不同热处理下燕麦膳食纤维的结构变化及其对胃肠道健康的影响

董吉林，杨媚，申瑞玲，*

（1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450000；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南郑州450000）

不同热处理下燕麦膳食纤维的结构变化及其对胃肠道健康的影响

董吉林1，2，杨媚1，2，申瑞玲1，2，*

（1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450000；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南郑州450000）

全谷物膳食纤维（Dietary Fiber，DF）结构变化是影响胃肠道健康的重要因素，燕麦是一种含有丰富DF的健康全谷。一系列研究表明热加工可以影响DF的结构性质，但不同热加工方式下全谷燕麦膳食纤维的结构变化及其对胃肠道健康的影响鲜见系统研究。综述不同热加工方式下全谷燕麦膳食纤维的结构变化及其胃肠道健康效应的影响。

热加工；全谷燕麦；膳食纤维；结构；胃肠道健康

膳食因素引起的肠道菌群变化与肥胖、糖尿病和癌症等多种疾病的发生发展的相关性研究是食品营养领域研究的前沿和热点问题[1]。膳食纤维（Dietary Fiber，DF）的结构变化是影响肠道菌群组成和胃肠道健康的重要因素[2-3]。全谷物富含多种营养组分（膳食纤维、寡糖、植物化学物质、抗氧化维生素和矿物质），最重要的其中的膳食纤维，与精致谷物相比，全谷物膳食纤维含量高出80%[4]。然而，全谷物种类、来源和加工方式的不同，DF的结构性质也有很大不同；食品加工中酶水解、发酵、超声波、高压、挤压和动态高压微射流等不同处理方式都会影响DF的结构性质变化，造成对机体胃肠道健康产生的作用也不同。

燕麦是目前全谷物进食和社会认可度较高的健康食品之一，含有丰富的膳食纤维，包括β-葡聚糖（Beta-Glucan，BG）、戊聚糖（ArabianGylan，AX）、抗性淀粉（Resistant Starch，RS）以及膳食纤维多酚复合物等，这些不同结构的膳食纤维组分对机体健康影响存在差异性。已有研究表明，燕麦BG的聚合度和分子量是影响降糖降脂和改善肠道菌群作用两个关键因素[5-6]，高聚合度大分子的BG降糖降脂效果更为显著，而低聚合度小分子的BG在肠道更容易发酵。AX也可以促进益生菌生长，但AX的聚合度以及是否与酚酸结合都会影响肠道菌群的利用[7]。研究表明，食品中高压均质、酶作用、热处理、酸碱或抗氧化剂处理等对燕麦可以使燕麦BG的分子解聚，黏性和分子量下降[8]。目前，对燕麦DF的研究主要是BG，其他组分（AX、RS以及膳食纤维和酚酸复合物等）的研究很少，热处理对燕麦籽粒的影响以研究灭酶和杀菌为主，不同热处理对燕麦全谷中膳食纤维结构和对胃肠道健康相关研究，国内外研究报道较少。因此，本文概述不同热加工方式下全谷燕麦膳食纤维的结构变化及其胃肠道健康的影响。

