李珊，孫萬成，羅毅皓

（青海大學農(nóng)牧學院，青海 西寧 810016）

近年來，代謝綜合征（metabolic syndrome，MetS）在全球范圍內(nèi)廣泛流行，如何控制MetS已經(jīng)變成了一個全球性的熱點問題。代謝綜合征是一種復雜的代謝紊亂的病理狀態(tài)，主要由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和其它物質(zhì)的不平衡引起，由于肥胖人群和胰島素抵抗的增加，這種不平衡越來越普遍[1]。采用藥物治療代謝紊亂是很有必要的，但目前還沒有被批準的藥物可以長期、可靠地改善所有的代謝危險因素[2]。

人類腸道中的微生物數(shù)量是人體細胞的10倍，這些龐大的微生物組成了一個復雜生態(tài)群落，該生態(tài)群落健康狀況可直接影響宿主生理的許多方面，包括食物攝入、維生素的產(chǎn)生和疾病的發(fā)病機制等[3]。大量研究表明，腸道微生物與宿主健康有關(guān)，有益微生物的活動可以增強腸道上皮保障功能、減少炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。Samuel等[4]將帶有擬桿菌的小鼠的腸道菌群移植到正常飼養(yǎng)的小鼠體內(nèi)，在減少食物攝入量的情況下，14 d后發(fā)現(xiàn)，小鼠體脂含量和胰島素抵抗都有所增加，進而引起了肥胖和其它代謝紊亂疾病的發(fā)生。而日常膳食直接影響腸道微生物生態(tài)健康，例如，David等[5]研究發(fā)現(xiàn)改變飲食可以在24 h內(nèi)引起腸道微生物菌群的變化。

非淀粉多糖與抗性淀粉和木質(zhì)素一起構(gòu)成了膳食纖維，膳食纖維具有多種生物學活性，能夠抵御一系列疾病，如癌癥、2型糖尿病、高血脂、心血管疾病和肥胖癥等。非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）作為膳食纖維中的組成部分，在纖維的功能性調(diào)控中扮演著重要的角色。非淀粉多糖聯(lián)合機體內(nèi)源性碳水化合物（宿主來源及微生物來源多糖），通過腸道微生物的代謝作用，在機體中參與多種代謝機制[6]。人類基因組中不能編碼足夠的碳水化合物消化酶（carbohydrateactive enzymes，CAZymes），導致 NSPs到達腸道無法被機體內(nèi)源消化酶徹底降解，而是通過選擇性地刺激腸道內(nèi)的微生物有益菌的增殖或活性來發(fā)揮相應(yīng)功能。例如，腸道微生物菌群將NSPs降解成短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA），該消化過程為腸道微生物供能的同時，其產(chǎn)物SCFA又反過來調(diào)節(jié)微生物生態(tài)和機體腸道環(huán)境健康，從而實現(xiàn)代謝調(diào)控作用[7]。因此，良好的NSPs攝入可調(diào)節(jié)機體生理活動，緩解肥胖、MetS等?；诖?，本文介紹了常見非淀粉多糖的種類和主要功能，從“NSPs與腸道微生物”角度闡述了NSPs與腸道健康的關(guān)系，論述了NSPs對代謝相關(guān)疾病之間的重要性，以期在全面認識NSPs的同時，關(guān)注膳食纖維，關(guān)注腸道健康，科學飲食，預防代謝疾病發(fā)生。

1 非淀粉多糖

膳食纖維中的NSPs是由若干個單糖通過糖苷鍵連接而成的多聚體。包括纖維素、半纖維素、果膠、樹膠、β-葡聚糖、果聚糖以及半乳糖等低聚糖。主要存在于燕麥、蔬菜、水果、大麥和豆類等，與碳水化合物和脂質(zhì)的代謝有關(guān)，且可以抵抗非反芻動物的內(nèi)源消化酶的水解，無法被人體消化酶分解，可以完整地通過小腸被結(jié)腸和盲腸的共生微生物發(fā)酵[8]。此外，海洋多糖，如巖藻聚糖和藻酸鹽也是NSPs的重要組成部分，對人類腸道健康具有多種影響[9]。

