《食品科學(xué)》：上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉艷芳研究員等：β-葡聚糖調(diào)節(jié)腸道菌群健康效應(yīng)機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展

腸道是人體最大的吸收和免疫器官。人體腸道內(nèi)存在數(shù)以百萬計的微生物，其中約99%是細(xì)菌，由此形成了一個復(fù)雜龐大的微生物群落，即腸道菌群。腸道菌群被認(rèn)為是一種“超級有機(jī)體”，能夠通過調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)代謝、防御病原體、向免疫細(xì)胞傳遞信號影響宿主健康。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失衡與炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等腸道相關(guān)疾病的病理進(jìn)程高度相關(guān)，而通過膳食成分調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)逐漸成為疾病干預(yù)的新途徑。膳食益生元是一種選擇性發(fā)酵成分，可導(dǎo)致腸道菌群的組成和活性發(fā)生特定變化，從而對宿主健康有益。在眾多益生元候選物質(zhì)中，β-葡聚糖因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性備而受關(guān)注。

β-葡聚糖是由β-糖苷鍵連接D-葡萄糖單體形成的大分子聚合物，因具有廣泛的有益生物活性而備受關(guān)注。β-葡聚糖主要通過雙重途徑發(fā)揮益生特性：一方面其不可消化性保障了較高的結(jié)腸遞送率，為益生菌提供發(fā)酵底物；另一方面，β-葡聚糖發(fā)酵后的有益代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（SCFAs）有利于修復(fù)腸道屏障、調(diào)節(jié)炎癥因子水平、維持體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)和保護(hù)神經(jīng)與心血管功能。值得注意的是，β-葡聚糖的生物活性與其化學(xué)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，糖苷鍵類型、分子質(zhì)量、分支比及空間構(gòu)象均會影響多糖益生活性的發(fā)揮。與纖維素相比，谷物β-葡聚糖中β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵的交替連接使其具有較好的溶解性，這有利于在腸道內(nèi)形成高黏度環(huán)境，從而延緩胃排空速度，并減少葡萄糖、食物脂質(zhì)及膽汁酸的吸收，具有顯著降膽固醇和降血脂作用。真菌來源的β-葡聚糖以β-(1→3)主鏈結(jié)合β-(1→6)支鏈為特征，可以特異性識別樹突狀細(xì)胞相關(guān)C型凝集素-1（Dectin-1）、補(bǔ)體受體3（CR3）和Toll樣受體（TLR）2并激活免疫反應(yīng)，有利于提高機(jī)體的抗腫瘤和抗炎活性。結(jié)構(gòu)多樣性決定了不同β-葡聚糖的特定生理功能，因此明晰β-葡聚糖與其生物活性間的構(gòu)效關(guān)系非常重要。

基于上述內(nèi)容，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所的劉懿航、耿 潔、劉艷芳*等人重點介紹不同來源β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)，闡述β-葡聚糖調(diào)節(jié)腸道菌群的主要機(jī)制，并深入分析β-葡聚糖與其益生特性間的構(gòu)效關(guān)系，旨在為β-葡聚糖的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

01

β-葡聚糖的來源與結(jié)構(gòu)

β-葡聚糖廣泛存在于自然界中，主要來源于谷物、真菌、藻類和某些細(xì)菌，研究表明其具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗菌、抗炎、益生活性等多種有益生理功能。其結(jié)構(gòu)因來源不同而有所差異（圖1）。

谷物β-葡聚糖是通過β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接葡萄糖殘基形成的一種線性多糖，廣泛存在于大麥、燕麥、小麥和黑麥等谷物中。其結(jié)構(gòu)特征為β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵混合交替連接，具體表現(xiàn)為β-(1→4)連接的葡萄糖鏈被β-(1→3)糖苷鍵所中斷，由此形成了不同聚合度（DP）的多糖片段，即纖維三糖基（DP3）和纖維四糖基（DP4）。不同谷物來源β-葡聚糖的DP3/DP4（物質(zhì)的量比，后同）不同，燕麥DP3/DP4多為1.50～2.30，大麥DP3/DP4主要為2.10～3.49，而小麥DP3/DP4大約是3.00～4.50。因此，DP3/DP4也成為不同谷物來源β-葡聚糖的重要判別方法。谷物β-葡聚糖常被機(jī)體識別為不可消化的膳食纖維，主要在調(diào)節(jié)代謝途徑方面發(fā)揮積極作用，在食品和健康領(lǐng)域表現(xiàn)出顯著的生物活性且應(yīng)用前景廣闊。

