抗性淀粉生理功能及作用機制的研究進展

閆國森，鄭環宇,,*，孫美馨，丁陽月，張志華，許 慧，陳 昊,*

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省綠色食品科學研究院，國家大豆工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150028）

近年來，隨著經濟水平的發展和生活方式的改變，糖尿病、結直腸癌（colorectal cancer，CRC）等各類由于飲食結構不合理導致的疾病也隨之產生，使人們逐漸意識到飲食結構和人體健康有著密不可分的聯系；因此，健康合理的飲食結構越來越受到重視?？剐缘矸郏╮esistant starch，RS）作為一種來源廣泛、口感良好的新興食品，具有飽腹感強、消化率低、血糖生成指數（glycemic index，GI）低等特點，受到人們的廣泛關注。RS有著類似膳食纖維的特點，但相對于高膳食纖維食物粗糙的口感和質地，高RS食物的口感與普通淀粉食物無異，消費者接受程度更高，在代餐和保健食品中有著巨大的發展潛力。RS隨著消化系統進入大腸后，可被腸道菌群發酵分解為短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），進而被吸收利用，被認為與腸道健康有著密切的聯系。隨著研究的深入，人們普遍發現RS不僅能夠通過抗消化、降低GI等簡單途徑發揮益生作用，而且對腸道微生物菌群及腸道上皮細胞有著調節和保護作用，能有效降低CRC、II型糖尿?。╰ype 2 diabetes，T2D）和慢性腎病（chronic kidney disease，CKD）的風險，對一些由飲食引起的慢性疾病有著良好的預防和緩解作用。本文主要綜述了RS及其分解產物對CRC、T2D以及CKD的預防和抑制作用，并對其作用機制進行探討，最后，對RS的研究方向和在日常飲食及益生食品中的應用做出了展望。

1 RS的定義與分類

RS是20世紀80年代英國生理學家Flans Englyst發現的一種在人體小腸中不能被消化的淀粉，1992年被聯合國糧食及農業組織重新定義為：不被健康人體小腸所消化吸收的淀粉及其降解產物的總稱[1]。RS來源較多，如馬鈴薯、豆類、玉米及青香蕉中均有較高含量的RS，RS也常被添加到無麩質餅干、代餐食品、面包中制備低能量食品。通過老化回生、化學改性等處理方式也可人工制備RS，但通過化學改性制備RS存在一定的安全隱患，目前主要以老化回生為主要制備方式。

由于RS來源廣泛、形式多樣，因此，其抗消化機理也在物理和生理等方面存在差異，根據這些差異將RS分為5 類（表1）。

表1 RS的分類[2]Table 1 Classification of RS[2]

2 RS與CRC的聯系

2.1 RS降低CRC發病率

CRC是目前發病率最高的胃腸道腫瘤，在全球范圍內，其發病率僅次于肺癌，在男性所患癌癥中位居第三[3]。流行病學研究表明，CRC的發生與發展與飲食類型有著密切聯系，吃西餐的人比地中海飲食或亞洲飲食的人患CRC的風險更大，這可能因為傳統地中海和亞洲飲食包括多種植物性食物和未經精制的谷物[4-7]，這些食物中含有更多的RS，這在人類和動物研究中都被證明可以降低CRC發生的風險[8-9]。

