饮食影响茶叶活性成分吸收利用的研究进展
2021-04-01熊立瑰唐湘粤龚雨顺刘仲华
陈 颖,熊立瑰,唐湘粤,龚雨顺,刘仲华
(湖南农业大学 茶学教育部重点实验室 国家植物功能成分利用工程技术研究中心植物功能成分利用省部共建协同创新中心 长沙 410128)
茶富含茶多酚、茶氨酸和咖啡碱等活性成分,不仅具有减肥、抗癌、延缓衰老和预防辐射等功能[1],还能调控肠道菌群与生物节律[2]。在临床研究中,以不同形式摄入茶提取物,各类儿茶素及其它活性成分(如咖啡因)的生物利用度均存在较大差异。除了茶叶活性成分本身不稳定外,个体的饮食结构与身体素质对茶叶的吸收程度、吸收速度也有重要影响[3-4]。
生物体内存在多种信号受体参与茶叶成分的吸收代谢,如药物代谢酶(Drug metabolism enzymes,DMEs)、外排转运体(Efflux transporters,ETs)、核受体(Nuclear receptor superfamily,NRS)等[5]。当前研究发现,饮食习惯变化能够引起生物体内营养再分配与内环境稳态的变化,包括调节激素水平、疾病因子等[6]。此外,肠道中存在大量参与茶叶活性成分吸收与排泄的微生物,这些微生物与宿主之间存在相互作用,且极易受饮食影响。肠道菌群的变化影响茶叶的生物利用度。
饮食行为与饮食质量能够影响茶叶中天然成分在人体内的吸收效果。本文概述饮食行为以及膳食元素对参与茶叶成分摄入的酶、转运蛋白[7-8]、肠道微生态[9]的影响,并重点描述了肠道微生物[10-11]对茶叶生物利用度的潜在作用。根据已报道研究结论分析干预茶叶成分生物利用度的主要食物因素,讨论饮食对个体吸收差异的生理机制[12],总结相关研究存在的主要问题。
1 饮食方式对茶叶成分体内代谢的影响
机体通过摄入食物来满足大分子跨膜运输的能量需求,维持和保护机体正常生命活动[13]。能量代谢过程受多种因素影响,营养摄入过剩或不足都会改变机体原有的生理状态,阻碍其对膳食元素的吸收和利用,引发一系列改变机体健康状况的反应[14-16]。
1.1 时间营养
时间营养(Chrono-nutrition) 是指哺乳动物中,特定时间的食物摄入量会引起生理内分泌和代谢通路变化[8,17]。时间营养注重研究生物节律、营养和代谢之间的关系,强调进食时间与进食数量、质量对机体健康的重要性[8,18]。通过服用表没食子儿茶素没食子酸酯(Epigallocatechin gallate,EGCG)胶囊后发现,空腹情况下EGCG 的吸收量显著高于少量或正常饮食后系统的吸收量[4]。进食后间隔1 h 再饮茶,茶叶抑制铁元素吸收的作用降低[19]。这些研究证实了餐后饮茶是导致茶叶生物活性改变的重要原因。一方面,肠道中残留的食物,如氨基酸、多糖等可以与茶叶成分形成特殊的复合物,从而延迟吸收[20-21],食物中蛋白质与其它成分引起pH 值改变会加速EGCG 降解,进而降低其生物利用度。另一方面,与茶叶成分摄入相关的药物转运蛋白多耐药蛋白1(Multi-drug resistance 1,MDR1)、单羧酸转运蛋白(Monocarboxylate transporter,MCT1)、多药耐药相关蛋白(Multidrug resistance-associated protein 2,MRP2)和肽转运蛋白(Peptide transporter,PEPT1)等受生物钟和饮食条件调控[7],尤其是与儿茶素体内运输过程相关的转运蛋白。其中,MRP2 将EGCG 和其它儿茶素从肠上皮细胞运输到回肠,通过控制细胞内多酚类物质的积累,直接参与茶多酚及其代谢物的摄取与利用[22]。研究发现,空腹服用儿茶素后血浆中EGCG 浓度较高,而饮食后血浆中EGCG 的清除率较高。即使只有少量食物摄入,EGCG 的吸收率也会受到强烈抑制。这表明,时间营养适用于机体对茶叶成分吸收利用,其作用依赖于茶叶与食物共用的代谢系统。
1.2 饮食限制