真菌β-葡聚糖以β-(1→3)糖苷鍵骨架為基礎(chǔ)，帶有β-(1→6)糖苷鍵連接的分支結(jié)構(gòu)，主要分為酵母β-葡聚糖和食用菌β-葡聚糖。酵母β-葡聚糖主要存在于酵母細(xì)胞壁中，具體結(jié)構(gòu)特征為在β-(1→3)連接的葡萄糖主鏈上含有β-(1→6)糖苷鍵連接的長支鏈結(jié)構(gòu)，且β-(1→3)糖苷鍵的占比高于85%。研究表明酵母β-葡聚糖具有降脂、抗氧化和抗炎特性等多種健康益處。食用菌中的β-葡聚糖一般含有β-(1→6)糖苷鍵連接的較短分支，大多從其子實體中提取獲得。已有實驗證明在香菇β-葡聚糖的主鏈上，每5 個β-(1→3)-葡萄糖殘基上連接有兩個β-(1→6)-葡萄糖支鏈。裂褶菌多糖的β-(1→3)-葡聚糖主鏈上每隔3 個或4 個葡萄糖殘基就會連接有1 個β-(1→6)-葡萄糖支鏈。靈芝多糖和灰樹花多糖在其β-(1→3)-葡聚糖主鏈上每3 個葡萄糖殘基就包含1 個β-(1→6)-葡萄糖支鏈。除上述常見結(jié)構(gòu)外，部分食用菌β-葡聚糖還存在無支鏈的β-(1→6)-葡聚糖和含β-(1→4)-葡萄糖支鏈的β-(1→6)-葡聚糖結(jié)構(gòu)。目前已有大量研究報道了不同結(jié)構(gòu)食用菌β-葡聚糖在免疫調(diào)節(jié)中的作用，證明其具有潛在臨床應(yīng)用價值。

細(xì)菌和藻類中的β-葡聚糖以β-(1→3)-葡聚糖為主，部分藻類β-葡聚糖還帶有一定比例的β-(1→6)糖苷鍵側(cè)鏈。可得然膠是一種線性β-(1→3)-葡聚糖，是在Agrobacterium biovar 1中被鑒定的第一種細(xì)菌β-葡聚糖，同時還在某些根瘤菌菌株中存在，具有熱凝膠形成特性。海帶多糖是藻類β-葡聚糖中最具代表性的一種多糖，主要由β-(1→3)糖苷鍵連接的葡萄糖殘基構(gòu)成線性主鏈，并通過β-(1→6)糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖形成支鏈結(jié)構(gòu)，一般具有較好的水溶性。

02

β-葡聚糖調(diào)節(jié)腸道菌群的健康效應(yīng)

由于缺乏有效水解β-糖苷鍵的酶，β-葡聚糖無法在口腔、胃、小腸內(nèi)消化，可以順利到達(dá)人體結(jié)腸處。結(jié)腸內(nèi)包含多種細(xì)菌，這些細(xì)菌含有碳水化合物活性酶，能夠水解不同來源與結(jié)構(gòu)的β-葡聚糖，并產(chǎn)生一系列有益代謝產(chǎn)物，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)體健康（表1）。上述互惠關(guān)系凸顯了腸道菌群是β-葡聚糖發(fā)揮健康促進(jìn)作用的關(guān)鍵靶點，現(xiàn)有研究表明，β-葡聚糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群介導(dǎo)的健康效應(yīng)主要包括改善腸道屏障功能、調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)、增強(qiáng)免疫應(yīng)答和保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)（圖2）。

