用系統(tǒng)的觀點認識膳食纖維

呂知謙，王軍軍，賴長華

（中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，北京 100193）

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）定義的發(fā)展是營養(yǎng)學理念和檢測技術共同進步的結果。以往對DF的理解多側(cè)重于分析方法上，由于纖維本身具有極其復雜的物理和化學結構，簡單的定義纖維不能全面了解纖維發(fā)揮的具體作用。從豬營養(yǎng)層面上來講，蛋白質(zhì)和脂肪的代謝是營養(yǎng)物質(zhì)與機體直接交互作用的過程，其能量利用途徑的研究也起步更早，理念更為成熟。在日糧配方的應用中，蛋白質(zhì)和脂肪的需要量更容易得到標準化確定。而纖維的理化性質(zhì)及其與機體關系的不確定性，尤其是纖維需要首先被微生物發(fā)酵才能被機體利用，導致其在日糧配方技術中無法簡單衡量和定義。因此，我們必須對纖維的具體結構格外重視，例如纖維源、組成纖維的多糖、構型和分子大小等，這些首先是作為纖維理化性質(zhì)的基礎影響腸道微生物的組成，進而通過產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物影響機體。基于此，本文重點闡明DF結構與微生物的關系，并希望以“DF結構-酶系-微生物-代謝產(chǎn)物-機體”為系統(tǒng)的觀念去理解纖維。

1 纖維定義的發(fā)展

最早的纖維概念是由Hipsley[1]提出，是指植物細胞壁中不易被消化的成分。19世紀中葉，德國Weende實驗站提出了粗纖維（Crude Fiber，CF）的粗略分析方法[2]。這種方法沒有考慮纖維中的可溶性部分，因此不能準確評價飼料中真正的纖維含量。有鑒于此，van Soest[3]提出了中性洗滌纖維（Neutral Detergent Fiber，NDF）和酸性洗滌纖維（Acid Detergent Fiber，ADF）的概念，是依據(jù)纖維在酸或堿溶液中的可溶性進行的分類。該體系可以較準確評估飼料中所含的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和酸不溶灰分的含量，克服了CF測定時的缺點。但該系統(tǒng)依賴于飼料組分溶解度的差異，因此它缺乏對纖維化學結構的精確分析。以上對于纖維的分類均是從化學分析角度上考慮的，結果是每種纖維組分具有各種重疊的生理效應，因此純粹基于化學性質(zhì)的分類并不能對應到該成分的營養(yǎng)特性上。隨著人們對纖維營養(yǎng)特性的不斷研究，2001 年，美國谷物協(xié)會最終確定了DF的定義：“DF是指不能被機體消化的可食碳水化合物及其類似物，這些物質(zhì)不能被小腸內(nèi)源酶消化，但在大腸中可全部或部分發(fā)酵。DF包括抗性淀粉、不易消化的低聚糖、非淀粉多糖（Non-Starch Polysaccharides，NSP）、木質(zhì)素或與之相締合的植物成分”。根據(jù)在水中的溶解性，將DF劃分為可溶性纖維（Soluble Dietary Fiber, SDF）和不可溶性纖維（Insoluble Dietary Fiber, IDF）。這個定義考慮了DF的營養(yǎng)特性，即不能被單胃動物分泌的內(nèi)源酶所消化。NSP是指淀粉以外的多糖，主要有纖維素、半纖維素、果膠等，是DF的主要組成成分。根據(jù)在水中的溶解性，NSP被分為可溶性NSP （Soluble Non-Starch Polysaccharides,SNSP）和不可溶性NSP（Insoluble Non-Starch Polysaccharides，INSP）。這種分類方法在理化性質(zhì)上可以與纖維的營養(yǎng)特性掛鉤（如SDF通常可發(fā)酵性也較高），但往往缺乏解釋性的說明，當遇到SDF的可發(fā)酵性不一定就高的情況，這種DF分類方式就解釋不通。

2 DF結構與微生物的關系

2.1 原料中纖維成分的復雜性 谷物原料及其副產(chǎn)物作為豬的主要能量來源，主要含有的DF成分是NSP（阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纖維素）和木質(zhì)素。此外，在莖和葉中含有少量的果膠。由于谷物及其副產(chǎn)物品種、產(chǎn)地和加工工藝不盡相同，導致DF組分的變異很大。但不能簡單地將DF看作多糖和寡糖的集合體，因為DF的復雜結構本身是發(fā)揮生理生化作用的基礎。阿拉伯木聚糖是說明DF結構復雜性的一個很好的例子。阿拉伯木聚糖具有β-1,4連接的木聚糖骨架，并且在其最簡單的形式中，具有從骨架分支的單個阿拉伯糖。因此，簡單的阿拉伯木聚糖的取代程度存在差異，這使得它們具有一些多樣性的結構。然而，這還不包括更高層次的結構復雜性，它們通常在其分支中還具有額外的木糖和半乳糖單元以及糖醛酸[4-5]。研究表明，DF結構的不同必將導致其利用和代謝方式不同，而這些不同首先是通過DF結構對微生物的影響實現(xiàn)的[4-5]。

