β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)健康功能研究進(jìn)展

郭 瑞，周 爽，王文秀，寧方杰，李青原，劉志剛?

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

葡聚糖是自然界中最常見(jiàn)的一類以葡萄糖單體聚合而成的高分子多糖鏈，以D-吡喃型葡萄糖為基本單元，其結(jié)構(gòu)具有多樣性，糖苷鍵通常類型有：(1→3)、(1→4)、(1→6)三種類型，分為 α型和β型[1-2]。α-葡聚糖為帶狀單鏈結(jié)構(gòu)，沿著纖維軸呈無(wú)螺旋狀伸展，基本不具備生物活性，代表物質(zhì)如給人體提供主要能量的淀粉等。β-葡聚糖系由合成前體物質(zhì)尿苷二磷酸葡萄糖經(jīng)酶催化而成的多聚體[3-4]。近年來(lái)，β-葡聚糖因其優(yōu)良理化性質(zhì)成為了食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其是隨著分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定、功能表征等研究技術(shù)的更新應(yīng)用，β-葡聚糖的特殊生理活性和藥用價(jià)值也被不斷發(fā)現(xiàn)。本文介紹了近年來(lái)β-葡聚糖在生物學(xué)功能方面的研究現(xiàn)狀，著重討論了其對(duì)血糖血脂、機(jī)體免疫力、神經(jīng)發(fā)育及腸道功能等方面的調(diào)控作用，為β-葡聚糖的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供理論參考。

1 β-葡聚糖的來(lái)源及構(gòu)效關(guān)系

β-葡聚糖的來(lái)源十分廣泛，可從海藻、小麥、燕麥、大麥等多種天然植物以及酵母、產(chǎn)堿桿菌與可食用真菌等微生物中獲得[5]。不同來(lái)源的β-葡聚糖，其糖苷鍵類型、分子結(jié)構(gòu)、分支位置等方面存有差異（見(jiàn)表1）。植物來(lái)源的β-葡聚糖主要存在 β-(1→3)和 β-(1→4)兩種糖苷鍵，谷物 β-葡聚糖分子中由 β-(1→4)糖苷鍵連接的葡萄糖殘基，常被單個(gè)的 β-(1→3)糖苷鍵分隔，從而形成了纖維三糖（DP3）和纖維四糖（DP4）片段，DP3和DP4的比例也成為了谷物β-葡聚糖重要的結(jié)構(gòu)特性[6]。微生物來(lái)源的β-葡聚糖常以β-(1→3)和 β-(1→6)糖苷鍵連接而成[7]。分離自酵母、猴頭菇等真菌的 β-葡聚糖一般具有類似的分子結(jié)構(gòu)，即含有 β-(1→3)糖苷鍵連接的葡萄糖殘基構(gòu)成的主鏈和由 β-(1→6)糖苷鍵連接而成的分支；而來(lái)自農(nóng)桿菌的 curdlan是一種不含分支，僅由β-(1→3)糖苷鍵連接而成的線性β-葡聚糖[8]。糖苷鍵的含量和聚合度還影響著β-葡聚糖的溶解性、分子量等理化特性。水溶性 β-葡聚糖中 β-(1→3)與β-(1→4)糖苷鍵含量之比為 1∶(2.3～2.6)，而非水溶性β-葡聚糖中相應(yīng)糖苷鍵含量之比約為1∶4.2[9]。β-葡聚糖的分子量通常分布于約103～106kDa之間，并隨品種、產(chǎn)地、提取方法和測(cè)定方法不同而有一定差異[10]。

表1 不同來(lái)源β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of β-glucan from different sources

