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了解膳食纤维,默默无闻的菌群健康守护者

发布时间:2019/10/29    浏览:89164次    

多年来,人们一直认为膳食纤维只是植物性食物中比较坚硬的部分,它们通过增加粪便体积来促进排便。但是现在,我们知道,膳食纤维是默默无闻的菌群健康守护者,膳食纤维的许多健康益处都与我们的肠道微生物有关。

 

人体中存在着一个丰富多样的微生物群落,其数量远远超过人体自身细胞的数量。至少有100万亿个微生物和千万亿病毒栖息在人体的各个部位,包括皮肤、眼结膜、口腔、呼吸道、阴道和肠道。肠道菌群是人体微生物群落中最大的部分,其中60%是细菌。这些微生物编码大约300多万个基因,是人类自身基因组的150倍。肠道菌群通常被称为“被遗忘的器官”,有时也被称为“获得性器官”,因为它是出生后发育形成的;然而,它在宿主代谢和免疫过程中起着至关重要的作用。

 

肠道菌群主要依赖于那些不能被宿主酶消化的食物成分,以获得能量和生长需要。肠道微生物所编码的酶负责利用不可消化的膳食纤维。这些食物成分的发酵,比如抗性淀粉、非淀粉多糖和低聚糖,为不同种类的细菌提供了一系列特定的生长促进和生长抑制因子。

 

膳食纤维

 

膳食纤维是指人体消化道内源性消化酶不能消化和吸收的多糖类碳水化合物和木质素以及相关物质的总称。其实,关于膳食纤维的定义仍在讨论汁中,2007年欧洲食品安全局将膳食纤维定义为具有3个或以上单体的多糖,2009年国际食品法典委员会将组成单体扩展到10个或以上。后来,木质素也被列为膳食纤维。功能性纤维由不可消化的碳水化合物组成,这些碳水化合物已被分离或提取出来,并已被证明对人体生理具有有益作用。

 

纤维在水中的溶解度、黏度和可发酵性等特性是其生理益处方面的重要特征。根据这些特性,膳食纤维可分为:可溶性纤维和不可溶性纤维、黏性纤维和非黏性纤维、可发酵性纤维和不可发酵性纤维。不溶性膳食纤维包括纤维素、半纤维素、木质素和壳聚糖等,而可溶性膳食纤维包括果胶、树胶等。黏性纤维是指在胃肠道中易于形成凝胶状黏性溶液的可溶性膳食纤维,而非黏性纤维则没有这种效果,这取决于纤维的保水能力。结肠细菌对膳食纤维的代谢是将膳食纤维分为可发酵性和不可发酵性纤维的另一特性。可发酵性膳食纤维可以被肠道细菌代谢产生各种代谢产物,比如短链脂肪酸,可发酵性纤维包括果聚糖、果胶、树胶和抗性淀粉等。不可发酵性膳食纤维主要包括纤维素、木质素和一些半纤维素,在促进结肠微生物的生长、解毒和增加排便方面具有重要作用。

 

膳食纤维的类型和肠道菌群

 

抗性淀粉

 

抗性淀粉是不能被人类消化酶消化的淀粉,它被运送肠道下部被肠道细菌进行厌氧发酵。根据其特性,抗性淀粉被分为五种主要类型:

 

I型抗性淀粉(RS1):这是指物理上难以接近的淀粉,比如部分磨碎的谷物和豆类中,一些淀粉被周围蛋白质或细胞壁所包围而发生物理隔离,不能被淀粉酶接近。I型抗性淀粉在大多数正常的烹饪操作中是热稳定的,这使得它可以作为多种传统食品的配料。

 

II型抗性淀粉(RS2):是指那些具有抗消化性的天然淀粉,因为它们具有非常致密的结构和构象,比如土豆淀粉、豆类淀粉和高直链玉米淀粉。

 

