不同分子量燕麦β-葡聚糖通过肠道动力与肠道菌群代谢调节便秘

《Journal of Functional Foods》：Oat β-glucans with different molecular weights modulate constipation through intestinal motility and gut microbiota metabolism

　　

该研究旨在评估不同分子量燕麦β-葡聚糖（oat β-glucans）缓解便秘的功效及其潜在机制。研究人员直接从燕麦中提取的高分子量β-葡聚糖（HMG）经酶解制备得到中分子量β-葡聚糖（MMG，使用60 U/g酶）和低分子量β-葡聚糖（LMG，使用600 U/g酶），其分子量分别降低44.09%和83.32%，且水合能力（WHC）与粘度表现出显著改变。研究人员采用便秘模型小鼠通过灌胃评估燕麦β-葡聚糖的通便功效。结果表明，HMG和MMG均能显著增加排便频率和小肠推进率，其中HMG还缩短了首粒排红便时间。苏木精-伊万斯蓝（HE）染色显示燕麦β-葡聚糖减轻了便秘小鼠的结肠炎症和损伤，其中HMG和MMG进一步增加了黏膜厚度和5-羟色胺（5-HT）水平。肠道菌群和短链脂肪酸（SCFA）分析表明，仅HMG显著增强了微生物多样性以及丁酸和乙酸含量。此外，HMG特异性增加了与乙酸产生相关的关键菌属（拟杆菌属，Bacteroides）和与丁酸产生相关的菌属（Odoribacter）的相对丰度。综上，不同分子量燕麦β-葡聚糖在缓解便秘方面表现出不同功效，其中HMG表现最优。HMG优越的水合能力和粘度有助于刺激肠道动力，而其对肠道菌群-SCFA代谢的显著调节构成关键机制。

本研究论文《不同分子量燕麦β-葡聚糖通过肠道动力与肠道菌群代谢调节便秘》发表在《Journal of Functional Foods》。功能性便秘是一种常见的胃肠道疾病，主要表现为排便困难与排便频率减少，其中慢传输型便秘最为常见，其特征是肠道推进减弱、结肠转运时间延长及内容物滞留，反映了肠道动力不足。目前的临床治疗主要包括泻药和手术干预，但泻药常引起腹泻、绞痛和头痛等不良反应，手术则成本高昂且不适合大多数患者。与药物治疗不同，食物来源成分提供了一种更温和、不良反应更少的替代方案。在各种缓解便秘的食物来源成分中，可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber, SDF）表现出特别强的功效，其可被肠道菌群代谢从而产生有益效应。研究表明，β-葡聚糖（β-glucans）在缓解便秘症状方面具有显著效果。β-葡聚糖是一种公认的益生元，可被肠道菌群选择性代谢，其缓解便秘与肠道菌群结构变化密切相关，尤其是其代谢产物短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFA），可刺激肠道动力并激活水通道蛋白。此外，不同分子量的β-葡聚糖对肠道菌群代谢具有独特的调节作用。然而，目前尚无关于分子量低于1.2 × 10⁴Da的β-葡聚糖缓解便秘的报道，相关机制尚不清楚。基于此，研究人员开展了本研究，旨在探讨不同分子量燕麦β-葡聚糖对小鼠便秘的影响，比较其缓解便秘的功效，阐明其促进肠蠕动的机制，并确定其与便秘相关肠道菌群变化的关联，从而为开发旨在缓解便秘的功能性食品提供科学依据。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：从天然燕麦中提取燕麦β-葡聚糖（HMG），并利用β-葡聚糖酶（β-Glucanase）在不同酶添加量（60 U/g和600 U/g）下进行酶解，制备得到中分子量（MMG）和低分子量（LMG）燕麦β-葡聚糖；通过高效液相色谱（HPLC）测定分子量，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）进行结构表征；采用五周龄雄性BALB/c小鼠建立洛哌丁胺（loperamide）诱导的便秘模型，设置空白对照（CON）、模型对照（LOP）、阳性对照（低聚果糖，FOS）及三个β-葡聚糖干预组（HMG、MMG、LMG）进行为期两周的灌胃干预；监测体重、排便频率、粪便含水量、首粒排红便时间、胃排空率及小肠推进率等便秘症状指标；通过苏木精-伊万斯蓝（HE）染色观察结肠组织形态；使用酶联免疫吸附测定（ELISA）检测血清中胃动素（MTL）、5-羟色胺（5-HT）、乙酰胆碱酯酶（AChE）、血管活性肠肽（VIP）和胃泌素（GAS）水平；采用气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）分析肠道内容物中SCFA组成与含量；利用16S rRNA基因测序（扩增V3-V4区）分析肠道菌群结构。

