膳食纖維對(duì)腸道菌群影響的研究進(jìn)展

謝 靜，馬夢(mèng)婷，陳小靜，許澤坤，李紫君，隋中泉

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院食品科學(xué)系，上海 200240）

膳食纖維是不能被人體消化的多糖類物質(zhì)和木質(zhì)素的總稱，也被稱為第七營(yíng)養(yǎng)素，根據(jù)其溶解性不同可分為水不溶性膳食纖維和水溶性膳食纖維兩大類。膳食纖維不能被小腸消化吸收，但可以在大腸內(nèi)通過部分或全部發(fā)酵，產(chǎn)生降血糖、降膽固醇、促進(jìn)排便、預(yù)防肥胖及消除人體內(nèi)有害物質(zhì)等生理功能[1]。近年來，國(guó)外研究者發(fā)現(xiàn)膳食纖維可以改變腸道微生物組成[2-3]，國(guó)內(nèi)研究也證實(shí)了膳食纖維可以調(diào)節(jié)腸道菌群的種類和組成比例。吳占威等人[4]發(fā)現(xiàn)，豆渣中的膳食纖維可以抑制小鼠腸道內(nèi)腸桿菌和腸球菌增殖、提高雙歧桿菌和乳桿菌的數(shù)量。呂鐘鐘等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，藻復(fù)合膳食纖維可以顯著增加小鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳桿菌的數(shù)量。李安平等人[6]的研究結(jié)果表明，發(fā)酵竹筍中的膳食纖維可以有效改善小鼠因大黃水劑造模導(dǎo)致的腸道內(nèi)雙歧桿菌、乳桿菌數(shù)量下降的狀況，同時(shí)小鼠腸道內(nèi)腸桿菌和腸球菌的數(shù)量明顯下降，說明發(fā)酵竹筍膳食纖維具有調(diào)節(jié)小鼠腸道菌群功能的作用。孫元琳等人[7]發(fā)現(xiàn)，谷物膳食纖維（戊聚糖） 能被腸道中具有相關(guān)酶的細(xì)菌所降解，故能夠增殖雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌。膳食纖維是結(jié)腸細(xì)菌的主要能量來源。因此，通過了解膳食纖維的組成與結(jié)腸細(xì)菌的相互關(guān)系，有利于維持或改善腸道菌群。盡管膳食纖維主要是植物多糖和低聚糖，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與腸道微生物利用的相關(guān)性仍未被充分了解。介紹了膳食纖維和腸道微生物編碼的碳水化合物活性酶，重點(diǎn)總結(jié)特定的膳食纖維類型對(duì)腸道微生物組成的影響。

1 膳食纖維

Hipsley 在1953 年提出了膳食纖維的概念，認(rèn)為其是植物細(xì)胞壁中不被消化的成分[8]。2001 年，美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)修訂了膳食纖維的定義：“膳食纖維不能被人體小腸消化吸收，但可在大腸中完全或部分發(fā)酵的可食用碳水化合物及其類似物”[9]。因此，膳食纖維包括非淀粉多糖，如纖維素、果膠和樹膠、抗性寡糖（如低聚果糖和低聚半乳糖），及其他碳水化合物（如抗性淀粉和糊精）。另外，在該定義中也將非碳水化合物基的聚合物（木質(zhì)素） 與植物細(xì)胞壁中的纖維素相結(jié)合，一些動(dòng)物源性碳水化合物（如幾丁質(zhì)、透明質(zhì)酸和硫酸軟骨素） 也被視為膳食纖維。2009 年食品法典委員會(huì)定義了膳食纖維[10]，并提出了一種新的分析方法，可在一種測(cè)定程序中分析所有膳食纖維[11]。此外，該定義規(guī)定必須證明添加的纖維對(duì)健康具有生理益處，并由國(guó)家主管部門決定是否將3～9 個(gè)單體單位（低聚糖） 的不可消化的碳水化合物作為膳食纖維[10]。我國(guó)將膳食纖維規(guī)定為不能被人體小腸消化吸收但具有健康意義的、植物中天然存在的，或通過提取、合成等手段，獲得聚合度DP≥3 的碳水化合物聚合物，包括纖維素、半纖維素、果膠及其他單體成分等[12]。