饮食限制与下丘脑-垂体-肾上腺轴(Hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA)活性有关,通过逐步减少除维生素与矿物质外所有饮食成分的摄入,影响机体内能量支出、代谢基因及生物钟调控基因【包括激酶A、蛋白激酶C 和丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK】激动剂的表达,增加糖皮质素释放,降低褪黑激素分泌[23-24],导致生物节律变化,从而影响机体活动规律。褪黑激素是下丘脑分泌用于调节生物节律相关基因表达和代谢的生物激素,Wang 等[25]发现褪黑激素能显著降低EGCG 促氧化作用,降低高剂量EGCG 的亚急性肝损伤,抵消肝脏转录因子NF-E2 相关因子2(Nuclear Factor erythroid-2-related factor 2,Nrf2)的抑制作用。
1.3 禁食
禁食(Fasting)能增加细胞敏感性,导致目标器官更容易受到茶多酚的影响。有研究发现用绿茶提取物分别喂食禁食犬和非禁食犬后,在非禁食犬无不良反应的情况下,禁食犬出现肝细胞坏死,胃肠道上皮、肾小管和生殖器官萎缩,以及造血组织萎缩和坏死等病理症状[26-27]。一般认为,饮食限制(Dietary restriction)或者禁食能改善机体代谢反应,重塑脂肪组织,减少脂肪积累,甚至延长机体寿命[28]。禁食状态下肝脏中的法尼醇-X-受体(Farnesoid X receptor,FXR)和过氧化物酶体增殖剂激活受体(Peroxisome proliferator activates the receptor,PPAR) 被激活,PPAR 是茶叶调节机体脂肪酸分解的主要基因,PPARα 参与Y-27632二盐酸盐提高PANC-1 细胞对EGCG 的敏感性和调节细胞增殖与迁移的反应[29]。因此,利用饮食管理的有益作用干预茶叶活性成分的生物利用度,需要针对不同体质的人群,采取适当的饮食限制,而非过度的饮食剥夺。
2 膳食元素影响机体的茶叶吸收与代谢
生物体中,膳食元素与茶叶成分之间可以通过相互作用改变茶叶活性成分的吸收利用[4]。饮食成分中营养素(碳水化合物、脂肪和蛋白质)是影响茶叶活性成分利用率的关键因素。由于它们在新陈代谢水平上不能完全相互转换,导致每种营养素对体内代谢的作用有明显区别[30]。不同饮食成分的摄入比例不仅会在短期内改变内环境的pH 值,影响茶叶成分的亲和力和生物可及性,还能提供必要的器官保护(如保护肝脏),使细胞免受高剂量茶叶成分刺激[31]。
2.1 宏量营养素
有研究表明,食物中丰富的糖类物质通过降低氧溶解度、螯合过渡金属离子和清除活性氧等多种机制,提高茶叶活性成分在人体内生物活性[32-33]。Li 等[34]发现水苏糖预处理能抑制小肠二期代谢酶和转运蛋白的表达,提高小鼠血清中儿茶素浓度和抗氧化酶活性,有效抑制脂质过氧化,降低血清丙氨酸氨基转移酶(Alanine aminotransferase,ALT) 和天冬氨酸氨基转移酶(Aspartate aminotransferase,AST)活性,防止肝细胞坏死。然而,过量糖分摄入会导致结肠中葡萄糖的大量残留[21],引起多药耐药蛋白2(Multidrug resistance associated Protein 2,MRP2)表达显著降低,增加对MRP2 底物的吸收,使EGCG 在细胞内大量积累[35]。
长期摄入高脂饮食会使药物吸收和外排相关基因mRNA 表达发生改变,影响茶多酚外排转运蛋白的活性。研究表明,在高脂饮食小鼠的肝脏中,外排转运蛋白MRP2 和摄取转运蛋白有机阴离子转运体2(Organic-anion transporter,OAT2)mRNA 表达显著高于正常饮食小鼠,表儿茶素(Epicatechin,EC)外排量也远高于正常组[22,36]。
