木糖醇益生功能研究進(jìn)展

葛茵，向沙沙，張亞林，鄭誼青，李勉，朱炫*

1(浙江工商大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州，310000)2(浙江華康藥業(yè)股份有限公司，浙江 開化，324302)

國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《國民營養(yǎng)計(jì)劃(2017—2030年)》提出：近年來，我國人民生活水平不斷提高，營養(yǎng)供給能力顯著增強(qiáng)，國民營養(yǎng)健康狀況明顯改善。但仍面臨居民營養(yǎng)不足與過剩并存、營養(yǎng)相關(guān)疾病多發(fā)、營養(yǎng)健康生活方式尚未普及等問題，成為影響國民健康的重要因素。

飲食中營養(yǎng)成分的消化吸收依賴著人體最重要的系統(tǒng)之一——消化系統(tǒng)。食物依次經(jīng)過口腔咀嚼、胃的分解和腸道消化吸收提供給人體日常所需的能量和營養(yǎng)。人們?nèi)粘z入的食物種類繁多，有很多不被胃腸道分解消化吸收的食物，如復(fù)雜的膳食纖維、多糖、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的蛋白質(zhì)等，基本上靠腸道微生物來解決。因而，龐大的腸道微生物群體被稱為人體獨(dú)立的器官或者第二基因組，在食物消化、營養(yǎng)攝入和宿主健康維持等方面起到了重要作用，腸道菌群紊亂會引發(fā)肥胖、糖尿病、胰島素抵抗等代謝疾病。木糖醇作為低熱量的功能性甜味劑，僅有少量被人體直接吸收，同時只有5%被排出，大量的木糖醇被腸道微生物消化，其在腸道中通過微生物發(fā)揮的作用不容小覷。

1 概述

木糖醇是一種極易溶于水的五羥基糖醇，通常為白色或無色固體，化學(xué)式為C5H12O5。天然木糖醇廣泛存在于水果、蔬菜、谷類中，但是含量非常低。人們最初從植物原料中提取木糖醇，但作為全球市場首要稀有糖醇，天然木糖醇的提取量遠(yuǎn)無法滿足市場需求，因此工業(yè)上常用化學(xué)方法鎳催化水解木糖得到大量木糖醇。如今也利用代謝工程菌如釀酒酵母、假絲酵母等生物技術(shù)方法改進(jìn)生產(chǎn)[1]。

木糖醇基于本身的天然性質(zhì)，在生物醫(yī)藥、食品和其他方面取得了巨大成功。木糖醇入口溶解吸熱，往往伴有微微的清涼感，因此常被用作食品甜味劑替代者和新型冷卻劑[2]。木糖醇無須胰島素促進(jìn)也能透過細(xì)胞膜，供細(xì)胞以營養(yǎng)和能量，且不會引起血糖值升高，還能夠消除糖尿病人服用后的三多癥狀(多食、多飲、多尿)，是最適合糖尿病患者食用的營養(yǎng)性的食用糖代替品。木糖醇與普通的白砂糖相比，甜度相當(dāng)，還具有熱量低的優(yōu)勢——1 g木糖醇僅含有2.4 cal熱量，比其他大多數(shù)碳水化合物的熱量少40%，因而木糖醇可被應(yīng)用于各種減肥食品中，作為高熱量白糖的代用品[3]。

盡管木糖醇在食品中應(yīng)用范圍廣泛，但其在國內(nèi)的應(yīng)用水平卻仍然較低。按照我國人均每年消耗食糖8 kg的標(biāo)準(zhǔn)，如果其中0.1%的糖料由木糖醇替代，則食品工業(yè)應(yīng)該需要木糖醇1萬多噸，累計(jì)醫(yī)藥工業(yè)(1.4萬t)與輕化工業(yè)(0.2萬t)年需求量預(yù)計(jì)，我國木糖醇的年需求量在2.6萬t以上。而實(shí)際上，我國木糖醇產(chǎn)品的應(yīng)用量(2.7萬t以下)不足總產(chǎn)量(9萬t以下)的30%[4-5]。由此可見，木糖醇在國內(nèi)尚有很大的應(yīng)用空間。

