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肠道健康导向的功能食品研究进展

2010-12-28许爱清李宗军王远亮刘

食品与机械 2010年5期
关键词:益生元丁酸益生菌

许爱清李宗军王远亮刘 平

(1.湖南农业大学食品科学与技术学院,湖南 长沙 410128;2.湖南科技大学生命科学学院,湖南 湘潭 411201)

肠道健康导向的功能食品研究进展

许爱清1,2李宗军1王远亮1刘 平1

(1.湖南农业大学食品科学与技术学院,湖南 长沙 410128;2.湖南科技大学生命科学学院,湖南 湘潭 411201)

综述以改善肠道健康为靶标的功能食品研究开发现状。介绍功能食品及其肠道健康声称的含义,肠道菌群及其生理功能,短链脂肪酸与肠道健康的关系;重点阐述与肠道健康密切相关的功能食品,如益生菌、益生元、合生元、食源性生物活性肽以及生物活性植物源酚类化合物的品种类别和生理功能;并展望组学技术将深化人们对"膳食-肠道菌群-宿主"关系的认识,促进适合个体特性的肠道健康功能食品的研究开发。

功能食品;肠道健康;肠道菌群;益生菌;益生元;短链脂肪酸

人体胃肠道作为人体与外部环境的屏障和营养物质的主要进入门户,它具有维持人体健康必不可少的多种功能:消化食物并通过肠道上皮吸收营养;作为屏障保护机体,防止有害物质和微生物的入侵;上皮识别食物中的信号并将之传递到身体内;在表皮细胞单层下,多种细胞相互作用产生各种各样的生理活性物质。这些功能受到食物组分调控后,就会影响到机体生理状态。肠道功能受到肠道菌群、食品因子和内源因子(如细胞因子)等多种因素调控[1]。工作良好的健康大肠是人体全面健康的基础和保障。现在,在功能食品科学中,肠道健康领域是一个深入细致的研究领域。

1 功能食品及其肠道健康声称

欧洲专家组所采纳的功能食品在工作面上的定义是“一种食品如果在体内令人满意地呈现出对一个或多个生理功能具有有益的影响,除了有充足的营养效果外,能通过某种方式提高健康状态水平和(或)降低某种疾病的风险,这种食品可以认为是功能食品”。功能食品必须是食品而且它必须通过正常的消费能显示其预期的总体效果,它不是药丸或胶囊,而是普通食品形式的一部分[2]。

肠道作为日常饮食与维持生命的代谢事件之间的交界面,是功能食品开发中显而易见的靶点。功能食品科学最有前景的六个靶标之一在于胃肠道功能方面:包括维持肠道菌群平衡,调节胃肠道内分泌活动,决定消化道的免疫活性,控制营养物(特别是矿质元素)的生物有效度,调控通行时间和黏膜的运动性,以及调节表皮细胞增殖[3]。约有60%的功能食品(主要是益生菌和益生元)以肠道和免疫系统为靶标[4]。

食品的健康声称可描述为“膳食中的食品物质与疾病或其它健康相关状况之间的一个肯定的关系,例如降低风险和(或)减缓某种不利的生理状况或精神状况”[3],消化道是最常用的功能和健康声称的对象。在功能食品领域中,消费者对有益肠道健康的食品需求最大。有调查数据表明,肠道健康已经受到消费者良好认识,他们能确定相关的健康声称并对其益处有所理解。与肠道健康和免疫有关的评估食品声称科学证据的程序(PASSCLAIM)[4]认为大便习惯是评价肠道健康的重要指标,它主要由膳食和通行时间决定。任何糖类物质到达大肠将影响大便习惯。在所研究过的糖类之中,膳食纤维,特别是非淀粉多糖,能多年始终如一地控制大便习惯。这个程序限定了正常的大便习惯和通行时间,并通过优势属限定了健康的肠道菌群的相关指标参数。