2 β-葡聚糖的生理功能

隨著人民生活水平的提高和高脂高糖等西式飲食文化的流行，慢性代謝疾病的發(fā)病率不斷攀升，通過(guò)飲食控制改善身體機(jī)能的方法越來(lái)越受到重視。我國(guó)為推進(jìn)建設(shè)健康中國(guó)、提高人民健康水平，于2016年提出的《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》中指出：利用營(yíng)養(yǎng)干預(yù)，逐步解決部分人群營(yíng)養(yǎng)不足與過(guò)剩并存問(wèn)題。研究表明，β-葡聚糖可在改善健康和預(yù)防慢性非傳染性疾?。ㄈ缣悄虿?、高膽固醇血癥、肥胖、癌癥和神經(jīng)退行性疾?。┑确矫姘l(fā)揮著關(guān)鍵作用[27]。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局于 2007年批準(zhǔn)了 β-葡聚糖作為安全的食品添加劑[28]，目前，中國(guó)、日本、美國(guó)、澳大利亞等 45個(gè)國(guó)家均已批準(zhǔn)使用 β-葡聚糖[10]，對(duì)β-葡聚糖分子特性與精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)相關(guān)性方面的研究及功能食品的研發(fā)已成為各國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)界、藥理學(xué)界的關(guān)注熱點(diǎn)。

2.1 β-葡聚糖調(diào)控血糖的作用研究

β-葡聚糖生理功能的類型和強(qiáng)度通常歸因其分子結(jié)構(gòu)（主側(cè)鏈的組成、三維構(gòu)象和分子量大小等）和理化特性（溶解度、持水性、膨脹性、黏度及發(fā)酵性等）[29]。已有大量研究表明β-葡聚糖具有良好的降血糖的作用，潛在機(jī)制可能為：

干擾機(jī)體對(duì)膳食營(yíng)養(yǎng)成分的吸收：β-葡聚糖與水分子的相互作用增加了溶液的黏度和腸粘膜表面水層厚度，降低了食糜通過(guò)小腸的速度，減緩了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如糖、氨基酸等）與消化酶底物的結(jié)合[29-31]；另外，β-葡聚糖還會(huì)吸附鈣、鐵、鋅等離子和有機(jī)質(zhì)，從而影響這類物質(zhì)的代謝水平。β-葡聚糖的黏性和濃度與其相對(duì)分子質(zhì)量大小有密切相關(guān)性，黏性越高（分子量越大）降血糖潛力越大[32]，Wood等發(fā)現(xiàn)分子量介于 1×105～8×105之間的β-葡聚糖對(duì)血糖的調(diào)控作用較強(qiáng)[33]。

β-葡聚糖還可通過(guò)保護(hù)胰島 β細(xì)胞、抑制糖代謝相關(guān)酶等以減少血糖升高[34]。Shen等研究發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖通過(guò)增加胰島素和胰高血糖素樣肽-1的分泌調(diào)節(jié)糖脂代謝，減輕糖尿病模型小鼠的胰島素抵抗[35]。Liu等發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖可修復(fù)并改善胰島β細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)的完整性，保護(hù)肝源性糖代謝，改善II型糖尿病模型小鼠的糖耐量[36]。此外，Yokoyama等和Juorch等的研究顯示，β-葡聚糖可顯著降低健康人群的餐后血糖值和胰島素水平[37-38]。鄭等發(fā)現(xiàn)，藥物Oatrim（含燕麥β-葡聚糖）能有效降低I型和II型糖尿病患者的餐后血糖濃度和胰島素水平，這可能與β-葡聚糖對(duì)α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和轉(zhuǎn)化酶活性的抑制有關(guān)[39-40]。