2 木糖醇的生物代謝

2.1 木糖醇在人體內(nèi)的代謝

木糖醇是人體代謝的一個中間體，正常成年人每天身體內(nèi)可以合成約15 g木糖醇，在人體正常血液中的質(zhì)量濃度為0.03～0.06 mg/100 mL。木糖醇具有十分重要的生理、生物學(xué)性質(zhì)，會對人體的各種機(jī)能產(chǎn)生積極的影響。木糖醇能參與機(jī)體核酸等的生理合成及機(jī)體解毒過程，糾正蛋白質(zhì)、脂肪、類固醇異常代謝，有強(qiáng)大的抗酮體生成作用，因此可作為糖尿病人機(jī)體代謝異常的調(diào)節(jié)劑和營養(yǎng)劑，肝病的輔助治療劑，手術(shù)前后的能量補(bǔ)充營養(yǎng)劑。

木糖醇在人體中的代謝速度相當(dāng)快，體重70 kg的健康者每日可代謝木糖醇500～600 g，每小時每千克體重約為0.7 g，每克木糖醇全部代謝產(chǎn)生4.06 cal的熱量。研究結(jié)果顯示，木糖醇口服后通過腸道吸收，不受根皮苷及2，4-二硝基苯酚等相抑劑的影響。無論口服還是靜脈注射，進(jìn)入體內(nèi)的木糖醇大約有85%通過肝臟,10%通過腎臟代謝，小部分被血液細(xì)胞、腎上腺皮質(zhì)和其他組織利用。人體肝臟代謝木糖醇的能力約為0.37～0.5 g/kg體重。

根據(jù)13C示蹤原子實(shí)驗(yàn)，服用木糖醇之后的12 h之內(nèi)，攝入的木糖醇有50%～60%變成CO2，通過肺呼出體外，通過在尿液及糞便中排出各2%～10%，還有20%～30%轉(zhuǎn)化成糖原或其他中間產(chǎn)物儲存在細(xì)胞中，有相當(dāng)好的生物利用率[6]。

市面上銷售供食用的木糖醇是D-木糖醇，外源性木糖醇進(jìn)入體內(nèi)很快經(jīng)細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)艾杜糖醇脫氫酶脫氫轉(zhuǎn)化成D-木酮糖，這一過程無需胰島素促進(jìn)而透過細(xì)胞膜，對血糖不產(chǎn)生影響。這是木糖醇用于糖尿病治療的基礎(chǔ)。如圖1所示，木糖醇在體內(nèi)主要參與了葡萄糖醛酸-木酮糖循環(huán)，是由6個碳的葡萄糖醛酸先轉(zhuǎn)化成L-古洛糖酸，然后經(jīng)3-酮L-古洛糖酸轉(zhuǎn)化為L-木酮糖，再經(jīng)木糖醇轉(zhuǎn)化為D-木酮糖，人體中的木糖醇轉(zhuǎn)化成D-木酮糖之后，反應(yīng)生成5-磷酸木酮糖，再轉(zhuǎn)化為5-磷酸核酮糖，這樣葡萄糖醛酸-木酮糖支路就和磷酸戊糖及糖代謝的正常途徑完全相聯(lián)系。

圖1 木糖醇在KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)上的代謝通路[8]Fig.1 Metabolic pathways of xylitol in KEGG

生成6-磷酸果糖后進(jìn)入糖酵解途徑代謝成丙酮酸，最后進(jìn)入三羧酸循環(huán)為機(jī)體提供能量，或者轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)如核糖、琥珀酸等供機(jī)體利用[7]。葡萄糖醛酸-木酮糖循環(huán)將人體不能用在合成反應(yīng)和生化反應(yīng)的葡萄糖醛酸通過一系列反應(yīng)和木糖醇，與磷酸戊糖途徑相連再次循環(huán)到葡萄糖代謝中去。部分木糖醇可代謝成D-木糖，再經(jīng)過一系列反應(yīng)后生成丙酮酸，與檸檬酸循環(huán)相聯(lián)系，還可以往核糖醇、L-阿拉伯糖轉(zhuǎn)化。

2.2 木糖醇的微生物代謝

微生物的木糖醇代謝途徑與人體相似，主要直接或間接轉(zhuǎn)化為木酮糖進(jìn)入磷酸戊糖途徑被代謝。很多微生物如大腸桿菌、酵母等是工業(yè)上以木糖為原料生產(chǎn)木糖醇的優(yōu)良菌株，而腸道中的微生物除了產(chǎn)生能量維持自身或其他微生物的新陳代謝活動外，還產(chǎn)生益于腸道的次級代謝物。已知丙酮酸是碳水化合物代謝成短鏈脂肪酸的重要中間體，因此木糖醇被微生物代謝生成短鏈脂肪酸的主要代謝途徑如圖2所示。其中木糖醇脫氫酶(EC 1.1.1.14)和木糖醇氧化酶(EC 1.1.3.41)、木糖醇還原酶(EC 1.1.1.21)、木糖異構(gòu)酶(EC 5.3.1.5)分別是將D-木糖醇轉(zhuǎn)化為D-木酮糖的2個途徑中的轉(zhuǎn)化酶，木酮糖激酶(EC 2.7.1.17)和磷酸木酮糖異構(gòu)酶(EC 5.1.3.1)是木酮糖進(jìn)入磷酸戊糖代謝途徑重要的2個酶。

