食品膠體的健康干預新策略：靶向菌群的研究及應用

聶少平，譚惠子

（南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室 中國-加拿大食品科學與技術聯合實驗室 江西省生物活性多糖重點實驗室 南昌 330047）

隨著物質的極大豐富和科技的不斷進步，現代人生活方式、生態環境等的改變對人們健康的影響逐步顯現。國家衛生健康委員會疾病預防控制局發布的《2020 中國居民營養與慢性病狀況報告》顯示，過半成年居民有超重、肥胖問題，高血壓、糖尿病、高膽固醇血癥和癌癥等慢性病患病率持續上升，其中心腦血管病、癌癥、慢性呼吸系統疾病死亡比例占80.7%，已成為重大公共衛生問題和社會問題。

唐代名醫孫思邈所著之書《千金食治》是我國古代重要食療專著[1]，其中說到：“洞曉病源，知其所犯，以食治之；食療不愈，然后命藥?！蔽覀兊淖嫦缺局拔床∠确馈薄凹炔》雷儭钡乃枷?，通過總結日常膳食對疾病治療的規律，指導有針對性地療養。多項最新前瞻性隊列研究均表明，精制的高GI 碳水化合物、超加工食品等低質量膳食可能誘發心腦血管疾病、糖尿病、肥胖、炎癥性腸病、肝細胞癌等慢性疾病[2-4]。因此，通過一系列科學研究，建立合理的膳食策略，符合國家大健康戰略的需求，是中國“食藥同源”傳統文化的傳承，也同時降低醫療成本，減輕經濟負擔。

“三聚氰胺事件” 使食品添加劑被廣泛妖魔化，引起消費者對食品添加劑的抵觸。最新研究指出，聚山梨酯80 等添加劑可能具有引起慢性系統性炎癥、腸道通透性增加、細菌易位等副作用[5]，加深了人們對食品添加劑安全性的擔憂。系統研究安全且有益生功能的添加劑如食品膠，能夠為健康食品的開發提供理論依據，對保證國民合理膳食，提升健康指數尤為重要。

1 食品膠體的資源及分類

食品膠體的主要成分是多糖類或蛋白質的大分子物質，是一類具有長鏈骨架的復雜聚合物，在一定條件下，其分子中的羧基、羥基、氨基或羧酸根等親水基團可以通過水合作用形成潤滑、黏稠的膠凍液或凝膠。食品膠體資源豐富[6]，如植物種子來源的瓜爾膠、槐豆膠等，植物浸出物來源的阿拉伯膠、刺云實膠等，以及提取物來源的果膠、落葉松膠等。其它天然來源還有動物中的明膠，海藻中的卡拉膠、海藻酸鹽等，微生物產的黃原膠、結冷膠。除此之外，通過醚化反應生成的親水性羧甲基或羥丙基取代的纖維素，可溶于水形成凝膠，這種人工合成的食品膠體能夠滿足加工過程中多樣化需求。其中，復雜多糖類膠體更是天然來源的水溶性膳食纖維，能夠發揮多種益生作用，如調節代謝紊亂，緩解炎癥等，具有高營養附加值。

2 功能性食品膠在食品加工中的應用

食品添加劑是輔助增強食品感官特性的關鍵成分，其中的膠體在食品加工中的功能作用包括增稠或形成凝膠，穩定、乳化、懸浮食品顆粒，賦予口感等。我國《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》GB 2760-2014 中批準了31 種可作為食品添加劑的復雜多糖類膠體（表1），其中絕大部分與美國食品藥品監督管理局（FDA，https：//www.fda.gov）及歐盟食品安全局（EFSA，https：//www.efsa.europa.eu/en）批準添加的膠體相同。而FDA 批準的膠體添加劑清單中的印度樹膠（Ghatti gum）、黃芪膠（Tragacanth gum）以及燕麥膠（Oat gum）未出現在我國標準許可中。據統計，2021 年全球食品膠體的市場成交額達102.4 億美元，預計5 年內增長至133.6 億美元[21]。其中，用于生產食品及飲料的占比超過75%，成交量最大的復雜多糖類膠體依次為果膠、羧甲基纖維素、瓜爾膠、卡拉膠、微晶纖維素、黃原膠等。

2.1 凝膠作用

膠體通過吸水保水性形成特定的凝膠結構。例如，可得然膠具有易加熱成凝膠的能力，可分為低熱可逆凝膠和高熱不可逆凝膠兩種類型[22]。結構特征與凝膠特性密切相關[23]，從紅藻中獲得的κ型和ι 型卡拉膠是目前應用最廣泛的膠凝劑[24]。λ型卡拉膠雖不能凝膠化，但可減少脂肪球大小，增加噴霧干燥奶粉的黏度[25]。

