益生元、多酚、蛋白质和多不饱和脂肪酸对肠道健康的影响

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(渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

益生元、多酚、蛋白质和多不饱和脂肪酸对肠道健康的影响

杨立娜,吴凯为,朱力杰,张德福,王胜男,王勃,刘贺,何余堂,马涛*

(渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

肠道微生态与人体健康息息相关,肠道菌群失衡会导致人体出现多种疾病。食品功能因子通过调节肠道微生态平衡进行机体防御、疾病防治、健康恢复等。本文在列举肠道微生态失衡诱发的机体疾病基础上,综述了益生元、多酚、蛋白质和多不饱和脂肪酸等部分食品功能因子对肠道微生态的影响,以期为疾病的预防和治疗提供新的思路与方法。

肠道微生态,食品功能因子,益生元,多酚,抗菌肽,多不饱和脂肪酸

肠道是人体最大的消化器官,也是人体最大的免疫系统。健康人群的肠道寄居着数以万亿的微生物,而且肠道微生物的物种丰度较高[1]。消化不完全的食物、药物或膳食补充剂进入肠道微生态系统都会影响微生物物种丰度,如果其物种丰度下降,将伴随着人体多种疾病的发生,如肥胖、糖尿病、炎症性肠病、大肠癌等[2-5]。饮食是控制肠道微生物结构与组成的原因之一,但是我国居民的饮食结构不平衡,对功能性食品功效的了解还不够深入,因此本文就功能性食品因子调控肠道微生态系统对人体健康的影响进行阐述,并探讨其相关作用机理,以期为研究食品功能因子、肠道微生态和人体健康的关系提供参考。

1 肠道微生态与人类疾病

1.1肠道微生态系统

肠道菌群与宿主形成共生关系,通过促进肠上皮生长发育和调控宿主免疫防御来维持宿主的生理健康[1]。宏基因组学研究表明,结肠内有1000多种微生物,根据需氧程度分为三大类:厌氧菌、兼性厌氧菌和需氧菌。以双歧杆菌等益生菌为代表的厌氧菌是肠道的优势菌,阻止致病菌的入侵和定植[6]。有研究指出,有益菌的比例在体格强健的人肠道内达到70%,普通人则是25%,便秘人群减少到15%,而在癌症病人肠道内的比例低于10%[7]。因此,肠道菌群与宿主、外界环境间处于相对平衡状态,构成宿主的生物屏障,若菌群平衡失调,则对人体有害[8]。

表1 肠道微生物与人类疾病

1.2肠道微生态失衡与人类疾病

由于食性变化,健康人群的肠道微生态也会发生变化,如菌群多样性、丰度以及代谢产物的改变等,都会造成人体不同部位病变[9]。如表1所示,最常见的疾病发生在肠道菌群的寄居地-肠道,包括肠易激综合症、炎症性肠病和结直肠癌等;代谢综合症相关疾病、肝脏疾病、创伤感染性疾病、心血管疾病和过敏哮喘等也与肠道微生态失衡密不可分。常见的发病机制主要有三点:发酵产物短链脂肪酸含量下降,减少了肠粘膜细胞的能量供给,增加了肠道pH,诱导机体发病;革兰氏阴性菌大量繁殖会增加细菌内毒素的释放,致使机体免疫能力降低,抗感染能力也随之下降,增加了机体患病的风险;肠道菌群的失衡会刺激机体产生炎症因子,促进疾病产生。

2 食品功能因子与肠道微生态

功能性食品是指与机体防御、机体节律调节、疾病防治、健康恢复等有关的功能因子,经设计加工对机体有明显调节功能的食品[33]。如表2所示,功能食品根据化学结构主要分为活性菌、活性多糖、肽与蛋白质、黄酮类化合物、功能性甜味剂、功能性油脂、维生素和微量元素八大类。本文主要就益生元、多酚、蛋白质和多不饱和脂肪酸与肠道微生态的关系进行描述。

表2 食品功能因子分类[34]

