功能食品科学与消化道的生理及功能(一)

　　发展功能食品最有前景的部分在于通过生物制剂调节消化道功能。为了解功能食品的潜在价值及寻找新的开发点，有必要研究人体正常肠道微生物及其发酵、肠道免疫功能和消化道相关疾病。

　　2　消化道微生物群：生理和功能

　　2.1　正常微生物群（GIBSON&MACFARLANE，1995）

　　在消化道的不同部位，细菌的数量和菌落结构是不同的。整个胃内的菌落计数低于103／g（内容物），这是由胃内较高的酸度决定的。而小肠的菌量则从每毫升内容物的104个到回盲部的106～107个，限制小肠内细菌生长的主要因素是肠内容物的排空速度及胆汁和胰液的分泌。大肠是一个密集的微生态系统，通常有几百种细菌，典型菌量为(1011～1012)/g，大部分为严格厌氧菌。

　　结肠内的多数菌为非芽胞厌氧菌，包括类杆菌、双歧杆菌、优杆菌等。从数量上来说，人类和动物肠道中最重要的细菌是类杆菌和双歧杆菌，它们分别占肠道厌氧菌总计数的30%和25％。其中革兰阴性的类杆菌属在数量上占绝对优势，此属包括水解蛋白及水解糖的两种菌。革兰阳性非芽胞杆菌中，以下几种为优势菌：严格厌氧的优杆菌，双歧杆菌，它们在母乳喂养的婴儿肠道中占优势；乳杆菌在温血动物肠道中数量、品种繁多，但其生态学特性还不清楚。

　　芽胞杆菌和球菌也定居于肠道，其中芽胞梭菌最常见。兼性厌氧和严格厌氧的革兰阳性球菌在数量上也很重要，如严格厌氧的消化链球菌，兼性厌氧的链球菌等。

　　大肠微生物在出生时获得。最初，兼性厌氧菌占优势，随后受饮食习惯的影响，形成不同的菌群结构。母乳喂养的婴儿粪便中的优势菌为双歧杆菌；而配方奶粉喂养的婴儿肠道微生群则较复杂，以双歧杆菌、类杆菌、芽胞梭菌和链球菌为主。断奶后，成人的菌群模式就建立起来了。

　　肠道微生物群的主要作用是通过发酵将上消化道未消化的糖转化为能量。发酵的基质主要是饮食中未被上消化道消化的糖，包括抗性淀粉、非淀粉性多糖（NSP），如：纤维素、半纤维素、果胶、胶。其他可被发酵的糖：非消化性寡糖、各种糖和糖醇（ sugar alcohols）。此外，蛋白质和氨基酸则是肠球菌的生长基质，包括弹性硬蛋白、胶原和白蛋白。成人结肠每天获得的所有基质包括20g～60g糖和5g～20g蛋白质。

　　细菌在结肠的活动存在部位的差异。右（近端）结肠特点是基质充足、pH值较低（发酵产酸所致）、排空迅速;而左（远端）结肠则基质浓度低、pH值接近中性，细菌生长缓慢。近端结肠具较好的糖水解环境，而远端结肠则有较好的蛋白水解环境。

　　除了发酵功能，大肠微生物在健康中还扮演其它角色。肠道微生物的繁殖构成了防止肠道致病菌入侵的肠道防御屏障的基础，它与免疫系统一起执行肠道的防御功能。此外，肠道菌还可合成维生素（主要为维生素B和K）。因此通过饮食来调节肠道菌群成为发展功能食品的极好途径。

　　2.2　发酵和短链脂肪酸（BINDER， et al.1994；CUMMINGS，1995；CUMMINGS， et al．1995）

　　发酵促进了细菌的生长（生物量），同时产生短链脂肪酸（SCFA）、H2、CO2、CH4。SCFA是细菌发酵的主要终产物，是人和哺乳动物后肠（横结肠2/3位置以下的结肠）的主要阴离子，包括乙酸、丙酸、丁酸。支链脂肪酸如异丁酸／戊酸盐等则由氨基酸发酵产生。细菌代谢蛋白质所产生的其他终产物还有：NH3、吲哚、酚和胺。

