褐藻膳食纖維對糖脂代謝調節作用的研究進展

邱 霞，張德蒙，高翔宇，王發合，劉海燕，秦益民

(1青島明月海藻集團有限公司海藻活性物質國家重點實驗室，山東青島 266400；2青島海藻生物科技創新中心，山東青島 266400；3山東大學齊魯醫院，濟南 250000)

近年來，糖脂代謝紊亂及相關疾病已經發展成為全球性的慢性疾病，是影響人類健康的重要因素[1-2]。目前，防治糖脂代謝紊亂疾病的主要措施是改變生活方式和應用降糖降脂藥物，但藥物治療易產生嚴重的不良反應。因此，研究開發基于天然活性物質的功能食品具有重要意義。褐藻膳食纖維又稱海藻酸鹽、褐藻膠，是以不溶性鹽的形式存在于海帶、巨藻等褐藻細胞壁中的一種天然多糖類物質。科學研究表明，褐藻膳食纖維具有抗氧化、抗腫瘤、抗菌、增強免疫等生物學功效，其對糖脂代謝的調節作用引起了科學界的關注[3]。本研究通過查閱國內外相關文獻，對褐藻膳食纖維在糖脂代謝中的作用及其機制進行綜述，為開發防治糖脂代謝相關疾病的功能性食品和藥物提供思路。

1 褐藻膳食纖維影響消化吸收調節糖脂代謝

褐藻膳食纖維具有的持水力和凝膠特性使其通過影響機體消化吸收調節糖脂代謝紊亂。研究表明，褐藻膳食纖維可以抑制糖脂攝入[4-6]、阻礙糖脂吸收[11-15]、促進糖脂排泄[17-24](圖1)。

圖1 褐藻膳食纖維影響消化吸收調節糖脂代謝[4-6,10-24]

1.1 褐藻膳食纖維減少糖脂攝入量

褐藻膳食纖維具有吸水性和膠凝性，進入人體胃部依賴胃酸啟動成膠過程使食團體積膨大，從而延緩胃排空時間，增加飽腹感，降低食欲和饑餓感，進而通過減少食物攝入量來避免食源性糖脂代謝紊亂[4]。Wanders等[5]發現，研究對象服用添加5%褐藻膳食纖維的產品后可使隨意攝食量降低22%，胃排空速度延長48%。其機制在于褐藻膳食纖維與胃液反應會形成較大凝膠塊，導致胃竇膨脹，激活胃壁張力受體，刺激遠端胃壁的機械張力感受器傳遞飽腹感信號[6]。

褐藻膳食纖維對食物攝取量的影響效果與不同個體胃酸pH值的變化密切相關，也與褐藻膳食纖維粘度、凝膠強度、食物基質及干預劑型有關。褐藻膳食纖維是由β-D-甘露糖醛酸(β-D-Mannuronic，M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-Guluronic，G)組成的聚合物，M與G比例的不同可影響褐藻膳食纖維的粘度和凝膠強度。一項人群干預實驗[7]發現，喝了含褐藻膳食纖維的牛奶后飽腹感增加，饑餓感下降，這在G含量高的褐藻膳食纖維中影響更加顯著。研究結果表明，1%的強凝膠強度的褐藻膳食纖維(11 000 Pa)可顯著增加飽腹感，降低饑餓感，但弱凝膠強度的褐藻膳食纖維(6 000 Pa)對正常體重受試者的食欲不影響，說明凝膠強度對褐藻膳食纖維干預效果的影響。Solah等[8]發現，與低粘度褐藻膳食纖維(～0.03 Pa·s)飲料相比，正常體重的成年人服用高粘度0.1%褐藻膳食纖維(～0.09 Pa·s)的飲料后3～4 h饑餓程度顯著減少，曲線下的饑餓區域(AUC)(240 min)顯著降低，證明褐藻膳食纖維的粘度與干預效果的相關性。有一些證據表明，褐藻膳食纖維水合形態(即當使用飲料作為載體時)補充劑抑制了食物的攝入量。然而，當加入固體食物或與其他膳食纖維混合的膠囊中時，褐藻膳食纖維似乎對人體自由生活條件下的食欲或攝入量沒有顯著的影響[9]，證實了干預劑型影響褐藻膳食纖維功效的可能性。

