谷物中阿拉伯木聚糖改善動物腸道健康的研究進展

王宇欣，趙金標，魯琳

（1.中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2.北京農(nóng)學院動物科學技術學院，北京 102206）

超早期仔豬斷奶技術已被養(yǎng)豬業(yè)廣泛使用。仔豬早期斷奶后由于各方面的應激會損傷腸道屏障發(fā)育和微生態(tài)環(huán)境，導致仔豬食欲下降、消化不良和腹瀉，甚至死亡。仔豬生產(chǎn)中緩解斷奶應激導致的腸道屏障損傷是目前急需解決的問題。阿拉伯木聚糖（Arabinoxylan，AX）可以特異性地促進益生菌的增殖，是谷物及其加工副產(chǎn)物中維持腸道屏障功能的主要活性成分之一。AX 被動物腸道微生物降解成低聚木糖，且進一步被降解生成短鏈脂肪酸（SCFA），SCFA 通過激活G 蛋白偶聯(lián)受體（GPRs）、抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC）以及降低腸道的pH 來改善機體腸道健康。富含AX 的谷物飼喂斷奶仔豬，提高了血清中抑炎因子白細胞介素-10（IL-10）含量，改善仔豬的生長性能。AX 被腸道微生物降解后同時生成游離態(tài)阿魏酸，阿魏酸能抑制大腸桿菌和蠟狀芽孢桿菌的增殖。研究表明AX 中結合態(tài)阿魏酸在清除自由基和防止微粒體脂質氧化等抗氧化能力顯著高于游離態(tài)阿魏酸，這表明微生物降解AX合成的阿魏酸和SCFA 對于提高機體抗氧化能力存在協(xié)同互作。但是關于阿魏酸介導SCFA 調控腸道健康的作用機制尚不清楚，還需要進一步探索。本文主要綜述了SCFA 和游離態(tài)阿魏酸的生物學功能，并在此基礎上提出阿魏酸協(xié)同SCFA 調控宿主腸道健康的新觀點，旨在拓展AX 作為功能性益生元調節(jié)腸道健康的作用機制，豐富纖維聚糖理論。

1 AX 的結構、來源及代謝

1.1 AX 的結構 AX 是一類由阿拉伯糖和木糖組成的非淀粉多糖，其結構由-D-吡喃木糖殘基經(jīng)-（1→4）-糖苷鍵連接而成的木聚糖主鏈和-L-呋喃阿拉伯糖為側鏈的多分支結構，含有一定量的阿魏酸或香豆酸。根據(jù)AX 的物理特性，AX 可分為水溶性阿拉伯木聚糖（Water Extractable Arabinoxylan，WEAX）和不可溶性阿拉伯木聚糖（Water Unextractable Arabinoxylan，WUAX）。二者的結構組成相似，但WUAX 的聚合度和阿拉伯側鏈取代程度高于WEAX。阿魏酸在WUAX的特殊結構中起到了關鍵性作用。AX 的一個結構特征是其主鏈的平均取代度，即阿拉伯糖與木糖的比值（A/X）。阿拉伯糖殘基的相對數(shù)量和取代情況的不同是造成AX 理化性質和發(fā)酵特性等方面差異的主要原因。研究表明不同作物谷粒及副產(chǎn)物的AX 存在不同的側鏈基團。與小麥、黑麥、大麥的麩皮相比，大米和高粱谷物的麩皮含有更豐富的側鏈（包括吡喃木糖、吡喃半乳糖、糖醛酸）。AX 的另一個結構特點是可在C（O）-5 位經(jīng)由一個酯鍵與阿魏酸（Ferulic Acid，F(xiàn)A）形成交聯(lián)構成多（低）聚糖阿魏酸酯，而FA 側鏈還能與-葡聚糖、纖維素、葡萄糖、蛋白質形成復雜的網(wǎng)狀結構。谷物中阿魏酸主要有水溶性、脂溶性和不溶性3 種存在形式。其中，水溶性和脂溶性阿魏酸在人體和動物腸道中可以直接被腸上皮細胞吸收利用。阿魏酸基團常常與AX 的阿拉伯殘基相結合，被腸道微生物降解生成游離阿魏酸。

1.2 飼料中AX 的來源 AX 可與其他非淀粉多糖共同構成細胞壁。在玉米、小麥、稻米、高粱、燕麥等大多數(shù)谷類中，胚乳細胞的細胞壁和糊粉層中含AX 大約為60%～70%。在小麥籽粒的不同結構中分布著不同含量的AX，整個小麥籽粒中AX 含量約為4.8%～7.0%，胚乳中約為1.5%～3.0%，而麩皮中則高達20.0%～25.0%。不同部位的AX，在細胞壁非淀粉多糖組成中也有不同，麩皮中AX 所占比例為64%～69%，而在胚乳中達到88%。不同谷物中AX 和結合態(tài)阿魏酸含量見表1。