圖2 木糖醇被微生物代謝生成短鏈脂肪酸的已知代謝途徑和酶[8]Fig.2 Known metabolic pathways and enzymes metabolized by microorganisms using xylitol to produce short-chain fatty acids

現(xiàn)有研究還沒有發(fā)現(xiàn)木糖醇具有自己的運(yùn)輸系統(tǒng)，有人報(bào)道木糖醇可能與葡萄糖共用碳水化合物磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)[9-10]，KENTACHE等[11]通過插入一個轉(zhuǎn)座子到單增李斯特菌磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中編碼膜蛋白EIIC的基因上，發(fā)現(xiàn)可以阻止阿拉伯糖醇和木糖醇被利用，從而證實(shí)了這一可能。

3 木糖醇對微生物的作用

3.1 腸道微生物

結(jié)腸中生活著1013～1014個微生物，將近是人體所有細(xì)胞總量的100倍，因此腸道微生物也被稱為人體獨(dú)立的器官或者第二基因組。腸道微生物菌群具有許多基本功能，最重要的作用之一是能量獲取。腸道微生物在食物消化中起到了重要作用，例如植物細(xì)胞壁上的幾種多糖降解酶不是由宿主細(xì)胞編碼，而是由腸道中某些菌基因的特異表達(dá)。部分?jǐn)z入的食物經(jīng)微生物分解之后才能被腸道細(xì)胞吸收，為宿主提供營養(yǎng)和能量，影響宿主的生理健康[12]。

腸道微生物還被報(bào)道參與致病菌感染的抑制、免疫系統(tǒng)的增強(qiáng)及維生素的合成，與胃炎、炎癥性腸炎、腸易激綜合征、腸乳糜瀉等胃腸道疾病，肥胖、糖尿病、胰島素抵抗等代謝疾病也有關(guān)，甚至還通過腦-腸軸影響老年癡呆、自閉癥譜系障礙、帕金森病和臨床抑郁癥等神經(jīng)性疾病[13-14]。同時，生病的機(jī)體也會反過來進(jìn)一步加重腸道菌群的失調(diào)。

宿主與腸道微生物之間的對話影響著人體健康，但并不是只有機(jī)體出現(xiàn)問題時，腸道微生物與宿主才會交流。在健康的宿主中，生活在結(jié)腸中的數(shù)以萬億計(jì)的微生物也在勤勤懇懇地工作，維持自身平衡的同時，促進(jìn)宿主攝取能量和營養(yǎng)、改善和維持宿主健康、預(yù)防各種疾病的發(fā)生。因此，近年來，腸道菌群已成為了食品消化和生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

3.2 木糖醇對腸道菌群的影響

作為一類難消化性碳水化合物，木糖醇與部分益生元相似的性質(zhì)引起了科學(xué)家們的好奇，通過一系列實(shí)驗(yàn)探究木糖醇與腸道微生物、代謝標(biāo)志物之間的關(guān)系。例如喂養(yǎng)大鼠高劑量木糖醇[1.5～4.0 g/(kg·d)]的高脂飲食可以促進(jìn)脂質(zhì)的代謝。補(bǔ)充低和中劑量的木糖醇[40和194 mg/(kg·d)]，可以顯著改變老鼠腸道微生物的組成，但是脂質(zhì)代謝沒有明顯變化，因此推測腸道微生物通過來源于膳食纖維的短鏈脂肪酸抑制脂肪的積累[15]。葡聚糖和木糖醇組合增加了所有短鏈脂肪酸的濃度，特別是乙酸鹽和丙酸鹽，降低了支鏈脂肪酸水平，而生物胺水平基本保持不變[16]。木糖醇對小鼠腸道微生物群和尿液中異黃酮的分泌也有影響，喂養(yǎng)黃豆苷元的兩組雄性小鼠中飲食添加木糖醇組，相比于對照組血漿中膽固醇濃度明顯降低，尿液中異黃酮量升高，排泄物中脂質(zhì)含量顯著增加。這些結(jié)果說明木糖醇可能通過腸道微生物或腸道代謝活動影響大豆苷元的代謝[17]。木糖醇和山梨糖通過體外糞漿發(fā)酵可以顯著促進(jìn)丁酸鹽的產(chǎn)生，可能與Anaerostipeshadrus或者Anaerostipescaccae這2種菌代謝相關(guān)的微生物豐度升高有關(guān)，在人體結(jié)腸中有12種典型的丁酸鹽產(chǎn)生菌，只有以上2種菌產(chǎn)生的丁酸鹽來自于山梨糖和木糖醇，但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)A.hadrusDSM 3319體外純培養(yǎng)并不能利用木糖醇[18]。還有一些研究發(fā)現(xiàn)木糖醇可以增加小鼠中腸道微生物有益微生物的生長，如雙歧桿菌和乳桿菌。