2 肠道菌群及其生理功能

肠道菌群是当今众多功能食品的关注焦点所在。其各种反应在肠道健康和人体全面健康中都起关键性的作用。

人体肠道拥有大约500~1 000种不同的细菌和古菌。尽管不同个体具有不同的物种组成,但是90%以上检测到的细菌属于拟杆菌门和厚壁细菌门,古菌主要是史氏甲烷短杆菌。厚壁细菌门中95%的细菌16SrRNA序列属于梭菌纲,大多数厚壁细菌门细菌与产丁酸菌相关,它们都是梭菌簇IV、XIVa和XVI中的成员。

球形梭菌群(梭菌簇XIVa)的成员包括梭菌属、真杆菌属、瘤胃球菌属、粪球菌属、Dorea、毛螺菌属、罗斯氏菌属和丁酸弧菌属。这一群包括许多丁酸产生菌,如肠道罗斯氏菌(roseburia intestinalis)。球形梭菌群在从人体粪便中随机分离的产丁酸厌氧菌中占80%。柔嫩梭菌群(梭菌簇IV)的成员隶属于梭菌属、真杆菌属、瘤胃球菌属和Anaerqfilum属,由高度氧气敏感性厌氧菌组成,囊括大量的产丁酸溶纤维细菌。

类杆菌门在研究对象中的分布变化较大,但多形拟杆菌在每个对象中都检测到,其功能包括营养吸收和表皮细胞成熟与维持。变形细菌门序列(包括E.coli)的丰度较低,原因可能是在结肠这样的严格厌氧环境中,兼性厌氧菌的数量约占细菌总量的0.1%。利用培养技术最初估计双歧杆菌属占菌群总数的10%。然而,非培养技术引入后,发现其数值更低,占菌群总数的0.8% ±0.4% 左右,属于少数成员。定量PCR表明每克粪便中的双歧杆菌数量为log10(9.4±0.7),分离的最常见的是青春双歧杆菌、链状双歧杆菌和长双歧杆菌。另一个少数成员是乳酸菌。以前基于培养技术,乳杆菌-肠球菌菌群在成人粪便中的估计含量约占2%,但最近FISH技术表明该群接近菌群总数的0.01%。其它罕见种属于其它8个门,分别是放线菌门、变形细菌门、疣微菌门、VadinBE97、螺旋体门、互养菌门、蓝细菌门和梭杆菌门[5-6]。

肠道菌群的功能贡献表现在以下几个方面:① 从膳食中获取难得的营养物和(或)能源及合成维生素。个体的肠道菌群部分但并非绝对地影响食品的营养价值和(或)能量价值。它发酵未消化的食物残渣(例如非消化性纤维和寡糖),从废物中捕获能量;产生短链脂肪酸(SCFAs)和气体(H2、CO2、CH4),并增加微生物生物量,从而影响肠道生理;合成Vit B和Vit K。② 生物异源物质和其它代谢性表型物的新陈代谢。肠道菌群是药物代谢和生物效用性方面主要的开发不足的调节器;菌群有生物修复类似功能,例如摄入的致癌物的脱毒,影响宿主对肠道内外各种新生物的敏感性。此外,菌群代谢草酸关系到肾结石发展的倾向性,代谢胆酸影响宿主的脂肪代谢。除代谢糖类外,肠道微生物还代谢氨基酸产生分支脂肪酸(异丁酸、异戊酸、2-甲基丁酸),代谢多肽和蛋白质产生有潜毒性化合物(铵类、胺类、酚类和吲哚类);③ 更新肠道表皮细胞。肠道表皮细胞的更新部分地受到菌群与免疫细胞的相互作用,影响结果能波及从肿瘤易感性到粘膜屏障损伤的修复能力。无菌小鼠的肠道表皮细胞的更新速度要慢于其常规化对照。此外,肠道菌群还影响免疫系统的发育和活力,心脏大小以及动物行为[7-8]。