NSPs通常分為水溶性和不溶性兩類，植物通常包含可溶性和不溶性非淀粉多糖[10]。不溶性非淀粉多糖主要由纖維素和半纖維素組成。纖維素是植物細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，由1 000個～15 000個D-吡喃葡萄糖組成，并通過β-1，4-糖苷鍵連接[11]。相比之下，另一種細胞壁多糖半纖維素是由較短的支鏈組成，含有異源單糖，如葡萄糖、木糖和甘露糖[12]。果膠是來源于植物細胞壁的雜糖，主要由α-1-4鏈連接的D-半乳糖醛酸組成，通常是水溶性的，并能形成凝膠[13]。植物來源的樹膠有高度分支的結(jié)構(gòu)和幾個單糖殘基以及糖醛酸。它們主要由瓜爾膠和阿拉伯膠組成。瓜爾膠，其主鏈由β-1，4甘露糖為結(jié)構(gòu)單元連接而成，側(cè)鏈則由單個的α-D-半乳糖組成，并以β-1，6和主鏈相接[14]。阿拉伯膠由1-3連接的β-D-半乳糖醛基組成，D-半乳糖、L-阿拉伯糖、L-鼠糖和D-葡萄糖醛酸作為側(cè)鏈[15]。β-葡聚糖通常從燕麥、大麥、細菌、藻類和真菌中提取。大麥和燕麥的成分由β-1，3和β-1，4連接的β-葡聚糖組成，真菌的主鏈通常由β-1，3和β-1，6連接的β-葡聚糖組成，而細菌和藻類由葡萄糖單體的β-1，3糖苷鍵連接[16]。果聚糖主要由末端葡萄糖分子的果糖鏈組成，包括短鏈低聚果糖（fructooligosaccharide，F(xiàn)OS）和長鏈菊糖。低聚果糖存在于洋蔥、菊苣、大蒜和蘆筍等植物中。菊糖由D-果糖的線性鏈和β-2-1連接的D-葡萄糖組成[17]。半乳糖低聚糖（galactooligosaccharides，GOS）存在于牛奶和大豆等植物中，由若干個β-1，6和β-1，4半乳糖鏈組成[18]。非淀粉多糖的分類見圖1[10]。