　　大肠内的SCFA可通过检测血中水平来观察。然而，仅乙酸在外周血中明显出现，并在时间和数量上与大肠中的基质发酵相关。

　　2.2.1　生理和健康

　　所有的SCFA均可在后肠被迅速吸收，并促进水、盐的吸收。随后主要在消化道上皮、肝脏和肌肉中代谢，极少出现在尿中，大便中有少量。

　　SCFA最重要的性质是对肠上皮的营养作用。三种SCFA对大肠均有营养作用，其中以丁酸最为有效，而丙酸最差。对接受肠内和肠外营养的病人来说，SCFA注入后肠所起的营养和维持粘膜防御屏障的功能具有重要意义，尽管其机理尚未研究清楚。

　　2.2.2　乙酸

　　乙酸是肠道的主要SCFA。被上皮细胞吸收后，进入门静脉血中，经肝至外周组织，最后在肌肉中代谢。动物研究表明，当门静脉血中乙酸降至一定水平时，肝脏会分泌游离乙酸；许多组织可吸收并利用乙酸，并且成为机体从未被小肠消化的糖中获取能量的主要方式。现证明发酵糖所产生的能量值是(6．3～8．4)kj／g。

　　2.2.3　丙酸

　　丙酸对以后肠发酵为主的人类来说并不重要，主要由肝脏清除，未发现它对人类的糖代谢有显著影响。

　　2.2.4　丁酸

　　丁酸是最重要的SCFA。除了对粘膜的营养作用外。还是结肠上皮的重要能量源，可调节细胞的生长和分化。丁酸几乎全部被结肠上皮细胞代谢并成为其主要能量来源。有研究显示溃疡性结肠炎患者缺乏丁酸代谢。

　　丁酸对细胞生长和分化的影响已成为研究重点。体外，丁酸具有浓度依赖性地减缓转化细胞的生长和促进分化标记表达的作用，因而引导细胞从肿瘤相向非肿瘤相转化。体外结肠细胞研究显示，长链脂肪酸导致肠细胞的活力降低和低分化，而丁酸则具相反作用。然而对大肠癌动物模型研究表明，丁酸可导致细胞反转（turnover），有些研究显示它可促进肿瘤形成。丁酸的促细胞增生功能也许并不具有病理学意义，它虽可促进肠腺基部细胞的增生，并由此营养粘膜细胞，但并不促进与结直肠癌有密切关系的表层腺细胞的增生；而且这些动物模型的致癌机理与人类癌症的相关性还存在许多质疑（见6．6部分）。已证实有几种基因表达受丁酸的影响并且丁酸反应因子存在于某些基因的上游因子（upstream element）中。

　　2.3　肠道微生物和上皮细胞之间的相互关系

　　虽然粘附于上皮细胞是细胞定植于肠道的一个重要因素，但允许某些菌种在肠道特定区域定植的机理尚不清楚。一个有趣的发现是：肠微生物群可影响上皮细胞结合相的表达，使其成为微生物粘附的受体。最近有论文报告：宿主的小肠上皮细胞对某些严格厌氧菌表达果糖结合糖（fucosylated glycoconjugates）。病原菌的粘附可因土著菌与宿主之间的“有益的双向对话”（ mutually beneficial crosstalk）而减少。用CaCo－2细胞株或悉生动物作为模型来系统研究粘附和感染，发现一种菌可诱导出相应的上皮细胞表面结构从而影响其他菌的粘附，这可作为防治肠道疾病的一个策略。因此，细菌对粘膜细胞的粘附是非常重要的，但其粘附及降解功能（degrading properties）有待于进一步的阐明。

