植物多糖結(jié)構(gòu)類型及對腸道微生態(tài)影響研究進(jìn)展

郭建行，王慧茹，錢振鵬，冀曉龍，2，3*，劉延奇，2，3*

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450001；2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室，河南鄭州450001；3.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450001）

多糖（polysaccharide）又稱為多聚糖，由10個以上的單糖通過不同類型糖苷鍵聚合而成的生物大分子，廣泛存在動植物和微生物中[1]。已有研究表明植物多糖具有多種生物活性，如抗氧化[2]、抗炎[3]、免疫調(diào)節(jié)[4]、抗腫瘤[5]、降血糖[6]、保肝[7]、降血脂[8]和調(diào)節(jié)腸道菌群[9]等，且無毒副作用，已經(jīng)逐漸成為食品科學(xué)、天然藥物、生物化學(xué)與生命科學(xué)研究的熱點。植物多糖可作為益生元，選擇性地促進(jìn)腸道有益微生物的生長和代謝，改善腸道微生態(tài)平衡從而調(diào)控代謝綜合癥，更利于人體健康[10]。

腸道菌群是人體十分重要的“微生物器官”，是在人體遠(yuǎn)端腸道中豐富存在并對人體健康和營養(yǎng)起到關(guān)鍵作用的腸道微生物的總稱。腸道微生物一方面可為宿主提供營養(yǎng)與能量，維持腸道微生態(tài)；另一方面調(diào)控宿主正常生理功能及延緩相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展[11]。腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門等組成，其中乳酸菌、雙歧桿菌等為有益菌，而梭桿菌、腸球菌等為有害菌。植物多糖及其降解產(chǎn)物可調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)失調(diào)、保持腸道菌群平衡，利用對宿主有益無害的腸道菌群或其他物質(zhì)形成的代謝產(chǎn)物，提高宿主的健康水平[12]。

本文主要系統(tǒng)介紹了植物多糖結(jié)構(gòu)類型及其對腸道微生態(tài)的影響，期望為植物多糖在腸道微生物多組學(xué)水平上做進(jìn)一步研究，尤其是對腸道微生態(tài)的影響提供新的研究思路。

1 植物多糖結(jié)構(gòu)類型

植物多糖是由多種不同類型的單糖構(gòu)成，不同單糖之間又存在不同的糖苷鍵連接位點及構(gòu)型，進(jìn)而導(dǎo)致植物多糖具有極為豐富和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有植物多糖結(jié)構(gòu)的分析研究主要包括高碘酸氧化法、Smith降解法、甲基化法、氣相色譜和高效液相色譜法、質(zhì)譜法、核磁共振法等。根據(jù)植物多糖的單糖組成和單糖殘基的連接方式，將其分為以下幾種結(jié)構(gòu)類型。

1.1 葡聚糖類

葡聚糖類是以D-吡喃葡萄糖（D-galactose，D-Glc）基（Glcp）組成的同型葡聚糖，根據(jù)單糖殘基的異構(gòu)結(jié)構(gòu)可分為α-D-Glcp、β-D-Glcp和混合結(jié)構(gòu)，葡聚糖類還包括不同類型的直鏈或支鏈結(jié)構(gòu)，如（β1→4）-，（β1→3）-和（β1→6）-D-吡喃葡萄糖基或（α1→4）-，（α1→3）-和（α1→6）-D-吡喃葡萄糖基[13]，見圖 1。

圖1 葡聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Chemical structure of glucans

普通大麥多糖主要以（β1→4）-和（β1→3）-葡聚糖為主鏈結(jié)構(gòu)[14]。葡聚糖的復(fù)雜性主要取決于糖鏈構(gòu)象、支化程度、分子量和官能團(tuán)差異等方面，結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致葡聚糖具有不同的生物活性。

1.2 甘露聚糖

甘露聚糖由不同類型甘露糖（mannose，Man）殘基（Manp）構(gòu)成主鏈骨架，并由其他類型糖苷鍵以支鏈形式組成。其甘露糖殘基類型主要包括（β1→4）-，（β1→3）-或（α1→3）-，（β1→2）-，（β1→6）-或（α1→6）-甘露糖殘基[15]。甘露聚糖側(cè)鏈中可能含有Manp、Glcp半乳糖（galactose，Gal）殘基（Galp）和/或相關(guān)官能團(tuán)取代產(chǎn)物如乙?；倌軋F(tuán)取代的程度和順序也可能導(dǎo)致主鏈結(jié)構(gòu)差異[16]，見圖2。

圖2 甘露聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 Chemical structure of mannans