2.2 β-葡聚糖調(diào)控脂代謝的作用研究

自1963年荷蘭科學(xué)家Groot等指出β-葡聚糖能有效降低體內(nèi)膽固醇的合成后，大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體臨床學(xué)研究就證實(shí)了該結(jié)論[41]。β-葡聚糖對(duì)膽固醇的影響主要在于能顯著降低血漿中總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇，而對(duì)高密度脂蛋白和甘油三酯沒(méi)有明顯影響，同時(shí)也不影響膽固醇在脂蛋白中比例[42]。目前相關(guān)機(jī)理尚不清楚，存在以下五種假說(shuō)：①β-葡聚糖可以結(jié)合膽汁酸并外排，從而促進(jìn)膽固醇向膽汁酸轉(zhuǎn)化，抑制了血清中膽固醇的聚集[43]；②β-葡聚糖可被腸道中微生物發(fā)酵而產(chǎn)生短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs），如乙酸、丁酸等，這些物質(zhì)可抑制肝臟中膽固醇的合成[44]；③β-葡聚糖可調(diào)節(jié)脂肪酸、甘油酯等膽固醇合成和代謝的相關(guān)酶的活性，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和膽固醇代謝，同時(shí)可以促進(jìn)低密度脂蛋白膽固醇分解[45]；④β-葡聚糖在小腸內(nèi)形成高黏性溶液，阻礙膽汁的乳化作用和膽汁酸的再吸收[45]；⑤β-葡聚糖可通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞-膽固醇軸進(jìn)而調(diào)節(jié)膽固醇代謝[46]。

Drozdowski等研究發(fā)現(xiàn)分離自燕麥和糯大麥中的高粘度β-葡聚糖可通過(guò)下調(diào)脂肪酸合成和膽固醇代謝相關(guān)基因的表達(dá)，減少腸道對(duì)長(zhǎng)鏈脂肪酸和膽固醇的攝取[47]。Wang和 Sunberg等則利用β-葡聚糖酶，驗(yàn)證了β-葡聚糖是使大鼠和倉(cāng)鼠體內(nèi)血漿膽固醇和低密度脂蛋白水平降低的主要功能成分[48]。Thandapilly等研究發(fā)現(xiàn)高分子量的大麥β-葡聚糖可促使輕度高膽固醇血癥患者糞便膽汁酸排泄量和總SCFAs濃度增加[49]。

2.3 β-葡聚糖免疫調(diào)節(jié)的作用研究

近年來(lái)的研究表明，β-葡聚糖作為一種天然的免疫調(diào)節(jié)劑，可以結(jié)合并激活免疫細(xì)胞，分泌細(xì)胞因子，參與宿主的特異性免疫與非特異性免疫，從而提高機(jī)體免疫功能[50-51]。Jin等發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖可以調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答，使小鼠血清免疫球蛋白增加，并刺激抗炎因子的分泌，從而提高小鼠免疫力[52]。Yun等發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖能夠有效地改變小鼠腸系膜淋巴結(jié)和派氏淋巴結(jié)的細(xì)胞數(shù)量，增強(qiáng)了小鼠對(duì)金黃色葡萄球菌或大腸桿菌感染的抗性[53]。Salah等研究發(fā)現(xiàn) β-葡聚糖可以調(diào)節(jié)羅非魚的免疫相關(guān)基因，抵抗魚類鏈球菌的感染[54]。Golisch等發(fā)現(xiàn)真菌 β-葡聚糖被巨噬細(xì)胞內(nèi)化后與中性粒細(xì)胞結(jié)合，由此產(chǎn)生的活化粒細(xì)胞能夠殺死部分腫瘤細(xì)胞[2]。

2.4 β-葡聚糖改善腦功能的作用研究

已有大量研究發(fā)現(xiàn)，菊粉、低聚果糖等膳食纖維及它們的代謝產(chǎn)物具有潛在的腦功能保護(hù)作用。Haider等的研究表明，β-葡聚糖可通過(guò)抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)乙酰膽堿的水解減輕東莨菪堿誘導(dǎo)的大鼠認(rèn)知缺陷[55]。高脂低纖維飲食會(huì)導(dǎo)致小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞的激活及突觸損傷，而飲食補(bǔ)充β-葡聚糖可以優(yōu)化腦部突觸超微結(jié)構(gòu)和相關(guān)信號(hào)通路，減輕肥胖小鼠的神經(jīng)炎癥和認(rèn)知能力下降[56-57]。Xu等的研究表明，酵母β-葡聚糖改善了癡呆模型小鼠的神經(jīng)炎癥和腦胰島素抵抗[58]。Hu等證明了長(zhǎng)期補(bǔ)充β-葡聚糖顯著改善了前額葉皮層中的突觸超微結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)識(shí)別記憶的能力[59]。更為重要的是，已有臨床研究表明，3至18歲的孤獨(dú)癥兒童在攝入含有β-葡聚糖的食品補(bǔ)充劑后，行為模式（自閉癥評(píng)定量表分?jǐn)?shù)顯著降低）和α-突觸核蛋白的表達(dá)水平得到顯著改善[60]。