　　2.4　健康菌群的概念

　　有些菌有益于健康，而有些菌却是有害的。这些致病菌可通过产生毒素而引起腹泻、粘膜破坏、肿瘤发生。如芽胞梭菌、减硫菌（sulfate reducer）等。

　　有益菌主要包括双歧杆菌和乳杆菌。这二种菌属中无任何明显致病的菌种，它们在母乳喂养的婴儿肠道中的优势地位可预防感染。在成人它们是肠道屏障功能和促进正常免疫功能的主要菌群。此外，细菌通过发酵与宿主形成共生的关系。

　　然而，肠道微生物是一群复杂的、互相作用的有机体，它们的功能是多种微生物共同活动的结果。因此，通过调节肠道菌群来增进健康从许多方面来讲都是可能的。

　　3　消化道免疫系统

　　3.1　肠相关淋巴组织(GALT)(BRANDTZAEG，et al. 1989)

　　首先，对正常人而言，接触消化道微生物的免疫系统是GALT。人肠道淋巴系统是机体最大的淋巴组织，包含超过106淋巴细胞／每克组织；此外人体每天产生的免疫球蛋白约60%被分泌到消化道。GALT是粘膜免疫系统（如消化道、呼吸道、口腔、泌尿生殖道、乳腺）的一部分，有其独特的细胞类型和免疫机制。肠道免疫系统的特性是由长期暴露于环境抗原以下所决定的，需对除饮食抗原以外的入侵抗原产生有效的免疫应答。肠道定植菌对食物蛋白和抗原的不同免疫应答可能在预防食物蛋白过敏反应中扮演重要角色。

　　3.2　免疫生理调节（BRANDTZAEG,1995）

　　粘膜免疫系统的不同部分构成了对外来抗原的特异性免疫应答。第一道防线是起免疫排斥作用的非炎症性IgA抗体。粘膜免疫系统的最有特征的部分是分泌性IgA。粘膜表面有大量的IgA产生，虽然IgGg、IgM、IgE也有分泌，但数量要少得多。消化道中的分泌性 igA是二聚体或多聚体。粘膜免疫系统中 IgA的主导地位是由位于GALT，尤其是特异性免疫应答的发生区-Peyer区的IgA选择性T细胞的调节功能决定的。分泌性IgA可抵抗肠腔内蛋白酶的水解，并且不会激活补体和产生炎症反应，这使IgA成为保护粘膜的理想物质。因此，分泌性IgA的主要功能是：配合非免疫性防御功能，并通过防止病原微生物对上皮细胞的粘附和穿入以及中和毒素及抑制病毒繁殖来介导对外来抗原的免疫排斥作用。

　　虽然GALT主要属于消化道的特异性免疫防御部分。但它也可算作“常规粘膜免疫系统”（common mucosal immune system):一种开始于GALT并可影响其它粘膜表面免疫应答的免疫系统。在Peyer区被激活的淋巴细胞可通过肠系膜淋巴结扩散，经胸导管入血，然后再回到粘膜固有层，与其他分泌性组织（包括呼吸道、泪腺、唾液腺、乳腺）相交通。

　　不同亚型的免疫球蛋白分泌细胞在人GALT的上、下部分布不同。小肠粘膜中以IgA1免疫细胞为主，结肠粘膜则以IgA2免疫细胞为主。

　　免疫清除是指清除已穿入肠粘膜的异抗原，这是第二道防御屏障，包括抗体如IgG和大量的介质如炎症性细胞因子，它们与局部炎症的病理有密切关系。属于特异性低应答状态的免疫调节作用导致了口服耐受性，因此对大量抗原如饮食抗原的低应答状态成为肠道免疫系统的特性。有人认为这是免疫排斥和系统性免疫应答被抑制的综合效应，但有争议。

