功能性寡糖調控腸道健康的研究進展

夏 青，梁馨元，張琳依，李盈柔，任丹丹,2,3,*，何云海,2,3，宋悅凡,2,3，汪秋寬,2,3

（1.大連海洋大學食品科學與工程學院，遼寧大連 116023；2.遼寧省水產品加工及綜合利用重點實驗室，遼寧大連 116023；3.國家海藻加工技術研發分中心，遼寧大連 116023）

寡糖又稱低聚糖，是由2～20 個單糖通過糖苷鍵連接的介于單糖和多糖之間的低分子量碳水化合物。它可以從天然原料中提取，也可以利用轉移酶、水解酶的糖基轉移反應、天然高聚糖的控制性水解法和化學合成法進行制備[1]。寡糖可分為兩類：普通寡糖和功能性寡糖。普通寡糖包括乳糖、蔗糖等，這類寡糖易被腸道吸收，為人體活動提供能量。功能性寡糖包括殼寡糖、木寡糖、果寡糖、大豆低聚糖、褐藻寡糖、甘露寡糖、低聚半乳糖等[2]。功能性寡糖在機體內很難被吸收，和糖類具有一些相同的特征，但是能量很低，攝入后不會引起肥胖。近年來，人們對功能性寡糖在促進腸道健康方面開展了大量研究，結果發現功能性寡糖能在保持腸道內微生態平衡的基礎上促進腸道內有益菌的生長[3]、促進短鏈脂肪酸的產生[4]、改善腸道組織結構、增加腸道對營養物質的吸收[5]、加強腸粘膜屏障[6]、緩解腸道炎癥[7]和提高腸道免疫能力等[8]。本文綜述了功能性寡糖對腸道健康的影響及作用機制，為寡糖的進一步研究提供理論依據。

1 功能性寡糖對腸道健康的調控

1.1 調節腸道菌群

正常人體內的腸道菌群往往維持在一種動態平衡的狀態，人體健康與腸道菌群存在密切的聯系。一個成年人的腸道中細菌數量大概有1014個，這些細菌大致分為三類：生理性細菌、條件致病菌和病原菌[9]。功能性寡糖可直接進入腸道，被腸道內的有益菌利用，促進有益菌的增長，減少有害產物的產生，以改善腸道的內環境。徐海燕等[10]模擬人體腸道環境培養微生物，發現低聚木糖對大腸桿菌等有害菌的增長起抑制效果，對雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌的增長起積極作用，低聚木糖對人體腸道有較好的調節作用。也有研究表明功能性寡糖對仔豬、小鼠、魚等動物腸道內的有益菌的生長起促進作用，調節腸道菌群，促進機體的生長發育[11?13]。

腸道微生物的平衡一旦打破則會很大程度上影響機體的健康[14]。功能性寡糖對菌群紊亂的腸道也有一定的修復作用，趙丹莉等[15]對小鼠連續灌胃殼寡糖14 d 后用高通量測序技術進行腸道菌群檢測，發現殼寡糖能促進乳酸菌抑制大腸桿菌的生長，并能增加腸道菌群的多樣性；在抗生素破壞腸道微生態平衡之后，殼寡糖可對其進行恢復，對腸道菌群紊亂有明顯的改善作用。另有實驗表明褐藻糖膠寡糖可在降低厚壁菌門豐度的同時增加擬桿菌門的豐度，從而逆轉腸道菌群失調，特別是結腸菌群失調、緩解代謝綜合征[16]等。此外，低聚果糖可通過改善腸道微生物來延緩衰老等相關健康問題的發生[17]。

1.2 促進短鏈脂肪酸的產生

短鏈脂肪酸是腸道內有益菌降解不能被消化的碳水化合物得到的產物，是由碳原子數小于6 的有機脂肪酸組成的，主要產物包括醋酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等[18]。短鏈脂肪酸被認為是腸道中的關鍵微生物代謝物，對機體有積極的影響。短鏈脂肪酸能促進腸道吸收，維持腸道的正常功能[19]；通過促進有益菌的生長來參與免疫系統的調節[20]；預防肥胖及并發癥[16]；調節脂肪組織、骨骼肌和肝組織功能[21]等。謝潔玲等[22]研究了人腸道微生物對不同分子量褐藻聚糖硫酸酯的降解情況，發現人腸道微生物能利用降解后的寡糖產生短鏈脂肪酸，促進腸道健康。CHEN等[23]在仔蝦日糧中添加低聚果糖發現低聚果糖可顯著增加仔蝦腸道內的短鏈脂肪酸含量。鄭雅文等[24]在肉雞的日糧中添加果寡糖發現果寡糖可以提高盲腸中戊酸的含量，從而達到對腸道微生物的調節，為宿主提供能量。

