Nature Reviews：膳食纤维与胃肠健康和疾病
2020年11月，Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology发表一篇名为《Dietary fibre in gastrointestinal health and disease》的综述，详细剖析了膳食纤维的理化性质对其在胃肠道中作用的影响，重点阐述了膳食纤维可溶性、粘度和发酵性等特点，并回顾总结了膳食纤维在缓解胃肠疾病中的作用。
流行病学研究一直证明，通过食用未加工的天然食物，如全谷物、豆类、蔬菜和水果，膳食纤维对胃肠道健康有益。
对分离和提取的纤维进行的机理研究和临床试验已经证明了对肠道的调节作用（例如：消化和吸收、运输时间和粪便形成）和微生物作用（例如：肠道微生物群组成和发酵代谢产物的改变）对胃肠疾病有重要的影响。
在这篇综述中，详细介绍了膳食纤维的主要理化性质和功能特点，膳食纤维的重要性以及目前它们在治疗胃肠疾病中的应用证据。
不同膳食纤维的理化性质（例如：溶解度、粘度和可发酵性）因其来源和加工过程而有很大差异，这是决定其功能特征和临床应用的重要因素。
尽管了解这些关系的进展已经发现了膳食纤维的潜在治疗机会，但许多临床问题仍未得到解答，例如在临床症状管理和预防胃肠道疾病中所需的最佳剂量，纤维类型和来源的清晰度。新型纤维的使用和/或纤维的共同给药是尚待广泛研究的另一种治疗方法。
关键知识点：
1、在流行病学和干预研究中，膳食纤维已被证明与多种疾病的发展和管理以及死亡率相关，具有许多重要的联系。
2、膳食纤维具有决定其在胃肠道中功能的理化特性（例如：溶解度、粘度和发酵性），包括其对微量营养素的利用，肠道运输时间，粪便形成和微生物特异性的影响。
3、当前的膳食纤维推荐常常是有限的且相互矛盾的，并且不能在治疗包括肠易激综合征、炎性肠病、憩室病和功能性便秘在内的胃肠道疾病中提供特定类型和剂量。
4、未来的研究将考虑不同的物理化学特性对功能性的影响，这将有可能最大限度地改善胃肠疾病的临床症状。
膳食纤维的定义
世界卫生组织和食品法典（国际公认的标准、准则和操作规范的集合）所定义的膳食纤维包括在小肠中既不被消化也不被吸收并且聚合度（DP，Degree of Polymerization，衡量聚合物分子大小的指标）为十或十以上的所有碳水化合物。
欧洲食品安全局（EFSA）和FDA对膳食纤维进行了更宽泛的定义，以包括所有在小肠中既不被消化也不被吸收并且具有三个或三个以上单体单元DP的碳水化合物。
EFSA和FDA均规定，植物细胞非固有的合成纤维和提取纤维还必须在被证明成为膳食纤维之前对人类健康表现出生理作用。
法典定义的纤维包括非淀粉多糖（例如：纤维素、半纤维素和果胶），抗性淀粉和非消化性低聚糖（例如：菊粉和低聚果糖）以及木质素。因此，膳食纤维含量高的食物包括全麦，豆类，蔬菜，水果，坚果和种子。
膳食纤维的分析
定量膳食纤维的分析方法随着更新的定义而发展。
官方分析化学家协会（AOAC）的方法（2011.25）被认为最能反映当前法典的定义，能够捕获和量化大多数膳食纤维实体，包括总膳食纤维及其不溶性和可溶性部分(通过酶-重量分析法)，以及分子量(通过尺寸排阻色谱法或高效液相色谱法)。
一些食品数据库仍包含一些源自过时的AOAC方法的纤维值，这些值无法反映当前的食典纤维定义。
膳食纤维的来源
膳食纤维根据其来源可以分为谷物纤维、豆类纤维、水果纤维、蔬菜纤维、生化合成或转化类纤维。
其中生化合成或转化纤维由于成分明确、纯度高，是广泛使用的一种膳食纤维，具有功能突出、性能优越等特点。主要包括改性纤维素、抗性糊精、葡聚糖等。其他类纤维主要指真菌类纤维、海洋类纤维以及一些年制和树胶等。
膳食纤维是植物性成分，因此植物性食物是膳食纤维的天然来源，在蔬菜水果、粗粮杂粮、都累及菌藻类食物中含量丰度，比如糙米、玉米、大麦、米糠、根菜类、海藻类、红豆、四季豆、薯类等。
膳食纤维的理化特性
