膳食纤维的疾病预防作用及其在食品工业中的应用

◎ 张卡博，刘宇博，梁惠娴，葛燕辉

（广东药科大学 药学院，广东 广州 510000）

对于膳食纤维的描述，最早出现在《黄帝内经·素问》[1]。1953 年，Hipsley 首次提出了膳食纤维的概念，并用其来描述木质素、纤维素和半纤维素等不能够消化的细胞壁，提出并解释膳食纤维对妊娠毒血症起到作用的假说[2]，从此掀起了人们对膳食纤维的探索热潮。随后，BURKITT 等[3-4]发现了非洲当地人们对当时欧洲出现的现代文明病患病率低的现象，并得出这一现象与日常饮食中富含膳食纤维有关的结论。HIGGINSON 等[5]和BURKITT[6]首次发现膳食纤维与人体肠癌的联系，进一步推动了膳食纤维的研究进程。当前研究发现膳食纤维中存在的特定成分能促进小鼠肠道中的益生菌种群生长，从而影响小鼠的生长和代谢[7]，对心血管疾病及其他疾病的预防作用也在不断探索中。

《中国居民膳食指南》中建议普通成年人的日均摄入膳食纤维量为25 ～30 g[8]。然而，在2015 年的调查中显示我国成年居民总膳食纤维摄入量平均为18.5 g·d-1[9]，这是因为随着居民平均生活水平的提高，高热量、高蛋白、高脂肪的食物摄入同比增大，富含膳食纤维的食物摄入同比减少，这种饮食结构破坏了营养均衡，从而导致亚健康人群的数量日益增多。随着对膳食纤维研究的深入，发现膳食纤维与众多疾病的预防有关，如糖尿病、心血管疾病、肥胖、便秘、高血脂等疾病。本文围绕膳食纤维在多种疾病中起到的预防作用进行概述，并总结了膳食纤维在食品工业中的应用。

1 膳食纤维对疾病的预防作用

1.1 预防糖尿病

糖尿病是一组在遗传与环境因素综合人为作用下，胰岛素分泌异常引起的以慢性高血糖为特征的代谢紊乱性综合征[10-11]，主要分为1 型和2 型，且主要以2 型糖尿病患者为主（占比超过90%）。

对于2 型糖尿病来说，持续慢性高血糖是该并发症发病的关键因素[12-13]，餐后和空腹高血糖均可导致2 型糖尿病总体高血糖[14]。目前，相关学者认为糖尿病患者控制血糖的方法主要依赖于日常饮食[15]，临床证明膳食纤维具有降血糖的功能，其作用机制包括两部分：抑制葡萄糖吸收和抑制某些水解酶的活性[16]。孙玉东[17]在高膳食纤维治疗妊娠期糖尿病的研究中发现，高膳食纤维不仅有助于调节患者的血糖血脂指标，还可以降低不良妊娠结局发病率。吴梅芳等[18]在研究粗膳食纤维对2 型糖尿病的影响时发现，粗膳食纤维可以与药物治疗联合应用以增加疗效。因此膳食纤维可以在预防和治疗糖尿病中发挥重要作用，具有广阔的应用前景。

1.2 预防心血管疾病

心血管疾病是一类致死率较高的循环系统疾病，其中以高血压、冠心病及脑卒中最为多见。目前，临床上对于导致心血管疾病的危险因子的研究主要集中于血脂异常、高血压、糖尿病、肥胖、胰岛素敏感和C-反应蛋白水平异常等[19]。在20 世纪70 年代BURKITT 等[4]的研究指出心血管疾病发病率可能与膳食纤维摄入量有关，目前研究发现膳食纤维预防心血管疾病的机制主要包括调血脂、降血压、减轻胰岛素抵抗等[20]，膳食纤维主要通过调节心血管危险因子达到预防心血管疾病的目的。冯焱等[21]分析了膳食纤维摄入对心血管疾病风险因素产生的影响，发现心血管疾病风险因素得到了改善，说明膳食纤维的摄入对心血管疾病的治疗发挥了积极作用。

