食品のホリスティック特性：ヒト栄養学におけるパラダイムの変化
Holistic properties of foods: a changing paradigm in human nutrition

Holistic properties of foods: a changing paradigm in human nutrition

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29532937/

2018年4月30日

ポールJ Moughan、リッデト研究所、マッセイ大学、プライベートバッグ11-222、パーマストンノース

概要

伝統的に、栄養の研究は還元主義的アプローチに基づいており、食品を構成する栄養素に還元し、次にこれらの栄養素が単独でまたは一緒に代謝および代謝の結果に及ぼす影響を調査してきた。しかし、栄養素それ自体は人が消費するものではなく、食品の形で消費されるものである。このため、複雑な食品マトリックスそのものが栄養学的結果に影響を及ぼし、「栄養素の合計」の効果だけでは十分に説明できないことが多い。

栄養素の添加効果、栄養素の相互作用、古典的な栄養素以外の食品成分の効果、栄養素の消化とその後の代謝の動態および代謝の結果に対する食事として摂取される単一の食品および食品の組み合わせの両方のフードマトリックスの効果について議論している。そして、食事や食餌を構成する特定の食品や食品の混合物の総合的な効果をより考慮した、人間栄養学のパラダイムシフトが必要であると結論づけている。

キーワード

人間栄養学、還元主義、栄養素、食品、食品マトリックス、栄養素の相互作用。

はじめに

従来、栄養学は還元論的思考に基づいており（図1参照）、食品を構成する栄養素に還元し、吸収した栄養素が成長、発達、成人の身体維持、健康や疾病に及ぼす影響を調査してきた。これまで、食品マトリックスの他の側面よりも、栄養素そのものに重点が置かれてきた。

しかし、栄養素それ自体は人間が消費するものではなく、食品は栄養素やその他の化合物の複雑な混合物を複雑な三次元構造の構成要素として体内に送り込むものである。実際には、食品の混合物である食事は、個人が一日のうちでさまざまな時間帯に摂取し、食事を構成している。

還元論的アプローチでは、食事や食餌を構成する食品について、栄養素の効果は線形パターンであり、相加的であると思われがちである。FardetとRock2 は、栄養に関する全体論的な考え方と還元論的な考え方を比較し、全体論的アプローチでは、栄養素ではなく食品、単独の食品成分ではなく食事のパターンを考慮し、身体活動や健康全般を健康な生活という概念に統合することを述べている。実際、全体論的アプローチでは、環境、社会、経済、その他の要因を考慮する必要があり、私たちがより広い生態系の中で生活していることを認めている。

この概説の目的は、これらの原則と還元主義的なパラダイムを、いくつかの例を挙げて検討することである。これらの例は、栄養に関する3つの一般原則の考察の下で取り上げられており、食品の生物学的効果は、「栄養素の効果の単純な合計」が反映するものよりもはるかに大きいことを説明している。

図1. 人間の栄養学における従来の還元主義的モデル

1. 栄養素は個々に作用し、その効果は相加的であると仮定すること

栄養素の特性が非加算的であることの典型的な例として、トリグリセリドの消化に伴って放出される脂肪酸の吸収がある。個々の脂肪酸の吸収の程度は、食事に含まれる他の脂肪酸に影響される。脂肪酸の吸収には、脂肪酸間および異なるトリアシルグリセロール間の相乗効果がある。

1965年にさかのぼると、BayleyとLewis3 は成長期の豚を対象とした研究で、単純なトリアシルグリセロールであるトリパルミチンの半精製物を基礎飼料に加えた場合のパルミチン酸の真の消化率は 64%と低いが、トリパルミチンと他の脂肪、および牛脂中のパルミチン酸と他の脂肪酸が存在すると、真の消化率は 72%、大豆油では 91% であることを示している。同じ基本飼料に遊離のパルミチン酸を単独で与えた場合の真の消化率はわずか33%であった。

同じ試験で、半精製トリオレインおよび半精製トリパルミチン中のオレイン酸およびパルミチン酸の真の消化率を測定した。トリオレインをベースとした飼料（オレイン酸を多く含み、パルミチン酸は少ない）およびトリパルミチンをベースとした飼料（パルミチン酸を多く含み、オレイン酸は少ない）の両方で、オレイン酸の真の消化率は約98%であったが、パルミチン酸の真の消化率はトリパルミチンでは比較的低いが（64%）高濃度のオレインを一緒に与えると高い（90%）となった。