大多数膳食纤维是植物细胞壁的结构多糖成分。细胞壁含有多种多糖，阐明其功能的复杂性源于细胞内多种来源及其功能。
这一方面最明显的是它们分子结构的变化，包括聚合物亚单元的组成，但也延伸到聚合物键和侧链（酯化）。膳食纤维分子结构的这些差异可以极大地改变它们的物理化学性质及其在胃肠道中的行为。
例如，它们对肠道消化的抵抗力可能是由聚合物亚基的空间取向、分支或侧链的存在造成的。
图1 膳食纤维的物理化学特性及其在植物细胞中的位置。这有助于定义膳食纤维的多糖分为两大类:非淀粉多糖(植物细胞壁的主要成分)和抗性淀粉(植物的能量储存和人类饮食中的主要碳水化合物来源)。它们的化学结构、与其他细胞壁成分的相互作用、食品加工和消化都可以影响它们的溶解度、粘度和发酵性。
食品加工提供了更高的复杂性。
的确，碾磨和蒸煮也可以是决定膳食纤维理化特性，改善淀粉消化率和植物衍生化合物降解的重要决定因素。但是，由于某些易消化的多糖无法进入食物基质中的消化酶，因此也可以归类为膳食纤维，例如：1型抗性淀粉（RS-1；如全谷物食品）或3型抗性淀粉（RS-3; 逆行），在烹饪和冷却后可以赋予抵抗力。
这些结构上的微小变化的结果是，膳食纤维可能具有非常不同的理化特性（例如：粘度和发酵性），从而影响其在胃肠道中的功能作用（例如：肠道运输时间或微生物群）。
膳食纤维的纤维溶解度
溶解度是指膳食纤维可溶于水的程度。
结构影响其溶解度的碳水化合物聚合物的实例是淀粉（直链淀粉和支链淀粉）和纤维素。
前者由α-葡萄糖单体组成，而后者由β-葡萄糖组成。相应的二级结构导致淀粉可溶（大部分在小肠中被消化）和纤维素不溶（因此被分类为膳食纤维）。
目前的大部分证据都集中在可溶性上，可溶性是纤维的一个特征，与纤维通过调节胃排空和营养吸收对上胃肠道的影响有关。
然而，2003年，联合国粮食及农业组织提议，出于多种原因，这些与溶解度有关的传统分类术语应逐步淘汰。
首先，体外纤维溶解度的测量和分类取决于方法。
其次，胃肠道内和个体之间不同的酸碱度条件可能会影响体内纤维的溶解度。
最后，溶解度本身不能预测纤维的生理效应，因此也不能预测其功能特性。例如，车前草（可溶的）和纤维素（不可溶的）都被证明可以改善血糖控制、转运时间和粪便排出量，尽管通过不同的机制。
车前草通过增加肠内容物粘度的机制来改善人体的血糖控制，而在大鼠中，纤维素通过结合α-淀粉酶抑制淀粉消化从而减少葡萄糖吸收而影响血糖。使用纤维溶解度作为功能指标的另一个挑战是，整个纤维食品实际上通常是可溶性和不溶性纤维（例如：抗性淀粉、半纤维素、纤维素和木质素）的复杂混合物，因此，同时在胃肠道中发挥不同的生理作用。
膳食纤维的纤维粘度
粘度是流动阻力的程度。增加肠腔的粘度被认为具有多种健康益处：
食用粘性膳食纤维会改变上消化道的运输时间，包括降低胃排空率和调节小肠运输。
增加管腔粘度被认为是膳食纤维消耗起的主要调节作用，包括延迟消化、降低餐后血糖和血脂以及增加人类的饱腹感。粘度中β-葡聚糖降低胆固醇的能力是公认的典型，同时有大量的流行病学证据表明：高纤维饮食对人类的结直肠癌有保护作用。
图2 不同膳食纤维影响胃肠道的机制。膳食纤维的物理化学特性(溶解度、粘度和可发酵性)可能通过多种机制影响其在胃肠道中的功能特性，包括影响葡萄糖和脂质吸收、促进粪便排出(频率、稠度和重量)以及刺激微生物组成和代谢物包括短链脂肪酸(SCFAs)的产生变化。
膳食纤维的纤维发酵性
工业化人口和农村人口之间的粪便微生物群组成存在差异，归因于典型的西式饮食的差异，包括高度精制和低膳食纤维的食物，特别是其中的可发酵纤维。
与哺乳动物细胞不同，某些种类的肠道微生物群拥有能够水解植物性食物中某些膳食纤维化学键的酶。这些物种具有降解某些膳食纤维和释放其他细菌群落所依赖的能量的优越能力。
膳食纤维的摄入量增加，特别是来自可发酵纤维含量高的食物的摄入，与成人粪便中SCFA浓度升高有关。SCFA在胃肠道中具有许多关键作用。