2.1 對腸道屏障的影響

β-葡聚糖被腸道菌群發(fā)酵后會促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)生和腸腔pH值的降低，這對于腸道生物屏障的維護(hù)具有積極影響。pH值的降低會抑制病原微生物的生長，同時促進(jìn)有益菌的繁殖。此外，該酸化過程還能改善腸道疾病中必需營養(yǎng)素和礦物質(zhì)（如鈣、磷、鎂）的吸收問題。腸道機(jī)械屏障由腸道上皮細(xì)胞與上皮細(xì)胞之間的緊密連接蛋白組成。研究表明，β-葡聚糖通過增加雙歧桿菌屬、乳桿菌屬和普拉梭菌屬的相對豐度及促進(jìn)SCFAs的積累從而提高緊密連接蛋白相關(guān)基因的表達(dá)（如ZO、Claudin和Occludin等），這有助于增強(qiáng)腸道機(jī)械屏障的正常功能。近期研究還發(fā)現(xiàn)，SCFAs會影響由免疫因子、免疫細(xì)胞及相關(guān)淋巴組織構(gòu)成的腸道免疫屏障。丁酸可以顯著激活細(xì)胞受體，誘導(dǎo)免疫細(xì)胞的分化或增殖；還能抑制TLR4信號通路，并激活G蛋白偶聯(lián)受體（GPR）的表達(dá)，這些路徑共同參與調(diào)節(jié)腸道的免疫屏障功能。黏蛋白是腸道化學(xué)屏障的重要化合物，可以有效防止有害分子進(jìn)入腸道內(nèi)部。SCFAs有利于促進(jìn)抗炎因子的產(chǎn)生，通過正向調(diào)節(jié)腸道中參與黏蛋白合成基因的表達(dá)維持正常的化學(xué)屏障功能。綜上所述，β-葡聚糖介導(dǎo)的腸道屏障保護(hù)功能主要是通過促進(jìn)有益菌的生長及SCFAs的合成從而實現(xiàn)的（圖3）。

2.2 對代謝穩(wěn)態(tài)的影響

β-葡聚糖對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用與維持代謝穩(wěn)態(tài)緊密相關(guān)，具體表現(xiàn)為降低血糖、血脂和膽固醇效應(yīng)（圖4）。大量研究發(fā)現(xiàn)，代謝疾病小鼠模型均呈現(xiàn)腸道菌群失調(diào)現(xiàn)象。腸道菌群對胰島素抵抗引起的“代謝性感染”具有重要影響，例如，腸球菌屬的增加已被證實與胰島素敏感性的提升顯著相關(guān)。β-葡聚糖的攝入還可以顯著降低高脂小鼠的高血糖水平并改善葡萄糖耐量異常。Nakahara等研究發(fā)現(xiàn)，小鼠攝入β-葡聚糖后糞便中脂質(zhì)與總膽汁酸含量顯著增加，推測β-葡聚糖可能通過抑制重吸收機(jī)制發(fā)揮降脂作用。并且，β-葡聚糖對脂代謝紊亂的改善作用與普雷沃氏菌屬、糞厭氧棒桿菌屬等腸道有益菌的增加直接相關(guān)。此外，SCFAs在調(diào)控代謝穩(wěn)態(tài)相關(guān)的信號通路中作用顯著。乙酸不僅是腸道細(xì)胞的能量來源，還參與脂質(zhì)合成和糖異生等代謝信號的傳導(dǎo)過程。丙酸除影響糖異生過程外，還能在肝臟中顯著抑制膽固醇的合成。盡管SCFAs降低膽固醇水平的機(jī)制尚未完全闡明，但已有研究發(fā)現(xiàn)，抑制膽固醇合成和促進(jìn)低密度脂蛋白膽固醇的分解是實現(xiàn)其膽固醇降低效應(yīng)的重要路徑。

2.3 對免疫調(diào)節(jié)的影響

腸道菌群對維持免疫穩(wěn)態(tài)以及調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，腸道菌群的失調(diào)會導(dǎo)致炎癥和腫瘤形成。β-葡聚糖被大量研究證明具有顯著的免疫調(diào)節(jié)作用，其主要通過增加乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、普雷沃氏菌屬等有益菌的數(shù)量從而調(diào)節(jié)菌群平衡和減輕炎癥反應(yīng)，腸道菌群穩(wěn)態(tài)的恢復(fù)還有利于進(jìn)一步降低炎癥因子（如TNF-α和IL-1β）的表達(dá)水平。β-葡聚糖抗腫瘤活性的發(fā)揮主要與擬桿菌屬、嗜黏蛋白阿克曼菌和梭菌屬豐度的增加有關(guān)。此外，大量研究表明，SCFAs可以與GPR相互作用，通過抑制組蛋白乙酰化酶的活性從而調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)基因的表達(dá)。其中，丁酸作為結(jié)腸上皮細(xì)胞的重要能量來源，不僅可以通過增強(qiáng)腸道屏障的完整性改善結(jié)腸炎癥，還能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡和分化從而預(yù)防腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。