　　3.4　抗原转化的调节（ISOLAURI，et al，1993）

　　肠粘膜除了屏障功能，还可有效地消化抗原。因此，绒毛上皮尤其是Peyer区，具有特殊的抗原转化机制。抗原被转移到粘膜的方式决定了免疫应答的结果。

　　多数抗原被功能良好的粘膜屏障排除在外，但具有重要免疫学意义的抗原成分却能通过它。抗原通过上皮层的转胞机制（ transcytosis）吸收，并被溶酶体降解。只有一个小通道允许未被加工的抗原通过，就是Peyer区，它被覆独特的上皮，抗原在此被迅速摄取并极少被降解。在健康状态下，由于细胞间的紧密结合，极少有大分子自细胞间漏出，因此抗原的转运被很好地控制，不会发生异常的抗原吸收。

　　有证据显示，在肠粘膜的吸收过程中，饮食抗原被转化为耐受原的形式。这个过程的破坏如肠道炎症，是食物过敏反应的主要原因。

　　3.5　肠道微生物和GALT之间的相互关系（MOREAU&COSTE,1993)

　　人类出生后，细菌在肠道中迅速定植，并成为抗原源和非特异性免疫调节因子。消化道菌群对免疫系统具双向调节作用，它们是引发特异性和局部免疫应答的抗原，影响着GALT细胞的数量和分布，并在免疫应答的调节中扮演重要角色。这些研究结果主要来自对无菌动物和悉生动物的研究，而对人的研究几乎没有，它们对了解不同菌群在消化道中起什么作用，以及功能食品对微生态平衡和免疫调节的作用有重要意义。

　　消化道菌群是主要的抗原性刺激因子，负责Peyer区前淋巴细胞的迁移和成熟。因此它影响着IgA浆细胞的生长和成熟。无菌鼠的IgA-浆细胞比正常对照组低10倍，显示从出生到断奶期的肠道微生物对正常成长期小鼠肠粘膜固有层IgA-浆细胞数量起决定性作用。

　　消化道菌群还调节局部和整体水平的特异性免疫反应。它使得机体对某种抗原的系统无应答状态得以维持，产生口服耐受性（因先前喂食过同种抗原），并促进霍乱毒素和大肠杆菌毒素介导的免疫耐受性消失（革兰阳性杆菌的性质之一）。还有研究显示肠道微生物可调节肠道IgA抗体对轮状病毒的反应。随着感染异种轮状病毒的成年无菌鼠实验模型的发展，实现了在细胞和粪便水平研究双歧杆菌促进肠道抗轮状病毒IgA抗体应答的作用。在整体水平，携带人双歧杆菌或酸乳酪中的两种菌株——保加利亚乳杆菌和链球菌的悉生鼠，血清中特异性抗体应答及腹膜吞噬细胞的吞噬功能均有所增强。

　　4　粘膜细胞的增生和分化(WRIGHT&ALISON,1984）

　　哺乳动物和啮齿动物的肠粘膜每2d～3d更新一次，维持肠粘膜尤其是粘膜腺体的结构，这是一系列因素平衡的结果。颈细胞（stem cells）的增生发生在肠腺的基部。当肠细胞迁移至胸腺后，它们分化、成熟、并具备吸收和分泌粘蛋白的功能。

　　4.l　分化

　　对人结肠组织的光镜和电镜研究表明颈细胞（stem cells)可分化成一系列细胞型，包括粘膜分泌细胞、柱状细胞和肠内分泌细胞。组化研究表明：大、小肠分化区和未分化区的分泌型糖蛋白的不同，显示出随着鼠和人杯状细胞的分化，糖结构发生了改变；且结肠粘膜分泌的粘蛋白与肿瘤组织及肿瘤形成初期的移行组织（transitional tissue）有显著不同。肿瘤的特性之一是低分化细胞的出现，因此能促进细胞分化的饮食治疗可能是有益的。

