.
طرق
تحدد هذه القسم الطرق المستخدمة لاستخراج وتنقية الإنولين، مع التأكيد على أهمية اختيار تقنيات فعالة بسبب الطلب المتزايد على هذا البوليسكاريد. يبرز أن عوامل مختلفة، بما في ذلك طرق الاستخراج، ومصادر النباتات، والمناخات الزراعية، تؤثر بشكل كبير على العائد والخصائص الفيزيائية الكيميائية للإنولين. كما تشير النص إلى شكل يوضح مصادر النباتات للإنولين والطرق المرتبطة بالاستخراج والتنقية والتعريف.
بالنسبة للتنقية، تشير القسم إلى أن الإنولين الخام غالبًا ما يكون ملوثًا بالبروتينات، والسكريات الأحادية، والصبغات، مما يستلزم إزالتها لتحقيق نقاء عالٍ. تشمل التقنيات الشائعة لإزالة البروتينات الترسيب بالملح، وطريقة سيفاج، والتحلل الإنزيمي. عادةً ما يتم تحقيق إزالة لون الإنولين باستخدام الكربون المنشط، أو الراتنج، أو بيروكسيد الهيدروجين، مع دراسة تشير إلى معدل إزالة اللون الأقصى بنسبة 72% عند تركيز 4% من الكربون المنشط. يتم تنقية الإنولين عالي النقاء بشكل إضافي باستخدام طرق كروماتوغرافيا العمود، مثل كروماتوغرافيا الجل السليلوز وديكستران. يتم الاستشهاد بدراسات محددة، تُظهر نجاح تنقية الإنولين المتجانس من مصادر نباتية متنوعة باستخدام تقنيات كروماتوغرافية متقدمة.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الاهتمام المتزايد بالإنولين، وهو بوليسكاريد له أنشطة بيولوجية كبيرة، كما يتضح من تحليل ببليومتري باستخدام CiteSpace. كشف التحليل عن إجمالي 735 منشورًا على مدار العقد الماضي، مع زيادة ملحوظة في المنشورات السنوية. تشمل مجموعات البحث الرئيسية المحددة النشاط البريبايوتي، وتوصيل الأدوية، والفركتان، مع كون “الإنولين” هو الكلمة الرئيسية الأكثر استخدامًا. يشير ظهور 15 مصطلحًا مفاجئًا، لا سيما “الخلايا الشجرية”، إلى تركيز متزايد على خصائص الإنولين المناعية.
تمت مناقشة طرق استخراج الإنولين المختلفة، بما في ذلك الماء الساخن، والموجات فوق الصوتية، والميكروويف، والاستخراج بمساعدة الإنزيم، كل منها له مزايا وقيود مميزة. على سبيل المثال، أسفر الاستخراج بمساعدة الإنزيم عن تركيزات أعلى من الإنولين مقارنة بالطرق التقليدية، بينما أظهر الاستخراج بالموجات فوق الصوتية كفاءة ولكنه كان يعرض هيكل الإنولين للخطر. تؤثر الخصائص الفيزيائية الكيميائية للإنولين، مثل وزنه الجزيئي ودرجة البوليمرية، بشكل كبير على قابليته للذوبان وأنشطته البيولوجية، بما في ذلك التأثيرات البريبايوتي، وتنظيم استقلاب الجلوكوز والدهون، وخصائص مضادة للالتهابات، والنشاط المضاد للأكسدة. تختتم الورقة بالتأكيد على الحاجة إلى مزيد من البحث حول سلامة الإنولين، وآليات عمله، والتطبيقات المحتملة في صناعات الغذاء والصحة، مشيرة إلى أن الأساليب المبتكرة يمكن أن تعزز من وظيفته وإمكاناته السوقية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40538-024-00667-w
Publication Date: 2024-09-17
Author(s): Yongwei Zhang et al.
Primary Topic: Microbial Metabolites in Food Biotechnology
Overview
Inulin is a fructose-based polysaccharide characterized by a linear chain structure with β-(2 → 1) linkages, often terminating with a glucose molecule. This natural functional polysaccharide serves as a soluble dietary fiber and exhibits various physiological benefits, including antioxidant properties, promotion of gut flora, enhancement of immune function, nutrient absorption, glycemic control, and potential anti-carcinogenic effects. The review discusses recent advancements in the extraction, purification, structural characterization, and bioactivities of inulin, aiming to establish a foundation for further research and development in its production.
