功能性膳食纤维对食物血糖应答影响的研究进展

李旭燕，王宗玄，丁方莉，柳 嘉，王永霞，王成祥，王 萌，张 璐，王 晴，高 铭

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；2.中国食品发酵工业研究院有限公司，北京 100015；3.河北同福健康产业有限公司，河北 石家庄 051430）

美国谷物化学师协会标准（American Association of Cereal Chemists，AACC） 将纤维定义为植物的可食用部分或类似碳水化合物，其在人类小肠中不可被消化和吸收，而在大肠中可进行完全或部分发酵[1]。膳食纤维具有降低血糖的功能特性[2]，此外还具有降血脂[3]、降胆固醇、调节肠道健康[4]等功效。膳食纤维降低血糖的作用方式有2 种，一种是由于黏度、结构、基团等性质形成的物理屏障阻碍葡萄糖的生成或扩散；另一种是调节机体内的激素分泌来调节血糖生成。黏度较大的膳食纤维可以改变食物的状态，包裹碳水化合物或消化酶，阻碍消化酶对碳水化合物的水解，同时黏度较大的膳食纤维也可以阻碍游离葡萄糖的扩散，影响血糖生成。膳食纤维的网状结构或空隙是良好的物理屏障，可以阻碍消化酶、还原糖的扩散，从而减少了葡萄糖的生成。此外，膳食纤维中含有较多的羟基等基团，有较好的吸水能力，可以增加饱腹感，从而减少食物的摄入，预防过度饮食引起的血糖升高或肥胖。膳食纤维也会引起机体内胰岛素、胰高血糖素等激素的分泌，从而调节血糖。根据溶解性差异，膳食纤维分为不溶性纤维和可溶性纤维[5]。可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF） 包括菊粉、低聚果糖、树胶和果胶等。不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF） 包括纤维素、部分半纤维素、木质素、角质、软木质、几丁质、壳聚糖和部分抗性淀粉等[6]。SDF 的降血糖功能与黏度和基团等特性有关，而IDF 更多的是利用结构特性和基团来实现降血糖。参考近年来国内外关于膳食纤维降低食物血糖应答的相关研究，综述了目前膳食纤维降低食物血糖应答机理和评价方法等方面的研究进展和存在问题，以期能为相关研究提供参考。

1 膳食纤维降低食物血糖应答机理研究

膳食纤维具有降低食物餐后血糖的能力，主要通过延迟胃排空、抑制酶活性、抑制葡萄糖扩散、参与激素调节等机制来实现。食物的消化在口腔、胃和小肠中进行，吸收则是在小肠内进行。以常见碳水化合物- 淀粉消化为例，淀粉在口腔内获得初步水解，在胃环境下，淀粉被部分水解为麦芽糖、低聚糖、糊精等。食糜（以淀粉为例） 经过幽门进入十二指肠，刺激胃肠激素的分泌，包括胆囊收缩素（Cholecystokinin，CCK)、胃抑制肽和胃动素，从而调节食糜的进一步消化[7]。在十二指肠内，食糜从酸性被调节至中性，使得从胰腺排入的α - 淀粉酶会继续水解淀粉。淀粉经消化转变为麦芽糖、麦芽二糖、麦芽三糖及α - 极限糊精，进入小肠后，经α- 葡萄糖苷酶的水解，进一步水解为单糖（葡萄糖）[8]，通过小肠黏膜细胞进入血液，转为血糖。当膳食纤维参与食物消化时，则可以影响食物的消化进程，减少食物的摄入或降低葡萄糖的生成，也可以影响小肠对糖的吸收，进而影响葡萄糖进入血液，降低血糖生成。其降低食物血糖应答机理如下：