1.3 促進礦物元素吸收

礦物元素在人體內起著重要的作用，如參與代謝、預防慢性疾病、維持免疫力等[25]。功能性寡糖可以促進腸道對礦物元素的吸收，現已有研究表明其吸收機制。朱志懷等[26]研究發現低聚果糖在大腸內被發酵成L-乳酸，能溶解鈣、鐵、鎂等礦物質，促進腸道吸收，且低聚果糖能使鈣的吸收率達到70.18%。此研究表明腸道對礦物質的吸收可通過腸道有益菌代謝產生短鏈脂肪酸，代謝產物乳酸使腸道內pH 下降，增加金屬離子的可溶性來完成。王秀武[27]等在肉仔雞飼料中添加殼寡糖發現肉仔雞的胸肌和腿肌中Ca、Zn、Fe 和Mn 元素的含量顯著提高，其機制也可能是消化道黏膜通透性增加，緊密結合蛋白結構發生變化，開放跨膜通道或借助氫鍵和鹽鍵形成籠形分子來吸附金屬離子，達到對礦物元素的吸收。此外，秦雪梅[28]研究完全母乳喂養嬰兒的糞便發現低聚糖可促進鈣、鎂等礦物質的吸收，動物實驗結果顯示，低聚果糖和低聚半乳糖均能促進腸道對鈣、鎂、鐵等礦物質的吸收。DELZENNE[29]等研究發現低聚果糖可促進鈣、鎂、鐵和鋅的吸收，減緩鐵、鈣、鎂和鋅穩態失調引起的癥狀。

1.4 改善腸道組織結構以及加強腸粘膜屏障

小腸的組織結構與營養物質的吸收有決定性的關系。小腸的內部有皺襞和皺襞上的細小突起絨毛，它們的增長可增大腸道面積，有利于營養物質的吸收[30]。隱窩是指腸壁的凹陷，絨毛是指腸壁的突起，常用V/C 值（小腸絨毛高度/隱窩深度）來反映腸道的吸收能力，比值升高則表明吸收功能升高，比值下降可能是由于腸道病變造成，會引起腹瀉的發生[31]。有研究發現，甘露寡糖能改善金鯛的腸道功能，增加腸道面積和絨毛長度與密度，影響腸道微生物物種的豐富度和多樣性[32]。寡糖對腸道組織結構的改變將有利于增加機體對營養物質的利用率，增加對礦物質元素的吸收，調節脂質代謝，從而提高生產性能。仔豬在斷奶后，腸道隱窩深度隨著仔豬的生長而增加，絨毛長度顯著低于出生7 d 的，腸道上皮屏障受損[33]；低聚木糖能有效降低隱窩深度，增加絨毛長度，改善腸道的形態結構[34]。殼寡糖、低聚果糖、褐藻寡糖均可調節腸道屏障完整性[5,35?36]。