The findings indicate that hot water extraction remains the primary method for inulin extraction, though combining it with auxiliary techniques can enhance yield and sustainability. The structural attributes of inulin, including degree of polymerization (DP), chain length, and molecular weight, significantly influence its properties and applications across various fields. Despite its promising biological activities, challenges persist, such as the need for further validation of its mechanisms of action in food applications, safety assessments, and the exploration of its pharmacological effects. Future research should focus on advanced methodologies to deepen the understanding of inulin’s structure-function relationships and investigate its synergistic potential with other bioactive compounds to develop innovative products for the food and health sectors.
Introduction
Inulin, a polysaccharide composed of d-fructose units linked by β-(1-2) glycosidic bonds, exhibits an average degree of polymerization (DP) ranging from 2 to 60. Oligosaccharides, defined as inulin with a DP less than 10, consist of fewer fructose units. Despite variations in DP and molecular weight (Mw) across different plant sources, inulin maintains a consistent structural framework. It is predominantly extracted from various plant families, notably chicory, which is favored for industrial production. Inulin’s versatility has led to its incorporation into food, health, and biotechnology sectors, where it serves as a functional dietary fiber that enhances the nutritional profile of products.
The biological activities of inulin are extensive, including immune modulation, cancer prevention, regulation of glucose-lipid metabolism, antioxidant properties, weight management, and liver protection. These attributes position inulin as a valuable functional food ingredient. As research progresses, new applications and insights into inulin’s properties are emerging, highlighting its potential for innovation across multiple fields. This paper aims to provide a comprehensive review of inulin’s extraction, purification, structural characteristics, and bioactivities, thereby establishing a robust theoretical foundation for future developments in sustainable and beneficial products.
Methods
The section outlines the methods employed for the extraction and purification of inulin, emphasizing the significance of selecting efficient techniques due to the increasing demand for this polysaccharide. It highlights that various factors, including extraction methods, plant sources, and growing climates, significantly influence the yield and physicochemical properties of inulin. The text also references a figure that details the plant sources of inulin and the associated extraction, purification, and identification methods.
For purification, the section notes that crude inulin is often contaminated with proteins, monosaccharides, and pigments, necessitating their removal to achieve high purity. Common techniques for protein removal include salting-out precipitation, the Sevag method, and enzymatic hydrolysis. The decolorization of inulin is typically achieved using activated carbon, resin, or hydrogen peroxide, with a study indicating a maximum decolorization rate of 72% at a 4% activated carbon concentration. High-purity inulin is further purified using column chromatography methods, such as cellulose and dextran gel chromatography. Specific studies are cited, demonstrating successful purification of homogeneous inulin from various plant sources using advanced chromatographic techniques.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the increasing interest in inulin, a polysaccharide with significant biological activities, as evidenced by a bibliometric analysis using CiteSpace. The analysis revealed a total of 735 publications over the past decade, with a notable rise in annual publications. Key research clusters identified include prebiotic activity, drug delivery, and fructan, with “inulin” being the most frequently used keyword. The emergence of 15 burst terms, particularly “dendritic cells,” indicates a growing focus on inulin’s immunomodulatory properties.
Various extraction methods for inulin, including hot water, ultrasonic, microwave, and enzyme-assisted extraction, were discussed, each with distinct advantages and limitations. For instance, enzyme-assisted extraction yielded higher inulin concentrations compared to traditional methods, while ultrasonic extraction demonstrated efficiency but risked degrading inulin’s structure. The physicochemical properties of inulin, such as its molecular weight and degree of polymerization, significantly influence its solubility and biological activities, including prebiotic effects, regulation of glucose and lipid metabolism, anti-inflammatory properties, and antioxidant activity. The paper concludes by emphasizing the need for further research on inulin’s safety, mechanisms of action, and potential applications in food and health industries, suggesting that innovative approaches could enhance its functionality and market potential.