食品添加劑對(duì)腸道微生物組的影響

王賢書，葛月婷，邱 斌，劉麗娜，徐同成，杜方嶺，宗愛珍，賈 敏，劉 瑋

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所/山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部新食品資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)

大量研究表明，腸道微生物參與宿主多種代謝途徑的調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)體的多種生理功能產(chǎn)生重要影響，并與炎癥性腸病(IBD)、肥胖及代謝綜合征等疾病息息相關(guān)。本文就近年來(lái)食品添加劑對(duì)腸道微生物結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)生影響的研究進(jìn)行綜述。

1 腸道微生物與人體健康

腸道微生物群落的構(gòu)成和活性取決于宿主基因組、營(yíng)養(yǎng)和生活方式等。同時(shí)腸道微生物群參與宿主多種代謝途徑的調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)體的多種生理功能發(fā)揮重要作用，如機(jī)體物質(zhì)代謝、信號(hào)傳遞、消化道功能的完善及免疫功能的調(diào)節(jié)等[1-2]。越來(lái)越多的研究表明，腸道微生物與肥胖[3-5]、糖尿病[6-8]、高血壓[9]、高血脂[10-11]、炎癥[12-14]等疾病息息相關(guān)。LV Hooper等[15]將擬桿菌屬移植進(jìn)無(wú)菌小鼠的腸道內(nèi)，結(jié)果顯示，這種共生菌群調(diào)節(jié)幾個(gè)重要腸道功能基因的表達(dá)水平，主要包括營(yíng)養(yǎng)吸收、粘膜屏障強(qiáng)化、物質(zhì)代謝及血管生成等功能。已有研究報(bào)道，腸道菌群結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致某種菌群產(chǎn)生過量的大腸桿菌脂多糖(LPS)，LPS滲透血管進(jìn)入血液后會(huì)引發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)，并且會(huì)促進(jìn)因?yàn)楦咧嬍扯纬傻姆逝旨按x綜合征的發(fā)生[16]。張培培等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在新疆哈薩克族人群中由于脫硫弧菌屬數(shù)量的增加，導(dǎo)致其血漿IL-1p、IL-1β、IL-6、TNF-α的水平顯著升高，IL-10的水平顯著降低，提示腸道菌群的變化可能是新疆哈薩克族2型糖尿病發(fā)病的誘因之一。腸道脫硫弧菌屬、梭菌屬、Akkermansia、muciniphila、多形擬桿菌等腸道菌群的數(shù)量分別與血漿炎癥標(biāo)志物水平存在一定的相關(guān)性。細(xì)菌代謝的最終產(chǎn)物，特別是維生素和短鏈脂肪酸(SCFA)對(duì)人體健康至關(guān)重要，這些腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物具有促進(jìn)健康的作用[18]。美國(guó)基因組研究所研究人員發(fā)現(xiàn)，腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、氨基酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝的基因，其中大部分是人體自身基因組中所不具有的[19]。

2 飲食與腸道微生物組的關(guān)系

飲食是影響腸道微生物群落組成最主要的一個(gè)因素，飲食中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠影響腸道微生物群落結(jié)構(gòu)并為微生物的代謝提供底物，而微生物代謝產(chǎn)物如維生素和短鏈脂肪酸等可影響宿主生理功能。Carlotta De Filippo等[20]通過對(duì)歐洲兒童和非洲農(nóng)村兒童腸道微生物組的比較來(lái)研究飲食對(duì)腸道微生物組的影響，通過使用高通量16S rDNA測(cè)序和生物化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)兩組之間腸道微生物群差異顯著。非洲農(nóng)村兒童腸道中的短鏈脂肪酸含量明顯多于歐洲兒童，腸桿菌科(志賀氏菌屬和埃希氏菌屬)顯著低于歐盟兒童。與歐洲兒童相比，非洲農(nóng)村兒童腸道中的擬桿菌富集，厚壁桿菌缺乏。在歐洲兒童腸道菌群內(nèi)具有分解纖維素功能的普氏菌屬和解木聚糖桿菌基因完全缺乏。這項(xiàng)研究調(diào)查比較了以現(xiàn)代西方飲食和農(nóng)村飲食為特征的兒童腸道微生物群，結(jié)果顯示，腸道菌群與宿主的關(guān)系受飲食因素影響，具有不同飲食結(jié)構(gòu)的人群會(huì)形成不同的腸道微生物群落，飲食結(jié)構(gòu)與腸道微生物組的變化密切相關(guān)。Ruth E.Ley等[21]通過對(duì)人類的糞便微生物群和其他59種生活在動(dòng)物園和野外的哺乳動(dòng)物的腸道微生物16S rRNA基因序列分析，表明飲食與腸道菌群之間有密切關(guān)系。腸道微生物群落與宿主共同進(jìn)化，提供獨(dú)特的代謝功能，這反映在廣泛的食物消費(fèi)模式中，在食肉動(dòng)物、雜食動(dòng)物和食草動(dòng)物中的腸道中有著明顯不同的的微生物群。

