不同熱處理下燕麥膳食纖維的結(jié)構(gòu)變化及其對胃腸道健康的影響

董吉林，楊媚，申瑞玲，*

（1.鄭州輕工業(yè)學院食品與生物工程學院，河南鄭州450000；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450000）

不同熱處理下燕麥膳食纖維的結(jié)構(gòu)變化及其對胃腸道健康的影響

董吉林1，2，楊媚1，2，申瑞玲1，2，*

（1.鄭州輕工業(yè)學院食品與生物工程學院，河南鄭州450000；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450000）

全谷物膳食纖維（Dietary Fiber，DF）結(jié)構(gòu)變化是影響胃腸道健康的重要因素，燕麥是一種含有豐富DF的健康全谷。一系列研究表明熱加工可以影響DF的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，但不同熱加工方式下全谷燕麥膳食纖維的結(jié)構(gòu)變化及其對胃腸道健康的影響鮮見系統(tǒng)研究。綜述不同熱加工方式下全谷燕麥膳食纖維的結(jié)構(gòu)變化及其胃腸道健康效應(yīng)的影響。

熱加工；全谷燕麥；膳食纖維；結(jié)構(gòu)；胃腸道健康

膳食因素引起的腸道菌群變化與肥胖、糖尿病和癌癥等多種疾病的發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性研究是食品營養(yǎng)領(lǐng)域研究的前沿和熱點問題[1]。膳食纖維（Dietary Fiber，DF）的結(jié)構(gòu)變化是影響腸道菌群組成和胃腸道健康的重要因素[2-3]。全谷物富含多種營養(yǎng)組分（膳食纖維、寡糖、植物化學物質(zhì)、抗氧化維生素和礦物質(zhì)），最重要的其中的膳食纖維，與精致谷物相比，全谷物膳食纖維含量高出80%[4]。然而，全谷物種類、來源和加工方式的不同，DF的結(jié)構(gòu)性質(zhì)也有很大不同；食品加工中酶水解、發(fā)酵、超聲波、高壓、擠壓和動態(tài)高壓微射流等不同處理方式都會影響DF的結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化，造成對機體胃腸道健康產(chǎn)生的作用也不同。

燕麥是目前全谷物進食和社會認可度較高的健康食品之一，含有豐富的膳食纖維，包括β-葡聚糖（Beta-Glucan，BG）、戊聚糖（ArabianGylan，AX）、抗性淀粉（Resistant Starch，RS）以及膳食纖維多酚復(fù)合物等，這些不同結(jié)構(gòu)的膳食纖維組分對機體健康影響存在差異性。已有研究表明，燕麥BG的聚合度和分子量是影響降糖降脂和改善腸道菌群作用兩個關(guān)鍵因素[5-6]，高聚合度大分子的BG降糖降脂效果更為顯著，而低聚合度小分子的BG在腸道更容易發(fā)酵。AX也可以促進益生菌生長，但AX的聚合度以及是否與酚酸結(jié)合都會影響腸道菌群的利用[7]。研究表明，食品中高壓均質(zhì)、酶作用、熱處理、酸堿或抗氧化劑處理等對燕麥可以使燕麥BG的分子解聚，黏性和分子量下降[8]。目前，對燕麥DF的研究主要是BG，其他組分（AX、RS以及膳食纖維和酚酸復(fù)合物等）的研究很少，熱處理對燕麥籽粒的影響以研究滅酶和殺菌為主，不同熱處理對燕麥全谷中膳食纖維結(jié)構(gòu)和對胃腸道健康相關(guān)研究，國內(nèi)外研究報道較少。因此，本文概述不同熱加工方式下全谷燕麥膳食纖維的結(jié)構(gòu)變化及其胃腸道健康的影響。