パルミチン酸の消化率は、全体的に消化率の高い他の油脂と一緒に与えた場合に上昇した。飼料中の個々の脂肪酸の消化率に大きなばらつきがあるのは、消化率の高い脂肪が、消化率の低い脂肪の消化率を高める効果が顕著であるためである。オレイン酸のような高消化性脂肪酸も、飽和脂肪酸であるステアリン酸を多く含む飼料を給与すると、消化率が極端に低下することがある4。

脂肪酸の放出と取り込みの現象は相乗的である。脂肪酸の取り込みの相乗現象は、消化管内でのミセル形成に大きく関係していると考えられている。高融点油脂のミセル分散は、低融点油脂の存在により改善される。したがって、脂肪酸の取り込みは、存在するトリアシルグリセロールの混合物を反映し、その脂肪酸組成に反映されることになる。

また、油-水エマルションにおける界面張力は、不飽和度の増加に伴い減少する。トリステアリン (MP 73o C)やトリパルミチン (MP 66o C)などの単純な飽和トリアシルグリセロールは、消化率が低い。単独では加水分解されにくく、ミセルを形成する能力も乏しい。しかし、トリアシルグリセロールと他の脂質の混合物は、軟化する温度の範囲が広く、酵素の活性を確保するために十分に乳化させることができる。

相乗効果の別の例として、消化率ではなく代謝に関するものだが、アミノ酸のグループ間で発生し、その利用に影響を与える拮抗作用がある。アミノ酸拮抗作用（同種のアミノ酸が相互に悪影響を及ぼし、対立する作用）は、化学的または構造的に関連するアミノ酸（例えばリジン-アルギニン-オルニチン、ロイシン-イソロイシン-バリン、スレオニン-トリプトファン）間でよく発生し、化学的または構造的に類似するアミノ酸を飼料に加えることで克服することが可能である。

アミノ酸拮抗作用は、以下のような要因で生じる。

• (1) アミノ酸の腸管吸収または腸管外細胞による輸送の阻害（競合阻害）
• (2) アミノ酸代謝の障害
• (3) シグナル分子の生成の減少。
• (4) アンモニアやホモシステインなどの毒性物質の過剰産生5。

アミノ酸の拮抗作用は、成長期のラットやヒヨコを使った研究でよく知られている。D’MelloとLewis6 は、成長期のニワトリに、メチオニンを第一制限アミノ酸とし、ロイシンを適度に過剰に含む飼料を処方した。メチオニンを添加すると、イソロイシンを添加した場合のみ成長反応が見られ、ロイシン-イソロイシン拮抗作用があることが示された。

飼料中に十分なイソロイシンが含まれているはずなのに、過剰なロイシンがイソロイシンの代謝を阻害し、メチオニンとともに成長に制限を与えている。イソロイシン・バリン拮抗作用はさらに強力であった。イソロイシンとバリンが同程度に制限されている飼料にロイシンを過剰に添加すると、ヒヨコは激しい成長阻害を起こした。バリン添加でこの効果は回復したが、イソロイシン添加には反応しなかった。

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アミノ酸の拮抗作用のもう一つの例は、ニワトリにおけるリジンとアルギニンの関係である（アルギニンはニワトリにとって食餌性必須アミノ酸である）。D’MelloとLewis6 は、成長期のニワトリに対して、メチオニン、トリプトファン、ヒスチジン、スレオニンのいずれかが一次制限され、アルギニンがわずかに欠乏した飼料を調製している。

これらの各飼料にリジンを添加したところ、ヒナの成長が著しく抑制された。この成長阻害はアルギニンの補充で回復したが、もともと飼料に不足していたアミノ酸（メチオニン、トリプトファン、ヒスチジン、スレオニン）のどれを補充しても回復しない。

明らかにリジンとアルギニンの拮抗作用があり、リジンが過剰になるとアルギニンの利用が阻害され、アルギニンの要求量が増加する。また、アルギニンが過剰になるとリジンの利用に影響を与えるという逆のケースも実証されている。

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このような類似アミノ酸間の拮抗作用は、あるアミノ酸の要求量が別のアミノ酸の適度な過剰によって大きく影響され、あるアミノ酸間の相乗効果を示すことを示している。このような相互作用は、例えば、食品全体を単独で摂取した場合や、アミノ酸のバランスが悪い食事を摂取した場合、アミノ酸やタンパク質の利用に影響を与える可能性が十分にある。

