膳食對(duì)腸道菌群影響的研究進(jìn)展

杜婷，尹萍萍，汪姝敏，郁志明，翟齊嘯*

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.南京醫(yī)科大學(xué) 附屬無(wú)錫市人民醫(yī)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

人體腸道菌群是棲息在胃腸道中的所有微生物（主要是細(xì)菌）的集合體。因?yàn)樗哂卸喾N功能，如營(yíng)養(yǎng)代謝、藥物代謝，以及與人體的免疫系統(tǒng)合作對(duì)抗病原微生物的定植，所以被認(rèn)為是身體的虛擬器官。腸道菌群的多樣性和功能受許多不同因素的影響，包括年齡、抗生素的使用、益生菌或益生元的消耗，以及飲食習(xí)慣。不同的膳食模式會(huì)影響微生物群的組成，改變3種主要常量營(yíng)養(yǎng)素（碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪）的攝入量也會(huì)顯著影響微生物群的組成。本文闡述了3種常見(jiàn)的膳食模式及飲食成分對(duì)腸道菌群組成、結(jié)構(gòu)、功能和基因的影響，以期為制定健康飲食結(jié)構(gòu)提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 腸道菌群概述

人體腸道是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門、梭桿菌門和疣微菌門是腸道菌群的常見(jiàn)細(xì)菌門，其中擬桿菌門和厚壁菌門的豐度占整個(gè)腸道菌群的90%以上[1]。腸道菌群可以與宿主共同進(jìn)化，其微生物組在人類發(fā)展的各個(gè)階段都是高度動(dòng)態(tài)的，并牽涉到各種健康和疾病狀況。體內(nèi)研究表明，腸道菌群組成的變化在維持腸道屏障功能方面發(fā)揮著重要作用。腸道菌群紊亂會(huì)引發(fā)多種疾病，如炎癥、肥胖等疾病。有許多因素會(huì)不斷地改變腸道菌群的組成和多樣性[2-3]，宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，飲食等外在因素對(duì)腸道菌群的組成和功能的調(diào)控大大超過(guò)了遺傳因素的貢獻(xiàn)[4]。

2 不同膳食類型對(duì)腸道微生物的影響

2.1 不同飲食類型對(duì)腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的影響

世界上常見(jiàn)的膳食模式主要包括素食飲食、地中海飲食和西方飲食。地中海型飲食以植物性食物為基礎(chǔ)，飲食中主要攝入綠葉蔬菜、水果、谷類、堅(jiān)果和豆類，已被證明對(duì)心血管疾病具有預(yù)防作用[5-6]，素食飲食者通常存在較低的冠心病風(fēng)險(xiǎn)[7]，而西方飲食多紅肉、動(dòng)物脂肪、糖果和甜點(diǎn)，可能會(huì)增加患慢性病的風(fēng)險(xiǎn)[8]。3種常見(jiàn)的飲食模式中地中海飲食最為健康，飲食中包含的營(yíng)養(yǎng)素比較豐富全面。它既不像素食飲食限制動(dòng)物性來(lái)源的食品，也不像西方飲食攝入大量的脂肪和碳水化合物而缺少膳食纖維。不同的長(zhǎng)期飲食模式，對(duì)腸道菌群組成有顯著影響[9]，西方飲食與高水平的擬桿菌屬有關(guān)，而普氏菌屬在地中海飲食中的代表性更高。3種主要飲食對(duì)腸道菌群的影響見(jiàn)圖1。

圖1 3種主要飲食對(duì)腸道菌群的影響Fig.1 Effects of three major diets on gut microbiota

2.1.1 素食對(duì)腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的影響

素食是一種嚴(yán)格或部分排除動(dòng)物源性產(chǎn)品的飲食。根據(jù)是否排除海鮮、雞蛋或奶制品，素食主義可進(jìn)一步細(xì)分為7類：純素食主義、蛋奶素食主義、蛋素食主義、乳素食主義、半素食主義、生素食主義和魚素主義[10]。近年來(lái)，素食和純素飲食的趨勢(shì)不斷增長(zhǎng)。這些飲食模式中，水果、蔬菜、全麥、豆類、堅(jiān)果和各種豆制品通常占比較高，這也意味著其富含較多具有抗氧化能力的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如維生素C和E、植物化學(xué)物質(zhì)和膳食纖維[11]。與雜食性飲食相比，純素飲食通常富含纖維和飽和脂肪酸，但蛋白質(zhì)含量較低。

