膳食纤维的功能和作用机制

膳食纤维的功能和作用机制

近年来，随着社会的进步和时代的发展，人们的生活水平逐渐提高，饮食结构也发生了很大变化。随着高能量、高脂肪、高脂肪和精致食品的比例增加，“富贵病”和“文明病”的发病率逐年增加。众多研究表明,膳食纤维与此类疾病的防治有密切关系,膳食纤维由于其特殊的生理作用,被誉为继蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质和水之后的第七大营养素。本文对此做一综述。1新型多糖纤维膳食纤维的定义长期一直是有争议的。1953年,Hipsley首次提出了膳食纤维(DietaryFiber,DF)的说法并将其作为由植物细胞壁组成的不消化的部分的缩写术语,当时仅包括了纤维素、半纤维素和木质素。1972年,Trowell等人对膳食纤维做了大量的研究,认为可用DF来描述不能被人类消化道酶消化的植物组分,包括纤维素、半纤维素、木质素以及一些相关的微量组分如蜡质、角质和软木脂。1976年,膳食纤维的定义已扩展到包括所有抗消化的多糖,如胶质、改性纤维素、粘胶、低聚寡糖和果胶等,并且重点强调了其可食性和抗消化性。1992年至1993年间进行了一项国际范围的调查涉及147位专家,65%的科学家支持膳食纤维的定义为抗人类消化道酶的植物残渣,包括多聚糖、木质素和一些相关成分,59%的科学家赞成将抗消化的低聚糖也归于其中。当前关于膳食纤维的定义相对权威的一个概念是美国谷物化学学会(AACC)成立的膳食纤维专门委员会在2001年提出的,他们从生理学角度出发,将其定义为在小肠中不能被消化吸收,而在大肠中可部分或全部发酵的可食的植物成分、碳水化合物和类似物质的总和,包括多糖、寡糖、纤维素、半纤维素、果胶、树胶、蜡质、木质素等,此定义明确规定了膳食纤维的范畴,是可食的植物成分,而非动物成分。当然,也有科学家提出将膳食纤维定义的重点放在“不被人体消化的物质”这一特点上,故在AACC定义仅为植物成分的基础上,将一些存在于动物体、微生物体内及人工合成或半合成的抗消化的物质均归于其内涵之中,如氨基多糖(动物性来源的抗消化成分)、美拉德反应的产物等。笔者认为如此定义更适合营养学、生理学、食品加工等方向的学者对膳食纤维的科研应用实际,也许不久的将来会成为学术界的主流观点。2对人体膳食纤维含量的预测膳食纤维按其是否可溶解于水,分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维两大类,虽然人体本身没有消化吸收他们的酶,但近年来多项研究发现膳食中膳食纤维含量的多少和人体健康的诸多方面均有关,我们将其一一叙述如下。2.1饮食纤维对胃肠健康的影响膳食纤维对胃肠道健康的影响主要与以下两个物理特性有关。2.1.1膳食纤维对小鼠粪便体积的影响不管是水不溶性膳食纤维(如麦麸纤维,大部分水不溶),还是水溶性膳食纤维(如果胶、燕麦纤维等),均有较高的持水能力。膳食纤维随着食物进入人体的消化道中,吸水膨胀,增加粪便的体积,软化粪便,刺激胃肠道的蠕动,预防改善便秘。Castillejo等在一个双盲研究中将56个长期便秘的3至10岁的儿童随机分配为两个平行对照组,一组给予可可壳膳食纤维补充剂,一组给予安慰剂,4周后发现,同安慰剂组相比,补充膳食纤维组的儿童粪便体积增加,结肠传输时间显著降低,排便次数多于安慰剂组,表明给便秘儿童补充膳食纤维后,其肠蠕动加快,便秘缓解,且改善了儿童大便习惯。Dahl等为研究适当增加食物中的膳食纤维是否可以增加排便次数,对某114名老年人进行了为期6周的膳食干预,结果发现每天增加1-3g膳食纤维,每月平均排便次数由18.7±9.4次增加到20.1±9.6次,对于排便次数特少的病人也能由8.8±1.0次增加到12.6±3.8次。