2.2 DF對腸道微生物的調(diào)節(jié) DF最大的消化特點是需要微生物在中間扮演“食品加工廠的角色”。一般來說，只有加工后的DF才可以與機體進行交互作用。因此，完全可以把腸道微生物作為人體的另一個系統(tǒng)——腸道微生物系統(tǒng)，DF是這個系統(tǒng)的主要“食物”來源。DF作為營養(yǎng)素調(diào)控機體的難點在于，DF首先是作為調(diào)控微生物的營養(yǎng)手段，如果能夠厘清DF對微生物的營養(yǎng)調(diào)控方式，能定性又能定量地分析出DF對微生物的作用，那么DF對機體的營養(yǎng)或其他作用也就清晰了。因此，研究的重點首先是DF和腸道微生物的關系，然后才是微生物代謝產(chǎn)物和宿主的關系。

豬的微生物群主要由厚壁菌門和擬桿菌門組成[6]，主要細菌群包括鏈球菌屬、乳桿菌屬、真桿菌屬、梭桿菌屬、類桿菌屬、消化鏈球菌屬、雙歧桿菌屬、單細胞單胞菌屬、梭菌屬、丁酸弧菌屬、埃希氏菌屬、普雷沃氏菌屬和瘤胃球菌屬。DF作為這些微生物的主要食物來源，勢必對微生物的生長和組成產(chǎn)生重大影響。Drew等[7]發(fā)現(xiàn)，與飼喂玉米日糧的豬相比，飼喂大麥日糧的豬盲腸中乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬豐度增加，而大腸桿菌屬豐度降低。Nielson 等[8]也發(fā)現(xiàn)，豬采食高阿拉伯木聚糖日糧可提高雙歧桿菌和乳酸桿菌豐度。這說明同一NSP組分對微生物的影響存在一致性。Zhao等[9]發(fā)現(xiàn)，與采食玉米豆粕基礎日糧相比，豬采食玉米皮和麥麩日糧可提高糞中放線桿菌、厚壁菌門和纖維桿菌門的豐度。這說明，不同纖維源對微生物的作用結果可能不一樣。雖然DF以受宿主基因型影響的方式與微生物群相互作用，即同一種群豬對同一種類型DF的反應應該表現(xiàn)一致，除當?shù)赝霖i、野豬或基因改良的豬種等特殊群體。上述研究說明，纖維源可以調(diào)控腸道微生物，這既說明了DF結構和微生物的緊密聯(lián)系，也提供了一個通過合理配比DF組分來改善腸道菌群結構，促進腸道健康，甚至治療某些疾病的思路。

DF在腸道被利用的過程可以簡單概括，即DF通過刺激特定微生物菌群的生長或代謝來影響其在腸道中的發(fā)酵。這些增加的纖維分解菌增強了后腸發(fā)酵和短鏈脂肪酸（Shrot-Chain Fatty Acids，SCFA）的產(chǎn)生，進而降低了腸內(nèi)容物的pH。pH的降低促進了有益細菌（如雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬）的生長，抑制了致病性梭菌或沙門氏菌等菌群的生長，這對增強宿主的健康是非常有益的[10]。這種現(xiàn)象被稱為“益生元效應”。

