不溶性膳食纤维调节脂质代谢研究进展

2021-12-17赵广河张瑞芬董丽红张名位

中国食品学报 2021年11期

赵广河，张瑞芬，董丽红，刘磊，张名位*

（1 广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所农业农村部功能食品重点实验室广东省农产品加工重点实验室广州510610 2 广西师范大学生命科学学院广西桂林541006）

自上世纪70年代以来，膳食纤维（DF）在营养和健康方面的作用受到广泛关注和普遍认可。DF 是聚合度在10 或10 以上的、不被人体小肠内源酶所水解的碳水化合物的统称，主要包括食物中天然存在的可食性碳水化合物，经物理、化学或酶法处理食物原料而获得的碳水化合物，化学合成的、被充分证实具有生理功效且被政府机构所批准的碳水化合物等3 大类[1]。此外，木质素及其它结合于植物细胞壁且可用AOAC994.13 定量的成分和经政府机构认可的、聚合度在3～9 的碳水化合物也被归于膳食纤维[1]。也有一些国际机构如欧盟等将所有不被消化的成分，如抗性淀粉、抗性低聚糖等都归于DF。在日常的食物中，50%以上的DF 来自于谷物和豆类，其它来自于水果、蔬菜等。根据DF 水溶性可以将其划分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）两大类。SDF主要由低聚糖、果胶、瓜尔豆胶和部分半纤维素等组成，而IDF 主要由纤维素、木质素、壳聚糖和部分半纤维素等组成。

IDF 的制备就是除去原料中的淀粉、蛋白质、脂质等非纤维成分和可溶性成分的过程。IDF 的制备方法与原料的成分及性质密切相关，主要分为物理法、化学法、生物法、联用法4 类。物理法又称粗分离法，主要包括悬浮法、气流分级法和静电分离法，其原理是利用溶解性或密度或电荷数的差异减少淀粉、植酸等非纤维成分和可溶性成分来制备较高纯度IDF。虽然物理法所得到的IDF纯度较低，但是可以改变原料中各个成分的相对含量，比如降低淀粉的含量，增加IDF 的含量，具有工艺简单，易于规模化生产的优点。化学法主要采取酸或（和）碱的方法除去原料中的淀粉或（和）蛋白质等非纤维成分和可溶性成分而获得较高纯度IDF。化学法制备IDF 具有操作简单、速度较快、纯度较高的优点，是当前最为常用的方法。然而，该法环境污染大，所得产品色泽较深、风味较差、活性成分损失较多、生理功效偏低。生物法主要包括酶法和微生物发酵法。酶法主要是采用几种酶制剂酶解去除原料中的非纤维成分和可溶性成分而制备较高纯度IDF。微生物发酵法主要是选用合适的菌种，利用微生物的生长来消耗非纤维成分和可溶性成分而获得较高纯度IDF。虽然生物法具有条件温和、容易控制、环保等优点，制得的IDF 生理活性较高，但也存在耗时较长、操作繁琐、成本较高、纯度偏低等缺点。也有研究者将上述方法进行组合来制备IDF。

多项研究表明，SDF 因其良好的胶凝性、吸水性、膨胀性和可发酵性而具有显著调节脂质代谢的作用[2-6]。SDF 通过吸附胆汁酸，减少进入肝肠循环的胆汁酸数量从而促进肝内胆固醇向胆汁酸的转化，吸附胆固醇或阻碍胆固醇被胆汁乳化以及延迟肠腔内胆固醇向肠道上皮细胞扩散等途径发挥良好的降脂功效[7-9]。SDF 的降脂及其它功能作用得到了广泛的研究和普遍的应用，然而在植物性食品中含量远远高于SDF 的IDF，却几乎被人们遗忘。在相当长的时间里，IDF 的作用一直被认为是加速胃肠道蠕动、增大粪便体积，而基本没有调节脂质代谢的作用[10]。近年来，已有多篇文献报道，IDF 具有较好的脂质代谢调节作用[11-16]。鉴于有关IDF 调节脂质代谢系统性研究的文献还很有限，本文概述IDF 的脂质代谢调节作用及其机制、IDF 调节脂质代谢的影响因素和物质基础，并对IDF 产业现存问题及发展前景进行了分析，旨在为IDF 产业的持续健康发展提供理论参考。