1 不同热加工方式对膳食纤维结构和性质的影响

热加工方式对DF结构和性质的有重要影响。膳食纤维包含有多种不同的类型，食物中的难消化性碳水化合物，非淀粉多糖（Non-Starch Polysaccharide，NSP）、抗性淀粉、低聚糖、糖醇等都是膳食纤维的重要组成成分[9]。这些膳食纤维多为细胞壁多糖，且多糖与其他物质常常紧密结合在一起，如大约95%的酚酸和多糖以酯键结合形成膳食纤维-抗氧化复合（Dietary Fiber-Antioxidant Compound，DF-AC）[10]。不同的热加工方式可以导致细胞壁结构的改变，影响DF的结构、含量和性质。采用挤压爆破加工可以使小麦水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）的含量由（9.82±0.16）%增加到（16.72±0.28）%，同时持水性和溶胀性也增加，分离后发现，其中主要的水溶性多糖由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖和半乳糖组成，摩尔比为：0.76∶0.99∶1.00∶0.12，并具有很好的抗氧化能力[11]。采用单螺杆挤压机在加水量20%，130℃条件下，以转速220 r/min挤压大麦粉，结果发现，挤压明显减少了水不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）的含量，对阿拉伯木聚糖（AX）含量没有明显影响，但明显增加了BG的含量和分子量[12]。在焙烤食品过程中，美拉德反应可以增加小麦面包水不溶性膳食纤维（IDF）的含量，且在结构上形成了“膳食纤维-蛋白质-美拉德反应产物-多酚”复合物[13]；烘烤过程中美拉德反应产物还可以增加荞麦籽粒木质素和半纤维素的释放，使总膳食纤维（Total Dietary Fiber，TDF）含量增加 26%，同时也增加了对胆汁酸的结合能力[14]。煮沸和微波加热不能改变鹰嘴豆NSP含量，但可以增加水溶性组分的含量，原因在于部分半纤维素和果胶的解聚[15]。咖啡在200℃烘烤处理时，半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖的侧链发生了转糖基作用引起了多糖发生解聚或脱支[16]。项目组在前期研究中也发现，突然高温加热可以使燕麦β-葡聚糖分子团聚，影响分散性；而高温持续加热则可以使其发生解聚。因此，热加工对燕麦DF的结构性质的影响有必要深入研究。

2 不同热加工方式对燕麦膳食纤维结构性质的影响

不同热加工对燕麦DF含量、结构性质有重要影响。燕麦富含多种营养素，特别引起关注的是燕麦水溶性功能性膳食纤维-β-葡聚糖。早在1997年，美国FDA就指出，每日膳食中包含3 g（每餐含0.75 g BG）燕麦餐可以减少心血管疾病发生的风险；到2011年，欧盟食品安全署（EFSA）明确指出每天膳食中增加3 g大麦或燕麦BG可以减少血液中的低密度脂蛋白胆固醇水平，食品中至少应该每30 g碳水化合物包含4 g BG才可以减少餐后血糖增加。然而，不同食品加工因素造成的BG含量及结构性质的改变有可能使其丧失生理有效性，这对上述建议是个挑战[5]。已有许多热加工影响燕麦β-葡聚糖含量的研究，对燕麦窝窝“三熟”工艺研究结果发现：炒熟处理燕麦BG含量降低，烫熟蒸熟则升高[17]；220℃时远红外烘烤燕麦麸可以显著提高DF含量[18]；以110℃，1.00 m/s的速率过热蒸汽处理燕麦籽粒10min～14min可以增加燕麦DF的黏度[19]；有效的热处理还可以影响DF的表面特性，改变SDF/IDF比例[20]。然而，也有研究表明，热处理（95℃和120℃）可以降低燕麦BG的分子量和黏度，这种对DF组分的降解与提取物中所包含的植酸、蛋白质、矿物质以及抗氧化成分有关[21]。通常认为，在溶液中，高温有利于大分子BG的溶解和分散，90℃下燕麦BG的相对分子质量（Relative Molecular Mass，Mr）可达 2.4×106，而低温时BG趋向于聚集，在25℃下Mr为3.7×104[22]，由于BG的溶解性与分子中存在的β-（1→3）糖苷键的多少有关，推测不同热加工可能引起BG分子空间结构或微观结构的改变。

