膳食纖維對腸道菌群影響的研究進展

謝 靜，馬夢婷，陳小靜，許澤坤，李紫君，隋中泉

（上海交通大學農業與生物學院食品科學系，上海 200240）

膳食纖維是不能被人體消化的多糖類物質和木質素的總稱，也被稱為第七營養素，根據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，但可以在大腸內通過部分或全部發酵，產生降血糖、降膽固醇、促進排便、預防肥胖及消除人體內有害物質等生理功能[1]。近年來，國外研究者發現膳食纖維可以改變腸道微生物組成[2-3]，國內研究也證實了膳食纖維可以調節腸道菌群的種類和組成比例。吳占威等人[4]發現，豆渣中的膳食纖維可以抑制小鼠腸道內腸桿菌和腸球菌增殖、提高雙歧桿菌和乳桿菌的數量。呂鐘鐘等人[5]研究發現，藻復合膳食纖維可以顯著增加小鼠腸道內雙歧桿菌和乳桿菌的數量。李安平等人[6]的研究結果表明，發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致的腸道內雙歧桿菌、乳桿菌數量下降的狀況，同時小鼠腸道內腸桿菌和腸球菌的數量明顯下降，說明發酵竹筍膳食纖維具有調節小鼠腸道菌群功能的作用。孫元琳等人[7]發現，谷物膳食纖維（戊聚糖） 能被腸道中具有相關酶的細菌所降解，故能夠增殖雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌。膳食纖維是結腸細菌的主要能量來源。因此，通過了解膳食纖維的組成與結腸細菌的相互關系，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，但其復雜的結構與腸道微生物利用的相關性仍未被充分了解。介紹了膳食纖維和腸道微生物編碼的碳水化合物活性酶，重點總結特定的膳食纖維類型對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，認為其是植物細胞壁中不被消化的成分[8]。2001 年，美國谷物化學家協會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（木質素） 與植物細胞壁中的纖維素相結合，一些動物源性碳水化合物（如幾丁質、透明質酸和硫酸軟骨素） 也被視為膳食纖維。2009 年食品法典委員會定義了膳食纖維[10]，并提出了一種新的分析方法，可在一種測定程序中分析所有膳食纖維[11]。此外，該定義規定必須證明添加的纖維對健康具有生理益處，并由國家主管部門決定是否將3～9 個單體單位（低聚糖） 的不可消化的碳水化合物作為膳食纖維[10]。我國將膳食纖維規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]。

因為單糖組成、異構體、鍵合類型、線性鏈長和支鏈組成的不同，膳食纖維具有不同的結構特征。盡管膳食纖維多糖和低聚糖通常由相對少量的單糖組成（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 個糖單元之間的化學鍵連接及更大的結構單元（包括低聚和聚合結構） 之間化學鍵連接，都存在很多可能性，所以膳食纖維被認為是自然界中發現的多樣性最大的高分子化合物之一。細菌具有不同的能力來裂解這些復雜分子結構中的化學鍵，以獲得單糖。因此，膳食纖維的多樣性會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蛋白，如碳水化合物結合蛋白和轉運蛋白。結腸中的細菌在競爭激烈的環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菌則有競爭的途徑，這些途徑與酶活性、碳水化合物的結合效率、螯合消化產物有關，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構（如木質素） 之間的糖苷鍵。根據其氨基酸序列，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 個或多個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），這些酶負責降解非抗性淀粉、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，使其能夠在發酵過程中利用膳食纖維。一些細菌可以利用小部分的碳水化合物，被稱為“特異型”微生物，而另一些細菌則可以利用大量且結構不同的碳水化合物，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 個糖苷水解酶，17 個多糖裂解酶和18 個碳水化合物酯酶，其基因組的18%可利用膳食纖維[15]。此外，Campylobacter hominis 是人類結腸中的另一種常駐細菌，僅編碼6 個糖苷水解酶，3 個碳水化合物酯酶，沒有多糖裂解酶，這表明該細菌的利用膳食纖維能力受到限制。微生物的表達碳水化合物活性酶的基因數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細菌類群受到青睞并可以影響結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 膳食纖維對腸道微生物組成的影響

