甘薯渣中可溶性膳食纤维对肠道菌群代谢产物的影响

高美玲，余诚玮，范亚苇，邓泽元，穆松牛

（南昌大学食品学院 南昌214122）

膳食纤维是一类非淀粉多糖类物质，主要存在于植物细胞壁中，其组成成分主要包括纤维素、木质素、果胶、β-葡聚糖和低聚糖等，被称为继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的第7类营养物质。膳食纤维独特的化学组成使其具备一些特殊的生理功能，诸如可以预防癌症，降低高血压[2]、糖尿病的发生率，防治营养过剩性肥胖症等[3]。Cummings 等[4]以麦麸面包和谷糠为膳食纤维来源，发现受试者的膳食纤维摄入量由17 g/d 上升到45 g/d 时，脂肪酸的排出量由1 g/d 上升至2.7 g/d。肠道内微生物生态系统的平衡是肠胃健康的关键因素。膳食纤维可被肠道细菌的酶发酵降解，产生有机酸（SCFA），使结肠内pH 值下降，促进肠道有益菌群生长和增殖，抑制有害腐败菌的生长并减少有毒发酵产物的形成[5]。

甘薯作为我国重要的薯类作物，是仅次于水稻、小麦和玉米的第四大经济作物，产量丰富，消耗巨大[6]。然而，在薯类的加工过程中却产生了大量的薯渣，占原料的10%～14%。这些薯渣水分含量高，容易腐败变质，污染环境。甘薯渣中含有22%左右的膳食纤维，是良好的膳食纤维原料。如能加以开发，不仅可以避免环境污染、资源浪费等问题，还可以有效增加收益[7]。

本研究利用甘薯渣中提取的可溶性膳食纤维进行体外发酵，观察其对人体肠道菌群代谢产物的影响，旨在将甘薯渣变废为宝，为甘薯渣中可溶性膳食纤维用于改善人体肠道菌群环境提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验原料与试剂

试验原料：甘薯购买于当地农贸市场。

菊糖（分析纯），阿拉丁；次氯酸钠（分析纯），阿拉丁；七水合磷酸氢二钠（分析纯），天津市永大化学试剂有限公司；氢氧化钠（分析纯），西陇科学股份有限公司；苯酚（分析纯），阿拉丁；亚硝基铁氰化钾（分析纯），天津市大茂化工试剂厂；偏磷酸（分析纯），上海振兴化工一厂；甲酸（分析标准品），阿拉丁；乙酸（分析标准品），阿拉丁；正丁酸（分析标准品），阿拉丁；痕量缓冲液、微量培养液中各试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DGG-9140A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；LDZX-50KBS 立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；HD-650 桌上型超净工作台，苏州安泰空气技术有限公司；HH-4恒温水浴锅，巩义市英峪予华仪器厂；YQX-II 厌氧培养箱，上海龙跃仪器设备有限公司；TDL-5-A飞鸽牌台式离心机，上海安亭科学仪器厂；PHS-3C 精密pH 计，上海仪电科学仪器股份有限公司；722E 型可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司；AR323CN 电子天平，奥豪斯仪器有限公司；Agilent6890N 气相色谱仪，安捷伦科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 甘薯渣可溶性膳食纤维的提取工艺流程新鲜甘薯打浆→清水反复洗涤3 次后用纱布过滤→60 ℃烘干→加入0.05 mol/L MES-TRIS 缓冲溶液/g→50 μL/g 热稳定α-淀粉酶→pH 8.1，95 ℃，反应30 min→100 μL/g 蛋白酶→pH 7.5～8.5，（60±1）℃，反应30 min→100 μL/g 淀粉葡萄糖苷酶→pH 4.5±0.2，（60±1）℃，反应30 min→抽滤→上清液加入4 倍体积95%乙醇溶液→静置1 h 得可溶性膳食纤维沉淀→抽滤得可溶性膳食纤维絮状物→105 ℃烘干，即得可溶性膳食纤维[8]。

1.3.2 培养液的配制 微量培养液：尿素（0.400 g/L），碳酸氢钠（9.240 g/L），十二水磷酸氢二钠（7.125 g/L），硫酸钠（0.100 g/L），氯化钙（0.055 g/L），氯化钾（0.450 g/L），氯化钠（0.470 g/L），氯化镁（0.047 g/L），溶剂为蒸馏水，混匀。

