《食品科学》：哈尔滨商业大学刘颖教授、张娜教授等：全谷物在疾病调控中的作用和分子机制研究进展

近年来，众多肠道微生物菌种的组成及差异性研究与代谢组学协同研究表明，糖尿病、肥胖症、炎症性肠病及肠道癌变等疾病的发病率日益升高与肠道微生物菌群的失调有极大关联。饮食是影响人体肠道微生物菌群组成及功能性的主要因素。通过饮食调节肠道微生物菌群是目前极具潜力的调节人体疾病及肠道微生物菌群组成及功能性的方法。

近年来，诸多研究证明全谷物中的功能性活性物质或经胃肠道消化、吸收、代谢后其产生的代谢产物，可通过调节肠道微生物菌群的组成或功能性，对人体健康的异常损害或疾病发挥有益的调节作用（图1）。哈尔滨商业大学食品工程学院的刘 颖、张云亮*、张 娜*等主要阐述全谷物如何通过调节肠道微生物菌群或利用全谷物中的功能性物质发挥其对疾病调控的作用及调控的分子机制，旨在为日后全谷物的广泛应用及深入研究提供理论依据。

1、全谷物改善人体疾病的作用和分子机制

全谷物对糖尿病的调节作用及分子机制研究

全谷物对糖尿病的调节作用：在全球消费的膳食蛋白质来源中占较大比例的是谷物食品，特别是对发展中国家而言，从可持续的角度来看，藜麦、奇亚籽、苦荞、莲子等谷物更适合挖掘具有潜在抗糖尿病作用的生物活性物质。仇菊等研究了苦荞中可溶性膳食纤维（SDF）与不溶性膳食纤维（IDF）对于糖脂代谢的调控作用，研究结果表明，两者对小鼠血糖及血脂的代谢均有调控作用，但相同浓度下SDF调控降血糖作用强于IDF，且通过研究实验小鼠肠道内容物中短链脂肪酸（SCFAs）含量表明，SDF与IDF均可提高肠道微生物菌群发酵产生SCFAs的能力，进而改善小鼠的糖脂代谢紊乱现象。

全谷物对糖尿病调节的分子机制：全谷物及其生物活性因子对于调控糖尿病及糖脂代谢紊乱的研究已成为代谢疾病研究方向的重点，而全谷物调节糖尿病的生物活性物质及具体的代谢通路和基因表达，尤其吸引学者的注意。Zhang Xinwen等研究发现全谷物膳食纤维的摄入有益于预防代谢综合征，其评估了米糠膳食纤维中结合酚的存在与否对调节糖尿病/小鼠葡萄糖代谢的影响，研究发现该饮食干预可以激活骨骼肌中的IRS-1、蛋白激酶B（Akt）、葡萄糖转运蛋白4胰岛素信号转导途径，并通过调节肠道菌群失调和富集Lachnospiraceae和瘤胃菌科（Ruminococcaceae）的丁酸类细菌来改变肠道菌群，从而降低血糖水平。洪雪珮等通过研究薯蓣粥对T2DM大鼠肠道菌群及血糖的研究结果表明，T2DM患者的肠道菌群中致病菌芽孢杆菌（Bacillus）和变形杆菌（Proteus）的丰富度增加，导致机体肠道微生物菌群紊乱，而薯蓣粥干预下的T2DM大鼠肠道菌群的Firmicutes、Fusobacteria、阿克曼氏菌（Akkermansia）丰富度明显上调，且微生物操作分类单位（OTUs）增加。增加的菌种能够促进发酵过程中SCFAs的产生，进而改善糖尿病症状，且通过研究发现薯蓣粥能明显调控T2DM大鼠胰岛素水平及血糖水平，亦对薯蓣粥可能影响降血糖信号通路进行了分析。

全谷物对肥胖症的调节作用及分子机制研究

全谷物对肥胖症的调节作用：肥胖已经成为世界范围内严重的公共健康问题。全世界肥胖和超重人口（分别为5亿和14亿）庞大，且近年来一直在上升。据估计，2030年肥胖人口将超过10亿。作为一种代谢障碍，肥胖与多种疾病密切相关，如慢性炎症、T2DM、高血压、冠状动脉疾病、心血管疾病和癌症。人体肠道微生物作为人体内最大、最复杂的生态系统，参与营养代谢和能量调节，从而调节宿主的整体健康状况。研究表明，人体肠道微生物菌群与肥胖的发生发展密切相关。饮食是通过调节肠道微生物菌群影响宿主代谢的关键因素之一。同时，益生菌和益生元治疗也可用于肥胖症和几种相关代谢紊乱的管理。全谷物中有几种可作为益生元的生物活性物质，如从荞麦中提取的抗性淀粉、从燕麦和大麦中提取的β-葡聚糖、小米中的可溶性膳食纤维。越来越多的研究表明，这些益生元可以通过调节肠道微生物菌群来改善肠道完整性和宿主代谢、预防肥胖、缓解慢性炎症。

