魔芋葡甘聚糖對腸道微生物調(diào)控影響機制分析

王元

1. 魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)及理化特性

魔芋葡甘聚糖是天南星科植物，是魔芋中的主要成分，是天然的植物多糖，具有較高的粘度。魔芋葡甘聚糖縮寫即為KGM，KGM主鏈D-甘露糖與D-葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵鏈接而成，甘露糖與葡萄糖分子比約為1.5：1或1.6：1（花魔芋，A.konjac）或1.69：1。在某些糖殘基C3位上存在由β-1，3糖苷鍵鏈接的支鏈，支鏈上有葡萄糖與甘露糖殘基構(gòu)成，數(shù)量不等，KGM其化學結(jié)構(gòu)可由圖1.1表示。

KGM的特殊結(jié)構(gòu)和化學成分賦予其獨特的性能，如優(yōu)異的親水性、膠凝性、流變性能、增稠性能和成膜性能。KGM易溶于水，但不溶于甲醇、乙醇、丙酮和氯仿等有機溶劑，難以自由移動的大分子使魔芋膠溶液成為粘稠的非牛頓流體。KGM具有優(yōu)異的保水性，可吸收自身體積的80至100倍，形成KGM溶膠。同時，KGM分子量大，吸濕性和容量性強，由于不帶電而具有極好的附著力，是自然界粘度最高的多糖之一，具有極好的增稠效果，相較于其他多糖。KGM溶膠的脫水在一定條件下可以形成膠膜，通過調(diào)節(jié)親水和疏水材料可以改變膠膜的透水性。

KGM吸水性強，可增加大便量，促進腸蠕動和糞便排泄，減少對有毒物質(zhì)的吸收，起到腸道清道夫的作用。KGM到達大腸后，在腸道微生物的作用下發(fā)酵產(chǎn)生酸和各種短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，調(diào)節(jié)腸道菌群，具有良好的腸道益生元作用。近年來，有報道稱，KGM的腸道益生元作用是發(fā)揮減肥降脂、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化損傷、預防大腸癌等生物學作用的重要途徑。對各種KGM及其衍生物的腸道益生元進行了評估，性別在預測KGM的生物活性方面非常重要。

魔芋葡甘聚糖是一種優(yōu)質(zhì)膳食纖維，能促進腸胃蠕動，具有“腸道清道夫”的功效，促進體內(nèi)有害毒素的排出，預防和減少疾病的發(fā)生，有效保護胃黏膜，能清除胃壁并具有良好的腸道益生菌特性，但尚未報道哪種攝入形式發(fā)揮更好的作用。益生元發(fā)揮腸道益生菌的主要機制是，增加腸道益生菌的活性，從而調(diào)節(jié)腸道上皮屏障起到益生菌的作用，降低腸道pH值，抑制有害菌的增殖，防止腸道功能障礙，促進益生菌的產(chǎn)生。鏈脂肪酸（SCFAs）為腸黏膜細胞提供能量，促進細胞代謝和生長，增加腸道滲透壓，改善糞便含水量。

2. 魔芋葡甘聚糖的改性研究

KGM易溶于水而形成凝膠，溶解度小、穩(wěn)定性差、流動性差，為了提高KGM的性能，可以通過物理、化學的方法進行改性處理。化學法包括化學沉淀法、吸附法、離子交換法等。化學沉淀法又分為無機鹽沉淀法、有機試劑沉淀法、高分子材料沉淀法和超臨界流體技術(shù)。其中，以無機鹽沉淀法最為普遍。物理方法包括KGM的純化，物理共混和借助超聲，微波的降解改性。對KGM進行化學改性就是將一些官能團引入或除去多糖結(jié)構(gòu)，使多糖的物理性質(zhì)及化學性質(zhì)發(fā)生變化。 KGM分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基及乙酰基，故可用脫乙酰，醚化，酯化，交聯(lián)及接枝共聚等化學方法進行改性。

2.1 化學改性

KGM分子鏈上含有豐富的羥基，KGM糖環(huán)C2，C3，C6位上的羥基在合適條件下能與酸或酸酐進行酯化反應形成相應的酯化物。乙酸、磷酸與沒食子酸在KGM中發(fā)生了不同程度的酯化反應，隨著取代程度的增加，KGM分子間形成了強氫鍵，使其易于脫水。經(jīng)酯化后，KGM具有良好的耐剪切、耐酸堿、黏度穩(wěn)定性好、溶解度大、抗張強度高、柔軟特性好等特點。通過紅外光譜圖可以看出，乙酰基的引入改變了KGM分子結(jié)構(gòu)，使其鍵合能力增強。此外，乙酰基也是KGM表面疏水性提高的原因之一。拉伸試驗結(jié)果表明，GMAc低DS條件下拉伸強度及斷裂伸長率較高。

