肠道微生物与碳水化合物及代谢产物关系研究进展

■金 磊 王立志王之盛 薛 白 彭全辉

(四川农业大学动物营养研究所，四川成都611130)

动物胃肠道中存在着上万亿微生物，其不但规模大、种类多，还与宿主营养物质的消化代谢和健康密切相关[1-3]。例如：肠道微生物在营养物质的消化代谢中的作用，肠道微生物对糖类的利用，胆汁酸的早期解离和脱羟化，维生素和必需氨基酸的生物合成等[4-7]。研究表明，动物体消化代谢所需的酶类35%以上源于肠道微生物分泌，其中25%的酶与碳水化合物代谢有关[8]。近年来，饮食对肠道微生物的影响受到越来越多人们的关注，因为有研究发现，饮食结构的改变可促使肠道微生物发生变化，从而影响人类代谢性疾病的发生，例如：饮食结构的改变会导致肠道菌群发生相应变化，促使有害菌转变为致病菌[9-10]。然而，肠道微生物作为膳食与宿主健康的桥梁，是动物体重要的“微生物器官”，要保持宿主健康，不仅要阻止病原微生物的入侵，更需促进肠道中益生菌的生长繁殖[11]。因此，本文就肠道微生物与膳食中的碳水化合物及代谢产物的关系予以综述，旨在为通过改变膳食结构来调节微生物的组成及代谢产物，从而影响宿主代谢性疾病的研究提供参考。

1 饮食对肠道微生物及代谢产物的影响

动物从出生到成年，食物是驱动肠道微生物形成和定植的最主要因素。Filippo等[12]研究发现，非洲农村的幼儿（以膳食纤维为主食）和意大利的幼儿（以高脂肪和高蛋白为主食）粪便菌群相比，哺乳期间的微生物组成无显著差异，在断奶后，非洲儿童肠道微生物以拟杆菌属和普雷沃氏菌属为主，且非洲儿童粪便中的短链脂肪酸(SCFA)水平显著高于意大利儿童。分析其原因，断奶后两地婴儿肠道微生物出现的差异的原因可能是由两地饮食差异造成的，因为有研究发现，婴儿到成人的肠道微生物的变化与饮食的差异显著相关[13]。Muegge等[14]研究发现，食肉动物的肠道微生物中富含蛋白质降解相关基因，而食草动物分解多糖的相关基因比例较高。由于非洲儿童饮食以膳食纤维为主，且肠道能产纤维素水解酶和木糖醇水解酶的微生物相对比例较高，有助于纤维的发酵，从而产生更多的SCFA。

Wall等[15]研究发现，母乳和配合奶粉喂养的婴儿，肠道微生物比纯母乳喂养的婴儿更多样化。例如：母乳和配合奶粉喂养的婴儿肠道有双歧杆菌、拟杆菌属和梭菌属等，而纯母乳喂养的婴儿肠道主要为双歧杆菌和乳酸菌。Wu等[16]研究发现，人体肠道中核心主导菌群与膳食模式中营养物质的比例显著相关。例如：高糖和低糖饮食均会改变肠道微生物结构，其中低糖饮食会降低宿主肠道产丁酸微生物的相对丰度[17]，而高糖饮食会导致小鼠肥胖[18]。高纤维饮食会增加肠道中双歧杆菌的相对丰度，而低纤维饮食会增加肠道普雷沃氏菌属的相对比例[19]。Kimura等[20]研究表明，摄入过量的碳水化合物会导致食欲降低，分析其原因发现，这种现象与微生物发酵碳水化合物产生的乙酸有关，因为乙酸可以作为信号分子调节食欲中枢系统。

碳水化合物在肠道内能被其中的微生物发酵，代谢产物主要为短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸等[21]。Jha等[22]试验发现，碳水化合物能刺激肠道黏膜的生长、改善肠道免疫，而这种营养效应是由SCFA介导的。因此，研究碳水化合物对肠道菌群结构及代谢产物的影响很重要。

