腸道微生物與碳水化合物及代謝產(chǎn)物關系研究進展

■金 磊 王立志王之盛 薛 白 彭全輝

(四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，四川成都611130)

動物胃腸道中存在著上萬億微生物，其不但規(guī)模大、種類多，還與宿主營養(yǎng)物質(zhì)的消化代謝和健康密切相關[1-3]。例如：腸道微生物在營養(yǎng)物質(zhì)的消化代謝中的作用，腸道微生物對糖類的利用，膽汁酸的早期解離和脫羥化，維生素和必需氨基酸的生物合成等[4-7]。研究表明，動物體消化代謝所需的酶類35%以上源于腸道微生物分泌，其中25%的酶與碳水化合物代謝有關[8]。近年來，飲食對腸道微生物的影響受到越來越多人們的關注，因為有研究發(fā)現(xiàn)，飲食結(jié)構的改變可促使腸道微生物發(fā)生變化，從而影響人類代謝性疾病的發(fā)生，例如：飲食結(jié)構的改變會導致腸道菌群發(fā)生相應變化，促使有害菌轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏【鶾9-10]。然而，腸道微生物作為膳食與宿主健康的橋梁，是動物體重要的“微生物器官”，要保持宿主健康，不僅要阻止病原微生物的入侵，更需促進腸道中益生菌的生長繁殖[11]。因此，本文就腸道微生物與膳食中的碳水化合物及代謝產(chǎn)物的關系予以綜述，旨在為通過改變膳食結(jié)構來調(diào)節(jié)微生物的組成及代謝產(chǎn)物，從而影響宿主代謝性疾病的研究提供參考。

1 飲食對腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

動物從出生到成年，食物是驅(qū)動腸道微生物形成和定植的最主要因素。Filippo等[12]研究發(fā)現(xiàn)，非洲農(nóng)村的幼兒（以膳食纖維為主食）和意大利的幼兒（以高脂肪和高蛋白為主食）糞便菌群相比，哺乳期間的微生物組成無顯著差異，在斷奶后，非洲兒童腸道微生物以擬桿菌屬和普雷沃氏菌屬為主，且非洲兒童糞便中的短鏈脂肪酸(SCFA)水平顯著高于意大利兒童。分析其原因，斷奶后兩地嬰兒腸道微生物出現(xiàn)的差異的原因可能是由兩地飲食差異造成的，因為有研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒到成人的腸道微生物的變化與飲食的差異顯著相關[13]。Muegge等[14]研究發(fā)現(xiàn)，食肉動物的腸道微生物中富含蛋白質(zhì)降解相關基因，而食草動物分解多糖的相關基因比例較高。由于非洲兒童飲食以膳食纖維為主，且腸道能產(chǎn)纖維素水解酶和木糖醇水解酶的微生物相對比例較高，有助于纖維的發(fā)酵，從而產(chǎn)生更多的SCFA。

Wall等[15]研究發(fā)現(xiàn)，母乳和配合奶粉喂養(yǎng)的嬰兒，腸道微生物比純母乳喂養(yǎng)的嬰兒更多樣化。例如：母乳和配合奶粉喂養(yǎng)的嬰兒腸道有雙歧桿菌、擬桿菌屬和梭菌屬等，而純母乳喂養(yǎng)的嬰兒腸道主要為雙歧桿菌和乳酸菌。Wu等[16]研究發(fā)現(xiàn)，人體腸道中核心主導菌群與膳食模式中營養(yǎng)物質(zhì)的比例顯著相關。例如：高糖和低糖飲食均會改變腸道微生物結(jié)構，其中低糖飲食會降低宿主腸道產(chǎn)丁酸微生物的相對豐度[17]，而高糖飲食會導致小鼠肥胖[18]。高纖維飲食會增加腸道中雙歧桿菌的相對豐度，而低纖維飲食會增加腸道普雷沃氏菌屬的相對比例[19]。Kimura等[20]研究表明，攝入過量的碳水化合物會導致食欲降低，分析其原因發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象與微生物發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生的乙酸有關，因為乙酸可以作為信號分子調(diào)節(jié)食欲中樞系統(tǒng)。

碳水化合物在腸道內(nèi)能被其中的微生物發(fā)酵，代謝產(chǎn)物主要為短鏈脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸等[21]。Jha等[22]試驗發(fā)現(xiàn)，碳水化合物能刺激腸道黏膜的生長、改善腸道免疫，而這種營養(yǎng)效應是由SCFA介導的。因此，研究碳水化合物對腸道菌群結(jié)構及代謝產(chǎn)物的影響很重要。

