食品防腐劑對腸道菌群和宿主健康的影響研究進展

阮圣玥，劉 滔，莫秋芬，馮鳳琴*

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

機體胃腸道中定植著數(shù)量眾多、功能復(fù)雜的微生物群落，統(tǒng)稱為腸道菌群[1]。腸道菌群可直接或間接通過肝腸軸、腦腸軸、腸睪軸等方式參與機體新陳代謝和免疫調(diào)節(jié)等諸多生理活動[2-4]，并且腸道菌群與代謝綜合征、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等許多人類疾病高度相關(guān)[3,5-8]。

近年來，國際頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的一系列研究成果表明，一些廣泛使用的食品添加劑，如乳化劑和合成甜味劑通過影響腸道菌群增加了患肥胖、糖尿病和炎癥性腸病等慢性疾病的風(fēng)險[5,9-10]。2014—2020年，多項研究報道合成甜味劑（糖精、三氯蔗糖和阿斯巴甜）可改變腸道菌群組成及代謝通路，導(dǎo)致嚙齒動物肥胖、糖耐量受損和肝炎[11-12]；膳食添加阿斯巴甜引起高脂高糖飲食母代小鼠腸道菌群的變化會傳導(dǎo)到子代鼠，并導(dǎo)致子代肥胖和糖耐量受損[13]。2015—2019年，一系列研究發(fā)現(xiàn)食品乳化劑羧甲基纖維素和聚山梨酯80會影響腸道菌群組成和代謝功能，引起小鼠腸道炎癥并導(dǎo)致代謝綜合征、非酒精性脂肪肝和癌癥的發(fā)生[14-16]。2019—2022年，系列研究發(fā)現(xiàn)在不同膳食條件下，食品乳化劑月桂酸單甘油酯（glycerol monolaurate，GML）對實驗動物產(chǎn)生顯著的健康促進或危害作用，且腸道菌群的變化與之密切相關(guān)[17-20]。研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加1 600 mg/kg GML能夠促進小鼠腸道中Oscillibacter等有益的抗炎細菌生長，改善葡聚糖硫酸鈉（dextran sulfate sodium salt，DSS）誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎[18]；而飼料中添加150 mg/kg GML可誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)，引起系統(tǒng)輕度炎癥[17]。

食品防腐劑是能防止食品由微生物引起的腐敗變質(zhì)，從而延長食品貯存期的食品添加劑[21]。作為有目的地直接添加入食品的痕量化學(xué)物質(zhì)，食品防腐劑在食品工業(yè)上應(yīng)用廣泛，具有強且廣譜的抑菌性[22-23]，攝入后很可能對宿主腸道菌群產(chǎn)生一定的影響，進而產(chǎn)生正面或負面的健康效應(yīng)。例如，對羥基苯甲酸酯可增加血清瘦素水平、促進脂肪堆積、干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)從而引起肥胖[24]；乳酸鏈球菌素能夠短暫維持小鼠腸道菌群組成穩(wěn)定，抑制部分條件致病菌的生長[25]；丙酸鹽可影響腸道微生物代謝過程，導(dǎo)致小鼠和人體胰島素抵抗和高血糖癥[26]。但是，目前關(guān)于食品防腐劑對腸道菌群和宿主健康的影響還缺乏系統(tǒng)的研究和總結(jié)?；诖?，本文綜述了食品防腐劑對腸道菌群和宿主健康影響的研究現(xiàn)狀，希望能夠引起廣大科研工作者和讀者對食品防腐劑通過腸道菌群對宿主健康可能造成的影響的關(guān)注和重視，并為目前已有的食品防腐劑的安全評價體系提供新視角和思路。

1 腸道菌群與機體健康、食品防腐劑研究概述

1.1 腸道菌群與機體健康

腸道菌群通過參與機體的新陳代謝、免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)，幫助宿主完成多種生理生化功能[27]。腸道菌群紊亂與肥胖[28-29]、糖尿病[30]、心血管疾病[31]、炎癥性腸病[32-33]等許多慢性疾病高度相關(guān)。目前報道的與腸道菌群相關(guān)的疾病及其可能作用機制見表1。