高血压是引起心血管疾病的危险因子，预防高血压成为预防心血管疾病的重要环节。1998 年，OBATA等[22]发现车前子的壳（一种能改善糖尿病和脂质状况的纤维）能降低高盐饮食的中高血压大鼠的动脉血压。“阻止高血压的饮食疗法”研究中指出，高纤维、低盐和低脂肪的饮食可以降低动脉血压[23]。20 世纪80 年代，有团队跟踪研究51 529 名男性进行18 年的膳食纤维摄入对血压影响的实验，发现全谷类的长期摄入能明显降低高血压发病率[24]。有研究表明，人群补充摄入麦麸（主要是纤维成分），高血压的发生风险降低15%[25]，证实了膳食纤维对血压的调节作用。祁金丹等[26]在研究中发现，高血压患者的饮食结构中膳食纤维摄入水平较低，而膳食纤维是血压控制的保护因素。

控制血脂水平有利于避免心血管疾病的高发，但当下饮食习惯和生活方式的改变，使得高血脂人群显著增加，且国内高脂血症治疗率和控制率偏低[27]。膳食纤维能够影响脂质的代谢吸收过程，不仅可以抑制胆固醇、胆酸钠、甘油三酯、低密度脂蛋白的吸收，还能吸附部分油脂及脂肪代谢产物，并通过消化系统排出体外，发挥预防高血脂的作用[28]。THEUWISSEN等[29]研究燕麦和大麦中的水溶性膳食纤维β-葡聚糖，发现该膳食纤维可以通过增加肠道内的黏附能力来抑制胆汁酸的重吸收，促使胆汁酸分泌排出体外，使得体内的胆固醇转化为胆汁酸[30]。膳食纤维还可以通过影响胆固醇代谢过程的关键酶，如促进肝脏中胆固醇7a-羟化酶的活力和抑制羟甲基戊二酰辅酶A 等，抑制胆汁酸及胆固醇合成，加速胆固醇代谢[31]。膳食纤维与胆固醇结合，有助于减少其在小肠中游离扩散，抑制肠道对胆固醇甘油三酯的吸收，同时膳食纤维可以促进肠道在物理层面上的蠕动，提高胆固醇的清除率[32]。王乐凯等[33]用小麦麸和可溶性纤维海藻酸钠制成膳食纤维冲剂，发现服用膳食纤维冲剂的高血脂大鼠血中胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇均得到明显降低，且提前服食膳食纤维冲剂的大鼠在高脂饲料喂养后，能够起到预防胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇升高的效果。

1.3 预防肥胖

目前较为公认的膳食纤维预防肥胖的机制是膳食纤维类食物能量低，饱腹感强，有助于减少对其他食物的摄入[34]。当食物沿着消化道移动时，信号被发送到大脑，并产生肠道激素，以多种方式参与调节，包括减缓胃排空，减少胃肠道分泌物，这些作用被认为是影响饱腹感的重要因素。不同类型的纤维在改变饱腹感方面也有差异[35]。FLOOD-OBBAGY 等[36]比较了不同形式的水果对能量摄入和用餐时的饱腹感的影响，结果表明吃一个苹果的饱腹感最好，可以减少15%的能量摄入，其次是苹果酱、苹果汁，最后是对照食物。苹果的形态改变导致饱腹感存在差异，这种差异的出现可能与膳食纤维的含量变化有关。

有研究人员提出纤维素对肥胖影响的另一种机制，认为肥胖和肠道微生物生态学之间有动态联系，膳食纤维在肠道中发酵，导致肠道pH 值降低，微生物群发生变化，短链脂肪酸和其他代谢物就会发生变化[37]。杨海燕等[38]在对膳食纤维的研究中发现膳食纤维也可以在肠道中发挥改善炎症反应，调节脂质代谢和肠道激素的作用，从而改善肥胖。王赛男等[39]在研究大豆不溶性膳食纤维对高脂饮食诱导的肥胖小鼠的作用时发现，喂食大豆不溶性膳食纤维的小鼠体重变化明显减慢，血清和肝脏中总胆固醇水平明显降低，说明大豆不溶性膳食纤维对诱导小鼠肥胖具有预防作用。

1.4 预防肠道疾病

肠道是人体重要的消化器官，肠道发生疾病与饮食有着密切的联系。目前的研究表明日常合理摄入膳食纤维有利于调节肠道菌群，改善便秘，维持肠道屏障免疫，促进肠道健康[40]。一项Meta 分析显示，147 例慢性特发性便秘患者中有113 例（77%）在纤维素治疗下效果显著，表明了纤维素具有促进排便和改善便秘的功能[41]。膳食纤维被认为可以有效改善肠道便秘疾病的同时，有人认为运动水平可能会影响膳食纤维改善便秘的作用，并引起了人们的关注。DUKAS等[42]发现增加膳食纤维摄入量并进行适度体力活动的妇女不太可能出现便秘。CLARKE 等[43]比较了40 名职业橄榄球运动员和46 名男性对照组的粪便微生物组和代谢组，发现运动员的肠道微生物组比对照组更加多样化。