表1 不同谷物中AX 和結合態(tài)阿魏酸的含量 mg/100g

1.3 AX 的代謝 AX 是谷物原料改善腸道屏障功能的主要功能性成分之一，人和動物不能分泌內源性消化酶來降解AX，但可以通過腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生SCFA。同時，AX 被人體和動物腸道微生物降解可以釋放出游離態(tài)阿魏酸。阿魏酸是一種可抗氧化、抗炎癥的酚酸，通過激活Keap1-Nrf2-ARE 信號通路提高抗氧化酶活性，降低活性氧（ROS）濃度來達到抗氧化損傷，或直接清除自由基或產(chǎn)生自由基的酶產(chǎn)生抗氧化作用。此外，AX 結構差異顯著影響腸道微生物的代謝規(guī)律，擬桿菌屬是結腸近端的優(yōu)勢細菌，可將低支AX 降解為聚合度較低的阿魏糖基化低聚木糖。雙歧桿菌和乳酸桿菌更傾向于降解高度分枝的AX 或低聚木糖。這些優(yōu)勢菌群的靶向代謝活性是由其對不同鏈長的偏好以及在AX 中以阿拉伯糖取代木聚糖主鏈所維持的，從而形成宿主腸道微生態(tài)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。

2 AX-腸道微生物-SCFA 軸交互聯(lián)系

AX 作為益生元具有促進腸道有益菌增殖，改善腸道菌群數(shù)量及結構的作用，且其益生作用不同于某些低聚糖或多糖在腸道最前端就被快速降解利用，從而引起機體脹氣和不適等腸道疾病。AX 不能被機體的消化酶系統(tǒng)所消化和吸收，其進入結腸后端，被特定的戊聚糖水解酶所降解而產(chǎn)生SCFA，這將有利于有益菌的增殖，并且可以有效調節(jié)后端結腸的健康情況。有研究發(fā)現(xiàn)，在商品豬飼糧中添加高水平（12.9%）的小麥AX 可提高盲腸SCFA 含量，緩解結腸細胞DNA 損傷，提高結腸中段普雷沃菌屬和梭菌IV 含量。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，添加WUAX 會誘導細菌合成木聚糖酶和阿魏酸酯酶等胞外水解酶，從而可以促進宿主對于AX的吸收利用。

3 SCFA 的生理學功能

3.1 免疫調節(jié) AX 被腸道微生物降解生成SCFA 可使腸道pH 降低，促進營養(yǎng)物質吸收，改善腸道健康。SCFA 可與腸上皮細胞G 蛋白偶聯(lián)受體結合，作為腸上皮細胞GPRs 的配體參與調節(jié)宿主的腸道屏障功能（圖1）。同時抑制HDAC 活性，下調NF-B 信號通路的表達，促進調節(jié)性T 細胞（Regulatory T Cells，Treg）分化。Treg 可以通過主動調節(jié)的方式抑制潛在的自身反應性T細胞，調節(jié)機體的免疫力。SCFA 誘導轉化生長因子-（TGF-）的直接表達，提高腸道淋巴細胞活性和分泌性免疫球蛋白A（slgA）濃度。通過激活Janus 激酶/信號轉導和轉錄激活因子-3（JAK/STAT3），直接提高緊密連接蛋白的表達，促進腸上皮細胞的增殖與分化。SCFA 還能夠刺激腸內分泌細胞來調節(jié)腸道上皮細胞的完整性和促炎和抗炎細胞因子的產(chǎn)生，介導炎癥反應。與此同時，SCFA 可促進生長因子和花生四烯酸代謝物的合成，有利于腸上皮杯狀細胞的增殖、黏蛋白的分泌、緊密連接蛋白和Toll 樣受體的表達，從而改善腸道屏障功能。有研究報道，丁酸鈉通過抑制HDAC 活性和激活激活蛋白1（AP-1）信號通路，調節(jié)IL-2、IL-6、IL-8 和腫瘤壞死因子-（TNF-）的釋放，增強宿主的腸道免疫功能。同時，丁酸鈉通過激發(fā)GPR 43 降低炎癥因子IL-2 水平，增加抗炎因子IL-4 和抗菌肽LL-37 的分泌，有效調控T 淋巴細胞功能，最終抑制宿主的炎癥反應。丁酸通過激活結腸巨噬細胞抗原呈遞細胞上的GPR 109A，促進促炎細胞因子的分泌，導致T 調節(jié)細胞分化，促進IL-10 的分泌。此外，SCFA 還可以通過識別GPR 43 激活Pyrin Domain Containing Protein-3（NLRP3）炎性小體，抑制干擾素-（IFN-）和IL-18 的表達，從而改善腸道免疫。綜上所述，SCFA 可以通過激活GPRs 和抑制HDAC 來提高機體腸道免疫功能，降低腸道通透性。