1 IDF 调节脂质代谢的作用

1.1 体外试验

IDF 调节脂质代谢的效果与其物化特性紧密相关。IDF 的水合特性（持水力、结合水力、膨胀力）、持油力、离子交换力、胆酸盐吸附力、胆固醇吸附力、胰脂酶活力抑制力等特性被证实与其体内调节脂质代谢的作用有着密切的正相关关系[6，16-18]。持水力、结合水力和膨胀力高，有利于IDF 软化粪便、增加粪便体积、加速粪便的形成和排泄。持油力高，有利于IDF 吸附脂质，降低摄食者对于脂质的吸收和利用。离子交换力高，有利于IDF 破坏胃中脂质胶束的形成，从而降低摄食者对脂质和胆汁酸的吸收。胆酸盐吸附力高，有利于阻碍胆汁酸重新进入肝肠循环和促进胆固醇的氧化降解。

1.2 动物实验

据报道，玉米糠IDF 可显著降低高脂膳食大鼠动脉硬化指数、肝脂含量及血清总甘油三酯（TG）、总胆固醇（TCH）和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，显著增加粪便TCH 和胆汁酸水平[13]；燕麦IDF 可显著降低高脂膳食小鼠肝脏系数和肝脏TG、TCH 水平[19]；柑橘皮IDF 可显著降低高胆固醇膳食仓鼠血清TG 和TCH 以及肝脂、肝脏TCH 水平，显著增加粪脂、粪便TCH 水平[20]；西番莲籽IDF 可显著降低高胆固醇膳食仓鼠肝脏、血清的TG 及TCH 水平，显著增加粪便中脂肪、TCH和胆汁酸的水平[12]；胡萝卜IDF 可显著降低高胆固醇膳食仓鼠血清TG、TCH、LDL-C 和肝脏TCH水平，显著增加血HDL-C/TCH 比值以及粪便脂质、TCH 和胆汁酸水平，然而对血清高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）、肝脏系数、肝脂水平无显著影响[21]；赤豆、赤小豆和扁豆3 种豆子的IDF 可显著降低高胆固醇膳食仓鼠血清LDL-C 水平和肝脏TCH 水平，增加HDL-C/TCH 比值[11]；壳聚糖和纤维素可显著降低高脂高胆固醇膳食小鼠血清TCH和肝脏TCH 水平，然而对粪便TCH 和胆汁酸水平无显著影响[22]。

另有报道称玉米糠IDF 对高胆固醇膳食大鼠的降胆固醇作用显著优于黑豆皮IDF[23]，而壳聚糖和纤维素在改善高脂高胆固醇膳食小鼠脂质代谢方面无显著差异[21]。在降低血清TCH 和LDL-C 水平方面，赤小豆IDF 显著优于赤豆IDF 和扁豆IDF，后两者间无显著差异。在降低血清TG 方面，赤豆IDF 显著优于赤小豆IDF 和扁豆IDF，后两者间无显著差异。在增加血清HDL-C 水平方面，赤小豆IDF 显著弱于赤豆IDF 和扁豆IDF，后两者间无显著差异。在肝脏系数、肝脂和肝脏TCH水平及血清HDL-C/TCH 比值方面，三者无显著差异[11]。然而，羽扇豆IDF 对高胆固醇膳食大鼠的肝TG、TCH 水平无显著影响，却显著增加粪便脂质含量[24]；梨渣IDF 在显著降低高脂膳食大鼠血清TCH、LDL-C 水平的同时显著增加其血清TG水平[15]；蒲桃籽IDF 对高胆固醇膳食大鼠脂质代谢并无显著的改善作用[9]。