研究结果如下：

3.1 燕麦β-葡聚糖的结构表征

研究人员通过核磁共振（¹³C NMR和¹H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析证实，酶解后得到的不同分子量燕麦β-葡聚糖仍保留了典型的β-(1→3)/(1→4)混合连接结构，即分子量降低并未破坏其基本骨架结构。

3.2 燕麦β-葡聚糖及其酶解产物的理化性质

HMG、MMG和LMG的重均分子量分别为15,613 Da、8,730 Da和2,604 Da。HMG和MMG的β-葡聚糖含量超过90%，而LMG为86.84%。水合能力（WHC）测试显示HMG和MMG分别为4.98%和4.65%，而LMG丧失该能力（0%）。粘度值HMG最高，LMG最低。结果表明，分子量高于15,613 Da的β-葡聚糖比较其酶解产物具有更好的WHC和粘度，这可能解释了β-葡聚糖缓解便秘功效的差异；LMG因低分子量、低WHC和低粘度，限制了其在肠道内形成有效水合和膨胀效应的能力，从而无法提供足够的机械刺激来促进内容物推进和蠕动。

3.3 不同分子量燕麦β-葡聚糖对小鼠便秘症状的影响

洛哌丁胺成功诱导了便秘模型。与模型组（LOP）相比，HMG和MMG增加了排便频率和小肠推进率，效果与阳性对照FOS相当，而LMG无显著效果。此外，HMG缩短了首粒排红便时间，FOS则无此效果。HMG和MMG的粪便含水量更接近正常小鼠。研究人员指出，尽管一些研究认为低分子量β-葡聚糖更有利于微生物发酵或益生效应，但本研究关注的分子量范围（2.6 kDa至15.6 kDa）相对较低，极低的LMG分子量显著削弱了β-葡聚糖的WHC和粘度，从而不利于便秘缓解，这可能是HMG在本研究中表现出优越功效的原因。

3.4 不同分子量燕麦β-葡聚糖对便秘小鼠结肠组织的影响

HE染色显示，模型组小鼠结肠隐窝变短、杯状细胞减少并伴有炎症，而β-葡聚糖处理改善了组织厚度、杯状细胞形态和隐窝长度，HMG组最接近正常组。模型组黏膜厚度显著减少，HMG和MMG显著增加了黏膜厚度（HMG最显著），LMG无显著改善。这表明β-葡聚糖有效修复了便秘诱导的结肠损伤，而酶解以剂量依赖方式降低了该效应。

3.5 不同分子量燕麦β-葡聚糖对便秘小鼠血清胃肠激素的影响

模型组血管活性肠肽（VIP）水平升高（各干预组未改变），胃动素（MTL）和胃泌素（GAS）水平降低。仅HMG逆转了MTL和GAS的降低。5-羟色胺（5-HT）水平在模型组降低，所有β-葡聚糖组均增加了5-HT（FOS无此效果）。乙酰胆碱酯酶（AChE）水平仅被FOS恢复。结果表明，HMG在增强结肠兴奋性激素分泌和肠道动力方面更有效，从而更好地缓解便秘。

3.6 不同分子量燕麦-葡聚糖对小鼠肠道SCFA组成的影响

模型组乙酸和丁酸含量显著降低。仅HMG显著增加了乙酸和丁酸含量，MMG和LMG未能显著增加关键SCFA（如乙酸和丁酸）水平。这意味着HMG通过对SCFA产生的显著调节作用（特别是增加乙酸和丁酸）来缓解便秘症状，从而减轻肠道炎症或组织损伤，而MMG和LMG促进SCFA产生的能力有限。

