菊粉及其調節宿主腸道菌群機制的研究進展

趙孟良，任延靖*

1(青海大學 農林科學院，青海 西寧,810016)2(青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室，青海 西寧,810016) 3(青海大學 省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室 青海 西寧,81001)

腸道是一個極其復雜的生態系統，是1 000萬億厭氧微生物的寄居地。腸道菌群對于維持人體健康具有重要的意義[1]。腸道菌群中的微生物主要由細菌、古細菌、真菌、病毒等構成，具有抵御感染和患病風險的能力，還能控制人體對癌癥治療藥物的反應。越來越多的證據表明，豐富的腸道菌群有助于人體吸收和利用食物中的營養物，增強機體免疫系力。

菊粉，又叫果聚糖，菊糖，是由D-呋喃果糖通過β-2，1糖苷鍵連接而成的一類天然果聚糖的混合物。菊粉作為最好的天然益生元、水溶性膳食纖維雙補食品，具有控制血脂、降低血糖、調節腸道微生物菌落等功能，已被世界40多個國家批準為食品的營養增補劑。目前研究人員在菊粉調節腸道菌群的研究上已取得了較大進展，本文結合近年來國內外的研究概況，重點綜述菊粉及其調節腸道菌群機制的研究，以期為菊粉的進一步研究與應用提供參考。

1 菊粉概述

1.1 菊粉來源

菊粉是一種天然的多糖，屬于膳食纖維，存在于約36 000種植物的球莖和塊莖中，在醫藥和食品工業中具有廣泛的應用。菊粉是德國科學家最先從菊花中分離出的一種特殊物質[2]，后來被命名為菊粉[3]，是自然界中含量第二大的貯藏多糖。菊糖在自然界中的存在廣泛，如大麗花(Dahliapinnata)、蒲公英(Taraxacumofficinale)、天冬(Asparagusofficinalis)、菊芋(Helianthustuberosus)、蘆筍(Asparagusracemosus)、菊苣(Cichoriumintybus)等中均存在[4-5]。在百合科、石蒜科、禾本科和菊科作物中都有幾種富含果聚糖的植物種類[6]，表1中列出了部分富含菊粉的作物。除上述來源外，其他一些食物，如小麥(Triticumaestivum)(1%～3.8%)、燕麥(AvenasativaL.)、干小麥(bulgur)、黑麥(Secalecereale)、番茄(Solanumlycopersicum)、香蕉(MusananaLour.)(0.5%)等，也有菊粉，但數量較少[7]。其他谷草中也有較高的菊粉含量，但它們對工業規?；纳a沒有太大用處。在工業規?；a中，菊粉主要來自于菊苣根和菊芋塊莖，其中在菊苣(CichoriumintybusL.)根中的菊粉含量最高(干重65%～79%)，且菊粉中果糖∶葡萄糖比值也較高。

表1 幾種植物不同部位菊粉含量

1.2 菊粉理化性質和結構

菊粉的理化性質包括顏色、氣味、味道、穩定性、物理狀態、溶解度、黏度等。菊粉的凝膠強度取決于多種因素，如來源(天然/合成)、化學組成、鏈長、聚合度等。首先菊粉由31個β-D-呋喃果糖和1～2個吡喃菊糖殘基聚合而成，果糖殘基之間能通過β-2，1-鍵連接。菊粉是由D-果糖(D-fructose, F)經β(1→2)糖苷鍵鏈接而成的線性直鏈多糖，末端常帶有一個葡萄糖(glucose, G)殘基，聚合度(degree of polymerization, DP)為2～60(圖1)。

圖1 菊粉的分子結構

菊粉是由果糖經β-1,2鏈連接而成的線性直鏈多糖，根據聚合度的不同，菊粉型果聚糖可分為低聚果糖(DP≤10)和菊粉(DP>10)。由于菊粉結構中存在β-連鎖結構，不能被人的唾液和腸胰消化酶消化或水解。因此，菊粉可被結腸細菌選擇性地在結腸/腸內發酵/代謝，其代謝形式為CO2和CH4。表2顯示了菊粉的一些常見物理化學性質。

