近年来，高糖、高脂饮食摄入量的持续增加导致了一系列由葡萄糖和脂质代谢紊乱引起的疾病。这些由葡萄糖及脂质代谢紊乱引发的疾病常导致多器官损伤，对人类健康构成严重威胁。葡萄糖和脂质代谢紊乱的主要原因可能是机体无法及时分解并利用多余的热量，导致这些热量以脂肪形式在肝脏中积聚；这一过程会加剧肝脏氧化应激并促进过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPAR-α）的过度表达，从而引发氧化应激加剧、肝损伤及胰岛素抵抗。既往研究表明，食物来源的多糖能够增强机体抗氧化防御系统、抑制炎症反应，并调节葡萄糖与脂质代谢的稳态。
食品来源多糖是从可食用原料中提取并制备的天然碳水化合物，具有复杂的结构和多样的功能活性。如图1所示，这类多糖广泛存在于水果、蔬菜、谷物、水产品及某些肉制品等常见膳食成分中。研究表明，食品来源多糖在免疫调节、抗肿瘤作用、抗病毒特性、抗氧化效应以及降血糖方面均展现出广阔应用前景。凭借其天然来源和低毒性特点，它们被视为制药产品和健康食品的理想原料。
图1 食物来源多糖的分类与生理功能
本文综述了食物来源多糖的结构-功能关系，阐明了其在调节葡萄糖和脂质代谢中的作用，并主要从肠道、肝脏、脂肪组织与神经系统之间的器官间相互作用角度，阐述了食物来源多糖对体内葡萄糖及脂质代谢紊乱的干预机制，以期为后续研究提供参考。
食品来源多糖的构效关系
食品来源多糖的结构表征包括分子量、单糖组成、连接序列及糖残基排列方式、多糖聚集体的形态特征等。天然多糖的分子量范围从数千道尔顿到数十万道尔顿不等，其生物活性机制也极为复杂。如图2所示，食品来源多糖的主要结构类型与特性各不相同。
图2 主要结构类型、特性及食物来源多糖的来源
通常，通过检测和分析单糖组成成分、分子量、官能团、糖基连接类型、分子链构象及分支结构，可揭示多糖的构效关系。对黑豆来源多糖的研究表明其由3 种组分构成，其抗氧化活性与木糖和半乳糖含量呈正相关。鼠李糖含量同样被证实与多糖的抗氧化活性密切相关：在平菇来源多糖的3 种组分中，鼠李糖含量较高的组分表现出更强的抗氧化能力；此外，羟基暴露程度亦与抗氧化水平紧密相关—羟基暴露越多，抗氧化活性越强。修饰后的多糖往往具有更高的生物活性，这主要归因于修饰过程会增加羟基暴露量；引入乙酰基、醛基或硫酸基可增强多糖的羟基暴露度并提升其抗氧化活性。另一方面，糖苷键作为多糖的重要结构单元对其活性具有显著影响：研究表明，吡喃糖呈β构型的石斛多糖比α构型具有更强的活性。石斛多糖的多糖重复单元所包含的糖苷键类型主要包括(1→4)、(1→6)、(1→3)、(1→3,6)以及(1→4,6)。其中，(1→4)-β-D-葡萄糖吡喃糖苷和(1→4)-β-D-甘露糖吡喃糖苷被认为是石斛多糖结构的核心单元，也可能与石斛多糖的生物活性密切相关。分子量与多糖的抗氧化能力也密切相关：研究表明分子量越小，其抗氧化能力越强。然而，大多数来源于食物的多糖分子量较大，但它们对葡萄糖和脂质代谢的影响却十分显著，这种作用可能与肠道微生物的存在有关。
多糖是肠道微生物重要的能量来源之一。微生物发酵产生的多糖代谢产物直接影响肠道菌群结构。桑叶中的多糖包含3 种成分：其中成分3（Sy01-23）具有改善肠道菌群的功能，其分子量为7.5kDa，这可能与其富含鼠李糖、半乳糖醛酸和阿拉伯糖有关。Sy01-23可被卵形拟杆菌（BO）和纤维素分解拟杆菌（BC）降解，产生鼠李糖、木糖、阿拉伯糖及其他单糖和寡糖；这些产物可为其他菌株（如多形拟杆菌BT）的生长提供营养；同时BC还能通过Sy01-23的糖酵解作用产生乙酸和丙酸。而羽扇豆多糖（HAW1-2）富含阿拉伯糖和半乳糖，分子量为8.94 kDa；HAW1-2能促进BT、BO、长双歧杆菌（BL）等有益菌在肠道内的定植，并调节细菌群落结构。
肠道微生物群的基因组可编码多种高效的碳水化合物活性酶。肠道微生物能够靶向多糖并产生相应酶系将其降解为寡糖或单糖。在共生拟杆菌培养实验中发现，多形拟杆菌可降解角豆半乳糖；魔芋葡甘聚糖能促进瑞士乳杆菌、青少年双歧杆菌及其他益生菌的生长，其作用机制可能与这些肠道益生菌共享甘露寡糖及甘露糖。
食品来源的多糖可激活葡萄糖和脂质代谢信号通路
如图3所示，食物来源的多糖对葡萄糖和脂质稳态的调节作用至少部分通过PI3K/AKT和AMPK信号通路实现。PI3K-AKT信号通路是调控体内葡萄糖代谢稳态的主要信号通路。多糖能够激活该信号通路并诱导下游信号分子的表达。在AKT/PKB信号通路中，PI3K功能异常会导致葡萄糖代谢紊乱：PI3K的直接下游因子AKT的磷酸化可促进葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）向细胞膜转运，从而增强细胞对葡萄糖的摄取；另一方面，它还能通过抑制糖原合成酶激酶（GSK-3β）的磷酸化来有效调控糖原合成。