已有研究證明CRC的發病機制和腸道上皮細胞的功能密切相關，腸上皮細胞功能障礙激活了腫瘤相關巨噬細胞，引起炎癥細胞因子的產生，最終導致腫瘤的形成和發展[10]。

而高RS飲食能增加糞便濕質量和體積，這可以加速腸道轉運，緩解便秘，并可以預防憩室疾病，對腸道健康有著積極的作用[11]。同時，RS在腸道中的發酵過程也能夠引起腸道菌群豐度的改變，如嗜酸桿菌、大腸桿菌和擬桿菌等與腸道炎癥密切相關的促炎微生物，均被發現隨RS攝入量的增加而顯著降低，這表明RS通過對促炎微生物的抑制作用從而保護腸道健康[12-13]。RS在腸道中被雙歧桿菌、擬桿菌等發酵分解，其最終產物為可被腸道上皮細胞直接利用的SCFAs，其中丁酸約占20%～30%[14-15]，而丁酸是腸道上皮細胞能量的主要來源，對腸道上皮細胞起著多種作用[16-17]。有研究表明丁酸鹽通過調控腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、炎癥白細胞介素等通路發揮抗炎作用[18]。

2.2 RS抑制CRC的發展

組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）是一類蛋白酶，對染色體的結構修飾和基因表達調控發揮著重要的作用。在癌細胞中，HDAC的過度表達能夠導致去乙?；饔玫脑鰪?，通過恢復組蛋白正電荷，從而增加DNA與組蛋白之間的引力，使松弛的核小體變得十分緊密，從而導致p21等腫瘤抑制基因沉默[19-20]。目前已有研究表明，丁酸鹽在體內可作為HDAC的抑制劑（histone deacetylase inhibitor，HDACi）[21]，通過組蛋白乙?；{控CRC相關基因的表達，如血管生成因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、抑癌基因、Wnt信號通路以及微小核糖核酸（microRNA，miR），進而抑制CRC細胞的增殖、分化和轉移，并促進細胞凋亡。

MicroRNA是一種微小的RNA，轉錄后可以通過調節mRNA的功能進而抑制或促進蛋白質的產生[22]，研究表明miR-203能抑制細胞增殖、侵襲和轉移[23]。對皮膚腫瘤的研究發現，丁酸能促進miR-203的表達，從而抑制癌細胞的增殖和轉移，促進癌細胞凋亡[24]，而Han Ruirui等[25]的研究表明，丁酸鹽能夠通過同樣的方式抑制大腸癌細胞的增殖和擴散，同時，丁酸處理還可抑制與腫瘤分化相關的miR-92a基因[26]。進一步研究表明，腸道中的丁酸鹽通過調節CRC中的c-Myc表達來抑制致癌的miR-92a。miR-200是腸道上皮間質轉換的重要因子，在Xu Zhiyao等[27]的研究中，丁酸鹽通過增強miR-200表達介導BMI-1的下調來抑制CRC細胞的遷移，防止癌細胞的擴散轉移。

另有研究發現，在50%以上的人類癌癥中都可以檢測到p53突變，表明p53是一種與腫瘤消退高度相關的抑癌基因[28]，用丁酸處理誘導CRC細胞發現丁酸鹽可以抑制結腸癌生長因子β-catenin的表達，降低突變體p53的表達并誘導p53的下游靶點p21的表達上調，同時發現丁酸在G1期對CRC細胞的增殖有著良好的抑制作用[29]。

腫瘤的生長和轉移高度依賴新生血管的形成[30]。血管的生成受到生長因子的調控，VEGF是血管生成的核心調控因子。VEGF在許多實體腫瘤中表達上調，包括原發性和轉移性CRC。神經肽（neuropeptides，NRP）是VEGF的一種表達受體，臨床研究表明，高表達NRP-1的CRC有更高的轉移率、增殖指數和凋亡癌細胞數量[31]。體外實驗表明，丁酸鹽通過抑制轉錄因子Sp1反活化能下調NRP-1和VEGF在mRNA中的表達和CRC細胞中的蛋白水平，NRP-1的表達受到抑制，VEGF與NRP-1的結合也降低，從而抑制腫瘤血管的生成[32-33]。

