木糖醇益生功能研究進展

葛茵，向沙沙，張亞林，鄭誼青，李勉，朱炫*

1(浙江工商大學 食品與生物工程學院，浙江 杭州，310000)2(浙江華康藥業股份有限公司，浙江 開化，324302)

國務院辦公廳印發的《國民營養計劃(2017—2030年)》提出：近年來，我國人民生活水平不斷提高，營養供給能力顯著增強，國民營養健康狀況明顯改善。但仍面臨居民營養不足與過剩并存、營養相關疾病多發、營養健康生活方式尚未普及等問題，成為影響國民健康的重要因素。

飲食中營養成分的消化吸收依賴著人體最重要的系統之一——消化系統。食物依次經過口腔咀嚼、胃的分解和腸道消化吸收提供給人體日常所需的能量和營養。人們日常攝入的食物種類繁多，有很多不被胃腸道分解消化吸收的食物，如復雜的膳食纖維、多糖、結構發生改變的蛋白質等，基本上靠腸道微生物來解決。因而，龐大的腸道微生物群體被稱為人體獨立的器官或者第二基因組，在食物消化、營養攝入和宿主健康維持等方面起到了重要作用，腸道菌群紊亂會引發肥胖、糖尿病、胰島素抵抗等代謝疾病。木糖醇作為低熱量的功能性甜味劑，僅有少量被人體直接吸收，同時只有5%被排出，大量的木糖醇被腸道微生物消化，其在腸道中通過微生物發揮的作用不容小覷。

1 概述

木糖醇是一種極易溶于水的五羥基糖醇，通常為白色或無色固體，化學式為C5H12O5。天然木糖醇廣泛存在于水果、蔬菜、谷類中，但是含量非常低。人們最初從植物原料中提取木糖醇，但作為全球市場首要稀有糖醇，天然木糖醇的提取量遠無法滿足市場需求，因此工業上常用化學方法鎳催化水解木糖得到大量木糖醇。如今也利用代謝工程菌如釀酒酵母、假絲酵母等生物技術方法改進生產[1]。

木糖醇基于本身的天然性質，在生物醫藥、食品和其他方面取得了巨大成功。木糖醇入口溶解吸熱，往往伴有微微的清涼感，因此常被用作食品甜味劑替代者和新型冷卻劑[2]。木糖醇無須胰島素促進也能透過細胞膜，供細胞以營養和能量，且不會引起血糖值升高，還能夠消除糖尿病人服用后的三多癥狀(多食、多飲、多尿)，是最適合糖尿病患者食用的營養性的食用糖代替品。木糖醇與普通的白砂糖相比，甜度相當，還具有熱量低的優勢——1 g木糖醇僅含有2.4 cal熱量，比其他大多數碳水化合物的熱量少40%，因而木糖醇可被應用于各種減肥食品中，作為高熱量白糖的代用品[3]。

盡管木糖醇在食品中應用范圍廣泛，但其在國內的應用水平卻仍然較低。按照我國人均每年消耗食糖8 kg的標準，如果其中0.1%的糖料由木糖醇替代，則食品工業應該需要木糖醇1萬多噸，累計醫藥工業(1.4萬t)與輕化工業(0.2萬t)年需求量預計，我國木糖醇的年需求量在2.6萬t以上。而實際上，我國木糖醇產品的應用量(2.7萬t以下)不足總產量(9萬t以下)的30%[4-5]。由此可見，木糖醇在國內尚有很大的應用空間。

2 木糖醇的生物代謝

2.1 木糖醇在人體內的代謝

木糖醇是人體代謝的一個中間體，正常成年人每天身體內可以合成約15 g木糖醇，在人體正常血液中的質量濃度為0.03～0.06 mg/100 mL。木糖醇具有十分重要的生理、生物學性質，會對人體的各種機能產生積極的影響。木糖醇能參與機體核酸等的生理合成及機體解毒過程，糾正蛋白質、脂肪、類固醇異常代謝，有強大的抗酮體生成作用，因此可作為糖尿病人機體代謝異常的調節劑和營養劑，肝病的輔助治療劑，手術前后的能量補充營養劑。

木糖醇在人體中的代謝速度相當快，體重70 kg的健康者每日可代謝木糖醇500～600 g，每小時每千克體重約為0.7 g，每克木糖醇全部代謝產生4.06 cal的熱量。研究結果顯示，木糖醇口服后通過腸道吸收，不受根皮苷及2，4-二硝基苯酚等相抑劑的影響。無論口服還是靜脈注射，進入體內的木糖醇大約有85%通過肝臟,10%通過腎臟代謝，小部分被血液細胞、腎上腺皮質和其他組織利用。人體肝臟代謝木糖醇的能力約為0.37～0.5 g/kg體重。

