食物成分对肠道菌群结构的影响

孙长豹，刘志静，刘飞，杜鹏，侯俊财

（东北农业大学乳品科学教育部重点实验室，食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

人体肠道内栖息着约1014个、1 000多种不同的细 菌，其总基因组数目大约是人体总基因组数目的150倍[1]。因此，人体被认为是由真核细胞和原核细胞组成的复杂“超级生物体（Superorganism）”[2]。目前，通过高通量测序技术，在人体内已发现9种肠道细菌门类：厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、梭杆菌门（Fusobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、螺旋体门（Spirochaeates）、VadinBE97门以及与蓝细菌门（Cyanobacteria）接近的未分类菌群，其中多数细菌为专性厌氧菌，优势菌群为拟杆菌门和厚壁菌门，占肠道菌群总体的98%[3]。肠道菌群在食物消化吸收、营养代谢、免疫功能激活、肠道屏障和机体行为调控等方面起着至关重要的作用，是人体重要的“微生物器官”[4]，因此维持肠道菌群结构的平衡对人体健康有重要意义。肠道菌群的结构从新生儿阶段开始建立，并随着宿主的成长而不断变化。在此过程中，肠道菌群的结构还受到宿主基因型、饮食、生活环境、生活习惯、分娩方式、抗生素等因素的影响，其中饮食因素是最容易控制或改变的因素[5-6]。在长期相对固定的饮食模式下，肠道内菌群结构也是相对稳定的，而当饮食结构改变时，肠道菌群在短时间内也会发生变化[7]，说明肠道菌群对食物成分存在某种偏好性，而且可能具有特定功能[8]，这是肠道菌群对不同底物适应性的体现[9]。同时，肠道菌群结构的可变性也揭示了饮食干预手段应用于肠道菌群结构平衡的调节和疾病治疗的可能性。本文就饮食结构、食物成分及其代谢物对肠道菌群结构的影响进行综述，旨在为未来研究饮食干预调节肠道菌群结构，预防疾病提供参考和新的思路。

1 饮食结构对肠道菌群的影响

随着不同人群饮食结构的不同，其肠道菌群的组成和结构也会不同。高脂饮食会降低拟杆菌门和双歧杆菌数量，增加厚壁菌门和变形菌门数量，高纤维饮食会增加肠道中双歧杆菌数量，而低纤维饮食会增加普氏菌属数量[10]。越来越多的研究表明，多种饮食结构如高脂饮食、高糖饮食、高膳食纤维饮食等均会对肠道菌群产生影响。

1.1 高脂饮食

高脂饮食是典型的西方饮食模式，主要以美国、加拿大、北欧等国家为代表。高脂饮食中富含动物蛋白、糖、淀粉和脂肪，而纤维含量较低。目前已经公认高脂饮食是引起肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病的主要原因之一[11]。De Filippo等[12]利用高通量测序技术对欧洲儿童和非洲儿童的肠道菌群进行了研究，发现两者的肠道菌群存在明显的差异。高膳食纤维饮食的非洲儿童的肠道菌群中富含拟杆菌门，尤其是与纤维素和木聚糖水解相关的普雷沃氏菌和木聚糖菌，而厚壁菌门相对较少；高脂饮食的欧洲儿童的肠道菌群结构特点则与前者相反；同时非洲儿童肠道内的短链脂肪酸水平明显高于欧洲儿童。在动物模型研究中也得到了相似的结果，Lin等[13]研究了高脂饮食对大鼠肠道菌群的影响。结果发现，饲喂大鼠8周高脂饮食后，大鼠肠道菌群中的厚壁菌门丰度增加，而拟杆菌门丰度降低，并且厚壁菌门/拟杆菌门比例显著高于对照组。Zhang等[14]研究发现与常规饮食相比，高脂饮食会降低大鼠肠道菌群中拟杆菌门和双歧杆菌的数量，增加厚壁菌门的数量。夏阳等[15]研究发现高脂饮食能够引起小鼠肠道菌群结构的改变，增加多种潜在性致病菌，特别是梭杆菌。

高脂饮食会导致肠屏障保护功能菌（乳杆菌属、双歧杆菌属以及普氏菌属等）的丰度明显减少，而产硫化氢和内毒素脂多糖的破坏肠屏障功能的硫酸盐还原菌的丰度明显增加，这种肠道菌群的失调使得肠道通透性增加，血液中肠源性毒素水平升高，最终导致包括胰岛素抵抗、肥胖、糖尿病等在内的代谢综合症的发生[16-17]。高脂饮食能减少肠道菌群产生甾类激素、抗菌物质和胆汁酸合成和胆汁分泌的水平，提高脂肪酸合成和尿胆原代谢水平[18]。

