01

Background

碳水化合物是人体能量供应的主要来源，并且对于人类肠道微生物组——包括微生物、基因和代谢物——的生物酵解过程至关重要。基于人体肠道消化酶的活性，碳水化合物被划分为可消化和非消化性碳水化合物（NDCs）。传统上，NDCs的分类依据包括其食物来源（例如植物源、动物源、真菌源和海洋生物源）、物理特性（例如溶解性、粘度和凝胶化能力）、化学属性（例如单糖组成、糖苷键类型、分子量、聚合度、支链程度、硫酸化和乙酰化水平），以及结肠酵解特性（例如肠道酵解的速度和程度）等。尽管这些分类方法直接反映了NDCs的特性，但它们未能充分解释NDCs对肠道微生物组组成和功能的不同调控作用。

在过去的20年中，多组学技术的飞速发展极大地推动了我们对肠道有益微生物（HPM）在分类学、基因和代谢层面上的认识。HPM现在已被划分为传统益生菌和新一代益生菌（NGP）两大类。值得注意的是，不同结构的NDCs对HPM的生长和代谢调节作用既有普遍性也有特异性，这一现象被形象地概括为“并非所有膳食纤维都生而平等（All fibers are not created equal）”，并为基于HPM代谢特性的NDCs分类体系的建立提供了理论依据。

02

二分式分类法在食物营养素的划分中得到了广泛的应用。例如，将碳水化合物简单地区分为化学结构上的简单与复杂、物理性质上的可溶与不可溶、生理功能上的可利用与不可利用，以及微生物作用下的可发酵与不可发酵等两类。这种分类方法虽然直观明了，但往往忽视了碳水化合物本身所具有的复杂性。

03

与健康人群的肠道微生物组结构和功能相比，慢性非传染性疾病患者普遍存在肠道微生态失衡的现象。NDCs因其安全性、经济性、易获得性等特点，成为一种非侵入性的肠道微生物组膳食干预手段。诸如“膳食纤维”、“益生元”和“可酵解型聚糖”等NDCs的同义词，一直被用来描述它们与肠道微生物组之间的相互作用。随着肠道微生物组研究的深入，这些概念的含义也在不断更新。同时，多学科交叉研究的进展推动了NDCs术语的发展，催生了许多与NDCs相关的新兴术语，其中以“Microbiota-accessible carbohydrates”，“Microbiota-directed fiber”，“Targeted prebiotics”为代表。

04

“膳食纤维”最初作为一个营养学概念，用于指代植物性食物中不被人体碳水化合物消化酶所消化的组成部分。长期以来，关于其具体化学成分的争议不断。2009年，国际食品法典委员会对膳食纤维的定义为这一争议画上了句号，明确其化学组成主要包括：（i）非淀粉多糖（DP≥10）；（ii）抗性低聚糖（DP 3~9）；（iii）抗性淀粉（DP≥10）。然而，“膳食纤维”概念主要强调了人体消化酶对碳水化合物的消化能力不足，而未能充分体现肠道微生物组的代谢特性。为了区分不同膳食纤维在代谢上的差异，Sonnenburg等人引入了“肠道微生物可利用的碳水化合物（MAC）”的概念，将不溶性纤维素等膳食纤维排除在外，而将肠道粘液聚糖和非营养型甜味剂等纳入其中。为了更加直观地体现食物中不可消化成分对菌群的调节作用，Gordon等人进一步提出了“菌群靶向性食物”的概念，并发现富含MAC的食物基质中特定结构的多糖能够实现对菌群的靶向调控，从而引入“菌群靶向性纤维（MDF）”这一衍生概念。

05

Gibson和Roberfroid于1995年首次定义了益生元，并在2017年与IASPP共同明确了益生元的三大标准：（i）能够耐受胃酸和消化酶的作用，且不被胃肠道吸收；（ii）能够被肠道微生物酵解；（iii）能够选择性地促进肠道有益菌的生长和/或代谢。选择性地调节肠道有益菌是益生元区别于膳食纤维的关键特性，但现有定义并未明确指出哪些具体的肠道有益菌能够被选择性地调节。鉴于此，Cantu-Jungles和Hamaker在2020年提出，益生元可以依据其分解特异性进行层级化分类，他们发现高特异性的益生元能够精准调控其降解菌种，尽管这一过程受到个体肠道菌群结构差异的影响。基于此，结合MAC与MDF概念，我们引入了“靶向益生元”这一概念，用以描述MDF中具有特定结构的多糖组分，这些组分与特定肠道有益菌的多糖代谢能力高度匹配，这也是NDCs实现菌群靶向调控的重要前提。

06

微生物糖组指的是微生物基因组中编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因集合。通过分析CAZymes基因和多糖利用基因簇（Polysaccharide Utilization Loci, PUL）的多样性，可以评估微生物对特定结构聚糖的代谢特异性。目前，在线CAZy数据库、PULB数据库和dbCAN-seq数据库是预测、分析和比较肠道微生物分解复杂聚糖能力的重要工具。基于这些工具的分析结果，肠道微生物可以被分类为不同的角色，例如聚糖降解通才（Generalist）和聚糖降解专才（Specialist），以及初级降解者（Primary degraders）和次级降解者（Cross-feeders）。此外，根据聚糖代谢产物，如短链脂肪酸的产生，肠道菌也可以被进一步分为产丙酸菌和产丁酸菌等。因此，基于CAZyme基因、PUL或代谢产物的肠道菌分类方法，有助于建立多糖结构与菌群调控之间的直接联系。

07

在全球范围内，增加全谷物等富含膳食纤维的食物摄入已成为健康饮食的普遍推荐。尽管目前的膳食指南建议每天摄入25~35 g膳食纤维，但在实际操作中存在两大挑战。首先，仅依赖现有工业食品或天然食品中的纤维含量来满足这一推荐量是不切实际的。其次，现行的纤维摄入建议主要基于食物类型，而未能充分考虑对肠道微生物组的调控作用。因此，在这种背景下，通过使用富含特定纤维结构的食物成分对加工食品配方进行重组，成为实现推荐纤维摄入量、同时最小化对消费者行为和饮食习惯影响的有效策略。

目前常用的术语如“膳食纤维”、“益生元”和“可酵解型聚糖”主要集中于碳水化合物的不可消化特性、传统益生菌的选择性富集作用，以及聚糖的酵解速度和程度，而对于NDCs结构的多样性和肠道微生物组的个体差异性关注不足。因此，随着对NDCs与肠道微生物相互作用研究的深入，未来健康饮食中的纤维摄入建议可能会被新的科学发现所更新。

08

Conclusion

在营养学、食品化学和糖生物学领域，“碳水化合物”、“糖类”和“聚糖”等术语常被交替使用，导致概念上的混淆。因此，明确这些术语的具体含义显得尤为重要。对碳水化合物进行分类，对于识别其结构多样性和相应的生理功能差异至关重要，这有助于为碳水化合物的合理摄入提供科学建议。随着对结构多样的NDCs与肠道微生物组相互作用的认识日益深入，从肠道微生物组的角度对NDCs进行分类的方法已经取得了显著进展，如MAC、MDF和靶向益生元等新概念的提出。未来，基于NDCs与肠道微生物组相互作用的细分，有望为NDCs靶向调控肠道有益微生物（HPM）的提供强大支持。此外，通过构建一个涵盖多糖离散结构、HPM靶向调控和健康声明的综合系统，可以更好地指导个性化的纤维摄入，从而促进个体肠道微生物组的健康。