2.1益生元、益生菌与肠道微生态

肠道菌群的研究和功能性食品的出现密切相关,而益生元作为一种功能食品对于促进肠道微生态健康发展起到了至关重要的作用。1995年,Gibson和Roberfroid定义益生元是一种不被消化或难以消化的食物成分,这些成分选择性的刺激结肠内细菌的增殖与代谢,从而有益于宿主健康。2008年,联合国粮农组织(FAO)的益生元专门会议上对益生元的定义又进行了补充:益生元是一种无生命的食物成分,可以促进肠道有益菌生长,同时抑制有害菌[35]。目前益生元主要包括一些低聚糖类(菊粉、低聚果糖、低聚半乳糖和膳食纤维等)、微藻类(螺旋藻、节旋藻等),还有一些天然植物(蔬菜、中草药和野生植物等)。含有益生元的食品主要有酸奶、乳饮料、焙烤食品、谷物早餐和婴幼儿食品等。

肠道内双歧杆菌、乳酸菌等有益菌可以对益生元进行发酵。首先,双歧杆菌大量增加与腐败菌竞争肠上皮结合位点和营养物质,抑制腐败菌的繁殖。大量繁殖的有益菌可以穿过肠道屏障参与免疫细胞激活,但是有不同报道称是细菌的胞壁成分和胞质抗原穿过了肠道屏障[36]。其次,益生元糖通过有益菌发酵可以产生大量的短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA),而SCFA对于人体的健康水平至关重要,一是维持肠黏膜细胞60%～70%的能量供给,促其生长[37];二是结肠环境的酸化有利于粘液素的产生,改善肠粘膜的生态环境,降低拟杆菌属、梭菌属和大肠杆菌等腐败菌的移位[37];三是降低炎症细胞释放细胞因子TNF-α等,发挥抗炎作用[38];四是SCFA类药物可以抑制结肠癌SW1116细胞的周期运转,诱导凋亡,降低原癌基因的表达与细胞增殖,其中丁酸是主要的作用成分[39]。

2.2多酚与肠道微生态

体内外研究表明,多酚可以促进双歧杆菌和乳酸菌等有益生菌生长,选择性的抑制致病菌生长,优化肠道菌群结构,调节肠道微生态平衡[40],作用机制主要是:多酚的羟基与被抑制的致病菌细胞膜的脂质双分子层结合破坏细胞膜的正常功能;多酚可以产生H2O2破坏微生物细胞膜的通透性[41];通过改变肠道微生物的结构导致微生物代谢酶种类发生改变,进而影响肠道内发生的酶化反应(水解酶、氧化还原酶、转移酶等)[42];多酚还可以与多种金属离子螯合成不溶性复合物,使微生物酶系缺乏辅基无法反应[43];多酚还可以直接抑制葡聚糖酶、旋转酶B、硝基还原酶等酶活性[44]。

2.3蛋白质、多肽与肠道微生态

每天到达人体肠道的蛋白质包括膳食蛋白质的残渣和小肠分泌的酶类。肠道内降解蛋白质的细菌主要有拟杆菌、梭杆菌、芽孢杆菌和葡萄球菌等,蛋白质降解后可以为细菌提供C、N、S等营养元素[45]。肠道内硫酸盐还原菌等会将含硫氨基酸(蛋氨酸、胱氨酸)还原成H2S,造成肠道疾病[46]。近期研究表明,糖化豌豆蛋白质可以促进乳酸菌和双歧杆菌等肠道共生菌的生长,并且提高了短链脂肪酸的水平[47];动物性蛋白(糖化牛血清白蛋白和酪蛋白)却显著降低肠道内直肠真杆菌、双歧杆菌和硫酸酯合成菌等有益菌的数量,促进拟杆菌和硫酸盐还原菌等有害菌的数量,同时短链脂肪酸的浓度也显著降低[48]。

肽是氨基酸通过肽键彼此连结而成的小分子化合物(也称多肽),是生物体内一类重要的活性物质,其中抗菌肽具有广谱抗菌、抗病毒、抗肿瘤等活性[49]。有研究表明肠道菌群的代谢产物短链脂肪酸可以抑制胰岛β细胞产生Cathelicidins类抗菌肽[50],多形拟杆菌却可以刺激RegIII抗菌肽产生,杀死体内真菌[51],而且在抗菌肽基因缺失(CRAMP或MMP7)的小鼠体内菌群结构发生显著变化,清除体内致病菌的能力明显下降,而且易患炎症性肠炎等疾病[52]。到目前为止,抗菌肽与肠道菌群相互调控的机制和生理功能仍不完全清楚,比较明确的是在不同氧浓度、还原剂和pH下抗菌肽的杀菌能力不同[53]。

