食物成分對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響

孫長(zhǎng)豹，劉志靜，劉飛，杜鵬，侯俊財(cái)

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

人體腸道內(nèi)棲息著約1014個(gè)、1 000多種不同的細(xì) 菌，其總基因組數(shù)目大約是人體總基因組數(shù)目的150倍[1]。因此，人體被認(rèn)為是由真核細(xì)胞和原核細(xì)胞組成的復(fù)雜“超級(jí)生物體（Superorganism）”[2]。目前，通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)，在人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)9種腸道細(xì)菌門類：厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、梭桿菌門（Fusobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、螺旋體門（Spirochaeates）、VadinBE97門以及與藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）接近的未分類菌群，其中多數(shù)細(xì)菌為專性厭氧菌，優(yōu)勢(shì)菌群為擬桿菌門和厚壁菌門，占腸道菌群總體的98%[3]。腸道菌群在食物消化吸收、營(yíng)養(yǎng)代謝、免疫功能激活、腸道屏障和機(jī)體行為調(diào)控等方面起著至關(guān)重要的作用，是人體重要的“微生物器官”[4]，因此維持腸道菌群結(jié)構(gòu)的平衡對(duì)人體健康有重要意義。腸道菌群的結(jié)構(gòu)從新生兒階段開始建立，并隨著宿主的成長(zhǎng)而不斷變化。在此過(guò)程中，腸道菌群的結(jié)構(gòu)還受到宿主基因型、飲食、生活環(huán)境、生活習(xí)慣、分娩方式、抗生素等因素的影響，其中飲食因素是最容易控制或改變的因素[5-6]。在長(zhǎng)期相對(duì)固定的飲食模式下，腸道內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)也是相對(duì)穩(wěn)定的，而當(dāng)飲食結(jié)構(gòu)改變時(shí)，腸道菌群在短時(shí)間內(nèi)也會(huì)發(fā)生變化[7]，說(shuō)明腸道菌群對(duì)食物成分存在某種偏好性，而且可能具有特定功能[8]，這是腸道菌群對(duì)不同底物適應(yīng)性的體現(xiàn)[9]。同時(shí)，腸道菌群結(jié)構(gòu)的可變性也揭示了飲食干預(yù)手段應(yīng)用于腸道菌群結(jié)構(gòu)平衡的調(diào)節(jié)和疾病治療的可能性。本文就飲食結(jié)構(gòu)、食物成分及其代謝物對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行綜述，旨在為未來(lái)研究飲食干預(yù)調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，預(yù)防疾病提供參考和新的思路。

1 飲食結(jié)構(gòu)對(duì)腸道菌群的影響

隨著不同人群飲食結(jié)構(gòu)的不同，其腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)也會(huì)不同。高脂飲食會(huì)降低擬桿菌門和雙歧桿菌數(shù)量，增加厚壁菌門和變形菌門數(shù)量，高纖維飲食會(huì)增加腸道中雙歧桿菌數(shù)量，而低纖維飲食會(huì)增加普氏菌屬數(shù)量[10]。越來(lái)越多的研究表明，多種飲食結(jié)構(gòu)如高脂飲食、高糖飲食、高膳食纖維飲食等均會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生影響。

1.1 高脂飲食

高脂飲食是典型的西方飲食模式，主要以美國(guó)、加拿大、北歐等國(guó)家為代表。高脂飲食中富含動(dòng)物蛋白、糖、淀粉和脂肪，而纖維含量較低。目前已經(jīng)公認(rèn)高脂飲食是引起肥胖和2型糖尿病等代謝性疾病的主要原因之一[11]。De Filippo等[12]利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)歐洲兒童和非洲兒童的腸道菌群進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩者的腸道菌群存在明顯的差異。高膳食纖維飲食的非洲兒童的腸道菌群中富含擬桿菌門，尤其是與纖維素和木聚糖水解相關(guān)的普雷沃氏菌和木聚糖菌，而厚壁菌門相對(duì)較少；高脂飲食的歐洲兒童的腸道菌群結(jié)構(gòu)特點(diǎn)則與前者相反；同時(shí)非洲兒童腸道內(nèi)的短鏈脂肪酸水平明顯高于歐洲兒童。在動(dòng)物模型研究中也得到了相似的結(jié)果，Lin等[13]研究了高脂飲食對(duì)大鼠腸道菌群的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼喂大鼠8周高脂飲食后，大鼠腸道菌群中的厚壁菌門豐度增加，而擬桿菌門豐度降低，并且厚壁菌門/擬桿菌門比例顯著高于對(duì)照組。Zhang等[14]研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)飲食相比，高脂飲食會(huì)降低大鼠腸道菌群中擬桿菌門和雙歧桿菌的數(shù)量，增加厚壁菌門的數(shù)量。夏陽(yáng)等[15]研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食能夠引起小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變，增加多種潛在性致病菌，特別是梭桿菌。