2.4 對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

腦-腸軸是連接中樞神經(jīng)系統(tǒng)與腸道菌群的雙向信號通路，涉及神經(jīng)免疫、副交感神經(jīng)、交感神經(jīng)及神經(jīng)內(nèi)分泌等多種作用途徑，對大腦功能具有重要影響。盡管腸道菌群與大腦間作用機(jī)制的探究仍明顯不足，但多數(shù)研究表明，腸道來源的信號分子在腦-腸交流中發(fā)揮關(guān)鍵作用。腸道菌群的失調(diào)和相關(guān)代謝物水平的減少與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)展存在直接關(guān)聯(lián)，包括阿爾茨海默癥、帕金森病、亨廷頓病等（圖5）。β-葡聚糖可以特異性增加乳桿菌屬、真桿菌屬、普雷沃氏菌屬等多種有益菌的相對豐度，并產(chǎn)生有益代謝物如SCFAs、γ-氨基丁酸、去甲腎上腺素、5-羥色胺等，進(jìn)而緩解神經(jīng)炎癥、調(diào)節(jié)突觸蛋白表達(dá)、增強(qiáng)血腦屏障并改善記憶與認(rèn)知障礙。因此，腸道菌群調(diào)節(jié)已被認(rèn)為是預(yù)防或緩解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一種有效治療方案，菌群移植、益生元和益生菌的補(bǔ)充策略在動物實驗中已初見成效。

03

β-葡聚糖與其益生特性間構(gòu)效關(guān)系

目前，關(guān)于β-葡聚糖與腸道微生物群相互作用的研究側(cè)重于關(guān)注這類多糖在腸道內(nèi)益生作用的發(fā)揮情況。研究發(fā)現(xiàn)，不同腸道細(xì)菌具有特定的多糖利用位點，因而對不同結(jié)構(gòu)的多糖具有選擇利用性。擬桿菌傾向于將果膠、阿拉伯半乳聚糖和阿拉伯木聚糖作為發(fā)酵碳源。雙歧桿菌則可在β-葡聚糖、菊粉、果膠、阿拉伯半乳聚糖和魔芋葡甘聚糖的發(fā)酵過程中顯著富集。而乳桿菌屬能夠在以β-葡聚糖、果膠、菊粉和阿拉伯半乳聚糖為碳源的培養(yǎng)基中大量生長。雖然上述細(xì)菌能夠廣泛利用不同結(jié)構(gòu)的多糖，但某些菌種更傾向于利用特定結(jié)構(gòu)的多糖，進(jìn)而導(dǎo)致不同SCFAs產(chǎn)生菌在特定多糖發(fā)酵過程中的選擇性富集。例如，來自毛螺菌科的多種丁酸產(chǎn)生菌，包括Lachnospiraceae NK4A136組、毛螺菌屬以及Lachnospiraceae UCG-006，它們在β-葡聚糖發(fā)酵過程中顯著增加，而菊粉發(fā)酵則主要導(dǎo)致丁酸球菌屬的富集。此外，產(chǎn)生丙酸的真桿菌屬在阿拉伯半乳聚糖發(fā)酵過程中大量積累。綜上所述，多糖結(jié)構(gòu)的變化會對腸道菌群產(chǎn)生截然不同的影響。基于此，本節(jié)重點介紹了β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)特征與其益生作用之間的構(gòu)效關(guān)系。