III型抗性淀粉(RS3):又叫回生淀粉(retrograded starches),它们经过加热和冷却过程,形成一种抗淀粉酶作用的晶体结构。这种抗性淀粉是含淀粉的食物在煮熟和冷却时,通过一种叫做回生的过程,使一些可消化的淀粉转变成抗性淀粉。比如大米、土豆、红薯等,它们本身淀粉含量高,它们加热以后再冷却,一部分淀粉就会转变成抗性淀粉,所以这类食物放凉了再吃更健康。

 

IV型抗性淀粉(RS4):这是经过化学改性的淀粉,由于淀粉分子结构的改变以及一些化学官能团的引入,从而降低了消化率,包括醚化、酯化等。

 

V型抗性淀粉(RS5):这是一种淀粉-脂质复合物,脂质存在于淀粉链中,使得淀粉结构发生改变,不溶于水,且具有热稳定性,不易于淀粉酶反应。

 

抗性淀粉可以被肠道微生物部分发酵。布氏瘤胃球菌(R. bromii)是存在于人类肠道中的降解抗性淀粉的细菌,富含抗性淀粉的饮食可以增加它的丰度。富含抗性淀粉的饮食也可以增加震颤杆菌和直肠真杆菌的数量。不同类型的抗性淀粉对肠道菌群的影响也不尽相同。RS4可导致放线菌门和拟杆菌门的细菌物种增多,厚壁菌门细菌减少。随着RS4的增加,青春双歧杆菌和迪氏拟杆菌的比例增大,而与RS4相比,RS2会增加布氏瘤胃球菌和直肠真杆菌的比例。

 

抗性糊精

 

抗性糊精或抗性麦芽糊精是一类含有短链葡萄糖聚合物的可溶性非黏性纤维。它们可以抵抗人体消化酶的水解作用,因为它们含有比天然淀粉更高比例的α-和β-(1,2)(1,3)(1,6)-糖苷键。抗性糊精是以食用淀粉为原料,在酸性条件下经糊精化反应制得的,包括淀粉的解聚合、转糖基和再聚合过程。连续摄入抗性麦芽糊精可以改变盲肠菌群的组成,增加了拟杆菌和产丁酸菌的丰度。据报道,抗性麦芽糊精的摄入在预防肿瘤生长、降低餐后血糖和胰岛素水平、降低血清甘油三酯和胆固醇以及增加氮和碳水化合物的排泄和通过促进微生物的生长来增加排便具有重要作用。

 

阿拉伯木聚糖

 

阿拉伯木聚糖是谷类中主要的非淀粉多糖。大米、小麦、瓜尔胶和大麦是阿拉伯木聚糖的丰富来源。阿拉伯木聚糖的结构主链是β-(1,4)-糖苷键连接的木糖残基,在C2/C3位被阿拉伯糖残基所取代。阿拉伯木聚糖被酶水解后,产生阿拉伯木寡糖。许多肠道微生物都能降解阿拉伯木聚糖,比如乳酸杆菌属、拟杆菌属、罗斯氏菌属、真杆菌属、普氏栖粪杆菌、动物双歧杆菌和一些非致病性梭菌。动物双歧杆菌可以产生L-阿拉伯糖苷酶和β-木糖苷酶,被用于降解肠道中的阿拉伯木聚糖。阿拉伯木聚糖独特的理化性质使其对谷物食品行业(比如面包制作)和动物饲料行业具有重要意义。阿魏酸等酚酸通过酯键与阿拉伯糖基的C5位上,作为一种自由基清除剂,赋予阿拉伯木聚糖强大的抗氧化性能。

 

果聚糖

 