高脂飲食會(huì)導(dǎo)致腸屏障保護(hù)功能菌（乳桿菌屬、雙歧桿菌屬以及普氏菌屬等）的豐度明顯減少，而產(chǎn)硫化氫和內(nèi)毒素脂多糖的破壞腸屏障功能的硫酸鹽還原菌的豐度明顯增加，這種腸道菌群的失調(diào)使得腸道通透性增加，血液中腸源性毒素水平升高，最終導(dǎo)致包括胰島素抵抗、肥胖、糖尿病等在內(nèi)的代謝綜合癥的發(fā)生[16-17]。高脂飲食能減少腸道菌群產(chǎn)生甾類激素、抗菌物質(zhì)和膽汁酸合成和膽汁分泌的水平，提高脂肪酸合成和尿膽原代謝水平[18]。

1.2 高糖飲食

糖和脂肪是機(jī)體最主要的兩大能源物質(zhì)，對(duì)健康有重大影響。目前，大多數(shù)研究集中在高脂飲食對(duì)機(jī)體健康及腸道菌群的影響，而單獨(dú)高糖飲食對(duì)機(jī)體健康和腸道菌群影響的研究較少。研究表明，高糖飲食能夠明顯增加機(jī)體的體重，促進(jìn)脂肪的積累。張芹等[19]研究了高糖飼料和普通飼料對(duì)小鼠腸道菌群的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與正常組相比高糖飲食能夠使小鼠的體重和血糖值明顯升高，且高糖飲食組小鼠糞便中厚壁菌門細(xì)菌顯著高于正常組，而擬桿菌門顯著低于正常組。長(zhǎng)期高糖飲食的人腸道中的短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）含量相對(duì)較高[8]。SCFAs能夠降低腸道的pH值，具有促進(jìn)雙歧桿菌、乳桿菌等有益菌增殖，抑制腸桿菌、沙門菌等有害菌腸道內(nèi)定植和繁殖的生理功能[20]。

1.3 高膳食纖維飲食

膳食纖維是人體不能消化吸收的多糖類物質(zhì)，主要包括抗性淀粉、非淀粉性多糖、低聚糖等。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)高膳食纖維飲食能夠調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)體內(nèi)代謝的平衡。Candela等[21]采用高膳食纖維飲食對(duì)2型糖尿病患者進(jìn)行飲食干預(yù)，發(fā)現(xiàn)高膳食纖維飲食能夠明顯改善糖尿病患者的代謝狀況，增加腸道菌群的生物多樣性，并且產(chǎn)短鏈脂肪酸菌屬（擬桿菌屬、羅斯氏菌屬、毛螺菌屬等）的豐度提高。高膳食纖維飲食會(huì)增加腸道中雙歧桿菌的數(shù)量[22]，使腸道菌群的多樣性增加，同時(shí)也可以使腸道菌群中的普雷沃氏菌豐度增加[23]。

高膳食纖維飲食可能通過(guò)富集SCFAs產(chǎn)生菌，增加腸道內(nèi)SCFAs濃度，降低脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）產(chǎn)生菌的水平，進(jìn)而減少LPS入血引起組織器官的炎癥。高膳食纖維飲食還能抑制某些能產(chǎn)生有害物質(zhì)，如三甲胺（Trimethylamine，TMA）和吲哚的有害菌，從而改善宿主的代謝狀況[16]。

2 食物成分對(duì)腸道菌群的影響

食物中的三大營(yíng)養(yǎng)成分（碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪）、礦物質(zhì)及維生素進(jìn)入胃腸道后主要在小腸內(nèi)被消化吸收，未被消化吸收的成分直接運(yùn)送至結(jié)腸與腸道菌群發(fā)生相互作用。

