褐藻膳食纖維對(duì)機(jī)體代謝及其腸道菌群調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展

黃娟 黃金莉 李瑤 邱霞 孫占一 李華軍

摘 要：褐藻膳食纖維（海藻酸鹽，Alg）是存在于海洋食用藻類中的一種酸性多糖，具有多種生物活性作用。研究表明，褐藻膳食纖維可有效地改善腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)，通過(guò)菌群代謝膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)物調(diào)節(jié)宿主機(jī)體的代謝水平，從而改善肥胖、糖尿病等代謝相關(guān)性疾病。從作為食品添加劑的角度出發(fā)，對(duì)褐藻膳食纖維作用于人和動(dòng)物模型體重、血糖、脂代謝以及腸道菌群的效果加以綜述，并探討其潛在機(jī)制，為海洋功能性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：褐藻膳食纖維;機(jī)體代謝;腸道菌群;代謝性疾病

研究表明，膳食纖維可有效地改善腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)，通過(guò)菌群代謝膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)物調(diào)節(jié)宿主機(jī)體的代謝水平[1-3]。近年來(lái)，褐藻膳食纖維因安全無(wú)毒且具有多種生物活性，尤其在控制食欲調(diào)節(jié)體重、調(diào)節(jié)血糖和脂質(zhì)代謝以及調(diào)節(jié)腸道菌群方面表現(xiàn)出色，進(jìn)入了廣大研究人員的視野。

1 褐藻膳食纖維的來(lái)源和主要生物活性

褐藻膳食纖維是一種從深色海藻中提取的活性物質(zhì)，以水不溶性鹽的形式存在于褐藻細(xì)胞壁中，是一種酸性凝膠多糖[4]。近年來(lái)，褐藻膳食纖維作為綠色健康的食品，被廣泛添加于面包、代餐品等食品行業(yè)中，并且因其水溶液和凝膠特性，被廣泛應(yīng)用于3D生物打印材料、緩釋材料、納米粒、醫(yī)用敷料等領(lǐng)域[5]。研究表明，褐藻膳食纖維還具有抗腫瘤、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、消炎抗菌、調(diào)節(jié)血脂、調(diào)節(jié)血糖以及控制體重等生物學(xué)功效[6]。

2 褐藻膳食纖維對(duì)機(jī)體代謝的調(diào)節(jié)作用

2.1 褐藻膳食纖維對(duì)食欲、體重的調(diào)節(jié)作用

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在日常飲食中添加褐藻膳食纖維具有負(fù)能量平衡的效果，可以降低食欲，減少能量攝入，從而達(dá)到控制體重的目的[7-8]。褐藻膳食纖維是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸構(gòu)成的聚合物，M與G比例的不同可影響褐藻膳食纖維的凝膠強(qiáng)度[9]。Ohta等[10]研究了不同M∶G比例的褐藻膳食纖維對(duì)SD大鼠攝食量和體重的影響。飼喂2周后，高G組總攝食量和體重增量明顯低于其他飼料組;4周后與對(duì)照組相比，高G和高M(jìn)褐藻膳食纖維飲食組大鼠的腹部和背部脂肪組織的總重量均顯著降低，高G組體重減輕最為明顯。Kuda等[11]分別用0.4%、2%、10%低分子量（50 kDa）解聚的褐藻膳食纖維干預(yù)雄性SD大鼠，1周后他們發(fā)現(xiàn)高劑量（10%）褐藻膳食纖維可顯著降低大鼠的體重增量。值得注意的是，隨后他們用2%高分子量（780 kDa）和相同濃度低分子量（49 kDa）的褐藻膳食纖維干預(yù)大鼠2周，但并未發(fā)現(xiàn)高低分子量在降低體重上有顯著性差異[12]。

