新營養 2019-12-29
無論何時，當我們談論營養和均衡飲食時，一定會注意到，膳食纖維始終是人們關注的重點之一。你有沒有想過為什麼嗎？這就是因為它的各種潛在的健康益處。膳食纖維是一種不能被我們的身體消化的複雜碳水化合物和木質素以及相關物質的總稱。它們不經過消化就穿過我們的小腸，在到達大腸時，它部分或全部被腸道細菌發酵。
前幾天，我們探討了膳食纖維的類型及其對腸道菌群的影響以及它們潛在的健康益處（詳見：全面瞭解膳食纖維，默默無聞的菌群健康守護者）。今天我們將探討膳食纖維在一些常見疾病中的預防作用。
心血管疾病
心血管疾病是全球成年人發病率和死亡率的主要原因。心血管疾病的一個主要風險因素是血清膽固醇的增加。血清膽固醇的水平受到三種不同途徑的調節：吸收、合成和排出。身體通過平衡膳食膽固醇水平、膽固醇的從頭合成和過量膽固醇的排出來維持膽固醇的體內平衡。膽固醇是由乙酰輔酶A經過一系列的反應合成的，3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶（HMGCR）催化的反應是其主要的調控步驟。此外，膽固醇也可以通過低密度脂蛋白受體調節的低密度脂蛋白膽固醇的內吞作用從血液循環中獲得。另一方面，多餘的膽固醇在高密度脂蛋白的幫助下，通過一種叫做膽固醇逆向轉運的過程從肝外組織轉運到肝臟進行代謝，由膽汁排出體外。低密度脂蛋白/高密度脂蛋白的比率被認為是心血管疾病的主要風險評估因素，進一步說明了膽固醇在心血管疾病中的作用。降低血清膽固醇水平是維持心血管健康的主要策略之一。
高纖維飲食可以通過多種機制降低血清膽固醇，從而預防心血管疾病。可溶性膳食纖維可以干擾膳食膽固醇的吸收。然而，這並不是膳食纖維降低膽固醇的唯一原因，因為外源性膽固醇只佔人體膽固醇的約四分之一，吸收的顯著變化只會導致血液膽固醇水平的較小變化。膳食纖維還可通過腸道微生物發酵過程中產生的短鏈脂肪酸調節膽固醇代謝。
膳食纖維發酵產生的短鏈脂肪酸主要有乙酸、丙酸和丁酸，它們從結腸吸收。丁酸是結腸上皮細胞的主要能量來源，但不是膽固醇穩態的關鍵。乙酸和丙酸吸收進入門脈循環後在肝臟中代謝。丙酸可以通過降低肝臟中參與膽固醇合成的關鍵酶的活性來降低膽固醇的合成。乙酸在膽固醇穩態中的作用仍有爭議。乙酸可以轉化為乙酰輔酶A，這是一種合成膽固醇和脂肪酸的底物，所以認為可以增加膽固醇的合成。然而，有研究報告稱，補充乙酸可以降低人類的高膽固醇血癥。動物模型研究表明乙酸可以降低膽固醇合成關鍵酶的活性，增加膽固醇7α-羥化酶的活性，膽固醇7α-羥化酶負責將膽固醇轉化為膽汁酸。當乙酸作為主要的合成底物時，丙酸可以作為肝臟膽固醇合成的一種有效抑制劑。因此，高纖維飲食後產生的短鏈脂肪酸即使增加了膽固醇合成底物的可用性，但是不會增加血清膽固醇的水平。
某些膳食纖維中存在的β-葡聚糖已被證實能夠降低總膽固醇，主要是低密度脂蛋白膽固醇。β-葡聚糖降低低密度脂蛋白膽固醇的機制是由於其膽汁酸結合特性。β-葡聚糖可以增加膽汁酸從身體的排出，導致補償性上調膽固醇7α-羥化酶，從而使膽固醇向膽汁酸的轉化增加。膽汁酸代謝也受到腸道菌群的調節。膽鹽水解酶存在於各種腸道細菌物種中，比如擬桿菌、梭菌、真桿菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌，它們能夠水解膽鹽，干擾其通過腸肝循環再吸收。同時，膽鹽水解形成遊離膽汁酸，遊離膽汁酸可以與膽固醇形成複合物共沉澱下來，從而降低膽固醇含量。因此，膳食纖維不僅干擾膽固醇和膽汁酸的吸收，而且通過產生短鏈脂肪酸降低膽固醇的合成，從而調節膽固醇的代謝。
