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木聚糖与人类健康

木聚糖—肠道细菌的主粮,健康膳食的顶梁
 
木聚糖与人类健康
 
膳食纤维对人体的重要生理作用已在全球范围形成广泛共识,其主要来源是植物细胞壁多糖,包括纤维素与半纤维素两大部分(附件1)。以木聚糖为主成分的半纤维素约占植物细胞壁干重的30%,紧密覆盖在纤维素微纤丝的表面(图1)(附件2)。受空间分布阻隔、纤维素抗肠道微生物发酵[1]、和肠道停留时间短等因素限制,能够支撑人类肠道微生物生长与发酵,发挥生物学功能的膳食纤维成分毫无疑问是以木聚糖为主成分的半纤维素,而不是纤维素。纤维素的作用在于物理功能,而非生物学功能。
 

 图1植物细胞壁多糖的空间分布
人体血液至少有20%的小分子来源于肠道微生物[2],它们作为肠道微生物的信号分子与远端器官对话,影响一系列重大疾病的发生与发展(图2)。现代人生活方式西化,膳食纤维摄入总量与纤维多样性严重不足,导致肠道微生物多样性下降,菌群结构失衡,是当今代谢疾病流行的重大影响因素。
                    
图2肠道微生物通过免疫系统影响机体健康.[3]
肠道细菌选择木聚糖为主粮,是人与肠道细菌协同进化的结果。提高以木聚糖为主成分的半纤维素摄入水平,是现代人按照自然选择的膳食模式,恢复进化优胜肠菌结构、遏制代谢疾病流行的唯一膳食手段(附件3)。
哺乳动物小肠缺乏木聚糖降解酶,不能直接消化利用木聚糖。动物实验表明,木聚糖进入大鼠大肠之后,在向结肠远端推进的过程中被不断降解,但肠道中并不会积累过量的酶解产物---低聚木糖,或木糖单糖 (图3)。表明肠道微生物细胞对木聚糖的降解、利用是一个十分经济的耦联代谢过程,不会在肠道中大量积累酶解产物,能有效避免低聚糖积累造成胃肠道不适的问题。
图3大鼠消化道不同分段内容物糖类HPLC凝胶指纹图谱比较。
木聚糖具有良好的肠道微生物发酵及高产短链脂肪酸性能,尤其是丁酸高产特性。丁酸不仅是肠道上皮细胞的首选能源,而且对机体抗炎和免疫功能调节具有重要意义,丁酸高产一直作为评价膳食纤维优劣的重要指标(见图4、5)。
 
 
 
图4 不同膳食纤维的大鼠粪便短链脂肪酸气相色谱特征比较。


图5 不同膳食纤维饲喂大鼠的肠道短链脂肪酸组成与总酸产量
 
 
附件1. 膳食纤维的定义与构成
膳食纤维是指人类植物性食物中的非消化性碳水化合物,主要来源于植物细胞壁(纤维素、以木聚糖为主的各种半纤维素、木质素、果胶),少部分来自细胞浆(抗性淀粉、果聚糖) [7]。平衡膳食条件下,纤维素和木聚糖占膳食纤维总量80%以上。天然植物细胞壁纤维以纤维素为核心,外覆半纤维素(纤维素以外的细胞壁多糖统称半纤维素,主要有木葡聚糖、葡糖醛酸阿木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、葡聚糖、半乳甘露聚糖、半乳葡甘露聚糖等),因肠道蠕动排空影响,肠道细菌只能利用可接触到,并且可快速发酵的半纤维素。
人类最初对膳食纤维的认识就是指肉眼可见的植物性食物残渣纤维,接着误认为就是当时仅能分离到的水不溶性纤维,后因分析方法的需要,划分出水溶性纤维与水不溶性纤维,并认为具有粘性的水溶性纤维是真正有效的膳食纤维。近年才真正认识到,膳食纤维包含结肠微生物可接触的所有碳水化合物 [8],本质上与肉眼可见或不可见、水可溶性或不溶性等物理性状无关。事实上,乳汁即含有非消化性低聚糖,足见膳食纤维对健康的重要性。
 
附件2. 木聚糖与低聚木糖的区别
木聚糖是数十至数百个木糖单体串连成的大分子,天然存在,纯品白色无味,是肠道细菌发酵利用的“主粮”,在肠道内缓慢降解,并可送达结肠最远端发酵;低聚木糖指2-10木糖单体的聚合物,天然罕有,主要依靠化工降解获得,味甜,有导泻和促进某些益生菌生长的作用,但不具有前者能增殖复杂的纤维降解菌,全肠道均衡发酵,和人体高耐受性的功能。木聚糖与低聚木糖的区别,类似多聚果糖(菊粉)与低聚果糖,甘露聚糖与低聚甘露糖的区别。
   目前市场上只有试剂级木聚糖销售, 价格约 10g/400--500元。网络上凡声称可作为甜味剂使用的木聚糖,都是以木糖,或低聚木糖假冒的产品,无一例外。
 
附件3. 膳食纤维需要量
成人膳食纤维需要量是25~35g/天,大致相当于120~150g全谷物(粗粮),再加约500--750g蔬菜、水果及薯类的纤维总量[9]。保证膳食纤维足量摄取的最佳方案是平衡膳食,即食物多样、粗细搭配[910]。但是,在以白米精面为主食的现代饮食方式中,人们很难按照推荐标准吃到足够量的膳食纤维。发达国家人均膳食纤维摄入量已经小于10 g/天[11]所以,一些人选择额外补充膳食纤维。对于糖尿病、骨质疏松、高脂血症、脂肪肝及各类心脑血管疾病的患者,膳食纤维的补充尤其重要[12]
 
参考文献:
1. J NUTR,1981. 111(2):287--297
2. Lancet 2017. doi:10.1016/S0140-6736(17)30566-4
3. Nat Immunol. 2012. doi:10.1038/ni.2422
4. BMJ 2016; doi:10.1136/bmj.i2716
5. PNAS,2016. doi:10.1073/pnas.1607235113
6. JAMA,2017. doi: 10.1001/jama.2017.19344
7. J. Mol. Biol. 2014. doi: 10.1016/j.jmb.2014.07.028
8. CELL METAB, 2014. doi: 10.1016/j.cmet.2014.07.003
9. J Food Sci Technol,2012. doi: 10.1007/s13197-011-0365-5
10. 中国居民膳食指南(2016版)
11. LIVER INT ,2012. 10.1111/j.1478-3231.2011.02730.x
12. Cell, 2016, 10.1016/j.cell.2016.05.041