吕知谦，王军军，赖长华

（中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193）

膳食纤维（Dietary Fiber，DF）定义的发展是营养学理念和检测技术共同进步的结果。以往对DF的理解多侧重于分析方法上，由于纤维本身具有极其复杂的物理和化学结构，简单的定义纤维不能全面了解纤维发挥的具体作用。从猪营养层面上来讲，蛋白质和脂肪的代谢是营养物质与机体直接交互作用的过程，其能量利用途径的研究也起步更早，理念更为成熟。在日粮配方的应用中，蛋白质和脂肪的需要量更容易得到标准化确定。而纤维的理化性质及其与机体关系的不确定性，尤其是纤维需要首先被微生物发酵才能被机体利用，导致其在日粮配方技术中无法简单衡量和定义。因此，我们必须对纤维的具体结构格外重视，例如纤维源、组成纤维的多糖、构型和分子大小等，这些首先是作为纤维理化性质的基础影响肠道微生物的组成，进而通过产生的代谢产物影响机体。基于此，本文重点阐明DF结构与微生物的关系，并希望以“DF结构-酶系-微生物-代谢产物-机体”为系统的观念去理解纤维。

1 纤维定义的发展

最早的纤维概念是由Hipsley[1]提出，是指植物细胞壁中不易被消化的成分。19世纪中叶，德国Weende实验站提出了粗纤维（Crude Fiber，CF）的粗略分析方法[2]。这种方法没有考虑纤维中的可溶性部分，因此不能准确评价饲料中真正的纤维含量。有鉴于此，van Soest[3]提出了中性洗涤纤维（Neutral Detergent Fiber，NDF）和酸性洗涤纤维（Acid Detergent Fiber，ADF）的概念，是依据纤维在酸或碱溶液中的可溶性进行的分类。该体系可以较准确评估饲料中所含的纤维素、半纤维素、木质素和酸不溶灰分的含量，克服了CF测定时的缺点。但该系统依赖于饲料组分溶解度的差异，因此它缺乏对纤维化学结构的精确分析。以上对于纤维的分类均是从化学分析角度上考虑的，结果是每种纤维组分具有各种重叠的生理效应，因此纯粹基于化学性质的分类并不能对应到该成分的营养特性上。随着人们对纤维营养特性的不断研究，2001 年，美国谷物协会最终确定了DF的定义：“DF是指不能被机体消化的可食碳水化合物及其类似物，这些物质不能被小肠内源酶消化，但在大肠中可全部或部分发酵。DF包括抗性淀粉、不易消化的低聚糖、非淀粉多糖（Non-Starch Polysaccharides，NSP）、木质素或与之相缔合的植物成分”。根据在水中的溶解性，将DF划分为可溶性纤维（Soluble Dietary Fiber, SDF）和不可溶性纤维（Insoluble Dietary Fiber, IDF）。这个定义考虑了DF的营养特性，即不能被单胃动物分泌的内源酶所消化。NSP是指淀粉以外的多糖，主要有纤维素、半纤维素、果胶等，是DF的主要组成成分。根据在水中的溶解性，NSP被分为可溶性NSP （Soluble Non-Starch Polysaccharides,SNSP）和不可溶性NSP（Insoluble Non-Starch Polysaccharides，INSP）。这种分类方法在理化性质上可以与纤维的营养特性挂钩（如SDF通常可发酵性也较高），但往往缺乏解释性的说明，当遇到SDF的可发酵性不一定就高的情况，这种DF分类方式就解释不通。

2 DF结构与微生物的关系

2.1 原料中纤维成分的复杂性 谷物原料及其副产物作为猪的主要能量来源，主要含有的DF成分是NSP（阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纤维素）和木质素。此外，在茎和叶中含有少量的果胶。由于谷物及其副产物品种、产地和加工工艺不尽相同，导致DF组分的变异很大。但不能简单地将DF看作多糖和寡糖的集合体，因为DF的复杂结构本身是发挥生理生化作用的基础。阿拉伯木聚糖是说明DF结构复杂性的一个很好的例子。阿拉伯木聚糖具有β-1,4连接的木聚糖骨架，并且在其最简单的形式中，具有从骨架分支的单个阿拉伯糖。因此，简单的阿拉伯木聚糖的取代程度存在差异，这使得它们具有一些多样性的结构。然而，这还不包括更高层次的结构复杂性，它们通常在其分支中还具有额外的木糖和半乳糖单元以及糖醛酸[4-5]。研究表明，DF结构的不同必将导致其利用和代谢方式不同，而这些不同首先是通过DF结构对微生物的影响实现的[4-5]。