表1 與腸道菌群相關(guān)的疾病及其可能作用機制Table 1 Diseases related to gut microbiota and possible underlying mechanisms

1.2 腸道菌群與食品防腐劑的研究進展

食品防腐劑是能防止由微生物所引起的食品腐敗變質(zhì)，以延長食品儲存期的食品添加劑[21]。食品防腐劑是食品工業(yè)上最廣泛應(yīng)用的一類食品添加劑，是能直接加入食品的化學(xué)物質(zhì)。大量研究表明，食品防腐劑具有優(yōu)良的抑菌功能，對多種細菌、真菌、酵母菌、霉菌等微生物具有較好的抑制或殺滅作用[23,49-51]。經(jīng)食品攝入的防腐劑可被腸道吸收，部分通過尿液和糞便排出，因此極有可能會影響腸道菌群，并對宿主生長代謝及免疫等方面產(chǎn)生健康影響。2019年，Peng Qiannan等通過實驗發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀可通過改變腸道菌群組成和功能，抑制腸道菌群的代謝從而激活斑馬魚的免疫調(diào)節(jié)功能[52]。Song Bo等研究發(fā)現(xiàn)丙酸鹽能夠通過調(diào)節(jié)小鼠腸道菌群來緩解高脂飲食誘導(dǎo)的脂質(zhì)代謝異常[53]。Liu Dan等在肉雞每千克日糧中添加40 mg溶菌酶，結(jié)果表明溶菌酶可以減少肉雞產(chǎn)氣莢膜梭菌定植，減輕腸黏膜損傷和腸道細菌移位，降低回腸中大腸桿菌和乳酸桿菌的水平，增加腸道溶菌酶活性，從而改善雞的腸道屏障功能和生長性能[54]。Xiao Dingfu[55]和Guan Guiping[56]等相繼發(fā)現(xiàn)在膳食中補充殼聚糖能夠降低小鼠腸道菌群中厚壁菌門（Firmicutes）/擬桿菌門（Bacteroidetes）（F/B）的比例，并且通過更快地恢復(fù)檸檬酸桿菌感染引起的腸道菌群的變化，降低腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α和IL-6的水平，更好地控制腸道炎癥。

綜上所述，食品防腐劑對宿主健康及腸道菌群具有多方面潛在的影響，已有大量報道證明這些影響真實存在。鑒于此，后文詳細闡述并歸納食品防腐劑對腸道菌群和機體健康的影響。

2 食品防腐劑影響腸道菌群結(jié)構(gòu)

2.1 食品防腐劑影響腸道菌群多樣性

人體腸道中微生物數(shù)量沿胃腸道增加[57]，總數(shù)超過1014[58]。厚壁菌門和擬桿菌門是腸道菌的兩個主要菌門，占腸道菌總數(shù)的90%[59]。F/B比值是反映腸道菌群組成的重要指標之一，其會隨著抗生素干預(yù)、膳食營養(yǎng)素和病理條件等方面的改變而發(fā)生顯著變化[29,60]。盡管腸道菌群中存在主要的優(yōu)勢菌門，但每個個體中有數(shù)千種不同的腸道菌，其種類和相對豐度因人而異。α多樣性與β多樣性可用于共同評價腸道微生物的總體多樣性。