在人體干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，給正常成年人服用高粘度（86 cP）褐藻膳食纖維飲料3～4 h后，與低粘度（28.5 cP）相比，受試者的饑餓評(píng)分和饑餓曲線下面積（AuC）顯著降低，且只需要在250 mL飲料中加入0.25 g褐藻膳食纖維即可達(dá)到此效果[13]。Peters等[14]調(diào)查了25名受試者服用褐藻膳食纖維后的飽足感，發(fā)現(xiàn)與弱凝膠褐藻膳食纖維相比，服用強(qiáng)凝膠褐藻膳食纖維飲料（6 g/325 mL）后，飽腹感明顯增加。Georg Jensen等[15]觀察20名受試者，分別讓其攝入低劑量（9.9 g/330 mL）、高劑量（15.0 g/500 mL）褐藻膳食纖維飲料及等體積安慰劑飲料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高劑量的Alg可顯著增加飽腹感，減少受試者對(duì)食物的攝入。Appleton等[16]研究顯示，30名超重受試者飲用含有0.4%和0.8%褐藻膳食纖維的代餐飲料，與對(duì)照組和0.4%的Alg飲料相比，0.8%的Alg飲料更能抑制饑餓感，但并不影響受試者食物攝入量。Georg Jensen等[17]隨后用3%褐藻膳食纖維（50 000 kDa，15 g/500 mL）和500 mg CaCO3改進(jìn)之前的飲料配方，并招募了96名肥胖受試者，連續(xù)12周，1 d 3次于每頓主餐前分別給予他們褐藻膳食纖維和對(duì)照負(fù)荷補(bǔ)充劑飲料，同時(shí)限制每天的能量攝入（2 300 kcal/d）。12周后發(fā)現(xiàn)，兩組間體重和脂肪減少無(wú)顯著性差異，但是褐藻膳食纖維組的體重下降要比安慰劑組多，有顯著差異。

2.2 褐藻膳食纖維對(duì)血糖的調(diào)節(jié)作用

由于褐藻膳食纖維的高粘度和膠凝性，可能對(duì)餐后血糖和胰島素的調(diào)節(jié)有著有益影響[18]。Kimura等[19]通過(guò)口服葡萄糖耐量試驗(yàn)（OGTT）檢測(cè)天然褐藻膳食纖維（2 700 kDa，AG-270）和平均分子量為10（AG-1）、50（AG-5）和100（AG-10）kDa的褐藻膳食纖維對(duì)大鼠（50 mg/只）餐后血糖和胰島素水平的影響，結(jié)果顯示，AG-270和AG-10可抑制給藥30 min后血糖和胰島素水平的升高;AG-5可抑制給藥30和60 min后血糖水平的升高，但不影響胰島素水平;AG-1對(duì)膽固醇排泄和糖耐量無(wú)影響。除了褐藻膳食纖維本身的凝膠性質(zhì)，飲食中鈣的存在對(duì)于褐藻膳食纖維調(diào)節(jié)餐后血糖反應(yīng)也十分重要。Ohta等[10]在實(shí)驗(yàn)性糖尿病大鼠飼料中添加2.5%不同M∶G比（0.5、1.3、2.1）的褐藻膳食纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論M∶G比例如何，在飲食中聯(lián)合使用褐藻膳食纖維和鈣都能顯著降低餐后血糖反應(yīng)，而單獨(dú)使用褐藻膳食纖維和鈣均沒(méi)有顯著效果。Murray等[20]用加鈣的褐藻膳食纖維配方的液體喂養(yǎng)的成年雌性獵狗11 d，與其他腸內(nèi)配方相比，食用加鈣的褐藻膳食纖維對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化沒(méi)有負(fù)面影響，且能有效地降低淀粉消化和葡萄糖吸收速率，從而在不降低血清胰島素濃度的情況下維持血糖濃度。

相關(guān)人體試驗(yàn)，Paxman等[21]報(bào)道了在含100 mg CaCO3飲料中加入粘性褐藻膳食纖維（1.5 g/100 mL，320 cP）可使BMI>25 kg/m2的受試者的餐后血糖降低[21]。Wolf等[22]讓30名健康的非糖尿病成年人服用含有強(qiáng)凝膠褐藻膳食纖維、檸檬酸鹽和鈣的纖維復(fù)合物飲料，3 h內(nèi)監(jiān)測(cè)血糖和胰島素變化。與安慰劑組相比，攝入褐藻膳食纖維復(fù)合飲料后，受試者血糖基線AUC在180 min時(shí)減少了75%，血清胰島素平均峰值增量的變化更高。另一項(xiàng)對(duì)40名健康男性血糖預(yù)負(fù)荷干預(yù)的研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，服用離子膠褐藻膳食纖維飲料后會(huì)使個(gè)體血糖基線AUC的平均變化顯著降低52.5%，餐后90 min的血糖平均峰值降低14%，表明離子膠褐藻膳食纖維可減弱進(jìn)餐后的血糖反應(yīng)，降低餐后血糖峰值[23]。

