甘薯渣中可溶性膳食纖維對(duì)腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響

高美玲，余誠(chéng)瑋，范亞葦，鄧澤元，穆松牛

（南昌大學(xué)食品學(xué)院 南昌214122）

膳食纖維是一類(lèi)非淀粉多糖類(lèi)物質(zhì)，主要存在于植物細(xì)胞壁中，其組成成分主要包括纖維素、木質(zhì)素、果膠、β-葡聚糖和低聚糖等，被稱(chēng)為繼糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水之后的第7類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。膳食纖維獨(dú)特的化學(xué)組成使其具備一些特殊的生理功能，諸如可以預(yù)防癌癥，降低高血壓[2]、糖尿病的發(fā)生率，防治營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩性肥胖癥等[3]。Cummings 等[4]以麥麩面包和谷糠為膳食纖維來(lái)源，發(fā)現(xiàn)受試者的膳食纖維攝入量由17 g/d 上升到45 g/d 時(shí)，脂肪酸的排出量由1 g/d 上升至2.7 g/d。腸道內(nèi)微生物生態(tài)系統(tǒng)的平衡是腸胃健康的關(guān)鍵因素。膳食纖維可被腸道細(xì)菌的酶發(fā)酵降解，產(chǎn)生有機(jī)酸（SCFA），使結(jié)腸內(nèi)pH 值下降，促進(jìn)腸道有益菌群生長(zhǎng)和增殖，抑制有害腐敗菌的生長(zhǎng)并減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成[5]。

甘薯作為我國(guó)重要的薯類(lèi)作物，是僅次于水稻、小麥和玉米的第四大經(jīng)濟(jì)作物，產(chǎn)量豐富，消耗巨大[6]。然而，在薯類(lèi)的加工過(guò)程中卻產(chǎn)生了大量的薯渣，占原料的10%～14%。這些薯渣水分含量高，容易腐敗變質(zhì)，污染環(huán)境。甘薯渣中含有22%左右的膳食纖維，是良好的膳食纖維原料。如能加以開(kāi)發(fā)，不僅可以避免環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，還可以有效增加收益[7]。

本研究利用甘薯渣中提取的可溶性膳食纖維進(jìn)行體外發(fā)酵，觀察其對(duì)人體腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響，旨在將甘薯渣變廢為寶，為甘薯渣中可溶性膳食纖維用于改善人體腸道菌群環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

試驗(yàn)原料：甘薯購(gòu)買(mǎi)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

菊糖（分析純），阿拉??；次氯酸鈉（分析純），阿拉丁；七水合磷酸氫二鈉（分析純），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純），西隴科學(xué)股份有限公司；苯酚（分析純），阿拉?。粊喯趸F氰化鉀（分析純），天津市大茂化工試劑廠；偏磷酸（分析純），上海振興化工一廠；甲酸（分析標(biāo)準(zhǔn)品），阿拉?。灰宜幔ǚ治鰳?biāo)準(zhǔn)品），阿拉??；正丁酸（分析標(biāo)準(zhǔn)品），阿拉??；痕量緩沖液、微量培養(yǎng)液中各試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DGG-9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；HD-650 桌上型超凈工作臺(tái)，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；HH-4恒溫水浴鍋，鞏義市英峪予華儀器廠；YQX-II 厭氧培養(yǎng)箱，上海龍躍儀器設(shè)備有限公司；TDL-5-A飛鴿牌臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；PHS-3C 精密pH 計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；722E 型可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；AR323CN 電子天平，奧豪斯儀器有限公司；Agilent6890N 氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 甘薯渣可溶性膳食纖維的提取工藝流程新鮮甘薯打漿→清水反復(fù)洗滌3 次后用紗布過(guò)濾→60 ℃烘干→加入0.05 mol/L MES-TRIS 緩沖溶液/g→50 μL/g 熱穩(wěn)定α-淀粉酶→pH 8.1，95 ℃，反應(yīng)30 min→100 μL/g 蛋白酶→pH 7.5～8.5，（60±1）℃，反應(yīng)30 min→100 μL/g 淀粉葡萄糖苷酶→pH 4.5±0.2，（60±1）℃，反應(yīng)30 min→抽濾→上清液加入4 倍體積95%乙醇溶液→靜置1 h 得可溶性膳食纖維沉淀→抽濾得可溶性膳食纖維絮狀物→105 ℃烘干，即得可溶性膳食纖維[8]。

1.3.2 培養(yǎng)液的配制 微量培養(yǎng)液：尿素（0.400 g/L），碳酸氫鈉（9.240 g/L），十二水磷酸氫二鈉（7.125 g/L），硫酸鈉（0.100 g/L），氯化鈣（0.055 g/L），氯化鉀（0.450 g/L），氯化鈉（0.470 g/L），氯化鎂（0.047 g/L），溶劑為蒸餾水，混勻。