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血液脳関門を通過するための取り込み部位をめぐる特定のアミノ酸間の競争（競合阻害）により、脳のトリプトファン濃度は血漿トリプトファン濃度だけでなく、トリプトファンと大型中性アミノ酸（ロイシン、イソロイシン、バリン、フェニルアラニン、チロシンなどのアミノ酸）の比率に左右されることになる。

トリプトファンは、行動や気分に影響を与える神経伝達物質であるセロトニンの前駆体であり、うつ病性障害に直接関与していると考えられている。分岐鎖アミノ酸（ロイシン、イソロイシン、バリン）は、血液脳関門を通過する際に、トリプトファンを含む芳香族アミノ酸と競合することが特に知られている。

血漿中の分岐鎖アミノ酸濃度が上昇すると、トリプトファンの血液脳関門通過が阻害され、脳内セロトニン濃度が低下する。このように、栄養素は互いに独立して作用するわけではなく、相乗効果を発揮することが多い。また、栄養素の量だけでなく、食事に含まれる量の比率によっても結果は異なる。

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異なる栄養素間の相互作用としては、アスコルビン酸（ビタミンC）が鉄の吸収に及ぼす影響や、カルシウムなどの陽イオンが腸内で脂肪酸と結合し、不溶性で消化の悪い石鹸を形成する能力もよく知られている。

陽イオンの存在は、石鹸の形成、糞便中への脂肪の排泄、代謝エネルギー摂取量に影響を及ぼす可能性がある。逆に、ある種の脂肪が存在すると、鉄、亜鉛、銅などの陽イオンの体内への取り込みが減少し、それらの利用可能性が損なわれる可能性がある。

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栄養に関する研究では、単一の栄養素または単一の栄養素群（例えば、飽和脂肪酸）が、他の栄養素または食品成分と切り離して健康上の結果（例えば、心臓血管疾患）に及ぼす影響について調査されることが多い。しかし、いくつかのアウトカムは、全栄養素複合体の影響を受けることが知られており、栄養-栄養の相互作用を考慮する必要がある。

2. 効果が栄養素だけによるものと仮定する

食品には古典的な栄養素とはみなされないものの、栄養素と相互作用して栄養素の挙動を変化させたり、それ自体が直接的な生理学的影響を及ぼす可能性のある化学化合物が数多く含まれている。また、食品にはバクテリア、酵母、真菌などの生物も含まれており、これらも消化、代謝、健康に影響を与える。

これらの化合物や生物の生物活性は、過去30年にわたり集中的に研究されてきた。そして現在では、食品や食事がもたらす生物学的効果は、従来の栄養素の単純合計では説明できないほど大きいことが十分に明らかにされている。例えば、植物のフィチン酸、シュウ酸およびポリフェノールは、ミネラル（特にフィチン酸およびシュウ酸）と酵素を含むタンパク質（特にポリフェノール）を結合する顕著な能力を持っている。

植物の非デンプン性ポリサッカライド（NSP）は、複数の効果を持つ多様な化合物群である。特に、NSPは物質と栄養素を結合し、腸管内腔に粘性のある状態を作り出し、栄養素の拡散速度を低下させ、小腸におけるアミノ酸および脂肪酸の内因性フローを増加させ、腸管通過速度を変化させることが可能である。

このような効果により、食事からの栄養摂取量の低下や、腸粘膜代謝の刺激（酵素分泌や粘液産生、研磨効果による上皮細胞剥離の誘発など）が引き起こされる可能性がある。植物性NSPは、消化管内の様々な場所に生息する腸内細菌によって異なる程度に発酵され、重要な生理的調節因子でありエネルギー源である短鎖脂肪酸を腸組織や身体に供給することが可能である。

また、NSPは腸内細菌の重要な基質であることから、プレバイオティクス効果も期待でき、異なる種類の細菌が腸内で区別して増殖するようになる。消化管に存在する細菌の中には、宿主に吸収され利用されるビタミンを合成するものがあるので、特定の細菌種の増殖を刺激して目的のビタミン（例えば、ビオチンや葉酸）の産生を増加させるためにプレバイオティクスを食品に配合することは可能であろう。

現在では、腸内細菌叢が多くの身体システムに影響を及ぼすことが知られている。10 微生物は濃度の差こそあれ、腸内のいたるところで見られるが、特に胃、回腸下部および大腸で活発に活動している。微生物は、食事の変化、特に食事に含まれるNSP（食物繊維）の量や種類に非常に敏感に反応する。