图3 食物来源多糖对葡萄糖和脂质稳态的调节作用由PI3K/AKT和AMPK信号通路介导
魔芋甘露寡糖（KMOS）是从魔芋块茎中提取的魔芋甘露聚糖的水解产物，主要由β-D-甘露糖和β-D-葡萄糖通过β-(1→4)糖苷键连接而成。KMOS能够激活高糖条件下诱导的HepG2细胞中的GSK3β/CREB信号通路，并改善胰岛素抵抗；同时通过激活肝脏Janus激酶2（JAK2）和转录激活因子3（STAT3）的磷酸化作用，调节肝脏甘油三酯及糖原代谢。红豆多糖（RBP）主要由分子量分别为131、83和5 kDa的三种成分构成，其L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-木糖、D-甘露糖与半乳糖醛酸的比例为2.27:0.83:10.78:1.99:11.23:2.78。RT-PCR和蛋白质印迹实验结果表明，RBP可上调INSR、IRS-1、PI3K、P-AKT及GLU-2的表达，表明PI3K/AKT通路的上下游基因均被激活：被激活的上游基因PI3K通过IRS-1反馈机制增强胰岛素敏感性；而被激活的下游基因GLUT-2则通过调控葡萄糖转运和糖原生成来影响葡萄糖代谢。相关多糖的简要介绍见表1。
表1 氨基酸及其他化合物的抗疲劳作用
在腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（AMPK）信号通路中，AMPK能够直接调控乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、HMG-CoA还原酶（HMGR）、固醇调节原结合蛋白（SREBP）、糖原合成酶（GS）以及TORC2蛋白的表达。ACC作为脂肪酸生物合成的关键酶，其活性受磷酸化AMPK的负向调控；HMGR是肝细胞胆固醇合成过程中的限速酶，它能催化甲羟戊酸的生成，并通过AMPK的磷酸化抑制HMGR活性，从而阻碍胆固醇合成；SREBP是一种受葡萄糖和胰岛素营养水平调控的脂肪相关转录因子—AMPK的磷酸化可抑制SREBP的表达，进而降低脂肪酸合酶（FAS）的活性，调控长链脂肪酸的合成与脂肪储存，并降低体细胞中的总胆固醇（TC）和甘油三酯（TG）水平；磷酸化的AMPK还能通过抑制糖原合成酶（GS）的活性来调节葡萄糖代谢；此外，它还可抑制TORC2蛋白的表达，从而抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）的活性—该酶是糖异生过程中的关键酶，也是调控血糖稳态的重要靶点。
动物产品的抗疲劳作用
肠道微生物群的复杂组成直接影响宿主健康。微生物群失调与葡萄糖及脂质代谢紊乱密切相关。肠道菌群参与体内碳水化合物和脂肪等营养物质的吸收，并影响葡萄糖和脂质的代谢，这与动物的健康状况紧密相关。大部分多糖属于大分子聚合物，在消化道中不易被吸收，但会进入结肠参与肠道微生物发酵过程。肠道微环境的变化可增加或减少某些代谢物的生成，如短链脂肪酸、次级胆汁酸和脂多糖（LPS）。如图4所示，这些信号分子能够激活或抑制相关信号通路，从而调控体内的葡萄糖和脂质代谢。
图4 食物来源多糖通过影响肠道菌群干预葡萄糖及脂质代谢紊乱的作用机制
短链脂肪酸（SCFAs）是存在于回肠和结肠上皮细胞中的信号分子，可激活与葡萄糖及脂质代谢相关的G蛋白偶联受体41和43（GPR41和GPR43），并在葡萄糖及脂质代谢中发挥重要作用。它们分别能诱导胃肠道肽类激素PYY和胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的释放：PYY含量降低会引发饥饿感，导致食物摄入过量并破坏葡萄糖与脂质代谢平衡；GLP-1水平下降则会导致胰岛细胞凋亡、胰岛素分泌减少以及葡萄糖与脂质平衡失调。此外，SCFAs还能激活AMPK受体，促进体内GLUT4基因的表达与转录，刺激机体增加葡萄糖摄入并维持血糖平衡；AMPK受体还可抑制脂肪酸合成酶（FAS）和乙酰辅酶A羧化酶的活性，加速脂肪酸分解代谢，抑制脂肪生成，并维持脂质代谢稳态。
LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分。当肠道菌群失衡时，有益细菌数量减少而革兰氏阴性菌数量显著增加，导致肠道屏障功能受损及肠壁通透性升高。LPS通过肠壁进入血液，从而引发全身性的慢性低度炎症反应。LPS可激活Toll样受体（TLR4）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，进而调控机体的炎症反应、胰岛素抵抗以及糖脂代谢平衡。TLR4作为先天免疫的核心分子，能够识别LPS入侵、与其特异性配体结合、激活NF-κB信号通路、释放促炎细胞因子（如TNF-α、IL-6等），在胰岛素抵抗状态下加剧炎症反应并导致糖脂代谢紊乱。LPS同时还能激活MAPK信号通路，该通路参与细胞增殖、分化及糖代谢等多种生理过程；其在糖脂代谢调控中的作用机制尚需进一步研究与验证。