动物研究表明，SCFA通过增加兴奋性胆碱能神经元的数量来刺激结肠的收缩活动，从而影响胃肠蠕动。SCFAs也起中介作用，桥接粘膜微生物群和粘膜免疫系统之间的交流，临床前证据表明，与肠道的炎症相关的有抗炎和免疫调节作用。
例如，SCFA可以通过直接调节调节性T细胞池的大小和功能（包括小鼠中的增殖能力和基因表达）来影响肠道适应性免疫反应。
在动物研究中，SCFA还通过多种机制参与维持肠道屏障的完整性和调节食欲，包括刺激肝脏糖异生。此外，SCFA通过降低腔内pH70间接维持胃肠道稳态，这对于预防定植和抑制酸敏感性肠病原菌的生长可能很重要。
此外，可发酵纤维的减少可导致粘液层变薄，这反过来可能损害肠上皮的完整性并增加病原体的易感性。可发酵纤维的减少也导致从稳定的微生物肠道环境向暂时或永久改变的环境转变，其特征通常是细菌多样性和丰富度降低，这种状态通常被称为生物失调。
膳食纤维的食物基质
输送膳食纤维的食物基质的性质将显着影响其生理功能的程度。更具体地说，植物细胞壁的粒径和完整性会影响可溶性纤维的溶解。该过程有可能实质上影响管腔粘度并降低发酵速率。
此外，细胞壁的完整性还可以包裹细胞内淀粉，因此减少了内源酶的消化并增加了微生物发酵可用的底物。在人粪便接种物的体外发酵系统中，纤维粒径的减小与SCFA浓度的升高有关，这表明细菌的发酵程度更高。
同样，在人体研究中，大和/或粗大的不溶性纤维颗粒对结肠粘膜的物理和机械作用已显示出能刺激水和粘液分泌到内腔中，从而促进了粪便的排出（即稠度和体重）。
膳食纤维中的孔隙率决定了酶或细菌可以扩散到颗粒中的程度，这可以实质上影响纤维的发酵能力。
纤维的功能特性
微生物多样性：膳食纤维不仅可以限制食物基质中微量营养素的可及性，还可以影响营养素的生物利用度。
例如，微研磨破坏被细胞壁（主要是膳食纤维）包裹的小麦糊粉，可增加体外矿物质的生物利用度，而特定纤维（例如：果聚糖100和低聚半乳糖101）可增加饮食中钙的吸收。
有研究表明，某些纤维能提高某些水溶性和脂溶性维生素的吸收。
肠道运输时间：在某些胃肠疾病中发现异常的全肠转运时间，某些类型的纤维可以使其正常化。
大便成型：膳食纤维要对粪便排出量(即频率、稠度和重量)产生影响，必须具备某些物理特性。
已有研究表明，补充麦麸可以使排便频率从每天1次增加到每天1.5次。具有高保水能力的可溶性粘稠纤维（例如：洋车前草），具有抗发酵性，并在胃肠道中形成粘弹性物质，有助于软化硬粪和增加粪便体积，使其更容易通过。这些特性还可以通过紧缩大便并减慢转运时间来帮助腹泻。
相比之下，不溶性、非粘性纤维（例如：粗麦麸）可以通过肠粘膜的机械刺激来改善粪便的稠度和粪便的重量。
一项对健康人类粪便进行调查的干预性试验结果总结得出结论，可发酵性决定了纤维在粪便总重量中的作用，而谷物中可发酵的纤维较少，对粪便重量的贡献最大。
微生物特异性(益生元)：一些可发酵的纤维也被归类为益生元，其定义已更新为“一种基质，被宿主微生物选择性地利用，从而赋予健康益处”。
益生元纤维的实例包括菊粉型纤维和低聚半乳糖。益生元纤维以其快速的发酵能力和随后释放的SCFA（特别是乙酸盐）而著称，但选择性地仅刺激特定范围的属和/或种（即双歧杆菌和乳杆菌）的生长。
这种选择性是由于细菌基因组中的特定基因簇决定了它们产生的糖酵解酶及其选择性代谢益生元底物的表型能力。同时，研究表明遵循习惯性高纤维饮食的人比习惯性低纤维饮食的人更有可能受益于菊粉型果聚糖益生元。
图3 膳食纤维的理化特性谱。纤维的物理化学特性(溶解性、粘性和可发酵性)形成一个连续体，共同决定其在胃肠道中的功能特性。这三种理化特性的结合决定了纤维在肠道中的功能作用。例如，左侧、底部、近角（不溶性、非粘性、不可发酵）的纤维具有与肠道运输时间相关的功能；右侧、底部、远角（可溶性、非粘性、可发酵）的纤维具有与微生物和发酵相关的功能；右侧、顶部、远角（可溶、粘稠、可发酵）的纤维具有与微生物群、发酵和营养生物利用度相关的功能。处于中间位置的纤维被预测为具有中间功能特性。GOS，低聚半乳糖；SCFA，短链脂肪酸。