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多くの食品（特に発酵食品）には、特定の有益な細菌種（プロバイオティクス）が大量に含まれており、摂取することで消化管内の細菌数を「健康な」状態に維持することができる11。プロバイオティクスとプレバイオティクスは、動物14とヒトのミネラル吸収と骨密度（骨粗しょう症に関与）に影響を与えることが示されている15-17

プロバイオティクスは、多くの食品に自然に含まれているが、製造過程で食品に添加されたり、栄養補助食品として摂取されることもある。腸内細菌とプロバイオティクスは、ミネラルの取り込みと代謝に影響を与えるだけでなく、食事性ミネラルの影響を受けるため、おそらくミネラル補助食品の無差別な使用から生じるリスクを示唆している。

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その他の非栄養素食品化合物としては、牛乳のラクトフェリン、ラクトパーオキシダーゼ、免疫グロブリンなどの生理活性タンパク質、食肉のヘム、いくつかの果物のタンパク質分解酵素が重要な生理作用を持つことが知られている。

例えば、グリーンキウイフルーツ（Actinidia deliciosa）に含まれるアクチニジナーゼという酵素は、いくつかのタンパク質の胃内消化に影響を与え、胃の空洞化速度に影響を与え、栄養摂取の速度論に影響を与える可能性が示されている18,19。

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植物性食品には、多種多様な作用を持つ非常に多くの化合物（フィトケミカル）が含まれている。これらの化合物は、単独でまたは複合的に組み合わされて、心血管疾患、慢性炎症性疾患およびある種の癌などの慢性疾患を発症する個人のリスクを減少させることができる。

これらの化合物は、古典的な栄養学でいうところの必須栄養素ではないが、これらの生物活性化合物が、最適な機能と健康を維持するために身体にとって重要であるという証拠が、ますます蓄積されてきている。

例えば、カロテノイドの² -カロテン、カロテノイドのリコピン、フェノール酸のカフェイン、フラバノールのカテキン、スチルベンのレスベラトロール、ステロールのシトステロール、イソチオシン酸のスルフラファン、オメガ3脂肪酸のエイコサペンタエン酸（EPA）およびドコサヘキサエン酸（DHA）等が挙げられる。

バイオアクチブは、腸内で局所的に作用することも、全身に作用することもあり（活性成分の吸収後）、標的細胞や器官は多岐にわたり、複数の生理・代謝作用（抗酸化、血管拡張、血圧低下、免疫強化、抗炎症、抗菌、抗血栓、脳機能、消化酵素活性、栄養摂取など）を発揮することができる。

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ここでは、カロテノイド、ポリフェノール、タンパク質の生理活性ペプチドについて、食品の生理活性に関する3つの重要な原則を紹介する。第一の原則は、生物活性の効果は、食品全体（マトリックス効果）と単離された化合物の間で異なる可能性があるということである。

テトラテルペンまたはカロテノイドのファミリーは、ビタミンAの前駆体（±および² -カロテン、² -クリプトキサンチン）と、ビタミンAの前駆体ではない他のいくつかの生物活性化合物（例えばリコピン、ルテイン、ゼアキサンチン）を含んでいる。

しかし、このような効果は、精製されたサプリメントを用いた介入研究では再現されていない。時には、サプリメントの投与が、リスクの減少ではなく、実際にリスクの増加につながることもあった。リスクの低下は、² -カロテンによるものではなく、² -カロテン摂取と相関のある他の食事化合物の摂取によるものである可能性もある（関連性は因果関係を証明しないため）。

植物性食品には通常多くの植物性栄養素が含まれているため、この分野の研究において一般的な問題であり、コントロールが困難であったり、時には不可能であったりする。

同様に、効果は² -カロテンによるものかもしれないが、効果の発現は形態（複合食品か単体のサプリメントか）に左右されるかもしれない。摂取の動態、最終的な血漿中の² -カロテン濃度、その他の「補助的な」生物活性物質の存在は、ホールフードとサプリメントとで異なる。

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第二の原則は、生物活性成分は必ずしも植物から単離された物質ではなく、多くの場合、腸内細菌叢による食品成分の消化に伴って放出される代謝物（または代謝物の混合物）であるということである。ポリフェノールは、単純なフェノール類だけでなく、フラボノイドやフェノール酸のような高重合度の高分子化合物など、植物二次化合物の広いカテゴリーを構成している。

これらの化合物はすべて水酸基を持ち、化学的還元力を発揮して、代謝中に生じる活性酸素種による酸化的損傷から細胞を保護することができると考えられている。科学文献には、ポリフェノールの抗酸化作用を示す研究が数多く掲載されている。

