功能性寡糖調(diào)控腸道健康的研究進(jìn)展

夏 青，梁馨元，張琳依，李盈柔，任丹丹,2,3,*，何云海,2,3，宋悅凡,2,3，汪秋寬,2,3

（1.大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116023；2.遼寧省水產(chǎn)品加工及綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023；3.國(guó)家海藻加工技術(shù)研發(fā)分中心，遼寧大連 116023）

寡糖又稱低聚糖，是由2～20 個(gè)單糖通過(guò)糖苷鍵連接的介于單糖和多糖之間的低分子量碳水化合物。它可以從天然原料中提取，也可以利用轉(zhuǎn)移酶、水解酶的糖基轉(zhuǎn)移反應(yīng)、天然高聚糖的控制性水解法和化學(xué)合成法進(jìn)行制備[1]。寡糖可分為兩類：普通寡糖和功能性寡糖。普通寡糖包括乳糖、蔗糖等，這類寡糖易被腸道吸收，為人體活動(dòng)提供能量。功能性寡糖包括殼寡糖、木寡糖、果寡糖、大豆低聚糖、褐藻寡糖、甘露寡糖、低聚半乳糖等[2]。功能性寡糖在機(jī)體內(nèi)很難被吸收，和糖類具有一些相同的特征，但是能量很低，攝入后不會(huì)引起肥胖。近年來(lái)，人們對(duì)功能性寡糖在促進(jìn)腸道健康方面開(kāi)展了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)功能性寡糖能在保持腸道內(nèi)微生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌的生長(zhǎng)[3]、促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生[4]、改善腸道組織結(jié)構(gòu)、增加腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[5]、加強(qiáng)腸粘膜屏障[6]、緩解腸道炎癥[7]和提高腸道免疫能力等[8]。本文綜述了功能性寡糖對(duì)腸道健康的影響及作用機(jī)制，為寡糖的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1 功能性寡糖對(duì)腸道健康的調(diào)控

1.1 調(diào)節(jié)腸道菌群

正常人體內(nèi)的腸道菌群往往維持在一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，人體健康與腸道菌群存在密切的聯(lián)系。一個(gè)成年人的腸道中細(xì)菌數(shù)量大概有1014個(gè)，這些細(xì)菌大致分為三類：生理性細(xì)菌、條件致病菌和病原菌[9]。功能性寡糖可直接進(jìn)入腸道，被腸道內(nèi)的有益菌利用，促進(jìn)有益菌的增長(zhǎng)，減少有害產(chǎn)物的產(chǎn)生，以改善腸道的內(nèi)環(huán)境。徐海燕等[10]模擬人體腸道環(huán)境培養(yǎng)微生物，發(fā)現(xiàn)低聚木糖對(duì)大腸桿菌等有害菌的增長(zhǎng)起抑制效果，對(duì)雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌的增長(zhǎng)起積極作用，低聚木糖對(duì)人體腸道有較好的調(diào)節(jié)作用。也有研究表明功能性寡糖對(duì)仔豬、小鼠、魚(yú)等動(dòng)物腸道內(nèi)的有益菌的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，調(diào)節(jié)腸道菌群，促進(jìn)機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育[11?13]。

腸道微生物的平衡一旦打破則會(huì)很大程度上影響機(jī)體的健康[14]。功能性寡糖對(duì)菌群紊亂的腸道也有一定的修復(fù)作用，趙丹莉等[15]對(duì)小鼠連續(xù)灌胃殼寡糖14 d 后用高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行腸道菌群檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)殼寡糖能促進(jìn)乳酸菌抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)，并能增加腸道菌群的多樣性；在抗生素破壞腸道微生態(tài)平衡之后，殼寡糖可對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)腸道菌群紊亂有明顯的改善作用。另有實(shí)驗(yàn)表明褐藻糖膠寡糖可在降低厚壁菌門豐度的同時(shí)增加擬桿菌門的豐度，從而逆轉(zhuǎn)腸道菌群失調(diào)，特別是結(jié)腸菌群失調(diào)、緩解代謝綜合征[16]等。此外，低聚果糖可通過(guò)改善腸道微生物來(lái)延緩衰老等相關(guān)健康問(wèn)題的發(fā)生[17]。