3.1 糖苷鍵對益生活性的影響

谷物中的β-葡聚糖主要由β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成，研究表明，谷物來源的β-葡聚糖，尤其是燕麥和大麥β-葡聚糖被廣泛證明有利于促進(jìn)雙歧桿菌屬和乳桿菌屬的增長，這種益生效應(yīng)會影響葡萄糖和脂質(zhì)代謝，從而改善腸道穩(wěn)態(tài)并促進(jìn)代謝健康。Kedia等通過體外糞便菌群發(fā)酵含9.43% β-葡聚糖的燕麥制劑，發(fā)現(xiàn)24 h后雙歧桿菌屬和乳桿菌屬的水平顯著提高，丙酸、丁酸的含量甚至高于葡萄糖對照組。以大麥β-葡聚糖為發(fā)酵底物也得到了類似的研究結(jié)果，雙歧桿菌屬和乳桿菌屬相對豐度的顯著增加導(dǎo)致SCFAs和乳酸的積累。其中，乳桿菌屬豐度的增加及乳酸的積累可能通過腸道免疫反應(yīng)增加了分泌型免疫球蛋白A的濃度，這有利于改善高脂模型小鼠的先天免疫系統(tǒng)。此外，谷物β-葡聚糖在不同食品中的益生作用也有報道。在酸奶中添加大麥和燕麥β-葡聚糖可以促進(jìn)動物雙歧桿菌的生長并提高其存活率。在另一項研究中，向酸奶中添加0.44%燕麥β-葡聚糖后，約107 CFU/mL長雙歧桿菌的存活時間延長了14 d。

相較于谷物β-葡聚糖主要與代謝健康相關(guān)，真菌來源的β(1→3)-葡聚糖則更多參與免疫調(diào)控過程。酵母β-葡聚糖在體外培養(yǎng)條件下可以選擇性地促進(jìn)雙歧桿菌、乳桿菌屬和擬桿菌屬的生長，并且與菊粉相比，β-葡聚糖更有利于促進(jìn)長雙歧桿菌的生長。但對于結(jié)腸炎小鼠而言，酵母β-葡聚糖雖會增加乳桿菌屬的相對豐度，但卻會降低擬桿菌屬的相對豐度。雖然擬桿菌屬通常被視為多糖的初級降解者和促進(jìn)腸道健康的有益菌，但某些菌株會在不同實驗背景下表現(xiàn)出不同效果。此外，有研究表明酵母β-葡聚糖可以選擇性促進(jìn)嗜黏蛋白阿克曼菌的增長，其在肥胖和2型糖尿病中具有抗炎作用。

食用菌中的β-葡聚糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，在β-(1→3)-葡聚糖的主鏈上連接有不同數(shù)量的β-(1→6)糖苷鍵側(cè)鏈，其中β-(1→3)-葡聚糖可被宿主免疫細(xì)胞表面的模式識別受體，如Dectin-1特異性識別，進(jìn)而啟動多種免疫防御機(jī)制。從灰樹花中提取的β-葡聚糖可以促進(jìn)乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的生長，并產(chǎn)生乳酸、琥珀酸和戊酸等多種有益代謝物，可以有效降低結(jié)腸癌細(xì)胞Caco-2的細(xì)胞活力。猴頭菇β-葡聚糖能夠提高潰瘍性結(jié)腸炎小鼠體內(nèi)擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、普雷沃氏菌屬和乳桿菌屬等有益菌的相對豐度，有利于改善宿主免疫力。多項研究共同表明食用菌β-葡聚糖可以特異性促進(jìn)腸道中丁酸產(chǎn)生菌的生長，如毛螺菌科、糞厭氧棒桿菌屬和梭菌簇XIVa中的羅氏菌屬和另枝菌屬，其產(chǎn)生的丁酸在抗炎、增強(qiáng)腸黏膜屏障和調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化方面發(fā)揮重要作用。此外，食用菌β-葡聚糖被證明同樣可以調(diào)節(jié)代謝健康。例如，靈芝β-葡聚糖可以降低厚壁菌門/擬桿菌門的比值，促進(jìn)卵形擬桿菌和單形擬桿菌相對豐度的增加，以及乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的積累，這有利于預(yù)防肥胖個體中腸道菌群失調(diào)和相關(guān)代謝紊亂的發(fā)生。