在大多數CRC病例中，正常細胞成熟分化的關鍵因子Wnt信號通路的管制被解除，因而導致其過活化，引起腫瘤細胞的無限增殖[34]。已有研究證明，丁酸處理能調控大腸癌細胞Wnt活性和凋亡，丁酸鹽處理后Wnt活性較高的CRC細胞凋亡水平較高，而對Wnt活性較低的細胞無影響[35]。另有研究表明丁酸鹽處理可誘導CRC細胞Wnt信號特異性基因表達的改變[36]。此外，Li Qingran等[37]的研究表明丁酸鹽處理對細胞增殖過程中驅動細胞周期進展的關鍵信號通路——細胞外調節激酶（extracellular-regulated kinase，ERK）1/2有顯著的抑制作用。

2.3 RS改變CRC細胞代謝途徑

正常分化的細胞主要依賴有絲分裂素驅動的氧化磷酸化來產生細胞增殖所需的能量，葡萄糖經糖酵解后進入三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環徹底氧化放能。與之不同的是，大多數癌細胞依賴更為快速的需氧糖酵解產生能量，在有氧條件下通過糖酵解消耗葡萄糖，而不是將葡萄糖中間產物引入TCA循環，這種細胞代謝的改變稱為Warburg效應[38-40]。

由于CRC細胞中TCA循環被抑制，丁酸鹽的正常代謝降低，因此CRC細胞中含有較高的丁酸鹽濃度，同時丁酸鹽的積累強化了其作為HDACi的作用，與Liu Chengxia等[28]發現丁酸鹽濃度在2.5 mmol/L以上時才可抑制癌細胞的增殖、促進其凋亡的現象相符，而在健康人體內丁酸鹽經TCA循環代謝消耗，濃度通常較低；因此，丁酸鹽在健康人體內和癌癥患者體內具有著截然不同的表現，即丁酸悖論。

圖1 RS及其分解產物對CRC的預防和抑制作用Fig. 1 Preventive and inhibitory effects of RS and its decomposition products on CRC

有研究表明，丁酸鹽不僅作為HDACi抑制癌細胞生長，還可通過逆轉Warburg效應，促進TCA循環等一系列代謝途徑發揮作用。丙酮酸脫氫酶復合物（pyruvate dehydrogenase complex，PDC）是連接糖酵解和TCA循環的酶復合物，由3 種酶組成（丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDHA1）、二氫酰胺乙酰轉移酶和脂酰胺脫氫酶）。在癌變細胞中，PDC的失活可能是Warburg效應發生的主要原因，Xu Sha等[41]的研究表明丁酸鹽作為HDACi使PDHA1高度乙?；?，解除了絲氨酸對PDHA1的抑制磷酸化，從而激活糖酵解中間體流入TCA循環，逆轉Warburg效應。Zhang Wen等[42]在利用丁酸苯酯對動物模型進行干預的實驗中也得出了相同的結論，同時研究還發現，丁酸還可調控sirt3的表達，進而對電子傳遞鏈復合物I進行調控，復合物I被抑制時，產生的能量減少，TCA中間體內流增加，因此使得無限增殖的癌細胞發生凋亡。另有研究發現，丁酸還可通過促進丙酮酸激酶M2亞型（pyruvate kinase M2，PKM2）的去磷酸化而激活PKM2，從而抑制重組大腸癌細胞的代謝，抑制Warburg效應，有利于能量的利用[43]。這表明丁酸鹽不僅在基因水平上發揮調控作用，還可通過直接參與細胞代謝的方式對癌細胞起到抑制作用。圖1總結了RS及其分解產物對CRC發揮預防和抑制作用的途徑。

3 RS與CKD的聯系

CKD患者由于腎臟結構、功能損害和進行性惡化等原因，其飲食結構及膳食成分與病情控制有著密切聯系。Krishnamurthy等[44]通過對14 543 名國家健康和營養檢查的參與者進行分析，發現CKD患者的炎癥及死亡率與膳食纖維的攝入量存在聯系。因為RS具有與膳食纖維類似的特點，而被認為與其有著相同的功效。Younes等[45]向CKD患者的飲食中每天加入25 g RS，并與普通淀粉飲食的患者進行對比研究，5 周后發現攝入RS的患者糞便中氮排出量顯著增大，表明RS可能通過排便方式加速體內氮排泄，對CKD患者有益。