那么，具體的DF如何被腸道微生物利用呢？以往的研究都關注于后腸道的微生物作用，然而，20%～25%的NSP在通過小腸時是可以被降解的[11]。當然，這種降解更多的是復雜結構被分解為較簡單的結構，并不代表DF的真實利用情況。其實，在測定DF組分消化率時，某一種DF成分的消化率并不能完全反映其真實利用情況，有可能只是被簡單分解，變成了另一種寡聚糖，實際上還未真正發(fā)揮作用。除了降解外，前腸道的重要之處在于微生物酶還修飾NSP的大小和結構，這種修飾對后腸道菌群具有重大影響[12]。因為，微生物對DF的利用存在優(yōu)先級的關系。 Martens小組的研究發(fā)現(xiàn)，B.thetaiotaomicron（一種可以利用數(shù)十種不同DF的多形擬桿菌）在利用某些DF之前會利用某些其他的DF，并提出了基于轉(zhuǎn)錄事件的“代謝層次結構”[13]。例如，這種細菌首先利用高優(yōu)先級底物（如果膠半乳聚糖），再利用低優(yōu)先級底物（如α-甘露聚糖）。前腸道的微生物修飾作用實際上也是挑選優(yōu)先級高的DF組分進行分解，分解后的產(chǎn)物又以高低優(yōu)先級的順序再次被后腸道微生物利用，即能夠以較高優(yōu)先級利用這部分產(chǎn)物的微生物首先得到有利生長[14]。這就如同一個生產(chǎn)鏈，假如沒有前腸道的這部分修飾，后腸道的微生物組成也將發(fā)生改變。微生物對基質(zhì)的偏好，存在這種層次結構。以上研究提示，可以用更廣泛的方式通過DF調(diào)控微生物群。如添加酶的方式，可使DF在前腸道發(fā)生更多的分解和修飾，進而影響腸道微生物菌群結構。Bedford等[15]通過添加外源酶制劑使雞的某些微生物菌群顯著減少，進而引起腸道中微生物總數(shù)顯著減少，推測是因為酶的作用使得進入腸道的DF減少，從而使部分微生物“餓死”。這種底物的優(yōu)先級順序不僅存在于小腸，在整個DF分解過程中都發(fā)揮作用。如平均聚合度小于15的阿拉伯木聚糖通常在升結腸和橫結腸區(qū)域被降解；而平均聚合度高于15的阿拉伯木聚糖，70%在升結腸和橫結腸降解，30%在降結腸降解[16]。進一步研究表明，平均聚合度為29的阿拉伯木糖低聚糖增加了升結腸中雙歧桿菌的豐度、升結腸和橫結腸中的乳酸桿菌豐度、降結腸中的梭狀芽孢桿菌豐度[16]。聚合度在60以上的阿拉伯木聚糖會增加盲腸放線菌，降低部分盲腸梭菌屬和疣微菌門[17]。這些研究表明，聚合度是決定哪種細菌在特定結腸室中被促進增長的重要因素[16-17]。當DF進入大腸時，天然半纖維素是大的聚合分子，經(jīng)過部分特異菌群分解，會釋放出較小部分的聚合物，然后有利于其他細菌。也就是說，某些微生物的分解或修飾作用是另一些微生物發(fā)揮作用的前提。

不同纖維源或結構對微生物影響不同，這說明不同微生物可能“喜歡”不同DF作為食物。微生物為什么會存在底物偏好呢？一個重要的原因是微生物編碼了利用DF的酶。因為酶和底物的選擇特異性，導致了微生物對底物的消耗具有特異性。例如，糖苷水解酶（Glycoside Hydrolases，GH）可以酶切2個或多個糖單元之間或糖和非糖部分之間的糖苷鍵。多糖裂解酶（Polysaccharide Lyases，PLs）通過β-消除機制破壞多糖鏈中包含的酸性糖單元（即葡糖醛酸和半乳糖醛酸）。這些酶的作用導致形成不飽和己烯糖醛酸殘基和新的還原端。碳水化合物酯酶（Carbohydrate Esterases，CEs）可水解在果膠和乙?；⒗揪厶侵写嬖诘孽ユI。此外，還有一類發(fā)揮輔助作用的酶參與了木質(zhì)素的降解過程。事實上，這幾個酶類既對特定的底物發(fā)揮作用，也對不同底物表現(xiàn)出一定活性[18]。有些微生物利用相對較少的DF，而有些微生物則可以利用大量不同的DF組分，這與微生物本身產(chǎn)生的DF活性酶有關。例如，擬桿菌門和厚壁菌門都可以消化DF，但在分解超長分子量的DF時，2種細菌分泌的酶有所不同，這與日糧中DF結構的復雜性相匹配。擬桿菌可分泌的酶系不僅種類繁多，而且這些酶系形成了一套復雜的一體化操縱子系統(tǒng)，該系統(tǒng)可編碼多糖的傳感、結合和切割，然后形成的低聚糖被轉(zhuǎn)運到細胞周質(zhì)，最后糖化為單糖，這種操縱子[19]稱為多糖利用位點（Polysaccharide Utilization Loci，PUL）。通過復制和新功能化，擬桿菌屬已經(jīng)進化出大量且多樣化的PUL譜系，因此單個擬桿菌屬可能在其基因組中含有數(shù)十種不同的PUL。PUL編碼的酶系不僅定義了微生物可以消化的DF范圍，而且消化過程的每一步都是連續(xù)和必要的。微生物分泌的酶系形成的操縱子系統(tǒng)也說明，微生物對DF的利用具有優(yōu)先級的順序，并且系統(tǒng)完整。