3 短链脂肪酸与肠道健康的关系

在大肠内,微生物发酵膳食纤维和抗性淀粉产生短链脂肪酸(SCFAs),包括乙酸、丙酸和丁酸,同时产生CO2和H2。大肠内SCFAs的总浓度范围是60~150mmol/kg,在回肠的末端含量较少。乙酸/丙酸/丁酸的含量比例为60/25/15。SCFAs是肠腔中的主要阴离子,也是胃肠道特异性能源,容易吸收和代谢。丁酸是大肠细胞的主要能源,大部分丙酸被肝脏吸收,乙酸进入外周循环供周缘组织代谢。一旦吸收后,肠道上皮极易氧化SCFAs。三者之中,丁酸优先被氧化,占大肠所利用能量的70%~90%和所耗氧量的70%[9-10]。

SCFAs能降低胃肠道紊乱、癌症和心血管疾病的风险。乙酸是大肠中的主要SCFAs,在吸收后能提高胆固醇的合成。而丙酸是一种糖异生剂,有抑制胆固醇合成作用。因此,能够降低乙酸/丙酸比的底物则有可能降低血脂水平和心血管疾病风险。丁酸在滋养大肠粘膜和预防大肠癌症的作用研究较多,它能促进细胞分化,细胞周期阻滞及变形肠细胞的细胞程序死亡;也能抑制组氨酸脱乙酰基酶和降低初级胆酸到次级胆酸的转化致使肠道酸化。因此,增加SCFAs的产量和传递,尤其使丁酸到达大肠末端,将对肠道有保护作用[10]。丁酸只在结肠中合成,其他内脏组织基本不合成丁酸,人体内丁酸的血清半衰期仅仅6min[11]。丁酸灌洗可用来治疗肠炎[10]。

SCFAs的产生数量和生成速度取决于许多因素,包括大肠中菌群种类和数量,发酵底物的来源和粪便物质通过肠道的通行时间。肠内的SCFAs浓度显著地随饮食改变[10,12]。因此,持续食用足够的功能食品以提升整个大肠内的丁酸浓度,对预防大肠末端常发的大肠癌有重要意义。当然,维持3种短链脂肪酸的最优平衡具有更广泛的健康益处,包括影响心血管疾病的发生。

4 肠道健康相关功能食品

4.1 益生菌

WHO给益生菌定义为“活的微生物(细菌或酵母),当摄食或局部利用足够的数量后,能为宿主带来一个或多个明确论证过的保健福利”。食用益生菌后的一些有益作用包括:通过调节菌群和刺激免疫系统而改善肠道健康,合成并增强营养物质的生物有效性,缓解乳糖不耐受症状和降低特定疾病的风险。通常,能视为益生菌的微生物需要满足下述标准[13]:① 分离自与目标宿主相同的物种体内;② 对宿主具有论证过的有益作用;③ 不致病、不产毒和没有重大的副作用;④ 经过胃肠道时能够存活;⑤ 在预期的货架期内能够保持稳定并含有足够的活菌以带给消费者保健福利;⑥ 能与产品形式相容而能确保期望的感官特性,并给予精确地标示。

大多数商用益生菌是乳酸菌如Lactobacillus、Bifidobacterium、Enterococcus、Lactococcus和Pediococcus中的一些菌株,具有益生菌特性微生物还包括一些细菌、酵母和丝状真菌[14-17](见表1)。根据消费者的需要和加工条件,益生菌制剂可以采用粉剂、片剂、胶囊、糊剂或喷雾剂等形式。

表1 益生菌制剂中最常用的微生物菌种Table 1 The most commonly used microbial species in probiotic preparations

食物不只是传递益生菌到人体内的载体,还有助于缓冲益生菌通过胃肠道,调节它们的定殖,并含有生物活性成分等功能组分,这些组分与益生菌之间相互作用能改变益生菌的功能和效力[18]。益生菌产品通常以发酵奶和酸奶酪的形式进入流通市场。冰激凌是适合大众消费的食品,在用作益生菌载体方面有巨大潜力[19]。

