膳食纤维对肠道菌群影响的研究进展

谢 静，马梦婷，陈小静，许泽坤，李紫君，隋中泉

（上海交通大学农业与生物学院食品科学系，上海 200240）

膳食纤维是不能被人体消化的多糖类物质和木质素的总称，也被称为第七营养素，根据其溶解性不同可分为水不溶性膳食纤维和水溶性膳食纤维两大类。膳食纤维不能被小肠消化吸收，但可以在大肠内通过部分或全部发酵，产生降血糖、降胆固醇、促进排便、预防肥胖及消除人体内有害物质等生理功能[1]。近年来，国外研究者发现膳食纤维可以改变肠道微生物组成[2-3]，国内研究也证实了膳食纤维可以调节肠道菌群的种类和组成比例。吴占威等人[4]发现，豆渣中的膳食纤维可以抑制小鼠肠道内肠杆菌和肠球菌增殖、提高双歧杆菌和乳杆菌的数量。吕钟钟等人[5]研究发现，藻复合膳食纤维可以显著增加小鼠肠道内双歧杆菌和乳杆菌的数量。李安平等人[6]的研究结果表明，发酵竹笋中的膳食纤维可以有效改善小鼠因大黄水剂造模导致的肠道内双歧杆菌、乳杆菌数量下降的状况，同时小鼠肠道内肠杆菌和肠球菌的数量明显下降，说明发酵竹笋膳食纤维具有调节小鼠肠道菌群功能的作用。孙元琳等人[7]发现，谷物膳食纤维（戊聚糖） 能被肠道中具有相关酶的细菌所降解，故能够增殖双歧杆菌和乳杆菌等有益菌。膳食纤维是结肠细菌的主要能量来源。因此，通过了解膳食纤维的组成与结肠细菌的相互关系，有利于维持或改善肠道菌群。尽管膳食纤维主要是植物多糖和低聚糖，但其复杂的结构与肠道微生物利用的相关性仍未被充分了解。介绍了膳食纤维和肠道微生物编码的碳水化合物活性酶，重点总结特定的膳食纤维类型对肠道微生物组成的影响。

1 膳食纤维

Hipsley 在1953 年提出了膳食纤维的概念，认为其是植物细胞壁中不被消化的成分[8]。2001 年，美国谷物化学家协会修订了膳食纤维的定义：“膳食纤维不能被人体小肠消化吸收，但可在大肠中完全或部分发酵的可食用碳水化合物及其类似物”[9]。因此，膳食纤维包括非淀粉多糖，如纤维素、果胶和树胶、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，在该定义中也将非碳水化合物基的聚合物（木质素） 与植物细胞壁中的纤维素相结合，一些动物源性碳水化合物（如几丁质、透明质酸和硫酸软骨素） 也被视为膳食纤维。2009 年食品法典委员会定义了膳食纤维[10]，并提出了一种新的分析方法，可在一种测定程序中分析所有膳食纤维[11]。此外，该定义规定必须证明添加的纤维对健康具有生理益处，并由国家主管部门决定是否将3～9 个单体单位（低聚糖） 的不可消化的碳水化合物作为膳食纤维[10]。我国将膳食纤维规定为不能被人体小肠消化吸收但具有健康意义的、植物中天然存在的，或通过提取、合成等手段，获得聚合度DP≥3 的碳水化合物聚合物，包括纤维素、半纤维素、果胶及其他单体成分等[12]。

因为单糖组成、异构体、键合类型、线性链长和支链组成的不同，膳食纤维具有不同的结构特征。尽管膳食纤维多糖和低聚糖通常由相对少量的单糖组成（主要是葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、岩藻糖和某些其糖醛酸形式），但2 个糖单元之间的化学键连接及更大的结构单元（包括低聚和聚合结构） 之间化学键连接，都存在很多可能性，所以膳食纤维被认为是自然界中发现的多样性最大的高分子化合物之一。细菌具有不同的能力来裂解这些复杂分子结构中的化学键，以获得单糖。因此，膳食纤维的多样性会影响肠道菌群的利用。

2 碳水化合物活性酶及其在膳食纤维消化中的作用

肠道微生物对膳食纤维的利用能力取决于其编码碳水化合物活性酶（CAZymes） 的基因含量，用于裂解连接类型和相关蛋白，如碳水化合物结合蛋白和转运蛋白。结肠中的细菌在竞争激烈的环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细菌则有竞争的途径，这些途径与酶活性、碳水化合物的结合效率、螯合消化产物有关，也许还有在纤维颗粒周围定殖的能力。