1.1 延缓胃排空

胃的上腔部分将食物部分液化成食糜，随后通过蠕动经幽门进入十二指肠。胃排空与小肠中受体的激素和神经反馈调节有关，胃底部根据食料的不同压力调节十二指肠和胃窦的收缩[9]。食糜的物理性质、组成、体积等都会影响胃排空的速率。因此，不同食物由胃输送到小肠，并用于消化吸收的物质水平也有所不同[10]。黏度较高的膳食纤维可以通过改变食糜的黏度、流动性影响胃排空速率，提高饱腹感，减少进食和葡萄糖的生成，进而影响血糖的生成。Guo L 等人[11]发现魔芋葡甘露聚糖（Konjac glucomannan，KGM） 可以延迟胃排空增加饱腹感，这与KGM的黏度有关。任向楠等人[12]也发现高膳食纤维含量的燕麦代餐粉具有更高的消化黏度，延缓胃排空的同时餐后血糖也更加平稳。

1.2 抑制碳水化合物水解

膳食纤维主要通过抑制α - 淀粉酶、胰腺消化酶等的活性来减弱碳水化合物的水解，可通过以下4种途径实现：①形成物理屏障，阻隔或减少酶与底物的接触，如形成膳食纤维- 淀粉复合物：膳食纤维对淀粉的包埋作用使得淀粉水解减少，从而减少葡萄糖释放，降低血糖。果胶的凝胶网状结构可以将淀粉包裹住减少酶与底物的接触，延缓淀粉水解，降低了猪的餐后血糖[13]。②膳食纤维可以通过与酶的相互作用形成非竞争性抑制，例如通过吸附或包裹酶，从而降低酶与底物的接触，进而抑制底物水解[14]。祁静[15]的研究证明了这一点，当加入米糠不溶性膳食纤维后，淀粉酶的作用效果得到了显著降低，说明了膳食纤维对淀粉酶有抑制作用。③膳食纤维的吸湿性，可使整个食品体系中淀粉水解可利用的水分含量降低，降低淀粉的热转变行为，保持淀粉原有的形态，使得淀粉不易水解从而降低葡萄糖生成[16]。④膳食纤维的加入使得整个食物体系的黏度增加，分子扩散作用受到抑制，酶和底物的接触减缓，释放的糖不易扩散，间接延缓了血糖升高，如添加瓜尔豆胶使得消化体系变黏稠[17]，酶和底物不易接触，减缓了碳水化合物消化和血糖升高过程[18]。

1.3 延迟糖吸收

小肠是消化过程中终产物吸收的最主要部位。在小肠内，二糖和寡糖被特定的糖苷酶进一步水解生成单糖，然后向小肠刷状边缘靠近，通过肠黏膜转运到肠细胞和血液中。膳食纤维的加入阻碍了糖从肠腔向小肠刷状边缘的扩散，从而减少葡萄糖进入血液，降低血糖生成[19]。可溶性膳食纤维的黏性作用是延迟糖吸收的主要因素，秦逸凡[20]通过模拟消化模型研究表明，瓜尔豆胶的黏性作用可以有效抑制肠道吸收葡萄糖并延缓血糖生成。此外，从杨桃果渣中分离出的不溶性纤维也可以延迟葡萄糖的扩散[21]，是因为不溶性的膳食纤维的网络结构对葡萄糖分子有拦截作用[22]，减少了葡萄糖的吸收，抑制血糖生成。

1.4 调节激素水平

已有研究表明，摄入膳食纤维可以促进胃肠道激素的分泌。在用餐时肠道内分泌细胞会释放短期信号，如胆囊收缩素(CCK)、胰高血糖素样肽1（Glucagon-like peptide-1，GLP-1） 和肽酪氨酸酪氨酸（Peptide tyrosine tyrosine，PYY）[23]，可以提高食物饱腹感[24]。CCK 可以与胃窦的受体结合，向中枢神经发射信号来抑制胃排空和摄食，从而延缓食物进入小肠。CCK 的分泌与膳食纤维摄入量有明显的正相关性[7]。此外，GLP-1 还可以促进胰岛素的分泌以及抑制胰高血糖素的分泌[25]来控制血糖生成。吴承萱等人[26]研究部分水解瓜尔豆胶（Partially hydrolyzed guar gum，PHGG） 对血糖生成的影响，以高脂高糖小鼠为模型进行16 周饮食干预研究，结果表明PHGG 可以有效促进GLP-1 的分泌，并维持小鼠血糖水平稳定。