3.1 抗性淀粉對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入大腸的淀粉稱為“抗性淀粉”的膳食纖維。抗性淀粉（RS） 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，緊密包裹且相對脫水的顆粒淀粉；③RS3，糊化重結晶或回生的淀粉；④RS4，化學或酶改性的淀粉[16]。

由于其結構和可及性的差異，不同類型或同類型不同結構的抗性淀粉有利于腸道中的不同細菌存在。Martinez I 等人[17]研究發現，只有RS4 的食用對門菌素水平有影響，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 消耗會增加普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii） 的相對豐度，并減少了大腸桿菌（Escherichia coli） 和假單胞菌（Pseudomonas spp.） 的數量[18]。這些物質可能是由于分解產物的交叉進料而發生。在一項體外共培養研究中，在人類結腸中分離4 種淀粉分解細菌（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RS（RS2 和RS3） 的利用能力。布氏瘤胃球菌作為啟動RS 降解的關鍵物種，其釋放的分解產物再被其他結腸細菌利用[19]。

即使在同一RS 類型中，也存在細微的結構差異，這些差異也會影響不同的細菌。直鏈淀粉中的淀粉線性鏈和支鏈淀粉的外鏈形成雙螺旋，導致不同結晶的形成，該結晶存在于RS2 和RS3。在A 型晶體中雙螺旋產生的結構更緊湊，含水量相對較低，而B 型晶體結構的雙螺旋形成的結構更疏松，含水量相對較高。谷物淀粉通常表現出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]。一項體外人腸道模型研究表明，具有B 型晶體結構的RS3 富集了雙歧桿菌（Bifidobacterium spp.），而具有A 型的RS3 則增加了Atopobium spp.的數量[21]。B 型微晶傾向于較高的丁酸酯產量，這表明塊莖類淀粉比谷物類淀粉具有更高的產熱性。

3.2 果膠對腸道微生物組成的影響

果膠是一種結構復雜的雜多糖，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[22-24]。在雙子葉植物的初級細胞壁和中層薄片中，發現了大量果膠，在果皮中它們可能與其他細胞壁成分（包括纖維素、半纖維素和木質素） 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導致其化學結構存在差異，進而影響細菌對其的利用。例如，Lopez-Siles M 等人[25]發現，F. prausnitzii 菌株能夠在蘋果果膠上生長，但它們不能利用柑橘果膠。

因來源不同，果膠結構存在一定差異性。因此，即使僅比較飲食中的果膠對微生物群組成的影響，也會產生不同的結果。Dongowski M 等人[26]飼喂含有6.5%柑橘果膠大鼠3 周，發現其結腸中擬桿菌屬（Bacteroides spp.） 的豐度更高。然而，飼喂7%蘋果果膠的大鼠4 周，結果顯示其盲腸菌群富含Anaeroplasma，Anaerostipes 和 Roseburia，而 Alistipes and Bacteroides spp.的數目減少[27]。2 項研究結果之間的差異表明，研究膳食纖維對微生物的影響需要細化到果膠的分子組成甚至鍵合結構。除化學結構外，結腸的pH 值也是決定細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） 的競爭。結果表明，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 值下普拉梭菌生長良好。