如前所述，DF影響微生物的生長是通過DF分子的大小、連接和構型等使細菌對其利用偏好產(chǎn)生差異來實現(xiàn)的。DF結構的這些廣泛差異有助于研究者思考如何調(diào)控腸道微生物群，及尋求有效方法以改變腸道微生物群組成。復雜DF需要不同的細菌共同作用，然而這些細菌采取的消化策略是不同的。一種微生物分解DF的產(chǎn)物可能是另一種微生物的“食物”來源。針對一種DF組分，希望可以解釋它被利用的一切密碼。哪些菌群先利用它，產(chǎn)生的產(chǎn)物又會被哪些菌群利用，之后會產(chǎn)生哪些終產(chǎn)物，終產(chǎn)物中又有多少能被機體利用。DF結構、微生物酶系和微生物之間存在密不可分的關系，只能把DF放在這個關系群里去衡量DF的真實利用和代謝情況，而不能僅僅根據(jù)化學檢測的手段去定義。

3 DF的發(fā)酵產(chǎn)物——SCFA

DF除了對機體的物理影響（如飽腹感等）以外，其對機體的生理作用是通過改變腸道菌群結構和產(chǎn)生的SCFA來實現(xiàn)的。首先微生物分泌分解DF的酶，通過一系列的酶解作用，將DF分解為單糖形式。不同DF分解得到的單糖形式可能不同，并且不同微生物利用同一種單糖的過程也可能不同。單糖發(fā)酵的主要產(chǎn)物是SCFA，其中最豐富的是乙酸、丙酸和丁酸。乙酸可以依靠丙酮酸脫氫生成乙酰輔酶A的方式產(chǎn)生，也可以通過Wood-Ljungdahl途徑產(chǎn)生[20]。Wood-Ljungdahl途徑也是必須先合成乙酰輔酶A，然后兩分子乙酰輔酶A合成乙酸鹽。丙酸鹽的合成與底物有關，如果底物是己糖和戊糖，則可以通過琥珀酸途徑合成丙酰輔酶A產(chǎn)生，也可以利用丙烯鹽與乳酸鹽作為前體，然后通過丙烯酸鹽途徑合成。如果底物是巖藻糖和鼠李糖，那么丙酸鹽可以通過丙二醇途徑產(chǎn)生[21]。丁酸鹽的產(chǎn)生，首先是由兩分子乙酰輔酶A縮合成丁酰輔酶A，丁酰輔酶A通過經(jīng)典途徑轉(zhuǎn)化為丁酸鹽。丁酰輔酶A也可以通過丁酰輔酶A:乙酸CoA-轉(zhuǎn)移酶途徑轉(zhuǎn)化為丁酸。腸道中的某些微生物可以使用乳酸鹽和乙酸鹽合成丁酸鹽，這可以防止乳酸積聚并穩(wěn)定腸道環(huán)境[22]。不同DF的分解產(chǎn)物產(chǎn)生了不同的脂肪酸，說明可以從DF的結構去定性其分解產(chǎn)生的脂肪酸類型。

DF發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA主要在3個部位代謝[2]：50%～70%的乙酸在肝臟中代謝，其余的主要在骨骼肌和心肌的肌肉細胞中代謝；丙酸在肝臟中代謝；大部分丁酸被結腸上皮直接吸收，為結腸上皮細胞的分化代謝等提供約70%的能量，另有少部分丁酸在肝臟中代謝，這部分丁酸代謝物和丙酸代謝物都被用于糖異生。乙酸鹽是外周循環(huán)中最豐富的SCFA，可通過中樞穩(wěn)態(tài)機制穿過血腦屏障并起到降低食欲的作用。盡管丙酸鹽和丁酸鹽在外周血液中濃度較低，但是它們可以通過激活激素和神經(jīng)系統(tǒng)間接影響外周器官。丙酸鹽能促進GLP-1和PYY分泌，起到調(diào)控能量代謝的作用。SCFA還可通過誘導GPR43和GPR109A的激活，起到調(diào)節(jié)機體免疫功能的作用。

4 小 結

DF的分類（SDF 和IDF）雖然和DF的營養(yǎng)特性有關，卻無法對應其發(fā)揮的具體營養(yǎng)代謝功能。因此，建議對DF的討論和研究要與微生物緊密聯(lián)系起來，構建一個盡可能詳細的“DF結構-酶系-微生物-代謝產(chǎn)物-機體”的關系庫，全面系統(tǒng)地評估和解讀DF的本質(zhì)。在這個關系庫中，酶系和代謝產(chǎn)物作為連接紐帶，DF、微生物和機體作為主體。通過不斷研究完善它們之間的相互作用關系，對DF的理解才會越來越透徹。