1.2 促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生

短鏈脂肪酸是腸道內(nèi)有益菌降解不能被消化的碳水化合物得到的產(chǎn)物，是由碳原子數(shù)小于6 的有機(jī)脂肪酸組成的，主要產(chǎn)物包括醋酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等[18]。短鏈脂肪酸被認(rèn)為是腸道中的關(guān)鍵微生物代謝物，對(duì)機(jī)體有積極的影響。短鏈脂肪酸能促進(jìn)腸道吸收，維持腸道的正常功能[19]；通過(guò)促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)來(lái)參與免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)[20]；預(yù)防肥胖及并發(fā)癥[16]；調(diào)節(jié)脂肪組織、骨骼肌和肝組織功能[21]等。謝潔玲等[22]研究了人腸道微生物對(duì)不同分子量褐藻聚糖硫酸酯的降解情況，發(fā)現(xiàn)人腸道微生物能利用降解后的寡糖產(chǎn)生短鏈脂肪酸，促進(jìn)腸道健康。CHEN等[23]在仔蝦日糧中添加低聚果糖發(fā)現(xiàn)低聚果糖可顯著增加仔蝦腸道內(nèi)的短鏈脂肪酸含量。鄭雅文等[24]在肉雞的日糧中添加果寡糖發(fā)現(xiàn)果寡糖可以提高盲腸中戊酸的含量，從而達(dá)到對(duì)腸道微生物的調(diào)節(jié)，為宿主提供能量。

1.3 促進(jìn)礦物元素吸收

礦物元素在人體內(nèi)起著重要的作用，如參與代謝、預(yù)防慢性疾病、維持免疫力等[25]。功能性寡糖可以促進(jìn)腸道對(duì)礦物元素的吸收，現(xiàn)已有研究表明其吸收機(jī)制。朱志懷等[26]研究發(fā)現(xiàn)低聚果糖在大腸內(nèi)被發(fā)酵成L-乳酸，能溶解鈣、鐵、鎂等礦物質(zhì)，促進(jìn)腸道吸收，且低聚果糖能使鈣的吸收率達(dá)到70.18%。此研究表明腸道對(duì)礦物質(zhì)的吸收可通過(guò)腸道有益菌代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸，代謝產(chǎn)物乳酸使腸道內(nèi)pH 下降，增加金屬離子的可溶性來(lái)完成。王秀武[27]等在肉仔雞飼料中添加殼寡糖發(fā)現(xiàn)肉仔雞的胸肌和腿肌中Ca、Zn、Fe 和Mn 元素的含量顯著提高，其機(jī)制也可能是消化道黏膜通透性增加，緊密結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，開(kāi)放跨膜通道或借助氫鍵和鹽鍵形成籠形分子來(lái)吸附金屬離子，達(dá)到對(duì)礦物元素的吸收。此外，秦雪梅[28]研究完全母乳喂養(yǎng)嬰兒的糞便發(fā)現(xiàn)低聚糖可促進(jìn)鈣、鎂等礦物質(zhì)的吸收，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，低聚果糖和低聚半乳糖均能促進(jìn)腸道對(duì)鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)的吸收。DELZENNE[29]等研究發(fā)現(xiàn)低聚果糖可促進(jìn)鈣、鎂、鐵和鋅的吸收，減緩鐵、鈣、鎂和鋅穩(wěn)態(tài)失調(diào)引起的癥狀。