2.3 褐藻膳食纖維在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝方面的作用

研究表明，褐藻膳食纖維對(duì)胰腺脂肪酶活性的調(diào)節(jié)具有重要作用，對(duì)改善高血脂、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝有積極的效果[24-26]。Wilcox等[24]通過(guò)酶法測(cè)定了在合成底物和天然底物存在下，褐藻膳食纖維對(duì)胰腺脂肪酶的最大抑制率分別為72.2%和58.0%，高G褐藻膳食纖維對(duì)胰脂酶的抑制作用明顯高于高M(jìn)褐藻膳食纖維，表明抑制作用與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，提出高G褐藻膳食纖維是胰腺脂肪酶的有效抑制劑。Nakazono等[25]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由酶解法得到的褐藻膳食纖維不僅可抑制胰腺脂肪酶的活性，還能抑制分化的3T3-L1脂肪細(xì)胞中的脂質(zhì)蓄積，對(duì)脂肪細(xì)胞有直接作用。Chater等[26]通過(guò)比濁脂肪酶活性測(cè)定法發(fā)現(xiàn)三種褐藻[結(jié)節(jié)藻（A.nodosum）、泡囊藻（F.vesiculosus）、小管藻（P.canaliculata）]的勻漿物、碳酸鈉提取物和乙醇提取物均對(duì)脂肪酶有著顯著的抑制作用。

Xiong Wang等[27]連續(xù)4周給C57BL/6J雄性小鼠肥胖模型灌胃褐藻膳食纖維（50 mg/kg）溶液后，與對(duì)照組相比，模型組小鼠的體重、血糖、血清中甘油三酯和總膽固醇以及脂多糖的含量均顯著下降。另一研究也發(fā)現(xiàn)，連續(xù)4周給昆明小鼠肥胖模型灌胃酶促降解的褐藻膳食纖維（UAOS，20～50 kDa，M∶G=1.66），可顯著降低模型組小鼠的體重、血脂（包括甘油三酯、總膽固醇和游離脂肪酸）、肝臟重量、血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的水平，以及減少活性氧的生成和蓄積[28]。

褐藻膳食纖維在調(diào)節(jié)人體血脂水平方面，Paxman等[21]的實(shí)驗(yàn)報(bào)告表明，血液中葡萄糖、甘油三酯和膽固醇的水平會(huì)隨著體內(nèi)脂肪的增加而增加，但給超重和正常體重受試者食用強(qiáng)凝膠褐藻膳食纖維（1.5 g/100 mL）飲料后，即可消除膽固醇和體脂百分比之間的強(qiáng)相關(guān)性，但對(duì)餐后血膽固醇峰值和甘油三酯濃度沒(méi)有影響?；啬c造瘺患者在每天食用含有7.5 g褐藻膳食纖維的低纖維餐2周后，脂肪排泄增加140%，回腸脂肪吸收顯著減少，然而膽汁酸排泄減少12%，重吸收略有增加[29]，但在Georg Jensen等[17]的研究中受試者補(bǔ)充以褐藻膳食纖維為基礎(chǔ)的飲料12周后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)褐藻膳食纖維對(duì)受試者血漿膽固醇或甘油三酯水平有顯著影響[17]。

