供稿人：王建辉、魏珣

谷物是人类饮食中获取能量的重要来源，与精制谷物相比，全谷物保留了更多营养成分，包括膳食纤维、多酚、蛋白质、维生素和矿物质。谷物中的膳食纤维和多酚是重要的营养成分，可被肠道微生物代谢并影响肠道环境，对多种疾病防治有着积极影响。膳食纤维和多酚的作用发挥与肠道菌群结构等因素存在着密切的关系，但具体机制尚不清楚。因此，系统总结全谷物中膳食纤维和多酚与肠道环境之间的相互作用及其代谢调节机制，有助于全面理解全谷物摄入对人体健康的影响。

2024年03月22日，北京科技大学生物农业研究院万向元团队在Food & Function（TOP1期刊，IF: 6.1）上在线发表了题为“Dietary Fiber and Polyphenols from Whole Grains: Effects on Gut and Health Improvement”的论文。文章主要综述了肠道菌群与谷物源膳食纤维和多酚的相互作用，并对全谷物和多酚引起肠道菌群变化、调节糖脂代谢的分子机制进行了梳理，并从培育专用型原料作物新品种和优化全谷物加工方法等方面提出进一步推动全谷物食品开发的路径和建议。

膳食纤维和多酚的含量和分布因谷物品种和形态的不同而发生改变。全谷物中的膳食纤维占麸皮重量的18.1%~86.7%，主要为β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖、抗性淀粉和抗性低聚糖。全谷物中的多酚则主要包括类黄酮、羟基苯甲酸、羟基肉桂酸、香豆素、芪、鞣花酸等，与水果、蔬菜和豆类相比，全谷物中的结合多酚比例含量较高，大多截留在细胞内或存在于细胞壁之间的多糖共价连接，阻碍了它们的吸收利用（图1）。

文章首先梳理了肠道菌群与膳食纤维和多酚的相互作用。一方面，全谷物饮食干预促进特定有益肠道微生物的富集；另一方面，肠道微生物菌群将膳食纤维和多酚分解为具有重要生理活性的小分子代谢物；此外，肠道微生物将结构多样的酚类物质分解为少数几种芳香族化合物，这一过程对酚类物质的生物利用度和活性有重要影响（图2）。

图1全谷物中膳食纤维和多酚的主要结构

膳食纤维和多酚对肠道的影响首先体现在改善肠道屏障特性和缓解机体炎症状态。健康完整的肠道屏障阻碍致病菌及毒素的侵入，是机体健康的必要条件。青稞β-葡聚糖可提高肠道屏障有关蛋白（ZO-1、Claudin-1、Occludin和MUC2）的相对转录水平，降低肠道通透性，减少促炎细胞因子（IL-1β、IL-6和TNF-α）的产生。青稞β-葡聚糖还可以通过促进IEC-6细胞周期进程、激活AMPK-TFEB信号进而促进自噬，加速肠上皮细胞的再生。玉米直链淀粉可以增加四类结肠糖异生和屏障功能相关基因（ADM、GALE、MCT1和MUC1）的表达，促进保护性粘液层的分泌。小麦阿拉伯木聚糖可以上调紧密连接蛋白（如咬合蛋白、闭合蛋白和其他粘附复合物）的表达水平并抑制TLR4/NF-κB/MyD88通路，改善结肠粘膜屏障，降低大鼠血清中炎症标记物脂多糖（LPS）的含量。阿拉伯木聚糖还可以促进肠道免疫球蛋白A分泌，增加杯状细胞数量、盲肠短链脂肪酸浓度和碱性磷酸酶活性，降低盲肠pH值。此外，麦麸阿拉伯木聚糖还可以抑制囊性纤维化跨膜传导调节因子、钙激活的氯离子通道调节剂1和电压门控氯离子通道2的基因表达（图2）。酚类物质抗氧化功能的发挥主要通过提高肠细胞的氧化稳态和肠屏障的完整性。米糠酚提取物通过抵御酒精诱导的ZO-1、Claudin-1、Claudin-4和REG3G表达的降低，改善了肠屏障功能障碍。多酚可以分别通过抑制NF-kB和刺激Nrf2通路，诱导紧密连接蛋白和粘蛋白（如MUC2、MUC3、MUC13和MUC17）表达，减轻炎症和氧化应激诱导的屏障功能障碍，提高屏障的完整性（图2）。