3.2 分子質(zhì)量對益生活性的影響

β-葡聚糖的分子質(zhì)量會因來源、提取方式、加工條件等不同而有所差異。已有大量文獻(xiàn)比較分析了不同分子質(zhì)量β-葡聚糖的益生活性。研究表明，低分子質(zhì)量谷物β-葡聚糖傾向于增加乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的相對豐度。相較于830.8 kDa的高分子質(zhì)量燕麥β-葡聚糖，鼠李糖乳桿菌和長雙歧桿菌BB536更傾向于利用10.21 kDa的β-葡聚糖水解物。Jaskari等的研究得到了類似結(jié)果，即β-葡聚糖的水解物被證明是乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的選擇性發(fā)酵底物。同樣地，低分子質(zhì)量大麥β-葡聚糖（110 kDa和12 kDa）更顯著增加了雙歧桿菌屬的數(shù)量，并促進(jìn)乙酸、丙酸、琥珀酸的積累，這說明低分子質(zhì)量多糖主要利用其益生特性調(diào)節(jié)葡萄糖和脂質(zhì)代謝水平；而高分子質(zhì)量大麥β-葡聚糖（500 kDa）則被證明主要通過高黏度抑制脂肪吸收和減少腹部脂肪沉積從而發(fā)揮健康促進(jìn)作用。

對于真菌β-葡聚糖而言，似乎并沒有在多糖分子質(zhì)量與其益生特性間發(fā)現(xiàn)一致規(guī)律。800 kDa的高分子質(zhì)量酵母β-葡聚糖較220 kDa的低分子質(zhì)量多糖會更顯著促進(jìn)乳桿菌屬、雙歧桿菌屬水平增加，及乙酸、丙酸和總SCFAs的積累，更有利于改善阿爾茨海默癥小鼠的認(rèn)知能力。但在結(jié)腸炎小鼠中，低分子質(zhì)量靈芝β-葡聚糖（13.3 kDa和3.51 kDa）更有利于促進(jìn)乳桿菌屬和雙歧桿菌屬等有益菌的生長，減少結(jié)腸炎致病菌的數(shù)量，同時提升乙酸、丙酸和丁酸等有益代謝產(chǎn)物。對香菇β-葡聚糖的益生特性研究也得到了類似結(jié)果，與高分子質(zhì)量（2.19×103 kDa和1.82×103 kDa）多糖相比，低分子質(zhì)量（1.41×103 kDa）β-葡聚糖促進(jìn)毛螺菌屬增長和丙酸、丁酸及戊酸積累的效果更顯著。而Chen Shuang等的研究表明，不同分子質(zhì)量的猴頭菇β-葡聚糖會通過不同途徑分別發(fā)揮其益生特性。其中，高分子質(zhì)量猴頭菇β-葡聚糖（6.944×103 kDa）能夠特異性增加普雷沃氏菌_NK3B31組、毛螺菌屬和普拉梭菌屬的相對豐度，而低分子質(zhì)量（2.158×103 kDa）傾向于促進(jìn)乳球菌屬的生長；代謝產(chǎn)物的檢測結(jié)果還表明高分子質(zhì)量β-葡聚糖被發(fā)酵后會產(chǎn)生更多的丁酸，而低分子質(zhì)量多糖則會顯著促進(jìn)乙酸和丙酸的積累。綜上所述，β-葡聚糖的預(yù)期益生功能會隨分子質(zhì)量的不同而不同，應(yīng)根據(jù)不同的研究目標(biāo)采取不同的干預(yù)措施。

3.3 溶解度對益生活性的影響

β-葡聚糖的溶解度是其發(fā)揮益生活性和更廣泛生物功能的關(guān)鍵因素。溶解度直接影響β-葡聚糖的腸道菌群調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)和代謝調(diào)節(jié)能力。谷物β-葡聚糖結(jié)構(gòu)中β-(1→3)糖苷鍵的存在會在一定程度上破壞線性β-(1→4)-葡聚糖的剛性結(jié)構(gòu)，從而增加多糖的溶解度。研究表明，可溶性谷物β-葡聚糖有利于維持血糖、血脂和膽固醇的正常水平。Miyamoto等研究表明大麥β-葡聚糖通過改變高脂小鼠腸道中雙歧桿菌屬的相對豐度和總SCFAs的濃度從而減少食物攝入并提高胰島素敏感性。一項臨床試驗發(fā)現(xiàn)，大麥β-葡聚糖可以顯著增加擬桿菌屬和普雷沃氏菌屬的相對豐度，這種對腸道菌群的正向調(diào)節(jié)作用與心血管疾病風(fēng)險標(biāo)志物的減少緊密相關(guān)。