3 褐藻膳食纖維對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

Xiong Wang等[27]用褐藻膳食纖維干預(yù)小鼠4周后，檢測(cè)糞便中短鏈脂肪酸含量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)褐藻膳食纖維干預(yù)后，糞便中短鏈脂肪酸水平顯著提高，且乙酸和丁酸水平變化較大，表明褐藻膳食纖維能重塑腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)膳食纖維發(fā)酵。Moemi等[30]通過(guò)腸道菌群16S rRNA基因高通量分析了連續(xù)2周服用2%低分子量（50 kDa）褐藻膳食纖維的ICR小鼠的盲腸微生物群，發(fā)現(xiàn)在門類水平的豐度上擬桿菌屬較高。從腸道中分離出的酸性擬桿菌PS-4（Bacteroidesacidifaciens PS-4）可使褐藻膳食纖維和海帶多糖發(fā)酵產(chǎn)生琥珀酸鹽，因而將酸性擬桿菌看作是對(duì)褐藻膳食纖維敏感的固有菌群。Hoebler等[31]用含褐藻膳食纖維的基礎(chǔ)日糧連續(xù)飼喂公豬5 d后處死，取胃、小腸、盲腸和結(jié)腸進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)日糧中添加的褐藻膳食纖維在胃中以不溶性鹽的形式存在，在回腸和結(jié)腸中部分溶解，通過(guò)結(jié)腸中微生物的發(fā)酵作用顯著增加了該部位短鏈脂肪酸和短鏈羧酸的濃度，使消化液pH值下降。

Bai等[32]通過(guò)轉(zhuǎn)座子誘導(dǎo)，從一株高產(chǎn)藻酸鹽的銅綠假單胞菌PAO1突變體中獲得了實(shí)驗(yàn)所用的細(xì)菌源性褐藻膳食纖維。收集正常人新鮮糞便，利用體外發(fā)酵系統(tǒng)發(fā)酵（海藻組、細(xì)菌組、可溶性淀粉組），在24、48、72 h時(shí)采集樣品，分析褐藻膳食纖維對(duì)細(xì)菌群落構(gòu)成及短鏈脂肪酸產(chǎn)生的影響;同時(shí)，用10倍稀釋法將72 h的發(fā)酵樣品涂抹在瓊脂平板（+5 g/L海藻酸）上，用薄層色譜分析糞便微生物對(duì)褐藻膳食纖維的降解情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌源性褐藻膳食纖維能被所有糞便標(biāo)本中的微生物群降解，能顯著提高腸道中類桿菌、克雷伯氏菌和普氏桿菌的構(gòu)成比;此外，72 h發(fā)酵后海藻組和細(xì)菌組中的乙酸、丙酸、丁酸及總SCFA的產(chǎn)量無(wú)差異，但濃度均高于可溶性淀粉組。Miaomiao Li等[33]的研究從人糞便樣品中分離出了具有顯著降解褐藻膳食纖維能力的細(xì)菌，經(jīng)鑒定為卵形擬桿菌、木聚糖擬桿菌和太古擬桿菌。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，服用褐藻膳食纖維可以提高短鏈脂肪酸的生產(chǎn)水平[33]。

相關(guān)人體試驗(yàn)，Terada等[34]讓8名健康男性志愿者每天1次連續(xù)2周食用含10 g褐藻膳食纖維的飲食，發(fā)現(xiàn)志愿者糞便中雙歧桿菌數(shù)量顯著增加，腸桿菌科細(xì)菌數(shù)量和卵磷脂酶陰性梭狀芽孢桿菌的出現(xiàn)頻率呈下降趨勢(shì)，其他微生物的水平?jīng)]有發(fā)生顯著變化。2周后，糞便中氨和糞臭素的濃度顯著降低，糞便氣味明顯改善，而乙酸和丙酸的濃度顯著升高。另有對(duì)11名營(yíng)養(yǎng)不良和口服攝入不足需要腸內(nèi)喂養(yǎng)的老年患者的研究表明，持續(xù)4周給予患者含褐藻膳食纖維（1.1 g/100 mL）配方的液體，4周后收集并檢測(cè)糞便標(biāo)本，顯示糞便pH值明顯降低，糞便中短鏈脂肪酸的濃度沒(méi)有明顯變化，但血液樣品中的乙酸和丙酸含量則顯著增加。此外，糞便微生物群中的梭狀芽胞桿菌的比例也顯著增加，間接反映了飲食結(jié)構(gòu)的變化[35]。