痕量缓冲液：六水合氯化钴（120 mg/L），七水合硫酸亚铁（3 680 mg/L），四水合钼酸铵（17.4 mg/L），七水合硫酸锌（440 mg/L），七水合硫酸锰（1 900 mg/L），五水合硫酸铜（98 mg/L），溶剂为蒸馏水，混匀。

最终的体外发酵液按10 mL 痕量缓冲液加入1 000 mL 微量培养液的配比混合制得[9]。

1.3.3 试验设计 试验共分为6 组，分别为2.5，5，10 g/L 甘薯可溶性膳食纤维组，2.5 g/L 菊糖组（阳性对照组）以及空白对照组（CK），甘薯粉组。其中甘薯粉的添加量按照相应的百分含量核算后得出。接种物为志愿者的粪便，将收集到的粪便与体外发酵液按质量浓度0.01 g/L 混匀，分装于20 mL 的注射器中，每支注射器的装液量为5 mL。将所有注射器置于厌氧培养箱中 （体积比：N2∶CO2∶H2=90∶5∶5），37 ℃培养48 h。

1.3.4 发酵液pH 值的测定 各组于接种后0，6，12，24 h，用pH 计测定pH 值。

1.3.5 发酵液中NH3-N 的测定 参照周笑犁[10]的方法，取40 μL 离心后的发酵液依次加入40 μL蒸馏水，2.5 mL 苯酚显色液，混合均匀后再加入2 mL 次氯酸盐试剂，再次混匀。37 ℃水浴30 min 并测定吸光度，波长为550 nm。根据标准曲线（图1）进行定量分析。

1.3.6 发酵液中短链脂肪酸的测定 取适量离心后的发酵液，与25%偏磷酸按4∶1 的比例混匀，待测。

气相色谱条件：19091F-413 HP-FFAP 柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）。程序升温：100 ℃为初始温度，持续0.5 min，之后以8 ℃/min 升至180 ℃，再以20 ℃/min 升至200 ℃，持续5 min。FID 检测器和进样口温度分别为240 ℃和200 ℃，载气N2，燃气H2，助燃气空气的流量分别为：2，30，300 mL/min，不分流进样，进样量1 μL[11]。根据标准曲线进行定量分析。其中图2为发酵液中的乙酸含量标准曲线，图3为发酵液中的丙酸含量标准曲线，图4为发酵液中的丁酸含量标准曲线。

1.3.7 统计学处理 试验中每个处理重复3 次，应用SPSS 19.0 软件进行显著性分析，以P＜0.05作为差异显著性标准。

图2 发酵液中乙酸含量标准曲线Fig.2 Standard curve of acetic acid content in fermentation broth

图3 发酵液中丙酸含量标准曲线Fig.3 Standard curve of propionic acid content in fermentation broth

图4 发酵液中丁酸含量标准曲线Fig.4 Standard curve of butyrate content in fermentation broth

2 结果与分析

2.1 产气量曲线

接种后各时段甘薯渣可溶性膳食纤维的体外发酵液产气量曲线如图5所示。由结果可以看出，甘薯粉组的产气量明显高于其它组别，在24 h 后达到5.9 mL。各组最终在24 h 后的产气量有明显差异（P＜0.05）。

所有可溶性膳食纤维添加组在最终时段的累积产气量都明显优于空白对照组，且添加量越大，累积产气量也越大。但其中仅有可溶性膳食纤维10 g/L 的产气效果优于菊糖组，其余组别均不如菊糖组的产气效果好。

2.2 发酵液pH 值曲线

从图6可以看出，大多数组别在0～6 h 阶段pH 值下降最快。其中甘薯粉组的pH 值变化程度最大，空白对照组的pH 值变化程度最小。其中可溶性膳食纤维的添加组能够明显降低发酵液中的pH 值，且添加量越大，降低pH 值的效果也就越好，SDF 10 g/L 的添加组降低pH 值的效果优于菊糖组。

图5 体外发酵液的产气量曲线Fig.5 Gas production curve during the fermentation

图6 体外发酵液pH 值曲线Fig.6 The pH curve of fermentation broth

从香菇、银耳和黄芪提取的多糖均可以降低体外发酵液pH 值，pH 值的降低有助于维持肠道环境，抑制有害菌增长[12]。如上变化趋势说明添加甘薯可溶性膳食纤维有助于降低肠道内的pH值，进而维持良好的肠道环境。