2.5 β-葡聚糖對(duì)腸道微環(huán)境的作用研究

人體腸道內(nèi)的大量共生菌構(gòu)成的微生物屏障可以抵抗病原菌的入侵，并提供重要的保護(hù)作用，而腸道內(nèi)微生物群落的變化也顯著影響著宿主的生理功能[27]。β-葡聚糖作為一類重要的益生元，可對(duì)胃、腸道內(nèi)的微生物群產(chǎn)生積極影響。由于人體內(nèi)缺少β-葡聚糖酶，β-葡聚糖不能被消化道直接消化，但卻能被大腸內(nèi)益生菌分泌的糖苷酶降解吸收利用，因此，β-葡聚糖選擇性地刺激了益生菌的活力和增殖，同時(shí)，一些益生菌在自身代謝中產(chǎn)生的乳酸等物質(zhì)降低了腸道的pH，抑制了有害菌的生長(zhǎng)和繁殖[61]。另一方面，β-葡聚糖在結(jié)腸中被厭氧菌分解代謝產(chǎn)生的 SCFAs為結(jié)腸粘膜細(xì)胞提供了營(yíng)養(yǎng)[62]，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞、腸道T細(xì)胞的增殖[63]。SCFAs還可以抑制葡萄糖苷酶、葡萄糖醛酸酶和脲酶等腸癌誘發(fā)因子的活性，并抑制第一級(jí)膽酸向第二級(jí)膽酸的轉(zhuǎn)化，增加次級(jí)膽汁酸的排出，具有預(yù)防結(jié)腸癌的作用[64-65]。

申瑞玲等研究發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖可促進(jìn)小鼠腸道中的雙歧桿菌和乳酸桿菌增殖，并抑制大腸桿菌的繁殖，改善了腸道環(huán)境[66]。Pieper等研究發(fā)現(xiàn)，含β-葡聚糖的飼料有利于斷奶仔豬腸道內(nèi)產(chǎn)丁酸的益生菌的繁殖[67]，丁酸可以為腸上皮細(xì)胞提供能量，利于保持腸道黏膜完整性，并在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出抑制癌細(xì)胞活性的作用[68]。SCFAs還能增加大鼠結(jié)腸粘液層的厚度，維護(hù)腸道的正常功能[69]。

3 總結(jié)

β-葡聚糖在促進(jìn)健康和預(yù)防疾病方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)控制餐后血糖和減弱胰島素反應(yīng)、降低膽固醇和高血脂、增強(qiáng)機(jī)體免疫力和腸腦健康保護(hù)等方面有著積極影響，這也為其在功能性食品、醫(yī)療保健、食品添加劑等健康產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)賦予了巨大的潛能。近年來(lái)的研究多從β-葡聚糖原料來(lái)源、加工方式、分子大小或黏度高低等方面，采用體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，從生化指標(biāo)、代謝調(diào)控等方面對(duì)營(yíng)養(yǎng)功效進(jìn)行表征，但對(duì)于β-葡聚糖各種生物學(xué)活性機(jī)制的研究還不夠明晰，未來(lái)研究可聯(lián)合代謝組學(xué)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等新技術(shù)方法去進(jìn)一步詮釋其營(yíng)養(yǎng)機(jī)制，為β-葡聚糖新型健康食品研發(fā)提供更多的科學(xué)依據(jù)。