4 褐藻膳食纖維調(diào)節(jié)機(jī)體代謝和腸道菌群的作用機(jī)制

通常認(rèn)為，褐藻膳食纖維在改善肥胖和調(diào)節(jié)餐后血糖作用與其凝膠性質(zhì)有關(guān)。Kimura等[19]用褐藻膳食纖維直接灌流大鼠空腸，發(fā)現(xiàn)并不影響葡萄糖的吸收，因此認(rèn)為褐藻膳食纖維對(duì)膽固醇排泄和葡萄糖耐量的影響可能是由于褐藻膳食纖維在胃中的凝膠化作用抑制了膽固醇和葡萄糖在小腸中的吸收。Liping Guo等[36]用含褐藻膳食纖維的營(yíng)養(yǎng)液（0.2%Ca2+，0.7%Alg）每周3次灌胃雄性SD大鼠3周，最后一次灌胃4 h后，在大鼠胃中觀察到清晰的凝膠團(tuán)，提示這可能影響胃的擴(kuò)張并延長(zhǎng)胃排空時(shí)間，從而導(dǎo)致食物攝入減少。Kristensen等[18]提出了胃排空的延遲、消化物的粘度增加以及褐藻膳食纖維凝膠形成后小腸中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收的減慢可能是影響食欲從而改善治療肥胖和糖尿病的潛在機(jī)制[18]。除了胃排空延遲外，褐藻膳食纖維還可增加消化液的粘度而干擾小腸對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響機(jī)體糖脂代謝[37]。另外，褐藻膳食纖維本身的濃度和粘度以及鈣的存在對(duì)降低餐后血糖也有影響[10，19-21，23]。

人體腸道中產(chǎn)生短鏈脂肪酸的主要細(xì)菌有類桿菌、雙歧桿菌、鏈球菌、真芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌和乳桿菌，它們可以代謝發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生各種單鏈脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和琥珀酸）[38]。Terada等[34]發(fā)現(xiàn)，褐藻膳食纖維可促進(jìn)雙歧桿菌的生長(zhǎng)，同時(shí)增加結(jié)腸中短鏈脂肪酸含量。短鏈脂肪酸和短鏈羧酸參與厭食性腸肽的釋放過(guò)程，丁酸和丙酸直接與飽腹感胃腸激素的表達(dá)有關(guān)，如胰高血糖素樣肽-1、肽YY、膽囊收縮素等[39]。胰高血糖素樣肽-1和肽YY可以顯著延長(zhǎng)胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，短鏈脂肪酸反過(guò)來(lái)又可以通過(guò)影響激素調(diào)節(jié)進(jìn)而改變腸道微生物的組成結(jié)構(gòu)，與腸道菌群相互作用相互影響[40]。因此短鏈脂肪酸是連接褐藻膳食纖維和機(jī)體代謝以及腸道菌群的橋梁，褐藻膳食纖維對(duì)食欲的影響、對(duì)血糖和脂質(zhì)代謝以及對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)，都直接或間接依托短鏈脂肪酸發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)論與展望

褐藻膳食纖維作為不被人體直接消化吸收的膳食纖維，能在胃中形成凝膠、延長(zhǎng)胃排空時(shí)間，進(jìn)而降低食欲，減少對(duì)能量的攝取，有助于肥胖患者體重的減輕。此外，褐藻膳食纖維可增加消化液的粘度，調(diào)整小腸對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，調(diào)節(jié)餐后血糖和胰島素的水平，有助于糖尿病患者穩(wěn)定血糖。在脂質(zhì)代謝以及調(diào)節(jié)腸道菌群方面，褐藻膳食纖維可以促進(jìn)膽汁酸的分泌，通過(guò)微生物發(fā)酵作用增加腸道中短鏈脂肪酸的含量并調(diào)節(jié)腸道菌群的豐度和構(gòu)成比，進(jìn)而發(fā)揮一系列的生物活性作用。因此褐藻膳食纖維在代謝調(diào)節(jié)相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但褐藻膳食纖維改善機(jī)體代謝、調(diào)節(jié)腸道菌群二者之間的相關(guān)性還需要通過(guò)糞菌移植等實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)一步證明，探討褐藻膳食纖維對(duì)機(jī)體代謝與腸道菌群的相關(guān)性將是褐藻膳食纖維功能開(kāi)發(fā)的重要方向。

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