2.1 碳水化合物

未被胃腸道酶消化的碳水化合物（抗性淀粉、非抗性淀粉、纖維素等）在結(jié)腸內(nèi)進(jìn)一步被腸道菌群代謝，并作為碳源和能源供腸道菌群利用和生長(zhǎng)[24]。碳水化合物的種類不同，對(duì)腸道菌群的影響也不同。將人糞便樣懸浮液接種到以木聚糖、果膠等非淀粉多糖作為底物的培養(yǎng)基中，擬桿菌屬細(xì)菌大量增殖，而瘤胃球菌屬、梭菌屬等細(xì)菌較接種時(shí)比例下降，而以直鏈淀粉為底物的培養(yǎng)基中布氏瘤胃球菌、短雙歧桿菌為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌[25]。已有研究表明，高碳水化合物飲食能增加雙歧桿菌的豐度，降低Blautia的豐度[26]。

碳水化合物的代謝產(chǎn)物有 SCFAs、H2、CO2等，其中SCFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸，它們的比例受腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響，如擬桿菌門以產(chǎn)乙酸和丙酸為主，而厚壁菌門以產(chǎn)丁酸為主，它們的正常比例約為3∶1∶1。丁酸鹽主要被腸道上皮細(xì)胞吸收利用，調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育，并作為腸道的能源物質(zhì)，也有研究表明丁酸鹽能有效抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖[27]。丙酸鹽被轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，是糖類異生的主要底物之一。乙酸鹽大部分被吸收轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，也可被轉(zhuǎn)運(yùn)至肌肉和周圍組織中，其主要參與脂類合成，也有研究表明乙酸和丙酸可以激活人體中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞中的游離脂肪酸受體 2（free fatty acid receptor2，F(xiàn)FAR2），抑制腫瘤壞死因子-α（tumornecrosis factor-α，TNF-α）的釋放，促進(jìn)腸道中抗炎反應(yīng)[28-29]。

2.2 蛋白質(zhì)

未被胃腸道酶消化的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至結(jié)腸，并在結(jié)腸末端被腸道菌群降解，為細(xì)菌提供氮源。參與降解蛋白質(zhì)的細(xì)菌主要是擬桿菌屬（尤其是B.fragilis）、梭桿菌屬產(chǎn)氣莢膜桿菌（Clostridium perfringens）、丙酸桿菌（Propionibacterium）、鏈球菌（Streptococcus）、芽孢桿菌（Bacillus）和葡萄球菌（Staphylococcus）[30]。

未被消化的蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)腸道菌群的降解，除了生成SCFAs、H2和CO2，還會(huì)生成支鏈脂肪酸（異丁酸、2-甲基丁酸乙酯和異戊酸等）、氨、酚類、吲哚類、胺類和硫化物等，這些代謝產(chǎn)物大部分是對(duì)宿主腸道有害的[31]。SCFAs、支鏈脂肪酸和氨等物質(zhì)主要是由消化球菌屬、氨基酸球菌屬、韋榮球菌屬等細(xì)菌使氨基酸發(fā)生脫氨基作用而產(chǎn)生的；酚類和吲哚類物質(zhì)主要是由梭菌屬、擬桿菌屬、腸桿菌屬、雙歧桿菌屬和乳酸菌屬等細(xì)菌使芳香族氨基酸發(fā)生脫氨基作用產(chǎn)生的；胺類主要是由腸埃希菌、假單胞菌屬、變形桿菌屬和克雷伯菌屬等需氧細(xì)菌使氨基酸和肽類經(jīng)脫羧作用產(chǎn)生的；硫化物主要是由硫酸還原菌代謝食物中的硫酸鹽產(chǎn)生的[7]。這些有害物質(zhì)的生成可能引起炎癥性腸病，但也有研究表明高蛋白飲食不一定都引起有害作用，Dominika等[32]研究了糖化豌豆蛋白對(duì)人體腸道菌群的影響，結(jié)果表明糖化豌豆蛋白能夠顯著提高乳酸桿菌和雙歧桿菌的豐度和短鏈脂肪酸的水平。

2.3 脂肪

食物中的脂類物質(zhì)大部分在小腸內(nèi)消化吸收，只有7%左右的脂肪酸隨糞便排出體外[33]。有研究表明脂肪酸的種類影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)，Patterson等[34]研究了含不同脂肪酸的高脂飼料對(duì)小鼠腸道菌群的影響。結(jié)果表明，富含飽和脂肪酸的高脂飼料組小鼠腸道中擬桿菌門減少，而富含不飽和脂肪酸高脂飼料組小鼠腸道中擬桿菌科豐度相對(duì)較高。