半乳糖甘露聚糖主要以（β1→6）-D-Manp組成，因具有三級空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而具有較強(qiáng)的抗氧化活性，而由（β1→2）-D-Manp構(gòu)成主鏈和（β1→3）-D-Manp構(gòu)成支鏈的甘露聚糖卻具有較低生物活性[17]。甘露聚糖的平均分子量范圍為5 kDa～400 kDa。

1.3 果膠多糖

果膠多糖是一類復(fù)雜的植物雜多糖，其含有較高的半乳糖醛酸（galacturonic acid，Gal A）。果膠多糖包括共價連接的線性骨架和分枝區(qū)域的各種片段[18]，其主要包括4種類型。果膠多糖化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

1.3.1 同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）型果膠

HG是半乳糖醛酸通過（α1→4）-GalpA連接形式形成的主鏈，其中半乳糖醛酸含量在65%以上，由于其構(gòu)成的主鏈比較平滑，HG型結(jié)構(gòu)域在果膠分子中被稱為光滑區(qū)[19]，見圖3（A）。果膠中半乳糖醛酸屬于酸性糖，其對于機(jī)體健康具有重要的意義，可保證細(xì)胞膜的完整性和相關(guān)其他性能、提高細(xì)胞的黏附作用等。

1.3.2 鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（rhamnogalacturonan，RG）型果膠

RG是由半乳糖醛酸與鼠李糖（rhamnose，Rha）通過（α1→4）-GalpA 和（α1→2）-鼠李糖殘基（Rhaf）連接方式構(gòu)成的二糖重復(fù)單元組成的主鏈結(jié)構(gòu)[20]。在鼠李糖4號位連接中性單糖、寡糖和多聚糖等構(gòu)成支鏈，同時也可能少量支鏈連接于鼠李糖，從而構(gòu)成I型鼠李糖半乳醛糖酸聚糖（RG-I），其果膠結(jié)構(gòu)的支鏈種類較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[21]，見圖3（B）。在半乳糖醛酸的3號位或2號位可連接不同的支鏈結(jié)構(gòu)，構(gòu)成II型鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（RG-II）[20]，在RG-II支鏈中單糖構(gòu)成可達(dá)10種以上，而糖苷鍵連接方式可超過20多種，這是RG-II果膠結(jié)構(gòu)復(fù)雜的根本原因。

圖3 果膠多糖化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 Chemical structure of pectic polysaccharides

1.3.3 木糖半乳糖醛酸聚糖（xylogalacturonan，XG）型果膠

XG主要由半乳糖醛酸以（α1→4）-GalpA連接構(gòu)成類似HG型果膠結(jié)構(gòu)的主鏈，在半乳糖醛酸的2號和3號位連接不同聚合度的木聚糖支鏈，同時可在木聚糖的支鏈上經(jīng)常連接阿拉伯糖（arabinose，Ara）、半乳糖、巖藻糖等分支[22]，見圖 3（C）。

1.3.4 芹糖半乳糖醛酸聚糖（apiogalacturonan，AG）型果膠

AG主要由半乳糖醛酸以（α1→4）-GalpA連接方式構(gòu)成主鏈，類似于HG型果膠，在主鏈半乳糖醛酸的3號位連接有芹菜糖或芹菜糖通過1，3-芹菜糖（apiose，Api）連接構(gòu)成的二糖單元[23]，見圖 3（D）。由于自然界中芹菜糖含量較少，因而相關(guān)結(jié)構(gòu)類型的果膠僅發(fā)現(xiàn)于少數(shù)水生植物的細(xì)胞壁中[24]。

1.4 阿拉伯半乳聚糖（arabinogalactan，AG）

AG具有兩種類型，分別是AG-I和AG-II，見圖4。

圖4 阿拉伯半乳聚糖化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.4 Chemical structure of type I and type II arabinogalactans

AG-I型是由半乳糖通過（β1→4）-Galp連接形成主鏈，在3號位連接不同聚合度的阿拉伯糖或半乳糖側(cè)鏈；AG-I在果膠多糖中可作為鼠李糖醛酸骨架的分支區(qū)域[21]。AG-II則是半乳糖以（β1→3）-Galp 連接方式構(gòu)成主鏈，在6號位連接不同聚合度的半乳糖或阿拉伯聚糖，AG-II可作為果膠多糖的側(cè)鏈出現(xiàn)[25]，或在一個復(fù)雜的蛋白聚糖家族中被稱為阿拉伯糖醛酸蛋白。

1.5 半乳聚糖類

半乳聚糖是富含半乳糖的多糖，主鏈主要以（β1→4）-Galp，（β1→3）-Galp 或（β1→6）-Galp 連接方式構(gòu)成的多聚糖，一般多構(gòu)成RG-I型果膠的支鏈[26]。其平均分子量一般低于20 kDa，并易形成低黏度體系而發(fā)揮免疫活性。

