膳食纤维对血脂代谢健康的影响因素分析

卢艺芳，李赐玉，代兴华, 张永昌，张厚瑞

1.桂林古膳食品科技有限公司，广西 桂林 541805； 2.中国科学院广西植物研究所

膳食纤维，即植物非淀粉多糖，是人类肠道微生物可接触性碳水化合物的主要成分。膳食纤维经肠道微生物发酵生成，以乙酸、丙酸、丁酸为主成分的短链脂肪酸，系统性参与人体不同生理、生化过程的调节，深刻影响人体健康质量。用纯化的植物纤维，甚至人工合成纤维作为膳食补充剂，已经成为弥补现代人纤维摄入缺口的基本措施而广泛采用。但膳食纤维的健康机理并未十分明了，尤其是从肠道短链脂肪酸到血脂代谢健康状态之间，许多相互矛盾的研究结果还缺乏合理的解释，使当今膳食纤维补充剂的使用存在极大盲目性。深入认识膳食纤维、肠道短链脂肪酸与血脂代谢健康之间的关系，能帮助我们科学制定更加有效的纤维补充方案，有效提高膳食纤维补充剂的健康获益水平。

本研究以食品工业中最常用的5种纯化纤维及其混合物，以及天然麸皮分别配制的合成大鼠饲料，分组饲养，检测不同纤维对大鼠粪便短链脂肪酸的浓度变化，分析其组成特征，对比分析大鼠血脂指标变化特点发现：使用不同的纤维参照物，同一种纤维的健康获益评估结果不同，用人类主食纤维作为参照，才可能正确评估一种纤维的真实健康获益水平；判别膳食纤维脂代谢健康获益水平的肠道代谢物指标，不是粪便短链脂肪酸的浓度，而是粪便丁酸浓度与乙酸、丙酸浓度之和的比值，它的效应与血清LDL-C水平成正比，与HDL-C水平成反比，与短链脂肪酸总产量高低变化无关。现将研究结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 动物与饲料雄性SD大鼠70只(湖南斯莱克景达公司)，体质量220～250 g，适应性喂养1周后随机分组，每组10只，自由饮水和取食。按成年啮齿动物纯净维持饲料AIN-93M配制[1]，其中的纤维(5%用量)用对应分组的纤维替代。其中，纤维素、木聚糖、魔芋胶、果胶、菊粉均为市售；混合纤维由前述纯化纤维依次按0.05∶0.6∶0.05∶0.1∶0.2重量比混合而成。麦麸用量9%(纤维含量55%，折合纤维)，对应减少等量淀粉，不考虑组间能量平衡问题。

1.2 短链脂肪酸检测有机酸标准样品购自Sigma公司，其他试剂购自国药集团。

大鼠饲养90 d，压迫法收集新鲜直肠粪便，加入粪便重量10倍体积含0.2% H3PO4的异丙醇溶液(ml)，捣匀，超声提取2 h，离心上清液用无水硫酸钠脱水，0.22 μm微孔滤膜过滤得进样液。

采用Agilent 6890N气相色谱仪；DB-FFAP122-3232(30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性毛细管柱；升温程序：初始温度85 ℃，2 min，15 ℃/min速率升温至200 ℃，运行230 ℃，保持3 min。FID检测器：250 ℃；载气：体积分数99.999%的高纯氦气；载气流量：1.5 ml/min；进样口温度：200 ℃，进样量：2 μl，分流进样，分流比为10∶1。

1.3 血脂检测大鼠禁食12 h，不禁水，尾端静脉取血，低温离心取血清得检测样品。采用雷杜Chemray240全自动生化分析仪、深圳雷杜试剂盒，测定血甘油三脂(TG)、总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)。

