β-葡聚糖的營養健康功能研究進展

郭 瑞，周 爽，王文秀，寧方杰，李青原，劉志剛?

（西北農林科技大學 食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

葡聚糖是自然界中最常見的一類以葡萄糖單體聚合而成的高分子多糖鏈，以D-吡喃型葡萄糖為基本單元，其結構具有多樣性，糖苷鍵通常類型有：(1→3)、(1→4)、(1→6)三種類型，分為 α型和β型[1-2]。α-葡聚糖為帶狀單鏈結構，沿著纖維軸呈無螺旋狀伸展，基本不具備生物活性，代表物質如給人體提供主要能量的淀粉等。β-葡聚糖系由合成前體物質尿苷二磷酸葡萄糖經酶催化而成的多聚體[3-4]。近年來，β-葡聚糖因其優良理化性質成為了食品領域的研究熱點，尤其是隨著分離純化、結構鑒定、功能表征等研究技術的更新應用，β-葡聚糖的特殊生理活性和藥用價值也被不斷發現。本文介紹了近年來β-葡聚糖在生物學功能方面的研究現狀，著重討論了其對血糖血脂、機體免疫力、神經發育及腸道功能等方面的調控作用，為β-葡聚糖的進一步開發利用提供理論參考。

1 β-葡聚糖的來源及構效關系

β-葡聚糖的來源十分廣泛，可從海藻、小麥、燕麥、大麥等多種天然植物以及酵母、產堿桿菌與可食用真菌等微生物中獲得[5]。不同來源的β-葡聚糖，其糖苷鍵類型、分子結構、分支位置等方面存有差異（見表1）。植物來源的β-葡聚糖主要存在 β-(1→3)和 β-(1→4)兩種糖苷鍵，谷物 β-葡聚糖分子中由 β-(1→4)糖苷鍵連接的葡萄糖殘基，常被單個的 β-(1→3)糖苷鍵分隔，從而形成了纖維三糖（DP3）和纖維四糖（DP4）片段，DP3和DP4的比例也成為了谷物β-葡聚糖重要的結構特性[6]。微生物來源的β-葡聚糖常以β-(1→3)和 β-(1→6)糖苷鍵連接而成[7]。分離自酵母、猴頭菇等真菌的 β-葡聚糖一般具有類似的分子結構，即含有 β-(1→3)糖苷鍵連接的葡萄糖殘基構成的主鏈和由 β-(1→6)糖苷鍵連接而成的分支；而來自農桿菌的 curdlan是一種不含分支，僅由β-(1→3)糖苷鍵連接而成的線性β-葡聚糖[8]。糖苷鍵的含量和聚合度還影響著β-葡聚糖的溶解性、分子量等理化特性。水溶性 β-葡聚糖中 β-(1→3)與β-(1→4)糖苷鍵含量之比為 1∶(2.3～2.6)，而非水溶性β-葡聚糖中相應糖苷鍵含量之比約為1∶4.2[9]。β-葡聚糖的分子量通常分布于約103～106kDa之間，并隨品種、產地、提取方法和測定方法不同而有一定差異[10]。

表1 不同來源β-葡聚糖的結構Table 1 Structure of β-glucan from different sources

2 β-葡聚糖的生理功能

隨著人民生活水平的提高和高脂高糖等西式飲食文化的流行，慢性代謝疾病的發病率不斷攀升，通過飲食控制改善身體機能的方法越來越受到重視。我國為推進建設健康中國、提高人民健康水平，于2016年提出的《“健康中國2030”規劃綱要》中指出：利用營養干預，逐步解決部分人群營養不足與過剩并存問題。研究表明，β-葡聚糖可在改善健康和預防慢性非傳染性疾?。ㄈ缣悄虿?、高膽固醇血癥、肥胖、癌癥和神經退行性疾?。┑确矫姘l揮著關鍵作用[27]。美國食品藥品監督管理局于 2007年批準了 β-葡聚糖作為安全的食品添加劑[28]，目前，中國、日本、美國、澳大利亞等 45個國家均已批準使用 β-葡聚糖[10]，對β-葡聚糖分子特性與精準營養相關性方面的研究及功能食品的研發已成為各國營養學界、藥理學界的關注熱點。

