膳食纤维功能特性及构效关系的研究进展

吴斯妍 贾鑫 杨栋 梁建芬 曲桂芹 程永强

摘 要：综述了膳食纤维的不同物理化学结构、组成和加工方式对作用机制产生的影响，旨在为膳食纤维构效关系研究和功能性纤维食品开发提供科学依据。

关键词：膳食纤维;性质;结构;作用机制;生理功能

研究表明，膳食纤维具有降血脂、降血糖、改善肠道环境、控制体重等生理功能[1-2]。本文综述了膳食纤维的不同物理化学结构、组成和加工方式对作用机制产生的影响，旨在为膳食纤维构效关系研究和功能性纤维食品开发提供科学依据。

1 膳食纤维的作用机制

1.1 降低胆固醇

研究表明，在降低胆固醇这一功能中，膳食纤维的粘性发挥重要作用。通过形成凝胶，胆汁在回肠中受到凝胶的物理性吸附，使其被肠壁的重吸收量减少，但随粪便的排出量增加[3]。在此机制下，肝脏为了合成损失的胆汁，需利用血清中更多的胆固醇，从而降低了低密度脂蛋白（LDL）胆固醇和总胆固醇浓度[4]。Christian等[5]的体外模型结果表明，可溶性膳食纤维的粘度越高，与胆汁的结合力就越高。不溶性膳食纤维和非粘性膳食纤维不具备由粘度带来的降低胆固醇的作用，但一些研究证实，这些纤维可以增加人体饱腹感以控制每一餐的摄入量，同时减少饥饿感，使患者主动推迟下一餐的进食时间，起到控制胆固醇摄入量的作用[6]。

1.2 控制血糖

Post等[7]通过随机对照试验发现，粘性膳食纤维降低血糖的机制主要在于吸附葡萄糖和其他常量营养素，减少肠壁对其的吸收量，同时对消化酶和营养物质的接触起到屏障作用，降低食物分解成可吸收成分的速率，从而降低葡萄糖餐后反应。Weickert等[8]研究表明，不溶性膳食纤维有助于提高外周組织对胰岛素的敏感性，帮助改善胰岛素抵抗。此外，部分粘度较小的可发酵膳食纤维可以产生短链脂肪酸，如丙酸、乙酸等，这些物质能刺激大肠中的L细胞，促进其分泌肠激素肽（PYY）和胰高血糖素样肽1（GLP-1）[9]，起到增加饱腹感，降低血糖的作用[10]。

1.3 调节肠道紊乱

膳食纤维常用于便秘、肠易激综合征、肠炎的治疗中，其机制在于与胃肠道神经内分泌系统、微生物群和免疫系统的相互作用[11-12]。不溶性膳食纤维可以增加粪便质量，粪便排出量随着纤维粒径的增大而增大[13]，同时通过对结肠黏膜产生的机械刺激，纤维可以帮助肠道加速分泌和蠕动，缩短运输时间，但Bijkerk等[14]研究表明，不溶性膳食纤维可能会恶化便秘患者的临床症状。中度粘性的膳食纤维可以经过发酵，产生短链脂肪酸和部分气体，一方面，短链脂肪酸作用于肠内神经细胞的神经元，改变胃肠动力，也作用于免疫细胞，减少炎症反应。另一方面，产生的气体将增加腔内压力，压力的增加可刺激5-羟色胺的分泌[15]，5-羟色胺是参与胃肠分泌及肠蠕动调控的神经递质，对维持肠道稳态具有重要作用，此外，短链脂肪酸和气体的产生可以降低肠内pH，有效抑制有害菌的生长、促进有益菌的增殖，起到调节肠道菌群的平衡的功能[16]。但并非所有可发酵的膳食纤维都对肠道有积极的治疗作用，低聚糖等部分短链可高度发酵的膳食纤维可以快速产生气体，可能会导致腹胀腹痛[17]。

2 影响膳食纤维作用效果的因素

2.1 物理和化学结构

膳食纤维是一种复杂的碳水化合物，由有序的碳链排列构成的膳食纤维具有稳定的能量，通常为不溶性，而碳链结构不规则的膳食纤维大多为可溶性，当可溶性纤维的聚合物链相互缠绕形成网络结构时产生粘度，碳链链长、分子量大小、粒径大小、侧链官能团种类、溶液浓度等都会影响到溶解性、粘度和发酵性[18]，进而影响生理功能。高分子量、大粒径的膳食纤维粘度大[19]，且影响发酵的速率和程度[20]。Hughes等[21]用人粪便微生物在体外发酵了分子量不同的3种阿拉伯木聚糖，结果表明，3种木糖的发酵都与双歧杆菌、乳酸杆菌和真细菌群的增殖相关，分子量最小（66kDa）的木糖对乳酸杆菌具有特别的选择性，证明分子量大小会影响膳食纤维的发酵效果。Onishi等[22]研究表明，魔芋葡甘聚糖的粒径大小会影响免疫调节的功能。Dziedzic等[23]研究发现，不同粒径大小的小麦与胆汁酸的吸附和菌群的生长没有显著性关系，但粒径越小，产生的丙酸和丁酸含量越高。侧链官能团也会影响膳食纤维的生理功能，例如果胶中的甲基化程度不同，发酵速率也不同。Dongowski等[24]用甲基化程度分别为6.5%、34.5%、70.8%和92.6%的柑橘果胶饲喂大鼠，实验结束后分析回肠、盲肠和结肠中的短链脂肪酸含量，结果表明，甲基化程度越低，产生的丁酸和总短链脂肪酸含量越高，且速率越快。Annison等[25]用乙酰化、丙酰化和丁酰化处理过的玉米淀粉饲喂大鼠，结果表明，这3种酰化淀粉可以极大程度地提高大鼠盲肠和远端结肠中短链脂肪酸的含量，且丁酰化组最高。