圖1 非淀粉多糖的分類Fig.1 Categorization of non-starch polysaccharides

2 腸道菌群與代謝性疾病

2.1 腸道菌群與肥胖

肥胖癥和糖尿病已經(jīng)成為目前最受關(guān)注的代謝疾病。眾所周知，肥胖是能量攝入多于消耗的結(jié)果，腸道菌群在影響能量穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。腸道微生物通過影響從飲食中獲取的卡路里效率，將這些獲取的能量進行作用和儲存，從而影響能量平衡[19]。Samuel等[20]將無菌小鼠多形擬桿菌（bacteroides thetaiotaomicron）與產(chǎn)甲烷菌（Methanobrevibacter smithii）共同定植，提高了從飲食中提取能量的效率，導致宿主肥胖顯著增加。與無菌對照組相比，用完整糞便菌群或人類供體培養(yǎng)菌群定植的無菌小鼠表現(xiàn)出顯著的脂肪型與體重比。然而，兩種小鼠的肥胖程度沒有顯著差異。腸道微生物菌群可以將碳水化合物降解，發(fā)酵的產(chǎn)物SCFA是G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupledreceptor41，GPR41）的配體。Samuel等[4]發(fā)現(xiàn) GPR41是一種在腸道上皮細胞中表達GPR41，推測腸道共生菌群可能通過GPR41信號通路調(diào)節(jié)宿主肥胖。此外，Turnbaugh等[21]發(fā)現(xiàn)從肥胖小鼠的盲腸獲得的肥胖菌群在無菌小鼠體內(nèi)定植，與從瘦人供體獲得菌群的小鼠相比，其體脂含量更高。Ley等[22]分析了遺傳肥胖ob/ob小鼠、瘦肉ob/+小鼠和野生型小鼠及其ob/+母鼠的腸道菌群中的細菌16S rRNA基因序列，均進食相同的多糖。結(jié)果表明，無論血緣關(guān)系如何，與瘦肉小鼠相比，ob/ob小鼠擬桿菌門（bacteroidetes）的豐度降低了50%，厚壁菌門（firmicutes）的豐度增加了50%。在肥胖和瘦人的糞便中也觀察到了類似的結(jié)果。這些變化表明，有意調(diào)節(jié)腸道微生物菌群可能有助于調(diào)節(jié)肥胖個體的能量平衡。進一步的研究表明，肥胖者的腸道微生物菌群從特定飲食中提取和儲存能量方面比瘦人更有效[21]。Payne等[23]將目光聚焦于肥胖兒童身上，利用宏基因組測序技術(shù)觀察到肥胖兒童腸道巨單胞菌屬（Megamonas）數(shù)量增加，普雷沃菌屬（Prevotella）豐度較高。然而顫螺旋菌屬（Oscil lospiraceae）的數(shù)量減少，提示肥胖兒童腸道菌群異常，其與血清膽固醇水平呈負相關(guān)。此外，還檢測到肥胖兒童糞便中人皰疹病毒4型（human herpesvirus-4）的數(shù)量是正常兒童的19倍，進一步證實肥胖兒童腸道菌群的代謝活性高于瘦人。

2.2 腸道菌群與糖尿病

腸道微生物菌群失調(diào)、腸黏膜屏障滲漏和腸道免疫反應(yīng)的改變及相互作用是導致1型糖尿?。╰ype 1 diabetes mellitus，T1DM）等疾病的重要因素。據(jù)報道，2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）患者體內(nèi)產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFA）的細菌數(shù)量減少[24]。膳食纖維不能被消化液消化，只能通過轉(zhuǎn)基因發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，SCFA能夠促進胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌。GLP-1通過阻礙肝臟中的糖異生作用來阻止胰高血糖素的分泌，從而提高胰島素敏感性[25]。Brugman等[26]采用熒光原位雜交技術(shù)，用抗生素治療處理1-型糖尿病大鼠模型（bio-breeding diabetes-prone，BB-DP），分析其對糖尿病發(fā)病率和腦炎水平的影響，分析最終患糖尿病的老鼠和未患糖尿病的老鼠之間細菌組成的差異。結(jié)果表明，未患糖尿病的大鼠的擬桿菌數(shù)量較低，通過抗生素對腸道菌群的調(diào)節(jié)降低了糖尿病的發(fā)病率，延緩了糖尿病的發(fā)作。宏基因組研究表明，腸道菌群的三磷酸腺苷合酶（adenosine triphosphate synthase，ATP synthase）和宿主的體質(zhì)指數(shù)（body mass index，BMI）支持肥胖菌群具有更高的能量收集能力[21]。生化分析表明，去除發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣調(diào)節(jié)了日糧能量提取效率。與利用多糖的細菌相比，以氨基酸為靶點的細菌通過促進乙酸鹽的生產(chǎn)和保持較高的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸[NAD（+）/NADH]比率來提高發(fā)酵效率[27]。與健康成人相比，肥胖和糖尿病患者腸道微生物菌群的整體多樣性較低。幾種主要菌群的比例在糖尿病患者和對照組之間有顯著差異。如擬桿菌門、擬桿菌科、卟啉單胞菌科和擬桿菌屬在糖尿病患者中的豐度較低，而毛螺菌科和羅斯氏屬的比例高于對照組[28]。