2.1 β-葡聚糖調控血糖的作用研究

β-葡聚糖生理功能的類型和強度通常歸因其分子結構（主側鏈的組成、三維構象和分子量大小等）和理化特性（溶解度、持水性、膨脹性、黏度及發酵性等）[29]。已有大量研究表明β-葡聚糖具有良好的降血糖的作用，潛在機制可能為：

干擾機體對膳食營養成分的吸收：β-葡聚糖與水分子的相互作用增加了溶液的黏度和腸粘膜表面水層厚度，降低了食糜通過小腸的速度，減緩了營養物質（如糖、氨基酸等）與消化酶底物的結合[29-31]；另外，β-葡聚糖還會吸附鈣、鐵、鋅等離子和有機質，從而影響這類物質的代謝水平。β-葡聚糖的黏性和濃度與其相對分子質量大小有密切相關性，黏性越高（分子量越大）降血糖潛力越大[32]，Wood等發現分子量介于 1×105～8×105之間的β-葡聚糖對血糖的調控作用較強[33]。

β-葡聚糖還可通過保護胰島 β細胞、抑制糖代謝相關酶等以減少血糖升高[34]。Shen等研究發現燕麥β-葡聚糖通過增加胰島素和胰高血糖素樣肽-1的分泌調節糖脂代謝，減輕糖尿病模型小鼠的胰島素抵抗[35]。Liu等發現燕麥β-葡聚糖可修復并改善胰島β細胞和組織結構的完整性，保護肝源性糖代謝，改善II型糖尿病模型小鼠的糖耐量[36]。此外，Yokoyama等和Juorch等的研究顯示，β-葡聚糖可顯著降低健康人群的餐后血糖值和胰島素水平[37-38]。鄭等發現，藥物Oatrim（含燕麥β-葡聚糖）能有效降低I型和II型糖尿病患者的餐后血糖濃度和胰島素水平，這可能與β-葡聚糖對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和轉化酶活性的抑制有關[39-40]。

2.2 β-葡聚糖調控脂代謝的作用研究

自1963年荷蘭科學家Groot等指出β-葡聚糖能有效降低體內膽固醇的合成后，大量的動物實驗和人體臨床學研究就證實了該結論[41]。β-葡聚糖對膽固醇的影響主要在于能顯著降低血漿中總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇，而對高密度脂蛋白和甘油三酯沒有明顯影響，同時也不影響膽固醇在脂蛋白中比例[42]。目前相關機理尚不清楚，存在以下五種假說：①β-葡聚糖可以結合膽汁酸并外排，從而促進膽固醇向膽汁酸轉化，抑制了血清中膽固醇的聚集[43]；②β-葡聚糖可被腸道中微生物發酵而產生短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs），如乙酸、丁酸等，這些物質可抑制肝臟中膽固醇的合成[44]；③β-葡聚糖可調節脂肪酸、甘油酯等膽固醇合成和代謝的相關酶的活性，調節脂質代謝和膽固醇代謝，同時可以促進低密度脂蛋白膽固醇分解[45]；④β-葡聚糖在小腸內形成高黏性溶液，阻礙膽汁的乳化作用和膽汁酸的再吸收[45]；⑤β-葡聚糖可通過調節巨噬細胞-膽固醇軸進而調節膽固醇代謝[46]。

Drozdowski等研究發現分離自燕麥和糯大麥中的高粘度β-葡聚糖可通過下調脂肪酸合成和膽固醇代謝相關基因的表達，減少腸道對長鏈脂肪酸和膽固醇的攝取[47]。Wang和 Sunberg等則利用β-葡聚糖酶，驗證了β-葡聚糖是使大鼠和倉鼠體內血漿膽固醇和低密度脂蛋白水平降低的主要功能成分[48]。Thandapilly等研究發現高分子量的大麥β-葡聚糖可促使輕度高膽固醇血癥患者糞便膽汁酸排泄量和總SCFAs濃度增加[49]。

2.3 β-葡聚糖免疫調節的作用研究

近年來的研究表明，β-葡聚糖作為一種天然的免疫調節劑，可以結合并激活免疫細胞，分泌細胞因子，參與宿主的特異性免疫與非特異性免疫，從而提高機體免疫功能[50-51]。Jin等發現燕麥β-葡聚糖可以調節免疫應答，使小鼠血清免疫球蛋白增加，并刺激抗炎因子的分泌，從而提高小鼠免疫力[52]。Yun等發現β-葡聚糖能夠有效地改變小鼠腸系膜淋巴結和派氏淋巴結的細胞數量，增強了小鼠對金黃色葡萄球菌或大腸桿菌感染的抗性[53]。Salah等研究發現 β-葡聚糖可以調節羅非魚的免疫相關基因，抵抗魚類鏈球菌的感染[54]。Golisch等發現真菌 β-葡聚糖被巨噬細胞內化后與中性粒細胞結合，由此產生的活化粒細胞能夠殺死部分腫瘤細胞[2]。

