魔芋葡甘聚糖对肠道微生物调控影响机制分析

王元

1. 魔芋葡甘聚糖结构及理化特性

魔芋葡甘聚糖是天南星科植物，是魔芋中的主要成分，是天然的植物多糖，具有较高的粘度。魔芋葡甘聚糖缩写即为KGM，KGM主链D-甘露糖与D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键链接而成，甘露糖与葡萄糖分子比约为1.5：1或1.6：1（花魔芋，A.konjac）或1.69：1。在某些糖残基C3位上存在由β-1，3糖苷键链接的支链，支链上有葡萄糖与甘露糖残基构成，数量不等，KGM其化学结构可由图1.1表示。

KGM的特殊结构和化学成分赋予其独特的性能，如优异的亲水性、胶凝性、流变性能、增稠性能和成膜性能。KGM易溶于水，但不溶于甲醇、乙醇、丙酮和氯仿等有机溶剂，难以自由移动的大分子使魔芋胶溶液成为粘稠的非牛顿流体。KGM具有优异的保水性，可吸收自身体积的80至100倍，形成KGM溶胶。同时，KGM分子量大，吸湿性和容量性强，由于不带电而具有极好的附着力，是自然界粘度最高的多糖之一，具有极好的增稠效果，相较于其他多糖。KGM溶胶的脱水在一定条件下可以形成胶膜，通过调节亲水和疏水材料可以改变胶膜的透水性。

KGM吸水性强，可增加大便量，促进肠蠕动和粪便排泄，减少对有毒物质的吸收，起到肠道清道夫的作用。KGM到达大肠后，在肠道微生物的作用下发酵产生酸和各种短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，调节肠道菌群，具有良好的肠道益生元作用。近年来，有报道称，KGM的肠道益生元作用是发挥减肥降脂、免疫调节、抗氧化损伤、预防大肠癌等生物学作用的重要途径。对各种KGM及其衍生物的肠道益生元进行了评估，性别在预测KGM的生物活性方面非常重要。

魔芋葡甘聚糖是一种优质膳食纤维，能促进肠胃蠕动，具有“肠道清道夫”的功效，促进体内有害毒素的排出，预防和减少疾病的发生，有效保护胃黏膜，能清除胃壁并具有良好的肠道益生菌特性，但尚未报道哪种摄入形式发挥更好的作用。益生元发挥肠道益生菌的主要机制是，增加肠道益生菌的活性，从而调节肠道上皮屏障起到益生菌的作用，降低肠道pH值，抑制有害菌的增殖，防止肠道功能障碍，促进益生菌的产生。链脂肪酸（SCFAs）为肠黏膜细胞提供能量，促进细胞代谢和生长，增加肠道渗透压，改善粪便含水量。

2. 魔芋葡甘聚糖的改性研究

KGM易溶于水而形成凝胶，溶解度小、稳定性差、流动性差，为了提高KGM的性能，可以通过物理、化学的方法进行改性处理。化学法包括化学沉淀法、吸附法、离子交换法等。化学沉淀法又分为无机盐沉淀法、有机试剂沉淀法、高分子材料沉淀法和超临界流体技术。其中，以无机盐沉淀法最为普遍。物理方法包括KGM的纯化，物理共混和借助超声，微波的降解改性。对KGM进行化学改性就是将一些官能团引入或除去多糖结构，使多糖的物理性质及化学性质发生变化。 KGM分子结构中含有大量羟基及乙酰基，故可用脱乙酰，醚化，酯化，交联及接枝共聚等化学方法进行改性。

2.1 化学改性

KGM分子链上含有丰富的羟基，KGM糖环C2，C3，C6位上的羟基在合适条件下能与酸或酸酐进行酯化反应形成相应的酯化物。乙酸、磷酸与没食子酸在KGM中发生了不同程度的酯化反应，随着取代程度的增加，KGM分子间形成了强氢键，使其易于脱水。经酯化后，KGM具有良好的耐剪切、耐酸碱、黏度稳定性好、溶解度大、抗张强度高、柔软特性好等特点。通过红外光谱图可以看出，乙酰基的引入改变了KGM分子结构，使其键合能力增强。此外，乙酰基也是KGM表面疏水性提高的原因之一。拉伸试验结果表明，GMAc低DS條件下拉伸强度及断裂伸长率较高。