2 结果

2.1 不同纤维的产酸特性不同纤维喂养的大鼠粪便，乙酸、丙酸、丁酸这三种短链脂肪酸含量的组间差距可达数倍，说明纤维的种类，即纤维的化学结构差异显著影响肠道发酵生成短链脂肪酸的能力。分别以纤维素、麦麸为对照，组间差异分析证实，任意两组间乙酸、丙酸、丁酸含量的差异显著性并不必然重叠，说明不同纤维有不同的短链脂肪酸组成比例。由此可见，膳食纤维组成的差异不仅显著影响粪便短链脂肪酸产量，也显著影响短链脂肪酸的组分构成比例(见表1～3)。

表1 不同纤维对大鼠粪便乙酸产量的影响(μg/g干便)Tab 1 Effects of different fibers on fecal acetic acid production in rats (μg/g dry stool)

2.2 血脂代谢的纤维特征性差异不同纤维喂养大鼠的血脂指标存在显著的组间差异(见表4)，说明不同纤维之间的血脂调节能力显著不同。因此，缺乏统一的参照物准确比较不同纤维的健康益处。例如，若以纤维素为对照，广泛使用的菊粉表现极显著的降LDL-C活性，于健康显然有益；若以麦麸为对照，菊粉实际上大幅升高了LDL-C水平，则对健康有害。

表2 不同纤维对大鼠粪便丙酸产量的影响(μg/g干便)Tab 2 Effects of different fibers on fecal propionic acid production in rats (μg/g dry stool)

表3 不同纤维对大鼠粪便丁酸产量的影响(μg/g干便)Tab 3 Effect of different fibers on fecal butyric acid production in rats (μg/g dry stool)

表4 不同纤维喂养大鼠的血清TC、TG、LDL-C、HDL-C水平比较Tab 4 Comparison of serum TC, TG, LDL-C and HDL-C levels in rats fed with different fibers mmol/L)

2.3 短链脂肪酸组成与血脂代谢的关联粪便单个短链脂肪酸、总短链脂肪酸浓度变化，与血脂指标变化之间未见明显的关联性。例如木聚糖，不仅是短链脂肪酸总酸浓度，尤其是普遍认为与健康关系密切的丁酸浓度，均远高于除复合纤维之外的其他纤维分组(见图1A)，但对于改善血脂代谢却未见任何明显的优势。显然，不能单纯用粪便短链脂肪酸浓度评估一种膳食纤维的健康收益。

大鼠血脂指标变化与粪便的丁酸浓度与乙酸、丙酸浓度之和的比值，即丁酸/(乙酸+丙酸)的比值密切相关。若将比值记作rbap，则它们之间的关系可表示为：

rbap=cb/(ca+cp)

式中cb、ca、cp依次为大鼠粪便的丁酸、乙酸、丙酸浓度(μg/g干便)。

在本研究中，rbap值高的四个纤维分组大鼠(见图1B)，其血清HDL-C水平一致显著低于麦麸组(见图1C)，呈负相关；而LDL-C水平则一致显著高于麦麸组(见图1D)，呈正相关。尤其是不同纤维分组间的变化规律(见图1B)，与纤维组间血清LDL-C水平变化规律(见图1D)，几乎呈精确的对应关系。即粪便短链脂肪酸的rbap值至少是预测膳食纤维血脂代谢健康获益的可靠指标，值得在膳食纤维与肠道微生态研究中高度关注。

注：*P<0.05,**P<0.01。

3 讨论

纯化纤维作为膳食纤维补充剂在食品工业中已经得到广泛应用，但它们的健康益处绝大多数研究是以纤维素作为对照，甚至用无纤维饲料作对照的条件下得出的。这种评估模型显然存在严重缺陷。

在本研究中，喂食不同纤维大鼠的肠道代谢物输出水平差距可达数倍，血脂指标差距也同样相差悬殊，说明不同纯化纤维肠道健康功能的差异不容忽视。尤其值得注意的是，当今广泛使用的膳食纤维补充剂—纤维素，不仅肠道短链脂肪酸输出水平显著低于其他纯化纤维，血清TC、LDL-C水平均显著高于其他纤维。以纤维素为对照，其他纤维分组均得出显著有益于血脂代谢健康的结论。若将对照物改为人类重要的纤维食物—麸皮，那么大部分的纯化纤维将很难得出有益于健康的结论。