1.6 其他

褐藻糖膠、果聚糖、木聚糖化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖5。

褐藻糖膠（fucoidan）是指硫酸化巖藻聚糖，即硫酸化富含 L-巖藻糖（fucose，F(xiàn)uc）基（Fucp）的雜多糖類，一般是由 L-Fucp（35%～50%），（α1→2）-，（α1→3）-或（α1→4）-組成，可在這些不同位置發(fā)生硫酸化或乙?；痆27]，在支鏈中可能存在半乳糖、甘露糖、木聚糖和其他糖醛酸，見圖 5（A）。

果聚糖（fructan，F(xiàn)ru）是含有最多70個果糖單位的儲備類型的碳水化合物，與蔗糖分子相連[28]。根據(jù)其連接構(gòu)型，果聚糖可分為3類，菊粉（β2→1）-D-Fruf[見圖 5（B1）]，（β2→6）-D-Fruf[見圖 5（B2）]及混合型[見圖 5（B3）][29]。果聚糖平均分子量一般在 13kDa以下。

圖5 褐藻糖膠、果聚糖、木聚糖化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Chemical structure of fucoidan，fructan and xylan

木聚糖（xylan）植物細(xì)胞壁中存在的多糖，其主要由木糖（xylose，Xyl）的（β1→4）-D-木糖殘基（Xylp）構(gòu)成骨架，另主鏈也含有 GlcpA[見圖 5（C1）]和 α-L-阿拉伯糖殘基[見圖 5（C2）][30]。

2 植物多糖對腸道微生態(tài)影響

機(jī)體中的腸道微生態(tài)主要涉及4個部分：腸壁、腸道中的大量微生物、腸道分泌物、進(jìn)入腸道中的食物；這4個組成部分都密切相關(guān)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)可能的問題都會直接影響著機(jī)體的正常生理代謝功能[31]。近些年來的研究發(fā)現(xiàn)，植物多糖可以直接通過修復(fù)腸道屏障、調(diào)節(jié)腸道菌群、調(diào)控腸道細(xì)胞因子水平等多方面來改善腸道微生態(tài)，并為機(jī)體提供能量與間接的代謝產(chǎn)物[32]。

2.1 修復(fù)腸道屏障

腸道的直接屏障功能可分為四類：機(jī)械屏障（物理屏障）、化學(xué)屏障、免疫屏障和生物屏障[33]。植物類多糖可從多方面進(jìn)行腸道屏障的直接或者間接修復(fù)；植物多糖可直接促進(jìn)腸道上皮杯狀細(xì)胞黏液分泌，為保護(hù)腸道以免直接或間接受致病性抗原（腸腔內(nèi)細(xì)菌、有毒物質(zhì)、食物抗原等）潛在的損害；植物多糖可提高腸上皮細(xì)胞緊密連接蛋白（zonula occludens，ZO家族蛋白、免疫球蛋白超家族蛋白、閉鎖蛋白、閉合蛋白）的表達(dá)，修復(fù)損傷的腸道屏障；植物多糖在腸道微生物的直接作用下降解產(chǎn)生各類短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸能為腸道上皮細(xì)胞提供直接的能量，促進(jìn)其增殖，維護(hù)腸道屏障功能，而且能降低腸道酸堿值，抑制腐敗菌生長，維持腸道穩(wěn)態(tài)，提高免疫耐受性，防止入侵的細(xì)菌引起炎癥性腸道類疾病[34]。

2.2 調(diào)節(jié)腸道菌群

腸道微生物經(jīng)常被稱為分解植物多糖、膳食纖維、氨基酸、藥物產(chǎn)生甲烷、維生素的“超級有機(jī)體器官”[35]。隨著科學(xué)研究手段的進(jìn)步，越來越多的研究結(jié)果表明，腸道微生物可時刻影響著人類機(jī)體的健康。由于人類自身的酶難以消化從植物中獲取的植物多糖，需要依靠腸道中的微生物或者其他酶進(jìn)行降解，因此與之對應(yīng)的是不同種類的腸道微生物對植物多糖的選擇性消化也直接或者間接影響腸道微生物在腸道中的繁衍[36]。因此，植物多糖被認(rèn)為是一種常用的腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)劑。機(jī)體腸道內(nèi)穩(wěn)定地生長著大量的腸道微生物，主要包括6大門類：厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和梭桿菌門（Fusobacteria）[37]；這些菌群與機(jī)體宿主之間形成有利的共生關(guān)系，一方面菌群可為宿主提供營養(yǎng)元素，維持腸道微生態(tài)，提升腸上皮細(xì)胞黏膜的免疫功能，另一方面當(dāng)外來致病菌侵入時，腸道菌群可通過競爭等方式，抑制致病菌的生長和繁殖[38]。