表2 菊粉理化性質

1.3 菊粉的聚合度及其作用

菊粉已被歐盟公認為天然食品成分。菊粉的聚合度為20～60個果糖單元。從植物中提取的菊粉DP(DP<200)比細菌菊粉低(DP<10 000)。菊粉的DP與植物種類、生理年齡、氣候條件、成熟度等有關[5]。富含菊粉的植物在儲存過程中導致DP降低，這是由于高分子量菊粉部分解聚的結果。菊粉的DP還影響其熱值、益生元活性、消化率、水結合能力、甜味等。此外，DP還決定菊粉在水中的溶解度，一般短鏈低聚物的溶解度大于長鏈聚合物。不同鏈長的聚合物在工業中有不同的利用。例如在食品加工工業中，通常將短鏈菊粉適當地溶解，用來制備凝膠，這對于保持產品的體積和質地是非常重要的。然而，在制藥工業中通常采用結晶形式的長鏈菊粉，這是因為此種形式的菊粉在作為疫苗的水中具有較低溶解度。

1.4 菊粉合成、分離及提取工藝

在植物細胞中利用蔗糖：蔗糖1-果糖基轉移酶(1-SST)合成菊粉，基本原理是它催化一個蔗糖分子上的果糖基轉移到另一個蔗糖分子上而形成一個果聚三糖(1-蔗果三糖)和一個葡萄糖分子，從而開始果聚糖的合成，該酶在高濃度蔗糖(6%～15%)中活性較高。另一種酶，果聚糖：果聚糖1-果糖基轉移酶(1-FFT)利用所形成的三糖類由SST將果糖從一個蔗糖部分轉移到主要的羥基上，在三糖類的果糖分子的C1處通過亞甲基連接到異常碳，或另一種低聚糖。這導致鏈伸長，果聚糖聚合物將菊粉作為主要終產物釋放。而在細菌和真菌的情況下，菊粉的合成是通過將蔗糖的附加果糖分子轉移到蔗糖酶或轉移到左旋蔗糖酶。這些來源的菊粉通常具有非常高的DP，植物中的菊粉生物合成還可以通過代謝工程或酶工程改進以提高通路效率。

近年來，菊粉的提取、分離、純化和特性得到了很大的關注。目前市場上已經有許多成熟的提高菊粉純度的生產工藝和方法。本文以從菊苣根中分離菊粉為例，其過程包括3個基本步驟：(1)提??；(2)分離純化化合物(純化)；(3)干燥。在提取過程中，用自來水將磨碎的菊苣根洗凈，放入溫水中，提取出含菊粉的親水性物質。值得提出的是，在提取過程中培養基的pH值、煮沸溫度、培養時間、水的量等因素都會影響提取液中菊粉的含量。第二步超濾、結晶、沉淀、離心、分離等純化工藝的選擇決定了萃取的菊粉的聚合度和分子量，直接關系到菊粉在各種溶劑中的溶解度。從菊苣根中提取的菊粉具有較低的DP(<20)，較易于分離且親水性較強。第三步是噴霧干燥。根據純菊粉的微觀結構和菊粉溶液的流變行為，需要對溶液的溫度、進氣壓力、給水泵轉速等參數進行優化。ZEAITER等[16]對洋薊廢料中菊粉型果聚糖的提取進行了研究，該研究為制備長鏈菊粉型果聚糖提供了一種較簡單的方法，并將菊芋菊粉與不同的乳酸菌和雙歧桿菌結合制備益生菌制劑，以供后續體外腸道模擬模型和體內試驗研究。

2 菊粉對宿主腸道菌群的調節機制

2.1 菊粉通過調節抗氧化性調控宿主腸道菌群

在最近的研究中發現，添加菊粉可以增加產蛋母雞血清總抗氧化能力(total antioxidant capacity, T-AOC)和降低丙二醛濃度[17]。SHANG等[18]研究了蛋雞日糧中添加菊粉對冷藏雞蛋抗氧化能力的影響，結果表明，蛋雞日糧中添加菊粉能夠延長雞蛋保質期。NOOSHKAM等[19]通過美拉德反應研究了殼聚糖-菊粉綴合物的抗氧化潛力和抗微生物活性，結果表明，高雙殼聚糖和菊粉的結合物比殼聚糖和其他共軛組分具有更高的抗氧化性能。此外，在低pH值下得到的共軛物比在高pH條件下制備的共軛物具有更強的抗菌活性。今后殼聚糖-菊粉結合物可作為新型的抗氧化劑和抗菌性益生元成分應用于食品中。