膳食纤维和多酚对肠道的影响其次体现在改善肠道菌群和代谢产物上。膳食纤维可有效增加有益菌丰度，但不同来源、分子量和结构的膳食纤维调节机体肠道菌群的结果具有显著差异，同时个体间基线肠道菌群的不同在一定程度上也影响膳食纤维健康作用的发挥。酚类物质对肠道微生物的调节作用主要体现在对病原菌（如金黄色葡萄球菌，鼠伤寒沙门氏菌等）的抑制和对有益菌的促进上（图2）。当前的研究中，提取和量化酚类物质仍有技术障碍，限制了对其调节肠道微生物作用以及相关机制的探讨。膳食纤维和多酚之间还会发生相互作用，其中膳食纤维可提高多酚的生物利用度和抗氧化性能，多酚可以促进肠道菌群对膳食纤维的发酵和并改变代谢物的生成，多项研究表明二者联合干预的结果比单独作用更好。

图2全谷物中膳食纤维和多酚与肠道微生物群的相互作用

膳食纤维和多酚还可以在重塑肠道菌群的过程中改善脂糖代谢。在脂代谢方面，膳食纤维可以调节脂类物质分解和合成相关基因表达，预防肝脏炎症；多酚可以调节胆汁酸代谢相关基因表达，缓解肝脏胆固醇压力（图3）。在糖代谢方面，膳食纤维可以通过调节肠道菌群缓解机体炎症，进而减轻胰岛素抵抗；通过调节两种肠激素GLP-1和PYY的分泌，影响葡萄糖吸收；通过激活FXR介导的TRG5/GLP-1信号通路，改善肝脏葡萄糖和胰岛素敏感性。结合酚类物质可以强化米糠膳食纤维的降血糖作用（图3）。

图3全谷物中膳食纤维和多酚调节糖脂代谢的可能机制

此外，文章整理了加工技术对全谷物膳食纤维和多酚作用与功能的影响。其中机械处理（碾磨和研磨）、热处理（微流化）、挤压蒸煮和生物加工（发芽和发酵）在很大程度上改变了膳食纤维结构、含量以及多酚的生物可及性。良好的加工技术和条件可以最大程度上保留甚至增强全谷物中的活性物质，从而提高有益肠道菌群丰度，强化其促进机体健康的作用。

未来，液相色谱法-质谱联用（LC-MS）、气相色谱分析（GC）和核磁共振（NMR）等技术与宏基因组学、转录组学、蛋白质组学结合，将有助于进一步研究肠道菌群的结构和功能与代谢或疾病标志物的关系。人工智能技术的应用，可以更好的纳入饮食、环境、宿主基因型以及基线时菌群结构等信息，剔除实验中不利影响和混杂因素，提高膳食纤维和多酚相关研究的准确性，推进个性化营养和精准医疗。此外，基于营养成分的测定与功能分析，借助生物技术手段可以培育更多专用型全谷物原料作物品种；开发提高食味和营养成分含量的全谷物加工技术，创制多样化、高水平的全谷物食品，加快推动更加健康的全谷物饮食。

北京科技大学生物农业研究院魏珣教授为该论文第一作者，硕士研究生王建辉为共同第一作者。万向元教授、魏珣教授和董振营副教授为该文章的共同通讯作者。该研究得到“十四五”国家重点研发计划、北京市科技新星计划和佛山市人民政府科技创新专项基金项目的联合资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4FO00715H