痕量緩沖液：六水合氯化鈷（120 mg/L），七水合硫酸亞鐵（3 680 mg/L），四水合鉬酸銨（17.4 mg/L），七水合硫酸鋅（440 mg/L），七水合硫酸錳（1 900 mg/L），五水合硫酸銅（98 mg/L），溶劑為蒸餾水，混勻。

最終的體外發(fā)酵液按10 mL 痕量緩沖液加入1 000 mL 微量培養(yǎng)液的配比混合制得[9]。

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共分為6 組，分別為2.5，5，10 g/L 甘薯可溶性膳食纖維組，2.5 g/L 菊糖組（陽(yáng)性對(duì)照組）以及空白對(duì)照組（CK），甘薯粉組。其中甘薯粉的添加量按照相應(yīng)的百分含量核算后得出。接種物為志愿者的糞便，將收集到的糞便與體外發(fā)酵液按質(zhì)量濃度0.01 g/L 混勻，分裝于20 mL 的注射器中，每支注射器的裝液量為5 mL。將所有注射器置于厭氧培養(yǎng)箱中 （體積比：N2∶CO2∶H2=90∶5∶5），37 ℃培養(yǎng)48 h。

1.3.4 發(fā)酵液pH 值的測(cè)定 各組于接種后0，6，12，24 h，用pH 計(jì)測(cè)定pH 值。

1.3.5 發(fā)酵液中NH3-N 的測(cè)定 參照周笑犁[10]的方法，取40 μL 離心后的發(fā)酵液依次加入40 μL蒸餾水，2.5 mL 苯酚顯色液，混合均勻后再加入2 mL 次氯酸鹽試劑，再次混勻。37 ℃水浴30 min 并測(cè)定吸光度，波長(zhǎng)為550 nm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)（圖1）進(jìn)行定量分析。

1.3.6 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸的測(cè)定 取適量離心后的發(fā)酵液，與25%偏磷酸按4∶1 的比例混勻，待測(cè)。

氣相色譜條件：19091F-413 HP-FFAP 柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）。程序升溫：100 ℃為初始溫度，持續(xù)0.5 min，之后以8 ℃/min 升至180 ℃，再以20 ℃/min 升至200 ℃，持續(xù)5 min。FID 檢測(cè)器和進(jìn)樣口溫度分別為240 ℃和200 ℃，載氣N2，燃?xì)釮2，助燃?xì)饪諝獾牧髁糠謩e為：2，30，300 mL/min，不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 μL[11]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行定量分析。其中圖2為發(fā)酵液中的乙酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，圖3為發(fā)酵液中的丙酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，圖4為發(fā)酵液中的丁酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.3.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 試驗(yàn)中每個(gè)處理重復(fù)3 次，應(yīng)用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行顯著性分析，以P＜0.05作為差異顯著性標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 發(fā)酵液中乙酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.2 Standard curve of acetic acid content in fermentation broth

圖3 發(fā)酵液中丙酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.3 Standard curve of propionic acid content in fermentation broth

圖4 發(fā)酵液中丁酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.4 Standard curve of butyrate content in fermentation broth

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量曲線(xiàn)

接種后各時(shí)段甘薯渣可溶性膳食纖維的體外發(fā)酵液產(chǎn)氣量曲線(xiàn)如圖5所示。由結(jié)果可以看出，甘薯粉組的產(chǎn)氣量明顯高于其它組別，在24 h 后達(dá)到5.9 mL。各組最終在24 h 后的產(chǎn)氣量有明顯差異（P＜0.05）。

所有可溶性膳食纖維添加組在最終時(shí)段的累積產(chǎn)氣量都明顯優(yōu)于空白對(duì)照組，且添加量越大，累積產(chǎn)氣量也越大。但其中僅有可溶性膳食纖維10 g/L 的產(chǎn)氣效果優(yōu)于菊糖組，其余組別均不如菊糖組的產(chǎn)氣效果好。

2.2 發(fā)酵液pH 值曲線(xiàn)

從圖6可以看出，大多數(shù)組別在0～6 h 階段pH 值下降最快。其中甘薯粉組的pH 值變化程度最大，空白對(duì)照組的pH 值變化程度最小。其中可溶性膳食纖維的添加組能夠明顯降低發(fā)酵液中的pH 值，且添加量越大，降低pH 值的效果也就越好，SDF 10 g/L 的添加組降低pH 值的效果優(yōu)于菊糖組。

圖5 體外發(fā)酵液的產(chǎn)氣量曲線(xiàn)Fig.5 Gas production curve during the fermentation

圖6 體外發(fā)酵液pH 值曲線(xiàn)Fig.6 The pH curve of fermentation broth

從香菇、銀耳和黃芪提取的多糖均可以降低體外發(fā)酵液pH 值，pH 值的降低有助于維持腸道環(huán)境，抑制有害菌增長(zhǎng)[12]。如上變化趨勢(shì)說(shuō)明添加甘薯可溶性膳食纖維有助于降低腸道內(nèi)的pH值，進(jìn)而維持良好的腸道環(huán)境。