1.4 改善腸道組織結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)腸粘膜屏障

小腸的組織結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收有決定性的關(guān)系。小腸的內(nèi)部有皺襞和皺襞上的細(xì)小突起絨毛，它們的增長(zhǎng)可增大腸道面積，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[30]。隱窩是指腸壁的凹陷，絨毛是指腸壁的突起，常用V/C 值（小腸絨毛高度/隱窩深度）來(lái)反映腸道的吸收能力，比值升高則表明吸收功能升高，比值下降可能是由于腸道病變?cè)斐?，?huì)引起腹瀉的發(fā)生[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，甘露寡糖能改善金鯛的腸道功能，增加腸道面積和絨毛長(zhǎng)度與密度，影響腸道微生物物種的豐富度和多樣性[32]。寡糖對(duì)腸道組織結(jié)構(gòu)的改變將有利于增加機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率，增加對(duì)礦物質(zhì)元素的吸收，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，從而提高生產(chǎn)性能。仔豬在斷奶后，腸道隱窩深度隨著仔豬的生長(zhǎng)而增加，絨毛長(zhǎng)度顯著低于出生7 d 的，腸道上皮屏障受損[33]；低聚木糖能有效降低隱窩深度，增加絨毛長(zhǎng)度，改善腸道的形態(tài)結(jié)構(gòu)[34]。殼寡糖、低聚果糖、褐藻寡糖均可調(diào)節(jié)腸道屏障完整性[5,35?36]。

腸黏膜屏障是機(jī)體黏膜屏障系統(tǒng)最重要的組成部分，它能吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及阻止腸道內(nèi)的有害物質(zhì)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)環(huán)境，這種屏障是由緊密連接組成的組織良好的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。緊密連接是由閉合蛋白（occludin，OCLN）和封閉蛋白（claudin，CLDNs）以及緊密連接蛋白（zonula occluden，ZO）組成的多蛋白復(fù)合物[37]。果寡糖能顯著降低小腸粘膜中活性最強(qiáng)的血漿二胺氧化酶（DAO）活性和代謝產(chǎn)物D-乳酸的含量，增加與腸道上皮完整性緊密相關(guān)的ZO2、OCLN 和CLDN2 mRNA 的表達(dá)量，從而起到保護(hù)黏膜屏障的效果[38]。WAN 等[36]在仔豬的飼料中添加褐藻寡糖發(fā)現(xiàn)褐藻寡糖可上調(diào)斷奶仔豬盲腸黏膜中的OCLN 和CLDN-1mRNA 水平，以及結(jié)腸黏膜中的CLDN-1 mRNA 水平，盲腸和結(jié)腸黏膜中SCFA濃度升高導(dǎo)致單磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine 5 ‘-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK）活化，從而提高斷奶仔豬腸道屏障的完整性。上皮組織的致密性、完整性由通透性和緊密連接的結(jié)構(gòu)所決定。通過(guò)尤斯灌流室技術(shù)對(duì)腸粘膜屏障進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞跨膜電阻（trans epithelial electrical resistance，TEER）減小，表明腸道通透性增加，緊密連接結(jié)構(gòu)受到破壞，腸粘膜屏障受損；熒光素標(biāo)記物質(zhì)的檢測(cè)也可以體現(xiàn)出腸道的通透性，纖維寡糖能提高TEER 和降低上皮細(xì)胞對(duì)熒光素異硫氰酸酯-葡聚糖（fluoresceinisothiocyanate-dextran4，F(xiàn)D4）的通透性，且能促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌的增加，并產(chǎn)生丙酸、丁酸等代謝產(chǎn)物保護(hù)腸道屏障[39]。同時(shí)益生菌和寡糖的共同作用更能有效的修復(fù)腸上皮細(xì)胞損傷[40]。