腸黏膜屏障是機體黏膜屏障系統最重要的組成部分，它能吸收營養物質以及阻止腸道內的有害物質進入機體內環境，這種屏障是由緊密連接組成的組織良好的系統進行調節的。緊密連接是由閉合蛋白（occludin，OCLN）和封閉蛋白（claudin，CLDNs）以及緊密連接蛋白（zonula occluden，ZO）組成的多蛋白復合物[37]。果寡糖能顯著降低小腸粘膜中活性最強的血漿二胺氧化酶（DAO）活性和代謝產物D-乳酸的含量，增加與腸道上皮完整性緊密相關的ZO2、OCLN 和CLDN2 mRNA 的表達量，從而起到保護黏膜屏障的效果[38]。WAN 等[36]在仔豬的飼料中添加褐藻寡糖發現褐藻寡糖可上調斷奶仔豬盲腸黏膜中的OCLN 和CLDN-1mRNA 水平，以及結腸黏膜中的CLDN-1 mRNA 水平，盲腸和結腸黏膜中SCFA濃度升高導致單磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine 5 ‘-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK）活化，從而提高斷奶仔豬腸道屏障的完整性。上皮組織的致密性、完整性由通透性和緊密連接的結構所決定。通過尤斯灌流室技術對腸粘膜屏障進行研究，發現上皮細胞跨膜電阻（trans epithelial electrical resistance，TEER）減小，表明腸道通透性增加，緊密連接結構受到破壞，腸粘膜屏障受損；熒光素標記物質的檢測也可以體現出腸道的通透性，纖維寡糖能提高TEER 和降低上皮細胞對熒光素異硫氰酸酯-葡聚糖（fluoresceinisothiocyanate-dextran4，FD4）的通透性，且能促進腸道內有益菌的增加，并產生丙酸、丁酸等代謝產物保護腸道屏障[39]。同時益生菌和寡糖的共同作用更能有效的修復腸上皮細胞損傷[40]。

1.5 提高消化酶活性

人體的消化主要靠器官機械式運動和化學性消化完成的，消化酶的主要作用是將攝入的食物進行分解轉化成機體所需要的養分，消化酶分泌不足會導致吸收能力減弱，免疫保護作用減弱，會廣泛引起消化不良癥候群，如腹瀉、胃脹等，從而會阻礙營養物質的消化吸收。有研究表明新瓊寡糖可以促進乳桿菌的生長，能對唾液淀粉酶起穩定作用和激活作用，對消化不良類的疾病具有治療作用[41]。WANG 等[42]將低聚果糖加入飼料中對鱸魚幼苗進行飼養試驗，28 d 后發現飼喂低聚果糖的幼魚體內的脂肪酶活性明顯提高。潘金露[43]在大菱鲆的飼料中分別加入褐藻酸鈉寡糖和殼寡糖喂養70 d 后發現殼寡糖和褐藻酸鈉寡糖均能明顯提高腸道脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶的活性，提高飼料的消化率。除此之外，還有研究表明甘露寡糖可以提高鰻鱺腸道內的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶的活性[44]。

1.6 改善腸道炎癥

炎癥是機體對于刺激的一種防御反應。炎癥性腸病是一種非特異性的腸道炎癥，腸黏膜屏障破損、腸道菌群失常、腸道黏膜免疫、遺傳易感染、環境因素等都能影響炎癥性腸病的發生，腸黏膜破損是關鍵的一個因素[45]，炎癥性腸病會導致腸粘膜屏障損傷。

寡糖可以減輕動物模型腸道炎癥反應。劉海平[46]研究發現，殼寡糖能抑制核轉錄因子NFκB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）的表達來有效改善TNBS/乙醇法誘導的潰瘍性結腸炎（ulcerativecolitis, UC）小鼠的腸道炎癥反應。此外，殼寡糖可降低經口服脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）誘導的仔豬中炎癥細胞因子的濃度，通過抑制核轉錄因子NF-κB 的傳導途徑和鈣敏感受體的激活改善腸道炎癥[47]。CHENG 等[6]用熱應激破壞肉雞腸道組織形態，增加腸道炎癥后在膳食中添加甘露寡糖發現十二指腸和空腸粘膜白細胞介素1β（Interleukin-1β, IL-1β）的含量降低，表明甘露寡糖可調節炎癥細胞因子和免疫球蛋白的產生，從而減輕熱應激引起的肉雞腸道炎癥反應。

患有炎癥性腸病和結直腸癌的人糞便中的大腸桿菌和糞腸球菌的數量高于正常人，乳酸桿菌和雙歧桿菌的數量明顯低于正常人[48]。功能性寡糖可通過提高雙歧桿菌和乳桿菌的數量，降低大腸桿菌和腸球菌的數量，提高短鏈脂肪酸的產量來減輕潰瘍性結腸炎的癥狀[49]。短鏈脂肪酸中的丁酸鹽能促進IL-4 的吞噬作用來限制IL-17A 分化的T 細胞的產生從而來抑制結腸炎[50]。木寡糖可以在腸道內被代謝為短鏈脂肪酸，其中丙酸和丁酸促進幼稚CD4+T 細胞向調節性T 細胞（regulatory T cells,Treg）分化，增加Treg 細胞數量進而減緩炎癥性腸病[51]。