植物多糖在腸道微生物作用下產(chǎn)生不同類型的短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）及其他代謝產(chǎn)物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和丁二酸、乙醇、甲烷、二氧化碳等；產(chǎn)生的短鏈脂肪酸與腸道菌群發(fā)生相互作用，共同調(diào)節(jié)機(jī)體健康[12]，見圖6。

圖6 不同類型植物多糖在機(jī)體腸道微生物作用下降解產(chǎn)生短鏈脂肪酸Fig.6 Different types of plant polysaccharides degrade to produce short chain fatty acids by gut bacteria

人類腸道正常菌群是由豐富的厚壁菌門和擬桿菌門組成，厚壁菌門類是主要產(chǎn)丁酸的菌群，同時還生產(chǎn)乙酸和丙酸。丁酸和丙酸可調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和發(fā)揮抗腫瘤、抗炎作用，丙酸可通過受體介導(dǎo)或者其他中樞機(jī)制增強(qiáng)飽腹感、抑制食欲。β-葡聚糖、菊粉和低聚果糖類植物多糖可引起丁酸產(chǎn)量顯著增加[39]；富含鼠李糖、鼠李半乳甘露聚糖的植物多糖在腸道微生物作用下可使丙酸含量增加；α-葡聚糖、果聚糖和阿拉伯糖基木聚糖類植物多糖可使機(jī)體腸道乙酸含量增加[40]。另一方面，植物多糖代謝可以產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)或產(chǎn)酸物質(zhì)，導(dǎo)致機(jī)體腸道系統(tǒng)pH值會出現(xiàn)穩(wěn)定性下降；較低的pH值可抑制腸道部分有害微生物的生長，直接或者間接改變結(jié)腸上皮細(xì)胞的代謝吸收。植物多糖可改變小鼠盲腸和結(jié)腸部位菌群（厚壁菌門、變形菌門、放線菌門和擬菌門等組成）的多樣性、豐富度和均勻性，增加小鼠糞便菌群的豐富度，但降低糞便菌群的多樣性[41]。

植物多糖可直接地調(diào)節(jié)腸道微生物菌群和改善腸道微環(huán)境，腸道微生物則參與植物多糖不同類型的代謝，發(fā)酵宿主機(jī)體自身不能消化、分解的植物多糖類[42]。腸道微生物的增加或者減少可提高機(jī)體免疫、降低相關(guān)癌癥發(fā)生概率，緩解機(jī)體代謝綜合癥的發(fā)生；機(jī)體各種生理生化變化的同時又影響或塑造機(jī)體腸道微生物的組成[43]。植物多糖、腸道微生物、機(jī)體代謝綜合癥的緩解之間的關(guān)系相對復(fù)雜，但是彼此之間確實存在一定聯(lián)系，這為后期膳食干預(yù)腸道微生物來緩解機(jī)體代謝綜合癥發(fā)展提供良好的方向[44]。

2.3 調(diào)控腸道內(nèi)分泌物水平

植物多糖能夠直接調(diào)控腸上皮細(xì)胞中的相關(guān)功能因子、白介素以及腸道內(nèi)激素的直接分泌，抑制相關(guān)炎癥引發(fā)的腸道疾病，尤其是結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展和衍化[45]；植物多糖降解產(chǎn)物可作用于腸上皮細(xì)胞，間接調(diào)節(jié)腸道微生物菌群，進(jìn)而提高機(jī)體免疫功能[46]。在腸道微生物作用下植物多糖的分解產(chǎn)物可調(diào)節(jié)與血糖調(diào)控相關(guān)的激素（胰高血糖素樣肽-1、葡萄糖依賴性促胰島素肽、YY肽、腸促胰酶肽和舒血管腸肽）的分泌，從而直接或間接地發(fā)揮著調(diào)節(jié)機(jī)體血糖的功能[47-48]。

3 結(jié)論與展望

植物多糖作為腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)劑效果顯著，通過與腸道菌群相互作用來調(diào)節(jié)人類機(jī)體的健康。植物多糖對扶植腸道益生菌菌群的生長、改善機(jī)體免疫功能、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)、緩解機(jī)體代謝綜合癥發(fā)生發(fā)展等方面有著顯著作用。植物多糖的種類和結(jié)構(gòu)的改變可影響腸道微生物菌群的變化，可改善脂多糖代謝、減少內(nèi)毒素分泌、提高腸道自身抵抗能力，預(yù)防和控制人類慢性疾病的發(fā)生和發(fā)展。因此，對腸道微生物的進(jìn)一步認(rèn)識和研究對于調(diào)節(jié)人體腸道功能和改善人體健康狀態(tài)具有十分重要的意義。