ポリフェノールの最も顕著なサブクラスはフラボノイドで、一般的なサブクラスはフラボン（ルテオリンなど）、フラボノール（ケルセチンなど）、イソフラボン（ゲニステインなど）、フラバノンス（カテキンなど）、フラバノンス（ナリンゲニンなど）、アントシアニジン（シアニジンなど）である。

プロアントシアニジン（タンニン）は、大きなオリゴマーまたはポリマーのフラバノールである。フラボノイドは植物性食品に多く含まれ、紅茶、有色果物、ベリー類、赤ワイン、ダークチョコレートなどの食品や、生姜、高麗人参、甘草などのハーブに多量に含まれる。

通常、フラボノイドは、遊離のアグリコン形態または-グリコシドとして食品中に存在する。遊離フラボノイドは小腸粘膜を通過して吸収されるが、配糖体は吸収される前に加水分解（多くの場合、腸内細菌叢が産生する酵素による）を必要とする。

20 生物活性は、腸内腔で代謝される成分や吸収後に代謝される成分に依存しており、異なる化合物の相乗活性に関する報告がよく見られる。21-24。抗酸化作用は、腸管組織レベル、血漿中の全身レベルで起こるか、あるいは天然の内因性抗酸化物質（グルタチオンなど）の活性が食品バイオアクチブにより増強される可能性がある。

フラボノイドには最適な血漿濃度があり、ある濃度で抗酸化作用を発揮し、それ以上の濃度で有害な抗酸化活性を発揮する可能性がある。この場合も、相乗的な組み合わせが重要である。細胞のDNA損傷を防ぐには、最適なレベルのビタミン、マイクロミネラル、その他の食物生物活性も重要かもしれない25。

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ここで例示する3つ目の原則は、生理的なエンドポイントに生物活性が直接影響を与えるのではなく、むしろ他の同様の生物活性の産生を調節することによって影響を与える可能性があるということである。ここでは、タンパク質の消化過程で腸管内腔に放出される生理活性ペプチドに関連して、この種の作用の仮説を立てている。

食餌性タンパク質が消化されると、少なくとも一過性には消化されにくく、強力な生物活性（例えば、抗菌、免疫調節、血圧に影響を与えるアンジオテンシン変換酵素（ACE）阻害剤）を持つ様々な小型から大型のペプチドが放出されるという十分な証拠が現在得られている。

26,27 小さな生理活性ペプチドは吸収されて全身に作用し、大きなペプチド（例えば、乳タンパク質由来のカソモルフィンなどのオピオイド様ペプチド）は内腔粘膜で効果を発揮する可能性がある28。タンパク質の消化中に放出されるペプチドの中には、消化プロセスそのものに影響を与え、腸の機能、特に内因性タンパク質の腸管内腔への進入を調節するものがある29。

内因性タンパク質（分泌タンパク質および上皮剥離細胞）の腸管内腔への進入は、食事タンパク質の量30、食事中の繊維または抗栄養因子の存在31、そして潜在的にはタンパク質の一次構造（アミノ酸組成）によって影響を受ける32。最近になって、消化中に大量に腸管内に流入する内因性タンパク質こそが、生理活性ペプチドの安定した供給源になると推測されている33。

消化中に生じる生理活性ペプチドは、いくつかの重要な生理系において重要な調節的役割を担っていると考えられる35。タンパク質などの複数の食事成分、食事摂取量、消化器粘膜の間には複雑な相互関係が存在すると考えられ、消化中の腸管内在性タンパク質の腸管内腔への流入に影響を与えている。これらの内因性タンパク質も消化され、腸管内腔にさらに多くの生物活性ペプチドが放出され、最初の食事由来のペプチドとともに、身体の生理機能、ひいては健康に影響を与える。

機能性食品

一部の食品は、天然（または栄養強化後）に特に多量の生理活性物質を含んでおり、「機能性食品」とみなされることがある。これらの食品を摂取することによって期待される結果は、従来から認識されている栄養素の摂取によって期待される結果をはるかに超えるものである。

実際、機能性食品の定義36 は、食品の栄養組成で説明できる効果以上の、食品の生理学的または健康上の効果に関係している。機能性食品とされる食品のすべてが、実際に病気の予防に役立つと証明されているわけではないが、一般的には、そうした食品は健康的な食生活の一部と考えられている。

天然の機能性食品の例としては、海洋性オメガ3脂肪酸（EPAとDHA）を供給する脂身魚、脂肪酸とコレステロールの取り込みを抑制する水溶性繊維を含むオートブラン、体内の酸化反応に影響を与えるリコピンやルテイン（抗酸化物質）を含むトマトなどがある。