1.5 提高消化酶活性

人體的消化主要靠器官機(jī)械式運(yùn)動(dòng)和化學(xué)性消化完成的，消化酶的主要作用是將攝入的食物進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化成機(jī)體所需要的養(yǎng)分，消化酶分泌不足會(huì)導(dǎo)致吸收能力減弱，免疫保護(hù)作用減弱，會(huì)廣泛引起消化不良癥候群，如腹瀉、胃脹等，從而會(huì)阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。有研究表明新瓊寡糖可以促進(jìn)乳桿菌的生長(zhǎng)，能對(duì)唾液淀粉酶起穩(wěn)定作用和激活作用，對(duì)消化不良類的疾病具有治療作用[41]。WANG 等[42]將低聚果糖加入飼料中對(duì)鱸魚(yú)幼苗進(jìn)行飼養(yǎng)試驗(yàn)，28 d 后發(fā)現(xiàn)飼喂低聚果糖的幼魚(yú)體內(nèi)的脂肪酶活性明顯提高。潘金露[43]在大菱鲆的飼料中分別加入褐藻酸鈉寡糖和殼寡糖喂養(yǎng)70 d 后發(fā)現(xiàn)殼寡糖和褐藻酸鈉寡糖均能明顯提高腸道脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶的活性，提高飼料的消化率。除此之外，還有研究表明甘露寡糖可以提高鰻鱺腸道內(nèi)的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶的活性[44]。

1.6 改善腸道炎癥

炎癥是機(jī)體對(duì)于刺激的一種防御反應(yīng)。炎癥性腸病是一種非特異性的腸道炎癥，腸黏膜屏障破損、腸道菌群失常、腸道黏膜免疫、遺傳易感染、環(huán)境因素等都能影響炎癥性腸病的發(fā)生，腸黏膜破損是關(guān)鍵的一個(gè)因素[45]，炎癥性腸病會(huì)導(dǎo)致腸粘膜屏障損傷。

寡糖可以減輕動(dòng)物模型腸道炎癥反應(yīng)。劉海平[46]研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖能抑制核轉(zhuǎn)錄因子NFκB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）的表達(dá)來(lái)有效改善TNBS/乙醇法誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerativecolitis, UC）小鼠的腸道炎癥反應(yīng)。此外，殼寡糖可降低經(jīng)口服脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）誘導(dǎo)的仔豬中炎癥細(xì)胞因子的濃度，通過(guò)抑制核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB 的傳導(dǎo)途徑和鈣敏感受體的激活改善腸道炎癥[47]。CHENG 等[6]用熱應(yīng)激破壞肉雞腸道組織形態(tài)，增加腸道炎癥后在膳食中添加甘露寡糖發(fā)現(xiàn)十二指腸和空腸粘膜白細(xì)胞介素1β（Interleukin-1β, IL-1β）的含量降低，表明甘露寡糖可調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞因子和免疫球蛋白的產(chǎn)生，從而減輕熱應(yīng)激引起的肉雞腸道炎癥反應(yīng)。

患有炎癥性腸病和結(jié)直腸癌的人糞便中的大腸桿菌和糞腸球菌的數(shù)量高于正常人，乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量明顯低于正常人[48]。功能性寡糖可通過(guò)提高雙歧桿菌和乳桿菌的數(shù)量，降低大腸桿菌和腸球菌的數(shù)量，提高短鏈脂肪酸的產(chǎn)量來(lái)減輕潰瘍性結(jié)腸炎的癥狀[49]。短鏈脂肪酸中的丁酸鹽能促進(jìn)IL-4 的吞噬作用來(lái)限制IL-17A 分化的T 細(xì)胞的產(chǎn)生從而來(lái)抑制結(jié)腸炎[50]。木寡糖可以在腸道內(nèi)被代謝為短鏈脂肪酸，其中丙酸和丁酸促進(jìn)幼稚CD4+T 細(xì)胞向調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（regulatory T cells,Treg）分化，增加Treg 細(xì)胞數(shù)量進(jìn)而減緩炎癥性腸病[51]。

1.7 提高腸道免疫反應(yīng)