因?yàn)閱翁墙M成、異構(gòu)體、鍵合類型、線性鏈長(zhǎng)和支鏈組成的不同，膳食纖維具有不同的結(jié)構(gòu)特征。盡管膳食纖維多糖和低聚糖通常由相對(duì)少量的單糖組成（主要是葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、巖藻糖和某些其糖醛酸形式），但2 個(gè)糖單元之間的化學(xué)鍵連接及更大的結(jié)構(gòu)單元（包括低聚和聚合結(jié)構(gòu)） 之間化學(xué)鍵連接，都存在很多可能性，所以膳食纖維被認(rèn)為是自然界中發(fā)現(xiàn)的多樣性最大的高分子化合物之一。細(xì)菌具有不同的能力來裂解這些復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵，以獲得單糖。因此，膳食纖維的多樣性會(huì)影響腸道菌群的利用。

2 碳水化合物活性酶及其在膳食纖維消化中的作用

腸道微生物對(duì)膳食纖維的利用能力取決于其編碼碳水化合物活性酶（CAZymes） 的基因含量，用于裂解連接類型和相關(guān)蛋白，如碳水化合物結(jié)合蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。結(jié)腸中的細(xì)菌在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中可利用基于碳水化合物的底物，那些具有降解特定底物的必要基因的細(xì)菌則有競(jìng)爭(zhēng)的途徑，這些途徑與酶活性、碳水化合物的結(jié)合效率、螯合消化產(chǎn)物有關(guān)，也許還有在纖維顆粒周圍定殖的能力。

膳食纖維的降解受碳水化合物活性酶的控制。碳水化合物活性酶可裂解糖單體之間或碳水化合物與非碳水化合物結(jié)構(gòu)（如木質(zhì)素） 之間的糖苷鍵。根據(jù)其氨基酸序列，碳水化合物活性酶分為4 類[13]。糖苷水解酶（GHs） 是一類酶，可切割2 個(gè)或多個(gè)糖單元之間或糖與非糖部分之間的糖苷鍵。多糖裂解酶（PLs） 通過β - 消除機(jī)制催化多糖鏈中所含酸性糖單元（即葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸） 的斷裂。這些酶的作用導(dǎo)致不飽和己醛糖醛酸殘基的形成和新的還原端。碳水化合物酯酶（CEs） 水解果膠（果膠甲酯） 和乙酰化阿拉伯木聚糖中可能存在的酯鍵。最后，一種新型的碳水化合物活性酶被稱為輔助酶，參與了木質(zhì)素的降解[13]。

在人類基因組中編碼的碳水化合物活性酶非常有限，只有17 種酶參與碳水化合物的消化（其中8 種具有已知功能），這些酶負(fù)責(zé)降解非抗性淀粉、乳糖、麥芽糖、麥芽低聚糖、蔗糖和海藻糖[3]；另一方面，大腸中的常駐微生物的基因組編碼大量的碳水化合物活性酶，使其能夠在發(fā)酵過程中利用膳食纖維。一些細(xì)菌可以利用小部分的碳水化合物，被稱為“特異型”微生物，而另一些細(xì)菌則可以利用大量且結(jié)構(gòu)不同的碳水化合物，被稱為“普通型”微生物[14]。多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron） 為普通型的一種，編碼269 個(gè)糖苷水解酶，17 個(gè)多糖裂解酶和18 個(gè)碳水化合物酯酶，其基因組的18%可利用膳食纖維[15]。此外，Campylobacter hominis 是人類結(jié)腸中的另一種常駐細(xì)菌，僅編碼6 個(gè)糖苷水解酶，3 個(gè)碳水化合物酯酶，沒有多糖裂解酶，這表明該細(xì)菌的利用膳食纖維能力受到限制。微生物的表達(dá)碳水化合物活性酶的基因數(shù)量和基因類型具有差異，這表明膳食纖維的選擇性消耗決定了腸道中哪個(gè)細(xì)菌類群受到青睞并可以影響結(jié)腸中菌種和菌株的平衡。因此，膳食纖維可以影響腸道菌群的組成，從而改善健康狀況。

3 膳食纖維對(duì)腸道微生物組成的影響

3.1 抗性淀粉對(duì)腸道微生物組成的影響

淀粉由2 種不同的葡萄糖聚合物（直鏈淀粉和支鏈淀粉） 組成，研究者將一部分可以不被消化進(jìn)入大腸的淀粉稱為“抗性淀粉”的膳食纖維?？剐缘矸郏≧S） 可分為：①RS1，在全谷物或部分碾磨的谷物和豆類中物理包埋淀粉；②RS2，緊密包裹且相對(duì)脫水的顆粒淀粉；③RS3，糊化重結(jié)晶或回生的淀粉；④RS4，化學(xué)或酶改性的淀粉[16]。