2.2 菊粉通過調節微生物群落改善宿主腸道菌群

據報道，菊糖攝取與排便頻率的顯著增加相關，這表明菊粉對人體腸道微生物區系組成有潛在影響，因此了解菊粉對人體腸道微生物群的影響是了解其作用機制的關鍵[20]。WANG等[21]研究表明，由腸道微生物發酵的含有低聚果糖、菊粉和菊粉型果聚糖的不可消化碳水化合物可以調節腸道菌群，并具有緩解非酒精性脂肪性肝病的作用；OLIVEIRA等[22]通過用16s rRNA擴增產物的高通量測序手段研究發現，沒有喂食纖維素、果膠和菊粉的小鼠會出現更嚴重的感染隱孢子蟲病，且小鼠糞便微生物區系的特征是細菌相對豐度較低。LI等[23]對從黨參中提取的3種菊粉類型果糖的益生活性進行了研究，結果表明，濃度為2.0 g/L的3種果糖對長雙歧桿菌具有明顯的促生長作用(P<0.01)，黨參中菊粉型果糖具有潛在的益生作用。BERALDI等[24]研究了益生菌球蛋白是否調節了高脂飲食小鼠的細菌數量和結腸神經元丟失，結果表明在瑞士小鼠中，雖然由于高脂飲食導致了小鼠神經元丟失，但并沒有改變其腸道微生物的主要群體結構，這表明盡管有益細菌的增加，其他與飲食脂肪攝入過多直接相關的因素會影響腸道神經系統。高脂飲食的情況下，小鼠腸道菌群發生明顯改變，糞便菌群代謝組發生明顯改變，菊粉喂食的小鼠體重、血糖、血脂的改變均不明顯，但對小鼠腸道菌群及代謝產物的影響卻十分顯著[25]。SASAKI等[26]采用菊粉喂養長時間禁食的小鼠，研究了小鼠體內微生物組成的變化。結果表明，在早晨喂食菊粉的小鼠其盲腸內pH值降低，短鏈脂肪酸增加，且盲腸內的微生物菌群結構發生了改變。腸道菌群與宿主之間的共生關系賦予健康個體代謝、免疫和腸道保護功能。這種相互作用在很大程度上取決于營養狀況和生活習慣等因素。因此，腸道微生物的代謝活性會對宿主健康產生重要影響，可能是有益的，也可能是有害的。

2.3 菊粉通過抗炎調節宿主腸道菌群

研究發現，肥胖、糖尿病等脂質代謝紊亂相關疾病是慢性低度炎癥反應，這種炎癥狀態能夠誘導并促進疾病的發生和發展。食用纖維的攝入與健康和患病成人的全身炎癥降低有關，在哮喘患者的食物中補充可溶性纖維可降低全身炎癥并改善肺的功能。研究發現，使用單劑量的可溶性纖維(3.5 g菊粉)，可使哮喘成人的氣道炎癥明顯減少且改善肺功能和氣道高反應性。MCLOUGHLIN等[27]研究了補充可溶性纖維(含和不含益生菌)對哮喘成人血漿短鏈脂肪酸、氣道炎癥、哮喘控制和腸道微生物的影響。結果表明，補充菊粉后氣道炎癥、哮喘控制和腸道微生物組合物得到有效的改善。CAI等[28]采用復合多糖進行了通過調節腸道微生物組成和功能進而改善實驗性結腸炎的研究，結果表明，復合多糖可減輕2，4，6-三硝基苯磺酸誘導的大鼠實驗性結腸炎模型的炎癥反應，改善實驗性結腸炎。有學者對結腸炎動物的組織學和生化參數進行了分析，結果表明，益生菌具有抗炎作用。益生菌補充劑可增加雙歧桿菌或乳酸菌的數量，并在某些研究中增加腸道中丁酸的濃度[29-31]。XUE等[32]利用菊粉和二甲雙胍對小鼠多囊卵巢綜合征的治療進行了實驗研究，結果表明菊粉和二甲雙胍通過抗炎和調節腸道微生物來減輕多囊卵巢綜合征，這可能有助于該疾病的潛在臨床治療。VALCHEVA等[33]研究了利用菊粉型果聚糖改善與微生物群相關的活性潰爛性結腸炎，在潰瘍性結腸炎中，15 g/d劑量的菊粉型果糖能使腸道微生物的功能發生轉變，但不能改變腸道微生物的成分，揭示了腸道微生物菌群結構的改變與組分改變相比對潰瘍性結腸炎的益處更佳。菊粉通過調節植物的營養功能，對炎癥性腸病的預防有積極的作用。菊粉通過誘導結腸產生短鏈脂肪酸促進本地乳桿菌和(或)雙歧桿菌的生長，這些特性與降低黏膜損傷和減輕黏膜炎癥有關[34]。GUO等[35]的研究表明，菊粉可減輕炎癥狀態，結合多酚蘆丁和多糖菊粉作為一種飲食策略，以改善腸道失調，改善炎癥狀態，從而減少由于高脂飲食引起的肥胖相關的醫學疾病。LI等[36]的研究表明，飲食中的菊粉通過抑制炎癥和調節腸道微生物來減輕2型糖尿病不同階段的癥狀。因此在有條件的情況下，可以通過在每日飲食中增加適量益生菌來調節身體炎癥，降低抗菌藥的濫用，尤其是隨著年齡的增長，腸道中的有益菌隨之減少，今后是否可以對高齡老人預防性使用益生菌以抑制相關身體炎癥的發生發展還有待進一步討論。