1 不同熱加工方式對膳食纖維結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

熱加工方式對DF結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有重要影響。膳食纖維包含有多種不同的類型，食物中的難消化性碳水化合物，非淀粉多糖（Non-Starch Polysaccharide，NSP）、抗性淀粉、低聚糖、糖醇等都是膳食纖維的重要組成成分[9]。這些膳食纖維多為細胞壁多糖，且多糖與其他物質(zhì)常常緊密結(jié)合在一起，如大約95%的酚酸和多糖以酯鍵結(jié)合形成膳食纖維-抗氧化復(fù)合（Dietary Fiber-Antioxidant Compound，DF-AC）[10]。不同的熱加工方式可以導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)的改變，影響DF的結(jié)構(gòu)、含量和性質(zhì)。采用擠壓爆破加工可以使小麥水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）的含量由（9.82±0.16）%增加到（16.72±0.28）%，同時持水性和溶脹性也增加，分離后發(fā)現(xiàn)，其中主要的水溶性多糖由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖和半乳糖組成，摩爾比為：0.76∶0.99∶1.00∶0.12，并具有很好的抗氧化能力[11]。采用單螺桿擠壓機在加水量20%，130℃條件下，以轉(zhuǎn)速220 r/min擠壓大麥粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓明顯減少了水不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）的含量，對阿拉伯木聚糖（AX）含量沒有明顯影響，但明顯增加了BG的含量和分子量[12]。在焙烤食品過程中，美拉德反應(yīng)可以增加小麥面包水不溶性膳食纖維（IDF）的含量，且在結(jié)構(gòu)上形成了“膳食纖維-蛋白質(zhì)-美拉德反應(yīng)產(chǎn)物-多酚”復(fù)合物[13]；烘烤過程中美拉德反應(yīng)產(chǎn)物還可以增加蕎麥籽粒木質(zhì)素和半纖維素的釋放，使總膳食纖維（Total Dietary Fiber，TDF）含量增加 26%，同時也增加了對膽汁酸的結(jié)合能力[14]。煮沸和微波加熱不能改變鷹嘴豆NSP含量，但可以增加水溶性組分的含量，原因在于部分半纖維素和果膠的解聚[15]?？Х仍?00℃烘烤處理時，半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖的側(cè)鏈發(fā)生了轉(zhuǎn)糖基作用引起了多糖發(fā)生解聚或脫支[16]。項目組在前期研究中也發(fā)現(xiàn)，突然高溫加熱可以使燕麥β-葡聚糖分子團聚，影響分散性；而高溫持續(xù)加熱則可以使其發(fā)生解聚。因此，熱加工對燕麥DF的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響有必要深入研究。

2 不同熱加工方式對燕麥膳食纖維結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響

不同熱加工對燕麥DF含量、結(jié)構(gòu)性質(zhì)有重要影響。燕麥富含多種營養(yǎng)素，特別引起關(guān)注的是燕麥水溶性功能性膳食纖維-β-葡聚糖。早在1997年，美國FDA就指出，每日膳食中包含3 g（每餐含0.75 g BG）燕麥餐可以減少心血管疾病發(fā)生的風險；到2011年，歐盟食品安全署（EFSA）明確指出每天膳食中增加3 g大麥或燕麥BG可以減少血液中的低密度脂蛋白膽固醇水平，食品中至少應(yīng)該每30 g碳水化合物包含4 g BG才可以減少餐后血糖增加。然而，不同食品加工因素造成的BG含量及結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變有可能使其喪失生理有效性，這對上述建議是個挑戰(zhàn)[5]。已有許多熱加工影響燕麥β-葡聚糖含量的研究，對燕麥窩窩“三熟”工藝研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：炒熟處理燕麥BG含量降低，燙熟蒸熟則升高[17]；220℃時遠紅外烘烤燕麥麩可以顯著提高DF含量[18]；以110℃，1.00 m/s的速率過熱蒸汽處理燕麥籽粒10min～14min可以增加燕麥DF的黏度[19]；有效的熱處理還可以影響DF的表面特性，改變SDF/IDF比例[20]。然而，也有研究表明，熱處理（95℃和120℃）可以降低燕麥BG的分子量和黏度，這種對DF組分的降解與提取物中所包含的植酸、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)以及抗氧化成分有關(guān)[21]。通常認為，在溶液中，高溫有利于大分子BG的溶解和分散，90℃下燕麥BG的相對分子質(zhì)量（Relative Molecular Mass，Mr）可達 2.4×106，而低溫時BG趨向于聚集，在25℃下Mr為3.7×104[22]，由于BG的溶解性與分子中存在的β-（1→3）糖苷鍵的多少有關(guān)，推測不同熱加工可能引起B(yǎng)G分子空間結(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)的改變。