2.2 乳化、穩定作用

膠體能在蛋白質粒子表面形成親水性被膜，形成包裹在蛋白質粒子上的保護膠體，減慢蛋白質分子的運動，降低蛋白顆粒因重力作用而沉降的速度，防止凝集沉淀，起到分散、穩定作用[26]。與果膠相比，阿拉伯膠與蛋白質組成的復合結構使其可以在更寬的pH 值范圍內形成穩定的乳化體系[27]。黃原膠雖不是表面活性劑型乳化劑，但可與蛋白質相互作用，降低表面張力，從而促進蛋白質基泡沫的穩定性[28]。

2.3 成膜作用、包裝材料

膠體形成的水凝膠膜，可作為食品包裝材料或包埋藥物制劑中的功能分子，例如CMC[29]。然而，有研究表明，瓜爾膠包埋的酚類化合物膠囊經噴霧干燥后其抗氧化活性優于阿拉伯膠[30]，黃原膠比CMC 和果膠具有更好的黏性和彈性，因此黃原膠成本雖相對較高，但其需求量仍然較大[31]。

2.4 脂肪替代

膠體依靠凝膠性截留并且穩定部分水分來產生一定的流動性，使其具有類似脂肪的潤滑性以及感官屬性，膠體類型脂肪替代物的安全性在所有脂肪替代物中最高[32]。研究表明，采用0.5%黃原膠替代50%脂肪，可使羊肉糜中脂肪含量降低7.87%，羰基含量降低34%[33]。將抗性淀粉加入低脂餅干中，可以替代12.5%的面粉，獲得與全脂餅干接近的產品品質[34]。

2.5 抑制美拉德反應

膠體的持水性和凝膠性使其適合用于涂料，可以抑制有害美拉德反應產物的形成，減少油炸過程中的油吸收，用于食品預處理[35]。然而，不同的膠體在不同的雜環胺體系下的量效關系不同。例如，低劑量的膠體對以肌酐和苯丙氨酸為前體物質的生成PhIP 模擬體系有較好的抑制作用，而高劑量對以肌酐、甘氨酸和葡萄糖為前體物質的生成MeIQx 模擬體系有較好的抑制作用[36]。CMC、κ-卡拉膠、海藻酸和果膠能夠有效減少PhIP 的形成，而κ-卡拉膠的抑制效果最好，這可能與肌酸酐殘基、PhIP 中間產物、苯乙醛和醛縮產物的減少有關[37]。

3 食品膠體的功能活性研究

3.1 緩解代謝紊亂

最新動物實驗及臨床數據均表明復雜多糖類食品膠體對代謝紊亂有顯著緩解作用。葡甘露聚糖結構的魔芋膠、蘆薈膠及鐵皮石斛多糖可有效控制鏈脲霉素誘導的II 型糖尿病大鼠的糖化血清蛋白水平和體質量增長[38]。阿拉伯膠及瓜爾膠能夠顯著改善成年糖尿病患者體重、血脂等指標異常[39-40]。復雜多糖類膠體調節代謝紊亂涉及一系列的信號通路，比如能夠激活棕色脂肪細胞線粒體中的UCP1，促進細胞呼吸作用，從而上調能量代謝途徑；還能夠抑制胰島素受體，阻斷AMPK 通路，從而改善胰島素抵抗癥狀[41]。膽汁酸、肉堿、溶血磷脂、甘油脂、鞘脂和類固醇等代謝物的變化被預測為膠體多糖調節代謝的關鍵標志[42]。

3.2 調節炎癥與腫瘤

食物膠體因具有抗氧化和抗炎能力而在改善急性結腸炎以及結腸炎相關結腸癌中起著重要作用。從鐵皮石斛、魔芋和蘆薈中提取的具有葡甘露聚糖主鏈結構的膠體分子，能夠通過增加隱窩深度和腸壁厚度，緩解潰瘍性結腸炎小鼠的腸道形態損傷[43]。茶葉、蘋果渣和地木耳中的果膠多糖能有效降低結腸癌小鼠腸道中腫瘤的發生率和數量[44-46]。類似以上的復雜多糖類膠體對結腸穩態的維持作用可能與TLR2、GPR41、GPR43 和GPR109a等腸上皮受體的激活有關，通過免疫通路傳導增強黏液層，修復結腸形態[47-48]。不僅如此，阿拉伯膠對水煙霧誘導的肺損傷[49]，腺堿誘導的慢性腎功能衰竭[50]和衰老[51]相關的炎癥也表現出調節作用。