肠道功能运作离不开肠道菌群的作用，人与大多数肠道菌群之间的关系已经演变为互利或共生关系[44-45]。膳食纤维主要通过两条途径影响机体健康。①膳食纤维发酵产物直接参与机体生理代谢调节。②膳食纤维通过改变肠道菌群结构，进一步影响肠道菌群代谢产物组成[46]。有学者提出人类的胃肠道和草食动物的胃肠道消化功能的相似性较大，植物纤维能够被强力发酵，产生并吸收利用乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸（影响菌群生长的信号分子）[47-48]。ARORA 等[49]研究发现，用10%的可发酵亚麻籽纤维替换高脂肪饮食，可以显著增加小鼠肠道内丁酸盐的产生、能量消耗以及双歧杆菌和阿克曼氏菌的菌落数量水平。SIMPSON等[50]提出每天食用富含纤维的水果和蔬菜可以增加肠道内菌群物种的多样性。

在胃肠道中发生的恶性癌症中，最常见的是结肠癌。结肠癌的形成与多种因素有关，各种遗传和环境因素会影响疾病的发展[51]。其中环境诱因主要与高脂和低纤维素饮食有密切联系[52]。研究发现短链脂肪酸在结肠癌中发挥着明显的抗癌效果。短链脂肪酸是由肠道菌群通过酵解膳食纤维产生[53]，有助于降低结肠的pH 值，防止胆汁酸代谢物转化为更多的毒性形式，而且膳食纤维分解产生的短链脂肪酸（如丁酸）可以通过抑制癌细胞增殖和诱导癌细胞凋亡起到抗癌作用[54]。BISHEHSARI 等[55]研究发现，患有结肠息肉的小鼠肠道内产生短链脂肪酸的细菌少，表明有结肠息肉时膳食纤维的发酵产物减少。给结肠息肉小鼠提供高膳食纤维饮食后，小鼠肠道内的短链脂肪酸含量提高，结肠息肉的产生可能与短链脂肪酸存在一定的联系。对616 名接受结肠镜检查的参与者的粪便样本进行研究[56]，在多发性结直肠腺瘤和黏膜内癌的病例中微生物群的转变较为明显，一些肠道菌群（如核酸杆菌）在癌变的早期到晚期表现出逐渐增多的现象。膳食纤维对结肠癌的作用效果并非治疗性作用，而是通过改善日常饮食平衡、构建合理的饮食结构，在生活层面预防或减少结肠癌症疾病的发生。

2 膳食纤维在食品工业中的应用

2000年，美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AACC）[57]对膳食纤维给出新的定义，即植物可食用部分或类似的碳水化合物部分，包含多糖、低聚糖、木质素等相关物质，这类物质在人类小肠中很难被消化和吸收，在大肠中才能进行部分或完全发酵。早期对膳食纤维的定义可以体现该物质的天然性、可食用性。食品纤维的重要性促进了富含纤维的产品和配料的巨大发展潜力和市场空间。近年来，对膳食纤维的应用主要集中在食品添加中，如将膳食纤维用于面包、饮料、饮品和肉制品中[58]。

2.1 面制品中的应用

现如今，富含膳食纤维的面制品已经进入消费市场，被消费者所接受。与非改良食品相比，膳食产品更能引起消费者的关注，如全麦面包、荞麦面、魔芋粉等。早期TUDORICǍ 等[59]观察到，添加可溶性和不可溶性膳食纤维成分会影响生面条和熟面条的总体品质，如添加可溶性膳食纤维后，葡萄糖的分解会明显减少。对于面食来说，某些燕麦、大麦、大豆、米糠等纤维的防粘连特性有助于提高面团的可塑性，延长熟面制品的食用保质期。MUDGIL 等[60]在面粉中添加少量可溶性纤维，发现膳食纤维对面条的韧度、黏附性和内聚力有明显的提升效果。在米面制品中添加膳食纤维能够有效改善产品的韧性和弹性，以延缓产品热量损失，增强食品抗氧化能力、发酵能力和保湿性，防止其在储存期内变质。陶春生等[61]研究了麦麸膳食纤维对面条品质的影响，发现在面条中加入膳食纤维不利于面条的外观，但能改善面条的口感，且膳食纤维含量为6%时，面条的品质最好。