根據13C示蹤原子實驗，服用木糖醇之后的12 h之內，攝入的木糖醇有50%～60%變成CO2，通過肺呼出體外，通過在尿液及糞便中排出各2%～10%，還有20%～30%轉化成糖原或其他中間產物儲存在細胞中，有相當好的生物利用率[6]。

市面上銷售供食用的木糖醇是D-木糖醇，外源性木糖醇進入體內很快經細胞質中經艾杜糖醇脫氫酶脫氫轉化成D-木酮糖，這一過程無需胰島素促進而透過細胞膜，對血糖不產生影響。這是木糖醇用于糖尿病治療的基礎。如圖1所示，木糖醇在體內主要參與了葡萄糖醛酸-木酮糖循環，是由6個碳的葡萄糖醛酸先轉化成L-古洛糖酸，然后經3-酮L-古洛糖酸轉化為L-木酮糖，再經木糖醇轉化為D-木酮糖，人體中的木糖醇轉化成D-木酮糖之后，反應生成5-磷酸木酮糖，再轉化為5-磷酸核酮糖，這樣葡萄糖醛酸-木酮糖支路就和磷酸戊糖及糖代謝的正常途徑完全相聯系。

圖1 木糖醇在KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)上的代謝通路[8]Fig.1 Metabolic pathways of xylitol in KEGG

生成6-磷酸果糖后進入糖酵解途徑代謝成丙酮酸，最后進入三羧酸循環為機體提供能量，或者轉化為其他物質如核糖、琥珀酸等供機體利用[7]。葡萄糖醛酸-木酮糖循環將人體不能用在合成反應和生化反應的葡萄糖醛酸通過一系列反應和木糖醇，與磷酸戊糖途徑相連再次循環到葡萄糖代謝中去。部分木糖醇可代謝成D-木糖，再經過一系列反應后生成丙酮酸，與檸檬酸循環相聯系，還可以往核糖醇、L-阿拉伯糖轉化。

2.2 木糖醇的微生物代謝

微生物的木糖醇代謝途徑與人體相似，主要直接或間接轉化為木酮糖進入磷酸戊糖途徑被代謝。很多微生物如大腸桿菌、酵母等是工業上以木糖為原料生產木糖醇的優良菌株，而腸道中的微生物除了產生能量維持自身或其他微生物的新陳代謝活動外，還產生益于腸道的次級代謝物。已知丙酮酸是碳水化合物代謝成短鏈脂肪酸的重要中間體，因此木糖醇被微生物代謝生成短鏈脂肪酸的主要代謝途徑如圖2所示。其中木糖醇脫氫酶(EC 1.1.1.14)和木糖醇氧化酶(EC 1.1.3.41)、木糖醇還原酶(EC 1.1.1.21)、木糖異構酶(EC 5.3.1.5)分別是將D-木糖醇轉化為D-木酮糖的2個途徑中的轉化酶，木酮糖激酶(EC 2.7.1.17)和磷酸木酮糖異構酶(EC 5.1.3.1)是木酮糖進入磷酸戊糖代謝途徑重要的2個酶。

圖2 木糖醇被微生物代謝生成短鏈脂肪酸的已知代謝途徑和酶[8]Fig.2 Known metabolic pathways and enzymes metabolized by microorganisms using xylitol to produce short-chain fatty acids

現有研究還沒有發現木糖醇具有自己的運輸系統，有人報道木糖醇可能與葡萄糖共用碳水化合物磷酸轉移酶系統[9-10]，KENTACHE等[11]通過插入一個轉座子到單增李斯特菌磷酸轉移酶系統中編碼膜蛋白EIIC的基因上，發現可以阻止阿拉伯糖醇和木糖醇被利用，從而證實了這一可能。

3 木糖醇對微生物的作用

3.1 腸道微生物

結腸中生活著1013～1014個微生物，將近是人體所有細胞總量的100倍，因此腸道微生物也被稱為人體獨立的器官或者第二基因組。腸道微生物菌群具有許多基本功能，最重要的作用之一是能量獲取。腸道微生物在食物消化中起到了重要作用，例如植物細胞壁上的幾種多糖降解酶不是由宿主細胞編碼，而是由腸道中某些菌基因的特異表達。部分攝入的食物經微生物分解之后才能被腸道細胞吸收，為宿主提供營養和能量，影響宿主的生理健康[12]。