以上研究表明，IDF 对高脂膳食或高胆固醇膳食或高脂、高胆固醇膳食小鼠或大鼠或仓鼠均具有一定的脂质代谢调节作用，且不同来源的IDF 具体功效有着明显的差异。需要注意的是，实验所用动物的品种、种系、周龄，实验模型构建、饲养周期、IDF 用量等也是影响IDF 调节动物脂质代谢作用的重要因素。

1.3 临床试验

据报道，纤维素无显著降低高胆固醇膳食中年男性血清TCH 水平的作用[25]，而能显著降低高胆固醇膳食女童血清TG、TCH、游离TCH 和磷脂水平，显著增加粪便胆汁酸水平[26]；壳聚糖可显著降低成年男性血清TCH 水平，显著增加HDL-C水平，显著增加粪便胆汁酸水平[27]，也可显著降低轻度或中度高胆固醇血症女性血清TCH 水平[28]；角豆IDF 可显著降低高胆固醇血症患者血清TG、TCH、LDL-C 水平和LDL-C/HDL-C 指数[29]；长期摄食抗性淀粉，可以显著降低成人餐后血清TG和TCH 水平[30-31]。然而，另有报道称，IDF 可以显著降低部分受试者（青年为主）的血清TCH 和TG水平，显著增加粪便脂质含量，却对另一部分受试者的脂质代谢并无显著的改善作用[32]。

1.4 流行病学研究

全谷物是DF 的主要来源，而IDF 是全谷物DF 的主体性成分[33]。流行病学调查表明，全谷物可以显著降低心脑血管疾病（CVD）发病风险[34]，这主要归功于DF 的降脂效应[35]。一项涉及2 941人（含男性和女性）的横断面流行病学研究发现，食用全谷物可以显著降低受试者血清TCH 和LDL-C 水平[36]。通过跟踪调查543 名控制膳食儿童从13 个月到9 岁这段时间内的健康状况，发现摄食DF 可以显著降低儿童血清TG、TCH 水平，显著增加其血清HDL-C 水平[37]。

2 IDF 调节脂质代谢的机制

2.1 调节脂代谢相关信号转导

IDF 通过调节脂质代谢相关基因的表达而改善摄食者的脂质代谢。IDF 吸附肠道内的胆汁酸导致进入肝肠循环的胆汁酸含量锐减，进而激活胆固醇7A 羟化酶1（CYP7A1）的表达。活化的CYP7A1 促使肝脏内胆固醇氧化降解为胆汁酸。肝脏内胆固醇数量的减少上调低密度脂蛋白（LDLR）受体的表达，该受体将组织细胞内的LDL-C 运送至肝脏进行代谢，最终降低血清中的LDL-C 水平[38]。燕麦IDF 可以通过上调肝脏过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARα）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）、肝X 受体α（LXRα）、ATP 结合盒转运体A1（ABCA1）的表达和下调肝脏胆固醇调节元件结合蛋白1（SREBP1）、脂肪酸合成酶（FAS）、乙酰辅酶A 羧化酶（ACC）的表达而显著改善高脂、高胆固醇膳食小鼠的脂质代谢[39]。玉米糠IDF 通过上调肝脏CYP7A1、PPARα、PPARγ、脂蛋白脂酶（Lpl）和肝脂酶（Lipc）等基因表达、下调肝脏法尼醇X 受体（FXR）基因表达和下调肠FXR、回肠胆汁酸结合蛋白（I-BABP）等基因的表达而显著改善高脂膳食大鼠的脂质代谢[40]。

2.2 调节脂代谢相关激素分泌

IDF 通过调节脂质代谢相关的激素分泌水平而改善摄食者的脂质代谢。梨渣IDF 通过显著降低瘦素分泌调节高脂膳食大鼠的脂质代谢[15]。燕麦IDF 通过增加促甲状腺激素的分泌和降低胰岛素的分泌调节高脂膳食小鼠的脂质代谢[19，41]。短期摄食燕麦IDF 可显著改善肥胖者的胰岛素敏感性[42]，据此推测，长期摄食燕麦IDF 可有效改善肥胖者的脂质代谢。