1.2 高糖饮食

糖和脂肪是机体最主要的两大能源物质，对健康有重大影响。目前，大多数研究集中在高脂饮食对机体健康及肠道菌群的影响，而单独高糖饮食对机体健康和肠道菌群影响的研究较少。研究表明，高糖饮食能够明显增加机体的体重，促进脂肪的积累。张芹等[19]研究了高糖饲料和普通饲料对小鼠肠道菌群的影响。研究发现，与正常组相比高糖饮食能够使小鼠的体重和血糖值明显升高，且高糖饮食组小鼠粪便中厚壁菌门细菌显著高于正常组，而拟杆菌门显著低于正常组。长期高糖饮食的人肠道中的短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）含量相对较高[8]。SCFAs能够降低肠道的pH值，具有促进双歧杆菌、乳杆菌等有益菌增殖，抑制肠杆菌、沙门菌等有害菌肠道内定植和繁殖的生理功能[20]。

1.3 高膳食纤维饮食

膳食纤维是人体不能消化吸收的多糖类物质，主要包括抗性淀粉、非淀粉性多糖、低聚糖等。越来越多的研究发现高膳食纤维饮食能够调节肠道菌群的结构，促进体内代谢的平衡。Candela等[21]采用高膳食纤维饮食对2型糖尿病患者进行饮食干预，发现高膳食纤维饮食能够明显改善糖尿病患者的代谢状况，增加肠道菌群的生物多样性，并且产短链脂肪酸菌属（拟杆菌属、罗斯氏菌属、毛螺菌属等）的丰度提高。高膳食纤维饮食会增加肠道中双歧杆菌的数量[22]，使肠道菌群的多样性增加，同时也可以使肠道菌群中的普雷沃氏菌丰度增加[23]。

高膳食纤维饮食可能通过富集SCFAs产生菌，增加肠道内SCFAs浓度，降低脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）产生菌的水平，进而减少LPS入血引起组织器官的炎症。高膳食纤维饮食还能抑制某些能产生有害物质，如三甲胺（Trimethylamine，TMA）和吲哚的有害菌，从而改善宿主的代谢状况[16]。

2 食物成分对肠道菌群的影响

食物中的三大营养成分（碳水化合物、蛋白质和脂肪）、矿物质及维生素进入胃肠道后主要在小肠内被消化吸收，未被消化吸收的成分直接运送至结肠与肠道菌群发生相互作用。

2.1 碳水化合物

未被胃肠道酶消化的碳水化合物（抗性淀粉、非抗性淀粉、纤维素等）在结肠内进一步被肠道菌群代谢，并作为碳源和能源供肠道菌群利用和生长[24]。碳水化合物的种类不同，对肠道菌群的影响也不同。将人粪便样悬浮液接种到以木聚糖、果胶等非淀粉多糖作为底物的培养基中，拟杆菌属细菌大量增殖，而瘤胃球菌属、梭菌属等细菌较接种时比例下降，而以直链淀粉为底物的培养基中布氏瘤胃球菌、短双歧杆菌为优势细菌[25]。已有研究表明，高碳水化合物饮食能增加双歧杆菌的丰度，降低Blautia的丰度[26]。

碳水化合物的代谢产物有 SCFAs、H2、CO2等，其中SCFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸，它们的比例受肠道菌群结构的影响，如拟杆菌门以产乙酸和丙酸为主，而厚壁菌门以产丁酸为主，它们的正常比例约为3∶1∶1。丁酸盐主要被肠道上皮细胞吸收利用，调节上皮细胞生长发育，并作为肠道的能源物质，也有研究表明丁酸盐能有效抑制结肠癌细胞的增殖[27]。丙酸盐被转运至肝脏，是糖类异生的主要底物之一。乙酸盐大部分被吸收转运至肝脏，也可被转运至肌肉和周围组织中，其主要参与脂类合成，也有研究表明乙酸和丙酸可以激活人体中性粒细胞和单核细胞中的游离脂肪酸受体 2（free fatty acid receptor2，FFAR2），抑制肿瘤坏死因子-α（tumornecrosis factor-α，TNF-α）的释放，促进肠道中抗炎反应[28-29]。

2.2 蛋白质

未被胃肠道酶消化的蛋白质转运至结肠，并在结肠末端被肠道菌群降解，为细菌提供氮源。参与降解蛋白质的细菌主要是拟杆菌属（尤其是B.fragilis）、梭杆菌属产气荚膜杆菌（Clostridium perfringens）、丙酸杆菌（Propionibacterium）、链球菌（Streptococcus）、芽孢杆菌（Bacillus）和葡萄球菌（Staphylococcus）[30]。