腸道微生物還被報道參與致病菌感染的抑制、免疫系統的增強及維生素的合成，與胃炎、炎癥性腸炎、腸易激綜合征、腸乳糜瀉等胃腸道疾病，肥胖、糖尿病、胰島素抵抗等代謝疾病也有關，甚至還通過腦-腸軸影響老年癡呆、自閉癥譜系障礙、帕金森病和臨床抑郁癥等神經性疾病[13-14]。同時，生病的機體也會反過來進一步加重腸道菌群的失調。

宿主與腸道微生物之間的對話影響著人體健康，但并不是只有機體出現問題時，腸道微生物與宿主才會交流。在健康的宿主中，生活在結腸中的數以萬億計的微生物也在勤勤懇懇地工作，維持自身平衡的同時，促進宿主攝取能量和營養、改善和維持宿主健康、預防各種疾病的發生。因此，近年來，腸道菌群已成為了食品消化和生物醫藥領域的研究熱點。

3.2 木糖醇對腸道菌群的影響

作為一類難消化性碳水化合物，木糖醇與部分益生元相似的性質引起了科學家們的好奇，通過一系列實驗探究木糖醇與腸道微生物、代謝標志物之間的關系。例如喂養大鼠高劑量木糖醇[1.5～4.0 g/(kg·d)]的高脂飲食可以促進脂質的代謝。補充低和中劑量的木糖醇[40和194 mg/(kg·d)]，可以顯著改變老鼠腸道微生物的組成，但是脂質代謝沒有明顯變化，因此推測腸道微生物通過來源于膳食纖維的短鏈脂肪酸抑制脂肪的積累[15]。葡聚糖和木糖醇組合增加了所有短鏈脂肪酸的濃度，特別是乙酸鹽和丙酸鹽，降低了支鏈脂肪酸水平，而生物胺水平基本保持不變[16]。木糖醇對小鼠腸道微生物群和尿液中異黃酮的分泌也有影響，喂養黃豆苷元的兩組雄性小鼠中飲食添加木糖醇組，相比于對照組血漿中膽固醇濃度明顯降低，尿液中異黃酮量升高，排泄物中脂質含量顯著增加。這些結果說明木糖醇可能通過腸道微生物或腸道代謝活動影響大豆苷元的代謝[17]。木糖醇和山梨糖通過體外糞漿發酵可以顯著促進丁酸鹽的產生，可能與Anaerostipeshadrus或者Anaerostipescaccae這2種菌代謝相關的微生物豐度升高有關，在人體結腸中有12種典型的丁酸鹽產生菌，只有以上2種菌產生的丁酸鹽來自于山梨糖和木糖醇，但是進一步研究發現A.hadrusDSM 3319體外純培養并不能利用木糖醇[18]。還有一些研究發現木糖醇可以增加小鼠中腸道微生物有益微生物的生長，如雙歧桿菌和乳桿菌。

此外木糖醇對許多致病菌都有抑制作用，如對口腔中的變形鏈球菌，可以影響其細胞結構、降低細胞膜上脂多糖水平、減少細菌在牙齒上的粘附性從而減少牙齒菌斑，起到預防和治療齲齒發生的作用[19-20]；還可以抑制肺炎鏈球菌的生長，從而可以預防嬰幼兒急性中耳炎的發生[21]，FERREIRA等[22]猜測木糖醇通過抑制微生物膜形成，進而通過抗黏附性來抑制微生物的生長。很多研究也證實木糖醇對致病菌生物膜的形成具有抑制作用。

4 研究手段

4.1 體內實驗

體內實驗通常指通過活的生物體測試各種物質對生物實體的整體影響，而不是一個部分或死亡的生物體。因此，動物試驗和臨床試驗是體內研究的主要內容。體內實驗通常以動物或人為實驗對象。動物實驗通常采用小鼠為模型。目前，小鼠模型仍然是絕大多數微生物組學方面研究的首選。通過在飼料中添加不同劑量的木糖醇飼喂實驗用小鼠，收集小鼠的糞便和盲腸，測定腸道菌群變化。小鼠實驗可以初步探究腸道微生物組成、短鏈脂肪酸、微生物代謝及小鼠生理健康的有何變化。魏濤等[23]以1月齡雄性小鼠為實驗對象，采取灌胃法，每日灌胃一定劑量，研究木糖醇調節胃腸道菌群的作用。UEBANSO等[15]采用成對喂食法控制小鼠木糖醇的攝取量。木糖醇濃度根據日攝水量和體重計算，每1～2 d調整1次飲用水中木糖醇的濃度，以調節木糖醇的消耗。探究了攝入低劑量或中等劑量木糖醇對小鼠的腸道菌群及脂質代謝的影響。但目前仍無通過給予腸道微生物移植小鼠模型以木糖醇的相關實驗來研究木糖醇在微生物與相關疾病因果關系中的作用。