食物中那些人類自身產(chǎn)生的酶難以消化的成分，如纖維素等，為腸道微生物的新陳代謝提供底物。不同細(xì)菌發(fā)酵不同的底物，復(fù)雜的飲食可以為特定的致病菌提供一系列生長(zhǎng)促進(jìn)或生長(zhǎng)抑制因子[18，22]。炎癥性腸病(IBD)，包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎(UC)，雖然遺傳成分被鑒定為發(fā)展IBD的風(fēng)險(xiǎn)因素，但有證據(jù)表明飲食因素可能在IBD的發(fā)展中發(fā)揮作用。食用淀粉中的抗性淀粉在小腸中不能被酶解，不提供能量，其性質(zhì)類似膳食纖維，但可進(jìn)入結(jié)腸中與脂肪酸起發(fā)酵反應(yīng)，導(dǎo)致丁酸鹽的產(chǎn)生，丁酸鹽可改善結(jié)腸生理機(jī)能，并且為腸道微生物生長(zhǎng)提供主要能量來(lái)源。RKL Leu等[14]研究了抗性淀粉和膳食紅肉對(duì)DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎的影響，研究使用DSS誘導(dǎo)Balb/c小鼠結(jié)腸炎模型，基于疾病活動(dòng)指數(shù)(體重減輕、糞便稠度、直腸出血和動(dòng)物的總體狀況)和組織學(xué)評(píng)分來(lái)評(píng)估結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度，使用實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)盲腸內(nèi)容物細(xì)菌數(shù)進(jìn)行定量，結(jié)果表明，抗性淀粉的攝入能夠減弱小鼠腸道炎癥水平，并且膳食紅肉和抗性淀粉的攝入誘發(fā)了腸道微生物群落的變化。

3 食品添加劑對(duì)腸道微生物的影響

食品添加劑已成為現(xiàn)代食品工業(yè)加工生產(chǎn)過程中不可或缺的重要組分，研究食品添加劑對(duì)腸道微生物的影響，有助于我們預(yù)防和治療與腸道微生物群落相關(guān)的許多疾病，具有一定的指導(dǎo)意義。

苯甲酸作為食品生產(chǎn)中常用的食品防腐添加劑，其對(duì)人類腸道微生物產(chǎn)生的影響值得關(guān)注。有機(jī)酸和它們的鹽被認(rèn)為是另一類天然生長(zhǎng)促進(jìn)劑，多年來(lái)一直用做動(dòng)物飼料中的添加劑，在豬的生長(zhǎng)過程中，苯甲酸提高了育肥豬的體重增加量和飼料增重比[23-24]。體外研究中，苯甲酸在減少整體盲腸菌群豐度方面非常有效，并對(duì)大腸桿菌產(chǎn)生不利影響，具有一定的抑菌能力[25-26]。與體外研究相比，體內(nèi)研究出現(xiàn)不一致性，研究顯示，乳酸菌隨飲食中苯甲酸的量而增加或減少[27]，大腸桿菌的數(shù)量有所增加，增加的數(shù)量也受到飲食中苯甲酸含量的影響[28]。另有研究表明，飼料添加5 000mg/kg苯甲酸降低了仔豬消化道食糜pH，促進(jìn)了有益菌的生長(zhǎng)，改善了腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)，并提高微生物代謝產(chǎn)物丙酸、丁酸及總揮發(fā)性脂肪酸的濃度[26]。