3.2 糖脂代謝 AX 被微生物發(fā)酵降解后產(chǎn)生SCFA，被結腸黏膜上皮細胞吸收后參與膽固醇、三酰甘油及脂肪酸的代謝過程，調節(jié)機體糖脂代謝平衡。研究表明，飼料中添加AX 后，宿主的組織脂肪和內臟脂肪重量均有所降低。SCFA 作為一種信號分子，經(jīng)腸道上皮細胞吸收后，與G 蛋白偶聯(lián)受體41（GPR 41）和43（GPR 43）結合，刺激胰高血糖素樣肽（GLP-1）和多肽YY（PYY）等腸道激素的分泌，降低胰島素耐受。此前有研究報道，SCFA 對糖尿病的保護作用可能與宿主腸道和肝細胞上GPRs 的激活有關，調節(jié)葡萄糖耐量和胰島素敏感性。GLP-1 可以促進機體胰島素分泌，調節(jié)血糖代謝，PYY 可以減慢胃排空，降低葡萄糖吸收速率。SCFA 與GPR41 或GPR43 結合后，刺激肝臟和肌肉組織磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）活性，進而激活下游的過氧化物酶體增殖物激活受體輔助激活因子-1（PGC-1），PGC-1能夠控制過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）等轉錄因子的表達，促進脂肪酸的氧化，從而調節(jié)脂質代謝。SCFA 還可以促進脂肪組織中瘦素受體、Janus 激酶2（JAK2）和信號轉導及轉錄活化因子3（STAT3）的蛋白表達水平，調節(jié)脂肪代謝。

圖1 SCFA 介導AX 調節(jié)機體生物學功能的機制（自繪）

4 阿魏酸的生理學功能

4.1 抗氧化作用 自由基是機體正常新陳代謝的產(chǎn)物。一般情況下，機體產(chǎn)生的自由基可被生物體內的抗氧化系統(tǒng)所平衡。機體本身的各種抗氧化酶和抗氧化成分會清除過量的ROS，但由于某些原因可能會導致平衡被破壞，損害機體造成不可逆轉的氧化破壞。AX 中阿魏酸是與阿拉伯糖殘基結合，經(jīng)由腸道微生物發(fā)酵釋放游離阿魏酸和SCFA。劉珂?zhèn)サ葴y定了阿魏酸對羥基、活性氧以及DPPH 自由基的清除能力和對鐵離子的還原能力，結果表明阿魏酸對Fe具有很強的還原能力，相對還原力是維生素C 的2 倍。阿魏酸通過激活Keap-Nrf2 信號通路，消除ROS，提高抗氧化酶活性，激活PPAR上調總抗氧化能力（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）活性以及降低ROS 和丙二醛（MDA）等氧化應激因子含量（圖2）。Mahmoud 等發(fā)現(xiàn)，甲氨蝶呤（MTX）處理小鼠連續(xù)口服15 d 阿魏酸后與未飼喂FA 小鼠相比，肝臟損傷明顯減輕，ROS、MDA和一氧化氮（NO）等氧化應激因子含量顯著降低，谷胱甘肽（GSH）含量和SOD 等抗氧化酶活性顯著提高。Perez-Ternero 等研究表明，阿魏酸顯著改善了小鼠線粒體功能，降低了小鼠動脈和上皮細胞氧化應激。林秋珊等利用阿魏酸對過氧化氫處理PC12 細胞進行干預，發(fā)現(xiàn)阿魏酸使細胞上清液中乳酸脫氫酶（LDH）活性和MDA 含量顯著降低，SOD 活性顯著升高，表明FA 緩解了PC12 細胞的氧化應激。

圖2 阿魏酸的生物學功能（自繪）

4.2 免疫調節(jié)作用 免疫應激條件下，機體內促炎癥因子，如IL-6、腫瘤壞死因子-a（TNF-a），其含量顯著提高。阿魏酸可以通過干擾NF-B 蛋白移位，來降低促炎因子表達量，從而實現(xiàn)抗炎的作用。研究表明，糖尿病小鼠灌服阿魏酸后顯著降低了腎臟中促炎因子TNF-、IL-1和IL-6 的表達量，使腎臟炎癥和防御性自噬得到改善。Cao 等發(fā)現(xiàn)，相比過氧化氫處理，阿魏酸處理下調了血管平滑肌細胞中NF-B 表達，降低了TNF-a、IL-1和IL-6 等炎癥因子含量。Mahmoud 等研究也表明，阿魏酸降低了MTX 處理小鼠肝細胞中NF-B 的表達量和血清中TNF-a、IL-1含量。NF-B 是炎癥反應中起重要作用的轉錄因子。在免疫應激條件下，核因子B 抑制蛋白激酶（IKK）被磷酸化，使NF-B 與核因子B 抑制蛋白（I-B）分離并移位至細胞核，誘導促炎癥因子和相關酶表達。FA可以防止IKK 磷酸化，從而抑制NF-B 的移位，實現(xiàn)消炎作用。