　　4.2　粘膜酶

　　Ⅰ相细胞色素P450酶和Ⅱ相药代谢酶如谷胱甘肽S-转移酶和UPD-葡萄糖醛酸转移酶均广泛分布于肠道。这些酶与诱变剂、前致癌物、甾体类及其他外源性和内源性的复合物的生物形成有关。通过饮食调节，可预防毒素和致癌物对组织的损害。在灭活期，谷胱甘肽S-转移酶非常重要。它以多种形式（π、μ、α）在多种组织中出现，并在保护组织免受致癌物和异生物（xenobiotics）的损害中扮演重要角色。谷胱甘肽S-转移酶的活性在结肠癌的病人中是较低的（与对照组相比）。

　　5　消化道功能和疾病（GRACEY,1993；SAVARINO&BOURGEOIS,1993）

　　急性消化道感染通常是自限的，其症状特征是腹泻和呕吐。主要病原体是病毒和细菌。细菌引起的感染常据其分泌肠毒素还是侵袭肠壁来分类；毒源性菌包括霍乱、肠致病性和肠毒性大肠杆菌等；典型的侵袭性菌主要包括志贺菌、沙门菌和侵袭性大肠杆菌。

　　轮状病毒是导致儿童急性腹泻的常见原因，主要见于婴儿和少儿，高峰期在6个月到2岁之间。轮状病毒侵袭小肠上皮高分化的具吸收功能的柱状细胞，并在那里复制。这导致因肠道微绒毛和绒毛的减少而引起的肠粘膜功能障碍。轮状病毒感染与小肠通透性增加有关，许多研究发现通透性的增加导致了大分子物质的吸收。局部的免疫炎症反应破坏了肠道的屏障功能，而屏障功能的破坏及不能有效地处理肠内抗原可能是急、慢性消化道功能异常的一个重要致病因素。

　　慢性消化道感染较少见，多由于肠道存在解剖学上的异常如盲袢、狭窄和瘘管。此外，结核菌感染肠道，主要在回盲部，慢性携带者多并发阿米巴病。

　　大肠土著菌可抵抗病原菌的侵袭，并成为人抗腹泻性疾病的防御功能之一。肠道菌群的这种屏障功能可被抗生素破坏，从而致抗生素相关性腹泻—常由产毒性菌种如艰难梭菌和败毒梭菌引起。

　　5.2　正常排便习惯(CUMMINGS,1993，1994）

　　排便习惯包括大便的量、频度和稠度，它在世界范围内存在极大的差异：便量从(100～400)g／d，频度从每天3次至每周3次不等。排便习惯主要受两个因素的影响：饮食和肠机械运动。影响排便习惯的食物是能到达大肠的食物，如非消化性食物：乳糖（乳糖酶缺乏的人）、糖醇、非消化性寡糖、抗性淀粉和非淀粉性多糖（NSP）。食物脂肪和蛋白对排便习惯几乎无影响，除非被处理成不被吸收的形式（如聚脂纤维蔗糖）。

　　非消化性食物主要通过发酵来影响排便习惯。不发酵的食物出现在粪便中，靠它们的固有重量和吸水性来增加便量（如麦麸及其他与肠壁接触的物质)。大多数到达大肠的食物会被发酵，产生可被吸收的短链脂肪酸，不会增加便量；产生H2和CH4可膨胀大便体积，但也不增加重量；发酵还可促进细菌生长，产生生物量，这是增加大便量的主要因素。最后一个因素需要引起注意的是肠内容物与肠机械运动之间的关系，大肠内容的增加，可促进肠道的机械运动，肠内容物越多，肠排空的速度就越快。

　　5.3　便秘

　　便秘是大肠机械运动（通常所说的大便次数）的异常，主要症状是排便困难、不适、直肠膨胀和不完全排空，患者整个消化道排空的时间延长。饮食因素是引起便秘的常见原因之一，尤其是低NSP饮食、无麦麸饮食、肠内营养。治疗单纯性便秘通常用饮食调节，原则是增加食物中的可发酵性糖，尤其是全麦中的NSP。因此饮食在控制排便习惯中扮演重要角色。