2.3 改变摄食者肠道微生物组成

相对于SDF，IDF 难以被吸收，因而其与肠道微生物的接触时间更长。IDF 通过调节肠道微生物的组成和丰度而调节摄食者的脂质代谢。部分纤维素和半纤维素可以被肠道微生物利用，发酵产生短链脂肪酸，促进有益菌的增殖[43]，从而改善摄食者的脂质代谢。梨渣IDF 通过增加拟杆菌属菌数和降低厚壁菌属菌数而显著改善高脂膳食大鼠的脂质代谢[15]。豆渣IDF 可能通过降低大肠杆菌数量和增加乳酸杆菌数量来改善摄食小鼠的脂质代谢[44]。抗性淀粉、纤维素、纤维素-抗性淀粉通过调节肠道内微生物的数量和短链脂肪酸的水平改善小鼠脂质代谢[45]。

3 IDF 调节脂质代谢的影响因素

3.1 摄食者个体因素

直接吸附胆汁酸或胆固醇等是IDF 发挥调节脂质代谢功效的机制之一。IDF 在pH 7.0 条件下对胆固醇的吸附力显著高于其在pH 2.0 条件下的吸附力[46-47]，这说明IDF 对胆固醇的吸附力不仅与IDF 本身有关系，也与金属离子等有着一定的关系[48]。不同人群或个体，其肠道内环境的pH 值可能是不同的。改变肠道微生物组成是IDF 发挥脂质代谢调节功效的另一机制。膳食结构及饮食习惯的不同直接导致宿主肠道微生物组成的差异，而病理性因素、年龄、性别等也会导致个体肠道微生物组成的变化。因此等量等质IDF 对不同摄食者肠道微生物的影响可能是不同的。IDF 可被肠道微生物部分发酵产生短链脂肪酸（SCFAs），降低肠道pH 值，进而影响肠道微生物的发酵性能和改变IDF 对肠道内胆汁酸和胆固醇的吸附性能。有研究发现，IDF 可以显著改善部分人群的脂质代谢，而对另一部分人群的脂质代谢没有显著地改善效果[32]。

3.2 其它食物成分

IDF 在发挥其调节摄食者脂质代谢的作用时可能会受到其它因素的影响和制约。据报道，瓜尔豆胶组合辣椒素对高脂膳食大鼠脂质代谢的调节效果优于两者单独饲喂的效果[49]；植物甾醇或富含多酚的植物提取物可增强SDF 改善实验鼠脂质代谢的效果[38，50]。由此可以推测，其它食物或药物成分也可能会影响IDF 对摄食者脂质代谢的改善效果。

3.3 改性方法

通常认为SDF 比IDF 更具生理功效（包括调节脂质代谢作用在内）。对DF 的加工即DF 改性的主要目的就是促进IDF 向SDF 的转化。通过改性，一方面可以断裂纤维素等大分子的连接键，使部分IDF 转化为SDF，另一方面可以使纤维基质致密的胶束状结构转变为疏松的网络状结构，从而改善IDF 的物化特性和功能特性。

3.3.1 物理改性湿热处理可以增加DF 表面积，增加其持油力[51]，然而却显著降低IDF 对胆固醇的吸附力[52]。可能的原因一方面是富含淀粉的植物材料在高温下形成了抗性淀粉和美拉德反应产物；另一方面是湿热处理改变了纤维的结构，屏蔽了DF 的活性位点，从而降低了其对胆固醇的吸附。同时，湿热处理也会导致了部分SDF 的损失[53]。蒸煮挤压可以显著增加麦麸DF 中SDF 的含量，可能是打破了蛋白基团与碳水化合物基团间的共价键和非共价键，促使部分IDF 向SDF 转化[54]。蒸煮挤压以机械剪切力打开纤维结构，将纤维的羟基基团暴露出来以吸附水分，有利于改善IDF 的水合特性。

超高压处理可显著降低白包菜DF 和豆渣DF中SDF 的含量[55-56]，显著增加水饱和豆渣DF 中SDF 的含量[56]，显著降低水饱和麦麸和米糠中SDF 的含量[57]。可见，水饱和处理有利于纤维束的充分伸展，更助于超高压处理断裂弱的糖苷键，从而促使部分IDF 向SDF 转化。此外，纤维基材料的化学组成对超高压处理的效果也有很大的影响。