α多樣性是指一個特定區(qū)域或者生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性，是反映微生物均勻度（Shannon、Simpson指數(shù)）和豐富度（Chao、Ace指數(shù)）的綜合指標。食品防腐劑對α多樣性的影響也會使用Faith豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)進行評價。Hrncirova等將人腸道菌群移植在小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)食品防腐劑苯甲酸鈉、山梨酸鉀和亞硝酸鈉的混合物降低了小鼠腸道菌群α多樣性和Faith豐富度指數(shù)[61]。但是，多項研究表明丙酸鈉、乳酸鏈球菌素（Nisin）、溶菌酶等食品防腐劑可以恢復(fù)由于肥胖、腹瀉及結(jié)腸炎等引起的腸道菌群α多樣性的降低[53,62-64]，同時顯著增加F/B比值[64]。此外，Guan Guiping等研究發(fā)現(xiàn)膳食添加殼聚糖后，小鼠糞便和結(jié)腸樣本中的菌群豐富度相似，但結(jié)腸菌群比糞便菌群表現(xiàn)出更高的多樣性[56]。Xiao Dingfu等的研究[55]也獲得了相似的結(jié)果。

β多樣性分析通過對不同微生物群落間的物種多樣性進行組間比較分析，基于不同的距離算法探索樣本間群落組成的相似性或差異性。在β多樣性方面，多項研究發(fā)現(xiàn)小鼠腸道微生物對防腐劑處理高度敏感，對照組和添加劑處理組的腸道菌群具有顯著差異[61,63]，并且小鼠厚壁菌門相對豐度降低、擬桿菌門豐度增加[61]。此外，Song Bo等發(fā)現(xiàn)膳食添加丙酸鈉的HFD小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)介于普通膳食組和HFD組之間，進一步研究發(fā)現(xiàn)丙酸鈉處理可將HFD組小鼠厚壁菌門和乳桿菌門的相對豐度恢復(fù)至普通膳食組水平[53]。

2.2 食品防腐劑影響腸道共生有益菌群

人體內(nèi)有數(shù)以億計的微生物定植，擬桿菌、梭菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌是人體腸道中主要的共生菌群，雙歧桿菌和乳酸桿菌也被稱為益生菌。共生有益菌群能與人體形成良好的共生關(guān)系，輔助消化多種食物，維持腸道健康[65]。

現(xiàn)有的大量研究發(fā)現(xiàn)，食品防腐劑能夠顯著提高腸道共生有益菌群中雙歧桿菌和乳酸桿菌的含量[66-71]。田洪源等通過小鼠灌胃實驗，發(fā)現(xiàn)蛋清溶菌酶和重組溶菌酶均能促進小鼠腸道雙歧桿菌和乳酸桿菌生長[70]。王麗娜等研究發(fā)現(xiàn)30 mmol/L山梨酸能夠?qū)嗄套胸i空腸和回腸中雙歧桿菌數(shù)量顯著提高1.4～2.0 倍[67]。Li Haifeng等的研究結(jié)果顯示，日糧中添加0.05%丙酸鹽能顯著富集肉雞盲腸中乳酸雙歧桿菌[68]。Bernbom等發(fā)現(xiàn)給大鼠接種產(chǎn)乳鏈菌肽的乳酸乳球菌后，大鼠糞便中的雙歧桿菌豐度有一定程度的增加[69]。此外，Gerasimidis等將13 名健康志愿者的糞便樣本與多種食品添加劑一同培養(yǎng)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)食品防腐劑苯甲酸鈉可在體外顯著提高雙歧桿菌的豐度[66]。

2.3 食品防腐劑影響腸道條件致病菌群

相對于共生有益菌群而言，腸道內(nèi)還有一類細菌，它們屬于腸道中的不穩(wěn)定因素，腸道健康時，菌群與宿主、菌群與菌群之間維持著良好的生存平衡；但當共生菌群遭到破壞時，這種平衡關(guān)系被打破，原來不致病的細菌成為致病菌進而引發(fā)多種腸道疾病，這種細菌被稱為條件致病菌，主要包括腸球菌、腸桿菌等。