　　5.4　肠预激综合征（IBS）（TNOMPSON&HEATON,1980；THOMPSON&GOMBORONE，1993）

　　IBS是门诊消化道病中最常见的疾病之一，但对其的了解却甚少。IBS是整个肠道机械活动的异常，但以结肠症状为主，发病遍及世界，多见于妇女。它有两个主要症状：腹部疼痛和排便习惯的改变。

　　IBS的病因未明，但好发于痢疾或使用抗生素后。病人常诉说某些食品使他们不适，精神压力会加重症状。通常用麦麸及泻药治疗，但治疗结果相差很大。由于引起产气，有时甚至会加重症状，而对便秘型的病人则效果较好。由于IBS可能由结肠菌群失调引起，所以很多研究团体尝试用益生菌治疗，使肠道菌群正常化。

　　5.5　炎症性肠炎（PODOLSKY,1991;MACDONALD,1993;TYTGAT， et al．1995）

　　主要包括两种情况： Crohn氏病和溃疡性结肠炎，它们常发生于肠炎症性疾病后，并且均以消化道慢性炎症为特征，但有不同的病理学、临床过程、并发症和治疗方法。它们的病因不明。

　　5.5.1　Crohn氏病　此病可影响从口腔到肛门的整个消化道，好发于回盲部和结肠，炎症是局限的、间断的。常复发于肠切除术后的手术周围区域或肠吻合处。相关肠壁增厚、粘膜溃疡、狭窄和瘘管形成。口腔溃疡、肛周脓肿是其特征。组织学显示透壁性（transmural）炎症，伴随中性粒细胞、淋巴细胞聚集及粒细胞浸润。

　　该病发病广泛，遍及世界；发病的高峰年龄是29岁～30岁，其次是70岁～80岁；病因未明，但与基因、饮食尤其是糖有关。

　　饮食在治疗Crohn氏病中扮演重要角色。对常规治疗无效的病人，各种肠内、肠外养生术应运而生。这类治疗的原则是去除食物中的抗原以减轻炎症反应，减少机械和消化运动，给粘膜一个自身修复的机会。许多接受肠道养生术的病人在恢复正常饮食后常复发，因此建议病人避免进食能引起症状的食物，主要是谷类、乳制品和红肉。

　　5.5.2　溃疡性结肠炎　溃疡性结肠炎是一种引起出血性腹泻的大肠粘膜的慢性炎症。它是现代文明病之一，1909年首次被提出，并主要影响工业化人群。西方国家发病率约(40～120)例／10万人，无性别差异，好发年龄为20岁～40岁。

　　病因未知，但可能与基因有关，病人亲属的发病率比常人要高15倍。已知正常人结肠细胞利用丁酸代谢，而该病患者肠腔内却缺乏丁酸代谢，这点可能是其病因学的饮食因素。虽然S-复合物对丁酸氧化的抑制作用使饮食和结肠微生物可能成为此病的初始因子，但缺乏确切证据。

　　5.6　食物过敏（ Isolauri,1995）

　　食物过敏是机体对食物抗原的病理性免疫反应，可影响几个系统，症状通常出现于消化道、皮肤和呼吸道。尽管临床表现多样，但其致病有两个先决条件：饮食抗原必需穿过肠粘膜屏障，被吸收的抗原必需引起有害的免疫反应。婴儿免疫系统和消化道屏障功能的不成熟是婴儿较常发生食物过敏的原因。对食物过敏的病人，当变应原接触肠粘膜时，肠道出现炎症、通透性和抗原转运功能的异常；而接触非抗原性食物时，粘膜的屏障和转运功能是正常的。因此，肠道功能的破坏是由肠道对变应原的异常免疫应答引起的。