栄養強化に基づく機能性食品の例としては、血中低密度レベル（LDL）コレステロール値を低く維持するために配合された、植物ステロールとスタノールを強化したマーガリンなどがある。血糖値の低下につながる消化抵抗性（レジスタントスターチ）に加工されたデンプン源も、機能性食品または機能性食品成分とみなされるであろう。

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機能性食品は、「健康的」な食生活の重要な構成要素として認識されるようになると思われる。「機能性食品」は欧米では比較的新しい概念だが、アジアではそのような食品は長い間高い地位を占めてきた。その一例が、日本でよく発達している特定保健用食品（FOSHU）運動である。

アジアでは何世紀にもわたって、食生活における食品の組み合わせと、食品タイプの全体的なバランスの重要性が強調されてきた。-

食事の特性（「古典的な」栄養素の含有量から生じるものをはるかに超える）が身体のプロセスや健康に影響を与えるという多くの例が存在することから、栄養学において食品、食事、食生活をより総合的に評価する必要性が指摘されている。

3. 食品全体のマトリックスの影響がないものと仮定した場合

一般に、栄養研究においては、フードマトリックスそのものが栄養素の消化率、利用可能性、代謝に及ぼす影響にはほとんど注意が払われていないが、固有の食品構造は栄養素の絶対摂取量および摂取の動態に大きな影響を与え、食後の代謝に影響を与える可能性がある37）。

食品は複雑な構造を持ち、加工、貯蔵、摂取、消化の過程で変化する。食品は食品システム内および消化管内で互いに作用し合う。すべての食品は最終的に生物に由来し、その構成要素は相互作用によって特定の生物学的役割を担っていることを理解する必要がある。

繊維状の筋肉構造は動物の運動に、高密度の脂肪構造は動物のエネルギー貯蔵に、肉質のデンプンに富む構造は植物のエネルギー貯蔵に、穀物に内包された胚は植物の生殖に、複雑な液体である乳は新生児の栄養補給のための生体液として関与している。

これらの複雑な「生物学的」構造は、人間の糧となる栄養素を含んでいるが、栄養素の生物学的アクセス可能性は、構造自体に大きく依存している。構造は、食品が消化管でどのように処理されるか、そして栄養素の放出と同化の程度と速度に影響を及ぼす。

食品の構造と、それらが消化中および食事の中でどのように相互作用するか、またそれらの物理化学的特性を理解することによって、私たちは栄養素の放出と取り込みの動態、および食品生物活性の送達をよりよく理解することができる。

「フードマトリックス」という用語は、食品の物理的形態、すなわち食品成分間の相互作用と各成分が物理的にどのように構成されているかを説明するもので、生の植物、動物およびその他の材料の自然構造から、工業的および／または家庭での加工によって生じる複合組織を包含する38, 39。

植物および動物の組織については、分子（栄養素、植物化学物質）レベルのnmスケールから組織レベルのcmスケールまで幅広いスケールが存在する。食事に含まれる食品マトリックスの物理化学的特性は、消化の物理的・生化学的プロセスに大きく影響する40-42。

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食物マトリックスの構造が消化作用に及ぼす重要性は、繊維（主に非デンプン性多糖類）の複雑な三次元構造ほど、よくわかるものはないだろう。植物繊維のほとんどは、植物細胞壁構造の中に見出される。植物細胞壁は、セルロース、ヘミセルロース、ペクチン物質、非糖質成分（リグニン、タンパク質など）および水からなる超分子マトリックスである39。

これらの成分の相対的割合とその構造は、特に植物種、植物部位および植物組織の成熟度によって異なる。しかし、複雑な三次元構造そのものと、個々の多糖類やその他の成分は、特定の物理化学的特性（保水性、溶解性、浸透性、発酵性、結合能力、粘性、摩耗性など）を持っており、消化中に異なる生理的効果をもたらす。

複合繊維が分解された場合、単独または一緒に与えられた別々の成分の特性および消化作用は、全体の特性とは異なることが予想される。食物繊維が食品素材から抽出され、食品に添加された場合、異なる挙動を示し、異なる生理学的効果を持つ可能性が高い。