采用球磨、气流式超微粉碎、高压微射流3 种方法超微粉碎杨桃IDF，可以显著改善其膨胀力、持水力、持油力和离子交换力、胰脂酶活力抑制力[57]。高压微射流的改性效果显著高于球磨和气流式超微粉碎的改性效果。在改善持水力和膨胀力方面，球磨和气流超微粉碎无显著差异；在改善持油力和离子交换力方面，气流式超微粉碎的改性效果显著高于球磨的改性效果；在胰脂酶活力抑制力的改善方面，气流式超微粉碎的改性效果显著低于球磨的改性效果。湿法超微粉碎导致部分IDF 成分由不溶性转变为可溶性[57]，使SDF 含量增加。高压微射流处理可显著改善燕麦IDF 和梨渣IDF 的水合特性、持油力、胰脂酶活力抑制力，并且对两者的影响效果差异较大[58]。同样，超微粉碎（球磨、气流超微粉碎、高压微射流）也可以改善胡萝卜IDF 的水溶性、持水力、膨胀力、持油力、离子交换力和胰脂酶活力抑制力，在效果方面依次为：高压微射流＞气流超微粉碎＞球磨[59]。超微粉碎对IDF 物化特性的改善效果，不仅受IDF 来源的影响，而且受超微粉碎方法的影响。超微粉碎在显著降低IDF 粒度、增加其表面积的同时，也暴露出更多的极性基团和亲水位点，促使部分IDF转化为SDF，从而大幅度改善其水合特性。超微粉碎显著降低IDF 的堆积密度，增加了IDF 孔隙率和毛细管作用，从而增加了其对油脂的束缚力。

3.3.2 化学改性碱性双氧水处理不仅降低了甘蔗渣粒径和木质素含量，也打开了其纤维束结构，从而显著改善其持水力和持油力[60]。酸法改性增加了甜菜IDF 的膨胀力，然而破坏了其纤维结构的致密性[61]。碱-湿热加压组合处理能有效地打破糖苷键，使得玉米糠IDF 中的长纤维丝转变为颗粒状的纤维，增加其表面积及表面羟基基团数量，从而可以吸附更多的水和脂肪，具有更大的膨胀力[62]。酸处理可以显著降低IDF 中淀粉的含量；碱处理可以显著降低IDF 中蛋白质的含量。酸、碱处理都会引起纤维素、半纤维素的部分降解，从而改变IDF 的物化特性。化学改性对IDF 物化特性的影响不仅与IDF 材料本身有关，也与化学处理的具体方法有关。

3.3.3 生物改性与未改性玉米糠IDF 组比，木聚糖酶改性使其SDF 含量增加了285%，持水力、膨胀力、持油力分别增加了1.11，1.34，1.87 倍，对4 种胆酸盐（胆酸钠、牛磺胆酸钠、脱氧胆酸钠、鹅脱氧胆酸钠）的吸附量和吸附能力显著增加，增加高脂膳食大鼠粪便中的脂质含量，显著降低动脉硬化指数、显著降低肝脏脂质、TG、TCH 和血清TG、TCH、LDL-C 水平，显著增加血清HDL-C 和粪便中的脂质、TG、TCH 水平[17，63]。纤维素酶改性的玉米糠IDF 对高脂膳食大鼠无显著降脂功效，而纤维素酶-碱-热联合改性的玉米糠IDF 却具有显著的降脂功效[62]。酶改性对IDF 物化特性的影响不仅与IDF 材料本身有关，也与所选择酶的种类及具体酶解参数有关。