3 燕麦膳食纤维组分结构性质变化对机体胃肠道健康的影响

3.1 燕麦膳食纤维组分通过影响上消化道和营养素吸收而影响胃肠道健康

富含燕麦及其DF组分的食物在人和动物胃肠道上部（胃和小肠）可以影响食糜的黏度、胃排空以及食糜向消化道后部的推送时间，也会影响消化酶与营养物质的作用和胃肠道激素的释放。燕麦BG是一种均一粘性多糖，其分子量和在不同食物中存在的形式会影响黏度和饱腹感[22]，连续灌胃3周，给予小鼠1 mL 10%的燕麦β-葡聚糖、燕麦片、燕麦面粉和燕麦麸皮悬浮液，结果发现BG可以增加肠道食糜黏度，显著延缓胃排空，促进小肠蠕动，降低小肠粘膜Na+-K+-ATP酶活性及粗脂肪、粗蛋白和淀粉的消化率[23]。饱腹感可以刺激相关激素的释放和信号表达，如胰高血糖素样肽-1（Glucagon-Like Peptide1，GLP-1）、酪酪肽、瘦素、胃动素和胆囊收缩素[24]。所有营养素中，碳水化合物是增强餐后胃动素释放的最有效的营养素，研究发现大麦BG可以通过调节胃动素和酪酪肽的释放影响食欲[25]。本课题组前期也证实，燕麦产品随着BG含量的增加，胃动素和胆囊收缩素分泌量也明显增多[23]。另外，食物的粒度和加工方式可能比膳食纤维的含量更能影响胃排空，这会影响到食物通过胃肠道的时间，食物在胃肠停留时间短，能够快速进入大肠，影响大肠有毒物质的排出[26]。

3.2 燕麦膳食纤维组分在大肠发酵改善肠道菌群组成而影响胃肠道健康

DF在胃和小肠不能被消化酶消化吸收，会进入大肠进行发酵降解，一方面能够影响肠道菌群的组成；另一方面可以产生短链脂肪酸等代谢产物，在维持机体胃肠道健康方面起着重要作用。包含阿拉伯木聚糖（AX）和（或）β-葡聚糖（BG）的谷物可以改变肠道黏度，选择性刺激益生菌生长和影响肠道菌群代谢产物产生的模式[27]；燕麦麸皮富含BG，比富含AX的黑麦和小麦麸更容易发酵产生拟杆菌和乳杆菌[9]。热处理的燕麦糊是一种适合于乳酸菌和酵母菌发酵的介质，其中BG含量和黏度是其发酵的关键[28]。小分子燕麦β-葡聚糖对瑞士乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和长双歧杆菌的生长具有明显促进作用[29]。体外发酵不同DF（燕麦β-葡聚糖、亚麻籽胶和香豆胶），培养猪肠道内容物，采用变性梯度凝胶电泳（Denatured Gradient Gel Electrophoresis，DGGE）分析细菌 16S 核糖体 RNA（16S ribosomal RNA，16SrRNA），发现燕麦组分增加了产丁酸菌拟杆菌和厚壁菌门的数量[30]。本课题组最新研究表明，大分子燕麦β-葡聚糖还可以增加肥胖大鼠拟杆菌门和厚壁菌门细菌数量，其中优势菌为酸杆菌门、螺旋体门、梭杆菌门和粘胶球形菌门。此外，摄入燕麦面粉能够保持益生菌在胃肠道的活性；燕麦基质色拉酱可以通过在连续乳化相体系中增加流变性和物理稳定性而提高乳酸菌的存活性[31]，这表明燕麦组分有可能作为合生元，利于益生菌的存活和定植。