2.3 發(fā)酵液中NH3-N 含量

由圖7可以得出，發(fā)酵12 h 后，所有組別的NH3-N 含量均顯著小于空白組（P＜0.05），且其中甘薯粉組產(chǎn)生的NH3-N 含量最低，其次為菊糖組。添加甘薯可溶性膳食纖維的組別能夠明顯降低發(fā)酵液中的NH3-N 含量，但其效果不如甘薯粉組以及菊糖組，且其效果與添加量之間的規(guī)律不十分明顯。

結(jié)腸中的微生物將含氮的化合物分解為一些易腐敗的代謝產(chǎn)物，如氨、硫化物、生物胺、吲哚和酚類(lèi)化合物等[13]。而其中的一些蛋白代謝產(chǎn)物已被證實(shí)會(huì)損害腸道上皮細(xì)胞的新陳代謝，過(guò)量的氨不僅會(huì)減少結(jié)腸細(xì)胞的呼吸作用，還會(huì)產(chǎn)生毒性作用[14]。腸道內(nèi)有害細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)受到低pH 值和NH3-N 濃度的腸道內(nèi)環(huán)境的抑制，同時(shí)還可避免過(guò)高濃度的氨引起氨代謝負(fù)荷增加或氨中毒[15]。

圖7 發(fā)酵液中NH3-N 含量Fig.7 Contents of NH3-N in fermentation broth

在本研究中，與對(duì)照組相比，甘薯中的可溶性膳食纖維能降低發(fā)酵液中氨的濃度，這可能是因?yàn)榭扇苄陨攀忱w維促進(jìn)了微生物的多樣性從而提高了大量微生物對(duì)氮的利用，增加了動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的氮循環(huán)并減少了環(huán)境中的氮排泄物。

2.4 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量

由圖8可知，發(fā)酵48 h 之后試驗(yàn)組產(chǎn)生的SCFA 含量（乙酸、丙酸、丁酸）均顯著高于空白對(duì)照組（P＜0.05），其中甘薯粉中的SCFA 含量最高。其中添加甘薯可溶性膳食纖維的組別能夠明顯提升SCFA 含量，且添加量越高，促進(jìn)效果越好。同等添加量中，菊糖組的效果要優(yōu)于SDF 組。

短鏈脂肪酸作為結(jié)腸上皮細(xì)胞的能源物質(zhì)對(duì)其更新和恢復(fù)起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)還影響腸黏膜屏障等，對(duì)腸道的健康具有重要作用[16]。其中丁酸是能量循環(huán)中重要的組成部分，對(duì)腸上皮細(xì)胞的增殖和分化非常重要[17]。另外有研究報(bào)道，丁酸還具有抗炎癥的功能[18]，可由幾種細(xì)菌產(chǎn)生，如球形梭菌、直腸真細(xì)菌和普拉梭桿菌。短鏈脂肪酸濃度的高低代表著微生物產(chǎn)生和結(jié)腸黏膜吸收的最終結(jié)果[19]。

圖8 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量Fig.8 Contents of short-chain fatty acids in fermentation broth

圖9 2.5 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時(shí)間變化圖Fig.9 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 2.5 g/L dietary fiber as a function of time

圖10 5.0 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時(shí)間變化圖Fig.10 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 5.0 g/L dietary fiber as a function of time

圖11 10.0 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時(shí)間變化圖Fig.11 Content of short chain fatty acids in bermentation broth with added amount of 10.0 g/L dietary fiber as a function of time

由圖9～圖11可以看出，乙酸的含量均隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著減少，SDF 2.5 g/L 組別中丁酸的含量隨著時(shí)間的增加而略微增加，其它組別丁酸含量變化不顯著。丙酸含量的變化隨著時(shí)間的增加不十分明顯?？傮w來(lái)說(shuō)，可溶性膳食纖維的添加量越多，對(duì)促進(jìn)SCFA 合成的效果越好。

本研究中，甘薯可溶性膳食纖維作為一種食品或飼料添加劑，對(duì)腸道微生物是一種非常理想的碳源，并有助于提升短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。

3 結(jié)論

通過(guò)體外發(fā)酵試驗(yàn)，可以看出，添加甘薯可溶性膳食纖維有利于增加體外發(fā)酵液的產(chǎn)氣量，并通過(guò)促進(jìn)短鏈脂肪酸的合成，顯著降低pH 值、NH3-N 含量的方式有效維持腸道的平衡狀態(tài)，且其效果與添加量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，添加量越大，促進(jìn)效果越好。證明甘薯渣中的可溶性膳食纖維具有改善腸道菌群代謝產(chǎn)物的作用，利于人體腸道健康。