2.4 菊粉通過基因調控調節宿主腸道菌群

通過服用菊粉可部分減輕由于部分基因缺失引起的腸道炎癥。KADEN-VOLYNETS等[37]研究表明，通過口服菊粉或丁酸可部分減輕caspase-8基因敲除小鼠的回腸結腸炎、屏障功能障礙和消化不良等癥狀。SONG等[38]報道了益生素對轉基因肥胖小鼠盲腸轉錄組的影響，研究發現，添加菊粉后，盲腸組織中的AMPK信號通路被上調。腸道菌群在維持機體健康穩態中起至關重要的作用，這種作用主要依賴于菌種的多樣性、菌群結構的穩定性和微生態的平衡性。以后可通過后基因組時代基于對微生物菌群如何與宿主生理相互作用更好地了解，最終通過對作用機制的理解，更有針對性且有效地治療疾病。

2.5 不同聚合度菊粉對宿主腸道的調節作用

目前有關菊粉和腸道菌群之間相互作用的研究并不多，且市面上菊粉種類繁多，而各種聚合度的菊粉對腸道微生物的影響不一。劉冰[39]的研究表明，低聚合度菊粉對腸道菌群結構的影響更明顯。ZHU等[40]研究了不同鏈長菊粉對高脂飲食C57BL/6小鼠脂質代謝及結腸微生物多樣性的影響，結果表明腸道微生物譜中6個屬的豐度發生顯著變化，表明菊粉具有調節脂代謝的能力，而不受鏈長的影響。這主要是由于它對結腸微生物的影響。AST等[41]研究了果聚糖聚合度對離體發酵人腸道菌群的影響，結果表明果聚糖的益生元活性似乎取決于果聚糖的活性，在聚合程度上，高聚果糖比低聚果糖具有更大的效力。MELILLI等[42]對不同類型的菊粉進行了評價，結果表明高聚合度型菊粉對結腸微生物區系有明顯的有益作用。今后可針對菊粉聚合度對不同宿主腸道菌群結構、pH、物質代謝等方面的影響開展相關研究，篩選并研發出適宜不同宿主的菊粉產品以保障人類健康。

3 結語

人類和微生物的系統發育及協同進化導致了宿主黏膜表面的多樣性和有益的共生微生物區系，目前的研究表明，腸道菌群與人類的眾多疾病有關。人體是龐大的動態微生物群落的天然寄居場所，千百年來隨著人類不斷進化，人體中的微生物已經達到與機體互惠共生的狀態，但隨著外界環境的不斷變化，不確定的因素可誘導并打破這種平衡，進而造成人類疾病的發生與蔓延。相關研究表明，短期內單靠食用可溶性纖維，雖然可以改變宿主腸道微生物群，但是并不能降解有害菌群。因此，我們需要更好的了解腸道菌群與疾病之間的關系，通過采取不同的手段和方式，掌握提升人體有益微生物菌群的方法和途徑，為更好地保護我們自身健康，預防和治療疾病提供了有效的方法和手段。

菊粉作為一種水溶性膳食纖維，它不僅具備普通膳食纖維全部的保健功效，也克服了其他膳食纖維的不足。菊粉對血糖還有具有雙向調節作用，同時還能夠提升人體對礦物質的吸收率，長期服用菊粉對人體骨健康具有非常大的益處。近年來，菊粉由于其獨特的保健功效，已被世界上多個國家和地區批準為營養補充劑，在我國菊粉也已被確定為新的資源食品，菊粉目前已被廣泛應用于制藥、保健和食品工業中?？傊?，菊粉功能價值的開發和利用是未來發展的方向，也希望菊粉在人類健康中能發揮巨大功效。