华 梅，樊美玲，李志满，董丽娜，李珊珊，孙印石,*

（1.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112；2.吉林省中医药科学院，吉林 长春 130021）

人参（Panax ginsengC. A. Mey.）为五加科人参属多年生草本植物，以干燥根和茎入药，自古被视为强身补气上品。现代医学研究也证实，人参在抗肿瘤、抗衰老、抗疲劳、调节免疫力及神经系统保护等多个方面具有重要作用[1]。人参的主要成分包括皂苷、多糖、挥发性油脂和氨基酸等[2]，这些化学成分往往存在于药渣中。而这些药渣通常被当作废弃物丢弃，仅有一小部分作为肥料进行再利用，产品附加值极低[3-4]。为充分发挥人参药用资源潜力，有必要对药渣，特别是人参膳食纤维进行深入研究和开发，进一步拓展人参高值化利用空间。

膳食纤维通常不能被小肠消化吸收，但却是大肠中肠道菌群的重要发酵底物和能量来源，它可经肠道菌群发酵产生短链脂肪酸等小分子物质，通过肠道上皮细胞被人体吸收，进而在不同组织器官中发挥作用[5]。近年的研究证实，膳食纤维在调节机体糖脂代谢和氧化应激状态、改善心脑血管疾病、调节肠道菌群结构等方面具有突出作用，可通过肠道微生物-肠-脑轴系统影响物质代谢、能量稳态和宿主健康[6-9]。当前，不同来源膳食纤维的功效活性引起人们的巨大兴趣。人参作为市场接受度最广的药食两用植物，其食用价值和保健功效毋庸置疑。人参药渣中70%以上为人参膳食纤维，但是目前关于人参膳食纤维的研究还相对较少。华梅等[3]对人参膳食纤维营养成分、多糖结构及热稳定性进行系统研究，证实了人参膳食纤维具有丰富的营养价值和良好的加工潜力。此外，Hua Mei等[10]还证实了人参膳食纤维具有良好的体外葡萄糖和脂质吸附作用，为其体内功效研究提供了参考。刘婷婷等[11]利用双螺杆挤出技术对人参膳食纤维的提取工艺进行优化；闫璐[12]对其体内降血脂功效进行了初步研究。但是这些研究还远远未将人参膳食纤维的性质和功效解释清楚，这使得人参膳食纤维的食药用价值被低估。

本课题组前期研究证实，人参膳食纤维具有良好的体外降糖、降脂[10]和抗氧化作用[13]，同时也发现，人参膳食纤维能够显著促进不同乳酸菌的体外增殖。在此基础上，本研究以不同剂量人参水溶性膳食纤维（water soluble dietary fiber from ginseng，GSDF）连续灌胃健康SD大鼠15 d，通过测定大鼠生长性能、氧化应激水平、炎症因子水平和肠道菌群结构等指标评价GSDF对健康大鼠生长状况和肠道健康的影响。本研究旨在通过GSDF对健康大鼠的体内活性研究探讨其可能具有的健康功效，揭示GSDF食用价值，并为其在疾病模型上的研究应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、动物与试剂

5 年生人参购自吉林省抚松县，经中国农业科学院特产研究所特种动植物加工团队鉴定为人参属人参根（Panax ginsengC. A. Mey.）。人参药渣为人参根经10 倍体积水煎煮提取2 次（2 h/次）后的残渣经60 ℃干燥粉碎所得。按照GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》提取GSDF，根据前期实验测定结果已知GSDF中总糖质量分数为51%、糖醛酸质量分数18%、蛋白质量分数10%，且不含脂肪[3]。高效液相色谱检测结果显示其中不含人参皂苷。

参考姜婷婷[14]、李少艇[15]的方法，选择SPF级6 周龄雄性SD大鼠为实验动物，体质量（150.0±5.0）g，使用许可证号：SYXK（吉）2018-0001，购自辽宁长生生物技术股份有限公司，生产许可证号：SCXK（辽）2020-0001。所有动物实验经中国农业科学院特产研究所伦理委员会评估许可，并严格遵守动物管理条例进行。饲料、垫料均购买于辽宁长生生物技术股份有限公司。实验所用饮用水、生理盐水均经过高温高压灭菌处理。