由于其結(jié)構(gòu)和可及性的差異，不同類型或同類型不同結(jié)構(gòu)的抗性淀粉有利于腸道中的不同細(xì)菌存在。Martinez I 等人[17]研究發(fā)現(xiàn)，只有RS4 的食用對(duì)門菌素水平有影響，放線菌和擬桿菌的豐度增加，而厚壁菌減少。在物種水平上，隨著RS4 的攝入，觀察到青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）和狄氏副擬桿菌（Parabacteroides distasonis） 的豐度增加，而RS2 的攝入增加了布氏瘤胃球菌（Ruminococcus bromii） 和直腸真桿菌（Eubacterium rectale）的豐度。豬中的RS3 消耗會(huì)增加普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii） 的相對(duì)豐度，并減少了大腸桿菌（Escherichia coli） 和假單胞菌（Pseudomonas spp.） 的數(shù)量[18]。這些物質(zhì)可能是由于分解產(chǎn)物的交叉進(jìn)料而發(fā)生。在一項(xiàng)體外共培養(yǎng)研究中，在人類結(jié)腸中分離4 種淀粉分解細(xì)菌（直腸真桿菌、多形擬桿菌、青春雙歧桿菌和布氏瘤胃球菌） 并研究其對(duì)RS（RS2 和RS3） 的利用能力。布氏瘤胃球菌作為啟動(dòng)RS 降解的關(guān)鍵物種，其釋放的分解產(chǎn)物再被其他結(jié)腸細(xì)菌利用[19]。

即使在同一RS 類型中，也存在細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異，這些差異也會(huì)影響不同的細(xì)菌。直鏈淀粉中的淀粉線性鏈和支鏈淀粉的外鏈形成雙螺旋，導(dǎo)致不同結(jié)晶的形成，該結(jié)晶存在于RS2 和RS3。在A 型晶體中雙螺旋產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)更緊湊，含水量相對(duì)較低，而B 型晶體結(jié)構(gòu)的雙螺旋形成的結(jié)構(gòu)更疏松，含水量相對(duì)較高。谷物淀粉通常表現(xiàn)出A 型X 射線衍射圖，而塊莖淀粉和高直鏈淀粉含量的淀粉則形成B型[20]。一項(xiàng)體外人腸道模型研究表明，具有B 型晶體結(jié)構(gòu)的RS3 富集了雙歧桿菌（Bifidobacterium spp.），而具有A 型的RS3 則增加了Atopobium spp.的數(shù)量[21]。B 型微晶傾向于較高的丁酸酯產(chǎn)量，這表明塊莖類淀粉比谷物類淀粉具有更高的產(chǎn)熱性。

3.2 果膠對(duì)腸道微生物組成的影響

果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雜多糖，由一系列連接的聚合物組成，如阿拉伯聚糖、果膠半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖、高半乳糖醛酸聚糖和RGs（RG 型I和RG II 型），也被稱為果膠物質(zhì)[22-24]。在雙子葉植物的初級(jí)細(xì)胞壁和中層薄片中，發(fā)現(xiàn)了大量果膠，在果皮中它們可能與其他細(xì)胞壁成分（包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素） 交織在一起。目前，市售的果膠主要由蘋果渣和柑橘皮制成。它的來源及所用的提取工藝會(huì)導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)存在差異，進(jìn)而影響細(xì)菌對(duì)其的利用。例如，Lopez-Siles M 等人[25]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn). prausnitzii 菌株能夠在蘋果果膠上生長(zhǎng)，但它們不能利用柑橘果膠。

因來源不同，果膠結(jié)構(gòu)存在一定差異性。因此，即使僅比較飲食中的果膠對(duì)微生物群組成的影響，也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。Dongowski M 等人[26]飼喂含有6.5%柑橘果膠大鼠3 周，發(fā)現(xiàn)其結(jié)腸中擬桿菌屬（Bacteroides spp.） 的豐度更高。然而，飼喂7%蘋果果膠的大鼠4 周，結(jié)果顯示其盲腸菌群富含Anaeroplasma，Anaerostipes 和 Roseburia，而 Alistipes and Bacteroides spp.的數(shù)目減少[27]。2 項(xiàng)研究結(jié)果之間的差異表明，研究膳食纖維對(duì)微生物的影響需要細(xì)化到果膠的分子組成甚至鍵合結(jié)構(gòu)。除化學(xué)結(jié)構(gòu)外，結(jié)腸的pH 值也是決定細(xì)菌利用果膠能力的因素。Lopez-Siles M等人[25]研究了普拉梭菌與主要利用果膠的菌株（多形擬桿菌和Eubacterium elegans） 的競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果表明，在低pH 值（6.12） 下多形擬桿菌的蘋果果膠利用能力受到限制，而同一pH 值下普拉梭菌生長(zhǎng)良好。