3.1 降低血清尿素與肌酐水平

Vaziri等[46]假設RS對CKD患者的病情有緩解作用，用0.7%腺嘌呤誘導雄性大鼠產生CKD后，分別喂食低纖維（支鏈淀粉）和高發酵纖維（玉米直鏈RS）3 周，結果發現高發酵纖維組的大鼠肌酐清除率提高，炎癥、腎小管損傷以及結腸上皮細胞緊密連接的破壞均顯著改善，證明了RS對CKD小鼠的病情有緩解作用。而Khosroshahi等[47]通過分析46 名需要定期進行血透析的腎病患者補充高直鏈玉米2型RS（high amylose maize-RS type 2，HAMRS2）（25 g/d）后的血液樣本，發現HAMRS2組的患者血清尿素和肌酐濃度顯著下降，便秘程度明顯改善，且患者對HAMRS2的攝入耐受良好，沒有明顯的副作用；而以普通淀粉作為安慰劑的對照組則無明顯變化，證實了RS對CKD的緩解作用。

3.2 增加腸道氮代謝

目前，RS已被證明能夠改善CKD大鼠模型的腎功能，其對改善腎病患者的影響主要集中在盲腸、腸道菌群、血液和尿代謝物幾個方面。在富含RS的飲食中，大腸菌群發酵作用產生的SCFAs參與了腸道血流的刺激，這一作用可能有助于預防腸缺血，促進腸道健康，同時SCFAs的存在降低了大腸pH值，對腸道起保護作用[48]。RS對有益菌群的增殖作用使其活性升高，通過競爭作用減少脲酶細菌的增殖，從而減少由脲酶細菌生成的NH3和NH4OH對腸道上皮細胞的破壞。RS還能在腸道中吸收水分，這在防止便秘、縮短轉運時間的同時也減輕了腎小球重吸收的負擔。同時，RS能夠依靠吸附氨來提高糞便中銨鹽的含量，使之隨糞便被排出體外，進而降低CKD患者體內氮的積累。

Kieffer等[49]綜合了RS對改善腎功能相關因素的影響，如盲腸、腸道菌群、血液和尿代謝物，對RS改善腎功能的潛在機制進行闡述。分別以低纖維飲食和高纖維飲食59% HAMRS2喂養腺嘌呤誘導CKD雄性大鼠3 周后，對盲腸微生物體進行了鑒定，并對盲腸內容物、血清和尿液代謝物進行了分析，結果發現HAMRS2組大鼠的盲腸菌群結構發生顯著改變，可能由于HAMRS2的組分和構型單一，完全由葡萄糖和α-1,4糖苷鍵組成，從而使腸道菌群比例改變。在HAMRS2大鼠腸道中，雙歧桿菌屬（放線菌門）、Barnesiellaceae（擬桿菌門）和糞腸桿菌豐度顯著增加，分別為1.11%、0.30%、0.84%，且蛋白細菌顯著富集，如RF 32（變形菌綱）、腸桿菌科。同時觀察到腸道中幾類氨基酸含量明顯下降，血清和腸道內容物中尿素含量下降，這是因為RS與其他谷物不同，不含蛋白質，因此，腸道成為了菌群生長的“氮庫”，這可能會引起腸道尿素轉運蛋白的增加，促進尿素微生物對腸道尿素的利用，減少經門靜脈進入血清的尿素總量，從而降低了腎臟重吸收的負荷。同時，RS的攝入縮短了盲腸內糞便轉運時間，尿素由此快速排出，這加強了腸道對尿素的代謝作用。尿素的快速排出、降解以及SCAFs造成的低pH環境也使得腸道上皮細胞得以修復，增加腸道的屏蔽功能，減少有毒物質及細菌通過體循環的傳播，降低腎炎發生的可能[50]，RS對CKD的預防和調節機制見圖2。