1.2 褐藻膳食纖維抑制糖脂吸收

一項研究發現，褐藻膳食纖維能改變腸道黏液層的通透性，實驗通過蛋白質穩定乳劑模擬口腔，胃和小腸消化，發現在豬腸黏液中添加0.1%的褐藻膳食纖維可降低乳劑食糜中熒光標記脂質的擴散系數，說明褐藻膳食纖維對脂質消化的滲透性有明顯影響，這可能是其降低小腸對脂肪的吸收率的原因之一[10]。褐藻膳食纖維具有粘性和膠凝特性，可增加胃腸道食糜的粘稠度，吸收水分的同時還可以吸附某些營養物質，從而阻礙葡萄糖和膽固醇等脂類物質的吸收。研究發現，用添加鈣的褐藻膳食纖維液體配方淀粉喂食的狗，其消化率和葡萄糖的吸收率均有所降低，使血糖濃度維持在低水平而不影響血清胰島素濃度[11]。Paxman等[12]發現，食用褐藻膳食纖維飲料后對碳水化合物、糖、脂肪等主要營養成分的消耗量與對照組相比均有明顯的下降。一項研究表明，與富含M藻酸鹽的飲食相比，喂食富含G的5%褐藻膳食纖維食物12 d的大鼠，食物利用率和食物轉化率均顯著降低，對血糖生成指數(GI)和膽固醇的反應也明顯減少。觀察發現隨著褐藻膳食纖維濃度的增加，非淀粉多糖(NSP)消化率降低，這可能是整體減少食物利用率的一個標志[13]。

褐藻膳食纖維對機體消化酶的影響是其具有降脂減糖功效的原因之一。喂食褐藻膳食纖維的嚙齒類動物的實驗數據表明，蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶以及胰-膽道分泌物均代償性增加，被視為一種適應性降低營養素消化率的反應，會干擾消化過程從而減緩營養吸收，減少餐后血糖波動，表明其對消化酶具有抑制作用。食糜粘度的增加可以減緩食糜擴散速度，延遲傳輸時間，增加未攪拌水層(UWL)的厚度，從而降低葡萄糖的吸收率[14-15]。Paxman等[12]研究了褐藻膳食纖維飽感飲料對血糖及膽固醇的影響，志愿者在喝了飽感飲料30 min后吃300 g的意大利通心粉及100 g番茄醬，在吃前15 min及吃后225 min的時間內定期測試血液成分，初步結果顯示，褐藻膳食纖維飲料對血液中膽固醇及糖含量的影響不大。但是，在試驗組比較肥胖的人中發現，喝了海藻酸飲料后血液中的膽固醇和葡萄糖含量有實質性的下降，說明褐藻膳食纖維對不同人群的影響具有差異性，具體機制還需進一步研究。

1.3 褐藻膳食纖維促進糖脂排泄

研究人員發現，褐藻膳食纖維可對腸道產生容積作用刺激腸道蠕動，加速食物殘渣排出，降低腸道的消化吸收能力，促進糖脂排泄[16]。張全斌等[17]對不同來源膳食纖維理化及功能特性的研究結果表明，相比其他膳食纖維，褐藻膳食纖維的膨脹力、持水力最強，小腸運動試驗結果也表明，在幾種不同來源的膳食纖維中褐藻膳食纖維小腸推進率最好。褐藻膳食纖維含有許多親水基團，具有良好的持水性，較高的持水性可增加人體排便的體積和速度，并減輕直腸內和泌尿系統的壓力。陳培基等[18]研究了褐藻膳食纖維的功能活化，并結合人體試驗檢查離子交換法活化后膳食纖維的通便作用，試驗結果表明，褐藻膳食纖維干預后排便正常率為92.5%，有效率達100%，實驗發現膳食纖維的膨脹力和持水力越高，排出的糞便水分含量就越高，使糞便體積大而軟，比較容易通過腸道，從而緩解便秘。