真菌β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其分子質(zhì)量、分支比和構(gòu)象等結(jié)構(gòu)特性均會顯著影響多糖的溶解度。研究發(fā)現(xiàn)，含有更多支鏈的β-葡聚糖的水溶性更高，這有利于提高腸道菌群的多糖利用率并促進(jìn)有益代謝產(chǎn)物的積累。可溶性裂褶菌β-葡聚糖可以通過重塑腸道微生物群從而抑制肥胖，其主要是通過增加SCFAs產(chǎn)菌（如糞厭氧棒桿菌屬、糞芽孢菌屬和羅氏菌屬）的相對豐度，同時減少肥胖相關(guān)細(xì)菌（如副擬桿菌屬和乳酸乳球菌屬）的數(shù)量。可溶性黑木耳β-葡聚糖經(jīng)體外發(fā)酵后顯著提高了雙歧桿菌屬、乳桿菌屬、擬桿菌屬和真桿菌屬的相對豐度。不溶性β-葡聚糖雖然會降低腸道微生物對多糖的接觸和利用程度，但這種特異結(jié)構(gòu)的多糖可以促進(jìn)腸道特定菌群的繁殖，這在一定程度上可以避免腸道菌群對同種發(fā)酵底物的競爭利用，有利于研究者更準(zhǔn)確地分析腸道菌群對多糖的發(fā)酵情況。Leitch等證實，厚壁菌門的特殊菌群，如梭菌群IV和XIVa具有定植和利用不溶性底物的能力。它們是腸道中重要的產(chǎn)丁酸細(xì)菌，丁酸被認(rèn)為是腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的重要參與者，特別是與免疫功能密切相關(guān)。溶解度較差的食用菌β-葡聚糖，如茯苓線性β-(1→3)-葡聚糖和橘黃刺杯菌中含少量β-(1→6)糖苷鍵連接側(cè)鏈的β-(1→3)-葡聚糖，均有利于促進(jìn)丁酸的積累，并傾向于增加厚壁菌門中特定菌群的相對豐度，特別是毛螺菌科、瘤胃球菌科、梭菌屬、瘤胃菌菌屬和糞厭氧棒桿菌屬。其中，在體外發(fā)酵實驗中還發(fā)現(xiàn)橘黃刺杯菌β-葡聚糖會特異性促進(jìn)糞厭氧棒桿菌屬的增長，24 h時其相對豐度從最初0.5%的接種量增加到24%。總而言之，可溶性β-葡聚糖主要發(fā)揮其益生特性并有利于維持代謝穩(wěn)態(tài)，而不溶性β-葡聚糖會選擇性促進(jìn)特定菌群尤其是丁酸產(chǎn)生菌的大量繁殖，進(jìn)一步促進(jìn)丁酸的大量積累。

04

結(jié) 語

作為一種常見的益生元，β-葡聚糖能夠調(diào)節(jié)腸道菌群的組成并產(chǎn)生有益代謝物質(zhì)，這有利于增強(qiáng)腸屏障功能、維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和促進(jìn)機(jī)體代謝健康。多糖與其益生活性間的構(gòu)效關(guān)系是β-葡聚糖精確調(diào)控機(jī)體健康的理論基礎(chǔ)，對于今后的實際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。然而，目前研究大多集中于腸道菌群代謝產(chǎn)物中SCFAs對機(jī)體的健康影響，缺乏其他代謝物，如色氨酸、膽汁酸、吲哚衍生物和神經(jīng)活性物質(zhì)與宿主相互作用的系統(tǒng)解讀。已有多項研究表明，腸道菌群與大腦、肺、肝臟、腎臟、皮膚等其他組織器官均形成了雙向信息交流的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，腸道菌群代謝物通常作為信號分子，通過神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫和代謝等多重途徑共同維持機(jī)體健康。這說明人體是一個高度復(fù)雜緊密關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)，而腸道菌群是整個系統(tǒng)的核心調(diào)控所在，這些發(fā)現(xiàn)可為靶向藥物的開發(fā)和疾病的動態(tài)監(jiān)測提供全新的理論視角，有利于推動精準(zhǔn)治療的實現(xiàn)。此外，β-葡聚糖的精細(xì)結(jié)構(gòu)與其益生活性間構(gòu)效關(guān)系的探究仍明顯不足，分支比、空間構(gòu)象等結(jié)構(gòu)特性對其生物活性的影響同樣關(guān)鍵。并且體外發(fā)酵與動物模型難以完全模擬β-葡聚糖在人體腸道內(nèi)的利用效果。因此，未來應(yīng)開展大規(guī)模、長期、針對不同人群的臨床研究，利用多組學(xué)技術(shù)闡明β-葡聚糖-腸道菌群-宿主互作的完整信號網(wǎng)絡(luò)，全面解鎖β-葡聚糖的益生潛力，以推動其在個性化治療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