3 燕麥膳食纖維組分結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化對機體胃腸道健康的影響

3.1 燕麥膳食纖維組分通過影響上消化道和營養(yǎng)素吸收而影響胃腸道健康

富含燕麥及其DF組分的食物在人和動物胃腸道上部（胃和小腸）可以影響食糜的黏度、胃排空以及食糜向消化道后部的推送時間，也會影響消化酶與營養(yǎng)物質(zhì)的作用和胃腸道激素的釋放。燕麥BG是一種均一粘性多糖，其分子量和在不同食物中存在的形式會影響?zhàn)ざ群惋柛垢衃22]，連續(xù)灌胃3周，給予小鼠1 mL 10%的燕麥β-葡聚糖、燕麥片、燕麥面粉和燕麥麩皮懸浮液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BG可以增加腸道食糜黏度，顯著延緩胃排空，促進小腸蠕動，降低小腸粘膜Na+-K+-ATP酶活性及粗脂肪、粗蛋白和淀粉的消化率[23]。飽腹感可以刺激相關(guān)激素的釋放和信號表達，如胰高血糖素樣肽-1（Glucagon-Like Peptide1，GLP-1）、酪酪肽、瘦素、胃動素和膽囊收縮素[24]。所有營養(yǎng)素中，碳水化合物是增強餐后胃動素釋放的最有效的營養(yǎng)素，研究發(fā)現(xiàn)大麥BG可以通過調(diào)節(jié)胃動素和酪酪肽的釋放影響食欲[25]。本課題組前期也證實，燕麥產(chǎn)品隨著BG含量的增加，胃動素和膽囊收縮素分泌量也明顯增多[23]。另外，食物的粒度和加工方式可能比膳食纖維的含量更能影響胃排空，這會影響到食物通過胃腸道的時間，食物在胃腸停留時間短，能夠快速進入大腸，影響大腸有毒物質(zhì)的排出[26]。

3.2 燕麥膳食纖維組分在大腸發(fā)酵改善腸道菌群組成而影響胃腸道健康

DF在胃和小腸不能被消化酶消化吸收，會進入大腸進行發(fā)酵降解，一方面能夠影響腸道菌群的組成；另一方面可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物，在維持機體胃腸道健康方面起著重要作用。包含阿拉伯木聚糖（AX）和（或）β-葡聚糖（BG）的谷物可以改變腸道黏度，選擇性刺激益生菌生長和影響腸道菌群代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的模式[27]；燕麥麩皮富含BG，比富含AX的黑麥和小麥麩更容易發(fā)酵產(chǎn)生擬桿菌和乳桿菌[9]。熱處理的燕麥糊是一種適合于乳酸菌和酵母菌發(fā)酵的介質(zhì)，其中BG含量和黏度是其發(fā)酵的關(guān)鍵[28]。小分子燕麥β-葡聚糖對瑞士乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和長雙歧桿菌的生長具有明顯促進作用[29]。體外發(fā)酵不同DF（燕麥β-葡聚糖、亞麻籽膠和香豆膠），培養(yǎng)豬腸道內(nèi)容物，采用變性梯度凝膠電泳（Denatured Gradient Gel Electrophoresis，DGGE）分析細菌 16S 核糖體 RNA（16S ribosomal RNA，16SrRNA），發(fā)現(xiàn)燕麥組分增加了產(chǎn)丁酸菌擬桿菌和厚壁菌門的數(shù)量[30]。本課題組最新研究表明，大分子燕麥β-葡聚糖還可以增加肥胖大鼠擬桿菌門和厚壁菌門細菌數(shù)量，其中優(yōu)勢菌為酸桿菌門、螺旋體門、梭桿菌門和粘膠球形菌門。此外，攝入燕麥面粉能夠保持益生菌在胃腸道的活性；燕麥基質(zhì)色拉醬可以通過在連續(xù)乳化相體系中增加流變性和物理穩(wěn)定性而提高乳酸菌的存活性[31]，這表明燕麥組分有可能作為合生元，利于益生菌的存活和定植。