2 碳水化合物對腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

2.1 纖維對腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

Ross等[23]尋找了17名健康受試者接受為期2周的試驗，研究發(fā)現(xiàn)，與飲食精制谷物相比，全谷物飲食顯著增加了宿主糞便中鉤端螺旋體和腸球菌屬的比例，而糞便pH值和異戊二酸的含量具有降低的趨勢，糞便排泄頻率顯著增加。該研究團隊發(fā)現(xiàn)，飲食對代謝的影響具有明顯的性別差異，例如，飲食全谷物與精制谷物的女性尿液中富馬酸的含量存在顯著差異，而男性卻沒有出現(xiàn)這種試驗結(jié)果[24]。Andersson等[25]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠飲食燕麥麩4周，細菌總豐度顯著增加，尤其是盲腸細菌，例如：脆弱擬桿菌的兩個菌株C57BL和6J豐富度顯著增加。此外，小鼠血漿膽固醇和血漿果糖胺的水平顯著降低，糞便中膽汁酸的分泌及調(diào)控膽汁酸合成的膽固醇-7-羥化酶（CYP7A1）基因表達顯著增加。Fran?ois等[26]給58名健康成人食用10 g/d的小麥麩皮提取物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥麩皮提取物能夠顯著增加成年人糞便中細菌的總數(shù)和雙歧桿菌的相對比例。成人每天食用10 μg的小麥麩皮提取物能顯著降低尿中的對甲酚含量，而對甲酚是一種蛋白水解發(fā)酵的標記物，它和糞便總SCFA水平呈顯著正相關[27]。

Br?nning等[28]用120 g/kg的膳食纖維的藍莓殼喂養(yǎng)大鼠5 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼喂藍莓殼的大鼠與未飼喂藍莓殼的大鼠相比，盲腸乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸桿菌科相對豐度顯著降低，丙酸和總SCFA含量顯著降低，而結(jié)腸遠端和糞便丙酸和丁酸的比例顯著升高。重要的是，盲腸、結(jié)腸遠端和糞便中含有大量的未被消化的藍莓殼。由此表明，大鼠腸道微生物對藍莓殼的消化利用效率很有限。Cox等[29]給小鼠飼喂少量的羥丙基甲基纖維素4周，小鼠盲腸中的糞腸球菌和消化鏈球菌比例顯著降低。此外，羥丙基甲基纖維素導致小鼠的新陳代謝發(fā)生了變化，例如：糞便中總膽固醇、高、低、極低密度脂蛋白膽固醇、瘦素、肝臟甘油三酯和肝臟脂肪百分比顯著降低，而飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、反式脂肪酸和膽汁酸含量顯著升高。

Jakobsdottir等[30]研究了不同纖維含量的日糧對小鼠腸道微生物菌群和代謝的影響，給小鼠分別飼喂低脂、高脂、低纖維、高纖維、果膠、瓜爾豆膠、果膠和瓜爾豆膠混合日糧，飼喂6周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有纖維組與無纖維日糧組相比，血液、血清和盲腸的丁酸濃度顯著增加，纖維組、果膠和瓜爾豆膠組血清和盲腸中總SCFA含量減少。此外，飼喂瓜爾膠的大鼠盲腸擬桿菌的相對豐度和血清丙酸水平顯著高于其它組；無纖維組小鼠盲腸的嗜黏蛋白-艾克曼菌比例顯著高于其它組；飼喂果膠組小鼠盲腸微生物無明顯變化。

2.2 糖類對腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

Dewulf等[31]給30例肥胖婦女食用菊粉和低聚果糖的混合物12周，食用量為16 g/d。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宿主糞便中厚壁菌門、梭狀芽孢桿菌和雙歧桿菌的相對豐度顯著升高；而乳酸桿菌、丙酸桿菌和大腸桿菌的相對豐度顯著降低。糞便中的微生物與宿主代謝變化之間具有一定的相關性。例如：雙歧桿菌和普雷沃氏菌屬的相對豐度與血清脂多糖的水平呈顯著負相關。相反，丙酸桿菌的相對豐度與血脂水平呈顯著正相關。Benus等[32]給10名健康的成人食用豌豆纖維和低聚果糖的混合物2周，其混合物膳食纖維的濃度為14 g/l。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宿主糞便中雙歧桿菌的比例顯著增加，而擬桿菌門的相對豐度顯著降低。糞便中SCFA的水平明顯增加，僅丁酸的水平顯著減少。給小鼠單獨飼喂低聚果糖，小鼠結(jié)腸中密爾比霉素的水平顯著降低，擬桿菌的比例增加，這些變化與小鼠門靜脈丙酸含量的增加顯著相關[33]。丙酸是糖異生的重要前體物質(zhì)，由此推測，腸道微生物可能通過調(diào)控丙酸的產(chǎn)生來維持宿主葡萄糖和能量平衡。