現(xiàn)有的證據(jù)表明，一些食品防腐劑能夠較好地抑制腸球菌和腸桿菌的生長[62,66,69-70,72-76]。Zhang Di等研究發(fā)現(xiàn)飼料中添加1 g/kg及0.25 g/kg殼聚糖均顯著抑制了小鼠腸桿菌和腸球菌生長[74]。田洪源等的研究結(jié)果同樣表明，蛋清溶菌酶和重組溶菌酶兩種溶菌酶均能不同程度地降低小鼠腸道糞腸球菌數(shù)量，相比之下，重組溶菌酶對大腸埃希氏菌（Escherichia coli）抑制作用更加明顯[70]。值得關(guān)注的是，丹麥一研究團隊對移植了一名健康女性糞便樣本菌群的大鼠分別飼喂Nisin和產(chǎn)Nisin的乳酸乳球菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Nisin飼喂組大鼠腸道中腸球菌/鏈球菌的比值較高，而飼喂添加了產(chǎn)Nisin的乳酸乳球菌的大鼠腸道樣本中二者的比值則較低，說明部分Nisin在胃腸道中被降解或失活而失去抑制作用[69]。除此之外，還有眾多的研究發(fā)現(xiàn)食品防腐劑苯甲酸、山梨酸以及溶菌酶均能夠顯著抑制豬腸道內(nèi)的大腸桿菌以及腸球菌的生長[72-73,75-76]。

除腸桿菌和腸球菌，也有一些研究表明食品防腐劑能夠在不同程度上影響擬桿菌和梭菌的變化[62,77-78]。擬桿菌參與碳水化合物的發(fā)酵、含氮物質(zhì)的利用以及膽汁酸和其他類固醇的生物轉(zhuǎn)化，但當機體免疫系統(tǒng)受損、腸道屏障遭到破壞（如腸漏）時，擬桿菌進入到胃腸道以外的身體部位，則可引起或加劇膿腫等感染[79]。梭菌具有一定的抗炎、抑制致病菌的作用，少部分梭菌產(chǎn)外毒素，對人或動物致病[80]。Jia Zhifeng等對大腸桿菌O1誘導(dǎo)的腹瀉模型小鼠灌胃0.1 mg/mL乳酸鏈球菌肽72 h后，發(fā)現(xiàn)小鼠盲腸中擬桿菌屬和乳酸桿菌數(shù)量較對照組顯著增加，而雙歧桿菌數(shù)量則有所下降，但差異不顯著[62]。Abdel-Latif等研究發(fā)現(xiàn)在肉雞膳食中添加溶菌酶能夠降低糞便樣本中的梭菌含量[78]。Deng Bo等分別向斷奶仔豬和母豬日糧中添加溶菌酶后發(fā)現(xiàn)，在第28天時斷奶仔豬糞便中的優(yōu)勢菌群為狹義梭菌和擬桿菌，而母豬糞便中的長雙歧桿菌相對豐度顯著增加，雙歧桿菌和卵形擬桿菌的相對豐度趨于增加[77]。

3 食品防腐劑通過腸道菌群影響機體的生長代謝與免疫

3.1 食品防腐劑通過腸道菌群影響機體生長代謝

許多動物實驗表明，食品防腐劑能夠通過腸道菌群影響機體脂代謝，緩解高脂膳食引發(fā)的肥胖，對機體生長代謝產(chǎn)生影響。Tang Di等給HFD小鼠補充殼聚糖后發(fā)現(xiàn)，殼聚糖通過增加梭菌豐度、減少鏈狀芽孢桿菌豐度，從而緩解高脂飲食小鼠的肥胖和腸道炎癥[81]。類似地，Xiao Dingfu等發(fā)現(xiàn)膳食殼聚糖能夠通過增加空腸和回腸的菌群多樣性以及調(diào)節(jié)腸道菌群，主要是通過降低F/B的比例來降低小鼠體質(zhì)量[55]。在一項動物實驗中發(fā)現(xiàn)，小鼠口服丙酸鈉可顯著改善高脂飲食引起的腸道菌群失調(diào)，通過恢復(fù)腸道菌群的豐富性和多樣性以及厚壁菌門與擬桿菌門的比例緩解脂質(zhì)代謝障礙[53]。Li Haifeng等也發(fā)現(xiàn)丙酸鹽通過抑制肉雞的采食量，降低盲腸F/B比值、顯著降低變形菌門的豐度來抑制肉雞的脂肪沉積[68]。另外一項研究表明，Nisin可提高盲腸菌群多樣性，有利于增加腹瀉小鼠盲腸中厚壁菌門的數(shù)量，降低擬桿菌門的數(shù)量，同時降低血清、回腸和腦組織中金屬肽酶含血小板反應(yīng)蛋白（recombinant A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin 1，ADAMTS1）的含量和回腸中胰島素的含量，增加血清、空腸和腦組織中總膽固醇的含量，從而影響腹瀉小鼠盲腸菌群結(jié)構(gòu)及脂代謝[64]。