3.3 纖維素對(duì)腸道微生物組成的影響

纖維素是β- 1,4- 連接的葡萄糖聚合物，是最豐富的天然有機(jī)化合物[28]，聚合度達(dá)到每分子15 000 個(gè)葡萄糖單位[29]。通常不會(huì)在人體腸道中完全發(fā)酵，這歸因于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其中分子通過分子間和分子內(nèi)的氫鍵連接并形成結(jié)晶的線性聚集體（微纖維）。此外，纖維素分子還與其他物質(zhì)（如半纖維素果膠）及蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，從而限制了它們?cè)诮Y(jié)腸中的發(fā)酵能力[30]。

從人類糞便中分離出的可降解纖維素的物種為梭菌（Clostridium sp.）、真桿菌（Eubacterium sp.）、瘤胃球菌（Ruminococcus sp.）[31]和擬桿菌（Bacteroides sp.）[32]。一項(xiàng)人體研究表明，即使所有個(gè)體的腸道菌群中都存在降解纖維素的微生物，但降解纖維素的群落結(jié)構(gòu)還是因受試者的甲烷狀態(tài)而有很大差異[32]。從不排放甲烷的受試者中分離出的主要纖維素降解物主要屬于擬桿菌屬，而在排放甲烷的個(gè)體中，纖維素降解菌則主要由厚壁菌門組成[33]。纖維素的結(jié)構(gòu)也影響結(jié)腸微生物對(duì)纖維素的利用。對(duì)來自5 個(gè)個(gè)體的糞便樣品的水合和結(jié)晶纖維素降解能力的體外研究表明，所有糞便接種物都降解了水合纖維素，但接種物中只有一個(gè)降解了結(jié)晶纖維素[34]。Chassard C 等人[33]證實(shí)了這一點(diǎn)，他們研究發(fā)現(xiàn)纖維素分解細(xì)菌降解纖維素取決于纖維素的類型，而擬桿菌屬能夠利用天然纖維素，而不是微晶纖維素。

3.4 半纖維素對(duì)腸道微生物組成的影響

半纖維素與纖維素類似，存在于高等植物的細(xì)胞壁中，在細(xì)胞壁上與纖維素和木質(zhì)素相互作用，從而增強(qiáng)了細(xì)胞壁的強(qiáng)度[35]。膳食纖維的主要種類包括阿拉伯木聚糖、木葡聚糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖和β - 葡聚糖。這些化合物的共同特征是，大多數(shù)化合物具有連續(xù)的β - 1,4 - 連接的主鏈，但在其主鏈中同時(shí)具有β-1,4 和β-1,3 鍵的β - 葡聚糖除外。大多數(shù)半纖維素在主鏈上都具有分支結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能很簡(jiǎn)單（一種單糖，很少有連接類型），也很復(fù)雜（單糖種類較多，連接類型較多，且分支長(zhǎng)度不同），但不包括谷物中無分支的β- 葡聚糖。

近年來，由于阿拉伯糖寡糖具有刺激人結(jié)腸中雙歧桿菌生長(zhǎng)的潛力，因此使用阿拉伯糖低聚糖（作為阿拉伯糖原的水解產(chǎn)物） 和β - 葡聚糖作為益生元引起了越來越多研究者的興趣。益生元被定義為“使胃腸道菌群的組成和/或活性發(fā)生特定變化的選擇性發(fā)酵的成分，可賦予宿主健康”[36]。體內(nèi)和體外的研究均發(fā)現(xiàn)了阿拉伯糖寡糖在體外和體內(nèi)對(duì)雙歧桿菌的作用。Grootaert C 等人[37]使用人類腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)模擬器，表明結(jié)腸中阿拉伯糖寡糖降解主要發(fā)生在橫結(jié)腸，具有區(qū)室特異性。Sanchez J I 等人[38]在體外人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)反應(yīng)器研究表明，阿拉伯木糖寡糖降解的區(qū)室特異性取決于其平均聚合度。平均聚合度＜15 的部分幾乎在升結(jié)腸和橫結(jié)腸腔中被完全利用。而平均聚合度＞15 的部分的70%在升結(jié)腸和橫結(jié)腸腔中利用，30%在降結(jié)腸腔中。進(jìn)一步研究顯示，平均聚合度為29的阿拉伯糖低聚糖增加了升結(jié)腸中雙歧桿菌的含量，升結(jié)腸和橫結(jié)腸中的乳酸桿菌，以及降結(jié)腸直腸組織中的擬球梭菌- E（Clostridium coccoides-E.）[38]。在人源化小鼠中，聚合度為60 或更高的阿拉伯木聚糖水解物降低了盲腸中梭狀芽胞桿菌和Verrucomicrobia 的豐度，并增加了盲腸放線菌的數(shù)量[39]。這些研究表明，阿拉伯糖寡糖的聚合度是確定其被哪種細(xì)菌在結(jié)腸的特定區(qū)室中利用的重要因素。天然的半纖維素進(jìn)入大腸時(shí)是大的聚合物分子，當(dāng)被一種細(xì)菌利用釋放出聚合物的小部分時(shí)，對(duì)其他細(xì)菌有利，因此很可能存在交叉進(jìn)給效應(yīng)。