此外木糖醇對許多致病菌都有抑制作用，如對口腔中的變形鏈球菌，可以影響其細(xì)胞結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞膜上脂多糖水平、減少細(xì)菌在牙齒上的粘附性從而減少牙齒菌斑，起到預(yù)防和治療齲齒發(fā)生的作用[19-20]；還可以抑制肺炎鏈球菌的生長，從而可以預(yù)防嬰幼兒急性中耳炎的發(fā)生[21]，F(xiàn)ERREIRA等[22]猜測木糖醇通過抑制微生物膜形成，進(jìn)而通過抗黏附性來抑制微生物的生長。很多研究也證實(shí)木糖醇對致病菌生物膜的形成具有抑制作用。

4 研究手段

4.1 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常指通過活的生物體測試各種物質(zhì)對生物實(shí)體的整體影響，而不是一個部分或死亡的生物體。因此，動物試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)是體內(nèi)研究的主要內(nèi)容。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常以動物或人為實(shí)驗(yàn)對象。動物實(shí)驗(yàn)通常采用小鼠為模型。目前，小鼠模型仍然是絕大多數(shù)微生物組學(xué)方面研究的首選。通過在飼料中添加不同劑量的木糖醇飼喂實(shí)驗(yàn)用小鼠，收集小鼠的糞便和盲腸，測定腸道菌群變化。小鼠實(shí)驗(yàn)可以初步探究腸道微生物組成、短鏈脂肪酸、微生物代謝及小鼠生理健康的有何變化。魏濤等[23]以1月齡雄性小鼠為實(shí)驗(yàn)對象，采取灌胃法，每日灌胃一定劑量，研究木糖醇調(diào)節(jié)胃腸道菌群的作用。UEBANSO等[15]采用成對喂食法控制小鼠木糖醇的攝取量。木糖醇濃度根據(jù)日攝水量和體重計(jì)算，每1～2 d調(diào)整1次飲用水中木糖醇的濃度，以調(diào)節(jié)木糖醇的消耗。探究了攝入低劑量或中等劑量木糖醇對小鼠的腸道菌群及脂質(zhì)代謝的影響。但目前仍無通過給予腸道微生物移植小鼠模型以木糖醇的相關(guān)實(shí)驗(yàn)來研究木糖醇在微生物與相關(guān)疾病因果關(guān)系中的作用。

但小鼠與人的腸道微生物組成存在明顯不同，無法很好地將小鼠模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推論至人體。通過健康志愿者攝入木糖醇的人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛳鄬Ω鼫?zhǔn)確的評估木糖醇對人體腸道微生物的組成、代謝影響。SALMINEN等[24]研究了健康人志愿者中木糖醇對糞便微生物菌群數(shù)量和質(zhì)量的影響。沒有接觸過膳食中的木糖醇補(bǔ)充劑的健康志愿者在禁食一夜后口服木糖醇溶液，采集糞便樣本進(jìn)行檢測。探究了木糖醇對人糞便微生物的影響。然而，因?yàn)槭茉囌叩膫€體差異、飲食習(xí)慣等因素的差異，試驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差。

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)存在著倫理限制、在腸道不同區(qū)域取樣、試驗(yàn)周期長等種種困難，且體內(nèi)研究主要依靠終點(diǎn)數(shù)據(jù)，通常來自糞便樣本，這意味著沿胃腸道動態(tài)監(jiān)測腸道微生物群是難以實(shí)現(xiàn)的，因此很難確定特定干預(yù)措施在何處發(fā)揮作用。但體內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常比體外實(shí)驗(yàn)更適合觀察活體實(shí)驗(yàn)的整體效果，能夠更好地反映木糖醇對腸道菌群的影響。