3.3 免疫調節

鐵皮石斛多糖可增強RAW264.7 巨噬細胞的增殖和吞噬能力，產生TNF-α 和IL-1β[52-53]。此外，蘆薈膠可提高免疫缺陷型小鼠的體重和血清IgM 水平，上調CD4 T 淋巴細胞產生IL-2 和IFN-γ，恢復脾臟組織T-bet/GATA-3 比例，增強免疫系統[54]。多項研究表明，TLR4 和瘦素受體可能是識別復雜多糖類膠體的關鍵受體，而MAPK、STAT1/3 和NF-κB 可能是免疫調節過程中的主要信號通路[55]。

3.4 其它研究

由于生活節奏的加快，疲勞已成為危害人類健康的主要因素。秋葵莖中提取的果膠可有效延長小鼠力竭游泳時間，顯著誘導血糖和糖原升高，降低乳酸和血清尿素氮水平，比傳統草藥西洋參更有利于提高機體能量儲存能力和生理疲勞下的腎功能[56]。研究發現晝夜節律的生物學改變與代謝紊亂的發生有關，燕麥多糖改善高脂飲食引起的小鼠肥胖、血脂水平異常及胰島素抵抗的同時，緩解了肝時鐘基因相關的晝夜節律蛋白表達紊亂[57]。此外，添加黃原膠的食物能夠抑制致病菌艱難梭菌（Clostridioides difficile）的定植，從而促進腸道微生態系統的平衡[58]。

3.5 功能爭議

然而，近十年來關于卡拉膠生理功能的報道不盡相同。例如，λ-κ 型卡拉膠攝入導致健康小鼠的葡萄糖耐受不良和肝臟炎癥[59]，然而，ι 型卡拉膠對高碳水化合物和高脂肪飲食引起的大鼠血脂指標紊亂以及炎癥細胞數量異常均有改善作用[24]。食品膠生理功能的不確定性并不完全是由結構因素決定的。以飲用水的方式攝入κ 型卡拉膠，比添加到飼料中更有可能造成小鼠結腸炎癥[60]。不僅如此，Chassaing[5，61]團隊發表了系列動物實驗成果，CMC 可能造成腸道屏障的破壞，從而導致細菌在上皮細胞上的移位，促進結腸炎癥，已引起廣泛關注。FDA 的科學家緊急重新評估了7 種乳化劑的安全性，并宣布論文中使用的CMC 的相應暴露劑量不太可能在日常飲食中達到，官方建議的每日允許攝入量（ADI）在人體中出現不良影響的幾率很小[62]。

3.6 食品膠發揮功能活性的關鍵媒介

膳食能夠調節腸道菌群組成。比如，膳食纖維干預能夠明顯改變糖尿病人腸道菌群組成[63]，還能明顯提高長期住院老年人的腸道中副擬桿菌、布勞特氏菌、梭狀桿菌等的豐度[64]。隨著培養方法和測序技術的發展，最新研究指出，菊粉會引起腸道菌群快速改變，某些細菌在菊粉作用下顯著增加，然后逐漸穩定，該動力學依賴基線菌群組成[65]。Wastyk 等[66]發現，短期高纖維膳食對菌群調節作用有限，而發酵后的食品能夠改善菌群多樣性，重塑菌群功能，降低炎癥標志物水平。這意味著，人體在沒有降解特定食物組分的腸道菌時，該種食物組分的干預效果雖會明顯減弱，但仍可通過長時間的食物干預培育出特定的腸道菌。

事實上，不同腸道菌對碳水化合物的降解機制存在顯著的差異。腸道菌群能夠合成多種參與碳水化合物降解的酶，其中擬桿菌降解碳水化合物的主要體系是淀粉利用系統（Starch-utilization system，sus），其基因序列高度同源保守。以多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）為例，它具有超過80 個sus 類型的基因體系參與調控降解宿主黏膜及膳食多糖，能夠基于目標糖苷的結構、種類相應調動200 多個編碼糖苷水解酶、轉移酶的基因，同時形成動態的細胞表面結構，促進與宿主免疫系統的互作平衡，產生多種代謝產物，為宿主提供能量[67]。厚壁菌的相關序列差異分化較大，因而在全生命周期內的穩定性表現較擬桿菌差[68]。說明腸道菌群對營養物質的差異化降解機制，也為其在胃腸道生態位競爭中提供優勢。