另外,与膳食纤维改善便秘的作用相反,Spapen等研究发现,部分可溶性膳食纤维有改善腹泻的作用,作用机理是肠道中发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸促进了结肠对水合Na+的吸收,从而降低粪便含水量,改善腹泻。此方向的研究相对较少。2.1.2肠道细菌感染Guillon和Champ认为,寄居在大肠中的有益微生物有可以消化膳食纤维的酶系,膳食纤维在结肠中发酵是大肠中寄居微生物的主要的能量来源,通过结肠中细菌的发酵可产生丁酸、丙酸、乙酸等短链脂肪酸,其可降低肠道的pH值,改善肠道菌相,促进有益菌的增殖而抑制有害细菌酵母的繁殖;同时有益微生物的增殖可减少肠道中的一些肠毒素,从而减少其对肠道粘膜的刺激,从而保护肠道健康,有效预防结肠癌、便秘、痔疮等肠道疾病。2.2改善胰岛素的必要性膳食纤维对血糖方面的影响作用主要是由可溶性膳食纤维实现的。可溶性膳食纤维粘稠吸水膨胀的特性可截留消化酶,抑制碳水化合物的消化,阻止葡萄糖的扩散,防止餐后血糖的快速上升;膳食纤维还可减少碳水化合物在小肠中和肠壁的接触,改变末梢组织对胰岛素的感受性。Hallfrisch等人研究发现一些全谷物食物,有利于减少胰岛素抵抗和改善糖耐量。Dikeman认为可溶性膳食纤维如树胶、果胶、车前子胶、β-葡聚糖等的黏性可增加肠内容物的黏度从而降低血糖反应。一个芬兰研究小组对522名糖耐量受损的中年患者(男172人女350人)进行4.1年的随访后发现,低脂肪高纤维膳食摄入的个体减掉的体重更多且糖尿病发病率的风险降低。Liese等人认为纤维的摄入量不仅有利于提高胰岛素的敏感性和减重,而且对胰腺功能的发挥有益。Juntunen等人的研究结果略有不同,他们对20名绝经后妇女进行研究,研究长期使用高纤维的黑麦面包和白小麦面包对改变葡萄糖和胰岛素代谢是否有影响,结果发现高膳食纤维饮食未改变胰岛素的敏感性,但是提高了胰岛细胞的活性。2.3抗氧化膳食纤维玉米皮、米糠、麦麸和燕麦麸、糖用甜菜纤维、番石榴、紫花苜蓿、果胶、瓜尔胶、亚麻籽胶等天然膳食纤维已被证实在动物实验中具有降血脂,减轻高脂血并发症的能力。膳食纤维对血脂方面的影响与对血糖方面的影响作用类似。Glore研究发现,可溶性膳食纤维有降低血清中总胆固醇和低密度脂蛋白的潜力。Guillon与Champ认为膳食纤维黏性和阳离子结合交换的物理特性对脂肪的吸收起重要的作用。Thebaudin强调和膳食纤维有关的胆盐的吸收以及结肠发酵的物理特性在血脂变化和胆固醇代谢中发挥重要的作用。一些研究人员在提取不同植物的膳食纤维时发现,提取出的膳食纤维中往往结合了多种天然植物的活性成分(如多酚类化合物),从而表现出抗氧化活性,且抗氧化能力大于200mgVE/g,此类膳食纤维称为抗氧化膳食纤维,对人体健康有促进作用。有学者用HPLC检测分析发现小麦麸皮中存在阿魏酸、香豆酸、咖啡酸、芥子酸、香草酸、丁香酸、p-羟基苯甲酸等抗氧化作用的物质。这类膳食纤维因为其抗氧化作用而对人体表现为降血压、降血脂的效果。Jiménez等从葡萄渣中提出葡萄抗氧化膳食纤维,将其以7.5g/d的量对受试人员补充16周后,发现其收缩压和舒张压分别降低了6%和5%,血脂中总胆固醇含量降低了9%。2.4体重和膳食纤维含量高的全食品量众所周知,体重的增加和能量的过度摄入有关。膳食纤维摄入量的增加有利于控制体重。Pereira等人将膳食纤维对体重影响的作用机理进行了归纳:(1)膳食纤维吸水膨胀的作用增加摄食的饱腹感,减少食物的摄入量。(2)膳食纤维增加了咀嚼时间,延缓了胃的排空速度,影响能量和营养素的吸收。(3)膳食纤维影响脂肪氧化和脂肪在体内的积聚,增加粪便中的脂肪含量。