表2 激活炎症信号通路的多糖简要介绍
肠道、肝脏、脂肪组织与神经系统之间的器官间相互作用
肠道微生物群现已被视为参与器官间对话的关键伙伴，对生理过程具有调控作用。如图5所示，肠道-肝脏、肠道-脑及肠道-脂肪组织轴反映了肠道微生物与肝脏、大脑及脂肪组织之间的相互作用关系。
图5 食物来源多糖干扰葡萄糖及脂质代谢的作用途径
肠道菌群可通过免疫系统和内分泌系统影响肝组织功能。当机体长期处于葡萄糖和脂质代谢紊乱状态时，会增强肠道屏障通透性并导致细菌移位；大量脂多糖（LPS）进入血液后可刺激全身炎症因子释放，这些炎症因子作用于肝组织，加剧氧化应激并引发肝脏炎症。肠道菌群能够调节短链脂肪酸（SCFA）的生成：SCFA可通过AMPK信号通路抑制肝脏胆固醇及脂肪酸的合成，并调控GLP-1和PYY的表达；因此，SCFA水平升高可减少肝脏脂肪堆积并减轻其氧化损伤。PYY的产生能促进饱腹感并调节食欲。胆汁酸由肝脏分泌进入肠道，可激活小肠内的先天免疫基因，并直接或间接调节肠道微生物组成，对维持肠道屏障完整性具有关键作用。
其对脑组织的影响主要通过免疫系统、内分泌系统和神经系统实现。脂多糖（LPS）诱导产生的大量炎症因子作用于脑组织，会增加血脑屏障的通透性，并引发神经炎症、神经损伤及认知功能障碍。短链脂肪酸（SCFAs）可刺激肠道内5-羟色胺（5-HT）的合成与分泌；5-HT作为一种单胺类神经递质，在认知、学习和记忆等生理过程中发挥重要作用。肠道菌群失衡会导致γ-氨基丁酸（GABA）和脑源性神经营养因子（BDNA）的表达水平降低—GABA在神经元传递中起关键作用，其分泌异常可导致认知功能障碍。BDNF对神经系统的发育、分化及认知功能具有重要影响；肠道菌群失衡会降低海马体和大脑皮层中的BDNF水平，从而诱发神经退行性疾病。短链脂肪酸还能促进GLP-1和PYY的表达，通过激活GPR41和GPR43增强睡眠质量并抑制食欲生成神经元的活性。
在高脂饮食引发的糖脂代谢紊乱过程中，与肝脏和肠道相比，白色脂肪组织（WAT）是受基因表达影响最显著的器官。脂肪储存与堆积过程受到肠道共生菌的显著调节。研究表明，肠道微生物群的失调与肥胖、胰岛素抵抗等代谢性疾病存在关联，表明肠道与脂肪之间存在双向互动关系。哺乳动物体内存在两种脂肪类型：白色脂肪组织以脂肪形式储存多余能量，而棕色脂肪组织（BAT）则通过线粒体中的解偶联蛋白1（UCP1）将食物中的能量转化为热能。肠道微生物群的数量与组成对机体的能量消耗和脂肪产热过程起着关键作用；间歇性禁食、热量限制及寒冷暴露均可改变肠道微生物群组成，促进白色脂肪组织的棕色化并增强棕色脂肪组织活性。此外，白色脂肪组织中由微生物驱动的炎症反应会与氧化应激相互作用，从而破坏线粒体功能及胰岛素信号传导。在肥胖状态下，多种免疫细胞（主要为巨噬细胞）会聚集于白色脂肪组织内。肠道共生菌通过其代谢产物调控白色脂肪组织（WAT）的炎症反应，而代谢激活的巨噬细胞在胰岛素抵抗中发挥着更为重要的作用。此外，通过探究白色脂肪组织与肠道微生物中先天免疫细胞及适应性免疫细胞之间的相互作用，可揭示白色脂肪组织免疫功能在全身性胰岛素抵抗进展中的作用。
表3 维持肠道微生物群相对稳定性的多糖简要介绍
食物来源的多糖干扰体内葡萄糖和脂质代谢的作用机制通常涉及多种相互关联且协同发挥作用的方式。然而，由于分子量较高，大多数多糖无法被小肠直接消化吸收；它们通过影响发酵过程中的肠道菌群数量、调节次级代谢产物分泌等方式，干扰葡萄糖和脂质代谢。食物来源的多糖正是通过调控肠道菌群来调节葡萄糖和脂质代谢的。这些次级代谢产物（短链脂肪酸、次级胆汁酸和脂多糖）作为信号分子进入血液，激活与葡萄糖和脂质代谢调控相关的多种信号通路，缓解机体氧化应激并抑制炎症反应，从而维持葡萄糖和脂质代谢稳态。肠道微生物群的复杂组成与宿主健康密切相关：当肠道菌群失调时，会通过肠-肝轴、肠-脑轴及肠-脂肪组织轴影响宿主健康。
在未来的研究中，主要挑战包括阐明多糖调节肠道微生物群的作用机制，并明确多糖结构特征（如官能团、糖苷键类型及单糖组成）与其对微生物群落影响之间的关系。此外，可采用多组学综合分析方法探究肠道微生物与生物代谢物之间的关联。通过将多糖与健康粪便共同发酵后进行细菌群落移植实验，研究了多糖对肠道菌群的直接影响及其改善葡萄糖和脂质代谢紊乱的作用机制。本研究为利用多种生物大分子干预葡萄糖和脂质代谢紊乱提出了新的研究方向。
A review of food-derived polysaccharides in intervening in disorders of glucose and lipid metabolism: an inter-organ crosstalk between gut, liver, adipose tissue, and nervous system