肠道疾病中的膳食纤维
膳食纤维已在许多流行病学和干预研究中显示出与各种疾病的发生、治疗以及死亡率之间有重要联系，比如II型糖尿病（TIID）、肥胖、结直肠癌（CRC）、心血管疾病等。
膳食纤维摄入量与健康之间这些公认的关联，促使很多国家建议成人每天摄入25-35克膳食纤维。尽管有此建议，但全世界成年人的平均膳食纤维摄入量仍然很低，通常每天不足20克。
2015年，英国营养科学咨询委员会（Scientific Advisory Committee on Nutrition，SACN）对膳食纤维在疾病预防中的流行病学研究进行了详细的调查和分析，结果表明，食物中膳食纤维摄入量每增加7克，心血管疾病的发生风险降低为0.91，出血和缺血性中风发生风险降低为0.93，结肠直肠癌（CRC）（又称大肠癌）发生风险降低为0.92，直肠癌发生风险降低为0.91，糖尿病发生风险降低为0.94。
2019年发表的一项大规模人群研究通过对公共数据库中185项流行病学队列和58项临床试验研究（4635位参与者）进行的分析，表明当食物中膳食纤维的摄入量介于每天25 g至每天29 g之间时，肠道疾病风险降低最大。
与较低的膳食纤维摄入相比，较高的膳食纤维可以使死亡率的风险降低为0.85，冠心病发生风险降低为0.69，癌症发生风险降低为0.87，中风发生风险降低为0.78，II型糖尿病发生风险降低为0.84，结直肠癌（CRC）发生风险降低为0.84。
饮食条件的改善导致肥胖人群的增加，肥胖会严重影响人体的健康，可导致高血压、冠心病、糖尿病等疾病。已经有研究证明膳食纤维可有效控制体重的增加，有助于减肥。
膳食纤维的功效主要体现在三个方面：膳食纤维具有很强的吸水膨胀性，可以通过产生饱腹感，减少食欲和进食量；膳食纤维具有很低的热能；膳食纤维可减缓营养吸收。
除了预防疾病外，膳食纤维还可能被用作治疗干预手段，特别是对于胃肠道疾病，比如肠易激综合症（IBS）、炎性肠病（IBD）、憩室病以及特定胃肠道症状的治疗，例如：便秘。
已有研究表明，食用可溶性膳食纤维能够显著改善肠易激综合症并将持续出现症状的风险降低为0.83，而麦麸等其他膳食纤维仅降低为0.90。
常见肠道疾病的膳食纤维消耗
肠易激综合征
对于肠易激综合征患者的纤维消耗指南各不相同。英国国家健康与保健研究所建议减少抗性淀粉的摄入，而世界胃肠病学组织的全球指南建议应鼓励富含纤维的食物或纤维补充剂(例如：车前草)，并限制可能加剧症状的不溶性纤维。
迄今为止，许多系统评价和荟萃分析得出的结论是，尽管结果与反应的巨大差异相矛盾，但某些纤维有益于减轻IBS症状并改善大便次数和稠度。
炎症性肠病（IBD）
炎症性肠病（IBD）病包括克罗恩病和溃疡性结肠炎。大量研究发现，克罗恩病患者的肠道菌群发生了变化（例如：双歧杆菌和法氏杆菌的丰度降低），可能需要补充益生元纤维。
可以想象到纤维（饮食或补充形式）可能会阻止IBD，维持或恢复IBD的肠上皮完整性，尽管在人类中预防、维持和治疗IBD的纤维研究非常有限。
憩室
憩室病是指粘膜和粘膜下层穿过结肠壁肌层的疝出。西方饮食模式中更多的红肉和更少的膳食纤维与憩室炎风险增加之间存在正相关。纤维降低憩室疾病风险的机制包括增加粪便体积，降低结肠压力，从而减少疝出。
2018年发表的一项基于低质量研究的系统评价建议，应将没有并发症的憩室炎患者放宽饮食（例如：固体食物、无肠休息或经口零食），而不是饮食限制，以及符合个体化的高纤维饮食营养要求，添加或不添加纤维。
但在憩室病患者中，纤维在预防急性憩室炎方面的作用证据有限。
功能性便秘
功能性便秘是最常见的功能性肠病之一，其特征是排便困难或不频繁，或排便不完全，无结构性原因。
许多大型队列研究表明，高膳食纤维摄入量与大便频率之间存在正相关。对七个RCT的系统评价和荟萃分析得出的结论是，与安慰剂相比，纤维可以有效治疗成人慢性便秘。