与发酵奶制品相关的两个主要弊端是乳糖不耐受性和胆固醇含量。随着发达国家素食者日益增加,素食性益生菌产品的需求正在扩大。世界各国已有许多传统的非奶制品发酵饮料,它们是益生菌良好的载体。果汁制造商业已考虑针对肠道健康饮料来引导新产品研发活动,冷冻果汁、矿泉水或发酵蔬菜汁可能是益生菌开辟市场的下一代食品候选物。益生菌也可以直接掺入到各种饮料之中,开发生产这种第二代益生菌制品的关键是一个特别的“直接液体接种系统”,它能使食品制造商直接将益生菌添加到食品终产品中。这样可以有效地防止食品加工过程中各种处理(加热和搅拌)降低益生菌的活性。向果汁中添加益生菌比向乳品中添加要复杂得多,主要原因是需要保护益生菌免受果汁酸性条件的影响。但是,利用微囊包封技术,益生菌将成为重要的功能食品添加剂[17]。微囊包封技术有喷雾干燥法、喷雾冻凝法、流化床涂膜/空气悬浮包胶法、挤压成型法、凝聚/析相技术和静电法。包埋材料有κ-角叉藻聚糖、海藻酸盐、苯二甲酸醋酸纤维素、蛋白质和果糖混合物、脱乙酰壳多糖和淀粉等。包埋后,益生菌将不受噬菌体和苛刻环境(如冷冻和胃液)的影响[16]。

4.2 益生元

益生元是一种可被选择性发酵的配料,它专一性地改变有益宿主健康福利的胃肠道菌群的组成和(或)活力[20]。将一种食物组分归类为益生元有赖于同时满足如下标准[21]:① 在大肠以上的消化道的有抗消化性;② 能被肠道菌群发酵;③ 有益宿主健康;④ 有选择性地刺激益生菌的生长或活力;⑤ 在食品加工处理过程中保持稳定性。

进食益生元能增强免疫功能,改善结肠完整性,减少肠道感染的发病率和病程,反向调节过敏反应,同时促进消化和排便。这些效果并不是益生元的直接作用,实际上是益生元改变了胃肠道菌群的组成而起作用。益生元能显著地增加双歧杆菌和乳酸菌的数量,同时延缓溶组织梭菌亚群的生长。已经商业化生产的一些益生元见表2[22-23]。

典型的益生元是菊糖和低聚果糖,自然界常见于菊芋、洋葱、韭菜、一些谷物和蜂蜜中。体外试验[24]表明,有可能利用蜂蜜来控制胃肠道菌群。商业上用真菌果糖基转移酶(FTase)转化蔗糖生产FOS[15]。产FTase细菌非常少见,但许多真菌菌株,尤其是曲霉菌能产生胞内和胞外FTase[25]。菊糖和低聚果糖等虽然能够增加粪便中的双歧杆菌的数量,但是,这些快速发酵性寡糖能引起腹泻和胀气等弊端。益生元的发酵速率和活性对肠道健康非常重要,因此,研发可控制发酵速度的益生元产品是人们的目标之一[26]。

抗性淀粉(RS)是进入大肠的淀粉及其小肠消化产物,它的产生原因包括化学结构、食物烹饪、化学修饰和食物咀嚼等多个方面的因素。RS的分类见表3[27-29]。

表2 商业化生产的益生元的组分、特性和生产方法Table 2 The composition of some commercialized prebiotics,their properties and production methods

表3 抗性淀粉的分类Table 3 Classification of the resistant starch

RS3是非常好的发酵底物。在食品中添加RS3能成倍增加肠腔中丁酸和丙酸的浓度。与不可消化的短链寡糖(聚果糖、聚木糖)相比,RS发酵较慢,摄入的RS容易完全发酵,特别能产生高水平的丁酸(占产生的SCFAs摩尔量中20%~28%)。而其它可发酵性低的纤维,如非淀粉糖类为10%~15%[28]。RS对消化道功能,微生物菌群,血液胆固醇水平,血糖指数和辅助控制糖尿病均有积极影响[29]。

食用菌似乎是益生元的一种候选物。它含有多种糖类,试验[23]证明糙皮侧耳(pleurotus ostreatus)和刺芹侧耳(P.eryngii)对所选的微生物有非常好的益生元效果,但在确认它们是否符合益生元的其它标准方面仍需做些细致的研究。