炎症性腸病
腸道不斷受到各種來自飲食和環境的抗原的攻擊。為了應對這種攻擊，需要一個精細調節的宿主免疫系統區分黏膜部位的有利抗原和不利抗原，從而幫助抗原耐受或消除。腸道黏膜穩態的破壞可能導致黏膜免疫的紊亂，從而導致進行性炎症性疾病的發生，特別是炎症性腸病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎。克羅恩病是一種在胃腸道的任何部位均可發生的炎症性疾病，但迴腸末端受影響最大。潰瘍性結腸炎以結腸黏膜炎症為特徵，可通過結腸切除術進行治療。炎症性腸病是腸黏膜免疫反應不恰當激活的結果，腸道菌群在炎症性腸病的啟動、維持和表型決定中發揮作用。腸道菌群紊亂引起激活致病性T細胞的抗原刺激，最終導致慢性腸道炎症。患者腸道中的雙歧桿菌、黏液真桿菌（E. limosum）、嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila，大家熟知的Akk菌）和梭菌簇XIVa等細菌物種的丰度可以作為炎症性腸病的潛在生物標誌物。各種基於腸道微生物的治療策略，包括益生菌、益生元和糞菌移植等，表現出治療炎症性腸病的巨大潛力。
膳食纖維為腸道有益微生物的生長和繁殖提供能量。補充低聚果糖可以增加腸道有益微生物的比例，比如乳酸桿菌和雙歧桿菌，同時伴隨著抗炎症的IL-10水平升高。表達TLR-2和TLR-4的樹突狀細胞的比例也顯著增加，表明黏膜樹突狀細胞的功能也得到了有益的改變。因此，果聚糖不僅能夠有益地調節胃腸道菌群，還能減輕胃腸道症狀，增強腸道免疫功能和減少腸道炎症。
麥麩（阿拉伯木聚糖的一種來源）、纖維素和β-葡聚糖等也對炎症性腸病患者有益。研究也報道了麥麩可以幫助預防結腸癌，所以經常使用麥麩對IBD患者可能是有益的。麥芽食品含有富含谷氨醯胺的蛋白質和纖維素、半纖維素和木質素等膳食纖維，可以促進腸道黏膜的生長和修復。這可能涉及谷氨醯胺和膳食纖維之間的相互作用，它們可以發揮協同作用，以減少腸易激綜合徵患者胃腸道相關的症狀。
腸道微生物發酵膳食纖維產生的短鏈脂肪酸在炎症性腸病中起重要作用。潰瘍性結腸炎患者中，產丁酸的細菌數量有所減少，比如人羅斯氏菌（Roseburia hominis）和普氏棲糞桿菌（Faecalibacterium prausnitzii）。短鏈脂肪酸通過增加腸道中非致病性微生物的比例來調節腸道炎症。丁酸已經被證明可以調節一系列的生理過程，包括跨腸道上皮的體液運輸、改善腸道炎症和氧化應激、增強腸道防禦屏障、調節腸道運動。丁酸通過抑制組蛋白去乙酰化酶和促進初始T細胞向調節T細胞的分化來發揮抗炎症和抗腫瘤的作用。丁酸還能通過誘導抗炎細胞因子的產生來改變樹突狀細胞的成熟。因此，丁酸對腸道黏膜的免疫調節作用可能有助於減輕炎症性腸病的活動性和維持病情緩解。
炎症性腸病患者腸道中的梭菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌和鏈球菌的數量有所減少。給患者補充這些細菌可以誘導調節T細胞的產生，抑制腸道炎症，減輕過敏症狀。某些細菌菌株，比如乳酸桿菌，通過其細胞壁肽聚糖與宿主樹突狀細胞相互作用，來促進抗炎症的環境。另一種機制涉及到某些物質的產生，比如干酪乳桿菌產生的lactoceptin，它可以降解多種與細胞遷移相關的趨化因子，從而抑制淋巴細胞的浸潤。