3.7 不同分子量燕麦β-葡聚糖对便秘小鼠肠道菌群的影响

α多样性分析显示，仅HMG显著增加了ACE、Chao1和Shannon指数。PCA、PCoA和NMDS分析表明各组微生物群落组成存在差异，HMG增强了微生物多样性和丰富度。在菌属水平上，各β-葡聚糖干预均显著逆转了模型组增加的Alloprevotella相对丰度；FOS、HMG和MMG增加了Rikenellaceae_RC9_gut_group丰度；FOS、MMG和LMG降低了Alistipes丰度（HMG未降低）。仅HMG逆转了模型组减少的Bacteroides、Odoribacter和Anaerotruncus丰度，这些菌属与SCFA（乙酸、丁酸）产生密切相关。仅LMG逆转了模型组减少的Lachnospiraceae_NK4A136_group丰度。Lactobacillus、Lachnoclostridium和Roseburia的减少未被β-葡聚糖干预影响。结果表明，不同分子量燕麦β-葡聚糖通过改变肠道菌群结构影响便秘，其中HMG对肠道菌群-SCFA代谢的调节效果优越；LMG对某些菌属有影响，但其对与SCFA水平和肠道动力相关的关键功能菌属（如Bacteroides和Odoribacter）的调节能力弱于HMG和MMG，限制了其缓解便秘的功能功效。

3.8 相关性分析

相关性分析显示，WHC与GAS和5-HT含量呈正相关；粘度与MTL、GAS和5-HT呈正相关，与首粒排红便时间呈负相关。MTL、GAS和5-HT水平与小肠推进率呈正相关；GAS和5-HT与首粒排红便时间呈负相关；5-HT与排便频率呈正相关。差异菌属与便秘指标相关：MTL与Anaerotruncus呈正相关；GAS与Bacteroides和Anaerotruncus呈正相关；5-HT与Alloprevotella和Alistipes呈负相关，与Odoribacter和Anaerotruncus呈正相关；首粒排红便时间与Alloprevotella和Alistipes呈正相关，与Bacteroides、Odoribacter和Anaerotruncus呈负相关；小肠推进率与Anaerotruncus呈正相关。SCFA与便秘指标相关：乙酸和丙酸与首粒排红便时间呈负相关，与GAS和推进率呈正相关；丁酸与首粒排红便时间呈负相关，与MTL、GAS、5-HT和推进率呈正相关。HMG通过富集Bacteroides等菌属特异性增加乙酸含量，通过富集Odoribacter等菌属增加丁酸含量，这可能归因于HMG对依赖于WHC和粘度的肠道动力的促进。综上，不同分子量燕麦β-葡聚糖通过改变肠道菌群丰度干预便秘，HMG尤其通过肠道菌群-SCFA代谢途径发挥优越的通便作用。

讨论与结论总结：

研究人员在讨论中指出，本研究阐明了燕麦β-葡聚糖不同分子量在缓解便秘方面的差异效应。HMG和MMG（而非LMG）基于增加排便频率、小肠推进率以及修复结肠损伤（更厚的结肠黏膜）缓解了便秘症状，其中HMG在缩短首粒排红便时间方面表现更优。其改善机制主要归因于：一方面，HMG最优的WHC和粘度促进了肠道物理蠕动，并刺激了关键胃肠激素MTL、GAS和5-HT的分泌；另一方面，HMG通过增加Rikenellaceae_RC9_gut_group和Anaerotruncus等有益菌的多样性，特别是Bacteroides产生的乙酸和Odoribacter产生的丁酸，促进了SCFA生成。尽管LMG也增加了5-HT以及有益菌属Lachnospiraceae_NK4A136_group并减少了有害菌属，但未显著改善便秘症状，这表明燕麦β-葡聚糖缓解便秘中WHC和粘度引起的肠道物理动力起着更重要的作用。研究人员也承认了本研究的局限性：基于洛哌丁胺诱导的便秘模型，对其他类型便秘（如饮食诱导或自发模型）的适用性需验证；未探索不同年龄组和性别的差异，临床转化需进一步研究；虽揭示了肠道菌群、SCFA和胃肠激素的协调变化，但这些因素间的潜在调控网络尚未系统阐明，未来需结合多模型、多样生物学条件和更深入的机制分析。

结论：不同分子量燕麦β-葡聚糖在缓解便秘方面表现出不同功效，HMG表现最优。其机制涉及优越的WHC和粘度刺激肠道动力，以及对肠道菌群-SCFA代谢的关键调节。