乳化劑可改變腸道菌群的組成，從而誘導(dǎo)腸道炎癥，促進(jìn)炎癥性腸疾病和代謝綜合征的發(fā)展。有研究表明，長(zhǎng)期服用乳化劑的實(shí)驗(yàn)小鼠，會(huì)患上慢性腸道炎癥，并表現(xiàn)出代謝綜合征的跡象，如肥胖、高血壓等。Chassaing B等[29]研究顯示，在小鼠試驗(yàn)中兩種常用乳化劑聚山梨醇80(P80)和羧甲基纖維素(CMC)會(huì)導(dǎo)致輕度炎癥、肥胖及代謝綜合征。腸道被保護(hù)的主要方法是通過多層黏液結(jié)構(gòu)覆蓋腸道表面，從而使絕大多數(shù)腸道細(xì)菌保持在與腸道上皮細(xì)胞的安全距離上。乳化劑可能是通過破壞粘液—細(xì)菌之間的相互作用，擾亂宿主—微生物群之間的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致輕度炎癥從而促進(jìn)肥胖和代謝綜合征，廣泛使用乳化劑可能會(huì)增加肥胖、代謝綜合征和其他慢性炎性疾病的社會(huì)發(fā)生率。

腸道微生物群在許多慢性炎性疾病(包括IBD和代謝綜合征)的發(fā)展中起核心作用。改變和影響腸道微生物組的物質(zhì)，可以促進(jìn)這種炎性疾病發(fā)展。研究人員通過使用人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)(M-SHIME)模型的粘膜模擬器檢查了羧甲基纖維素(CMC)和聚山梨醇80(P80)對(duì)微生物群的直接影響，該模型在缺乏活體宿主的情況下保持了復(fù)雜且穩(wěn)定的人類微生物群。這種方法表明，P80和CMC都直接作用于人類微生物群，增加了其促炎潛能(如生物活性鞭毛蛋白水平升高)[30]。

研究表明，膳食中檸檬酸鈉的添加能降低試驗(yàn)小鼠的體重，而高劑量的檸檬酸鈉可顯著提高小鼠血清中高密度脂蛋白膽固醇的含量。檸檬酸鈉的添加影響了小鼠腸道微生物的beta多樣性，使厚壁菌門和擬桿菌門的比例發(fā)生變化。在屬水平上，檸檬酸鈉高劑量組檢測(cè)出了棒狀桿菌屬和葡萄球菌屬，說(shuō)明攝食高劑量的檸檬酸鈉會(huì)對(duì)小鼠腸道微生態(tài)造成一定影響[31]。

對(duì)人體來(lái)說(shuō)，優(yōu)質(zhì)的益生元，在通過消化道時(shí)，大部分不被人體消化，而是被腸道菌群利用。益生元的攝入可以通過增加特定細(xì)菌的數(shù)量(對(duì)人體有益的菌群)，從而改變菌群的組成，顯著地調(diào)節(jié)人體腸道微生物菌群的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，通常不易消化的寡糖，特別是低聚果糖是益生元[32]。異麥芽低聚糖是一種優(yōu)質(zhì)的益生元，對(duì)機(jī)體腸道菌群具有一定的調(diào)節(jié)作用，能激發(fā)人體自身雙歧桿菌等有益菌的生長(zhǎng)繁殖，抑制體內(nèi)有害菌的生長(zhǎng)。此外，因低聚異麥芽糖的甜味、加工性質(zhì)十分接近砂糖或麥芽糖，制取容易，價(jià)格便宜[33]。益生元廣泛用于食品生產(chǎn)中，充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)腸道菌群的作用，為食品工業(yè)的發(fā)展和人類健康做出了貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

多種食品添加劑會(huì)改變腸道微生物群落結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重的甚至?xí)鹉c道輕度炎癥、肥胖、代謝綜合征等疾病，威脅機(jī)體健康。作為膳食補(bǔ)充劑的益生元?jiǎng)t表現(xiàn)出對(duì)人體健康有益的一面，其通過增加特定細(xì)菌的數(shù)量(對(duì)人體有益的菌群)，調(diào)節(jié)人體腸道微生物菌群，從而促進(jìn)人體健康。揭示食品添加劑與腸道微生物的關(guān)系，有助于預(yù)防和治療現(xiàn)在已知與微生物群落相關(guān)的許多疾病，有助于最大程度地發(fā)揮食品添加劑的作用，同時(shí)避免其對(duì)機(jī)體健康的不利影響，對(duì)保持人體健康具有一定的指導(dǎo)意義?！?/p>

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