全谷物对肥胖症调节的分子机制：近年来，肥胖症患者数量持续上升，且越来越趋向于青年化，因此，研究导致肥胖及其并发症的机制对于新的治疗和预防策略至关重要。付南燕等通过全谷物中膳食纤维干预小鼠肥胖研究发现，摄入谷物膳食纤维的小鼠肝脏和血清中甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）含量及血清中天冬氨酸转氨酶（AST）、丙氨酸转氨酶（ALT）的活性均下降，肠道中优势菌群与有益菌群的丰富度显著提升，进而使SCFAs的含量提升，降低了胆固醇合成相关蛋白Cyp7a1的表达水平，促使肥胖症状的改善。

全谷物对炎症性肠病的调节作用及分子机制研究

全谷物对炎症性肠病的调节作用：炎症性肠病是一组病因尚未阐明的慢性非特异性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病。炎症性肠病与结直肠癌风险的增加直接相关，但是目前没有有效的方法来治疗，且长期使用传统的免疫抑制剂进行炎症性肠病治疗可能会导致癌症的发病率更高。张伊等通过对比精加工米粉、全谷物米粉、精加工面粉、全谷物面粉对高脂饮食干预大鼠的炎症发生状况统计研究发现，相比精加工制品，全谷物米粉与面粉均显著降低了血清中促炎细胞因子IL-6和IL-1β的含量，该结果与前人研究全谷物经肠道微生物菌群发酵产生SCFAs，进而抑制炎症的作用结果相符，该研究也为全谷物食品的推广提供了依据。

全谷物对炎症性肠病调节的分子机制：UC是从直肠向近端延伸的不同程度的黏膜炎症，炎症部位通常与黏蛋白耗竭和上皮屏障完整性丧失有关。虽然UC的完整病因尚未完全了解，但研究表明，宿主对肠道微生物菌群的免疫反应紊乱可能是该疾病进展的主要因素。肠道微生物菌群通过影响管腔环境与宿主上皮细胞相互作用在宿主健康中发挥作用。微生物对健康的影响可以来源于膳食纤维的发酵、肠道运动和酸碱度的改变，以及对入侵病原体的保护和改善紧密连接的完整性发挥作用。膳食纤维发酵产生的代谢物SCFAs，可影响基因表达、细胞分化，并在结肠上皮中具有抗炎活性。反复发作的肠道炎症会损害上皮屏障功能，从而使细菌和抗原从内腔进入体内。因此，抑制结肠细胞增殖、参与上皮细胞迁移和屏障恢复的蛋白质表达，如转化生长因子β和三叶因子3，对于修复病变和保持上皮屏障完整性至关重要。此外，Toll样受体信号通路的干扰也会影响上皮细胞的增殖和凋亡。

全谷物对肠道癌变的调节作用及分子机制研究

全谷物对肠道癌变的调节作用：研究人员使用化学诱导的动物模型实验研究表明，饮食中全谷物，如大麦、全麦和燕麦的摄入，可以降低结肠癌和直肠癌的风险。最近，美国研究人员经过15 年跟踪研究证实，来自全谷物的纤维，而不是来自其他来源的纤维在抑制癌变中起作用，特别是对于结肠癌和直肠癌。Idehen等研究发现全谷物大麦含有的多种植物化学物质（酚酸、类黄酮、木脂素等）具有很强的抗氧化和抗癌能力。Toden等基于前人研究（摄入酪蛋白或含有高度可消化淀粉的大鼠结肠细胞DNA损伤水平增加及结肠黏液层变薄），利用高直链玉米淀粉（HAMS）探讨其对大鼠结肠细胞DNA损伤的调控作用，研究发现10%的HAMS即可抵抗大鼠结肠细胞DNA损伤，并显著增加盲肠和粪便中的SCFAs含量，且粪便SCFAs含量随饮食中HAMS含量的增加而增加，结肠细胞的DNA损伤与盲肠SCFAs含量负相关，尤与盲肠中丁酸含量的相关性最强，该结果亦可能是由于HAMS的摄入，极大地调整了大鼠肠道微生物菌群的改变，使促进HAMS发酵产生SCFAs的菌种丰富度增加，进而促使大鼠结肠细胞DNA损伤情况减轻。

全谷物对肠道癌变调节的分子机制：摄入全谷物与肠道癌变的风险有密切的关系，但这种病变的分子调节机制尚待探索。在涉及全谷物保护作用的机制中，由膳食纤维介导的缩短粪便通过时间、稀释和去除致癌物（尤其是杂环胺）、维持上皮细胞完整性和刺激细菌发酵SCFAs产生等可能是其发挥保护作用的可能机制。Zhang Bowei等研究结果表明，食用小米可以减轻小鼠结肠炎症，降低氧化偶氮甲烷/DSS诱导的结肠炎相关性直肠癌的风险。这种调节作用是通过激活AHR和谷丙转氨酶以及抑制谷丙转氨酶的微生物代谢产物磷酸化来实现的。该研究为炎症性肠病和早期结肠癌、直肠癌患者建立更好的饮食模式提供了有用的信息，但还需要进一步的研究来讨论不同种类的谷物在动物模型和临床试验中对结肠癌、直肠癌进展的化学保护作用。