43,44 私たちの研究による腸生理学における繊維構造の重要性の一例は、精製した単一繊維カルボキシメチルセルロース（セルロースの誘導体）を与えた実験用ラットの研究において示されている。この研究では45,46、加水分解の程度が異なる（したがって溶液中の粘度が異なる）カルボキシメチルセルロースを半精製飼料中の唯一の繊維源として、胃排出速度、胃pH、胃ペプシン活性、内因性回腸窒素損失、回腸ムチン損失および真の回腸アミノ酸消化率（内因性回腸窒素流量および回腸ムチン流量への線形効果については図2参照）に影響を及ぼした。

同じ繊維（同じ化学組成）を同じ量だけラットに与えながら、（加水分解によって）物理的構造を変化させると、物理化学的特性が大きく変化し、さまざまな生理学的結果がもたらされる。構造の重要性を示すもう一つの例は、澱粉を（逆グラデーションによって）変化させ、哺乳類の酵素にほとんど抵抗性のあるレジスタントスターチを形成したことである。

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栄養学的な観点から繊維を研究するための還元主義的なアプローチは、材料を粗繊維と呼ばれる化学的実体にまで還元することであり、これは非常に再現性の高い測定方法であった。しかし、粗繊維の測定値はすべての繊維成分を適切に表しているわけではなく、構造に関連する特性を反映しておらず、繊維に依存する生理学的結果との相関がほとんどないことが明らかになった。

このため、類似の特性を持つ繊維成分（例えば、水溶性繊維や不溶性繊維）を測定する化学的測定法が普及してきた。これらの測定法は一歩前進ではあるが、生理学的効果を持つことが知られている繊維の多様な特性を十分に把握できているとは言えない。将来的には、繊維はその機能性に基づき、より幅広い特性（例えば粘度、発酵性）を反映して特性評価されるべきである。

ニュージーランドのRiddet Instituteによる最近の研究（図3、C MontoyaおよびPJ Moughan、未発表データ）では、生体内試験/試験管内試験発酵モデルを用いて、同じ量の水溶性食物繊維でも異なる由来（ペクチン、イヌリンフルクトオリコサッカライド）のものは下部小腸と大腸で異なる発酵性および発酵性ランキングを与えることが示されている。明らかに、「水溶性食物繊維」の指標で捉えられる以外の、繊維の構造に関連する属性が、重要な生理学的結果である発酵性に影響を及ぼしている。

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最後に、消化中の主要栄養素の放出速度に対する食品マトリックスの顕著な効果、および食後時間の経過に伴う血漿中の栄養素含有量への効果を示す、関連する研究グループから選ばれた4件の発表済み研究について議論する。タンパク質（牛乳と肉）、脂質（アーモンド）、炭水化物（豆類）のそれぞれについて例を挙げている。

タンパク質（牛乳）

ミニブタを用いたBarbéらの研究47では、4種類の乳製品（レンネットゲルを含む非加熱または加熱したスキムミルク、またはレンネットゲルを含まない）を摂取した後の乳タンパク質消化およびアミノ酸吸収の動態が測定された。牛乳のゲル化は、胃からの食事の流出、その後のアミノ酸の吸収を遅らせ、血漿中のアミノ酸含量を減少させた（血漿中のロイシン含量については図4を参照）。

カゼインと² -ラクトグロブリンは、それぞれ、加熱に依存して、胃での加水分解に対する耐性が異なっていた。全体として、この結果は、食事の微細構造（ゲル化の結果）がタンパク質の消化とアミノ酸の吸収に大きな影響を与えることを明確に示している。

タンパク質（肉類）

ミニピッグモデルを用いた別の研究において、Bax ら48 は、異なるマクロおよびミクロ構造を誘発するために異なる温度（60,75,95℃）で調理した赤身肉の単回食事後の血漿アミノ酸含有量を測定した。

最初の3時間におけるアミノ酸の取り込みの動態は、調理温度が75℃の場合、有意に（P<0.05）大きかった（図5）。著者らは、観察されたアミノ酸の取り込み動態の違い（代謝に関連する効果）は、低温ではタンパク質の変性が進み、消化酵素の切断部位が露出し、高温では酸化によりタンパク質が凝集して切断部位が隠されることで説明できると推測している。

脂質（アーモンド）

成人ヒトを対象とした研究49 では、全アーモンド種子微粒子、脱脂アーモンド粉入りアーモンドオイル、またはヒマワリオイル混合物のいずれかによる54gの脂肪を含む3食の後に血漿脂肪血症が測定された。図6に、食事摂取後の血漿トリアシルグリセロール含量を示す。