生物催化條件下，KGM能與一些脂溶性脂肪酸進行酯化反應，脂肪酸疏水部分與KGM結(jié)合，使KGM具有兩親特性，是提高KGM油基配方及乳狀液溶解度的一種潛在途徑。 然而，由于脂類物質(zhì)的親水部位容易吸附于KGM表面，而使其水溶性降低，KGM在油包水型乳化劑體系中易失水，從而導致油水分離困難。 Meng等人采用弱堿性的微波法將KGM與辛烯基琥珀酸酐（OSA）進行酯化反應，得到含有OSA基團的KGM分子。

2.2 物理改性

相對于化學交聯(lián)，物理共混不靠共價修飾而靠共混物之間的氫鍵或者靜電吸引而相互作用。其中，KGM具有優(yōu)異的機械性能、光學穩(wěn)定性及生物相容性等優(yōu)點，被廣泛用作藥物控釋材料。但是，由于制備工藝復雜且成本較高，使得該領(lǐng)域研究較為困難。KGM物理共混物的制備方法比較簡單，它主要是形成溶液共混物或者乳液共混物來提高KGM在某一特定方面的性能，或者介紹一些特殊性能來提高KGM的適用范圍。KGM/GG/DMY活性復合膜是在KGM/DMY結(jié)冷膠基質(zhì)中添加不同濃度二氫楊梅素制備而成。

物理降解包括熱降解、輻射降解、超聲降解、微波降解。其中，超聲降解以它特有的高效低能耗得到了廣泛關(guān)注，并已成為一種重要的微生物降解方式。目前，關(guān)于超聲降解機制及作用機理的報道較少。研究了超聲波功率對KGM分子量及流變性能影響，KGM的特征粘度在超聲波作用下逐漸降低，這與聚合物隨機斷鏈降解動力學的第一反應過程十分一致。結(jié)果表明：當溫度低于80℃，聲輻射強度為20W/cm2，可以得到較低分子量（小于100kD）的產(chǎn)品;隨溫度升高，聲強增大。超聲處理也使KGM團聚體的粒徑顯著下降，存儲模量及損耗模量均有所下降，但初級結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著改變。

3. 魔芋葡甘聚糖對腸道微生物調(diào)控的作用及其機制

魔芋葡甘聚糖單糖的結(jié)合方式與纖維素的結(jié)合方式相似，因此被分解成單糖，在小腸中不被吸收。研究表明，魔芋在動物的胃和小腸中不被消化酶分解，而主要被大腸中的甘露聚糖桿菌分泌的甘露聚糖酶消化降解。當葡甘露聚糖進入大腸時，魔芋甘露聚糖首先被甘露聚糖酶分解為甘露聚糖和葡萄糖，產(chǎn)生的部分糖進一步通過三羧酸系統(tǒng)被細菌分解代謝。另一方面，細菌利用這些代謝物進行自身生長，同時分泌大量甘露聚糖酶進一步消化魔芋甘露聚糖。

胃腸道是人體最大的微生態(tài)系統(tǒng)，對維持人體的生存和健康起著非常重要的作用。人們在日常生活中容易出現(xiàn)便秘，當廢物在腸道內(nèi)長期堆積時，會產(chǎn)生毒素，從而導致糖尿病、高血壓、癌癥等多種疾病。食用魔芋后，消化吸收會減慢，而大量的可溶性植物纖維能促進腸胃蠕動，減少有害物質(zhì)在胃、腸和膽囊中的停留時間，有效保護胃黏膜，清潔胃壁，降低腸道疾病的發(fā)生率。