不少科学家对此方面进行了研究,在一项前瞻性群组研究中,对74091名38至63岁的肥胖中年妇女进行了12年的跟踪随访,发现体重的增加和膳食纤维含量高的全麦食品的摄入量呈负相关,和精制谷物食品的摄入量呈正相关。Kromhout等人对七个国家12763名中年男子的体格进行了测量,结果发现,BMI值介于21.8和26.0之间的人群,肩胛下皮褶厚度在8.4mm和23.7mm之间,且膳食纤维摄入量和肩胛下皮褶厚度呈负相关。Birketvedt等人为研究一定的膳食纤维摄入量是否可以促进减肥效果,对53名中等超重正在通过低热量饮食减肥的妇女进行双盲实验,实验组给予补充初始剂量4g/d,维持剂量6g/d的额外膳食纤维摄入,6个月后发现实验组体重减轻8.0kg而安慰组减轻5.8g,表明补充一定量的膳食纤维可以显著促进减肥效果。Mueller等在对64名绝经期的妇女进行类似研究时,也得到了相同的结果。膳食纤维的吸水膨胀和黏性是影响饱腹感影响体重的重要因素。Rolls指出,若人体消耗同样重量的食物,则膳食纤维含量高的食物能促进体重的减轻。这是由于其属于能量密度低的食物,同样重量的情况下,摄入的能量少了,自然就可促进体重的减轻。同时,膳食中的一些可溶性膳食纤维成分由多糖组成,具有黏性,在吸收水分的同时,也会吸附营养物质,从而阻碍营养物质的消化吸收。膳食纤维可减少小肠对脂肪的吸收率,使得粪便中脂肪的排出量增加。Gades等人研究了壳聚糖补充剂对实验者粪便中脂肪含量的影响,发现在不控制能量摄入的前提下,每天食用4.5g壳聚糖,粪便中脂肪的含量增加了1.1±1.8g/d,由此可促进体重的减轻。2.5膳食纤维对金属酶生物利用的影响动物实验和流行病学研究普遍认为高纤维、低脂肪膳食可降低结肠直肠癌的发病率。Levi等对1992年1月至2000年12月年间瑞士瓦特州的286份病历进行了研究,发现膳食纤维的摄入量与结肠癌的发病率呈反比。Peters等研究得出摄入高膳食纤维,尤其是来自于谷物和水果的膳食纤维,可以降低结肠直肠癌的发病几率。膳食纤维的防癌机理有可能如下:(1)膳食纤维促进胃肠蠕动,减少肠内微生物产生致癌物的机会,减少致癌物在肠道中的停留时间。(2)吸水膨胀,增加粪便体积,从而稀释了肠内的致癌物浓度。另外,膳食纤维在结肠发酵产生的短链脂肪酸如丁酸被证实可抑制上皮细胞恶化,诱导肿瘤细胞转外正常,控制癌基因的表达。由于膳食纤维和矿物质之间复杂的相互作用,不同条件下膳食纤维对矿物质的生物利用率的影响不同。对膳食纤维和矿物质之间相互作用的有关研究表明植酸有抑制动物和人类对矿物质吸收的作用,但在膳食中去除植酸盐后,膳食纤维可以提高钙、铁、锌等矿物质的生物利用率。据报道,某些高度发酵的纤维,如果胶、树胶和低聚糖,即使在植酸存在的条件下,仍可提高某些矿物质的吸收,此作用与膳食纤维的结肠发酵功能相关。膳食纤维对维生素利用率的影响与其摄入量有关。在正常饮食中,膳食纤维刺激胆汁的分泌、促进酶的产生以及减少转运时间从而提高了维生素的吸收率。然后,一些研究表明高纤维的饮食影响维生素E和D的生物利用率。Kahlon等研究发现喂饲粗小麦麸和喂饲正常小麦麸的大鼠相比其肝中α-生育酚的含量更低,说明粗纤维降低了α-生育酚的生物利用率。一项对多名10~20个月的婴儿的研究表明,若婴儿摄入奶制品的同时伴随着高膳食纤维的摄入量,其体内维生素D的含量降低,从而增加其患佝偻病的风险。Khokhar和Kapoor也报道饮食中富含膳食纤维可显著降低血清维生素A和B1的水平。3国际配方的推荐责任由膳食纤维的生理功能可知,膳食纤维摄入过多或过少均不利于人类的健康。粗杂粮、蔬菜和水果是膳食纤维良好的食物来源,世界卫生组织建议成人每人每日总膳食纤维摄入量为27g~40g,且不溶性膳食纤维与可溶性膳食纤维比例为3∶1;美国FDA推荐每人每日摄入量为20g~35g,其中不溶性膳食纤维占70%~75%;英