2 碳水化合物对肠道微生物及代谢产物的影响

2.1 纤维对肠道微生物及代谢产物的影响

Ross等[23]寻找了17名健康受试者接受为期2周的试验，研究发现，与饮食精制谷物相比，全谷物饮食显著增加了宿主粪便中钩端螺旋体和肠球菌属的比例，而粪便pH值和异戊二酸的含量具有降低的趋势，粪便排泄频率显著增加。该研究团队发现，饮食对代谢的影响具有明显的性别差异，例如，饮食全谷物与精制谷物的女性尿液中富马酸的含量存在显著差异，而男性却没有出现这种试验结果[24]。Andersson等[25]研究发现，小鼠饮食燕麦麸4周，细菌总丰度显著增加，尤其是盲肠细菌，例如：脆弱拟杆菌的两个菌株C57BL和6J丰富度显著增加。此外，小鼠血浆胆固醇和血浆果糖胺的水平显著降低，粪便中胆汁酸的分泌及调控胆汁酸合成的胆固醇-7-羟化酶（CYP7A1）基因表达显著增加。François等[26]给58名健康成人食用10 g/d的小麦麸皮提取物，结果发现，小麦麸皮提取物能够显著增加成年人粪便中细菌的总数和双歧杆菌的相对比例。成人每天食用10 μg的小麦麸皮提取物能显著降低尿中的对甲酚含量，而对甲酚是一种蛋白水解发酵的标记物，它和粪便总SCFA水平呈显著正相关[27]。

Bränning等[28]用120 g/kg的膳食纤维的蓝莓壳喂养大鼠5 d，结果发现，饲喂蓝莓壳的大鼠与未饲喂蓝莓壳的大鼠相比，盲肠乳酸杆菌、双歧杆菌和肠杆菌科相对丰度显著降低，丙酸和总SCFA含量显著降低，而结肠远端和粪便丙酸和丁酸的比例显著升高。重要的是，盲肠、结肠远端和粪便中含有大量的未被消化的蓝莓壳。由此表明，大鼠肠道微生物对蓝莓壳的消化利用效率很有限。Cox等[29]给小鼠饲喂少量的羟丙基甲基纤维素4周，小鼠盲肠中的粪肠球菌和消化链球菌比例显著降低。此外，羟丙基甲基纤维素导致小鼠的新陈代谢发生了变化，例如：粪便中总胆固醇、高、低、极低密度脂蛋白胆固醇、瘦素、肝脏甘油三酯和肝脏脂肪百分比显著降低，而饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、反式脂肪酸和胆汁酸含量显著升高。

Jakobsdottir等[30]研究了不同纤维含量的日粮对小鼠肠道微生物菌群和代谢的影响，给小鼠分别饲喂低脂、高脂、低纤维、高纤维、果胶、瓜尔豆胶、果胶和瓜尔豆胶混合日粮，饲喂6周。结果发现，所有纤维组与无纤维日粮组相比，血液、血清和盲肠的丁酸浓度显著增加，纤维组、果胶和瓜尔豆胶组血清和盲肠中总SCFA含量减少。此外，饲喂瓜尔胶的大鼠盲肠拟杆菌的相对丰度和血清丙酸水平显著高于其它组；无纤维组小鼠盲肠的嗜黏蛋白-艾克曼菌比例显著高于其它组；饲喂果胶组小鼠盲肠微生物无明显变化。

2.2 糖类对肠道微生物及代谢产物的影响

Dewulf等[31]给30例肥胖妇女食用菊粉和低聚果糖的混合物12周，食用量为16 g/d。结果发现，宿主粪便中厚壁菌门、梭状芽孢杆菌和双歧杆菌的相对丰度显著升高；而乳酸杆菌、丙酸杆菌和大肠杆菌的相对丰度显著降低。粪便中的微生物与宿主代谢变化之间具有一定的相关性。例如：双歧杆菌和普雷沃氏菌属的相对丰度与血清脂多糖的水平呈显著负相关。相反，丙酸杆菌的相对丰度与血脂水平呈显著正相关。Benus等[32]给10名健康的成人食用豌豆纤维和低聚果糖的混合物2周，其混合物膳食纤维的浓度为14 g/l。结果发现，宿主粪便中双歧杆菌的比例显著增加，而拟杆菌门的相对丰度显著降低。粪便中SCFA的水平明显增加，仅丁酸的水平显著减少。给小鼠单独饲喂低聚果糖，小鼠结肠中密尔比霉素的水平显著降低，拟杆菌的比例增加，这些变化与小鼠门静脉丙酸含量的增加显著相关[33]。丙酸是糖异生的重要前体物质，由此推测，肠道微生物可能通过调控丙酸的产生来维持宿主葡萄糖和能量平衡。