3.3 燕麥膳食纖維組分在大腸發(fā)酵產(chǎn)生不同代謝產(chǎn)物影響胃腸道健康

燕麥中難消化碳水化合物在大腸發(fā)酵可以產(chǎn)生高比例的短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFA），SCFA與結(jié)腸癌發(fā)生、膽固醇代謝和葡萄糖代謝有密切關(guān)聯(lián)，因此，食物或食物成分與SCFA等相關(guān)性在機體內(nèi)的變化已成為目前的研究熱點[32]。體內(nèi)外發(fā)酵表明，燕麥BG發(fā)酵可以產(chǎn)生高比例的SCFA，主要包括乙酸、丙酸、丁酸[23]。燕麥和大麥，如果含有較高的BG、水溶性NSP、抗性淀粉以及高直鏈淀粉/支鏈淀粉比，就有助于在大腸發(fā)酵產(chǎn)生SCFA，特別是丁酸，這對于腸道微生態(tài)環(huán)境以及整個腸道健康具有重要作用[33]。SCFA不僅為機體提供能量，還具有重要生理調(diào)控作用，乙酸是肝臟、大腦、肌肉和心臟等器官和外周組織的能量來源，同時也是脂肪生成途徑的分子信號；丙酸可以抑制高濃度葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素的分泌和抑制脂肪生成酶的活性；相比而言，丁酸能夠維持結(jié)腸上皮細胞的功能以及腸道健康，同時具有抗炎和抗致癌物質(zhì)的特性[34]。短鏈脂肪酸可以激活G蛋白偶聯(lián)受體，G蛋白偶聯(lián)受體41（G Protein-coupled Receptor 41，GPR41）和 G 蛋白偶聯(lián)受體 43（G Protein-coupled Receptor，GPR43）在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中有重要的作用，如乙酸和丙酸激活GPR43是最有效的，GPR43表達于脂肪組織，腸和免疫組織，在能量調(diào)節(jié)和炎癥反應(yīng)中起著重要作用[35]。燕麥BG也可增加膽酸鹽的排出；結(jié)腸益生菌的增加也可降低糞便中與致癌相關(guān)的酶活（如偶氮還原酶、脫羧激酶、硝基還原酶、尿素酶和β-葡萄糖醛酸酶）[30]。燕麥還可以吸收腸道毒物，減少內(nèi)毒素（脂多糖）產(chǎn)生分泌[36]，進一步維持胃腸道健康，預(yù)防和減少結(jié)腸癌的發(fā)生。

4 展望

綜上所述，近年來關(guān)于DF與胃腸道健康的研究進展較快，但還存在以下問題：一是食品熱加工對燕麥DF結(jié)構(gòu)有哪些影響尚不清楚，如熱加工燕麥DF組分是否降解形成復(fù)合物，糖苷鍵是否斷裂，這也是造成一些燕麥加工DF產(chǎn)品生理功效降低的主要原因；二是對燕麥DF營養(yǎng)功效的評價，主要是以BG提取物或食物作為研究對象，評價單組分產(chǎn)生的作用，缺乏多組分營養(yǎng)功效的比較。熱加工燕麥攝入胃腸道后經(jīng)消化吸收變化產(chǎn)生了哪些效應(yīng)，這是決定其營養(yǎng)價值的關(guān)鍵。因此，研究不同熱加工方式對全谷燕麥DF組分（重點BG、AX和RS等）結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化，進一步采用連續(xù)動態(tài)體外模型模擬人體胃腸道消化環(huán)境研究燕麥全谷DF組分對胃腸道健康的作用并研究其對腸道菌群影響和在結(jié)腸發(fā)酵產(chǎn)生代謝產(chǎn)物與DF結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，為深入了解食品熱加工對營養(yǎng)有效成分的影響提供理論依據(jù)，這將對以后與膳食因素引起的相關(guān)疾病的治療提供理論依據(jù)，為居民合理消費全谷物和不同燕麥產(chǎn)品提供科學指導(dǎo)。

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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

國家自然科學基金項目（31671856）

董吉林（1968—），男（漢），副教授，博士，研究方向：谷物營養(yǎng)與加工。

*通信作者：申瑞玲（1967—），女（漢），教授，博士，研究方向：谷物營養(yǎng)與加工。