2.3 腸道菌群與其它代謝疾病

除肥胖與糖尿病以外，與健康受試者相比，在高血壓、心血管疾病和非酒精脂肪肝等其它疾病中也觀察到腸道微生物組成的異常變化。例如，Han等[29]發(fā)現(xiàn)腸道微生物菌群引起的腸道內(nèi)毒素血癥會加重肝損傷。Wu等[30]使用條形碼454焦磷酸測序技術(shù)，慢性乙型肝炎病毒（chronic hepatitis B virus infection，CHB）感染患者的腸道微生物組成與微生物多樣性降低有關(guān)。具體來說，CHB患者與健康個體相比，擬桿菌門的豐度顯著增加，而厚壁菌門則減少。在屬水平上，CHB患者普氏菌豐度顯著增加，屏障保護菌雙歧桿菌和羅斯氏菌減少。腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）是一種功能性胃腸疾病，與異常的腸道微生物菌群有關(guān)，在健康和IBS受試者之間存在明顯差異。大多數(shù)IBS患者的特征是厚壁菌相關(guān)類群增加，擬桿菌相關(guān)類群減少[31]。Henao-Mejia等[32]發(fā)現(xiàn)，核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域蛋白（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）樣受體家族3NLRP3和NLRP6炎癥相關(guān)的腸道微生物菌群改變，加劇了非酒精性脂肪肝小鼠模型的脂肪變性和炎癥。最近，也有研究發(fā)現(xiàn)在實驗性自身免疫性腦脊髓炎動物模型中，腸道微生物菌群與多發(fā)性硬化癥的加重有關(guān)。

3 非淀粉多糖與腸道菌群相互作用及代謝性疾病

3.1 非淀粉多糖對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

NSPs是腸道微生物的重要能量來源，許多研究已經(jīng)證實了NSPs對腸道健康的影響。共生微生物可以代謝多種復雜的碳水化合物，并通過產(chǎn)生多種代謝物如SCFA來改變腸道環(huán)境，影響腸道環(huán)境和宿主的健康。因此，攝入充足的膳食纖維對維持腸道細菌種類的多樣性和調(diào)節(jié)微生物菌群環(huán)境至關(guān)重要。

NSPs可以促進宿主健康的細菌的生長，益生元的概念也由此而來。益生元的常見來源包括β-葡聚糖、果膠、菊糖和一些不可消化的低聚糖，如低聚果糖（fructooligosaccharide，F(xiàn)OS）和半乳糖寡糖（galactooligosaccharides，GOS）。研究表明，攝入 GOS 和 FOS 可增加雙歧桿菌、乳桿菌和擬桿菌種群的豐度，從而增加SCFA的產(chǎn)生和刺激鈣吸收，改善宿主的健康，緩解炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）[33]。膳食纖維素作為一種不可溶的NSPs物質(zhì)，通過添加膳食纖維素不僅可以改變結(jié)腸黏膜微生物菌群的組成，而且提高微生物的多樣性[34]。Leitch等[35]的體外培養(yǎng)試驗表明，以富含阿拉伯木聚糖的麥麩乙醇提取物作為底物，可以增加屬于梭菌屬XIVa細菌的相對豐度。此外，Chen等[36]研究發(fā)現(xiàn)，葡甘露聚糖（konjacmannan）可以選擇性地促進有益腸道菌群（如雙歧桿菌和乳酸菌）的生長。楊立杰等[37]在日糧中添加10%小麥麩，可顯著提高斷奶仔豬回腸乳酸桿菌和結(jié)腸中雙歧桿菌的數(shù)量。此外，在一項評估膳食菊糖型果聚糖（linearinulin-typefructan，ITF）益生元活性的臨床研究中，發(fā)現(xiàn)ITF能抑制陰溝擬桿菌、腸擬桿菌和丙酸桿菌的增殖，并顯著富集雙歧桿菌和糞腸球菌。此外，ITF還能對腸道屏障發(fā)揮保護作用，并顯著降低血清脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）水平。Conlon等[38]認為益生元發(fā)揮作用機制是NSPs通過微生物發(fā)酵降低菌落內(nèi)的酸堿度，從而抑制一些可能具有致病性的生物的生長。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)alony等[39]討論益生元發(fā)揮作用可能并不限于對微生物菌群，而是通過交叉影響的方式進行干預。這就意味著能夠利用多糖的生物可以維持微生物菌群落的其它成員。