罗氏家用卓越型血糖试纸 罗氏诊断产品（上海）有限公司；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、丙二醛（malondialdehyde，MDA）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）（GSH-Px活力以GSH浓度表示）、总抗氧化能力（total antioxidant capacity，T-AOC）（T-AOC以Trolox当量表示）、总胆固醇（total cholesterol，TC）、总甘油三酯（triglyceride，TG）、高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-C）、低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein cholesterin，LDL-C）检测试剂盒南京建成生物工程研究所；胰岛素、炎症因子（肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、白细胞介素（interleukin，IL）1β、IL-2、IL-4）酶联免疫吸附测定试剂盒 上海酶联生物科技有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

血糖仪 罗氏诊断产品（上海）有限公司；QD8J/BL单煎机 青岛达尔电子机械销售有限公司；Megafuge 8R高速低温离心机 美国Thermo Scientific公司；ALPHA 1-4 LD Plus冷冻干燥机 德国Marin Christ公司；Epoch 2酶标仪 美国Bio-Tek公司；ZDX-35B高压灭菌锅 上海申安医疗器械厂；超低温冰箱 青岛海尔空调电子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 动物实验分组

24 只健康SD大鼠于SPF级动物房恒温恒湿饲养，保证12 h光照/12 h黑暗循环条件，给予基础饲料和足量饮用水，并定期更换垫料、清洗笼子。适应性饲养7 d后，随机分为对照组、GSDF低剂量组和GSDF高剂量组，每组8 只。饮用水经121 ℃、15 min高温高压灭菌处理，不同剂量GSDF溶液由无菌生理盐水配制，每日现配现用。GSDF剂量根据《中国药典（2015版）》中人参的人体推荐摄入量上限9 g/（60 kgmb·d）计算，根据人参膳食纤维提取率计算得到人参中GSDF质量分数约3%～5%，折算后得到大鼠给药剂量为50 mg/（kgmb·d），另设高剂量100 mg/（kgmb·d）。

每日上午对照组大鼠灌胃生理盐水2 mL/d，GSDF低、高剂量组分别按50 mg/（kgmb·d）和100 mg/（kgmb·d）剂量灌胃GSDF溶液，连续灌胃15 d。

1.3.2 样品采集

灌胃期间，每日观察大鼠基本状况并记录体质量和采食量。实验结束前1 d无菌收集粪便于－80 ℃保存。之后大鼠禁食不禁水12 h以上，次日戊巴比妥钠麻醉后处死大鼠，心脏采血，收集血液样本。摘取大鼠肝脏、脾脏和胸腺，称质量。

1.3.3 生长性能指标测定

根据末次给药后大鼠体质量和体长，按式（1）计算Lee’s指数。

根据实验周期内大鼠体质量增加量和采食量计算体质量增长率和饲料利用率，分别按式（2）、（3）计算。

1.3.4 脏器指数测定

根据大鼠解剖前体质量、肝脏、脾脏和胸腺质量，按式（4）计算脏器指数。

1.3.5 糖脂代谢、氧化应激和炎症因子指标测定

禁食12 h以上后，心脏穿刺采血，收集血液，用血糖仪测定大鼠空腹血糖浓度。经4 000 r/min离心10 min收集血清，－80 ℃保存。大鼠血清胰岛素、脂质代谢指标（TC、TG、LDL-C和HDL-C浓度）、氧化应激指标（SOD活力、MDA浓度、GSH-Px活力、T-AOC）和炎症因子（TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-4）水平分别按相应试剂盒说明书步骤测定。胰岛素抵抗指数（insulin resistance index，HOMA-IR）按式（5）计算。

1.3.6 粪便水分质量分数和pH值测定

称取粪便约0.25 g，以1∶9（m/V）比例加入蒸馏水稀释，4 000 r/min离心5 min，取上清液测定pH值。称取粪便约0.3 g，于100 ℃烘箱内干燥至恒质量，记录质量变化，按式（6）计算粪便水分质量分数。每组样品重复测定3 次。