对比不同的纤维参照物，同一种纯化纤维得出截然不同的健康获益评估，说明一种膳食纤维补充剂的健康获益评估结果只是基于某一纤维参照物的相对健康获益水平，而非用于人类膳食的健康获益水平。这就带来一个问题，什么纤维才可以作为基准，最接近于真实地反映一款纯化纤维应用于人类膳食的健康获益呢？

我们有足够的理由相信，只有使用未经分离加工的人类主食纤维，才可以成为纯化纤维应用于人类膳食的健康获益评估基准。因为主食纤维不仅是人类最主要的膳食纤维来源，也是人类膳食中最恒定的纤维类型。膳食纤维补充剂的健康功能评估，以人类膳食纤维健康获益的基础状态为参照，所得结果才能真实反映用于人类膳食的健康获益水平。用其他纤维作为对照的评估结果，事实上会误导公众进入膳食纤维补充剂的使用误区，而非真正带来健康获益。

肠道微生物多样性高的个体更健康，或者说肠道微生物多样丰富有利于健康，这个结论在人或动物的研究中从无例外。但在膳食纤维健康功能的研究中，这个肠道微生物研究的重要结论并未引起应有的重视。例如，补充抗性淀粉大幅提高大鼠肠道短链脂肪酸产量，但却使肠道微生物种群多样性显著降低，人们谈及抗性淀粉的健康益处，普遍忽略它降低肠道微生物种群多样性带来的潜在风险。

许多临床研究也发现短链脂肪酸的负面效应。例如超重个体的粪便短链脂肪酸水平要高于偏瘦的个体[2]，较高的粪便短链脂肪酸也与中枢性肥胖，高血压，心脏代谢疾病亚临床指标(如炎症、血糖、血脂异常)以及肠道通透性指标(LPS结合蛋白)有关[3]。所以，仍然不能确定短链脂肪酸产量可否区分有益或有害微生物代谢[4]。

本研究发现，膳食纤维对血脂代谢健康影响的预测，用粪便中不同短链脂肪酸之间的比值，比短链脂肪酸总产量更可靠。例如，不同纤维分组间大鼠血清LDL-C、HDL-C水平变化，与粪便短链脂肪酸总产量水平变化未见对应关系，但与丁酸浓度对乙酸、丙酸浓度之和比值的变化，则存在几乎精确的对应关系，即与HDL-C水平成反比，与LDL-C水平成正比。

对肠易激综合征与粪便短链脂肪酸的研究也发现，便秘型肠易激综合征患者粪便丙酸、丁酸含量降低，而腹泻型肠易激综合征患者则丁酸含量升高，所以丙酸、丁酸产量可作为肠易激综合征诊断的生物标志[5]。由此可见，短链脂肪酸之间的比例变化，与人体代谢、免疫系统的健康状态存在密切的关联。

显然，膳食纤维健康功能主要通过短链脂肪酸参与人体生理过程调节而实现，但提高肠道短链脂肪酸浓度，并不意味着就一定带来健康。我们不应忽略高浓度短链脂肪酸对代谢健康的负面结果。

实际上，每一种纤维在肠道富集有效利用该种纤维肠道微生物的同时，不能利用该纤维的微生物增殖便相应受抑制，每一种纤维便由此形成各自特征性肠道微生物种群结构，以及对应的肠道代谢产物谱。因此，不同短链脂肪酸之间的比例差异，本质上就是肠道微生物种群结构的差异，并且这种差异与人体代谢健康状态密切相关。膳食纤维对人体健康的改善作用，本质上就是调节肠道微生物的种群结构带来的结果，与短链脂肪酸总产量变化的关系其实并不密切。维护肠道微生物种群结构处于健康平衡状态，才是膳食纤维补充剂健康获益的根本之道。