3.2 非淀粉多糖對代謝疾病的影響

膳食多酚（包括NSPs）可根據(jù)它們的存在和吸收水分的能力，為腸道提供水分，通過增加消化量來促進腸道健康。膳食多酚通過降低結(jié)腸壓力、稀釋毒素和增加排便頻率來促進腸道健康。目前研究發(fā)現(xiàn)，膳食纖維除了具有通便和促進糞便膨脹的作用，還可以消除黏附在腸道內(nèi)的毒素和致癌物，被認為是免疫系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)劑。因此，NSPs在促進益生菌生長的同時，影響代謝產(chǎn)物并發(fā)揮益生作用。

NAGY-SZAKAL等[34]通過研究短暫膳食纖維素補充劑對兒童時期小鼠結(jié)腸炎易感性的影響，發(fā)現(xiàn)纖維素的補充刺激結(jié)腸黏膜微生物組發(fā)生了實質(zhì)性變化。一些細菌類群的相對豐度降低（如紅蝽菌科Coriobacteriaceae），而其它類群的相對豐度增加（如消化鏈球菌科 Peptostreptococcaceae和梭菌科 Clostridiaceae）。結(jié)果表明，通過改善腸道炎癥，纖維素補充劑具有短暫的抗大腸桿菌作用。Sarma等[40]研究發(fā)現(xiàn)，補充阿拉伯木聚糖可以改善回腸和結(jié)腸健康，以及緩解代謝內(nèi)毒素血癥。此外，Azuma等[41]發(fā)現(xiàn)在小鼠腸炎模型（inflammatory bowel disease，IBD）中，來自海藻的纖維素納米纖維通過下調(diào)NF-κB表現(xiàn)出對結(jié)腸炎癥反應(yīng)具有抑制作用。同時發(fā)現(xiàn)另一種半纖維素-葡萄糖甘露聚糖也對IBD模型有促進腸道健康的作用，如改善腸道運動、腹瀉、腹痛和氣脹。果膠也可以改善炎癥，降低腸道疾病的發(fā)病。Yue等[42]研究發(fā)現(xiàn)，果膠可以顯著減輕結(jié)腸炎的癥狀，通過下調(diào)TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎細胞因子在大鼠中的表達，減輕結(jié)腸炎的嚴重程度和黏膜損傷程度。在評估果膠對腹瀉型腸易激綜合征患者的療效時，從柑橘中獲得的果膠酸鈣的給藥可以顯著減少小鼠腸道潰瘍，有效緩解癥狀，且無副作用[43]。關(guān)于低聚糖對于腸道健康的研究，Capitán-Ca?adas等[44]發(fā)現(xiàn)補充FOS可以通過減少炎癥細胞因子的分泌和上調(diào)緊密連接蛋白的水平來改善結(jié)腸炎。長鏈菊粉除了降低COX-2和NF-κB細胞，還可下調(diào)IL-1β、IL-10和巨噬細胞炎癥因子的表達，從而抑制結(jié)腸癌[45]。

4 結(jié)論

近年來，隨著試驗方法的發(fā)展，如宏基因組工具、無菌小鼠和轉(zhuǎn)基因動物模型等，研究者對NSPs與腸道健康的重要性的認識在過去幾十年里急劇擴大。本文綜述了NSPs對腸道健康的影響以及通過調(diào)節(jié)具有益生元效應(yīng)的腸道微生物對腸道健康的影響?？紤]到近年來多糖在處理腸道功能紊亂方面的巨大潛力，闡明NSPs在物理化學和生理特性的復雜作用中影響腸道健康的機制是很重要的。然而，目前有些NSPs對腸道菌群的作用和機制尚不清楚，為了人類腸道健康，對NSPs與代謝疾病之間的深入研究將是必要的。