1.3.7 16S rRNA粪便肠道菌群结构分析

快速无菌取粪便约0.25 g，干冰保存并送至上海派森诺生物科技股份有限公司。按照16S rRNA V3～V4可变区设计聚合酶链式反应扩增引物序列（正向引物：5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’；反向引物：5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’），采用Illumina NovaSeq平台进行测序。

1.4 数据统计与分析

各组数据以平均值±标准差表示。应用SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析，通过最小显著性差异事后检验比较样本差异，P＜0.05表示差异显著，P＜0.01表示差异极显著。对肠道菌群16S rRNA扩增原始数据进行去冗余处理，以95%相似度划分操作分类单元（operational taxonomic unit，OTU），并以此为基础进行物种组成及多样性分析。

2 结果与分析

2.1 GSDF对健康大鼠生长性能的影响

实验期间大鼠状态良好，身体情况和行为活动未见异常，3 组大鼠外观未见明显差异。由表1可知，摄入GSDF可以提高健康大鼠的体质量增长率、总采食量、饲料利用率和Lee’s指数。与对照组相比，GSDF干预组采食量极显著增加（P＜0.01），GSDF低剂量组Lee’s指数显著增加（P＜0.05）。禽畜动物的采食行为受到机体能量代谢和神经因子分泌水平的调控[16]，对其生长性能影响最为显著。霍孔林等[17]通过对神经肽RFRP-3的研究证实，下丘脑神经因子可以影响大鼠采食模式，从而提升大鼠饲料利用率和生长性能。在本研究中，GSDF能够极显著提升大鼠采食量，并使其Lee’s指数也有所提高，但对体质量增长率和饲料利用率的影响不显著。这表明摄入GSDF可能对大鼠食欲有所影响，由于多进食的饲料含有不可消化的膳食纤维，虽然大鼠体质量上升，但未造成脂肪堆积或肥胖。

表1 GSDF对大鼠体质量增长率、采食量、饲料利用率和Lee’s指数的影响（n＝ 8）Table 1 Effect of GSDF on percent body mass gain, food intake, food utilization and Lee’s index in rats (n= 8)

2.2 GSDF对大鼠脏器指数的影响

GSDF干预组大鼠的肝脏、脾脏和胸腺与对照组在外观上无差异。由表2可知，摄入GSDF未对大鼠肝脏、脾脏和肾脏指数产生显著影响，表明15 d的GSDF干预未对大鼠主要器官产生损伤。

表2 GSDF对大鼠脏器指数的影响（n＝8）Table 2 Effect of GSDF on organ indexes of rats (n= 8)

2.3 GSDF对大鼠糖脂代谢水平的影响

糖脂代谢是生命活动的核心内容之一，膳食纤维的饮食干预尤其对此有重要影响。由表3可知，与对照组相比，摄入GSDF使大鼠空腹血糖浓度呈下降趋势，GSDF高剂量组大鼠空腹血糖浓度显著降低（P＜0.05），而GSDF低剂量组空腹胰岛素水平显著升高（P＜0.05），但GSDF干预组HOMA-IR较对照组均无显著变化。与对照组相比，GSDF低剂量组TC浓度显著降低（P＜0.05），GSDF高剂量组TG浓度极显著降低（P＜0.01），但GSDF干预组大鼠的HDL-C和LDL-C浓度均未发生显著变化。以上结果表明，GSDF可以通过降低血糖、胆固醇和甘油三酯水平对大鼠的糖脂代谢产生有益影响。

表3 GSDF对大鼠血糖、血脂水平的影响（n＝8）Table 3 Effect of GSDF on blood glucose and lipid levels in rats (n= 8)

2.4 GSDF对大鼠氧化应激水平的影响

MDA是机体脂质过氧化反应的主要代谢产物。体内代谢过程中产生的自由基引起了脂质过氧化反应，产生的MDA等醛类物质可与DNA、膜蛋白和酶等生物分子发生交联反应，使细胞膜通透性增加，导致细胞膜结构和功能发生改变，最终对细胞造成严重损伤[18]。由图1可知，与对照组相比，摄入GSDF极显著降低了大鼠血清MDA浓度，极显著提高了血清T-AOC（P＜0.01），但对SOD活力和GSH-Px活力无显著影响。以上结果表明，GSDF可以通过清除MDA减轻细胞氧化损伤程度，从而对抵抗疲劳和延缓衰老产生积极作用。