2.3 发酵液中NH3-N 含量

由图7可以得出，发酵12 h 后，所有组别的NH3-N 含量均显著小于空白组（P＜0.05），且其中甘薯粉组产生的NH3-N 含量最低，其次为菊糖组。添加甘薯可溶性膳食纤维的组别能够明显降低发酵液中的NH3-N 含量，但其效果不如甘薯粉组以及菊糖组，且其效果与添加量之间的规律不十分明显。

结肠中的微生物将含氮的化合物分解为一些易腐败的代谢产物，如氨、硫化物、生物胺、吲哚和酚类化合物等[13]。而其中的一些蛋白代谢产物已被证实会损害肠道上皮细胞的新陈代谢，过量的氨不仅会减少结肠细胞的呼吸作用，还会产生毒性作用[14]。肠道内有害细菌的生长会受到低pH 值和NH3-N 浓度的肠道内环境的抑制，同时还可避免过高浓度的氨引起氨代谢负荷增加或氨中毒[15]。

图7 发酵液中NH3-N 含量Fig.7 Contents of NH3-N in fermentation broth

在本研究中，与对照组相比，甘薯中的可溶性膳食纤维能降低发酵液中氨的浓度，这可能是因为可溶性膳食纤维促进了微生物的多样性从而提高了大量微生物对氮的利用，增加了动物机体内的氮循环并减少了环境中的氮排泄物。

2.4 发酵液中短链脂肪酸含量

由图8可知，发酵48 h 之后试验组产生的SCFA 含量（乙酸、丙酸、丁酸）均显著高于空白对照组（P＜0.05），其中甘薯粉中的SCFA 含量最高。其中添加甘薯可溶性膳食纤维的组别能够明显提升SCFA 含量，且添加量越高，促进效果越好。同等添加量中，菊糖组的效果要优于SDF 组。

短链脂肪酸作为结肠上皮细胞的能源物质对其更新和恢复起着至关重要的作用，同时还影响肠黏膜屏障等，对肠道的健康具有重要作用[16]。其中丁酸是能量循环中重要的组成部分，对肠上皮细胞的增殖和分化非常重要[17]。另外有研究报道，丁酸还具有抗炎症的功能[18]，可由几种细菌产生，如球形梭菌、直肠真细菌和普拉梭杆菌。短链脂肪酸浓度的高低代表着微生物产生和结肠黏膜吸收的最终结果[19]。

图8 发酵液中短链脂肪酸含量Fig.8 Contents of short-chain fatty acids in fermentation broth

图9 2.5 g/L 膳食纤维添加量的发酵液中短链脂肪酸含量随时间变化图Fig.9 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 2.5 g/L dietary fiber as a function of time

图10 5.0 g/L 膳食纤维添加量的发酵液中短链脂肪酸含量随时间变化图Fig.10 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 5.0 g/L dietary fiber as a function of time

图11 10.0 g/L 膳食纤维添加量的发酵液中短链脂肪酸含量随时间变化图Fig.11 Content of short chain fatty acids in bermentation broth with added amount of 10.0 g/L dietary fiber as a function of time

由图9～图11可以看出，乙酸的含量均随着时间的增长而显著减少，SDF 2.5 g/L 组别中丁酸的含量随着时间的增加而略微增加，其它组别丁酸含量变化不显著。丙酸含量的变化随着时间的增加不十分明显。总体来说，可溶性膳食纤维的添加量越多，对促进SCFA 合成的效果越好。

本研究中，甘薯可溶性膳食纤维作为一种食品或饲料添加剂，对肠道微生物是一种非常理想的碳源，并有助于提升短链脂肪酸的产量。

3 结论

通过体外发酵试验，可以看出，添加甘薯可溶性膳食纤维有利于增加体外发酵液的产气量，并通过促进短链脂肪酸的合成，显著降低pH 值、NH3-N 含量的方式有效维持肠道的平衡状态，且其效果与添加量具有明显的正相关关系，添加量越大，促进效果越好。证明甘薯渣中的可溶性膳食纤维具有改善肠道菌群代谢产物的作用，利于人体肠道健康。