膳食纖維功能特性及構效關系的研究進展

吳斯妍 賈鑫 楊棟 梁建芬 曲桂芹 程永強

摘 要：綜述了膳食纖維的不同物理化學結構、組成和加工方式對作用機制產生的影響，旨在為膳食纖維構效關系研究和功能性纖維食品開發提供科學依據。

關鍵詞：膳食纖維;性質;結構;作用機制;生理功能

研究表明，膳食纖維具有降血脂、降血糖、改善腸道環境、控制體重等生理功能[1-2]。本文綜述了膳食纖維的不同物理化學結構、組成和加工方式對作用機制產生的影響，旨在為膳食纖維構效關系研究和功能性纖維食品開發提供科學依據。

1 膳食纖維的作用機制

1.1 降低膽固醇

研究表明，在降低膽固醇這一功能中，膳食纖維的粘性發揮重要作用。通過形成凝膠，膽汁在回腸中受到凝膠的物理性吸附，使其被腸壁的重吸收量減少，但隨糞便的排出量增加[3]。在此機制下，肝臟為了合成損失的膽汁，需利用血清中更多的膽固醇，從而降低了低密度脂蛋白（LDL）膽固醇和總膽固醇濃度[4]。Christian等[5]的體外模型結果表明，可溶性膳食纖維的粘度越高，與膽汁的結合力就越高。不溶性膳食纖維和非粘性膳食纖維不具備由粘度帶來的降低膽固醇的作用，但一些研究證實，這些纖維可以增加人體飽腹感以控制每一餐的攝入量，同時減少饑餓感，使患者主動推遲下一餐的進食時間，起到控制膽固醇攝入量的作用[6]。

1.2 控制血糖

Post等[7]通過隨機對照試驗發現，粘性膳食纖維降低血糖的機制主要在于吸附葡萄糖和其他常量營養素，減少腸壁對其的吸收量，同時對消化酶和營養物質的接觸起到屏障作用，降低食物分解成可吸收成分的速率，從而降低葡萄糖餐后反應。Weickert等[8]研究表明，不溶性膳食纖維有助于提高外周組織對胰島素的敏感性，幫助改善胰島素抵抗。此外，部分粘度較小的可發酵膳食纖維可以產生短鏈脂肪酸，如丙酸、乙酸等，這些物質能刺激大腸中的L細胞，促進其分泌腸激素肽（PYY）和胰高血糖素樣肽1（GLP-1）[9]，起到增加飽腹感，降低血糖的作用[10]。

1.3 調節腸道紊亂

膳食纖維常用于便秘、腸易激綜合征、腸炎的治療中，其機制在于與胃腸道神經內分泌系統、微生物群和免疫系統的相互作用[11-12]。不溶性膳食纖維可以增加糞便質量，糞便排出量隨著纖維粒徑的增大而增大[13]，同時通過對結腸黏膜產生的機械刺激，纖維可以幫助腸道加速分泌和蠕動，縮短運輸時間，但Bijkerk等[14]研究表明，不溶性膳食纖維可能會惡化便秘患者的臨床癥狀。中度粘性的膳食纖維可以經過發酵，產生短鏈脂肪酸和部分氣體，一方面，短鏈脂肪酸作用于腸內神經細胞的神經元，改變胃腸動力，也作用于免疫細胞，減少炎癥反應。另一方面，產生的氣體將增加腔內壓力，壓力的增加可刺激5-羥色胺的分泌[15]，5-羥色胺是參與胃腸分泌及腸蠕動調控的神經遞質，對維持腸道穩態具有重要作用，此外，短鏈脂肪酸和氣體的產生可以降低腸內pH，有效抑制有害菌的生長、促進有益菌的增殖，起到調節腸道菌群的平衡的功能[16]。但并非所有可發酵的膳食纖維都對腸道有積極的治療作用，低聚糖等部分短鏈可高度發酵的膳食纖維可以快速產生氣體，可能會導致腹脹腹痛[17]。

2 影響膳食纖維作用效果的因素

2.1 物理和化學結構

膳食纖維是一種復雜的碳水化合物，由有序的碳鏈排列構成的膳食纖維具有穩定的能量，通常為不溶性，而碳鏈結構不規則的膳食纖維大多為可溶性，當可溶性纖維的聚合物鏈相互纏繞形成網絡結構時產生粘度，碳鏈鏈長、分子量大小、粒徑大小、側鏈官能團種類、溶液濃度等都會影響到溶解性、粘度和發酵性[18]，進而影響生理功能。高分子量、大粒徑的膳食纖維粘度大[19]，且影響發酵的速率和程度[20]。Hughes等[21]用人糞便微生物在體外發酵了分子量不同的3種阿拉伯木聚糖，結果表明，3種木糖的發酵都與雙歧桿菌、乳酸桿菌和真細菌群的增殖相關，分子量最小（66kDa）的木糖對乳酸桿菌具有特別的選擇性，證明分子量大小會影響膳食纖維的發酵效果。Onishi等[22]研究表明，魔芋葡甘聚糖的粒徑大小會影響免疫調節的功能。Dziedzic等[23]研究發現，不同粒徑大小的小麥與膽汁酸的吸附和菌群的生長沒有顯著性關系，但粒徑越小，產生的丙酸和丁酸含量越高。側鏈官能團也會影響膳食纖維的生理功能，例如果膠中的甲基化程度不同，發酵速率也不同。Dongowski等[24]用甲基化程度分別為6.5%、34.5%、70.8%和92.6%的柑橘果膠飼喂大鼠，實驗結束后分析回腸、盲腸和結腸中的短鏈脂肪酸含量，結果表明，甲基化程度越低，產生的丁酸和總短鏈脂肪酸含量越高，且速率越快。Annison等[25]用乙酰化、丙酰化和丁酰化處理過的玉米淀粉飼喂大鼠，結果表明，這3種酰化淀粉可以極大程度地提高大鼠盲腸和遠端結腸中短鏈脂肪酸的含量，且丁酰化組最高。