癌症
癌症是世界範圍內死亡的主要原因之一，它是由調節細胞增殖和凋亡的基因的遺傳和表觀遺傳改變引起的。飲食因素約佔所有癌症的三分之一。根據許多流行病學和實驗研究，人們通常建議在日常飲食中補充膳食纖維，以降低結腸癌的發生率。
膳食纖維對結腸癌的預防作用可能是由於其直接作用或在細菌發酵過程中產生的有益短鏈脂肪酸。膳食纖維可以增加糞便體積，稀釋糞便致癌物，從而減少致癌物與黏膜細胞的接觸。膳食纖維還能幫助排出腸腔內的致癌物，降低結腸中糞便的pH值，從而提供一個健康的腸道環境。pH值的降低可以減少有毒化合物的形成，比如多肽降解產生的氨、胺和酚類化合物，降低結腸中有害細菌的活性。
短鏈脂肪酸對腸道上皮細胞具有營養作用。乙酸、丙酸和丁酸這三種短鏈脂肪酸都被證明能夠改變腸道內環境平衡，丁酸是主要的影響因素。丁酸通過抑制細胞增殖和刺激細胞分化來促進腫瘤細胞向非腫瘤表型的逆轉。給大鼠飼餵抗性澱粉後，腸道丁酸的產生增加，可以減少偶氮甲烷誘導的結腸腺癌的負擔。此外，口服產丁酸的溶纖維丁酸弧菌可以增加丁酸的水平，從而減少二甲基肼處理的小鼠結腸和直腸的異常隱窩病灶的形成。這些都表明膳食纖維和腸道菌群在癌症預防中的作用。
丁酸的作用是通過組蛋白去乙酰化酶的轉錄調控所介導的，導致組蛋白的高度乙酰化，從而改變細胞週期和凋亡調控蛋白的表達。這導致細胞週期依賴性激酶抑制蛋白的轉錄增加，從而導致細胞週期在G1期停滯。丁酸還可能通過抑制衰變加速因子和促腫瘤轉移的金屬蛋白酶的表達而對腫瘤細胞具有細胞毒性作用。丁酸還能通過調節血管生成相關的蛋白，比如血管內皮生長因子和低氧誘導因子1α，來抑制腫瘤誘導的血管生成。乙酸和丙酸也具有預防腫瘤發生的作用，它們可以通過類似於丁酸的機制減少人類結腸癌細胞的生長和分化。
慢性炎症是腫瘤形成過程中不可缺少的環節。一些致病性的細菌可以促進炎症和增加癌症發病率。然而，某些有益細菌可以通過產生抗炎症的短鏈脂肪酸來改變腸道微環境。乙酸可以減少促炎介質的釋放，比如腫瘤壞死因子、IL-6，促進外周抗體的產生。同樣，丙酸也可以抑制促炎細胞因子的生產和誘導細胞凋亡。除了對細胞增殖和分化的影響外，丁酸在炎症反應中也起著至關重要的作用。丁酸可以抑制NF-κB的活性，這是參與炎症和腫瘤轉移過程的主要轉錄因子，NF-κB的活性降低進一步導致其下游目標的表達減少，比如髓過氧化物酶、環加氧酶-2、黏附分子和炎症性細胞因子。
除了結腸癌，膳食纖維還被認為在預防乳腺癌和其它與雌激素有關的癌症方面發揮作用。全穀物和麥麩中的膳食纖維可以通過與雌激素結合以及幫助胃腸道中雌激素的清除，來幫助預防乳腺癌。此外，膳食纖維還可以通過改變腸道菌群來影響循環中雌激素的濃度，雌激素在這些腸道細菌的作用下被代謝並從體內排出。
肥胖和糖尿病
現在，肥胖和2型糖尿病的發病率已經達到了流行病的程度，在全球引起了越來越多的關注。這些疾病發生的主要風險因素包括久坐不動的生活方式和過多的熱量攝入等。大量研究表明，膳食纖維對調節體重和肥胖具有有益作用。富含膳食纖維的飲食可以改善健康體重者和肥胖型糖尿病患者的胰島素敏感性和葡萄糖耐量。