在饮食热量相等时,蛋白质是影响茶叶活性成分吸收的主要因素,没食子酰基是决定多酚与蛋白质结合能力的主要原因[37]。膳食蛋白与茶多酚通过氢键结合[38],形成稳定的分子桥。由于酯型儿茶素可以提供更多的羟基,能优先与蛋白质发生氢键缔合,促进其与目标大分子的结合,因此表现出更高的生物活性。膳食蛋白(如米糠蛋白和牛奶) 可以影响EGCG 和酚酸类物质的吸收率和生物活性[20,39]。绿茶中添加牛奶可使细胞内儿茶素含量增加10%~30%[20,40-41]。一些研究认为,酪蛋白能与多酚结合,在胃中形成凝块,延迟多酚的吸收,增强其抗氧化能力[20]。Egert 等[42]试验表明,当茶叶与酪蛋白含量低的大豆蛋白同时摄入时,酯型儿茶素以及总儿茶素的生物利用度显著降低。这并不代表非酯型儿茶素的生物活性同样受到抑制,因为当酯型儿茶素大量消耗时,不易与蛋白结合的非酯型儿茶素能更多的被吸收利用,并表现出更高的生物活性[37,43]。此外,多酚与蛋白质的相互作用会导致蛋白质二级或三级结构改变,形成复杂的聚合物,例如:纤维蛋白与EGCG 结合可以抑制其毒性聚集物的形成,防止神经退行性疾病和淀粉样变性[44]。
2.2 微量营养素
表儿茶素(Epicatechin,EC)是MRP2 等外排蛋白的运输底物。Chung 等[45]发现维生素C 抑制EC 外排运输,增加肠道运输功能,增强肠道对EC吸收。此外,蔗糖和维生素C 联合使用能提高茶叶中EGCG、表儿茶素没食子酸酯(Epicatechin gallate,ECG) 与表没食子儿茶素(Epigallocatechin,EGC)的生物活性和肠道吸收[46]。
矿质元素摄入对细胞健康至关重要,过量或不足都会威胁其健康生长。机体在缺乏铁元素时会引起贫血、组织缺氧和细胞功能障碍[47]。铁与抗坏血酸盐同时存在能抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长[48]。微量元素锌、硒和铜是机体必需营养素,高剂量摄入时,会增加同型半胱氨酸(Homocysteine,HCY)生成量,高同型半胱氨酸经过修饰后可降低儿茶素与人血清蛋白的亲和力[49]。此外,与精氨酸、N-乙酰半胱氨酸、硒以及微量的铜和锰同时摄入,黄酮类物质的协同作用增强[50]。Gawande 等[51]通过给志愿者服用不同营养比例的营养物发现,食用含有维生素C、硒、N-乙酰半胱氨酸等营养成分的食物可以将人体血液中EGCG的可利用率提高14%。
2.3 非营养素
植物成分食物与茶叶活性成分能产生协同作用,增强茶叶多酚在机体的吸收和转化。膳食黄酮可以作为茶叶多酚代谢的增强剂,通过抑制MRP1 和MRP2 活性来增加小肠对EGCG 的吸收[52]。Novotny 等[53]和How 等[54]分别进行11 d 和4周的研究发现,无论在肥胖还是健康个体中,重复摄入多酚类物质都能增加机体对植物多酚以及儿茶素的吸收能力。另一项研究使用低剂量EGCG预处理2 周后,高剂量EGCG 在小鼠体内的生物利用度降低,EGCG 对小鼠的肝毒性减弱[55]。当以0.6 g/mL 绿茶多酚溶液作为小鼠的唯一摄入液体时,血浆和肝脏中EGCG 水平在0~4 d 上升,而在随后10 d 下降[56]。这些结果表明,多酚干预对茶叶吸收的促进作用在一定时间内有效,这一效果在人体内持续时间更长;长期摄入会导致儿茶素的吸收量降低,这可能与机体的适应性自我调节有关。
体内外试验研究均表明,富含膳食黄酮的食物与绿茶联合摄入能提高肠细胞对EGCG 的吸收能力,降低转运蛋白的表达和EGCG 甲基化,减少过度甲基化导致的EGCG 流失,从而表现出比单独食用绿茶提取物更强的抗炎效果[50,57]。研究发现,富含槲皮素[57]或姜黄素[58]的食物补充剂均可提高EGCG 的吸收率。槲皮素使A549 细胞对EGCG的吸收增加4 倍,甲基化程度降低到19%;使786-O 细胞的吸收增加2 倍,甲基化程度从97%降低到56%;并能显著降低COMT 的活性和蛋白表达,以及MRP1 的蛋白表达。木犀草素和L-茶氨酸的混合物比单独摄入更有助于改善大鼠记忆,预防和延迟记忆功能障碍的发展[59]。
控制特定营养素的效果不仅取决于摄入量,还易受摄入时间和其它饮食元素的干扰。这些因素使得分析营养成分的影响变得更加复杂。