膽汁酸對(duì)脂肪的消化吸收有重要的作用。脂肪能夠促進(jìn)膽汁的分泌，在膽汁酸水解酶的作用下產(chǎn)生游離膽汁酸而降低膽固醇水平，抑制艱難梭菌的生長(zhǎng)和繁殖[35-36]。有些腸道菌群還參與卵磷脂的代謝，使其轉(zhuǎn)化成三甲胺，并經(jīng)過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入肝臟轉(zhuǎn)化成氧化三甲胺，造成動(dòng)脈粥樣硬化，增加了心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[37]。

2.4 礦物質(zhì)

食物中的許多礦物質(zhì)是細(xì)菌生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，例如鐵，因此腸道內(nèi)礦物質(zhì)的平衡對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)有重要影響。BuhnikRosenblau等[38]研究了鐵對(duì)小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，鐵調(diào)節(jié)蛋白2（iron regulatory protein2，IRP2）和遺傳血色病突變基因Hfe是體內(nèi)調(diào)節(jié)鐵平衡的重要蛋白。鐵調(diào)節(jié)基因敲除小鼠體內(nèi)腸道菌群結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重影響，尤其是乳酸菌的豐度變化極顯著，同時(shí)鐵的吸收也受到影響。腸道菌群在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以促進(jìn)鐵的吸收，而毒性代謝物會(huì)抑制鐵的主動(dòng)運(yùn)輸，減少鐵的吸收。

2.5 維生素

人體所需的維生素大多來(lái)自于食物，少數(shù)維生素也可通過(guò)腸道菌群的代謝提供，例如維生素B1、維生素B2、維生素K和葉酸等。有研究表明，枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和沙門氏菌在多種酶的作用下可以合成維生素B2，而且大腸桿菌還可以合成維生素K[39]。雙歧桿菌和乳酸桿菌可以合成葉酸[40]。

3 飲食干預(yù)

已有大量的研究表明，飲食干預(yù)能夠調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和功能[41]。飲食干預(yù)對(duì)腸道菌群的影響主要表現(xiàn)在：腸道菌群能夠快速響應(yīng)飲食的改變，雖然能夠快速響應(yīng)，但長(zhǎng)期的飲食習(xí)慣在決定人體腸道菌群組成中起主導(dǎo)作用，由于先天腸道菌群的差異，不同個(gè)體對(duì)相同的飲食干預(yù)產(chǎn)生特異性的響應(yīng)[42]。殷曉晨等[43]對(duì)重度肥胖癥患者進(jìn)行飲食干預(yù)，研究腸道內(nèi)硫酸鹽還原菌數(shù)量的變化。結(jié)果表明，飲食干預(yù)過(guò)程中，患者的體重顯著降低，其腸道內(nèi)硫酸鹽還原菌的比例也顯著下降。孫兆男等[44]研究了益生菌干預(yù)對(duì)高脂高糖飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群的影響。結(jié)果表明，高脂高糖飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠存在腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)及脂代謝異常，益生菌干預(yù)可以改善肥胖小鼠菌群失調(diào)以及脂代謝紊亂。Park等[45]利用彎曲乳桿菌HY7601和植物乳桿菌KY1032對(duì)肥胖小鼠進(jìn)行飲食干預(yù)。結(jié)果表明，小鼠的體重明顯降低，且總膽固醇含量也顯著降低。

4 結(jié)語(yǔ)

腸道菌群及其代謝物對(duì)宿主健康起到重要作用，它不僅影響宿主營(yíng)養(yǎng)成分的消化吸收，還具有調(diào)節(jié)宿主代謝和免疫的生理功能?，F(xiàn)在人們對(duì)健康飲食的要求越來(lái)越高，在膳食與健康的關(guān)系中，對(duì)腸道微生物的橋梁作用也越來(lái)越重視。通過(guò)合理的飲食，可以改善腸道菌群的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)人體健康并能夠預(yù)防和緩解某些疾病。但是，目前對(duì)飲食與腸道菌群之間相互作用機(jī)制研究的不夠深入，而且腸道菌群是一個(gè)微生態(tài)系統(tǒng)，只考慮個(gè)別種屬數(shù)量和代謝物的變化是不夠的，在將來(lái)的研究中還需要考慮菌種間的互作和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。相信隨著宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)等生物技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)腸道菌群會(huì)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)飲食與腸道菌群之間的相互作用理解更加深入。通過(guò)合理的飲食結(jié)構(gòu)塑造或者重建合理的腸道菌群結(jié)構(gòu)是食品科學(xué)未來(lái)的研究方向。

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