圖2 RS對CKD的預防和調節機制Fig. 2 Preventive and regulatory mechanisms of RS on CKD

4 RS與糖尿病

在全球范圍內，糖尿病的發病率自20世紀80年代初以來增加了13 倍以上，成為最受關注的公共衛生挑戰和經濟負擔之一[51]。目前全世界糖尿病患者約3億，如果不進行干預，到2040年，糖尿病患者可能會超過6.42億[52]。

糖尿病有兩種類型，分別稱為I型糖尿?。╰ype 1 diabetes，T1D）和T2D，T1D是一種自身免疫性疾病，與胰腺B細胞破壞有關，診斷時最常見的年齡在10～14 歲之間。在T1D中觀察到的一些常見癥狀包括高血糖、多汗、多尿、體質量減輕和酮癥[53]，而T2D主要是由于日常生活中的各種影響因素引起的，如肥胖、飲食、年齡、運動量較少等，與T1D相比，T2D是由于胰島素敏感性降低導致的高血糖和高胰島素癥。

4.1 控制血糖水平

在正常情況下，胰島素分泌在餐后血糖升高時開始，血糖的升高刺激胰腺的B細胞分泌胰島素，促進葡萄糖轉運蛋白-2對葡萄糖的轉運作用，加速葡萄糖氧化分解、釋放能量[54-55]。近年來，隨著研究的深入，發現高RS食品的攝入對一些誘發或加重糖尿病的因素，如空腹和餐后葡萄糖反應增加、胰島素敏感性下降、肥胖等，有著十分良好的生理功能，在延遲T2D發病方面比藥物干預更有效[56]。

在目前的研究報告中，已經證明食用高RS的食物，如高RS餅干、黑麥面包、糙米、高RS百吉餅、纖維松餅[57-60]等，與食用普通淀粉的食物相比，能夠顯著減少空腹和餐后血糖水平，改善血漿中胰島素水平。且攝入高RS的食物可能會降低人體對隨后一餐的血糖反應，即“第二餐效應”。這可能由于RS的GI較低，在攝入高RS食物后，餐后血糖波動較小，從而穩定血糖水平。因此，用RS代替普通膳食淀粉有助于糖尿病的預防和治療[61]。攝入高RS的食物后，由于RS消化率低，能量相對較少，使脂肪的利用增加，積累減少，這將有助于緩解肥胖，進而預防糖尿病的發生[62]。同時也發現RS可能會一定程度上影響人們的食欲，這也可能是體質量下降的影響因素[63]。

4.2 提高胰島素敏感性

對糖尿病動物模型的研究顯示，RS的積極作用不僅是控制體質量和血糖水平。Matsumoto等[64]對糖尿病小鼠喂食wx/ae稻米（一種高RS的雜交稻米）12 周后，與喂食普通糙米的小鼠相比，空腹血漿三酰甘油和非酯化脂肪酸含量較低，且注射胰島素后，喂食wx/ae稻米的小鼠血糖下降更為顯著。Johnston等[65]的研究也表明高RS飲食的糖尿病小鼠血糖恢復率顯著降低，胰島素恢復率也顯著降低，這可能是因為高RS飲食提高了糖尿病小鼠的胰島素敏感性。高RS食物對胰島素敏感性的提高也合理解釋了“第二餐效應”的發生。