未被消化的蛋白质经过肠道菌群的降解，除了生成SCFAs、H2和CO2，还会生成支链脂肪酸（异丁酸、2-甲基丁酸乙酯和异戊酸等）、氨、酚类、吲哚类、胺类和硫化物等，这些代谢产物大部分是对宿主肠道有害的[31]。SCFAs、支链脂肪酸和氨等物质主要是由消化球菌属、氨基酸球菌属、韦荣球菌属等细菌使氨基酸发生脱氨基作用而产生的；酚类和吲哚类物质主要是由梭菌属、拟杆菌属、肠杆菌属、双歧杆菌属和乳酸菌属等细菌使芳香族氨基酸发生脱氨基作用产生的；胺类主要是由肠埃希菌、假单胞菌属、变形杆菌属和克雷伯菌属等需氧细菌使氨基酸和肽类经脱羧作用产生的；硫化物主要是由硫酸还原菌代谢食物中的硫酸盐产生的[7]。这些有害物质的生成可能引起炎症性肠病，但也有研究表明高蛋白饮食不一定都引起有害作用，Dominika等[32]研究了糖化豌豆蛋白对人体肠道菌群的影响，结果表明糖化豌豆蛋白能够显著提高乳酸杆菌和双歧杆菌的丰度和短链脂肪酸的水平。

2.3 脂肪

食物中的脂类物质大部分在小肠内消化吸收，只有7%左右的脂肪酸随粪便排出体外[33]。有研究表明脂肪酸的种类影响肠道菌群的结构，Patterson等[34]研究了含不同脂肪酸的高脂饲料对小鼠肠道菌群的影响。结果表明，富含饱和脂肪酸的高脂饲料组小鼠肠道中拟杆菌门减少，而富含不饱和脂肪酸高脂饲料组小鼠肠道中拟杆菌科丰度相对较高。

胆汁酸对脂肪的消化吸收有重要的作用。脂肪能够促进胆汁的分泌，在胆汁酸水解酶的作用下产生游离胆汁酸而降低胆固醇水平，抑制艰难梭菌的生长和繁殖[35-36]。有些肠道菌群还参与卵磷脂的代谢，使其转化成三甲胺，并经过血液循环进入肝脏转化成氧化三甲胺，造成动脉粥样硬化，增加了心血管疾病的风险[37]。

2.4 矿物质

食物中的许多矿物质是细菌生长的重要营养元素，例如铁，因此肠道内矿物质的平衡对肠道菌群结构有重要影响。BuhnikRosenblau等[38]研究了铁对小鼠肠道菌群结构的影响。结果表明，铁调节蛋白2（iron regulatory protein2，IRP2）和遗传血色病突变基因Hfe是体内调节铁平衡的重要蛋白。铁调节基因敲除小鼠体内肠道菌群结构受到严重影响，尤其是乳酸菌的丰度变化极显著，同时铁的吸收也受到影响。肠道菌群在代谢过程中产生的短链脂肪酸可以促进铁的吸收，而毒性代谢物会抑制铁的主动运输，减少铁的吸收。

2.5 维生素

人体所需的维生素大多来自于食物，少数维生素也可通过肠道菌群的代谢提供，例如维生素B1、维生素B2、维生素K和叶酸等。有研究表明，枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和沙门氏菌在多种酶的作用下可以合成维生素B2，而且大肠杆菌还可以合成维生素K[39]。双歧杆菌和乳酸杆菌可以合成叶酸[40]。

3 饮食干预

已有大量的研究表明，饮食干预能够调节肠道菌群的组成和功能[41]。饮食干预对肠道菌群的影响主要表现在：肠道菌群能够快速响应饮食的改变，虽然能够快速响应，但长期的饮食习惯在决定人体肠道菌群组成中起主导作用，由于先天肠道菌群的差异，不同个体对相同的饮食干预产生特异性的响应[42]。殷晓晨等[43]对重度肥胖症患者进行饮食干预，研究肠道内硫酸盐还原菌数量的变化。结果表明，饮食干预过程中，患者的体重显著降低，其肠道内硫酸盐还原菌的比例也显著下降。孙兆男等[44]研究了益生菌干预对高脂高糖饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群的影响。结果表明，高脂高糖饮食诱导肥胖小鼠存在肠道菌群结构失调及脂代谢异常，益生菌干预可以改善肥胖小鼠菌群失调以及脂代谢紊乱。Park等[45]利用弯曲乳杆菌HY7601和植物乳杆菌KY1032对肥胖小鼠进行饮食干预。结果表明，小鼠的体重明显降低，且总胆固醇含量也显著降低。

4 结语

肠道菌群及其代谢物对宿主健康起到重要作用，它不仅影响宿主营养成分的消化吸收，还具有调节宿主代谢和免疫的生理功能。现在人们对健康饮食的要求越来越高，在膳食与健康的关系中，对肠道微生物的桥梁作用也越来越重视。通过合理的饮食，可以改善肠道菌群的结构，进而促进人体健康并能够预防和缓解某些疾病。但是，目前对饮食与肠道菌群之间相互作用机制研究的不够深入，而且肠道菌群是一个微生态系统，只考虑个别种属数量和代谢物的变化是不够的，在将来的研究中还需要考虑菌种间的互作和竞争关系。相信随着宏基因组学、代谢组学等生物技术的进步，人们对肠道菌群会有进一步的认识，对饮食与肠道菌群之间的相互作用理解更加深入。通过合理的饮食结构塑造或者重建合理的肠道菌群结构是食品科学未来的研究方向。

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