第一作者：

劉懿航碩士研究生

上海海洋大學(xué)食品學(xué)院與上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)

研究生就讀于上海海洋大學(xué)，所學(xué)專業(yè)為生物與醫(yī)藥專業(yè)（2023.09~2026.06），課題研究與論文開展均在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行；本科就讀于江蘇大學(xué)（2019.09~2023.06），所學(xué)專業(yè)為食品質(zhì)量與安全。主要研究方向為多糖發(fā)酵與益生菌體外益生活性評價。研究生就讀期間曾獲得學(xué)業(yè)二等和四等獎學(xué)金。科研成果主要包括：《β-葡聚糖調(diào)節(jié)腸道菌群健康效應(yīng)機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系研究》一作，《食品科學(xué)》（已錄用）；《靈芝多糖對七株典型益生菌生長及代謝的差異性影響研究》一作，《食用菌學(xué)報》（已投）。

通信作者：

劉艷芳研究員
上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所 副所長

劉艷芳，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院三級研究員，博士生導(dǎo)師，博士畢業(yè)于江南大學(xué)，2012-2013年在加拿大農(nóng)業(yè)部圭爾夫食品研究中心訪學(xué)。現(xiàn)任上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所副所長，國家食用菌產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)品加工崗位科學(xué)家。兼任國家食用菌工程技術(shù)研究中心副主任、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方食用菌資源利用重點實驗室副主任，中國食用菌協(xié)會藥用真菌委員會副主任委員、中國菌物學(xué)會食用真菌專業(yè)委員會副主任委員、中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會科普工作委員會副秘書長，《食用菌學(xué)報》副主編，《菌物研究》《菌物學(xué)報》編委，Advanced Functional Foods青年編委。入選上海市東方英才計劃拔尖人才、閔行區(qū)領(lǐng)軍人才、福建省高層次B類人才，獲上海市人才發(fā)展資金資助，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人。主要從事食藥用菌營養(yǎng)功能成分挖掘、加工技術(shù)和健康產(chǎn)品研發(fā)工作。圍繞食用菌加工全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)，在食用菌營養(yǎng)品質(zhì)評價、功能成分挖掘利用和食用菌源大健康產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面積累科技成果，獲得上海市科技進(jìn)步一等獎等省部級科技獎勵5 項。近年主持國家食用菌產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家重點研發(fā)任務(wù)專項及省部級重大重點項目10余項，發(fā)表論文180余篇，其中SCI論文60余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利40余項；參編中英文著作各2 部；SCI-TOP期刊審稿人，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議上做特邀或?qū)ｎ}報告30余次。與國內(nèi)多家食用菌加工行業(yè)龍頭企業(yè)開展技術(shù)服務(wù)和成果轉(zhuǎn)化，開發(fā)食用菌系列健康產(chǎn)品，提升食用菌加工產(chǎn)業(yè)的附加值和技術(shù)能級。

引文格式：

劉懿航, 耿潔, 劉利平, 等. β-葡聚糖調(diào)節(jié)腸道菌群健康效應(yīng)機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2025, 46(24)：352-360. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250714-114.

LIU Yihang, GENG Jie, LIU Liping, et al. Research progress on the mechanism and structure-activity relationship of β-glucans in regulating the health effects of gut microbiota[J]. Food Science, 2025, 46(24): 352-360. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250714-114.

實習(xí)編輯：李雄；責(zé)任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)

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