2.2 肉制品中的应用

肉类作为饮食结构中的重要部分，不仅可以提供丰富的蛋白质，还能为机体补充必需的脂肪酸、维生素、矿物质和微量营养素。大多数肉类并不会直接含有丰富的膳食纤维成分，在肉制品的开发研究过程中，提高与拓展膳食纤维在肉制品中的应用已是一个重要的研究方向。王健等[62]利用柑橘纤维替代脂肪生产低脂香肠，在降低脂肪含量的同时不影响香肠的品质，同时具有预防肥胖、高血糖和心血管疾病等功能。刘云等[63]将燕麦膳食纤维应用于肉脯配方中，能降低肉脯的脂质含量，但不会降低产品的口感，实现了营养互补。韩芳蕊等[64]将甘薯膳食纤维添加到猪肉中，改变了猪肉的肌原纤维蛋白水分布，提高了保水性。膳食纤维应用在肉制品加工中的研究已经越来越普遍，在肉制品中添加膳食纤维可以改善肉制品的特性、提高肉制品的产量和延长保质期[65]。吴丹璇[66]在牛肉丸中加入燕麦膳食纤维，并采用超声波处理，发现燕麦膳食纤维的含量为3%时口感较好，弹性和咀嚼性更佳。膳食纤维及其衍生物作为一种来源广泛、成本低廉、性能优良的原料，将其应用于食品行业，将会进一步提升肉制品的品质。

2.3 饮料乳制品中的应用

膳食纤维可以作为活性菌的营养源头，通过在乳制品中添加适量膳食纤维，能延长活性菌的活性，并使乳制品的味道更加突出。在酸奶中添加不等剂量的膳食纤维能明显影响酸奶的质地、浓度、流动特性，从而影响消费者的接受程度[67]。林雪娇等[68]用豆渣改良乳制饮料加工工艺，得到体系均匀、滋味纯正，具有一定保健功能的膳食纤维发酵豆渣乳制品饮料，相比改良前具有更良好的风味和稳定性。高天宇[69]用食用型真菌发酵方法改善大豆膳食纤维风味，将改良后的豆渣加入风味发酵酸乳体系进行发酵，发现添加量为0.4%时，豆腥味减轻且口感更佳。郭晓菲[70]在制备凝固型酸奶时加入了笋头粗膳食纤维，结果发现适量加入笋头膳食纤维可以提高凝固型酸奶的发酵速率，使乳酸菌保持较高的活力，从而延长了酸奶的货架期。膳食纤维作为一种辅料添加到食品中，能够提高食品的质量，但仍需要更多的临床研究来确定其益处和适当的剂量。

3 结语

我国是一个农业大国，膳食纤维资源丰富，不仅可以直接开发利用农业产品，还可以利用许多蔬菜、瓜果和植物加工过后的废弃物，如甘蔗楂、米糠、小麦麸皮、果渣皮等，并将其用于膳食纤维产品开发中，减少资源的浪费和环境污染，为社会提供有利的价值。目前已有许多研究人员以米糠、麦麸、黑麦、燕麦、豆渣等为原料，经过加工提纯后开发出直接以膳食纤维为主体的纤维制品，或将其用作食品辅料添加到面食等发酵食品、肉制品等当中。通过改良配方，提高产品的品质，增加保质期[71]。结合我国丰富的膳食纤维资源与巨大的消费需求，膳食纤维表现出广阔的应用前景。

目前膳食纤维主要作为膳食补充剂来改善人群膳食结构，有着控制体重、调节代谢和预防糖尿病、心血管疾病以及肠道疾病等作用。此外，近年来膳食纤维食品的应用开发发展迅速，在面制品、乳制品以及肉制品等中应用广泛，但我国人均膳食纤维摄入量远未达到中国营养学会推荐的每天摄入25 g 的要求，表明新型产品开发具有较大的发展潜力。本文着重描述了膳食纤维在生理代谢过程中对疾病的预防调节作用以及在食品加工中的开发利用，希望其能够得到进一步的开发利用。