2.2 DF对肠道微生物的调节 DF最大的消化特点是需要微生物在中间扮演“食品加工厂的角色”。一般来说，只有加工后的DF才可以与机体进行交互作用。因此，完全可以把肠道微生物作为人体的另一个系统——肠道微生物系统，DF是这个系统的主要“食物”来源。DF作为营养素调控机体的难点在于，DF首先是作为调控微生物的营养手段，如果能够厘清DF对微生物的营养调控方式，能定性又能定量地分析出DF对微生物的作用，那么DF对机体的营养或其他作用也就清晰了。因此，研究的重点首先是DF和肠道微生物的关系，然后才是微生物代谢产物和宿主的关系。

猪的微生物群主要由厚壁菌门和拟杆菌门组成[6]，主要细菌群包括链球菌属、乳杆菌属、真杆菌属、梭杆菌属、类杆菌属、消化链球菌属、双歧杆菌属、单细胞单胞菌属、梭菌属、丁酸弧菌属、埃希氏菌属、普雷沃氏菌属和瘤胃球菌属。DF作为这些微生物的主要食物来源，势必对微生物的生长和组成产生重大影响。Drew等[7]发现，与饲喂玉米日粮的猪相比，饲喂大麦日粮的猪盲肠中乳酸杆菌属和双歧杆菌属丰度增加，而大肠杆菌属丰度降低。Nielson 等[8]也发现，猪采食高阿拉伯木聚糖日粮可提高双歧杆菌和乳酸杆菌丰度。这说明同一NSP组分对微生物的影响存在一致性。Zhao等[9]发现，与采食玉米豆粕基础日粮相比，猪采食玉米皮和麦麸日粮可提高粪中放线杆菌、厚壁菌门和纤维杆菌门的丰度。这说明，不同纤维源对微生物的作用结果可能不一样。虽然DF以受宿主基因型影响的方式与微生物群相互作用，即同一种群猪对同一种类型DF的反应应该表现一致，除当地土猪、野猪或基因改良的猪种等特殊群体。上述研究说明，纤维源可以调控肠道微生物，这既说明了DF结构和微生物的紧密联系，也提供了一个通过合理配比DF组分来改善肠道菌群结构，促进肠道健康，甚至治疗某些疾病的思路。

DF在肠道被利用的过程可以简单概括，即DF通过刺激特定微生物菌群的生长或代谢来影响其在肠道中的发酵。这些增加的纤维分解菌增强了后肠发酵和短链脂肪酸（Shrot-Chain Fatty Acids，SCFA）的产生，进而降低了肠内容物的pH。pH的降低促进了有益细菌（如双歧杆菌属和乳酸杆菌属）的生长，抑制了致病性梭菌或沙门氏菌等菌群的生长，这对增强宿主的健康是非常有益的[10]。这种现象被称为“益生元效应”。