3.3 燕麦膳食纤维组分在大肠发酵产生不同代谢产物影响胃肠道健康

燕麦中难消化碳水化合物在大肠发酵可以产生高比例的短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFA），SCFA与结肠癌发生、胆固醇代谢和葡萄糖代谢有密切关联，因此，食物或食物成分与SCFA等相关性在机体内的变化已成为目前的研究热点[32]。体内外发酵表明，燕麦BG发酵可以产生高比例的SCFA，主要包括乙酸、丙酸、丁酸[23]。燕麦和大麦，如果含有较高的BG、水溶性NSP、抗性淀粉以及高直链淀粉/支链淀粉比，就有助于在大肠发酵产生SCFA，特别是丁酸，这对于肠道微生态环境以及整个肠道健康具有重要作用[33]。SCFA不仅为机体提供能量，还具有重要生理调控作用，乙酸是肝脏、大脑、肌肉和心脏等器官和外周组织的能量来源，同时也是脂肪生成途径的分子信号；丙酸可以抑制高浓度葡萄糖诱导的胰岛素的分泌和抑制脂肪生成酶的活性；相比而言，丁酸能够维持结肠上皮细胞的功能以及肠道健康，同时具有抗炎和抗致癌物质的特性[34]。短链脂肪酸可以激活G蛋白偶联受体，G蛋白偶联受体41（G Protein-coupled Receptor 41，GPR41）和 G 蛋白偶联受体 43（G Protein-coupled Receptor，GPR43）在信号转导过程中有重要的作用，如乙酸和丙酸激活GPR43是最有效的，GPR43表达于脂肪组织，肠和免疫组织，在能量调节和炎症反应中起着重要作用[35]。燕麦BG也可增加胆酸盐的排出；结肠益生菌的增加也可降低粪便中与致癌相关的酶活（如偶氮还原酶、脱羧激酶、硝基还原酶、尿素酶和β-葡萄糖醛酸酶）[30]。燕麦还可以吸收肠道毒物，减少内毒素（脂多糖）产生分泌[36]，进一步维持胃肠道健康，预防和减少结肠癌的发生。

4 展望

综上所述，近年来关于DF与胃肠道健康的研究进展较快，但还存在以下问题：一是食品热加工对燕麦DF结构有哪些影响尚不清楚，如热加工燕麦DF组分是否降解形成复合物，糖苷键是否断裂，这也是造成一些燕麦加工DF产品生理功效降低的主要原因；二是对燕麦DF营养功效的评价，主要是以BG提取物或食物作为研究对象，评价单组分产生的作用，缺乏多组分营养功效的比较。热加工燕麦摄入胃肠道后经消化吸收变化产生了哪些效应，这是决定其营养价值的关键。因此，研究不同热加工方式对全谷燕麦DF组分（重点BG、AX和RS等）结构性质变化，进一步采用连续动态体外模型模拟人体胃肠道消化环境研究燕麦全谷DF组分对胃肠道健康的作用并研究其对肠道菌群影响和在结肠发酵产生代谢产物与DF结构变化的关系，为深入了解食品热加工对营养有效成分的影响提供理论依据，这将对以后与膳食因素引起的相关疾病的治疗提供理论依据，为居民合理消费全谷物和不同燕麦产品提供科学指导。

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Structure Changes of Oat Dietary Fiber during Different Thermal Processing and Their Effects on Gastrointestinal Tract Health

DONG Ji-lin1，2，YANG Mei1，2，SHEN Rui-ling1，2，*
（1.College of Food and Bioengineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450000，Henan，China；2.Collaborative Innovation Center of Food Production and Safety，Henan Province，Zhengzhou 450000，Henan，Chinaa）

The whole grain dietary fiber structures are an important factor affecting the gastrointestinal health，oats is a healthy whole grain rich in dietary fiber.Studies have shown that thermal processing can affect the characteristics and structures of the DF，however，the structural changes of the whole-grain oats DF with different thermal processing methods and its impact on the gastrointestinal health have been rarely studied.This paper reviews the mechanism of thermal processing causing oats DF structural changes，express the relationship of DF structure and gastrointestinal healthy.

thermal processing；whole-grain oats；dietary fiber；structures；gastrointestinal health

2016-10-25

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.041

国家自然科学基金项目（31671856）

董吉林（1968—），男（汉），副教授，博士，研究方向：谷物营养与加工。

*通信作者：申瑞玲（1967—），女（汉），教授，博士，研究方向：谷物营养与加工。