4.2 體外實(shí)驗(yàn)

體外實(shí)驗(yàn)是指在體外使用從其通常的生物學(xué)環(huán)境中分離的生物體組分進(jìn)行研究。體外腸道模型就是一種用來探究人體腸道菌群在疾病狀態(tài)、飲食干預(yù)和藥物治療后的生長和代謝變化的體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

體外腸道模型系統(tǒng)提供了一種快速、簡單、經(jīng)濟(jì)的方法來研究一個或多個腸段，或沿著整個胃腸道的腸道微生物群。體外靜態(tài)發(fā)酵模型和體外動態(tài)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)是2種常用的體外發(fā)酵模型。體外靜態(tài)發(fā)酵模型受營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)菌代謝產(chǎn)物的限制，不能反映整個腸道菌群。體外動態(tài)連續(xù)發(fā)酵模型可以模擬結(jié)腸的單個區(qū)域或整個結(jié)腸，其穩(wěn)定的控制狀態(tài)與人體腸道類似。SATO等[8]在體外人糞便培養(yǎng)物中研究木糖醇和山梨糖對腸道菌群的影響。胥媛媛等[25]通過單相連續(xù)發(fā)酵模型培養(yǎng)人糞便菌群，來模擬分析木糖醇補(bǔ)充下微生物群及其代謝產(chǎn)物的變化。MAKELAINEN等[16]則通過4個順序連接的玻璃容器(分別代表升結(jié)腸、橫結(jié)腸、降結(jié)腸、直腸末端)組成半連續(xù)厭氧培養(yǎng)系統(tǒng)來更精確地模擬人體結(jié)腸，以評估候選益生元菊葡萄糖和木糖醇的有益特征，并為其益生元特性提供證據(jù)。總體而言目前通過體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M木糖醇對人體的益生功能及其機(jī)制的研究成果較少，有待體外實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展來使得相關(guān)研究豐富與完善。

體外實(shí)驗(yàn)相比體內(nèi)實(shí)驗(yàn)利用整個生物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了更簡單，更方便和更詳細(xì)的分析且擺脫了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的倫理道德限制。體外實(shí)驗(yàn)工作簡化了正在研究的系統(tǒng)，因此研究者可以專注于少數(shù)組件的研究，來探索基本生物學(xué)功能。相比人體和小鼠實(shí)驗(yàn)體外腸道模型能夠監(jiān)測微生物群的變化，根據(jù)微生物數(shù)量和代謝活動，歸因于特定疾病、底物或抑制物。正如在整個動物的研究逐漸取代人類實(shí)驗(yàn)，體外實(shí)驗(yàn)也正逐漸取代對整個動物的研究。但所有的體外腸道模型都有其局限性，主要與生理相關(guān)性降低有關(guān)。這樣的系統(tǒng)也并不總是提供體內(nèi)發(fā)生的準(zhǔn)確模型，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ι掀ゐつぁ⑺拗髅庖呦嗷プ饔煤蜕窠?jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)功能[26]。從體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果外推到完整生物體的生物學(xué)也具有一定挑戰(zhàn)性。進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)的研究者必須小心避免對其結(jié)果的過度解釋，否則可能導(dǎo)致關(guān)于有機(jī)體和系統(tǒng)生物學(xué)的錯誤結(jié)論。

5 研究的發(fā)展方向意義

根據(jù)近些年來對木糖醇的各類研究可知，其具有利于牙齒健康、減少脂肪累積、促進(jìn)骨骼健康、提高機(jī)體免疫力等功能。故木糖醇作為功能性甜味劑，被廣泛應(yīng)用在各種食品中，是糖尿病患者、肥胖患者的優(yōu)良食糖替代品。然而飲食中大部分被人體攝入的木糖醇是由腸道微生物消化的。木糖醇具有如膳食纖維、多糖等益生元一樣，可被微生物選擇性利用，產(chǎn)生有益于人體代謝物的益生功能?，F(xiàn)有的木糖醇對腸道微生物的研究顯示木糖醇對腸道菌群的調(diào)節(jié)及人類的健康具有有利的影響，尤其對于治療和預(yù)防某些疾病起到輔助的作用，但對其深入的益生作用機(jī)理及作用效果研究缺乏。所以目前關(guān)于木糖醇研究的關(guān)鍵是通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)手段探討木糖醇的益生作用、作用位點(diǎn)和作用方式。對其益生機(jī)制的研究，挖掘它更多的益生效應(yīng)，有利于進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用空間，充分發(fā)揮其巨大潛力。