2.4 β-葡聚糖改善腦功能的作用研究

已有大量研究發現，菊粉、低聚果糖等膳食纖維及它們的代謝產物具有潛在的腦功能保護作用。Haider等的研究表明，β-葡聚糖可通過抑制中樞神經系統內乙酰膽堿的水解減輕東莨菪堿誘導的大鼠認知缺陷[55]。高脂低纖維飲食會導致小鼠小膠質細胞的激活及突觸損傷，而飲食補充β-葡聚糖可以優化腦部突觸超微結構和相關信號通路，減輕肥胖小鼠的神經炎癥和認知能力下降[56-57]。Xu等的研究表明，酵母β-葡聚糖改善了癡呆模型小鼠的神經炎癥和腦胰島素抵抗[58]。Hu等證明了長期補充β-葡聚糖顯著改善了前額葉皮層中的突觸超微結構，增強識別記憶的能力[59]。更為重要的是，已有臨床研究表明，3至18歲的孤獨癥兒童在攝入含有β-葡聚糖的食品補充劑后，行為模式（自閉癥評定量表分數顯著降低）和α-突觸核蛋白的表達水平得到顯著改善[60]。

2.5 β-葡聚糖對腸道微環境的作用研究

人體腸道內的大量共生菌構成的微生物屏障可以抵抗病原菌的入侵，并提供重要的保護作用，而腸道內微生物群落的變化也顯著影響著宿主的生理功能[27]。β-葡聚糖作為一類重要的益生元，可對胃、腸道內的微生物群產生積極影響。由于人體內缺少β-葡聚糖酶，β-葡聚糖不能被消化道直接消化，但卻能被大腸內益生菌分泌的糖苷酶降解吸收利用，因此，β-葡聚糖選擇性地刺激了益生菌的活力和增殖，同時，一些益生菌在自身代謝中產生的乳酸等物質降低了腸道的pH，抑制了有害菌的生長和繁殖[61]。另一方面，β-葡聚糖在結腸中被厭氧菌分解代謝產生的 SCFAs為結腸粘膜細胞提供了營養[62]，促進腸上皮細胞、腸道T細胞的增殖[63]。SCFAs還可以抑制葡萄糖苷酶、葡萄糖醛酸酶和脲酶等腸癌誘發因子的活性，并抑制第一級膽酸向第二級膽酸的轉化，增加次級膽汁酸的排出，具有預防結腸癌的作用[64-65]。

申瑞玲等研究發現燕麥β-葡聚糖可促進小鼠腸道中的雙歧桿菌和乳酸桿菌增殖，并抑制大腸桿菌的繁殖，改善了腸道環境[66]。Pieper等研究發現，含β-葡聚糖的飼料有利于斷奶仔豬腸道內產丁酸的益生菌的繁殖[67]，丁酸可以為腸上皮細胞提供能量，利于保持腸道黏膜完整性，并在細胞實驗中表現出抑制癌細胞活性的作用[68]。SCFAs還能增加大鼠結腸粘液層的厚度，維護腸道的正常功能[69]。

3 總結

β-葡聚糖在促進健康和預防疾病方面發揮著重要作用，對控制餐后血糖和減弱胰島素反應、降低膽固醇和高血脂、增強機體免疫力和腸腦健康保護等方面有著積極影響，這也為其在功能性食品、醫療保健、食品添加劑等健康產業領域的開發賦予了巨大的潛能。近年來的研究多從β-葡聚糖原料來源、加工方式、分子大小或黏度高低等方面，采用體內外實驗，從生化指標、代謝調控等方面對營養功效進行表征，但對于β-葡聚糖各種生物學活性機制的研究還不夠明晰，未來研究可聯合代謝組學、基因組學和轉錄組學等新技術方法去進一步詮釋其營養機制，為β-葡聚糖新型健康食品研發提供更多的科學依據。