3 膳食营养通过微生物代谢影响茶叶吸收代谢
不同比例营养元素组成的饮食结构影响菌群组成多样性与活性。饮食、药物、肠粘膜、免疫系统和菌群本身都可以影响肠道微生态平衡。菌落组成的巨大变化或菌落的扩展都会引发疾病,打破肠道微生态平衡,扰乱机体正常的生理代谢。
3.1 膳食元素与肠道菌群
人体肠道微生物主要由拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形杆菌门(Proteobacteria)组成。其菌群结构、功能主要受宿主饮食模式影响。例如,富含蛋白质的饮食会减少哺乳动物肠道乳酸杆菌和肠球的数量[60]。脂肪摄入会影响肠道通透性、机体免疫功能及微生物环境[61-62],不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA) 的摄入量会引起肠道菌群组成和功能发生显著变化[63],尤其是双歧杆菌的种类与数量变化。植物多糖(如植物纤维)能改变微生物群的丰度,促进拟杆菌的生长及短链脂肪酸生成[64]。
3.2 茶叶生物活性与肠道菌群
一般认为,茶叶成分进入人体后,酯型儿茶素会受到酯酶作用形成邻苯三酚[65]。也有人认为大分子儿茶素EGCG 和ECG 在小肠内不易吸收,而是在结肠内有效转化为小分子的多酚微生物代谢物(Polyphenol microbial metabolites,PMMs),进入肝脏后再被吸收利用。Calani 等[66]监测绿茶多酚代谢产物在48 h 内的排泄情况,发现绿茶多酚的生物利用度在很大程度上归因于微生物代谢。人体肠道菌群中含有多种参与多酚代谢的微生物。奥氏梭菌和真杆菌分枝杆菌产生的酶,可对茶叶中的槲皮素和柚皮苷C 环进行裂变,肠球菌对槲皮素-3-糖苷有脱糖作用[67]。Takagaki 等[68]先从169株肠内细菌筛选出5 类能将EGCG 水解为EGC和没食子酸的肠内细菌:产气肠杆菌属(Enterobacter aerogenes)、植生拉乌尔菌属(Raoultella planticola)、肺炎克雷伯菌属(Klebsiella pneumoniae susp.pneumoniae)、长双歧杆菌克雷伯氏菌亚属(Bifidobacterium longum subsp.infantis)。之后,他又从大鼠粪便中分离到2 株参与EGC 降解的肠道细菌,经初步鉴定为阿德勒克鲁茨氏菌(Adlercreutzia equolifaciens)和Flavonifractor plautii[69]。
多酚类物质经微生物转化后生物活性发生变化[70]。酯型儿茶素在结肠中经过微生物酶的作用,酯键水解,c 环发生裂变,产生没食子酸和环状裂变代谢物,再在大肠中进一步降解成苯基戊酸、酚酸或者更小的分子,分散到各个器官发挥作用[71]。肠道微生物群促进EGCG 胺化代谢并通过共轭作用抑制活性羰基化合物[72]。由于PMMs 在通过肠道和血脑屏障时,表现出更强的渗透性[73],肠道菌群的变化可能是阻碍EGCG 在生物体内吸收利用的原因之一。外界环境变化改变肠道细菌的丰度和多样性,多酚代谢阻力受到干扰,最终影响机体对儿茶素的吸收与排泄。Liu 等[10]研究发现,用抗生素破坏肠道中具有分解儿茶素能力的微生物群后,小鼠血液中的EGCG 水平升高,多酚代谢物(环分裂代谢物)减少,更多儿茶素通过尿液和粪便排出。抗生素的作用效果存在争议,口服抗生素会引起宿主小肠中与药物吸收和代谢相关蛋白水平发生变化,如PEPT1、MRP2 和多耐药蛋白1a(Multi-drug resistant proteins 1a,MDR1a)。更多研究证实,抗生素引起小鼠的肠道菌群改变,使药代动力学相关蛋白水平发生变化,进而导致细胞内EGCG 滞留时间缩短,难以充分发挥作用,并非抗生素对相关蛋白的直接作用。