已有大量數據說明不同類型食品膠會富集不同種屬的關鍵菌[6]。比如阿拉伯膠與乳桿菌、雙歧桿菌、擬桿菌的相對豐度呈正相關，抗性淀粉與副擬桿菌和真桿菌的相對豐度呈正相關，還有與果膠降解相關而尚未被深入研究的Monoglobus pectinilyticus 及Lachnospira pectinoschiza 等。這些與食品膠相關的腸道菌及其代謝產物能夠在腸-肝軸、腸腦軸、心血管及骨骼中發揮關聯調節作用。從綠茶中提取的果膠類多糖，能夠改善大鼠II 型糖尿病，提高毛螺菌、羅氏菌等種屬的豐度，并改善支鏈氨基酸、芳香類氨基酸、精氨酸和脯氨酸、苯丙氨酸的代謝通路[69]。從青錢柳提取的果膠類多糖，在改善大鼠II 型糖尿病的同時，提高了瘤胃球菌屬UCG-005 的豐度，并且與機體營養及能量代謝相關通路的改善顯著相關[70]。說明腸道菌群是包括食品膠在內的膳食組分發揮功能活性的關鍵媒介，挖掘食品膠體的菌群靶點能夠實現食品膠體功能活性差異的解析。

菌群導向性膳食的開發已成為當今的研究熱點。Gordon 團隊發現復合膳食纖維零食對菌群編碼碳水化合物降解基因具有更廣泛的影響，更有助于培育健康的腸道菌群，并顯著調節與健康相關的血液蛋白質組[71]。他們還設計了一種能夠促進關鍵細菌生長的食物，相比常規膳食干預，更能顯著改善營養不良患兒的骨生長、神經發育及炎癥水平，并修復腸道菌群[72]。

4 食品膠體靶向菌群的健康干預策略

靶向腸道菌群的個性化營養的理想目標，在于能夠在特定的生理狀態下產生有益于宿主的微生物群特征。特定的生理狀態可能包括各個年齡階段的腸道、肝臟、心血管、骨骼和中樞神經系統的疾病、代謝綜合征和癌癥。為了實現這一目標，在不斷深入研究食物多糖理化、生理特性的基礎上，還應該充分研究個人的生理數據，并將遺傳變異、運動強度、倫理和法律方面的因素也考慮在內。結合個人偏好，將能夠通過重塑腸道菌群穩態并產生有益代謝產物，進而將有針對性地緩解宿主生理功能紊亂的食品膠作為膳食補充/添加劑，有效調節機體功能，維護健康，預防和控制整個生命周期疾病的發生和發展（圖1）。

圖1 食品膠體靶向菌群的健康干預策略Fig.1 Microbiota-oriented health intervention strategies of dietary hydrocolloids

4.1 挖掘食品膠體干預健康的物質基礎

多糖精細結構解析及多組學技術聯用，是食品膠應用于未來個性化營養的關鍵技術。通過完善卡拉膠、黃原膠、結冷膠等新興膠體的功效研究，建立特征基團及宿主生理標志物的關聯，從而促進優化分子修飾后的水膠體應用的多樣化創新，解析腸道微生物群以個體或共生形式及其代謝物在食品膠體中發揮活性作用的精確機制，最終建立完整的功能性食品膠與人體健康的互作網絡關系。

大量前期研究基于 “部分降解-甲基化-NMR”的結構解析技術體系，解析了多種植物來源的膠體結構，包括以阿拉伯木聚糖為主鏈的車前子多糖[73]，HG 型或RG-I 型果膠結構的茶多糖[74]及秋葵多糖[75]，高度支化和乙?；z結構的馬齒莧多糖[76]，高甲氧基果膠結構的柚囊多糖[77]，低酯化度果膠結構的山藥多糖[78]，以葡甘露聚糖為主鏈的魔芋、蘆薈及鐵皮石斛多糖[79]等。同時，針對天然來源的復雜多糖類食品膠，全面研究來源對精細結構的影響，充分解釋加工過程中的精確變化，結合分子修飾技術闡述其構效關系，推動有針對性的功能研究和應用。例如，石斛多糖中的乙?；鶊F與其抗腫瘤、免疫調節等活性功效密切相關[80]；海藻多糖如石莼膠聚糖中的硫酸基團與其緩解高血脂等生理活性相關[15]。