Neyrinck等[34]研究發(fā)現(xiàn)，甲殼素-葡聚糖的攝入可以部分地逆轉(zhuǎn)高脂肪飲食對動物胃腸道微生物的影響。Everard等[35]先給小鼠飼喂高脂日糧4周，小鼠盲腸細菌總數(shù)顯著降低，尤其是擬桿菌類/普雷沃氏菌屬和乳酸桿菌，而雙歧桿菌的相對比例顯著增加。隨著甲殼素-葡聚糖纖維的加入，高脂飲食的小鼠腸道菌群發(fā)生部分補償，擬桿菌類/普雷沃氏菌屬的比例逐漸增加。此外，高脂誘導體重、脂肪塊發(fā)育、血漿膽固醇濃度和肝臟甘油三酯的增長速度均減緩。Dewulf等[36]研究發(fā)現(xiàn)，給動物飼喂寡聚糖有助于改善宿主腸道微生物區(qū)系，寡果糖能夠抑制高脂肪飲食誘導的短鏈脂肪酸受體基因（GPR43）在脂肪組織中的過度表達，而GPR43是控制脂肪分化及導致脂肪細胞在高脂飲食中的積累的關鍵因素。Fava等[37]給20只健康豬飼喂聚葡萄糖補充劑（30 μg/d）3周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，66%的聚葡萄糖補充劑在小腸中均勻的發(fā)酵，對應的糞便SCFA水平也顯著增加。Ma等[38]研究發(fā)現(xiàn)，大豆寡糖能夠明顯改善小鼠腸道菌群組成，減少病原菌的數(shù)量，增強小鼠免疫功能。Giannenas等[39]研究表明，甘露寡糖能顯著改善育肥豬腸道菌群組成和免疫應答水平。

2.3 抗性淀粉對腸道微生物及代謝產(chǎn)物的影響

Abell等[40]給46例健康成人分別飲食含小麥纖維的非淀粉多糖和抗性淀粉4周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加抗性淀粉組人群糞便中總SCFA、乙酸鹽和丁酸水平顯著高于非淀粉多糖組。此外，抗性淀粉能夠刺激梭菌屬的生長繁殖，而非淀粉多糖飲食主要刺激毛螺旋菌科細菌的增殖。糞便中擬桿菌的相對豐度與丙酸的含量呈顯著正相關，雙歧桿菌的比例與血漿胰島素水平呈顯著正相關[41]。Paturi等[42]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂抗性淀粉的大鼠，盲腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌的相對豐度均顯示增加，并且刺激小鼠結(jié)腸杯狀細胞的增殖。此外，給妊娠大鼠飼喂抗性淀粉，生出的幼崽空腹血糖水平較低，盲腸和糞便SCFA水平、雙歧桿菌、乳酸桿菌和梭菌屬比例顯著降低，而斷奶后這些指標均顯著增加[43]。研究發(fā)現(xiàn)，給大鼠飼喂抗性淀粉，能夠使其盲腸、結(jié)腸和糞便中的總SCFA、丙酸和丁酸的含量顯著增加[44]。

Haenen等[45]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加 34%的抗性淀粉，能夠顯著增加母豬結(jié)腸布氏瘤胃球菌的相對豐度，降低潛在致病性大腸桿菌和假單胞菌屬的相對比例，增加結(jié)腸中SCFA的濃度。而34%的抗性淀粉，能增加公豬結(jié)腸產(chǎn)丁酸菌、柔嫩梭菌和埃氏巨型球菌的相對豐度，降低潛在病原體鉤端螺旋體屬的豐度，增加頸動脈血液中SCFA的濃度。以上這些結(jié)果表明，抗性淀粉通過改變腸道微生物區(qū)系，引起微生物代謝產(chǎn)物發(fā)生相應變化，代謝產(chǎn)物的變化進一步誘導腸上皮組織的代謝和免疫應答發(fā)生改變。

3 小結(jié)與展望

腸道微生物自身及其代謝產(chǎn)物調(diào)控著宿主的生理機能與健康水平，對動物體的生長與發(fā)育至關重要。分析動物體腸道內(nèi)微生物定植、演替規(guī)律和代謝產(chǎn)物產(chǎn)生規(guī)律，揭示調(diào)控宿主腸道穩(wěn)態(tài)和功能的作用機制，有助于提高動物的生產(chǎn)和健康水平，防控代謝類疾病的發(fā)生。

而影響腸道微生物結(jié)構的最主要的因素是飲食，飲食進入到后腸會改變腸道微生物結(jié)構，同時供微生物發(fā)酵，產(chǎn)生對人體健康有益的短鏈脂肪酸或有害的脂多糖和苯酚等物質(zhì)。但目前就碳水化合物對腸道菌群及代謝產(chǎn)物的影響研究甚淺，針對這些影響與人體健康關系的研究更是極其罕見。隨著生物學家們對腸道微生物這個“微生物器官”的研究越來越重視和人類微生物基因組計劃的展開，揭示膳食如何調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構及其代謝產(chǎn)物的作用機制將為時不遠。