純素/素食者和雜食者之間腸道菌群組成的差異已得到充分證明。研究表明，與雜食者相比，素食/純素飲食富集不同的微生物群，但純素食者和素食者之間只有微小的差異[12]。大多數(shù)研究表明，以植物為基礎(chǔ)的飲食可以提高微生物的多樣性。Klimenko等[13]發(fā)現(xiàn)α多樣性或物種豐富度與長(zhǎng)期水果和蔬菜攝入量之間存在正相關(guān)關(guān)系（p<0.05）。Martínez等[14]也觀察到在志愿者的飲食中添加全麥大麥、糙米或前兩種的混合物會(huì)導(dǎo)致微生物多樣性增加（n=28）。一些研究發(fā)現(xiàn)，純素飲食與腸道菌群中誘導(dǎo)輕度炎癥相關(guān)的細(xì)菌（如腸桿菌科）水平降低有關(guān)[15]。純素飲食中較高的多酚含量被證明可以增加雙歧桿菌和乳桿菌的豐度。雙歧桿菌和乳桿菌具有抗炎作用，對(duì)心血管健康有益。與雜食性飲食相比，純素飲食中纖維含量增加導(dǎo)致纖維降解細(xì)菌增加，包括雙歧桿菌、普沃氏菌、擬桿菌和梭狀芽胞桿菌[9]。Losno等[16]的研究同樣表明，植物性食物含量高而動(dòng)物性食物含量低的飲食與擬桿菌的豐度增加有關(guān)，并且與雜食動(dòng)物相比，純素食者的厚壁菌門/擬桿菌門比率較低。

2.1.2 地中海飲食對(duì)腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的影響

地中海飲食是一種地中海周邊國(guó)家的傳統(tǒng)飲食方式，其特點(diǎn)是大量食用蔬菜、水果、谷物（主要是全谷物）、堅(jiān)果和豆類，飽和脂肪酸、甜食和肉類消費(fèi)量低，不飽和脂肪酸（尤其是橄欖油）攝入量高，中高水平魚類消費(fèi)，適度飲酒，中低水平乳制品（主要是酸奶和奶酪）攝入量[17]。一定程度上，地中海飲食與北歐飲食非常相似，其區(qū)別在于地中海飲食偏好使用橄欖油和紅酒。堅(jiān)持地中海飲食可以降低心血管疾病死亡率、增加抗氧化活性、降低多種疾病的發(fā)病率以及減少炎癥的發(fā)生[18]。

地中海飲食富含纖維、多酚、omega-3脂肪酸，動(dòng)物蛋白和飽和脂肪酸含量低。地中海膳食模式對(duì)腸道菌群具有積極影響，特別是對(duì)其α多樣性和代謝活動(dòng)[19]。研究表明，堅(jiān)持這種飲食會(huì)增加短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、普氏菌和厚壁菌門的水平[20]。Garcia-Mantrana等[19]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)受試者更好地遵循地中海飲食規(guī)則時(shí)，他們的擬桿菌屬、雙歧桿菌數(shù)量和SCFA水平更高。Nagpal等[21]的研究表明與食用西方飲食的參與者相比，食用地中海飲食的參與者的腸道菌群α多樣性更大，這是對(duì)人類健康產(chǎn)生積極影響的特征。它們的乳桿菌、梭狀芽孢桿菌、糞桿菌和顫螺菌的豐度也較高，而瘤胃球菌和糞球菌的豐度較低[22]。地中海飲食中的典型食物成分與腸道菌群中特定分類群的存在有關(guān)。例如，谷物消費(fèi)與雙歧桿菌、糞桿菌、Tenericutes和Dorea的高相對(duì)豐度有關(guān)。橄欖油和紅酒的消費(fèi)與糞桿菌的高相對(duì)豐度有關(guān)，蔬菜的消費(fèi)與Rikenellaceae、Dorea、Alistipes 和 Ruminococcus 有關(guān)，豆類與Coprococcus有關(guān)[23]。多酚在結(jié)腸中的積累會(huì)使微生物發(fā)酵并且促進(jìn)有益微生物（如乳桿菌）的生長(zhǎng)，同時(shí)減少含有病原體的屬，如梭狀芽孢桿菌、志賀氏菌和大腸桿菌[24]。