4.3 合生元

合生元可定义为:益生菌和益生元的混合物,其有利地影响宿主的方式是提高活的微生物食品强化剂在胃肠道内的存活率和植入率,选择性地刺激一种或几种健康促进细菌的生长和(或)活化其新陈代谢,从而改善宿主福利[30]。益生菌和益生元之间具有协同作用,部分益生元能促进食品中益生菌的生长或活力[18]。利用合生元制剂“菊糖+Lac.rhamnosus GG+Bif.lactis Bb12”干预结肠癌患者和息肉切除病人,结果发现许多结肠直肠癌的生物标记发生了有利的改变[31]。

4.4 食源性生物活性肽

食源性生物活性肽是指由植物或动物来源(如牛奶、鸡蛋、肉、鱼、大豆、小麦)的各种肽,它们除能供给足够正常的营养外,还对人体系统具有调节功能。尽管膳食中大部分肽类能被消化道内的消化酶水解并可能丧失其生理功能,但仍有一些肽被完整地吸收并对其靶器官起作用。肠道本身也是这些功能性肽的靶器官之一。这些肠道调节肽有两类[32]:① 在肠道内表现其功能的肽,包括酪蛋白磷酸肽和大豆蛋白肽;② 调节肠道上皮细胞功能的肽,如含谷氨酰胺的肽(如 Ala-Gln),肌肽(β-Ala-His)和类阿片肽。

一些与肠道功能相关的生物活性肽及其生理作用概括如下[33-34]:① 金属结合肽:酪蛋白磷酸肽(CPPs)保持了酪蛋白稳定钙离子和磷离子的能力,形成复合物而促进了它们的生物有效性。由于动物试验和人体试验的结果矛盾,CPPs能促进肠道对钙吸收的功能尚存在争议。至今没有证据支持人体内CPPs促进钙被动吸收的有效性。EU研究计划框架内的一些基础研究断定CPPs不能促进肠道内的钙吸收。然而CPPs能防止羟基磷灰石的自发沉积。CPPs能稳定和凝集钙离子和磷离子于牙齿表面,促进珐琅表面损伤的重新矿化。② 抗微生物肽:研究最深入的是牛源的和人源的乳铁蛋白肽。它能抗埃希氏菌属、螺杆菌属、李斯特菌属、沙门菌属、葡萄球菌属、酵母和丝状真菌,破坏细胞膜的渗透性至少是其抗微生物机制的一部分。③ 类阿片肽:酪吗啡(casomorphin)似乎能调节肠道功能和促进净水和电解质的吸收,继而缓解肠道传送食糜,因此能用作抗腹泻剂。④ 免疫调节肽:能加强免疫细胞功能,如淋巴细胞增殖、自然杀伤细胞活性、合成抗体和调节细胞因子。此外,还可能缓解遗传性过敏症人群的过敏反应和增强胃肠道的黏膜免疫。免疫蛋白调节肽的来源有胰蛋白酶水解大米和大豆蛋白,它们激发超氧阴离子(活性氧)活性,触发非特异性免疫体统。肌肽能抑制炎症性细胞因子(IL-8)的分泌,暗示它在小肠内具有抗炎症功能。

4.5 生物活性植物酚类化合物

在开发功能食品方面,植物次级代谢物显得越来越重要,最常研究的类别是植物甾醇、酚类物质和硫代葡萄糖酸盐[35]。酚类化合物是可食植物中含有的一类多样性最大的次级代谢物。流行病学研究[26]表明,酚类化合物能维持人类健康和防止多种西方国家流行病。人们特别对两大类酚类物质感兴趣,即类黄酮和植物雌激素。

类黄酮在许多植物源的食品中存在,包括蔬菜、水果、草莓、茶叶和葡萄酒中。至今大约鉴定了4 000多种类黄酮物质。植物雌激素是可食植物中的激素样二酚化合物,主要包括异黄酮和木酚素。异黄酮主要存在于豆类植物,尤其是大豆之中。木酚素是植物细胞壁中的木质素形成时的构件物质,广泛分布于谷物、水果、草莓和蔬菜,亚麻产品是木酚素的特好来源。经过肠道细菌的代谢,异黄酮和木酚素转化成为具有弱雌激素活性的哺乳动物代谢物[26]。常见膳食酚类见表4。吸收和代谢酚类化合物贯穿于整个消化道,那些在抵达大肠之前的未被吸收或转化的植物源酚类物质可能在大肠内伴随糖类物质转化成代谢物,这些代谢物对转化部位的肠道上皮和肠道细菌有所影响,从而具有系统性健康作用。酚类化合物是有较强作用的抗微生物剂,可能对肠道菌群的组成有难以预料的影响[35]。