2 膳食纤维降低食物血糖应答评价方法

膳食纤维的降低食物血糖应答功能与其结构、黏度、空隙、多酚含量等性质有关，其降低食物血糖应答功能评价方法有体外法（葡萄糖吸附能力测定、抑制酶活力测定、葡萄糖透析阻滞系数等）、动物试验和人体测试。相比而言，体外法便于操作且成本低，是评价膳食纤维降低食物血糖应答功能的重要评价指标；动物试验较体外评价方法可以更好地模拟生理环境，评价结果更加准确；人体测试一般分为健康志愿者测试和2 型糖尿病志愿者测试两类，是评价降低血糖效果最准确的方法。

2.1 体外评价方法

体外评价方法能够通过模拟人体胃肠消化吸收环境，对膳食纤维降低食物血糖应答的功效进行评价，较体内试验相比具有更快速、易操作、安全等优势。但体外模拟环境与体内环境仍有区别，准确度略低。

2.1.1 葡萄糖吸附能力测定

在体内，膳食纤维通过吸附胃肠道内的葡萄糖来间接影响血糖生成。葡萄糖吸附能力测试是体外模拟胃肠道吸收葡萄糖速率的一种评价方法[27]，是评价膳食纤维降低食物血糖应答效应的一项重要体外指标。其原理是利用膳食纤维吸附葡萄糖，测定离心后上清液中葡萄糖的含量，并以葡萄糖溶液作为空白对照，以此计算膳食纤维的葡萄糖吸附量（Glucose adsorption capacity，GAC）。通常情况下，比较不同膳食纤维的葡萄糖吸附能力采用同一浓度下的葡萄糖溶液进行比较，如在80 mmol/L 的葡萄糖浓度下，红藜麦可溶性纤维比白藜麦和黑藜麦可溶性膳食纤维的吸附能力好[28]；而评价一种膳食纤维的葡萄糖吸附能力则采用不同浓度的葡萄糖溶液，观察是否存在浓度依赖关系，通常采用的浓度范围为50～200 mmol/L，脐橙不溶性膳食纤维在10，50，100 mmol/L 的葡萄糖溶液中GAC 分别为146.67，670.88，1 206.49 μmol/g，脐橙可溶性膳食纤维在10，50，100 mmol/L 的葡萄糖溶液中GAC 分别为162.55，1 083.69，1 853.73 μmol/g，GAC 均呈浓度依赖性增长[29]。不同种类的膳食纤维的作用效果有所差异（表1），应根据不同膳食纤维的性质特点对膳食纤维的添加量进行选取，如可溶性膳食纤维可以直接添加或配置溶液，但对于黏性较大的膳食纤维则需要在预试验中考虑最大添加量或最大浓度，避免黏度太大而造成添加量不准确的问题。

葡萄糖吸附能力测定试验参数见表1。

2.1.2 消化酶抑制能力测定

α - 淀粉酶和α - 葡萄糖苷酶是参与碳水化合物胃肠道消化的2 种重要水解酶。α - 淀粉酶参与碳水化合物水解的第一步，可将碳水化合物水解成麦芽糖、α - 极限糊精和少量葡萄糖，α - 葡萄糖苷酶进一步将麦芽糖和α - 麦芽糊精水解成葡萄糖，经小肠吸收后进入血液参与血糖生成。因此，通过抑制α - 淀粉酶和α - 葡萄糖苷酶活性来减少葡萄糖的生成是降低食物餐后血糖水平的重要途径。消化酶抑制能力测定的原理是通过膳食纤维与酶或底物的相互作用，来阻断酶对底物的水解，从而减少葡萄糖的产生。常见的测定α - 淀粉酶抑制能力的方法是将膳食纤维加入到糊化好的马铃薯淀粉中，于37 ℃条件下磁力搅拌一段时间，形成淀粉- 膳食纤维混合物，以此阻隔与酶的接触；而α - 葡萄糖苷酶的抑制能力测定通常是将α - 葡萄糖苷酶与膳食纤维在37 ℃下混合反应一段时间（常用反应时间为30～60 min），测定葡萄糖的释放量，酶解底物为对硝基苯-α-D- 吡喃葡苷（Pnitrophenol glucopyranoside，PNPG）。α - 葡萄糖苷酶可以切断PNPG 的α - 葡萄糖苷键产生对硝基苯酚，于波长405 nm 处对硝基苯酚具有吸光度，吸光值的大小可以反映α - 葡萄糖苷酶酶活力的强弱。