膳食纤维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单体之间或碳水化合物与非碳水化合物结构（如木质素） 之间的糖苷键。根据其氨基酸序列，碳水化合物活性酶分为4 类[13]。糖苷水解酶（GHs） 是一类酶，可切割2 个或多个糖单元之间或糖与非糖部分之间的糖苷键。多糖裂解酶（PLs） 通过β - 消除机制催化多糖链中所含酸性糖单元（即葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸） 的断裂。这些酶的作用导致不饱和己醛糖醛酸残基的形成和新的还原端。碳水化合物酯酶（CEs） 水解果胶（果胶甲酯） 和乙酰化阿拉伯木聚糖中可能存在的酯键。最后，一种新型的碳水化合物活性酶被称为辅助酶，参与了木质素的降解[13]。

在人类基因组中编码的碳水化合物活性酶非常有限，只有17 种酶参与碳水化合物的消化（其中8 种具有已知功能），这些酶负责降解非抗性淀粉、乳糖、麦芽糖、麦芽低聚糖、蔗糖和海藻糖[3]；另一方面，大肠中的常驻微生物的基因组编码大量的碳水化合物活性酶，使其能够在发酵过程中利用膳食纤维。一些细菌可以利用小部分的碳水化合物，被称为“特异型”微生物，而另一些细菌则可以利用大量且结构不同的碳水化合物，被称为“普通型”微生物[14]。多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron） 为普通型的一种，编码269 个糖苷水解酶，17 个多糖裂解酶和18 个碳水化合物酯酶，其基因组的18%可利用膳食纤维[15]。此外，Campylobacter hominis 是人类结肠中的另一种常驻细菌，仅编码6 个糖苷水解酶，3 个碳水化合物酯酶，没有多糖裂解酶，这表明该细菌的利用膳食纤维能力受到限制。微生物的表达碳水化合物活性酶的基因数量和基因类型具有差异，这表明膳食纤维的选择性消耗决定了肠道中哪个细菌类群受到青睐并可以影响结肠中菌种和菌株的平衡。因此，膳食纤维可以影响肠道菌群的组成，从而改善健康状况。

3 膳食纤维对肠道微生物组成的影响

3.1 抗性淀粉对肠道微生物组成的影响

淀粉由2 种不同的葡萄糖聚合物（直链淀粉和支链淀粉） 组成，研究者将一部分可以不被消化进入大肠的淀粉称为“抗性淀粉”的膳食纤维。抗性淀粉（RS） 可分为：①RS1，在全谷物或部分碾磨的谷物和豆类中物理包埋淀粉；②RS2，紧密包裹且相对脱水的颗粒淀粉；③RS3，糊化重结晶或回生的淀粉；④RS4，化学或酶改性的淀粉[16]。

由于其结构和可及性的差异，不同类型或同类型不同结构的抗性淀粉有利于肠道中的不同细菌存在。Martinez I 等人[17]研究发现，只有RS4 的食用对门菌素水平有影响，放线菌和拟杆菌的丰度增加，而厚壁菌减少。在物种水平上，随着RS4 的摄入，观察到青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）和狄氏副拟杆菌（Parabacteroides distasonis） 的丰度增加，而RS2 的摄入增加了布氏瘤胃球菌（Ruminococcus bromii） 和直肠真杆菌（Eubacterium rectale）的丰度。猪中的RS3 消耗会增加普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii） 的相对丰度，并减少了大肠杆菌（Escherichia coli） 和假单胞菌（Pseudomonas spp.） 的数量[18]。这些物质可能是由于分解产物的交叉进料而发生。在一项体外共培养研究中，在人类结肠中分离4 种淀粉分解细菌（直肠真杆菌、多形拟杆菌、青春双歧杆菌和布氏瘤胃球菌） 并研究其对RS（RS2 和RS3） 的利用能力。布氏瘤胃球菌作为启动RS 降解的关键物种，其释放的分解产物再被其他结肠细菌利用[19]。

即使在同一RS 类型中，也存在细微的结构差异，这些差异也会影响不同的细菌。直链淀粉中的淀粉线性链和支链淀粉的外链形成双螺旋，导致不同结晶的形成，该结晶存在于RS2 和RS3。在A 型晶体中双螺旋产生的结构更紧凑，含水量相对较低，而B 型晶体结构的双螺旋形成的结构更疏松，含水量相对较高。谷物淀粉通常表现出A 型X 射线衍射图，而块茎淀粉和高直链淀粉含量的淀粉则形成B型[20]。一项体外人肠道模型研究表明，具有B 型晶体结构的RS3 富集了双歧杆菌（Bifidobacterium spp.），而具有A 型的RS3 则增加了Atopobium spp.的数量[21]。B 型微晶倾向于较高的丁酸酯产量，这表明块茎类淀粉比谷物类淀粉具有更高的产热性。