2.1.3 西方飲食對(duì)腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的影響

西方飲食方式通常是指美國(guó)和歐洲大部分地區(qū)人群的飲食方式。西方飲食中肉類和肉制品、精制碳水化合物、乳制品和加工食品的攝入量較高，纖維攝入量較低。西方飲食的人群患病率呈上升趨勢(shì)，特別是在低收入和中等收入國(guó)家[25]。西方飲食的特點(diǎn)是攝入大量精制糖（糖果和甜食，以及高糖軟飲料）、動(dòng)物脂肪（大量攝入飽和脂肪酸和omega-6脂肪酸，減少omega-3脂肪酸攝入）、加工肉類（尤其是紅肉）、精制谷物、高脂乳制品、常規(guī)飼養(yǎng)的動(dòng)物產(chǎn)品、鹽、雞蛋、土豆、玉米，而水果、蔬菜、全谷物、草食動(dòng)物產(chǎn)品、魚、堅(jiān)果的攝入量較低，因此，西方飲食中膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)和其他植物衍生分子（如抗氧化劑）含量低[26-27]。西方飲食被認(rèn)為是一種高脂肪消耗的不健康飲食。

西方飲食促進(jìn)腸道菌群的改變，導(dǎo)致腸道微生態(tài)失調(diào)、腸道屏障功能障礙、腸道通透性增加以及有毒細(xì)菌代謝物向循環(huán)系統(tǒng)泄漏，這些都會(huì)帶來(lái)低度全身炎癥的發(fā)展[28]。David等[29]的研究表明，僅由肉類和奶酪等動(dòng)物性食物組成的高脂肪飲食顯著改變了人類腸道菌群的群落結(jié)構(gòu)，與基線相比，僅在飲食轉(zhuǎn)變兩天后即發(fā)現(xiàn)了β多樣性的變化。對(duì)C57bl6/J小鼠進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪、高糖飲食或低脂肪、高糖飲食的小鼠擬桿菌門減少，而厚壁菌門和軟壁菌門均增加[30]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人群研究中發(fā)現(xiàn)，高脂飲食驅(qū)動(dòng)的微生物群組成變化主要包括厚壁菌門/擬桿菌門比例的增加，丹毒菌、芽孢桿菌和梭狀芽胞桿菌的豐度增加（均屬于厚壁菌門）。Velasquez等[31]證明與低脂飲食小鼠相比，長(zhǎng)期的高脂喂養(yǎng)顯著增加了放線菌門的細(xì)菌數(shù)量并減少了Tenericutes的數(shù)量（p<0.05）。高脂飲食會(huì)增加變形桿菌的豐度，變形桿菌是外膜攜帶脂多糖的革蘭氏陰性菌，是一種促炎細(xì)菌[32]，屬于腸桿菌目[33]。西方飲食還與屬于擬桿菌門的Prevotellaceae和Rikenellaceae的減少有關(guān)[34]。此外，西方飲食驅(qū)動(dòng)的腸道微生態(tài)失調(diào)通常與雙歧桿菌的減少有關(guān)，與腸道屏障功能呈負(fù)相關(guān)[33]?？傮w而言，這些研究表明高脂肪飲食與腸道菌群的不利變化之間存在相關(guān)性。