4.3 調控腸道激素

有研究表明，R S 對人體糖尿病的預防和緩解并不是通過腸道微生物菌群的發酵作用影響，而是通過對胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）和腸肽YY（peptides YY，PYY）分泌產生影響[66-67]，在食用黑麥面包后的1 2 0 m i n 內，與普通淀粉面包相比，人體餐后血糖水平和胰島素反應顯著降低，血漿中P Y Y 水平顯著提高[68]，Goldsmith等[69]的研究也表明高RS飲食后小鼠血清中GLP-1的活性提高，說明RS可通過GLP-1介導的途徑促進胰島素的分泌，進而控制糖尿病大鼠的血糖水平。在對葡萄糖和脂代謝途徑相關基因的分析也證明了這一點，同時發現脂質氧化基因（acyl-coenzyme A oxidase 1，Acox 1）、糖原合成基因（（glycogen synthesis2，GS2）、（glycogenin-1，GYG-1））和胰島素誘導基因（（insulin inducible gene，Insig）-1、Insig-2）的表達水平均顯著上調，相反，脂肪酸和甘油三酯的合成和代謝相關基因（sterol regulatory element binding peptide-1，SREBP-1）、脂肪酸合成基因（fatty acid synthesis-1，Fads-1）和糖異生基因（glucose-6-phosphatase catalysis-1，G6PC-1）表達水平明顯下調，這合理解釋了高RS飲食的小鼠對胰島素敏感性改變的原因[70-71]。

4.4 緩解炎癥發展

另有研究表明，RS的作用還可歸因于修復受損的胰腺B細胞，下調血清中C反應蛋白、TNF-α、白細胞介素以及核因子-κ-結合基因等炎癥基因的表達[72-73]，從而使患者炎癥得以緩解。這降低了腎小球的損傷，增強了腎小球的重吸收功能，緩解了糖尿病的發展，與Bahram等[74]的研究結果一致。同時，這也解釋了RS對CKD預防和緩解作用的機制。RS對糖尿病預防和調節綜合作用見圖3。

圖3 RS對糖尿病的預防和調節作用Fig. 3 Effect of RS on the prevention and regulation of diabetes

5 結 語

RS作為一種來源廣泛且口感溫和的健康食品，在調節飲食平衡、預防營養疾病等方面有著重要作用。迄今為止，RS已被證實對CRC、T2D、CKD等疾病有預防和緩解作用，其作用機理也逐漸被闡明。RS對人體健康的作用方式主要有3 種：1）作為抗消化、飽腹感強的食物，通過低消化性、低能量及低GI等特點有效防止糖尿病、肥胖等疾病；2）作為可發酵膳食纖維進入人體腸道后，通過對腸道微生物菌群的調控作用，促進益生菌的生長，保護腸道上皮細胞，進而預防腸道炎癥、提高腸道屏蔽功能；3）經腸道菌群發酵后，產生的丁酸、丙酸等SCFAs是腸道上皮細胞的主要能量來源，并通過參與細胞代謝、調控基因表達等多種途徑發揮作用。

然而，目前國內對RS的研究多集中于其制備方法、生產低能量食物及調控腸道菌群等方面，對其進一步發酵后產生的SCFAs并發揮細胞水平調控作用的研究相對較少。同時還有以下問題亟待解決：1）有關RS的研究大多基于普通食物與高RS飲食，但由于RS吸收率較低，其攝入的能量存在差異，長期研究存在能量攝入、肥胖等因素干擾，對其作用機理的探究可能存在一定影響，因此，在研究中有必要控制攝入能量的一致性。2）高RS食品對營養失衡引起慢性疾病的研究多見于糖尿病、CKD和腸道疾病等，對其他慢性病潛在的積極作用報道較少。由飲食引起的慢性疾病通常伴隨著一系列并發癥，針對性地對其他慢性疾病及其并發癥進行深入研究是今后的重點。3）目前的研究大多采用單一的高RS食品與普通食物進行探究，對不同類型RS的生理功能及其影響是否存在差異鮮見報道。由于RS來源廣泛，其制備方法及價格有所差異，對不同類型的RS生理功能進行比較將會是下一步的研究方向。4）高RS食品多種多樣，其加工過程也存在差異，不同加工過程及其他食品物料對RS的結構及生理功能的影響也有待研究。