可溶性膳食纤维结构差异对肠道菌群组成及短链脂肪酸产生的体外比较研究

本研究采用TIM-2体外结肠模型，系统比较了8种结构多样的可溶性膳食纤维（SDFs）对肠道菌群组成和短链脂肪酸（SCFA）产生的差异影响。研究发现不同SDFs（如SRS、INU、PS1-5和AG）通过其独特的结构特征（如Mw、单糖组成）诱导特异性菌群变化，其中PS1-4显著提升SCFA水平，为精准膳食干预提供科学依据。

　　

研究背景与意义

肠道健康与膳食纤维的关联已成为营养学研究热点。可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fibers, SDFs）如果胶、菊粉（INU）和抗性淀粉（RS）等，因其可被肠道菌群发酵产生短链脂肪酸（SCFA）而备受关注。然而，现有研究多聚焦单一纤维类型，缺乏对不同结构SDFs的系统比较，且其结构特征（如分子量Mw、单糖组成、分支度DBr）与菌群调控的关联机制尚不明确。

研究设计与方法

中国奖学金基金（CSC）支持的Yanyun Zhang等研究人员，利用TIM-2体外结肠模型（一种模拟近端结肠环境的动态发酵系统），对8种SDFs（包括SRS、INU、4种果胶PS1-4、果胶衍生物PS5和落叶松阿拉伯半乳聚糖AG）进行72小时连续发酵实验（2.5 mL/h，总量7.5 g/天）。通过高效排阻色谱（HPSEC）分析Mw分布，阴离子交换色谱（HPAEC）测定单糖组成，并结合16S rRNA测序和SCFA检测，评估菌群组成与功能变化。

关键技术

1. TIM-2体外发酵系统：模拟结肠蠕动和营养吸收，避免代谢物累积对菌群的抑制。
2. 结构表征技术：HPSEC和HPAEC解析SDFs的Mw和单糖组成差异。
3. 微生物组分析：通过粪便样本混合培养，监测菌群α/β多样性及属水平丰度变化。

研究结果

分子量与单糖组成

• SRS和INU：低Mw（<10 kDa），分别为α-1,4/1,6-葡萄糖和β-2,1-果糖线性聚合物。
• 果胶类：PS1-4的Mw差异显著（50–800 kDa），含半乳糖醛酸（GalA）和鼠李糖（Rha），PS5（RG-1）侧链富含阿拉伯糖（Ara）。
• AG：β-1,3-半乳糖主链，侧链含葡萄糖醛酸（GlcA），Mw约20 kDa。

菌群调控效应

• 整体结构差异：AG、PS2、PS3和SRS显著改变菌群β多样性（P<0.05），而INU影响较小。
• 特异性富集：PS3提升双歧杆菌（Bifidobacterium）丰度，AG促进普雷沃菌（Prevotella）生长。

SCFA生产

• 总量差异：PS1-4组乙酸盐和丙酸盐产量最高（较对照高2–3倍），而SRS和INU以丁酸盐为主。
• 时间动态：所有SDFs的SCFA在48小时达峰值，但仅果胶类持续至72小时。

结论与意义

研究表明，SDFs的结构复杂性（如异多糖性质、侧链修饰）比单一Mw或单糖组成更能解释其菌群调控差异。果胶类（PS1-4）因高GalA含量和分支结构，更易被菌群高效利用，而AG和SRS通过独特结构靶向特定菌属。该研究发表于《Carbohydrate Polymers》，为个性化膳食纤维应用提供了结构-功能关系的直接证据，推动功能性食品开发。

讨论延伸

尽管TIM-2系统缺乏上皮细胞互作，但其动态设计优于静态发酵模型。未来需结合体内实验验证果胶衍生物（如PS5）对肠屏障功能的潜在影响。作者声明除Koen Venema（工业顾问）外无利益冲突，AI仅用于语法校对。