食後の血漿トリアシグリセロールの増加は、2つの油を含む食事と比較して、アーモンド全粒子の食事後の方がはるかに少なかった。食後脂質血症は、細胞壁の構造と特性によって制御されるアーモンド種子中の脂質の生体接近性に明らかに影響されていた49。

炭水化物 (豆類)

50 乾燥した小豆の種子をゆでるか、ゆでた後凍結乾燥し、製粉して細胞包埋デンプンを豊富に含む調理済み粉（PCF）を得るか、製粉後蒸気調理し凍結乾燥して遊離デンプンを含む粉（FSF）を得るかのいずれかの方法で、成人ヒトにおいて様々に加工した小豆に対する食後血糖値反応が測定された。

対照として白パンを用いたが、すべての豆調製品でパンよりも低い血糖値反応が得られた（図7参照）。茹でた小豆は最も低い血糖値反応を示し、FSFはPCFと比較して、少なくとも初期にはより速い反応を示した。このことから、子葉の組織構造が代謝反応に重要な影響を及ぼすと結論づけられた。

また、炭水化物を多く含む食品（白パン）に脂肪（キャノーラ油マーガリン）を加えると、成人では血糖値反応が低くなることがよく知られており51、食事中の異なる食品間の相互作用（おそらく胃排出速度への影響）を示している。

結論

食品の構造が栄養素の取り込みの程度と動態の両方に影響を及ぼすこと、栄養素は消化と代謝の両面でしばしば相互に作用すること、そして古典的な意味では栄養素とみなされない食品中の化合物（例えば、植物の植物化学物質、生物活性ペプチド）が消化、代謝および生理結果に複数の影響を及ぼしうることを示す証拠が相当数存在する。

単一の栄養素の効果を研究するという還元主義的なアプローチは、栄養学にかなりの進歩をもたらしたが、現在では複雑で高度な相互作用システムであることが知られているものを過度に単純化する危険性をはらんでいる。

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実用的な意味合いも些細なものではない。その範囲は、食品の生物学的利用可能エネルギー含有量に対する食品構造の影響から、満腹感に対する食品および食品構造の影響52,53および健康アウトカムに対する複雑な多因子効果にまで及んでいる。

特定の食品の構造がエネルギー含有化合物の取り込みと利用を変化させるため、特定の食品に対する単一の代謝エネルギー（ME）値は誤解を招く可能性がある。このことは実験デザインにも影響を及ぼし、要因に基づくシステムから算出された等カロリーと考えられる食事が、生物学的利用可能エネルギー（アデノシン5′-三リン酸（ATP）当量）の観点からは、等カロリーとは程遠い場合もあり得る。

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疫学的研究（統計的関連付け）から得られる非常に対照的な結論は、単一の栄養素または共通の栄養素群（例えば飽和脂肪酸）の分析に基づいていることが多く、通常、食品の種類、特に単一の食品に特有の構造、相互作用する栄養素の可能性および食品生物活性の影響を実質的に無視している2,58。

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全乳製品に関する最近の詳細な検討59 は興味深いものである。ナトリウムおよび飽和脂肪酸が心臓血管系疾患の発症に及ぼす影響に関する現在の見解に基づけば、チーズの摂取は心臓の健康に有害であるはずだが、証拠はその逆を指摘している。

発酵食品であるチーズは、複雑な食品マトリックスを呈し、食品全体の代謝作用は、食品マトリックス中の単一の栄養素によって引き出される作用とは異なる。飽和脂肪酸と食塩は、チーズのマトリックスに含まれる場合、血圧などの指標に与える影響が小さく、あるいは他の成分（例えば生物活性ペプチド、バクテリア）が食塩や飽和脂肪の効果を打ち消す可能性がある。

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栄養に関する私たちの理解にはパラダイムシフトが起きており、今後の研究では、食事やダイエットを構成する特定のホールフードやホールフードの混合物の総合的な効果を考慮する必要があると結論づけている。

現在の食品表示では不十分である可能性があり、将来的にはホールフードに関連する食品特性を記述した指標を開発する必要がある。

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食品の全体的価値に関するより良い情報を手に入れた栄養士は、長期的な健康維持のための食事や食事パターンを開発し、検証することができるようになる。身体のプロセスをサポートするために必要な栄養素の量（食事所要量）に関する正確な情報を持っていることは重要だが、それだけでは十分ではない。

将来的には、食品そのものの全体的な特性と、それが他の食品の特性とどのように相互作用するか、また、ある食事がその後の食事とどのように相互作用するかについての知識が、健康的な食生活を理解し定義する上で重要になるであろう。