果聚糖是植物产生的一组天然多糖,比如菊粉、低聚果糖,它们主要由果糖聚合形成不同长度的链。菊粉是由2-60个果糖经β-(1,2)-糖苷键连接而成的线性直链多糖,末端常带有一个葡萄糖残基。低聚果糖的聚合度较低,通常为2-4个果糖单体。菊苣、芦笋、洋葱、大蒜和香蕉等是果聚糖的主要来源。双歧杆菌主要通过β-果糖苷酶水解β-(1,2)-糖苷键来利用果聚糖。补充菊粉可以显著增加结肠中的双歧杆菌的数量。果聚糖具有积极的生理作用,被认为是功能性膳食纤维。据报道,补充菊粉或低聚果糖可以减少体重增加和肝脏甘油三酯的积累,因此对高脂血症和心血管疾病具有有益作用。菊粉可以促进某些有益细菌的生长和活性,或抑制某些致病菌的生长或活性,从而促进结肠健康。

 

纤维素

 

纤维素是最丰富的植物多糖,是葡萄糖通过β-(1,4)-糖苷键连接而成的一种线性、无支链的聚合物。相邻平行的纤维素链中的葡萄糖残基之间的氢键为纤维素提供了一种三维结构,这种结构是惰性的,不溶性的,并且可以抵抗人类酶的消化。它是植物细胞壁的主要成分,谷类麸皮、豆类、坚果、豌豆、根菜类蔬菜、种子的外壳和苹果都是富含纤维素的食物。人类自身不能消化纤维素,它的部分消化是由肠道内的细菌进行的。约50%的纤维素在结肠中通过自然发酵被降解,产生大量的短链脂肪酸。通过破坏纤维素链上的氢键,许多改性纤维素被开发出来,从而导致纤维素晶体结构丢失,并使其溶于水。这些物质包括粉状纤维素、微晶纤维素和羟丙基甲基纤维素,它们都被用于食品添加剂。由于不溶于水,天然纤维素具有与水结合的能力,这有助于增加粪便量,从而促进正常的排便。天然纤维素还可以降低餐后血糖和胰岛素水平。改性纤维素则像可溶性纤维一样,可以增加胃肠道的黏度,延迟营养吸收,增加胆汁酸的分泌,从而影响体内胆固醇的稳态。

 

半纤维素

 

半纤维素也是植物细胞壁的组成部分,它由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。它通常包含50-200个戊糖基(木糖和阿拉伯糖)和己糖基(葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)。它可以是可溶性的,也可以是不可溶性的,这取决于附着到半纤维素主链上的侧链。带少量电荷的酸性侧链具有水溶性。蔬菜、水果、豆类和坚果中约三分之一的膳食纤维含有半纤维素。人体内最显著的消化半纤维素的微生物是溶纤维丁酸弧菌,它也表现出弱的分解纤维素的活性。在人类肠道中,除了纤维素外,瘤胃球菌也能降解半纤维素。肠道细菌对半纤维素的发酵能力也受到糖亚基及其位置的影响。与其他半纤维素相比,己糖和糖醛酸更容易被细菌酶利用。

 

果胶

 

果胶类物质是一类多糖,包括果胶、果胶酸和果胶酯酸。果胶是一类由半乳糖醛酸经过α-(1,4)-糖苷键连接而成的多聚物,而主链的某些部位可以被α-(1,2)-鼠李糖基所取代,由此又可以产生一些中性糖侧链(比如半乳糖、甘露糖、葡萄糖和木糖)。果胶是植物细胞壁的初生壁和细胞内层的组成部分,是一种水溶性多糖,具有很高的离子结合和凝胶形成潜力。因此,它被作为一种胶凝剂和增稠剂用于食品生产。果胶酯酸是果胶中部分半乳糖醛酸被甲酯化的衍生物。柑橘类水果的果皮、苹果和草莓都富含果胶。果胶可以绕过小肠内消化酶的消化,但是很容易被结肠中的肠道细菌降解。普氏栖粪杆菌、挑剔真杆菌(E. Eligens)和裂果胶毛螺菌(Lachnospira pectinoschiza)是人类肠道中主要的利用果胶的细菌。

 

树胶

 