4 IDF 调节脂质代谢的物质基础

4.1 纤维基质

体外试验发现，IDF 对油脂的吸附能力显著高于SDF[16，46-47]，而IDF 的持水力、结合水力、膨胀力、胆酸盐及胆固醇吸附力等显著低于SDF[16，46]。这些差异主要由两者组成成分的不同所造成。组成成分的差异导致两者水溶性、持水性、膨胀力等物化特性的差异，进而导致两者生理功效的差异。组成决定物性，物性决定活性。因此，可以推测，两者在调节脂质代谢的作用及机制方面可能存在着一定的差异。IDF 主要由纤维素、半纤维素、木质素、残存的少量的淀粉、蛋白质、束缚或结合于纤维上的活性成分如酚类物质等组成。这些成分在IDF 调节脂质代谢方面各自发挥着什么样的作用以及这些成分彼此之间存在着什么样的相互作用，还需要进一步探究。

纤维基质是IDF 降脂作用的主要贡献者。纤维素和半纤维素可以直接吸附胆固醇从而阻止胆固醇的吸收；可以通过吸附胆汁，阻止其重新进入肝肠循环从而加速肝脏胆固醇向胆汁酸的转化；可以通过吸收水分而增大粪便体积，并加速粪便的形成和排泄，从而减少摄食者对脂质的吸收。与高脂模型组相比，椰子纤维素对高脂膳食大鼠血清和肝脏中的游离胆固醇、酯化胆固醇、总胆固醇和磷脂水平无显著影响，对肝脏胆汁酸（胆酸、鹅去氧胆酸）和粪便中的胆酸和中性固醇水平也无显著影响，对肝3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A 还原酶（HMGR）活性无显著影响。与椰子纤维素组比，椰子半纤维素（不溶性）显著增加血清游离胆固醇、肝胆汁酸（胆酸、鹅去氧胆酸）和粪便中的胆酸及中性固醇水平，显著降低血清和肝中酯化胆固醇、总胆固醇和磷脂水平，显著降低肝HMGR 活性[64]。其他研究者在对黑豆IDF 的研究中也有类似的报道[65-66]。这些研究结果表明，半纤维素（不溶性）可能是IDF 发挥脂质调节作用的主要物质基础。然而，Chau 等[18]和Hsu 等[67]证实，纤维素可以显著降低摄食者血清TCH 和肝TCH 水平，显著增加血HDL-C/TCH 水平，显著增加粪便的重量，显著增加粪便脂质、TCH 和胆汁酸水平。据报道，米糠IDF 的持水性、膨胀力及对油脂、胆固醇的吸附力显著高于纤维素和木质素，这说明米糠IDF 中的半纤维素是赋予其高持水性和膨胀力及对油脂和胆固醇高吸附力的关键因素[48]，也可能是赋予其调节脂质代谢功能的关键因素。来源的不同导致IDF 组成的不同，其物化特性和功能特性可能也不相同。有报道称木质素对高胆固醇血症患者和大鼠的血清TCH 水平均无显著影响[68-69]，然而其他研究人员却证实木质素可以降低人或动物血清TCH 水平[70]。

4.2 与IDF 结合的酚类物质

IDF 中存在的植物化学物质如酚类物质（尤其是结合态酚类物质）、类胡萝卜素等可能是IDF降脂作用的重要贡献者。酚类物质以游离态和结合态两种形式存在于IDF 中。游离酚主要被束缚于植物细胞的液泡中，随着液泡的破裂释放出来。结合酚主要通过共价键结合于细胞壁结构性材料如纤维和蛋白质上，如图1所示。少量结合酚在胃肠道消化酶的作用下缓慢释放出来，多数结合酚在大肠微生物的发酵作用下释放出来，而未释放的结合酚可营造出抗氧化的肠道微环境。据报道，长角豆IDF、胡萝卜IDF、可可IDF、茶叶IDF 对鼠类动物有着显著的降脂功效，其所含有的酚类物质可能发挥了一定的协同作用[29，67，71-72]。IDF 中的酚类物质可能通过其抗氧化活性【增强血液和肝脏的超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性，降低丙二醛（MDA）水平】而抑制脂质过氧化，从而发挥调节脂质代谢作用[67，72-74]。

图1 植物材料细胞壁结构及结构成分与酚类成分的交联[75]Fig.1 Representations of primary cell wall structure of plant material and cross-linking between structural components and phenolic compounds[75]