2.2 種類和組合

不同類型和來源的膳食纖維通過不同的機制作用于人體[26]，Parvin等[27]研究發現，豆類、水果、蔬菜來源的纖維對降低心血管疾病的效果較顯著，其中，植物纖維主要通過降低甘油三酯和甘油三酯/高密度脂蛋白比例起作用，水果纖維主要通過降低胰島素水平起作用，而在此項研究中，谷物和堅果來源的膳食纖維攝入不會減少發生心血管疾病的風險。膳食纖維種類決定了發酵產物和模式，例如果膠的發酵產物主要是乙酸鹽，環糊精和阿拉伯樹膠的發酵產物主要是丙酸鹽，豆渣可以增加結腸中的丁酸鹽、乙酸鹽和丙酸鹽，這些產物通過不同途徑被代謝[28]，導致了它們對疾病的不同作用機制和效果。從自然界中直接獲取的膳食纖維來源，如水果和蔬菜，可能還富含多酚、礦物質等成分，這些成分將與膳食纖維相互作用，在特定功能中產生協同或拮抗效果[29]。

2.3 加工方式

膳食纖維主要存在于谷物、蔬菜和水果中，以加工食品的形式流通消費，因此，加工方式對膳食纖維含量以及性質的影響極為重要。對谷物制品來說，加工環節包括面團形成、焙烤、高溫擠壓蒸煮等。Zhang等[30]研究了擠壓處理對燕麥麩中可溶性膳食纖維物化結構和功能的影響，和對照組相比，經過擠壓的可溶性膳食纖維具有高聚集程度、較大粒徑、較小比表面積的特點，溶解度和溶脹能力有所提高，粘度顯著增加。Regard等[31]比較了等熱量含有4g β-葡聚糖的脆面包、麥片、粥、面食等對空腹和餐后血糖濃度的影響，其中，粥和麥片的分子量和粘度值較大，對減弱峰值血糖反應最有效，但面包和面食中β-葡聚糖的聚合度低，導致其生物活性也有所降低，降血糖作用較差。

3 結論和展望

膳食纖維的健康益處與物理化學性質息息相關，通過溶解性、粘性和可發酵性起到減少膽固醇重吸收量、延緩和較少糖吸收、增加飽腹感、調節激素反應和腸道菌群平衡等作用，這些性質受到膳食纖維結構和組成的影響，產生作用效果的差異。《中國居民膳食營養素參考攝入量》中，每日膳食纖維攝入適宜量在25～35g之間[32]。近20年對我國多地居民膳食纖維攝入情況的調查結果顯示，部分地區超過9成的城鄉居民人均每日膳食纖維攝入量不足，甚至不到推薦攝入量的30%[33-34]。與此同時，我國作為谷物、蔬菜和水果生產大國，每年仍有大量富含膳食纖維的農作物副產物，如麥麩、米糠、豆渣、果渣等無法得到有效利用，因此，膳食纖維產品的開發擁有廣闊的市場前景。

目前，膳食纖維被應用到了烘焙食品、飲料、乳制品、肉類食品等行業中，它們在發揮健康效應的同時，還可以起到提高食物保水能力、改善感官品質、延長保質期的作用[35]。有研究致力于將膳食纖維作為脂肪替代物[36-37]，在提供類似脂肪的滑膩口感的同時降低了熱量的攝入，可以滿足人們對低脂、低熱量健康飲食產品的需求，此外，膳食纖維作為益生元的主要來源，可以保證益生菌的存活和產品的穩定性，對腸道疾病[38]、心血管疾病[39]、癌癥[40]等產生協同作用，研究和開發潛力巨大。國內外對膳食纖維結構性質和生理功能等方面的研究還在繼續深入中，其定義和評價方法還在不斷完善[41]，我國應充分利用豐富的膳食纖維資源，在實現對農產品增值的同時優化和滿足人民對健康生活的追求，優化和改善我國居民膳食結構。

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Abstract：This paper reviewed the influence of different physical and chemical structure，composition and processing ways on mechanism of dietary fiber to provide scientific foundation for the study on relationship between structure and activity，and development of functional food.

Keywords：dietary fiber;property;structure;mechanism;physiological function

（責任編輯 李婷婷）