2.2 不同飲食成分對(duì)腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的影響

飲食對(duì)腸道菌群的組成、多樣性和豐富度有重大影響。飲食的不同成分將以時(shí)間依賴的方式塑造腸道細(xì)菌群落。長(zhǎng)期飲食模式，特別是蛋白質(zhì)和動(dòng)物脂肪（富集擬桿菌屬）、碳水化合物或植物性食物（富集普氏菌）的攝入，還與腸型的塑造相關(guān)[35]。

2.2.1 脂肪對(duì)腸道菌群的影響

脂肪被認(rèn)為是一種有效的能量來(lái)源。研究表明，膳食脂肪攝入的質(zhì)量和數(shù)量都可能影響腸道菌群的組成[36]。不飽和脂肪酸通過(guò)增加擬桿菌門與厚壁菌門的比例來(lái)改變腸道微生物組成。N-3多不飽和脂肪酸會(huì)導(dǎo)致微生物群發(fā)生有益變化，包括增加雙歧桿菌、Adlercreutzia、乳酸桿菌、鏈球菌、脫硫弧菌和Akk菌[37]。飽和脂肪酸和反式脂肪酸的大量攝入（主要存在于西方飲食中）會(huì)增加患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)并減少擬桿菌屬、普氏菌屬、乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬的豐度，并增加厚壁菌門豐度[37]，這可能會(huì)引發(fā)炎癥，進(jìn)而導(dǎo)致代謝紊亂[9]。

2.2.2 蛋白質(zhì)對(duì)腸道菌群的影響

大多數(shù)研究指出，蛋白質(zhì)消耗與腸道菌群多樣性呈正相關(guān)[37]。然而，動(dòng)物和植物蛋白以不同的方式影響腸道菌群。例如Singh等[2]評(píng)價(jià)膳食蛋白質(zhì)對(duì)微生物群影響的研究證實(shí)，食用豌豆蛋白后，雙歧桿菌和乳酸桿菌以及腸道SCFA水平都增加了，而致病性產(chǎn)氣莢膜梭菌和脆弱擬桿菌則降低了。動(dòng)物蛋白攝入似乎在炎癥性腸病的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，因?yàn)樗赡芡ㄟ^(guò)增加擬桿菌屬、Alistipes spp.和Bilophila spp.并減少有益的Lactobacillus spp、Roseburia spp和E.rectale來(lái)改變腸道菌群的組成[2]。此外，動(dòng)物蛋白攝入量高的飲食與心血管疾病有關(guān)，因?yàn)槭秤眉t肉可能會(huì)改變腸道菌群的組成，使厚壁菌門的相對(duì)豐度逐漸降低，擬桿菌門逐漸增加，從而導(dǎo)致小鼠產(chǎn)生致動(dòng)脈粥樣硬化代謝物（三甲胺-N-氧化物）[38]。

2.2.3 碳水化合物對(duì)腸道菌群的影響

可消化和不可消化的碳水化合物都可能影響腸道菌群，其都已被證明可以增加放線菌門的雙歧桿菌屬。水果中的可消化碳水化合物（例如葡萄糖、蔗糖和果糖）已被證明可以減少擬桿菌屬和梭狀芽胞桿菌屬[2]。