图1 GSDF对大鼠血清氧化应激水平的影响（n＝8）Fig. 1 Effect of GSDF on serum oxidative stress level in rats (n = 8)

2.5 GSDF对大鼠炎症因子水平的影响

有研究表明，血清炎症因子水平与膳食纤维摄入量有关，膳食纤维能够使正常人群和糖尿病患者体内升高的炎症因子水平降低，如TNF-α、C-反应蛋白、IL-6、IL-8等[19-20]。膳食纤维还可以降低脂质过氧化程度，从而降低炎症因子水平[21]。此外，膳食纤维的降糖机制还可能与其抗炎效应有关[22]。由图2可知，与对照组相比，低剂量GSDF极显著降低了大鼠血清炎症因子TNF-α和IL-4质量浓度（P＜0.01），显著降低了IL-1β质量浓度（P＜0.05），但高剂量GSDF对大鼠血清4 种炎症因子水平均无显著影响。本研究结果表明，GSDF降低了健康大鼠血糖血脂水平，同时下调了血清炎症因子水平，但其中的作用机制还有待进一步研究。

图2 GSDF对大鼠血清炎症因子水平的影响（n＝8）Fig. 2 Effect of GSDF on serum inflammatory factors level in rats (n = 8)

2.6 GSDF对大鼠肠道健康的影响

2.6.1 GSDF对大鼠粪便水分质量分数和pH值的影响

提高粪便含水量被认为是水溶性膳食纤维最典型的促进肠道健康作用之一，这将有利于粪便携带机体代谢废物顺利排出[23]。由表4可知，与对照组相比，GSDF低剂量组大鼠粪便水分质量分数显著提高（P＜0.05），但GSDF干预均未对粪便pH值产生显著影响。

表4 GSDF对大鼠粪便水分质量分数和pH值的影响（n＝8）Table 4 Effect of GSDF on fecal water content and pH of rats (n= 8)

2.6.2 GSDF对大鼠肠道菌群多样性的影响

通过对粪便肠道菌群16S rRNA的V3～V4可变区进行双端测序，经DADA2方法去燥质控后，按照95%相似度，从对照组、GSDF低剂量组和GSDF高剂量组中分别获得289 241、311 233 条和256 795 条高质量序列（OTUs）。采用QIIME2平台对所得OTUs进行生境多样性分析，如图3A所示，与对照组相比，GSDF低剂量组大鼠粪便肠道菌群Chao1多样性指数极显著降低（P＜0.01），其相应的Good’s coverage指数极显著升高（P＜0.01），Observed species指数高度显著下降（P＜0.001）。同样的，如稀释曲线（图3B）和丰度等级曲线（图3C）所示，曲线随测序数目增加趋于平缓，表明分析数据量能够充分代表各组大鼠粪便菌群多样性水平，且GSDF低剂量组大鼠粪便微生物丰富度低于对照组和GSDF高剂量组。但就组间β多样性差异分析而言，3 组未见显著差异（图3D）。

图3 GSDF对大鼠肠道菌群多样性的影响（n＝8）Fig. 3 Effect of GSDF on intestinal microbial diversity in rats (n = 8)