2.2 种类和组合

不同类型和来源的膳食纤维通过不同的机制作用于人体[26]，Parvin等[27]研究发现，豆类、水果、蔬菜来源的纤维对降低心血管疾病的效果较显著，其中，植物纤维主要通过降低甘油三酯和甘油三酯/高密度脂蛋白比例起作用，水果纤维主要通过降低胰岛素水平起作用，而在此项研究中，谷物和坚果来源的膳食纤维摄入不会减少发生心血管疾病的风险。膳食纤维种类决定了发酵产物和模式，例如果胶的发酵产物主要是乙酸盐，环糊精和阿拉伯树胶的发酵产物主要是丙酸盐，豆渣可以增加结肠中的丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐，这些产物通过不同途径被代谢[28]，导致了它们对疾病的不同作用机制和效果。从自然界中直接获取的膳食纤维来源，如水果和蔬菜，可能还富含多酚、矿物质等成分，这些成分将与膳食纤维相互作用，在特定功能中产生协同或拮抗效果[29]。

2.3 加工方式

膳食纤维主要存在于谷物、蔬菜和水果中，以加工食品的形式流通消费，因此，加工方式对膳食纤维含量以及性质的影响极为重要。对谷物制品来说，加工环节包括面团形成、焙烤、高温挤压蒸煮等。Zhang等[30]研究了挤压处理对燕麦麸中可溶性膳食纤维物化结构和功能的影响，和对照组相比，经过挤压的可溶性膳食纤维具有高聚集程度、较大粒径、较小比表面积的特点，溶解度和溶胀能力有所提高，粘度显著增加。Regard等[31]比较了等热量含有4g β-葡聚糖的脆面包、麦片、粥、面食等对空腹和餐后血糖浓度的影响，其中，粥和麦片的分子量和粘度值较大，对减弱峰值血糖反应最有效，但面包和面食中β-葡聚糖的聚合度低，导致其生物活性也有所降低，降血糖作用较差。

3 結论和展望

膳食纤维的健康益处与物理化学性质息息相关，通过溶解性、粘性和可发酵性起到减少胆固醇重吸收量、延缓和较少糖吸收、增加饱腹感、调节激素反应和肠道菌群平衡等作用，这些性质受到膳食纤维结构和组成的影响，产生作用效果的差异。《中国居民膳食营养素参考摄入量》中，每日膳食纤维摄入适宜量在25～35g之间[32]。近20年对我国多地居民膳食纤维摄入情况的调查结果显示，部分地区超过9成的城乡居民人均每日膳食纤维摄入量不足，甚至不到推荐摄入量的30%[33-34]。与此同时，我国作为谷物、蔬菜和水果生产大国，每年仍有大量富含膳食纤维的农作物副产物，如麦麸、米糠、豆渣、果渣等无法得到有效利用，因此，膳食纤维产品的开发拥有广阔的市场前景。

目前，膳食纤维被应用到了烘焙食品、饮料、乳制品、肉类食品等行业中，它们在发挥健康效应的同时，还可以起到提高食物保水能力、改善感官品质、延长保质期的作用[35]。有研究致力于将膳食纤维作为脂肪替代物[36-37]，在提供类似脂肪的滑腻口感的同时降低了热量的摄入，可以满足人们对低脂、低热量健康饮食产品的需求，此外，膳食纤维作为益生元的主要来源，可以保证益生菌的存活和产品的稳定性，对肠道疾病[38]、心血管疾病[39]、癌症[40]等产生协同作用，研究和开发潜力巨大。国内外对膳食纤维结构性质和生理功能等方面的研究还在继续深入中，其定义和评价方法还在不断完善[41]，我国应充分利用丰富的膳食纤维资源，在实现对农产品增值的同时优化和满足人民对健康生活的追求，优化和改善我国居民膳食结构。

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Abstract：This paper reviewed the influence of different physical and chemical structure，composition and processing ways on mechanism of dietary fiber to provide scientific foundation for the study on relationship between structure and activity，and development of functional food.

Keywords：dietary fiber;property;structure;mechanism;physiological function

（责任编辑 李婷婷）