3.3 纖維素對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化合物[28]，聚合度達到每分子15 000 個葡萄糖單位[29]。通常不會在人體腸道中完全發酵，這歸因于其獨特的結構，其中分子通過分子間和分子內的氫鍵連接并形成結晶的線性聚集體（微纖維）。此外，纖維素分子還與其他物質（如半纖維素果膠）及蛋白質結合在一起，從而限制了它們在結腸中的發酵能力[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]。一項人體研究表明，即使所有個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構還是因受試者的甲烷狀態而有很大差異[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，而在排放甲烷的個體中，纖維素降解菌則主要由厚壁菌門組成[33]。纖維素的結構也影響結腸微生物對纖維素的利用。對來自5 個個體的糞便樣品的水合和結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降解了結晶纖維素[34]。Chassard C 等人[33]證實了這一點，他們研究發現纖維素分解細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胞壁中，在細胞壁上與纖維素和木質素相互作用，從而增強了細胞壁的強度[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，大多數化合物具有連續的β - 1,4 - 連接的主鏈，但在其主鏈中同時具有β-1,4 和β-1,3 鍵的β - 葡聚糖除外。大多數半纖維素在主鏈上都具有分支結構，這些結構可能很簡單（一種單糖，很少有連接類型），也很復雜（單糖種類較多，連接類型較多，且分支長度不同），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腸中雙歧桿菌生長的潛力，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/或活性發生特定變化的選擇性發酵的成分，可賦予宿主健康”[36]。體內和體外的研究均發現了阿拉伯糖寡糖在體外和體內對雙歧桿菌的作用。Grootaert C 等人[37]使用人類腸道微生物生態系統的分區模擬器，表明結腸中阿拉伯糖寡糖降解主要發生在橫結腸，具有區室特異性。Sanchez J I 等人[38]在體外人體腸道微生物生態系統反應器研究表明，阿拉伯木糖寡糖降解的區室特異性取決于其平均聚合度。平均聚合度＜15 的部分幾乎在升結腸和橫結腸腔中被完全利用。而平均聚合度＞15 的部分的70%在升結腸和橫結腸腔中利用，30%在降結腸腔中。進一步研究顯示，平均聚合度為29的阿拉伯糖低聚糖增加了升結腸中雙歧桿菌的含量，升結腸和橫結腸中的乳酸桿菌，以及降結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菌在結腸的特定區室中利用的重要因素。天然的半纖維素進入大腸時是大的聚合物分子，當被一種細菌利用釋放出聚合物的小部分時，對其他細菌有利，因此很可能存在交叉進給效應。

β - 葡聚糖的分子大小也被證明是有利于細菌群體的重要因素。Hughes S A 等人[40]在體外試驗中觀察到24 h 內，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菌- 普氏桿菌組的豐度，但當使用較大分子量的水解物（230 和243 kDa） 時，則沒有觀察到顯著增加該現象。同樣，觀察7 種乳酸菌在β - 葡聚糖水解產物上的生長時發現5 種乳酸菌不能在聚合度＞3 的水解產物上生長[41]。

3.5 菊粉對腸道微生物組成的影響

菊糖（低聚果糖的長鏈形式） 對腸道微生物組成的影響已在體外試驗[42-43]、動物體內[44-45]和人體模型中[46-47]進行了廣泛研究。體外模擬試驗顯示菊粉可調節結腸的微生物組成[37]，而菊粉的降解主要發生在升結腸[37，39]。菊粉的鏈長會影響其利用模式。短鏈的菊粉（聚合度＜10） 比長鏈菊粉（聚合度＞10） 降解更快[48]。

食用菊粉會引起產生丁酸鹽的細菌數量增加，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]測試了從人類糞便中分離出的5 種產生丁酸的細菌對菊粉的利用能力。結果表明，直腸真桿菌（E. rectale） 能夠在菊粉上生長，而腸道羅斯拜瑞氏菌（R. intestinalis） 卻無法生長。Van De Wiele T等人[43]認為，直腸真桿菌是結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酵較小的菊粉片段，這表明在結腸微生物群落成員之間發生交叉進食來降解菊粉。

4 結語

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，膳食纖維的降解會影響腸道中細菌的類群，并可以影響結腸中菌種和菌株的平衡，為食品設計和發展提供理論依據。總結了幾種特定類型的膳食纖維對菌群的影響，雖簡化了細菌對碳水化合物的利用。通過特定的纖維結構或纖維混合物維持健康的腸道菌群或將不良生物種群轉移回更好的平衡狀態，從而改善健康狀況。目前，大多數膳食纖維領域的研究旨在研究特定的甚至新穎的纖維類型，并檢查其在結腸中的作用，包括益生元效應和微生物遷移。然而，這些研究沒有提供更多有關細菌- 菌株水平與特定類型的膳食纖維結構相互作用的信息。未來需要多學科研究的相互交叉，通過了解纖維分子內的獨特化學結構與細菌基因組中編碼的基因簇對齊，以期建立用膳食纖維操縱結腸微生物群的機制框架。