3.1 清潔胃腸道，防治便秘

魔芋葡甘聚糖可吸收水分、增大糞樣容積、改善腸道菌群、刺激腸道蠕動，這些都有利于排便。其作用機制如下。

魔芋纖維能夠吸收大量水分，吸水后體積膨脹，更容易有飽腹感。食用后，可以抑制小腸對水分的吸收，使屏障中的水分被吸收。增加腸、糞便樣品的水分含量，使糞便樣品變得柔軟。魔芋纖維被大腸桿菌分解，利用時促進鎖鏈脂肪酸的生成，刺激聯(lián)動運動，提高排便率。小腸縮短1次排便的平均時間及腸活動時間。同時，附著在屏障上的細菌的代謝產(chǎn)物和石膽酸、脫氧膽酸、突變異原物質(zhì)等致癌物質(zhì)、誘發(fā)突變物質(zhì)等廢棄物可以和纖維質(zhì)一起快速排泄，致癌物質(zhì)與腸道的接觸時間可以縮短墻壁的膜，降低職場及結(jié)腸毒素引起的癌癥發(fā)病率，起到清掃腸道的作用。

魔芋葡甘聚糖是一種外源性益生元，能促進雙歧桿菌等有益微生物的生長發(fā)育和繁殖，同時抑制病原菌的生長。雙歧桿菌是人體腸道中具有代表性的有益微生物，具有明顯的免疫激活作用。除活菌的生理作用外，死菌和細菌成分也具有明顯的抗腫瘤活性。雙歧桿菌可定殖宿主腸黏膜形成生物屏障，具有拮抗病原菌、改善微生物平衡、合成多種維生素、供給營養(yǎng)、提高免疫力、降低膽固醇水平等重要生理功能，其對健康的影響遠遠超過其他乳酸桿菌。

同時，魔芋凝膠進入人體腸道后，形成不同孔徑的半透膜附著在腸壁上，防止包括致癌物在內(nèi)的有害物質(zhì)侵入，起到解毒防癌的作用。魔芋葡甘聚糖可能會降低生長抑素對胃腸動力的抑制作用，從而產(chǎn)生胃腸動力作用。目前，魔芋葡甘聚糖具有很強的吸收性和膨脹性，因此被認為是一種通過產(chǎn)生飽腹感來填充胃腸道并減少食物攝入量的機制。同時，由于魔芋葡甘聚糖的高分子量和高粘度，在胃腸道內(nèi)形成粘性纖維，減少了胃腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，增加了糞便的排泄。

3.2 抑制人體肥胖，防治糖尿病

近年來的研究表明，魔芋葡甘聚糖能夠有效遏制糖尿病，有助于抑制人類肥胖。如前所述，魔芋葡甘聚糖因吸水性強而膨脹充盈胃腸道，產(chǎn)生飽腹感，可減少食量，達到控制體重的目的。同時，魔芋葡甘聚糖可降低腸黏膜中Na-K-ATP酶的活性，限制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。此外，由于葡甘聚糖的分子量大、粘度高，增加了食糜在消化道的粘度，并通過覆蓋腸黏膜表面形成擴散屏障，從而延緩了魚糜糊的停留時間。限制胃腔和腸黏膜，來自消化道的食物營養(yǎng)物質(zhì)擴散到腸絨毛中的速度，從而延長了消化系統(tǒng)中食物的消化過程。同時，研究表明，魔芋葡甘聚糖將胰島素平衡調(diào)節(jié)到較低水平，從而限制脂質(zhì)和糖類的吸收，達到抑制體重增加和緩解糖尿病的效果。

3.3 降低膽固醇、預防高血壓、高血脂

研究表明，魔芋葡甘聚糖可以降低膽固醇、預防高血壓和高脂血癥。葡甘露聚糖纖維可抑制小腸對膽固醇、膽汁酸等脂解物質(zhì)的吸收，由于進入血液的脂肪量少，可促進脂質(zhì)物質(zhì)向體內(nèi)的排泄。魔芋葡甘聚糖在消化道內(nèi)能與膽固醇結(jié)合，破壞甘油三酯和膽固醇的吸收，有效抑制膽汁酸在回腸黏膜的主動轉(zhuǎn)運，使腸循環(huán)部分受阻，降低肝臟血脂，增加類固醇排泄，最終消耗脂肪酸。魔芋葡甘聚糖還可以在大腸內(nèi)被微生物分解，產(chǎn)生丙酸等短鏈脂肪酸，被人體吸收，產(chǎn)生低脂效果。

總結(jié)

魔芋葡甘聚糖覆蓋腸壁表面，病原微生物侵入后，被外源性萊克素識別，并附著在細胞表面，過濾掉病原微生物，排出病原微生物和毒素，提高機體免疫力。魔芋葡甘聚糖能增加腸道菌群的多樣性，改善腸道菌群的組成，促進雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌的生長，對腸道健康發(fā)揮作用。