1.7 提高腸道免疫反應

免疫反應是指機體對外來成分和變異的自體成分做出的防御反應，而腸道則在免疫方面發揮了巨大的作用。腸黏膜是機體與抗原相互作用的主要場所，腸道黏膜免疫系統是機體免疫系統的第一道防線，能夠對病原體或有害抗原產生免疫應答，從而達到免疫效果[52]。低聚寡糖是一種天然活性物質，可以激活體液和細胞免疫系統，從而提高機體的免疫功能[53]。益生菌可以通過調節腸道菌群來抑制腸上皮細胞與微生物相互作用引起的免疫失調；同時益生菌能產生免疫保護反應，其機制是與受體識別調節免疫反應從而激發機體的非特異性免疫應答[54]。周笑犁[55]在斷奶仔豬身上進行體內體外實驗發現大豆寡糖可以增加腸道內的有益菌的數量，增加血漿免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）和IL-10 的濃度,減少血漿中IL-1β的濃度，有效調節機體免疫功能。MA 等[56]給小鼠灌胃不同劑量的大豆低聚糖（soybean oligosaccharides, SBOSs），結果發現高劑量SBOSs 提高巨噬細胞吞噬百分率和吞噬指數，促進腹腔巨噬細胞的吞噬活性，提高非特異性免疫；T 淋巴細胞的百分比顯著增加，表明施用大豆寡糖促進了小鼠的細胞免疫；此外，高劑量組血清IgA、IgG、IgM 水平明顯升高，表明大豆寡糖增強了腸粘膜免疫球蛋白的分泌，從而提高了免疫功能。李元鳳等[57]飼喂母豬短鏈果寡糖之后，對腸系膜淋巴細胞和派式淋巴結進行刺激，發現干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）、短鏈脂肪酸以及未受刺激的派式淋巴結細胞的分泌型IgA 含量增加，表明果寡糖可以提升初乳免疫水平，修復仔豬的腸道免疫系統。

2 功能性寡糖的應用與展望

目前功能性寡糖在生活中的應用越來越廣泛，主要應用在食品、農業、醫藥等領域。在食品領域，果寡糖具有益生元特性，能增加飽腹感，限制能量的攝入，常應用在焙烤食品中[58]；寡糖抗菌、抗氧化的特性，能夠使果蔬采摘之后的儲存時間延長[59]；功能性低聚糖可以模擬母乳中低聚糖的功能，將其加入嬰兒的奶粉中，可抵抗腸道病原菌的侵害，維持嬰兒腸道微生態的平衡[60]。益生元被譽為人體腸道的健康衛生，很多功能性寡糖也常被用于保健產品和功能性食品中[61?63]。在農業領域中，功能性寡糖對于動物的腸道也有積極地影響，可以提高腸道對養分的吸收，改善腸道菌群，促進動物生長，所以常被加入動物的飼料中[64?66]；將海藻寡糖混入肥料對農作物進行施肥，結果發現海藻寡糖可以增加氮、鉀和磷肥的利用率，提高玉米的產量[67]；除此之外海藻酸鈉寡糖可以促進光能的轉化，提高電子傳遞效率，提高酶活性從而促進蔗糖的積累[68]。在醫藥領域，白芨寡糖能有效預防由高脂飲食引起的代謝紊亂癥狀的發生[69]；魔芋甘露寡糖對于小鼠肥胖有抑制作用，同時能抑制由肥胖引發的炎癥等慢性疾病[70]；殼寡糖也能明顯減輕大鼠的體重，降低血清總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平，從而改善血脂情況[71]。

目前，由于很多功能性寡糖的結構、活性作用機制及構效關系的研究尚未完全闡明，還需要進一步的探索與研究。但基于功能性寡糖對機體胃腸道健康的有益調控作用，隨著人們對其研究的逐步深入，未來將有更多的功能性寡糖被應用在保健食品及醫藥領域，具有很好的發展前景。