生物催化条件下，KGM能与一些脂溶性脂肪酸进行酯化反应，脂肪酸疏水部分与KGM结合，使KGM具有两亲特性，是提高KGM油基配方及乳状液溶解度的一种潜在途径。 然而，由于脂类物质的亲水部位容易吸附于KGM表面，而使其水溶性降低，KGM在油包水型乳化剂体系中易失水，从而导致油水分离困难。 Meng等人采用弱碱性的微波法将KGM与辛烯基琥珀酸酐（OSA）进行酯化反应，得到含有OSA基团的KGM分子。

2.2 物理改性

相对于化学交联，物理共混不靠共价修饰而靠共混物之间的氢键或者静电吸引而相互作用。其中，KGM具有优异的机械性能、光学稳定性及生物相容性等优点，被广泛用作药物控释材料。但是，由于制备工艺复杂且成本较高，使得该领域研究较为困难。KGM物理共混物的制备方法比较简单，它主要是形成溶液共混物或者乳液共混物来提高KGM在某一特定方面的性能，或者介绍一些特殊性能来提高KGM的适用范围。KGM/GG/DMY活性复合膜是在KGM/DMY结冷胶基质中添加不同浓度二氢杨梅素制备而成。

物理降解包括热降解、辐射降解、超声降解、微波降解。其中，超声降解以它特有的高效低能耗得到了广泛关注，并已成为一种重要的微生物降解方式。目前，关于超声降解机制及作用机理的报道较少。研究了超声波功率对KGM分子量及流变性能影响，KGM的特征粘度在超声波作用下逐渐降低，这与聚合物随机断链降解动力学的第一反应过程十分一致。结果表明：当温度低于80℃，声辐射强度为20W/cm2，可以得到较低分子量（小于100kD）的产品;随温度升高，声强增大。超声处理也使KGM团聚体的粒径显着下降，存储模量及损耗模量均有所下降，但初级结构没有发生显着改变。

3. 魔芋葡甘聚糖对肠道微生物调控的作用及其机制

魔芋葡甘聚糖单糖的结合方式与纤维素的结合方式相似，因此被分解成单糖，在小肠中不被吸收。研究表明，魔芋在动物的胃和小肠中不被消化酶分解，而主要被大肠中的甘露聚糖杆菌分泌的甘露聚糖酶消化降解。当葡甘露聚糖进入大肠时，魔芋甘露聚糖首先被甘露聚糖酶分解为甘露聚糖和葡萄糖，产生的部分糖进一步通过三羧酸系统被细菌分解代谢。另一方面，细菌利用这些代谢物进行自身生长，同时分泌大量甘露聚糖酶进一步消化魔芋甘露聚糖。

胃肠道是人体最大的微生态系统，对维持人体的生存和健康起着非常重要的作用。人们在日常生活中容易出现便秘，当废物在肠道内长期堆积时，会产生毒素，从而导致糖尿病、高血压、癌症等多种疾病。食用魔芋后，消化吸收会减慢，而大量的可溶性植物纤维能促进肠胃蠕动，减少有害物质在胃、肠和胆囊中的停留时间，有效保护胃黏膜，清洁胃壁，降低肠道疾病的发生率。