那么，具体的DF如何被肠道微生物利用呢？以往的研究都关注于后肠道的微生物作用，然而，20%～25%的NSP在通过小肠时是可以被降解的[11]。当然，这种降解更多的是复杂结构被分解为较简单的结构，并不代表DF的真实利用情况。其实，在测定DF组分消化率时，某一种DF成分的消化率并不能完全反映其真实利用情况，有可能只是被简单分解，变成了另一种寡聚糖，实际上还未真正发挥作用。除了降解外，前肠道的重要之处在于微生物酶还修饰NSP的大小和结构，这种修饰对后肠道菌群具有重大影响[12]。因为，微生物对DF的利用存在优先级的关系。 Martens小组的研究发现，B.thetaiotaomicron（一种可以利用数十种不同DF的多形拟杆菌）在利用某些DF之前会利用某些其他的DF，并提出了基于转录事件的“代谢层次结构”[13]。例如，这种细菌首先利用高优先级底物（如果胶半乳聚糖），再利用低优先级底物（如α-甘露聚糖）。前肠道的微生物修饰作用实际上也是挑选优先级高的DF组分进行分解，分解后的产物又以高低优先级的顺序再次被后肠道微生物利用，即能够以较高优先级利用这部分产物的微生物首先得到有利生长[14]。这就如同一个生产链，假如没有前肠道的这部分修饰，后肠道的微生物组成也将发生改变。微生物对基质的偏好，存在这种层次结构。以上研究提示，可以用更广泛的方式通过DF调控微生物群。如添加酶的方式，可使DF在前肠道发生更多的分解和修饰，进而影响肠道微生物菌群结构。Bedford等[15]通过添加外源酶制剂使鸡的某些微生物菌群显著减少，进而引起肠道中微生物总数显著减少，推测是因为酶的作用使得进入肠道的DF减少，从而使部分微生物“饿死”。这种底物的优先级顺序不仅存在于小肠，在整个DF分解过程中都发挥作用。如平均聚合度小于15的阿拉伯木聚糖通常在升结肠和横结肠区域被降解；而平均聚合度高于15的阿拉伯木聚糖，70%在升结肠和横结肠降解，30%在降结肠降解[16]。进一步研究表明，平均聚合度为29的阿拉伯木糖低聚糖增加了升结肠中双歧杆菌的丰度、升结肠和横结肠中的乳酸杆菌丰度、降结肠中的梭状芽孢杆菌丰度[16]。聚合度在60以上的阿拉伯木聚糖会增加盲肠放线菌，降低部分盲肠梭菌属和疣微菌门[17]。这些研究表明，聚合度是决定哪种细菌在特定结肠室中被促进增长的重要因素[16-17]。当DF进入大肠时，天然半纤维素是大的聚合分子，经过部分特异菌群分解，会释放出较小部分的聚合物，然后有利于其他细菌。也就是说，某些微生物的分解或修饰作用是另一些微生物发挥作用的前提。

不同纤维源或结构对微生物影响不同，这说明不同微生物可能“喜欢”不同DF作为食物。微生物为什么会存在底物偏好呢？一个重要的原因是微生物编码了利用DF的酶。因为酶和底物的选择特异性，导致了微生物对底物的消耗具有特异性。例如，糖苷水解酶（Glycoside Hydrolases，GH）可以酶切2个或多个糖单元之间或糖和非糖部分之间的糖苷键。多糖裂解酶（Polysaccharide Lyases，PLs）通过β-消除机制破坏多糖链中包含的酸性糖单元（即葡糖醛酸和半乳糖醛酸）。这些酶的作用导致形成不饱和己烯糖醛酸残基和新的还原端。碳水化合物酯酶（Carbohydrate Esterases，CEs）可水解在果胶和乙酰化阿拉伯木聚糖中存在的酯键。此外，还有一类发挥辅助作用的酶参与了木质素的降解过程。事实上，这几个酶类既对特定的底物发挥作用，也对不同底物表现出一定活性[18]。有些微生物利用相对较少的DF，而有些微生物则可以利用大量不同的DF组分，这与微生物本身产生的DF活性酶有关。例如，拟杆菌门和厚壁菌门都可以消化DF，但在分解超长分子量的DF时，2种细菌分泌的酶有所不同，这与日粮中DF结构的复杂性相匹配。拟杆菌可分泌的酶系不仅种类繁多，而且这些酶系形成了一套复杂的一体化操纵子系统，该系统可编码多糖的传感、结合和切割，然后形成的低聚糖被转运到细胞周质，最后糖化为单糖，这种操纵子[19]称为多糖利用位点（Polysaccharide Utilization Loci，PUL）。通过复制和新功能化，拟杆菌属已经进化出大量且多样化的PUL谱系，因此单个拟杆菌属可能在其基因组中含有数十种不同的PUL。PUL编码的酶系不仅定义了微生物可以消化的DF范围，而且消化过程的每一步都是连续和必要的。微生物分泌的酶系形成的操纵子系统也说明，微生物对DF的利用具有优先级的顺序，并且系统完整。