胃肠疾病中纤维的应用指南和建议
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胃肠疾病 |
膳食纤维推荐 |
证据水平 |
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IBS-C |
补充可溶性纤维的形式（如：车前草、甲基纤维素、部分水解瓜尔胶） |
RCT的荟萃分析 |
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根据症状调整纤维摄入量，包括添加天然来源的膳食纤维（如：燕麦或亚麻子） |
专家共识 |
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磨碎的亚麻子（6-24克/天）；在3个月之内逐渐加量 |
少量RCT |
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IBS-D |
减少不溶性纤维的摄入，如全麦、高纤维面粉、面包、富含麸皮的谷物以及糙米等全谷物 |
RCT的系统评价 |
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补充可溶性纤维的形式（如：车前子） |
RCT的荟萃分析 |
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根据症状调整纤维摄入量 |
专家共识 |
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IBD |
鼓励多样化的饮食，以满足能量和营养需求，包括膳食纤维，包括各种水果和蔬菜、谷物、谷物、坚果和种子 |
专家共识 |
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考虑对狭窄患者限制使用纤维和纤维食物 |
专家共识 |
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膳食纤维不应被限制，肠梗阻除外 |
专家共识 |
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溃疡性结肠炎可能比克罗恩病更适合纤维补充干预 |
RCT的系统综述 |
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憩室病 |
活动性憩室炎期间的低纤维饮食可最大程度地减少刺激 |
专家共识 |
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多种来源的高纤维饮食可预防憩室炎 |
观察研究和专家共识 |
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功能性便秘 |
鼓励逐渐增加纤维或增加纤维补充剂（数周而不是数天），以最大程度地减少胃肠道不适，包括腹胀和肠胃气胀，20-30克/天 |
RCT的荟萃分析 |
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鼓励添加其他具有通便作用的成分（例如：山梨糖醇等）的全纤维食品，例如梅子或杏子 |
少量的RCT和 专家共识 |
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高剂量车前(>15克/天) |
RCT的荟萃分析 |
注：
1、指导方针是基于研究和专家共识，但通常证据并非来自高质量的临床试验。
2、IBS-C：肠易激综合征伴便秘；IBS-D：肠易激综合征伴腹泻；IBD炎症性肠病；RCT的随机对照试验。
专委会小秘书
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