但小鼠與人的腸道微生物組成存在明顯不同，無法很好地將小鼠模型的實驗結果推論至人體。通過健康志愿者攝入木糖醇的人體體內實驗能夠相對更準確的評估木糖醇對人體腸道微生物的組成、代謝影響。SALMINEN等[24]研究了健康人志愿者中木糖醇對糞便微生物菌群數量和質量的影響。沒有接觸過膳食中的木糖醇補充劑的健康志愿者在禁食一夜后口服木糖醇溶液，采集糞便樣本進行檢測。探究了木糖醇對人糞便微生物的影響。然而，因為受試者的個體差異、飲食習慣等因素的差異，試驗結果會產生一定的誤差。

體內實驗存在著倫理限制、在腸道不同區域取樣、試驗周期長等種種困難，且體內研究主要依靠終點數據，通常來自糞便樣本，這意味著沿胃腸道動態監測腸道微生物群是難以實現的，因此很難確定特定干預措施在何處發揮作用。但體內實驗通常比體外實驗更適合觀察活體實驗的整體效果，能夠更好地反映木糖醇對腸道菌群的影響。

4.2 體外實驗

體外實驗是指在體外使用從其通常的生物學環境中分離的生物體組分進行研究。體外腸道模型就是一種用來探究人體腸道菌群在疾病狀態、飲食干預和藥物治療后的生長和代謝變化的體外實驗模型。

體外腸道模型系統提供了一種快速、簡單、經濟的方法來研究一個或多個腸段，或沿著整個胃腸道的腸道微生物群。體外靜態發酵模型和體外動態連續培養系統是2種常用的體外發酵模型。體外靜態發酵模型受營養物質和細菌代謝產物的限制，不能反映整個腸道菌群。體外動態連續發酵模型可以模擬結腸的單個區域或整個結腸，其穩定的控制狀態與人體腸道類似。SATO等[8]在體外人糞便培養物中研究木糖醇和山梨糖對腸道菌群的影響。胥媛媛等[25]通過單相連續發酵模型培養人糞便菌群，來模擬分析木糖醇補充下微生物群及其代謝產物的變化。MAKELAINEN等[16]則通過4個順序連接的玻璃容器(分別代表升結腸、橫結腸、降結腸、直腸末端)組成半連續厭氧培養系統來更精確地模擬人體結腸，以評估候選益生元菊葡萄糖和木糖醇的有益特征，并為其益生元特性提供證據。總體而言目前通過體外實驗模擬木糖醇對人體的益生功能及其機制的研究成果較少，有待體外實驗技術的發展來使得相關研究豐富與完善。

體外實驗相比體內實驗利用整個生物體進行實驗，實現了更簡單，更方便和更詳細的分析且擺脫了體內實驗的倫理道德限制。體外實驗工作簡化了正在研究的系統，因此研究者可以專注于少數組件的研究，來探索基本生物學功能。相比人體和小鼠實驗體外腸道模型能夠監測微生物群的變化，根據微生物數量和代謝活動，歸因于特定疾病、底物或抑制物。正如在整個動物的研究逐漸取代人類實驗，體外實驗也正逐漸取代對整個動物的研究。但所有的體外腸道模型都有其局限性，主要與生理相關性降低有關。這樣的系統也并不總是提供體內發生的準確模型，因為它們缺乏上皮黏膜、宿主免疫相互作用和神經內分泌系統功能[26]。從體外實驗的結果外推到完整生物體的生物學也具有一定挑戰性。進行體外實驗的研究者必須小心避免對其結果的過度解釋，否則可能導致關于有機體和系統生物學的錯誤結論。

5 研究的發展方向意義

根據近些年來對木糖醇的各類研究可知，其具有利于牙齒健康、減少脂肪累積、促進骨骼健康、提高機體免疫力等功能。故木糖醇作為功能性甜味劑，被廣泛應用在各種食品中，是糖尿病患者、肥胖患者的優良食糖替代品。然而飲食中大部分被人體攝入的木糖醇是由腸道微生物消化的。木糖醇具有如膳食纖維、多糖等益生元一樣，可被微生物選擇性利用，產生有益于人體代謝物的益生功能?，F有的木糖醇對腸道微生物的研究顯示木糖醇對腸道菌群的調節及人類的健康具有有利的影響，尤其對于治療和預防某些疾病起到輔助的作用，但對其深入的益生作用機理及作用效果研究缺乏。所以目前關于木糖醇研究的關鍵是通過現代生物學技術手段探討木糖醇的益生作用、作用位點和作用方式。對其益生機制的研究，挖掘它更多的益生效應，有利于進一步拓寬其應用空間，充分發揮其巨大潛力。