3.2 食品防腐劑通過腸道菌群影響機體免疫

免疫功能是人體的一項重要生理功能，反映了機體對疾病的抵抗能力。對腸道菌群的廣泛研究表明，食品防腐劑在一定程度上能夠通過影響腸道菌群改善機體腸道屏障功能和腹瀉，調(diào)節(jié)機體免疫[56,77,82-83]。

目前大量的動物實驗表明，天然食品防腐劑溶菌酶可有效改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，增強腸道屏障功能[54,63,76-77,82]。在一項以結(jié)腸炎小鼠為模型的實驗中，研究人員給小鼠口服驢奶來源溶菌酶（donkey milk lysozyme，DML），結(jié)果發(fā)現(xiàn)DML增加了腸道菌群組成的多樣性，促進了益生菌的生長并抑制了有害細菌的生長，同時它能夠通過增加緊密連接相關(guān)蛋白Occludin和ZO-1的表達并降低與上皮滲漏高度相關(guān)的Claudin-2蛋白的表達，提高結(jié)腸炎小鼠的腸道細胞緊密度并降低腸道通透性，改善腸道屏障功能，緩解結(jié)腸炎小鼠的腹瀉癥狀和結(jié)腸損傷[63]。Huang Guangping等也發(fā)現(xiàn)，感染產(chǎn)腸毒素大腸桿菌（Enterotoxigenic Escherichia coli，ETEC）的仔豬食用含重組人來源溶菌酶（human lysozyme，hLZ）的牛奶后，腹瀉程度和持續(xù)時間較對照組相比分別明顯降低和縮短，hLZ的保護作用與乳酸桿菌等腸道有益菌的顯著富集有關(guān)，并且hLZ可通過增加Occludin和ZO-1的表達防止ETEC誘導(dǎo)的腸黏膜損傷[82]。另外還有一項研究表明，向仔豬基礎(chǔ)日糧添加0.15%溶菌酶降低了仔豬結(jié)腸F/B比值，并增加了變形桿菌豐度，說明溶菌酶能夠通過調(diào)節(jié)腸道菌群增強免疫功能并降低仔豬腹瀉率[77]。

除了通過影響腸道菌群改善機體腸道屏障功能以外，一系列研究證實了食品防腐劑在調(diào)節(jié)機體免疫分子方面也發(fā)揮關(guān)鍵作用。2016年，Guan Guiping等向感染檸檬酸桿菌的小鼠膳食中補充殼聚糖（chitosan，COS）后發(fā)現(xiàn)，COS會改變小鼠腸道菌群的組成，從而抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的活化并減少TNF-α和IL-6的產(chǎn)生，繼而緩解小鼠腸道炎癥[56]。Peng Qiannan等研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚暴露于0.1 g/L和1 g/L的山梨酸鉀水溶液2 周后腸道中白細胞介素（interleukin，IL）-1β和TNF-α的含量顯著降低，山梨酸鉀可通過改變腸道菌群組成和代謝途徑激活斑馬魚的免疫調(diào)節(jié)功能[83]。韓國科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)向斷奶仔豬日糧中添加0.5%的苯甲酸可以顯著增加腸道有益菌枯草芽孢桿菌豐度，從而顯著下調(diào)斷奶仔豬胃腸道中促炎細胞因子IL-6 mRNA的表達量[84]。IL-10含量升高暗示機體內(nèi)可能有炎癥，存在免疫抑制；IL-18又稱干擾素-γ誘導(dǎo)因子，能夠誘導(dǎo)嚴重的炎癥反應(yīng)和各種疾病[85]，IL-10和IL-18含量的升高表明溶菌酶可能引起動物腸道的輕度炎癥。有研究報道，每噸基礎(chǔ)日糧添加90 g溶菌酶顯著降低了肉雞糞便中有害的大腸菌群和梭狀芽孢桿菌數(shù)量，有益的乳酸桿菌數(shù)量顯著增加，同時顯著上調(diào)了肉雞回腸IL-10和IL-18mRNA的表達量，通過正向調(diào)節(jié)腸道菌群和與腸道非特異性免疫有關(guān)基因的表達促進了肉雞的腸道健康[78]。