2.4多不饱和脂肪酸与肠道微生态

多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acid,PUFA)是指含有两个和两个以上双键的不饱和脂肪酸,参与构成体内脂肪,包括ω-3系列(亚麻酸、二十二碳六烯酸、二十碳五烯酸等)和ω-6系列(亚油酸、共轭亚油酸、花生四烯酸等)。由于人体不能合成PUFA,从膳食中获取PUFA就变得十分重要。但是丰富的PUFAs饮食又会影响机体的免疫功能、血压、胆固醇和甘油三酯水平以及心脑血管功能[54]。

成人肠道菌群没有丰富的脂肪酸代谢基因,所以肠道内微生物与多不饱和脂肪酸之间可能存在相互作用[55]。有研究表明ω-3 PUFA可以改善肠道有益菌群(如疣微菌门Akkermansiamuciniphila),增加粘膜厚度,提高肠黏膜屏障功能,而且还可以借助肠道有益菌的大量繁殖来抑制脂肪酸合成酶的基因表达,进而控制脂肪酸的合成达到减肥目的[56]。高浓度的PUFA(10～40 μg/mL)抑制乳酸菌、干酪乳杆菌和保加利亚乳杆菌的生长和粘附功能,但是低浓度的γ-亚麻酸和花生四烯酸(5 μg/mL)促进干酪乳杆菌的生长和粘附功能[57];乳酸菌还可以利用PUFA产生不同的代谢产物[58];这就表明乳酸菌是PUFA的吸收调节剂,与此同时PUFA也不同程度的影响着细菌。因此,益生菌的生理作用与益生菌和膳食PUFA之间的相互调节有关。

3 展望

肠道微生物通过免疫和代谢功能影响宿主的营养和健康状态,而食品功能因子可以被肠道菌群利用并产生代谢产物,有利于优化肠道菌群结构、促进肠道益生菌的生长繁殖、保护肠道免疫屏障、促进肠道蠕动从而减少致病菌的入侵、有害物质在机体的停留和炎症发应。因此,食品功能因子调节肠道微生物来预防和治疗机体慢性疾病将是今后的研究热点。目前,食品功能因子在加工与贮藏过程中结构与生理特性变化规律及其与食品营养功效的关系、互作机理还有待于深入研究,以集成基因组学、转录组学、蛋白组学、营养代谢组学等食品组学技术研究食品功能因子对肠道微生态改善与人体健康的关系亟待加强。总之,我国的功能性食品的研究和开发落后于发达国家,产品形态以片剂和胶囊为主区别于传统食品,产品价格整体偏高,导致功能性食品的应用成为一个难题,严重阻碍了肠道等慢性疾病饮食疗法的发展。应该着眼于我国居民的饮食习惯,充分利用我国的现有资源,开发出功效明确、食用方便、经济实惠的功能性食品。

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Effectofprebiotics,phytochemicals,proteinandpolyunsaturatedfattyacidsonintestinalhealth

YANGLi-na,WUKai-wei,ZHULi-jie,ZHANGDe-fu,WANGSheng-nan,WANGBo,LIUHe,HEYu-tang,MATao*

(National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for FreshAgricultural and Aquatic Products,College of Food Science and Technology,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Intestinal microecology is closely related to human health. Gut microbiota dysbiosis will lead to a variety of diseases. Intestinal microecology balance were regulated by food functional components for body defense,disease prevention,health recovery,etc. In order to provide new ideas and methods for the prevention and treatment of disease,the effects of prebiotics,polyphenol,protein and polyunsaturated fatty acids on intestinal microecology were reviewed on the basis of intestinal microecology dysbiosis induced body disease.

intestinal microecology;food functional components;prebiotics;polyphenol;antibacterial peptide;polyunsaturated fatty acids

2017-04-01

杨立娜(1987-)，女，博士，讲师，主要从事食品营养与疾病防治方面的研究，E-mail：398510872@qq.com。

*

马涛(1962-)，男，博士，教授，主要从事粮油与植物蛋白工程方面的研究，E-mail：matao-09@163.com。

国家自然科学基金青年基金项目(31601510)；辽宁省自然科学基金项目(20170540022)。

TS201

A

1002-0306(2017)22-0336-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.065