2.6.3 GSDF对大鼠肠道菌群组成的影响

由图4A可知，在门水平上，与对照组相比，摄入GSDF后大鼠肠道菌群中厚壁菌门（Firmicutes）相对丰度增加，拟杆菌门（Bacteroidetes）相对丰度降低，GSDF低、高剂量组大鼠厚壁菌门与拟杆菌门丰度（F/B）比值分别为6.42和3.67，大于对照组（2.37）。由图4B可知，在属水平上，与对照组相比，GSDF低剂量组大鼠肠道菌群中主要为乳杆菌属（Lactobacillus）相对丰度增加，GSDF高剂量组主要为梭菌属（Clostridium）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）相对丰度增加。热图分析（图4C）也再次印证，与对照组相比，GSDF低剂量组中Lactobacillus、双歧杆菌属（Bifidobacterium）等益生菌相对丰度提高，脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、颤螺菌属（Oscillospira）、副拟杆菌属（Parabacteroides）等菌属相对丰度降低，而GSDF高剂量组中梭状芽孢杆菌（Clostridium）、链球菌属（Streptococcus）、帕拉普氏菌属（Paraprevotella）、密螺旋体属（Treponema）、不动细菌属（Acinetobacter）、普雷沃氏菌属（Prevotella）、阿德勒克罗伊茨菌属（Adlercreutzia）等相对丰度升高，志贺氏菌属（Shigella）、粪球菌属（Coprococcus）、不动杆菌属（Turicibacter）、拟杆菌属（Bacteroides）等相对丰度降低。与多样性结果相一致的是，与对照组相比，摄入GSDF后，干预组特有OTUs数量降低（图4D），使得菌群结构向发酵和能量代谢等专一性方向演化，从而降低了干预组菌群多样性水平。

图4 GSDF对大鼠肠道菌群组成的影响（n＝8）Fig. 4 Effect of GSDF on intestinal microbial composition in rats (n = 8)

研究显示，即使是短时间小剂量的膳食纤维干预也会对肠道菌群产生较大影响[24-25]。本研究中，GSDF干预显著提高了Firmicutes和Lactobacillus丰度，其中GSDF低剂量组作用效果更为明显，F/B比值也最高。这一趋势与该组大鼠体质量增加的结果共同印证了F/B比值升高与体质量增加之间存在正相关性[26]。此外，GSDF摄入还增加了Lactobacillus、Bifidobacterium等益生菌丰度，这与Sun Yifan等[27]关于长期摄入人参提取物可以提升肠道中Bifidobacterium和Lactobacillus丰度的结果相符。以上结果表明，人参中存在对肠道菌群有益的成分，其益生元功效有待深入研究。

采用随机森林模型进一步分析导致对照组和GSDF干预组间大鼠粪便微生物菌群差异的主要菌属[28]。如图5所示，对照组的高丰度代表性菌属包括Shigella、Bacteroides和Turicibacter等，对菌群结构特征的贡献也较大。与对照组相比，GSDF低剂量组中Lactobacillus和Bifidobacterium等丰度明显升高，Clostridium、Streptococcus、Akkermansia等丰度明显降低；GSDF高剂量组中Luteimonas、Clostridium、Streptococcus、Akkermansia等丰度明显升高，而Bifidobacterium等丰度显著降低，这些菌属丰度的变化是造成干预组和对照组大鼠粪便菌群结构差异的主要因素。而其中Lactobacillus丰度的增加可能是GSDF低剂量组厚壁菌门相对丰度显著升高的主要原因。GSDF的益生元活性体现在提高益生菌丰度的同时，对Shigella等致病菌和Turicibacter、Desulfovibrio等促炎菌[29]有一定程度的抑制作用。此外，GSDF干预的另一个显著特征是提高了Clostridium、Prevotella等纤维素分解菌的丰度，这些菌通过表达多种纤维素水解酶帮助宿主有效利用人参膳食纤维，产生有益于代谢的短链脂肪酸等小分子物质，使机体获得额外能量，并使代谢活动更佳旺盛[15,30]。

图5 随机森林模型揭示GSDF造成大鼠肠道菌群结构差异的代表性菌属（n＝8）Fig. 5 Representative genera that contributed to the difference in intestinal microbiota structure between normal rats and those intervened with GSDF as revealed using the random forest model method (n = 8)