3.2 果胶对肠道微生物组成的影响

果胶是一种结构复杂的杂多糖，由一系列连接的聚合物组成，如阿拉伯聚糖、果胶半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖、高半乳糖醛酸聚糖和RGs（RG 型I和RG II 型），也被称为果胶物质[22-24]。在双子叶植物的初级细胞壁和中层薄片中，发现了大量果胶，在果皮中它们可能与其他细胞壁成分（包括纤维素、半纤维素和木质素） 交织在一起。目前，市售的果胶主要由苹果渣和柑橘皮制成。它的来源及所用的提取工艺会导致其化学结构存在差异，进而影响细菌对其的利用。例如，Lopez-Siles M 等人[25]发现，F. prausnitzii 菌株能够在苹果果胶上生长，但它们不能利用柑橘果胶。

因来源不同，果胶结构存在一定差异性。因此，即使仅比较饮食中的果胶对微生物群组成的影响，也会产生不同的结果。Dongowski M 等人[26]饲喂含有6.5%柑橘果胶大鼠3 周，发现其结肠中拟杆菌属（Bacteroides spp.） 的丰度更高。然而，饲喂7%苹果果胶的大鼠4 周，结果显示其盲肠菌群富含Anaeroplasma，Anaerostipes 和 Roseburia，而 Alistipes and Bacteroides spp.的数目减少[27]。2 项研究结果之间的差异表明，研究膳食纤维对微生物的影响需要细化到果胶的分子组成甚至键合结构。除化学结构外，结肠的pH 值也是决定细菌利用果胶能力的因素。Lopez-Siles M等人[25]研究了普拉梭菌与主要利用果胶的菌株（多形拟杆菌和Eubacterium elegans） 的竞争。结果表明，在低pH 值（6.12） 下多形拟杆菌的苹果果胶利用能力受到限制，而同一pH 值下普拉梭菌生长良好。

3.3 纤维素对肠道微生物组成的影响

纤维素是β- 1,4- 连接的葡萄糖聚合物，是最丰富的天然有机化合物[28]，聚合度达到每分子15 000 个葡萄糖单位[29]。通常不会在人体肠道中完全发酵，这归因于其独特的结构，其中分子通过分子间和分子内的氢键连接并形成结晶的线性聚集体（微纤维）。此外，纤维素分子还与其他物质（如半纤维素果胶）及蛋白质结合在一起，从而限制了它们在结肠中的发酵能力[30]。

从人类粪便中分离出的可降解纤维素的物种为梭菌（Clostridium sp.）、真杆菌（Eubacterium sp.）、瘤胃球菌（Ruminococcus sp.）[31]和拟杆菌（Bacteroides sp.）[32]。一项人体研究表明，即使所有个体的肠道菌群中都存在降解纤维素的微生物，但降解纤维素的群落结构还是因受试者的甲烷状态而有很大差异[32]。从不排放甲烷的受试者中分离出的主要纤维素降解物主要属于拟杆菌属，而在排放甲烷的个体中，纤维素降解菌则主要由厚壁菌门组成[33]。纤维素的结构也影响结肠微生物对纤维素的利用。对来自5 个个体的粪便样品的水合和结晶纤维素降解能力的体外研究表明，所有粪便接种物都降解了水合纤维素，但接种物中只有一个降解了结晶纤维素[34]。Chassard C 等人[33]证实了这一点，他们研究发现纤维素分解细菌降解纤维素取决于纤维素的类型，而拟杆菌属能够利用天然纤维素，而不是微晶纤维素。

3.4 半纤维素对肠道微生物组成的影响

半纤维素与纤维素类似，存在于高等植物的细胞壁中，在细胞壁上与纤维素和木质素相互作用，从而增强了细胞壁的强度[35]。膳食纤维的主要种类包括阿拉伯木聚糖、木葡聚糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖和β - 葡聚糖。这些化合物的共同特征是，大多数化合物具有连续的β - 1,4 - 连接的主链，但在其主链中同时具有β-1,4 和β-1,3 键的β - 葡聚糖除外。大多数半纤维素在主链上都具有分支结构，这些结构可能很简单（一种单糖，很少有连接类型），也很复杂（单糖种类较多，连接类型较多，且分支长度不同），但不包括谷物中无分支的β- 葡聚糖。