膳食纖維對肥胖發生的影響是由於其在能量穩態中的作用。膳食纖維低熱量，但可以讓人產生飽腹感。此外，可溶性膳食纖維可以影響代謝過程。研究表明，可溶性纖維，比如燕麥、β-葡聚糖等，具有治療糖尿病和肥胖的潛力。β-葡聚糖降低血糖的能力可以歸因於延遲胃排空，這可以降低食慾和減少食物的攝入量。在分子水平上，β-葡聚糖可以激活PI3K / Akt信號通路，刺激肝臟中糖原的合成。PI3K/Akt信號通路的抑制參與2型糖尿病的病理發生。
腸道菌群也是肥胖流行的一個關鍵決定因素。胖人和瘦人的腸道菌群組成差異很大，胖人的擬桿菌門細菌減少，厚壁菌門細菌相應增加。熱量限制和胃旁路手術減輕體重可以逆轉這一比例。腸道菌群與肥胖有關的另一個證據來自這樣一個事實，即無菌動物比擁有正常菌群的同類動物要瘦得多。此外，給無菌動物移植來自胖人的腸道菌群表現出更高的總身體脂肪積累。腸道菌群通過抑制一種叫做禁食誘導脂肪因子的脂蛋白脂肪酶抑制劑，使脂蛋白脂肪酶活性增加，從而增加肝臟脂肪生產，促進脂肪積累。
短鏈脂肪酸在膳食纖維和腸道菌群之間的關係中處於中心地位，是能量代謝的關鍵介質。丙酸調節肝臟脂肪生成和糖異生，而乙酸通過轉化為乙酰輔酶A成為膽固醇合成的底物。另一方面，丁酸是結腸上皮細胞產生能量的首選底物，對腸道健康有益。腸道糖異生作用對葡萄糖和能量穩態具有有益的影響。丙酸和丁酸可以通過不同的機制刺激腸道糖異生作用。丁酸可通過cAMP依賴的機制誘導參與腸道糖異生的基因表達，而丙酸本身就是腸道糖異生的底物，通過腸腦神經迴路激活基因表達。琥珀酸是另一種腸道細菌發酵膳食纖維的產物，它也是腸道糖異生的底物之一。給小鼠腸道定植產琥珀酸的糞便普雷沃氏菌（Prevotella copri）對宿主的新陳代謝具有有益的影響。
丁酸還會影響腸道5-羥色胺的水平，從而影響腸道通透性、通過增加飽腹感調節體重和食物攝入量。
在肥胖個體中，短鏈脂肪酸通過增加上皮細胞中多肽YY和胰高血糖素原的合成以及使食慾減退的激素瘦素的合成，降低促進食慾的激素胃飢餓素的水平，來增加能量消耗和飽腹感。短鏈脂肪酸受體GPR43/FFAR2和FFAR3/GPR41在腸道內分泌L細胞中表達，刺激多肽YY和胰高血糖素樣肽-1的釋放，這是使食慾減退和促進胰島素分泌的腸道激素。FFAR2主要由丁酸和乙酸激活，促進腸道分泌胰高血糖素樣肽-1，抑制脂肪組織中的脂肪積累，導致胰島素敏感性增加。乙酸還可以通過激活三羧酸循環，改變下丘腦食慾調節神經肽的表達譜，從而降低食慾。總之，結腸中短鏈脂肪酸的增加可以刺激不同器官和組織部位的大量激素和神經信號，從而逐漸抑制食慾和能量攝入。
肥胖和2型糖尿病中的胰島素抵抗是由肥胖相關的低度炎症引起的。腸道菌群通過產生LPS影響腸道的炎症過程。LPS是由致病菌產生的代謝性內毒素，通過激活先天免疫系統而引起炎症。健康人體的全身性LPS水平很低，但是在肥胖者體內的濃度卻增加了，這就是代謝性內毒素血癥。短鏈脂肪酸可以抑制NF-κB的活性，進而導致促炎症因子的產生下降，從而減少胰島素抵抗和改善2型糖尿病。
腸道菌群可以發酵膳食纖維產生短鏈脂肪酸發揮有益作用，膳食纖維也可以通過影響腸道菌群的組成而發揮健康益處。給2型糖尿病患者補充大量不同的膳食纖維可以選擇性地促進一組產短鏈脂肪酸的腸道細菌的富集，從而降低血糖。這一組細菌的多樣性和豐度越高，患者的糖化血紅蛋白水平改善越多，也就是血糖改善越好。