與可消化碳水化合物不同，不易消化的碳水化合物，如抗性淀粉和一些糖類，會(huì)到達(dá)大腸，在那里它們可以被腸道菌群發(fā)酵以提供能量或產(chǎn)生后生元。不可消化的碳水化合物又稱膳食纖維。膳食纖維分成不溶性和可溶性兩種形式，大多數(shù)不溶性膳食纖維，如纖維素和半纖維素具有糞便膨脹效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兊竭_(dá)結(jié)腸不被腸道細(xì)菌消化或僅緩慢消化。大多數(shù)可溶性膳食纖維不會(huì)導(dǎo)致糞便膨脹，但會(huì)被腸道細(xì)菌發(fā)酵，從而產(chǎn)生代謝物，如短鏈脂肪酸[39]。不可消化的碳水化合物能增加乳酸菌、瘤胃球菌、直腸腸桿菌和Roseburia的豐度，并減少梭狀芽孢桿菌屬和腸球菌屬的豐度[2]。膳食纖維可能會(huì)在細(xì)菌種類、數(shù)量和一致性方面影響腸道菌群。富含全谷物和麥麩的難消化碳水化合物飲食與雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬的增加有關(guān)。而抗性淀粉和全麥大麥也可能增加乳酸菌，包括瘤胃球菌屬、直腸真桿菌屬和羅斯氏菌屬[9]。膳食纖維通過(guò)調(diào)節(jié)擬桿菌門與厚壁菌門的比例 [將擬桿菌的相對(duì)豐度增加（13±2）%]來(lái)改變腸道微生物組，并改變了幾種功能途徑（碳水化合物、氨基酸和脂質(zhì)相關(guān)的代謝）[9]。通常，缺乏膳食纖維會(huì)導(dǎo)致特定嗜黏蛋白梭菌屬的增加[40]。膳食纖維不僅會(huì)影響腸道微生物組的組成，還有助于維持群落的多樣性。一項(xiàng)通過(guò)Simpson指數(shù)評(píng)估α多樣性的研究發(fā)現(xiàn)，與安慰劑相比，接受已修改干預(yù)組的腸道菌群α多樣性在21 d后顯著升高（P=0.014）[41]。Sonnenburg等[42]研究了人源化小鼠纖維攝入不足的后果，并表明低纖維飲食將導(dǎo)致多達(dá)3代的微生物多樣性顯著降低，再重新補(bǔ)充膳食纖維后菌群的多樣性也無(wú)法恢復(fù)。

3 不同膳食類型和膳食成分對(duì)腸道微生物基因和功能的影響

3.1 不同膳食成分對(duì)腸道微生物基因和功能的影響

飲食成分（脂肪、蛋白質(zhì)和膳食纖維）的攝入會(huì)引起腸道微生物組的基因和功能變化，Wu等[35]實(shí)施了一項(xiàng)隊(duì)列研究（CAFé研究），隨機(jī)分為兩組，其中一組人被分配到高脂肪/低纖維飲食10 d，而另一組則被給予10 d的高纖維/低脂肪飲食。盡管個(gè)體之間特定的分類群變化不同，但高脂肪飲食使腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間減慢了多達(dá)3 d。宏基因組分析表明與高脂肪飲食有關(guān)的菌群功能的轉(zhuǎn)變，包括更大的蛋白質(zhì)輸出（P=0.022）和硫辛酸代謝（P=0.045）。高脂肪飲食以多種方式與腸道菌群相互作用。高脂肪飲食促進(jìn)細(xì)菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的易位，導(dǎo)致慢性炎癥的產(chǎn)生。對(duì)斑馬魚的研究表明，厚壁菌門中的腸道細(xì)菌可以增加腸道上皮細(xì)胞中形成的脂滴的數(shù)量和大小，以促進(jìn)脂質(zhì)吸收[43]。細(xì)菌修飾還可以改變膽汁酸的活性和再吸收，這對(duì)脂肪的消化很重要[44]。增加纖維攝入的飲食干預(yù)表明腸道微生物代謝發(fā)生了改變，包括聚糖降解增加[45]，這可能取決于所消耗纖維的化學(xué)成分[46]。同樣，在補(bǔ)充可溶性纖維的低熱量飲食中，肥胖和超重受試者的整體腸道細(xì)菌基因多樣性增加了25%[47]。