Wolf等[19]測試了分別喝了含鈉褐藻膳食纖維及阿拉伯膠飲料后志愿者的正餐后血糖指數，結果顯示，含褐藻膳食纖維的飲料顯著弱化了正餐后血糖指數。Williams等[20]注意到在吃了含褐藻膳食纖維脆餅的正餐后血糖指數亦有所下降，這是否與褐藻膳食纖維影響胰島素抵抗相關，確切機制尚待進一步闡明。Sandberg等[21]發現在回腸吻合術中，患者攝入低纖維飲食并補充7.5 g褐藻膳食纖維2周后可顯著降低回腸的脂肪吸收量，分析可能與褐藻膳食纖維處理組膽汁酸的重吸收能力較弱相關。對美國職業高爾夫協會5名年輕健康男性的研究發現，高劑量[175～200 mg/(kg·d)]褐藻膳食纖維服用23 d不影響血清膽固醇水平，但是膽汁酸排泄略有增加，而脂肪的總排泄量略低[22]，考慮是否為接受褐藻膳食纖維補充劑的受試者鈉攝入量較高而減弱了潛在的降脂效果[23]。一項動物實驗對高膽固醇飲食大鼠補充2周的含鈣褐藻膳食纖維飲食，測定門靜脈血漿膽汁酸濃度和糞便中的膽汁酸，發現其濃度顯著降低，說明含鈣褐藻膳食纖維濃度可依賴性地增加膽汁酸的排泄；實驗結果表明，含鈣褐藻膳食纖維可降低血液中的膽固醇水平，其機制可能是褐藻膳食纖維減少了腸內重吸收，刺激肝臟中膽固醇合成膽汁酸，導致糞便中膽汁酸的排泄增加，從而降低血漿膽固醇[24]。

2 褐藻膳食纖維對腸道菌群及其代謝產物的影響

腸道菌群被譽為人類的“第二基因組”，科學家發現腸道菌群的分布、種類、數量和代謝產物與糖脂代謝密切相關，能夠防治其誘發的代謝性疾病[25]。一些研究表明，褐藻膳食纖維可以調節糖脂代謝相關腸道菌群的含量和豐度，從而影響腸道菌群代謝產物，改善腸道功能，緩解糖脂代謝紊亂[29-37](圖2)。

圖2 褐藻膳食纖維通過腸道菌群調節糖脂代謝[29-37]

2.1 褐藻膳食纖維調節糖脂代謝相關腸道菌群豐度與數量

越來越多的證據表明，腸道菌群在糖脂代謝中扮演了極其重要的作用，認為腸道菌群是潛在的調節糖脂代謝人群干預的重要靶標[26]。利用益生菌和益生元等功能性食品影響機體腸道菌群結構和數量，改善糖脂代謝和胰島素抵抗的方法被認為是研發安全有效的改善糖脂紊亂及代謝性疾病功能食品的重要途徑[27]。

腸道菌群構成和數量的不同能夠顯著改變脂類和糖類的代謝水平[28]。褐藻膳食纖維對腸道中菌群結構具有調節作用，研究發現，持續2周每日服用褐藻膳食纖維10 g，糞便中雙歧桿菌的數量增高，卵磷脂酶陰性梭菌的數量降低，糞便的氣味也得到了改善[29]。科學家發現，糖脂代謝紊亂的發生發展與腸道中的厚壁菌門和擬桿菌門的數量與豐度密切相關，它們占腸道菌群數量的98%左右，厚壁菌門可協助機體從食物中吸收能量，擬桿菌門主要在多糖、類固醇等的代謝中起主要作用[30]。人群干預實驗表明，膳食纖維可改變腸道中厚壁菌門和擬桿菌門的比例和豐度，從而降低體質指數和體脂率[31]。一項動物實驗表明，小鼠連續2周服用2%低分子量褐藻膳食纖維，分子量大約為50 kDa，其盲腸中酸性擬桿菌屬的豐度較高[32]。