树胶是一组异质性的长链聚合物(多糖和蛋白质),当分散在水中时可形成凝胶。它们来源于植物分泌物,比如阿拉伯胶、黄蓍胶、桃胶等;或来源于种子,比如瓜尔胶和角豆豆胶等;或来源于海藻提取物,比如琼脂,卡拉胶、褐藻胶等。树胶是由各种糖类及其衍生物组成的,半乳糖和葡萄糖醛酸是其主要的糖类,而阿拉伯糖、鼠李糖和甘露糖则较少出现。阿拉伯胶具有以阿拉伯半乳聚糖为主的,多支链的复杂结构,其水解可获得半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖和葡萄糖醛酸。瓜尔胶和角豆豆胶主要由半乳甘露聚糖组成,甘露糖基通过β-(1,4)-键连接成主链,而半乳糖则存在于侧链上。大量羟基的存在提供了树胶的亲水特性,并在某些食品中用作凝胶、增稠、稳定和乳化剂。树胶也被认为是膳食纤维和功能性纤维。在人类肠道中,双歧杆菌是主要利用树胶的细菌,可以增加短链脂肪酸的产生。树胶和其它植物黏质,包括圆苞车前子壳和魔芋葡甘露聚糖,也被认为可以有效的降低胆固醇。

 

β-葡聚糖

 

β-葡聚糖是由葡萄糖单体组成的多聚糖,通过β-(1,3)和β-(1,4)-糖苷键连接。与纤维素不同,葡萄糖基之间的键是可变的,它们有支链结构且分子较小。它们存在于谷类的胚乳中,主要是大麦和燕麦,小麦的胚乳中含量较少。β-葡聚糖在人类肠道中的发酵能力和形成高黏性溶液的能力是它们发挥健康益处的基础。它们对心血管病、血脂异常、胰岛素抵抗和肥胖具有有益的作用。β-葡聚糖的凝胶性质可能通过增加肠道黏度来减少胆汁酸的吸收以及可能增加胆汁酸的分泌,从而调节胆固醇体内平衡。这也可能延迟葡萄糖在血液中的吸收,从而降低餐后血糖和胰岛素水平。产生短链脂肪酸可能是β-葡聚糖影响代谢的另一种可能机制。发酵燕麦β-葡聚糖可以产生丙酸,这可以通过抑制胆固醇合成的关键酶的活性来显著抑制胆固醇的合成。

 

木质素

 

木质素是由三种醇单体(香豆醇、松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物,它是构成植物细胞壁的成分之一。它存在于含有“木质”成分的食物(比如芹菜)、谷物的外层、成熟的块根类蔬菜(比如胡萝卜、西兰花)以及带有可食用种子的水果中(比如草莓)。木质素不溶于水,使得其不易被肠道微生物发酵。降解木质素的细菌包括放线菌(比如红球菌属、诺卡菌属和链霉菌属)、α-变形菌(比如鞘氨醇单胞菌属)和γ-变形菌(比如假单胞菌属)。这些细菌会编码一种叫做漆酶的酶,可以降解木质素。木质素也被认为是功能性膳食纤维。

 

壳多糖和壳聚糖

 

壳多糖是N-乙酰氨基葡糖胺通过β-(1,4)-连接而成的多聚物,广泛存在于甲壳类动物的外壳、昆虫的甲壳和真菌的胞壁中,也存在于一些绿藻中。壳聚糖是壳多糖的脱乙酰形式。壳多糖和壳聚糖都是不溶性纤维。由于壳多糖和壳聚糖带正电荷,它们可与胃内带负电荷的膳食脂肪相互作用,比如未酯化的胆固醇和磷脂,形成壳聚糖-脂质复合物,由胃部向肠转移,形成不溶性凝胶,随粪便排出体外。由于壳多糖和壳聚糖的这一特性,它们在降低血清胆固醇、减少化疗药物的副作用、增强免疫系统功能,特别是自然杀伤细胞的功能方面具有有益作用。

 

膳食纤维的健康益处

 