3.1 清洁胃肠道，防治便秘

魔芋葡甘聚糖可吸收水分、增大粪样容积、改善肠道菌群、刺激肠道蠕动，这些都有利于排便。其作用机制如下。

魔芋纤维能够吸收大量水分，吸水后体积膨胀，更容易有饱腹感。食用后，可以抑制小肠对水分的吸收，使屏障中的水分被吸收。增加肠、粪便样品的水分含量，使粪便样品变得柔软。魔芋纤维被大肠杆菌分解，利用时促进锁链脂肪酸的生成，刺激联动运动，提高排便率。小肠缩短1次排便的平均时间及肠活动时间。同时，附着在屏障上的细菌的代谢产物和石胆酸、脱氧胆酸、突变异原物质等致癌物质、诱发突变物质等废弃物可以和纤维质一起快速排泄，致癌物质与肠道的接触时间可以缩短墙壁的膜，降低职场及结肠毒素引起的癌症发病率，起到清扫肠道的作用。

魔芋葡甘聚糖是一种外源性益生元，能促进双歧杆菌等有益微生物的生长发育和繁殖，同时抑制病原菌的生长。双歧杆菌是人体肠道中具有代表性的有益微生物，具有明显的免疫激活作用。除活菌的生理作用外，死菌和细菌成分也具有明显的抗肿瘤活性。双歧杆菌可定殖宿主肠黏膜形成生物屏障，具有拮抗病原菌、改善微生物平衡、合成多种维生素、供给营养、提高免疫力、降低胆固醇水平等重要生理功能，其对健康的影响远远超过其他乳酸杆菌。

同时，魔芋凝胶进入人体肠道后，形成不同孔径的半透膜附着在肠壁上，防止包括致癌物在内的有害物质侵入，起到解毒防癌的作用。魔芋葡甘聚糖可能会降低生长抑素对胃肠动力的抑制作用，从而产生胃肠动力作用。目前，魔芋葡甘聚糖具有很强的吸收性和膨胀性，因此被认为是一种通过产生饱腹感来填充胃肠道并减少食物摄入量的机制。同时，由于魔芋葡甘聚糖的高分子量和高粘度，在胃肠道内形成粘性纤维，减少了胃肠道对营养物质的消化吸收，增加了粪便的排泄。

3.2 抑制人体肥胖，防治糖尿病

近年来的研究表明，魔芋葡甘聚糖能够有效遏制糖尿病，有助于抑制人类肥胖。如前所述，魔芋葡甘聚糖因吸水性强而膨胀充盈胃肠道，产生饱腹感，可减少食量，达到控制体重的目的。同时，魔芋葡甘聚糖可降低肠黏膜中Na-K-ATP酶的活性，限制营养物质的吸收。此外，由于葡甘聚糖的分子量大、粘度高，增加了食糜在消化道的粘度，并通过覆盖肠黏膜表面形成扩散屏障，从而延缓了鱼糜糊的停留时间。限制胃腔和肠黏膜，来自消化道的食物营养物质扩散到肠绒毛中的速度，从而延长了消化系统中食物的消化过程。同时，研究表明，魔芋葡甘聚糖将胰岛素平衡调节到较低水平，从而限制脂质和糖类的吸收，达到抑制体重增加和缓解糖尿病的效果。

3.3 降低胆固醇、预防高血压、高血脂

研究表明，魔芋葡甘聚糖可以降低胆固醇、预防高血压和高脂血症。葡甘露聚糖纤维可抑制小肠对胆固醇、胆汁酸等脂解物质的吸收，由于进入血液的脂肪量少，可促进脂质物质向体内的排泄。魔芋葡甘聚糖在消化道内能与胆固醇结合，破坏甘油三酯和胆固醇的吸收，有效抑制胆汁酸在回肠黏膜的主动转运，使肠循环部分受阻，降低肝脏血脂，增加类固醇排泄，最终消耗脂肪酸。魔芋葡甘聚糖还可以在大肠内被微生物分解，产生丙酸等短链脂肪酸，被人体吸收，产生低脂效果。

总结

魔芋葡甘聚糖覆盖肠壁表面，病原微生物侵入后，被外源性莱克素识别，并附着在细胞表面，过滤掉病原微生物，排出病原微生物和毒素，提高機体免疫力。魔芋葡甘聚糖能增加肠道菌群的多样性，改善肠道菌群的组成，促进双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌的生长，对肠道健康发挥作用。