β - 葡聚糖的分子大小也被證明是有利于細(xì)菌群體的重要因素。Hughes S A 等人[40]在體外試驗(yàn)中觀察到24 h 內(nèi)，分子量分別為137，150 和172 kDa 的β-葡聚糖水解物可以顯著增加細(xì)菌- 普氏桿菌組的豐度，但當(dāng)使用較大分子量的水解物（230 和243 kDa） 時(shí)，則沒有觀察到顯著增加該現(xiàn)象。同樣，觀察7 種乳酸菌在β - 葡聚糖水解產(chǎn)物上的生長(zhǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)5 種乳酸菌不能在聚合度＞3 的水解產(chǎn)物上生長(zhǎng)[41]。

3.5 菊粉對(duì)腸道微生物組成的影響

菊糖（低聚果糖的長(zhǎng)鏈形式） 對(duì)腸道微生物組成的影響已在體外試驗(yàn)[42-43]、動(dòng)物體內(nèi)[44-45]和人體模型中[46-47]進(jìn)行了廣泛研究。體外模擬試驗(yàn)顯示菊粉可調(diào)節(jié)結(jié)腸的微生物組成[37]，而菊粉的降解主要發(fā)生在升結(jié)腸[37，39]。菊粉的鏈長(zhǎng)會(huì)影響其利用模式。短鏈的菊粉（聚合度＜10） 比長(zhǎng)鏈菊粉（聚合度＞10） 降解更快[48]。

食用菊粉會(huì)引起產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌數(shù)量增加，如直腸真桿菌（E. rectale）、腸道羅斯拜瑞氏菌（Roseburia intestinalis） 和糞厭氧棒桿菌（Anaerostipes caccae）[49-51]，并且降低人源化大鼠盲腸中艾克曼菌 （Akkermansia muciniphila） 的豐度[43]。Duncan S H 等人[51]測(cè)試了從人類糞便中分離出的5 種產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌對(duì)菊粉的利用能力。結(jié)果表明，直腸真桿菌（E. rectale） 能夠在菊粉上生長(zhǎng)，而腸道羅斯拜瑞氏菌（R. intestinalis） 卻無法生長(zhǎng)。Van De Wiele T等人[43]認(rèn)為，直腸真桿菌是結(jié)腸中的菊粉主要降解劑，而腸道羅斯拜瑞氏菌和糞厭氧棒桿菌只能發(fā)酵較小的菊粉片段，這表明在結(jié)腸微生物群落成員之間發(fā)生交叉進(jìn)食來降解菊粉。

4 結(jié)語

綜述腸道微生物通過其編碼的碳水化合物酶降解膳食纖維，膳食纖維的降解會(huì)影響腸道中細(xì)菌的類群，并可以影響結(jié)腸中菌種和菌株的平衡，為食品設(shè)計(jì)和發(fā)展提供理論依據(jù)。總結(jié)了幾種特定類型的膳食纖維對(duì)菌群的影響，雖簡(jiǎn)化了細(xì)菌對(duì)碳水化合物的利用。通過特定的纖維結(jié)構(gòu)或纖維混合物維持健康的腸道菌群或?qū)⒉涣忌锓N群轉(zhuǎn)移回更好的平衡狀態(tài)，從而改善健康狀況。目前，大多數(shù)膳食纖維領(lǐng)域的研究旨在研究特定的甚至新穎的纖維類型，并檢查其在結(jié)腸中的作用，包括益生元效應(yīng)和微生物遷移。然而，這些研究沒有提供更多有關(guān)細(xì)菌- 菌株水平與特定類型的膳食纖維結(jié)構(gòu)相互作用的信息。未來需要多學(xué)科研究的相互交叉，通過了解纖維分子內(nèi)的獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)與細(xì)菌基因組中編碼的基因簇對(duì)齊，以期建立用膳食纖維操縱結(jié)腸微生物群的機(jī)制框架。