2.2 褐藻膳食纖維影響腸道菌群的代謝產物

褐藻中水溶性膳食纖維占67%～85%，其中大部分在結腸發酵轉化為短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸，為腸道上皮細胞提供能量。其中，乙酸作為膽固醇或脂肪酸的前體，被吸收入血進入肝臟代謝，同時通過激活克雷布斯循環改變下丘腦食欲調節神經肽的表達譜，從而減少食欲；丙酸多數由擬桿菌門發酵產生，作為糖原異生的前體進入門靜脈循環，同時通過降低肝臟中參與膽固醇合成的關鍵酶的活性來降低膽固醇的合成；丁酸是厚壁菌門的主要代謝產物，參與糖異生、酮體生成及三酰甘油合成等，可降低膽固醇合成關鍵酶的活性，增加將膽固醇轉化為膽汁酸的膽固醇7α-羥化酶的活性，影響糖類和脂類的代謝[33]。

褐藻膳食纖維的補充可影響結腸發酵和盲腸短鏈脂肪酸的濃度，研究發現，高粘性褐藻膳食纖維(5%)與富含纖維素的對照飼料相比，顯著增加了豬體內的短鏈脂肪酸濃度[34]。有人認為，短鏈脂肪酸是機械性的參與引起胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)和來自腸內的L細胞的肽YY(PYY)等腸道肽釋放，而這些腸道肽與降低食欲和誘發厭食癥密切相關[35]。實驗表明，腸道菌群可分解人體不能消化的膳食纖維，產生短鏈脂肪酸，參與調節機體能量代謝，同時參與宿主基因功能調控，影響宿主對糖脂等物質的攝取及吸收[36]。

腸道菌群和膽汁酸之間的動態平衡在調節糖脂代謝方面也發揮著重要作用。膽汁酸可增高脂肪組織能量代謝率，避免發生體脂升高和胰島素抵抗，腸道菌群對糖脂代謝調節作用有一部分是通過膽汁酸介導的。膽鹽水解酶存在于擬桿菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌等腸道細菌物種中，這些菌群能夠水解膽鹽，干擾其通過腸肝循環的再吸收。另外，膽鹽水解為游離膽汁酸后，可與膽固醇形成復合物共同沉淀下來，從而降低膽固醇含量。褐藻膳食纖維不僅可干擾膽固醇和膽汁酸的吸收，而且可通過產生短鏈脂肪酸降低膽固醇的合成，從而調節膽固醇的代謝[37]。

3 結論

綜上所述，褐藻膳食纖維可通過減少糖脂攝入量抑制糖脂的吸收，促進糖脂排泄等影響機體的糖脂消化吸收能力，同時調節腸道菌群的種類和數量，影響腸道菌群代謝產物，從而改善糖脂代謝紊亂，防治其誘導的代謝性疾病。但是，對褐藻膳食纖維調節機體糖脂代謝的機制以及某些基因表達水平的調控尚未明確，還需要更多深入的研究，從而為慢性代謝性疾病患者提供一種食療新途徑，為開發改善糖脂代謝的功能性食品提供全面的科學依據。加大對褐藻膳食纖維健康功效的研究，拓寬褐藻膳食纖維的應用領域，不僅可以滿足廣大食品市場的需要，而且可以優化和改善我國人民的膳食結構，在經濟發展的同時，減少相關疾病的發生，保證人們身體健康，這樣才能具有良好的社會效益和經濟效益。