免疫反應(yīng)是指機(jī)體對(duì)外來(lái)成分和變異的自體成分做出的防御反應(yīng)，而腸道則在免疫方面發(fā)揮了巨大的作用。腸黏膜是機(jī)體與抗原相互作用的主要場(chǎng)所，腸道黏膜免疫系統(tǒng)是機(jī)體免疫系統(tǒng)的第一道防線，能夠?qū)Σ≡w或有害抗原產(chǎn)生免疫應(yīng)答，從而達(dá)到免疫效果[52]。低聚寡糖是一種天然活性物質(zhì)，可以激活體液和細(xì)胞免疫系統(tǒng)，從而提高機(jī)體的免疫功能[53]。益生菌可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)抑制腸上皮細(xì)胞與微生物相互作用引起的免疫失調(diào)；同時(shí)益生菌能產(chǎn)生免疫保護(hù)反應(yīng)，其機(jī)制是與受體識(shí)別調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)從而激發(fā)機(jī)體的非特異性免疫應(yīng)答[54]。周笑犁[55]在斷奶仔豬身上進(jìn)行體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大豆寡糖可以增加腸道內(nèi)的有益菌的數(shù)量，增加血漿免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）和IL-10 的濃度,減少血漿中IL-1β的濃度，有效調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能。MA 等[56]給小鼠灌胃不同劑量的大豆低聚糖（soybean oligosaccharides, SBOSs），結(jié)果發(fā)現(xiàn)高劑量SBOSs 提高巨噬細(xì)胞吞噬百分率和吞噬指數(shù)，促進(jìn)腹腔巨噬細(xì)胞的吞噬活性，提高非特異性免疫；T 淋巴細(xì)胞的百分比顯著增加，表明施用大豆寡糖促進(jìn)了小鼠的細(xì)胞免疫；此外，高劑量組血清IgA、IgG、IgM 水平明顯升高，表明大豆寡糖增強(qiáng)了腸粘膜免疫球蛋白的分泌，從而提高了免疫功能。李元鳳等[57]飼喂母豬短鏈果寡糖之后，對(duì)腸系膜淋巴細(xì)胞和派式淋巴結(jié)進(jìn)行刺激，發(fā)現(xiàn)干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）、短鏈脂肪酸以及未受刺激的派式淋巴結(jié)細(xì)胞的分泌型IgA 含量增加，表明果寡糖可以提升初乳免疫水平，修復(fù)仔豬的腸道免疫系統(tǒng)。

2 功能性寡糖的應(yīng)用與展望

目前功能性寡糖在生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要應(yīng)用在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域。在食品領(lǐng)域，果寡糖具有益生元特性，能增加飽腹感，限制能量的攝入，常應(yīng)用在焙烤食品中[58]；寡糖抗菌、抗氧化的特性，能夠使果蔬采摘之后的儲(chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)[59]；功能性低聚糖可以模擬母乳中低聚糖的功能，將其加入嬰兒的奶粉中，可抵抗腸道病原菌的侵害，維持嬰兒腸道微生態(tài)的平衡[60]。益生元被譽(yù)為人體腸道的健康衛(wèi)生，很多功能性寡糖也常被用于保健產(chǎn)品和功能性食品中[61?63]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，功能性寡糖對(duì)于動(dòng)物的腸道也有積極地影響，可以提高腸道對(duì)養(yǎng)分的吸收，改善腸道菌群，促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)，所以常被加入動(dòng)物的飼料中[64?66]；將海藻寡糖混入肥料對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施肥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海藻寡糖可以增加氮、鉀和磷肥的利用率，提高玉米的產(chǎn)量[67]；除此之外海藻酸鈉寡糖可以促進(jìn)光能的轉(zhuǎn)化，提高電子傳遞效率，提高酶活性從而促進(jìn)蔗糖的積累[68]。在醫(yī)藥領(lǐng)域，白芨寡糖能有效預(yù)防由高脂飲食引起的代謝紊亂癥狀的發(fā)生[69]；魔芋甘露寡糖對(duì)于小鼠肥胖有抑制作用，同時(shí)能抑制由肥胖引發(fā)的炎癥等慢性疾病[70]；殼寡糖也能明顯減輕大鼠的體重，降低血清總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平，從而改善血脂情況[71]。

目前，由于很多功能性寡糖的結(jié)構(gòu)、活性作用機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系的研究尚未完全闡明，還需要進(jìn)一步的探索與研究。但基于功能性寡糖對(duì)機(jī)體胃腸道健康的有益調(diào)控作用，隨著人們對(duì)其研究的逐步深入，未來(lái)將有更多的功能性寡糖被應(yīng)用在保健食品及醫(yī)藥領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。