Neyrinck等[34]研究发现，甲壳素-葡聚糖的摄入可以部分地逆转高脂肪饮食对动物胃肠道微生物的影响。Everard等[35]先给小鼠饲喂高脂日粮4周，小鼠盲肠细菌总数显著降低，尤其是拟杆菌类/普雷沃氏菌属和乳酸杆菌，而双歧杆菌的相对比例显著增加。随着甲壳素-葡聚糖纤维的加入，高脂饮食的小鼠肠道菌群发生部分补偿，拟杆菌类/普雷沃氏菌属的比例逐渐增加。此外，高脂诱导体重、脂肪块发育、血浆胆固醇浓度和肝脏甘油三酯的增长速度均减缓。Dewulf等[36]研究发现，给动物饲喂寡聚糖有助于改善宿主肠道微生物区系，寡果糖能够抑制高脂肪饮食诱导的短链脂肪酸受体基因（GPR43）在脂肪组织中的过度表达，而GPR43是控制脂肪分化及导致脂肪细胞在高脂饮食中的积累的关键因素。Fava等[37]给20只健康猪饲喂聚葡萄糖补充剂（30 μg/d）3周，结果发现，66%的聚葡萄糖补充剂在小肠中均匀的发酵，对应的粪便SCFA水平也显著增加。Ma等[38]研究发现，大豆寡糖能够明显改善小鼠肠道菌群组成，减少病原菌的数量，增强小鼠免疫功能。Giannenas等[39]研究表明，甘露寡糖能显著改善育肥猪肠道菌群组成和免疫应答水平。

2.3 抗性淀粉对肠道微生物及代谢产物的影响

Abell等[40]给46例健康成人分别饮食含小麦纤维的非淀粉多糖和抗性淀粉4周，结果发现，加抗性淀粉组人群粪便中总SCFA、乙酸盐和丁酸水平显著高于非淀粉多糖组。此外，抗性淀粉能够刺激梭菌属的生长繁殖，而非淀粉多糖饮食主要刺激毛螺旋菌科细菌的增殖。粪便中拟杆菌的相对丰度与丙酸的含量呈显著正相关，双歧杆菌的比例与血浆胰岛素水平呈显著正相关[41]。Paturi等[42]研究发现，饲喂抗性淀粉的大鼠，盲肠中双歧杆菌和乳酸杆菌的相对丰度均显示增加，并且刺激小鼠结肠杯状细胞的增殖。此外，给妊娠大鼠饲喂抗性淀粉，生出的幼崽空腹血糖水平较低，盲肠和粪便SCFA水平、双歧杆菌、乳酸杆菌和梭菌属比例显著降低，而断奶后这些指标均显著增加[43]。研究发现，给大鼠饲喂抗性淀粉，能够使其盲肠、结肠和粪便中的总SCFA、丙酸和丁酸的含量显著增加[44]。

Haenen等[45]研究发现，饲粮中添加 34%的抗性淀粉，能够显著增加母猪结肠布氏瘤胃球菌的相对丰度，降低潜在致病性大肠杆菌和假单胞菌属的相对比例，增加结肠中SCFA的浓度。而34%的抗性淀粉，能增加公猪结肠产丁酸菌、柔嫩梭菌和埃氏巨型球菌的相对丰度，降低潜在病原体钩端螺旋体属的丰度，增加颈动脉血液中SCFA的浓度。以上这些结果表明，抗性淀粉通过改变肠道微生物区系，引起微生物代谢产物发生相应变化，代谢产物的变化进一步诱导肠上皮组织的代谢和免疫应答发生改变。

3 小结与展望

肠道微生物自身及其代谢产物调控着宿主的生理机能与健康水平，对动物体的生长与发育至关重要。分析动物体肠道内微生物定植、演替规律和代谢产物产生规律，揭示调控宿主肠道稳态和功能的作用机制，有助于提高动物的生产和健康水平，防控代谢类疾病的发生。

而影响肠道微生物结构的最主要的因素是饮食，饮食进入到后肠会改变肠道微生物结构，同时供微生物发酵，产生对人体健康有益的短链脂肪酸或有害的脂多糖和苯酚等物质。但目前就碳水化合物对肠道菌群及代谢产物的影响研究甚浅，针对这些影响与人体健康关系的研究更是极其罕见。随着生物学家们对肠道微生物这个“微生物器官”的研究越来越重视和人类微生物基因组计划的展开，揭示膳食如何调节肠道菌群结构及其代谢产物的作用机制将为时不远。