以往几十万年的进化历程,包括一万多年前开始的农耕文明时期在内,到现代工业革命完成之前,人类饮食都以高纤维、高碳水化合物为基本特征。工业革命完成以后,人类食物结构迅速朝低纤维、高蛋白/高脂肪方向变化。由于输送到肠道的膳食纤维严重不足,数十万年进化形成的人体代谢一肠道微生物代谢之间的平衡遭到破坏,导致一系列重大疾病的发生。提高非淀粉多糖—即膳食纤维的摄入水平,是解决现代生活条件下肠道菌群失调问题的根本途径；寻找资源足够丰富,具有广泛食品组合加工性能的膳食纤维资源,是解决现代人膳食纤维摄入不足问题的可行手段。木聚糖是禾本植物半纤维素的主要组分,是人类可从作物秸秆中获取的丰富可再生资源,具有能充分满足人类社会大规模持续需求的资源优势。木聚糖在人体肠道内降解消化成可发酵性单糖是肠道微生物代谢-人体代谢利用的必要前提,了解木聚糖在肠道内的消化代谢特性,弄清木聚糖对肠道菌群变化的影响,阐明木聚糖--微生物代谢--动物代谢之间的关系,是开发木聚糖作为新型膳食纤维制品必须掌握的科学依据。本研究在饲粮中添加游离木聚糖饲喂SPF级SD大鼠,进行饮食干预,从代谢产物生成特点和肠道微生物变化两个方面,探讨木聚糖的消化降解特性；通过动物生化指标分析揭示木聚糖微生物代谢与动物生理代谢之间的关系。本研究主要结果包括：1.首次采用了不溶性着色木聚糖法用于标记木聚糖胃肠道消化特性的研究方法。交联剂将气巴蓝(一种水溶性蓝色染料)与木聚糖交联,可形成不溶性有色物—气巴蓝着色木聚糖。这种不溶性着色木聚糖被酶水解后释放出染料,使反应体系显色。将已标定活性的酶样品稀释不同倍数后再水解固体气巴蓝着色蔗渣木聚糖,气巴蓝染料释放量与已经标定的木聚糖酶酶活力(IU/mL)之间的线性关系良好,染料释放速率对应木聚糖的酶解速率,染料释放相对量相当于木聚糖降解相对量。所以,本法不仅可以用于肠道木聚糖酶活性定量分析,也可准确追踪木聚糖在消化道不同位置的消化率。2.证实了木聚糖可显著提高受试大鼠粪便的木聚糖酶活性。短时间(5天)饲喂木聚糖,着色木聚糖标记法清楚地显示酶活性即明显增加,持续饲喂5W后,鼠便的酶活性(3.461IU/g)已经升高到饲喂起点的24倍,比同期模型组的酶活性(0.512 IU/g)只提高了6.8倍,饲喂至6W,酶活性趋于稳定。因此,至少连续饲喂木聚糖一个月以上的受试动物,用于评价木聚糖对肠道微生态系统的调节效应,才可能取得相对可靠的结果；木聚糖对人体微生态系统的调节,只能通过长期的膳食干预才能实现。3.揭示了木聚糖在肠道中的降解特性,证实大分子态的木聚糖几乎可以送到肠道的最远端,供那里的微生物发酵利用。着色木聚糖标记法清楚地显示,木聚糖可以被肠道微生物完全降解,在小肠段降解不到摄入总量(2.38g/kg·d)的10%,大肠是木聚糖的主要降解肠段,盲肠、结肠段降解率分别达到60%、85%,有大约15%的木聚糖到直肠段才被降解完全。4.观察到肠道内木聚糖的酶水解产物一旦生成便立即被肠道微生物消化利用的特点。饲料中添加木聚糖2.38g/kg·d,取大鼠肠道内容物酶液与木聚糖保温,生成产物低聚木糖、木糖的速率分别比对照提高了3.5,13.1倍,但肠道内容物本身检测不到糖类。证明在肠道环境下,木聚糖酶解产物不会在肠腔积累,而是立即消耗于肠道微生物代谢。5.以GC-MS分析鼠便中的有机酸,发现了木聚糖可被肠道微生物发酵产生短链脂肪酸,确定木聚糖属于优质膳食纤维资源,具有重大商业开发价值的科学依据。6.证明现有工艺制备木聚糖产品的卫生安全性是基本安全的。按2.38g/kg·d的剂量添加木聚糖到高脂高糖饲料中,饲喂大鼠两个月后测定生长发育和血清生化指标,证明添加木聚糖具有一定降低体重的作用,但对血清中血糖(GLU)、总甘油三酯(TG)、总胆固醇(Tch)、高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)水平的影响无统计学显著性差异,证明现有工艺制备木聚糖是基本安全的。7.发现饲喂木聚糖大鼠粪便可培养微生物的菌群结构显然发生了变化,而粪便木聚糖酶活性与其中可培养产酶微生物数量间没有相关性。粪便培养实验发现,模型组和木聚糖组大鼠粪便的菌落总数分别约为1.05×109CFU/g和100×109CFU/g,单个平板平均透明圈数分别为3.67±2.31和6.33±2.51个。虽然总菌数数值接近,但用肉眼已能分辨出两组平板中某些菌落形态,比例的差异;虽然木聚糖饲养可使大鼠粪便的木聚糖酶活性大幅度提高,但粪便培养却未见产酶微生物数量增多的迹象。其可能的原因是,大鼠肠道产木聚糖酶微生物当中,相当一部分应属于不可培养微生物。研究木聚糖对肠道产木聚糖酶微生物菌群的影响,应当采用诸如DNA多态性,宏基因组学等分子生物学研究方法,才有望揭示木聚糖酶活性与微生物菌群结构之间更多的内存联系。8.揭示饲喂木聚糖大鼠粪便菌群多样性丰度降低,其中已知可培养微生物的种类减少,但克隆子数量增多,相比模型组,比值由5%增至60%。16S rRNA基因克隆文库(库容500)分析发现,模型组文库中共有109种细菌,其中有63种细菌克隆与GenBank数据库中已有细菌的16S rDNA序列同源性大于或等于97%,有46种同源性低于97%；木聚糖组文库的这个数据则分别只有57、40、17种；模型组文库中已知微生物有10种,拟杆菌门和厚壁菌门梭菌纲细菌为优势菌,在木聚糖组文库中已知微生物有6种,变形菌门细菌为优势菌,占克隆总数的60%,厚壁菌门梭菌纲细菌也同样存在,但几乎未能找到拟杆菌门的细菌。模型组文库中不可培养(或未培养)的细菌有104种,克隆数占95.4%,而木聚糖组文库中只有55种,克隆数占39.6%。