消化酶抑制能力试验参数见表2。

表2 消化酶抑制能力试验参数

2.1.3 葡萄糖透析阻滞系数测定

葡萄糖透析阻滞系数（Glucose dialysis retardation index，GDRI） 可以反映葡萄糖在人体胃肠道中被延迟吸收的情况，是推断膳食纤维降低人体餐后血糖的另一项体外指标。试验原理是利用透析袋的渗透作用，与对照组（葡萄糖溶液） 相比，加入膳食纤维透析一段时间后，测定透析袋中葡萄糖含量的变化，以此计算膳食纤维的阻滞系数。一般选取分子截留量为12 000 的透析袋进行试验[40-41]，总结了部分研究的试验参数。

葡萄糖透析阻滞系数测定试验参数见表3。

表3 葡萄糖透析阻滞系数测定试验参数

2.2 动物试验

与体外评价方法相比，动物试验反映的是体内的测试结果，并且与人体测试相比具有周期短、费用低、操作简便的优势。研究功能成分对食物血糖应答或饮食干预对血糖影响时常用的动物模型有：正常小鼠或大鼠、糖尿病小鼠或大鼠、羊、猪等。试验采取随机分组，需保证样本的均一性，如体重、空腹血糖等保持基本一致。灌胃剂量根据动物模型体重进行计算，不同的研究使用的剂量不同[19]。一般采用鼠尾静脉采血测血糖含量，血糖检测一般为2 h内，干预时间不同试验略有不同，以此评估膳食纤维对血糖生成的影响。

动物试验参数见表4。

表4 动物试验参数

2.3 人体测试

膳食纤维的摄入可以有效延缓人体的血糖生成，主要是通过在食物消化过程中减缓碳水化合物水解并抑制葡萄糖的扩散实现的。人体测试评价膳食纤维的降低血糖功效可以通过测定即时的餐后2～3 h内的血糖应答来反映，所需时间较短。通过采集指尖血或静脉血，测定血糖含量，绘制血糖应答曲线并计算曲线下面积，与葡萄糖或白面包的血糖应答曲线下面积相比，计算GI 值降低效应来反映膳食纤维的降低血糖应答功效。人体测试受志愿者测试前饮食、运动情况、服药情况等影响，所以对受试者的条件应严格把关，保证试验数据的准确性。此外，也可通过长期的临床干预探究膳食纤维对人体血糖的影响。

人体测试参数见表5。

表5 人体测试参数

膳食纤维的添加可明显降低人体摄入食物后的餐后血糖，而食物的血糖应答也随之降低。长期的膳食纤维饮食干预不仅可以实现稳定血糖的作用，还可进而改善糖尿病患者的胰岛素抵抗症状。一项交叉随机研究通过在饮食中添加全麦、燕麦、苦荞、山药、南瓜、魔芋、枸杞、茯苓、玉竹等原料，以补充不同来源的可溶性膳食纤维如燕麦β - 葡聚糖、南瓜多糖、魔芋葡甘聚糖、枸杞多糖、茯苓多糖等；结果表明，通过此饮食干预糖尿病人3 个月后，可以改善未用胰岛素治疗的2 型糖尿病患者的胰岛素抵抗情况[57]。因此，通过人体测试和干预的方法来研究膳食纤维对食物餐后血糖应答的应答作用，不仅可用于前期膳食纤维原料效果的准确筛选，还可探究膳食纤维的临床干预作用。

3 结语

膳食纤维具有降低血糖应答的作用，且在产品中的应用形式多样，应用前景较广。膳食纤维的评价方法目前已经比较完整，覆盖了体外评估、动物测试和人体研究等。但体外模拟的方法仍需系统完善，从而更好地与体内测试结果相一致。对膳食纤维的降低食物血糖应答机理和评价方法做了概括总结，旨在对后续膳食纤维相关的功能研究和产品开发提供一定的参考。