4.3 糖脂代謝 阿魏酸作為天然植物提取物具有調節(jié)葡萄糖和脂肪代謝的作用，可以影響宿主的代謝性疾病。當為小鼠提供高脂高糖飲食時，阿魏酸可降低血清中總甘油三酯、總膽固醇、游離脂肪酸、葡萄糖和胰島素濃度，從而改善葡萄糖耐量和胰島素抵抗。阿魏酸調控宿主能量代謝的作用主要是降低瘦素濃度和脂肪酶活性，從而降低食物攝取量。阿魏酸激活AMPK 和改善蛋白激酶B 的磷酸化，從而提高胰島素活性，分解碳水化合物和脂肪酸。同時，阿魏酸通過下調二?；视王；D移酶基因（）的表達來抑制脂肪酸的合成，改善糖類和脂類物質代謝。阿魏酸還可以通過維持HFFD 小鼠胚胎干細胞（ESCs）和脂肪來源間充質干細胞（ADMSCS）的自我更新，達到減肥及維持糖類與脂類代謝平衡效果。

4.4 殺菌作用 阿魏酸對細菌具有抑制作用，其根本原因是由于FA 能夠對于細菌的N-乙酰轉移酶產(chǎn)生抑制作用，從而達到抑菌的目的。Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)，1 mg/mL 阿魏酸對嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌的增殖具有非常顯著的抑制作用。FA 抑菌作用機制還有可能是降低細菌細胞內pH，破壞細胞膜功能，從而導致細菌死亡。

5 SCFA 和阿魏酸協(xié)調調控腸道健康的潛在聯(lián)系

SCFA 可以通過抑制NF-B 信號通路激活GPR 43和GPR 109A 來調控宿主的炎癥反應。此外，游離阿魏酸通過激活Keap1-Nrf2 信號通路可以提高了宿主的抗氧化能力，包括增加抗氧化酶活性和降低ROS 濃度。PPAR是一類配體，被核轉錄因子激活。已有研究表明，當Nrf2 敲除或其活性被抑制時，基因表達也會下調，表明是PPAR信號通路的重要轉錄調控因子。同時，有文獻報道，PPAR的激動劑羅格列酮可增強結腸炎小鼠基因表達，下調NF-B和TNF-的表達，提示可競爭性抑制NF-B的激活。同時，SCFA 激活GPRs 增加了肝臟和肌肉中AMP 激活的蛋白激酶活性，進而激活和PGC-1，導致脂肪酸氧化改善和脂肪積累減少。因此，由SCFA 和阿魏酸共同介導的信號通路在調節(jié)宿主的抗氧化能力、免疫功能和脂肪酸代謝方面發(fā)揮重要作用?；谏鲜鲅芯拷Y果推測，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的阿魏酸和SCFA 對宿主健康和代謝具有潛在的相互作用。其中，阿魏酸可通過調控Keap1-Nrf2 信號激活，并與SCFA 共同抑制NF-B 信號的磷酸化。因此提出假設，AX 被微生物降解生成的阿魏酸通過活化Keap 1-Nrf2 激活，繼而協(xié)同SCFA 抑制NF-B 表達以緩解仔豬的斷奶氧化應激并提高腸道免疫屏障功能。然而，作為SCFA 和阿魏酸之間的樞紐來調控谷物阿魏酸化AX 的益生元效應的假說有待進一步實驗驗證。

圖3 阿魏酸和SCFA 調節(jié)機體腸道健康的潛在聯(lián)系（自繪）

6 小 結

谷物來源的AX 在調節(jié)腸道微生物群落、腸道屏障、免疫功能、糖脂代謝等方面發(fā)揮著重要作用。到目前為止，AX 對宿主健康和代謝的潛在分子機制是通過激活GPRs 或抑制HDAC 活性來抑制微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA 介導的NF-B 信號通路。阿魏酸激活Keap1-Nrf2 信號通路，調控仔豬斷奶后腸道氧化還原狀態(tài)。在調節(jié)機體免疫應答反應和抗氧化功能中均發(fā)揮重要的作用。因此，本文提出假設，即AX 被微生物降解生成的阿魏酸通過活化Keap 1-Nrf2 激活PPAR，繼而協(xié)同SCFA 抑制NF-B 表達以緩解仔豬的斷奶氧化應激，并提高腸道免疫屏障功能。