结 语

未经精加工的全谷物富含多种营养物质，其中的膳食纤维、抗性淀粉、多糖、酚类等功能性物质经人体消化及肠道微生物菌群发酵利用后，对于人体常见疾病的改善及预防均有重要作用。综合以上研究，全谷物对糖尿病、肥胖症、炎症性肠病及肠道癌变等病症的调节及影响，使全谷物饮食在改善以上疾病病症及人体肠道健康等方面成为可能。目前已知的多种全谷物的功能性成分对肠道微生物菌群组成和多样性的影响及对某些基因表达水平的调控具有重要意义，被认为是调节人体疾病及肠道功能健康的有效方式。因此，全谷物可通过日常饮食来控制人体健康，从而避免药物治疗的副作用。全谷物参与肠道微生物菌群代谢及功能性物质与肠道微生物菌群间的相互作用机制尚未有明确的研究，且更多全谷物对于人体疾病的调控作用和其相关生物活性物质在人体内的功效活性研究尚未透彻，还需研究者在基因表达水平的调控及对蛋白质组学影响等方面对全谷物对疾病调节分子机制开展更深入的研究。未来，全谷物将在功能性食品开发、代谢疾病的预防、肠道微生物菌群的调控等方面发挥积极的主导作用。

作者简介

01

张娜，哈尔滨商业大学食品工程学院副院长、教授，博士生导师，黑龙江省领军人才梯队后备带头人，哈尔滨商业大学谷物化学与粮油食品开发团队带头人。担任中国食品科学技术学会理事会、青年工作委员会副秘书长，中国粮油学会食品分会常务理事，黑龙江省粮油学会副理事长，黑龙江省食品科学技术学会秘书长兼青年工作委员会主任，国内外多家期刊编委、审稿人。

主要从事谷物化学与粮食高值化利用研究，先后主持并完成国家自然科学基金、 “十二五” 农村领域国家科技计划课题子课题、黑龙江省应用技术项目等国家、省级项目共计14项，目前主持国家自然科学基金面上项目，中央财政支持地方优秀青年人才支持计划项目，黑龙江省重大专项等项目。先后获黑龙江省科技进步奖二等奖1项，黑龙江省高校科学技术奖一等奖1项、二等奖1项、三等奖1项，黑龙江省自然科学技术成果奖一等奖 1 项、三等奖 2 项，中国商业联合会科技进步奖二等奖1项。荣获黑龙江省委教育工委优秀共产党员，中国科协全民科学素质工作先进个人，中国食品科学技术学会杰出青年奖，黑龙江省青年科技奖，哈尔滨市青年科技奖等荣誉称号。发表论文165篇，其中SCI/EI 收录 48篇，主编、副主编《食品安全与卫生》、《食品安全》等著作8 部。

02

刘颖，哈尔滨商业大学教授，博士生导师，国家食品药品监督管理局首批餐饮服务食品安全专家，黑龙江省绿色食品工业诊断专家咨询委员会专家，《食品工业科技》学术期刊编委。

主要从事大豆、谷物及农产品综合利用研究工作。先后主持、作为主要成员参与完成了国家自然科学基金委员会青年科学基金、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家十二·五科技支撑计划项目、黑龙江省科技攻关重大项目及黑龙江省自然科学基金项目等项目共计25项。在国内外学术期刊上发表相关论文100多篇，其中SCI收录10篇。主编、参编著作18部。

03

张云亮，男，在读硕士研究生。

2017-2021年就读哈尔滨商业大学食品工程学院生物工程专业，导师：刘颖教授，窦博鑫高级工程师，研究方向为谷物营养功能因子研究。

2021- 就读于江南大学生物工程学院-未来食品科学中心，发酵工程专业硕士研究生，导师：周景文教授，研究方向为微生物代谢工程及合成生物学。

主要从事全谷物营养代谢、肠道菌群及微生物代谢及合成生物学研究，在读本科期间先后多次获国家级、校级奖学金，校级、院级三好学生，在多项比赛中取得奖项，主持黑龙江省省级大学生创新创业项目1项，并以优秀项目结题，参与黑龙江重大专项、黑龙江省教育厅项目各一项。以第一作者及参与作者身份发表论文16篇，其中SCI收录 3 篇，EI收录1篇。

本文《全谷物在疾病调控中的作用和分子机制研究进展》来源于《食品科学》2022年43卷9期317-325页，作者：刘颖，张云亮，窦博鑫，王子妍，张智，张娜。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210201-019。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网。