表4 常见膳食酚类化合物Table 4 The common dietary phenolic compounds

5 组学技术将促进肠道健康功能食品开发

肠道菌群及其基因组为人类进化提供了遗传的和代谢的特殊贡献,被认为是人体的外置器官,对人体的内稳态有重要作用[36]。胃肠道不是一个被动的发酵容器,而是处于一种栖居微生物生态系统与宿主的环境因素主动交流的状态,人类的饮食是最重要的环境因子之一[37]。已经普遍采用益生菌、益生元和合生元等功能食品来干预控制肠道菌群结构和活力等手段来促进人体健康或预防肠道疾病。尽管有开发基于有效菌群干预方面的功能食品的需求,然而我们对菌群在群体水平上的变异情况以及它们在不同个体内的动态变化情况的基本了解仍处于初级水平[38]。

营养基因组学是研究膳食组分与基因组之间的相互关系,而引起的各种蛋白质和其它代谢物质的变化的新学科。2006年,NuNZ(新西兰营养基因组学)主办的首届“营养基因组学与肠道健康”国际会议,议题反映出人们逐渐认识到肠道健康在全面健康上的决定性意义。肠道健康严重地受到遗传多态性和肠道细菌的影响。认为“宿主-肠道菌群-饮食”之间的相互作用是开启肠道健康的钥匙[37]。NuNZ是第一个以营养基因组学为中心的战略计划,它将科研院所和食品工业联盟以促进营养-基因相互作用的研究,开发适合特定基因型的食品和(或)食谱。

最近,利用Illumina基因组分析仪进行宏基因组测序,建立了一个非冗余性人类肠道微生物基因编目。这一目录包括330万个微生物基因,是人类基因数目的150多倍。这些基因可能包括了人类一般肠道微生物基因的绝大部分。这为将来能够研究微生物基因与人类表型的联系,甚至与人类生活习惯(包括饮食)的关系奠定了基础[39]。

随着宏基因组学、营养基因组学和代谢组学等研究技术的进步,人们对“饮食-肠道菌群-宿主”之间关系的认识会不断深化,设计开发适合个体体质特征的功能食品来驯化肠道菌群,继而强化肠道功能,改善人体全面健康状况,这将具有广阔的前景。

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39 Qin Junjie,Li Ruiqiang,Jeroen Raes,et al.A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing[J].Nature,2010,464(4):59~67.

Progress in the researches on gut-health-oriented functional foods

XU Ai-qing1,2LI Zong-jun1WANG Yuan-liang1LIU Ping1

(1.Institute of Food Science and Technology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan410128,China;2.School of Life Science,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan411201,China)

Aimed to review the current status of research and development of functional foods targeting improvement of gut health.In the present review,we introduced the concept of functional foods and their gut health claims,the intestinal microbiota and its physiological functions,the relationship between short-chain fatty acids and gut health.Emphasis was laid on elaborating on the categories and physiological functions of the functional foods closely related to gut health,e.g.probiotics,prebiotics,synbiotics,dietary bioactive peptides and bioactive plant-derived phenolic compounds.Finally,the tendencies and prospects indicated that people would deeply understand the relationship among dietary,intestinal microbiota and host with the omics-related technologies.Consequently,it would help promote research and development of gut-health-oriented functional foods adapted to individual traits.

functional foods;gut health;intestinal microbiota;probiotics;prebiotics;short-chain fatty acids

10.3969 /j.issn.1003-5788.2010.05.046

许爱清(1976-),男,湖南科技大学讲师,博士研究生。E-mail:xuaiqing003@163.com

李宗军

2010-06-14

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