非酒精性脂肪肝
非酒精性脂肪肝是指無過量飲酒史和排除其它明確的損肝因素所致的肝細胞內脂肪過度沉積為主要特徵的臨床病理綜合徵，病理過程由輕到重包括單純性脂肪肝、脂肪性肝炎、脂肪性肝纖維化和脂肪性肝硬化4個階段。關於非酒精性脂肪肝的發病機制，“二次打擊”學說被廣泛接受。第一次打擊是胰島素抵抗導致脂肪堆積，進而導致肝臟脂肪變性；第二次打擊是不同的肝臟病原體引起的氧化應激和促炎細胞因子的增加導致肝細胞損傷。然而，最新的研究發現，腸道菌群也是非酒精性脂肪肝發病的重要因素。
在解剖學上，肝臟與腸道通過肝門靜脈系統相連，腸肝軸在非酒精性脂肪肝的發生發展中起著至關重要的作用。非酒精性脂肪性肝炎患者的糞便中含有較多的球形梭菌（Clostridium coccoids），而擬桿菌和普氏菌的含量較低。腸道細菌在很大程度上調節腸道通透性、免疫反應和脂質代謝。證據表明，腸道微生物通過抑制禁食誘導脂肪因子和增加脂蛋白脂肪酶活性，導致甘油三酯的積累；它們還通過FXR/TGR5信號通路調節膽汁酸代謝。此外，腸道細菌還會影響膽鹼的代謝，這是一種主要的抗脂肪肝因子，通過極低密度脂蛋白清除肝臟中多餘的脂肪。微生物酶可導致膽鹼合成有毒性的甲胺，進一步加重炎症性肝損傷。此外，細菌還會產生許多肝毒性物質，包括乙醇。乙醇代謝進一步產生乙酸和乙醛，它們分別參與脂肪酸合成和氧化應激介導的肝損傷。
因為腸肝軸參與非酒精性脂肪肝的發病過程，所以益生菌和益生元是治療非酒精性脂肪肝的較好選擇。已有研究表明，雙歧桿菌數量的增加與肝脂肪變性的減少有關，從而導致體重減輕和胰島素敏感性的改善。使用益生菌和益生元組成的合生元可以改變腸道菌群，降低內毒素水平，減少腸道毒素的產生和吸收。長雙歧桿菌和低聚果糖連用可以顯著降低TNF-α、血清內毒素、谷丙轉氨酶、穀草轉氨酶、C反應蛋白水平，減少肝臟脂肪變性。
結論
世界衛生組織建議每日膳食纖維的攝入量不應低於25克。當每日膳食纖維攝入量在25-29克之間時，各種疾病風險的降低最為明顯；每天攝入超過29克會帶來更好的效果。然而，根據2016年《中國居民膳食纖維攝入白皮書》顯示，中國居民膳食纖維攝入普遍不足，且呈下降的趨勢。
腸道細菌的生存依賴於膳食纖維發酵獲得能量，膳食纖維發酵也產生一些重要的代謝產物，比如短鏈脂肪酸，對宿主的健康產生有益影響。膳食纖維通過促進腸道有益細菌的存活、生長和繁殖以及產生特定的有益代謝產物，在許多疾病的預防和治療中表現出巨大的潛力。既然膳食纖維對我們如此重要，擁有這麼多的健康益處，確保足夠的膳食纖維攝入是十分重要的，膳食纖維應該是健康均衡飲食不可缺少的一部分。
我們可以食用以下列出的富含纖維的食物，以滿足我們的日常需求：
- 穀物，例如麩皮、小麥、燕麥、高粱、小米、藜麥和糙米等；
- 豆類，例如黃豆、綠豆、紅豆、豌豆、芸豆、蠶豆和豆芽等；
- 蔬菜，如芹菜、韭菜、花椰菜、紅薯、胡蘿蔔、西蘭花、四季豆、甜菜根、綠葉蔬菜、白菜、黃瓜、西葫蘆、蘿蔔、番茄、辣椒、茄子、洋蔥、扁豆、香菇等；
- 水果，比如蘋果、梨、李子、橙子、石榴、獼猴桃、杏、芒果、無花果、棗和菠蘿等；
- 堅果，比如杏仁、核桃、松子、開心果、榛子、花生等；
- 種子，包括奇亞籽、亞麻籽、南瓜子、葵瓜子、西瓜子、芝麻等。
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