膳食纤维由于其难消化性,在上消化道消化的过程中不会被分解,所以提供的能量比可消化的碳水化合物要少得多。我们肠道中的大多数微生物都含有代谢膳食纤维的酶,可以将这些碳水化合物发酵产生短链脂肪酸。这些短链脂肪酸,尤其是丁酸,具有一些重要的健康益处:

 

它们创造不利于病原体和其它潜在有害微生物生长的环境;

它们增强免疫反应,增强肠道屏障和肠黏膜;

它们可以抑制炎症,保持肠道细胞的健康,并帮助它们识别和消除可能导致结直肠癌的DNA突变;

它们促进大肠吸收液体和电解质;

丁酸是我们结肠上皮细胞的能量来源。

 

除了滋养我们的肠道菌群,膳食纤维还有许多其它重要的健康益处:

 

它能增强餐后的饱腹感,抑制饥饿感,因此可以减少能量的摄入;

它通过刺激胰岛素敏感性来改善血糖水平的控制。

 

如何科学的摄入膳食纤维?

 

肠道菌群对于我们的健康至关重要,饮食结构是调节肠道菌群的主要外部调节因素,任何饮食结构的改变和干预都可能会改变和塑造肠道菌群的多样性。膳食纤维是一种不可消化的食物成分或物质,它们有选择性促进胃肠道中那些有益健康的细菌的生长和活性。肠道细菌发酵膳食纤维转换成身体可利用的重要的代谢产物,比如短链脂肪酸,它们对身体具有健康有益的效果。

 

饮食中缺乏膳食纤维,肠道细菌会以黏液为食,破坏肠道屏障功能,增加各种疾病的风险。世界卫生组织建议每日膳食纤维的最低摄入量为25克,这些量被认为足以维持肠道功能,我们大部分国人都没有达标。然而,为了降低罹患各种慢性病的风险,建议每天的摄入量应该更多。如何科学的摄入膳食纤维呢?

 

1、 保证膳食纤维种类的多样性

 

膳食纤维的类型有很多种,并不是所有的膳食纤维都是一样的。它们对发酵的敏感性和滋养肠道细菌的能力也各不相同,肠道不同部位的细菌利用膳食纤维的种类和能力也不尽相同,所以不同膳食纤维在促进肠道健康和功能方面的能力差异很大。我们应该保证摄入膳食纤维的多样性,这样可以保证沿着整个肠道都有膳食纤维的发酵以及产生短链脂肪酸和其它保护性代谢物,从而保护我们整个肠道,没有遗漏。那些尽可能接近其自然状态的各种天然食品,比如全谷物、水果、蔬菜、豆类以及一些坚果和种子类等等,是膳食纤维的最佳选择。

 

2、尽可能的少加工

 

前面提到的全谷物、水果、蔬菜、豆类、坚果和种子等全植物性食物不仅纤维含量高,而且富含维生素、矿物质和其它营养物质。现代社会的食品加工过程大大减少了食物中的膳食纤维,比如人们想方设法去除小麦的外壳和麸皮,把麦粒磨得越来越细,雪白的面粉大受欢迎,精致的白面粉可以被烘培成漂亮蓬松的面白;人们对水果榨汁,将果汁从果肉或果皮中分离出来。在这些过程中,我们丢弃的恰恰是大量的膳食纤维。所以,应该尽可能的减少这类食物的加工过程,尽量避免去皮或榨汁。

 

3、不要突然增加大量膳食纤维

 

如果你过去的饮食不习惯摄入太多的膳食纤维,突然增加有时可能会产生腹部不适或增加肠胃胀气,所以,请逐渐增加膳食纤维的摄入量,并将高纤维食物的摄入分配到一日三餐。

 

 

总而言之,膳食纤维对于我们肠道菌群的健康和身体健康至关重要,是健康饮食中不可或缺的一部分。要保持健康,多摄入膳食纤维是十分重要的。后面,我们将讨论膳食纤维在一些常见疾病的预防中的作用。

 


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