早在2010年,Duynhoven 等[74]提出利用代谢组学与微生物学技术获得定量饮食营养信号,将肠道微生物多样性与膳食营养的功能联系起来,并最终确定微生物与多酚生物活性之间的关联。目前,营养动力学研究已经成为总结人体肠道菌群功能(生物转化)的重要依据,然而由于不能从系统生物学的角度解释代谢底物的生物利用度,仅可作为模型观察显型宿主和微生物的功能(生物转化)。因此,虽然“饮食-微生物-茶叶吸收利用”三者之间的联系已经确定,但缺少相关研究来解析其中的生物转化途径,以及识别整个过程中涉及的微生物群。
3.3 饮食、疾病与肠道菌群
表儿茶素、儿茶素和槲皮素的血药浓度与身体质量指数(Body mass index,BMI)相关[75]。Novotny 等[53]发现同时摄入等量多酚,偏瘦与肥胖两类人群血液中多酚含量差异显著,低BMI 个体的血液中儿茶素浓度高于高BMI 个体。一方面,超重和肥胖的个体可能改变了某些营养素和饮食成分的吸收或代谢,包括类黄酮、叶酸和维生素等[76-77];另一方面,由肥胖引起的慢性疾病会引起肠道微生物组成、单个分类群和功能的改变[78],导致肠道菌群对茶叶活性成分代谢不足[79]。
总热量低于基础代谢水平的饮食可能导致短期内矿物质、微量营养素以及长期内所有营养素的摄入不足。营养不良会影响肠道微生物群的结构与功能,这些变化会增加个体患糖尿病、自闭症、肥胖症以及免疫性炎症等疾病的风险,严重影响机体生理代谢与健康状况[80]。因此,除了考虑不同微生物群对茶叶活性成分代谢的单独影响外,疾病(或病理)状态下微生物种群间的相互影响,可能对了解肠道菌群对茶叶吸收利用的影响具有重要参考意义。
4 展望
茶叶活性成分的吸收利用率存在极大的个体差异。除了茶叶中化学物质自身的稳定性较弱以外,另一个重要因素是饮食行为。不同进食行为(饮食限制、禁食)会引起肠道动力变化、激素水平和相关膜转运蛋白等调控因子的改变,与茶叶中多酚类物质相互结合改变其代谢途径。此外,肠道菌群作为机体代谢的重要参与者,与饮食-茶叶活性成分吸收利用相互作用形成复杂的结构体系。
饮食影响茶叶生物活性和机体代谢的相关研究还处于初期阶段,可从以下几个方面进行深入研究:
1)利用饮食营养调整肠道微生物结构和功能,增强肠道菌群对茶叶成分的代谢能力,深入探讨作用机制的关键代谢产物。肠道菌群具有可调控性,利用饮食改变肠道菌群,促进微生物对茶叶成分的分解代谢来增强宿主的吸收利用,可能是提高茶叶利用度的方法之一。分离鉴定具有分解代谢茶叶活性成分能力的微生物、鉴定微生物代谢产物,是破译调控机制的关键所在。
2)目前针对茶叶的研究主要集中在儿茶素类化合物,而茶氨酸、咖啡碱、茶皂苷及其它黄酮类物质及茶色素(茶红素、茶黄素、茶褐素等)的相关研究较少。茶叶中丰富的生物碱,如咖啡碱,在增加胃酸分泌,降低脂肪等方面有积极作用[81-82]。茶氨酸具有调节情绪的活性作用,能增加多巴胺浓度(特别是在纹状体、海马和下丘脑),并降低大脑中去甲肾上腺素的浓度[83-84],其对神经性疾病的治疗[85],尤其是阿兹海默[59]的作用得到广泛研究。然而外源的影响因素尤其是饮食对茶氨酸生物活性影响研究较少。由于不同营养元素对茶叶成分吸收利用的作用效果不同,综合了解饮食对不同茶叶活性成分的影响也值得深入探索。
3)根据不同年龄及身体素质等因素建立调控茶叶吸收代谢的饮食模型,是充分利用茶叶活性成分促进个体健康的关键,也是精准饮食的核心之一。仅仅着力于提高茶叶活性物质在生物体内的生物利用度并非无害。目前,过量儿茶素摄入已被证实会增加肝脏负担[86-88],由于不同人群的体质差异,茶叶摄入的推荐饮用量及有益效果并不能广泛适用。因此,饮食作为一种干预手段,既可以照顾特殊个体或特殊疾病期间的营养需求,也能通过膳食元素的合理配比,将茶叶成分的生物利用控制在最佳范围。
5 结论
饮食作为调控生理代谢的重要因素,与茶叶成分在生物体内的代谢关系密切。不同类型的进食方式和饮食模式都会改变机体对茶叶成分的代谢,影响茶叶成分的生物活性。如何合理饮食补充发挥茶叶对机体的积极作用尚需进一步研究。全面了解饮食对茶叶活性成分生物利用率的作用机制,将有望为精准饮食提供重要参考。