Weijun Cuia,b,1, Xiangyang Zhua,1, Chunli Huc, Xueping Lib, Xinling Songb, Shiwei Yuc, Dapeng Lia, Chen Zhanga,*
aKey Laboratory of Food Nutrition and Human Health in Universities of Shandong, College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
bCollege of Life Science, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
cShanghai International Travel Healthcare Center, Shanghai Customs Port Clinic, Shanghai 200335, China
1 These authors contributed equally to the work.
*Corresponding authors.
Abstract
The diseases caused by disorders in glucose and lipid metabolism have become one of the prevalent health issues, posing a serious threat to human health. Previous studies have shown that food-derived polysaccharides have a certain intervention effect on disorders in glucose and lipid metabolism. This article reviewed the structure-function relationship of food-derived polysaccharides and elucidated their role in regulating glucose and lipid metabolism. Some new evidence suggests that secondary metabolites such as short-chain fatty acids, secondary bile acids, and lipopolysaccharide act as signaling molecules, activating pathways related to glucose and lipid metabolism, alleviating oxidative stress, inhibiting inflammation in the body, and regulating the homeostasis of glucose and lipid metabolism. These results indicated that food-derived polysaccharides have a positive impact on the regulation of glucose and lipid metabolism by improving the gut microbiota environment. On the other hand, gut microbiota disturbance can affect the host’s health through the gut-liver, gut-brain and gut-adipose tissue axes. Therefore, it is speculated that food-derived polysaccharides may intervene in glucose and lipid metabolism through the inter-organ crosstalk between gut, liver, adipose tissue, and nervous system. This essay provides a theoretical basis for the development and utilization of food-derived polysaccharides as prebiotics in intervening disorders in glucose and lipid metabolism.
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