組學技術及數據分析已廣泛應用于健康領域研究，包括能夠表征定量生物體所有基因的基因組學，解析生物體基因轉錄調控規律的轉錄組學，闡述蛋白質表達、修飾、相互作用的蛋白質組學以及定量分析所有代謝產物的代謝組學。通過多組學技術聯用，建立遺傳調控及物質表達的關聯平衡網絡，開發針對個體多樣性的多因素預測模型，能夠有效彌補單一組學數據的片面性，并從基因水平、蛋白水平結合無菌動物進行驗證。例如，科學家們通過對106 名受試者開展4 年的跟蹤研究，基于血液樣本中的轉錄因子、蛋白質分子信息，建立了前驅糖尿病的龐大數據庫[81]；基于對159 例乙肝病毒陽性的肝癌和癌旁樣本的基因和蛋白質數據進行掃描挖掘，建立了乙型肝炎相關肝癌數據庫，發現代謝相關的蛋白質變化是肝癌組織和非肝癌組織最大的差異[82]，為疾病有效治療提供新思路。

4.2 基于食品膠體定制健康食品的感官品質

合成生物學是指生物利用可再生資源如淀粉、纖維素和二氧化碳合成化合物的過程，例如油菜黃單胞菌（Xanthomonas campestris）能夠合成大量的黃原膠[83]。同時，基于生物工程、物理、化學和計算機等技術手段，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成，構建食品膠體天然細胞工廠，能夠定向提高食品膠體的產量，例如利用酵母細胞生產的卵白蛋白[84]。生物合成技術的大規模應用，減輕了工業經濟對生態環境的副作用，保持了能源的可持續性。同時，基于多糖的結構特性及特征連接方式，修飾或合成新的、多樣化的多糖分子，有效增強多糖的生物學特性[85]。

通過不同膠體復配，例如魔芋葡甘聚糖和卡拉膠、黃原膠之間的協同增效作用，可以提高膠體的凝膠強度，發揮不同食品膠的功效，同時減少原料用量[86]。不僅如此，利用阿拉伯膠的黏液穿透能力，能夠實現酸奶飲料及蛋黃醬減鹽30%的目標；通過阿拉伯木聚糖與小麥粉不同混合方式實現鹽在面包基質中的空間不均勻分布，從而達到減鹽的目的；柑橘纖維可實現減鹽20%，同時保持植物肉的咸味感知[87]。

3D 打印一種新型的食品制造技術，可以實現消費者對營養定制和感官品質的特定訴求，簡化供應鏈，還能使用昆蟲等非傳統食品材料來拓寬食品原料。3D 打印物料的類固體特性或者成型固化，是3D 打印食品質量的重要因素。膠體形成的網絡結構能夠提升不同類型食品的打印特性。例如，在新鮮蔬菜以及食品打印油墨中添加膠體如黃原膠、κ 型卡拉膠和刺槐豆膠后，減少了滲水性，增加了微結構的致密性[88]，并且可以代替凍干食品，保持蔬菜原本的風味和營養。淀粉-芒果或淀粉-阿拉伯木聚糖混合物可作為高度理想的擠壓材料，具有凝膠狀結構、高觸變性和不變形的網狀微觀結構，非常適用于3D 食品打印[89]。

老齡化是當今社會發展的一大趨勢。吞咽困難在老年人和患有衰弱疾病的病人中普遍存在，需要改變其硬度，減緩流動速度，確保安全吞咽。同時由于器官功能減退、合成代謝小于分解代謝等生理原因，易出現營養不良、便秘等健康問題。2012 年，歐盟啟動了“PERFORMANCE”項目，采用3D 打印設計開發能夠保持原有感官特性的易吞咽食品，添加特定營養素，滿足營養需求[90]。最新研究發現，黃原膠及瓜爾膠能夠降低3D 打印熟豬肉制品的硬度、咀嚼性和黏合性，呈現出具有不同大小的腔體網絡結構，在國際吞咽困難飲食標準化倡議（IDDSI）中可被歸類為潛在的過渡食品[91]。未來3D 打印可能替代醫院和養老院的廚房。

5 展望

在未來個性化食品中，功能性食品膠以單一或復合的形式替代乳化劑、穩定劑、增稠劑、防腐劑等化學合成添加劑，發揮其緩解炎癥，調節代謝，增強免疫力，改善睡眠等活性功效，在開發有機、綠色、清潔的普通、功能及特需食品方面具有廣闊的應用創新前景。然而，仍需做大量的工作來揭示食品膠體通過腸道微生物群和宿主互作的機制，從而進一步有針對性地應用開發。