近年来，由于阿拉伯糖寡糖具有刺激人结肠中双歧杆菌生长的潜力，因此使用阿拉伯糖低聚糖（作为阿拉伯糖原的水解产物） 和β - 葡聚糖作为益生元引起了越来越多研究者的兴趣。益生元被定义为“使胃肠道菌群的组成和/或活性发生特定变化的选择性发酵的成分，可赋予宿主健康”[36]。体内和体外的研究均发现了阿拉伯糖寡糖在体外和体内对双歧杆菌的作用。Grootaert C 等人[37]使用人类肠道微生物生态系统的分区模拟器，表明结肠中阿拉伯糖寡糖降解主要发生在横结肠，具有区室特异性。Sanchez J I 等人[38]在体外人体肠道微生物生态系统反应器研究表明，阿拉伯木糖寡糖降解的区室特异性取决于其平均聚合度。平均聚合度＜15 的部分几乎在升结肠和横结肠腔中被完全利用。而平均聚合度＞15 的部分的70%在升结肠和横结肠腔中利用，30%在降结肠腔中。进一步研究显示，平均聚合度为29的阿拉伯糖低聚糖增加了升结肠中双歧杆菌的含量，升结肠和横结肠中的乳酸杆菌，以及降结肠直肠组织中的拟球梭菌- E（Clostridium coccoides-E.）[38]。在人源化小鼠中，聚合度为60 或更高的阿拉伯木聚糖水解物降低了盲肠中梭状芽胞杆菌和Verrucomicrobia 的丰度，并增加了盲肠放线菌的数量[39]。这些研究表明，阿拉伯糖寡糖的聚合度是确定其被哪种细菌在结肠的特定区室中利用的重要因素。天然的半纤维素进入大肠时是大的聚合物分子，当被一种细菌利用释放出聚合物的小部分时，对其他细菌有利，因此很可能存在交叉进给效应。

β - 葡聚糖的分子大小也被证明是有利于细菌群体的重要因素。Hughes S A 等人[40]在体外试验中观察到24 h 内，分子量分别为137，150 和172 kDa 的β-葡聚糖水解物可以显著增加细菌- 普氏杆菌组的丰度，但当使用较大分子量的水解物（230 和243 kDa） 时，则没有观察到显著增加该现象。同样，观察7 种乳酸菌在β - 葡聚糖水解产物上的生长时发现5 种乳酸菌不能在聚合度＞3 的水解产物上生长[41]。

3.5 菊粉对肠道微生物组成的影响

菊糖（低聚果糖的长链形式） 对肠道微生物组成的影响已在体外试验[42-43]、动物体内[44-45]和人体模型中[46-47]进行了广泛研究。体外模拟试验显示菊粉可调节结肠的微生物组成[37]，而菊粉的降解主要发生在升结肠[37，39]。菊粉的链长会影响其利用模式。短链的菊粉（聚合度＜10） 比长链菊粉（聚合度＞10） 降解更快[48]。

食用菊粉会引起产生丁酸盐的细菌数量增加，如直肠真杆菌（E. rectale）、肠道罗斯拜瑞氏菌（Roseburia intestinalis） 和粪厌氧棒杆菌（Anaerostipes caccae）[49-51]，并且降低人源化大鼠盲肠中艾克曼菌 （Akkermansia muciniphila） 的丰度[43]。Duncan S H 等人[51]测试了从人类粪便中分离出的5 种产生丁酸的细菌对菊粉的利用能力。结果表明，直肠真杆菌（E. rectale） 能够在菊粉上生长，而肠道罗斯拜瑞氏菌（R. intestinalis） 却无法生长。Van De Wiele T等人[43]认为，直肠真杆菌是结肠中的菊粉主要降解剂，而肠道罗斯拜瑞氏菌和粪厌氧棒杆菌只能发酵较小的菊粉片段，这表明在结肠微生物群落成员之间发生交叉进食来降解菊粉。

4 结语

综述肠道微生物通过其编码的碳水化合物酶降解膳食纤维，膳食纤维的降解会影响肠道中细菌的类群，并可以影响结肠中菌种和菌株的平衡，为食品设计和发展提供理论依据。总结了几种特定类型的膳食纤维对菌群的影响，虽简化了细菌对碳水化合物的利用。通过特定的纤维结构或纤维混合物维持健康的肠道菌群或将不良生物种群转移回更好的平衡状态，从而改善健康状况。目前，大多数膳食纤维领域的研究旨在研究特定的甚至新颖的纤维类型，并检查其在结肠中的作用，包括益生元效应和微生物迁移。然而，这些研究没有提供更多有关细菌- 菌株水平与特定类型的膳食纤维结构相互作用的信息。未来需要多学科研究的相互交叉，通过了解纤维分子内的独特化学结构与细菌基因组中编码的基因簇对齐，以期建立用膳食纤维操纵结肠微生物群的机制框架。