有關(guān)食品防腐劑對腸道菌群和宿主健康的影響見圖1。

圖1 食品防腐劑對腸道菌群和宿主健康的影響示意圖[53,55-56,61-64,66-78,81-85,87]Fig.1 Schematic diagram showing the effects of food preservatives on gut microbiota and host health[53,55-56,61-64,66-78,81-85,87]

4 結(jié) 語

近年來，隨著腸道菌群檢測技術(shù)的提高及檢測成本的急劇下降，發(fā)現(xiàn)越來越多的研究關(guān)注食品防腐劑可能給腸道菌群及機體健康帶來的影響[86]，生物來源的天然食品防腐劑（如Nisin、溶菌酶、殼聚糖等）通過抑制腸道條件致病菌并增加乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌的生長，調(diào)節(jié)腸道菌群，從而改善脂代謝、機體腸道屏障功能和腹瀉，增強機體免疫，帶來積極正面的影響；但也有研究發(fā)現(xiàn)即使在限定范圍內(nèi)使用食品防腐劑，也可能對腸道菌群造成負面的影響，例如部分食品防腐劑（如苯甲酸、山梨酸、丙酸鹽等）會降低腸道菌群多樣性、引起腸道輕度炎癥[61,87]，可能會給機體健康造成影響。食品防腐劑是廣泛使用的一般公認安全的食品添加劑，世界各國對食品添加劑的安全性評估是非常嚴格的，有科學(xué)嚴密的評價程序和體系[88]，但由于腸道菌群的復(fù)雜性和檢測方法的局限性，常規(guī)的評價方法并未關(guān)注食品添加劑對腸道菌群的影響，因此，未來還需全面綜合評估食品防腐劑對腸道菌群和人體健康的影響。

值得注意的是，目前的研究主要集中在單一食品防腐劑對腸道菌群的影響上，然而實際生產(chǎn)加工中通常將幾種防腐劑結(jié)合使用。因此，需要進一步研究多種食品防腐劑復(fù)配使用對腸道菌群的綜合影響，從而反映實際應(yīng)用中的情況。此外，細菌多樣性減少并不一定意味著健康狀況不佳，因此還需結(jié)合其他指標多方位地評價食品防腐劑與菌群及宿主健康的關(guān)系。除此之外，有研究表明某些食品防腐劑可以促進炎癥或加劇代謝性疾病以及腸道菌群的變化[55-56,87]。然而，菌群的變化是否是代謝和免疫功能變化的原因或結(jié)果，以及菌群變化帶來功能的改變及其機制尚有待進行更深入的研究。最后，關(guān)于人類腸道菌群對食品防腐劑敏感性的實驗數(shù)據(jù)很少，大部分集中于動物模型，只有非常有限的研究涉及人類腸道菌群。近年來，體外人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器模型已被用于腸道菌群變化相關(guān)的研究[89]。未來在條件允許的情況下，可以積極應(yīng)用類器官模型進行研究，同時結(jié)合開展臨床試驗，這將有助于闡明食品防腐劑對腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響及其相互作用對健康的影響。