如前所述，DF影响微生物的生长是通过DF分子的大小、连接和构型等使细菌对其利用偏好产生差异来实现的。DF结构的这些广泛差异有助于研究者思考如何调控肠道微生物群，及寻求有效方法以改变肠道微生物群组成。复杂DF需要不同的细菌共同作用，然而这些细菌采取的消化策略是不同的。一种微生物分解DF的产物可能是另一种微生物的“食物”来源。针对一种DF组分，希望可以解释它被利用的一切密码。哪些菌群先利用它，产生的产物又会被哪些菌群利用，之后会产生哪些终产物，终产物中又有多少能被机体利用。DF结构、微生物酶系和微生物之间存在密不可分的关系，只能把DF放在这个关系群里去衡量DF的真实利用和代谢情况，而不能仅仅根据化学检测的手段去定义。

3 DF的发酵产物——SCFA

DF除了对机体的物理影响（如饱腹感等）以外，其对机体的生理作用是通过改变肠道菌群结构和产生的SCFA来实现的。首先微生物分泌分解DF的酶，通过一系列的酶解作用，将DF分解为单糖形式。不同DF分解得到的单糖形式可能不同，并且不同微生物利用同一种单糖的过程也可能不同。单糖发酵的主要产物是SCFA，其中最丰富的是乙酸、丙酸和丁酸。乙酸可以依靠丙酮酸脱氢生成乙酰辅酶A的方式产生，也可以通过Wood-Ljungdahl途径产生[20]。Wood-Ljungdahl途径也是必须先合成乙酰辅酶A，然后两分子乙酰辅酶A合成乙酸盐。丙酸盐的合成与底物有关，如果底物是己糖和戊糖，则可以通过琥珀酸途径合成丙酰辅酶A产生，也可以利用丙烯盐与乳酸盐作为前体，然后通过丙烯酸盐途径合成。如果底物是岩藻糖和鼠李糖，那么丙酸盐可以通过丙二醇途径产生[21]。丁酸盐的产生，首先是由两分子乙酰辅酶A缩合成丁酰辅酶A，丁酰辅酶A通过经典途径转化为丁酸盐。丁酰辅酶A也可以通过丁酰辅酶A:乙酸CoA-转移酶途径转化为丁酸。肠道中的某些微生物可以使用乳酸盐和乙酸盐合成丁酸盐，这可以防止乳酸积聚并稳定肠道环境[22]。不同DF的分解产物产生了不同的脂肪酸，说明可以从DF的结构去定性其分解产生的脂肪酸类型。

DF发酵产生的SCFA主要在3个部位代谢[2]：50%～70%的乙酸在肝脏中代谢，其余的主要在骨骼肌和心肌的肌肉细胞中代谢；丙酸在肝脏中代谢；大部分丁酸被结肠上皮直接吸收，为结肠上皮细胞的分化代谢等提供约70%的能量，另有少部分丁酸在肝脏中代谢，这部分丁酸代谢物和丙酸代谢物都被用于糖异生。乙酸盐是外周循环中最丰富的SCFA，可通过中枢稳态机制穿过血脑屏障并起到降低食欲的作用。尽管丙酸盐和丁酸盐在外周血液中浓度较低，但是它们可以通过激活激素和神经系统间接影响外周器官。丙酸盐能促进GLP-1和PYY分泌，起到调控能量代谢的作用。SCFA还可通过诱导GPR43和GPR109A的激活，起到调节机体免疫功能的作用。

4 小 结

DF的分类（SDF 和IDF）虽然和DF的营养特性有关，却无法对应其发挥的具体营养代谢功能。因此，建议对DF的讨论和研究要与微生物紧密联系起来，构建一个尽可能详细的“DF结构-酶系-微生物-代谢产物-机体”的关系库，全面系统地评估和解读DF的本质。在这个关系库中，酶系和代谢产物作为连接纽带，DF、微生物和机体作为主体。通过不断研究完善它们之间的相互作用关系，对DF的理解才会越来越透彻。