3.2 不同膳食類型對(duì)腸道微生物基因和功能的影響

過(guò)往關(guān)于飲食對(duì)腸道微生物的研究通常僅限于屬或者種水平，可能不足以全面了解腸道微生物組與人類健康之間復(fù)雜的相互聯(lián)系。事實(shí)上，腸道微生物種或株之間的基因組可能存在顯著差異。這種種間和種內(nèi)變異賦予每個(gè)物種甚至每個(gè)菌株潛在的不同功能的能力[48-49]。每個(gè)菌株都可能具有特定的新陳代謝機(jī)制，通過(guò)這些機(jī)制可以影響健康或?qū)︼嬍衬Ｊ阶鞒龇磻?yīng)。Francesca等[50]通過(guò)宏基因組分析了素食、純素食和雜食者的P.copri菌株，發(fā)現(xiàn)與純素食相關(guān)的P.copri菌株顯示出較高的參與復(fù)雜碳水化合物分解的基因，這些基因被鑒定為可翻譯出乙酰木聚糖酯酶、果膠酸裂合酶、α-L-巖藻糖苷酶、1，4-β-木聚糖酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶和幾種碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SusD家族）。與雜食和素食相比，純素食人群腸道菌群中富集編碼糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GH）和碳水化合物酯酶（carbohydrate esterase，CE）家族的基因，其中，碳水化合物酯酶的富集更顯著。與純素食相比，參與硫化合物代謝的基因（胱硫醚β-裂合酶和O-乙酰高絲氨酸硫醇裂合酶）以及3-異丙基蘋果酸脫氫酶（leuB，EC 1.1.1.85）支鏈氨基酸（branched chain amino acid，BCAA）生物合成的基因在雜食中富集。此外，他們還發(fā)現(xiàn)存在于西方和非西方人群中的P.copri菌株的功能潛力是不同的，1 368個(gè)基因區(qū)分了西方和非西方受試者。其中，編碼SusC和SusD轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的幾個(gè)基因，參與淀粉結(jié)合，以及木聚糖酶、果膠酯酶、β-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶，參與碳水化合物分解代謝，在非西方受試者中富集。與 B 族（B1、B2、B5、B6）和葉酸的幾種維生素的生物合成相關(guān)的蛋白酶和基因在西方個(gè)體中普遍存在。西方受試者的P.copri pangenome顯示編碼TolC的基因的流行率更高，MATE家族（多藥外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）蛋白負(fù)責(zé)從細(xì)胞中輸出抗生素和有毒化合物，以及DedA家族蛋白，它們是可能與耐藥性有關(guān)的膜蛋白。

4 總結(jié)與展望

總之，目前的研究表明，飲食是調(diào)控人類腸道菌群的重要因素之一，飲食不僅可以影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)和組成，還會(huì)影響其基因和功能。即使是同一種屬的細(xì)菌，他們?cè)诓煌纳攀秤绊懴缕涔δ芑蚝秃诵幕蛞泊嬖诰薮蟛町悺Ｋ厥澈偷刂泻ｏ嬍硶?huì)增加腸道菌群的多樣性，促進(jìn)有益菌雙歧桿菌、乳桿菌和普沃氏菌的增長(zhǎng)，而西方飲食會(huì)降低腸道菌群多樣性，增加厚壁菌門/擬桿菌門比例，導(dǎo)致菌群失調(diào)。飲食的不同成分將以時(shí)間依賴的方式塑造腸道細(xì)菌群落，不同類型的膳食成分對(duì)腸道菌群的影響也存在較大差異，飽和脂肪酸促進(jìn)厚壁菌門的增加，不飽和脂肪酸增加擬桿菌門與厚壁菌門的含量。植物蛋白促進(jìn)腸道有益菌的生長(zhǎng)，動(dòng)物蛋白使腸道有益菌的豐度下降。

但是，目前報(bào)道飲食與腸道菌群的研究中，大多只研究至屬水平或者種水平，很少關(guān)注菌株的基因和功能層面。腸道微生物組特征可能與觀察到的對(duì)飲食干預(yù)或藥物療法的不同反應(yīng)有關(guān)，因此，存在菌株水平上的人際差異，在研究某些微生物物種在疾病發(fā)展中的作用時(shí)應(yīng)予以考慮。在不久的將來(lái)，在為預(yù)防或治療疾病而開發(fā)的針對(duì)微生物組的營(yíng)養(yǎng)干預(yù)措施中，也必須考慮菌株水平的生物多樣性。