2.6.4 GSDF基于肠道菌群对大鼠代谢水平的影响

微生物群落结构的改变使其生理功能随之改变，并进一步影响宿主的生理状态。本研究通过KEGG生物代谢通路分析数据库（https://www.kegg.jp/）预测3 组16S rRNA基因样本功能基因所属代谢通路的丰度情况。经分析后发现GSDF高、低剂量组功能基因丰度水平十分接近，因此将两组合并作为GSDF干预组进行分析，由图6A可知，GSDF干预组KEGG生物代谢通路主要集中在新陈代谢（metabolism）和遗传信息处理（genetic information processing）方面，其中氨基酸代谢（amino acid metabolism）、碳水化合物代谢（carbohydrate metabolism）、辅助因子和维生素代谢（metabolism of cofactors and vitamins）、脂质代谢（lipid metabolism）等二级信号通路功能基因相对丰度较高。进一步比较发现，GSDF高、低剂量组均能极显著上调二级信号通路中信号分子与互作功能基因丰度（P＜0.01），显著下调神经退行性疾病（P＜0.01）和消化系统功能基因丰度（P＜0.05、P＜0.01）。这表明摄入人参膳食纤维可对机体多个代谢通路产生影响，GSDF可能被作为肠道细胞营养来源或能量物质被菌群利用，促进机体新陈代谢和遗传信息处理等代谢活动。王乐琪等[31]利用糖脂代谢病理论和网络药理学方法详细研究了参芪降糖颗粒治疗脂代谢紊乱性疾病的潜在分子机制，发现以人参为主要成分的参芪颗粒参与脂蛋白颗粒重塑、RNA聚合酶II启动子转录调控糖酵解和炎症反应等生物过程，其作用机制与晚期糖基化终末产物-糖基化终末产物受体通路信号通路、TNF信号通路、胆汁分泌等多条信号通路相关。而关于GSDF更详细的代谢调节机制还需通过疾病模型和生物信息学技术进行深入研究。

图6 GSDF对大鼠代谢水平的影响（n＝8）Fig. 6 Effect of GSDF on the metabolism of rats (n = 8)

此外，GSDF对代谢通路的调节还可能对大鼠采食量和体质量产生影响。传统观点认为膳食纤维能够抑制食欲，降低体质量，但很多体内干预结果并非如此。这主要是由于不同来源膳食纤维的结构和性质千差万别，实验受体情况也各不相同所致。因此，至今无法对膳食纤维对进食的影响作出概括结论[32]。本研究中GSDF低剂量组大鼠体质量有所增加，总采食量和Lee’s指数显著升高，推测应与其自身消化特性有关。骞宇[33]报道不同抗性淀粉膳食纤维显著增加了SD大鼠摄食量，认为可能是由于抗性淀粉不能在小肠内被消化吸收，故难以快速缓解饥饿感，进而造成大鼠反馈性摄食增加，同时由于肠道菌群大量发酵膳食纤维，使机体获得了更多额外的能量，导致体质量增加。李少艇[15]报道饲喂大豆膳食纤维后，膳食纤维组大鼠体质量增幅显著高于肥胖大鼠，认为可能是肠道菌群通过对膳食纤维的发酵使机体获得了更多能量，进而导致体质量增加。由此可见，膳食纤维与能量摄入和物质代谢的关系仍是需要深入研究的问题，且单纯的能量摄入增加并不一定伴随肥胖和糖尿病等负面效应[15]。结合本研究结果来看，GSDF能够在促进生长的同时有效控制糖脂代谢，降低氧化损伤和炎症因子水平，对健康大鼠生长代谢产生积极影响。

3 结 论

本实验在前期针对人参膳食纤维化学成分、结构和体外活性进行系统研究的基础上，开展GSDF对大鼠健康影响的研究。结果显示，GSDF对大鼠采食量、空腹血糖浓度、空腹胰岛素水平、血清TC和TG浓度均有有益作用。GSDF还可显著降低血清MDA浓度，提高T-AOC，降低血清相关炎症因子质量浓度，并提高大鼠粪便水分质量分数。此外，GSDF主要增加了大鼠肠道菌群中Firmicutes和Lactobacillus丰度，使肠道菌群结构向益生菌和纤维素降解菌增殖的方向改变，同时对相关代谢通路功能基因的表达产生影响。以上研究结果证实，GSDF能够通过调节糖脂代谢水平、氧化应激状态和肠道菌群结构对大鼠健康产生积极影响。本研究揭示了人参膳食纤维的食用价值，为人参膳食纤维健康产品的开发提供了理论依据，并为其在疾病模型中的研究和应用提供了参考。