多酚对肠道微生物影响的 研究进展及对多酚指示菌的探讨

卢 烽,廖小军,胡小松,张 燕

(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,中国农业大学食品科学与营养工程学院学院, 国家果蔬加工工程技术研究中心,农业部重点开放实验室,北京 100083)

人类肠道微生物的数量在1014～1015,大概是人体自身细胞的10倍左右[1],也就是说我们的身体是由90%的微生物和10%的自身细胞组成[2]。且肠道微生物所含基因是我们人体自身所携带基因的150倍左右[3]。不过Abbott等[4]发表文章称以前的研究夸大了人体中肠道微生物的数量,它与人体细胞数量的比值应为1.3∶1,即使这样肠道微生物的数量依旧惊人。Eckburg等[5]发表文章称肠道微生物主要分为六大门类:厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、梭杆菌门(Fusobacteria)。其中,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是最主要的两个菌门。肠道微生物易受到外界环境的影响。一旦宿主的饮食习惯、作息规律发生变化或是服用药物(尤其是抗生素类药物),肠道微生物的平衡状态就会被打破,并随之发生变化[6]。在过去的十年人们越来越重视肠道微生物对健康的影响,相关研究也急剧增多。大量动物或人群研究都显示许多疾病都与肠道微生物密切相关。肠道微生物不仅可以影响宿主的能量代谢,更重要的是其生态平衡的紊乱会导致肥胖、二型糖尿病等代谢类疾病和肠易激综合征(IBS)等免疫类疾病[7-8]。甚至肠道微生物生态的失衡还和抑郁症、孤独症等精神类疾病相关[9]。因此近年来涌现出许多关于通过调节肠道微生物改善疾病的研究,益生元、益生菌、粪菌移植都被认为是目前较为有效的途径,而多酚就是一种重要的益生元[9-10]。

多酚类化合物是指分子结构中有若干个酚性羟基的植物成分的总称,是植物次级代谢产物。按照结构分为类黄酮和非类黄酮化合物两大类(见图1),前者包括花色苷和黄酮醇、黄烷酮等,后者包括咖啡酸、阿魏酸、绿原酸等小分子酚酸,正反式白藜芦醇等芪类和单宁。多酚分布广泛,存在于多种食物中,例如:水果、蔬菜、咖啡、茶、可可、红酒等[11-12]。作为重要的植物源功能性成分,多酚对健康的益处近年得到越来越多的关注。众多研究显示多酚具有抗氧化性、抗癌症、消炎、改善机体代谢及免疫等功效[13-15]。

图1 不同种类多酚物质的结构Fig.1 The structure of different polyphenols

多酚的作用在很大程度上依赖其在体内的消化、吸收和生物利用度[16]。然而研究指出只有非糖基化酚醛化合物的多酚可以在小肠内被直接吸收,大约占全部多酚的5%～10%。绝大多数多酚转移到大肠中,经由肠道微生物的分解、代谢,变成生物活性更高的小分子物质。不仅肠道微生物会影响多酚在人体中的代谢、吸收,反过来多酚及其代谢产物也会对肠道微生物产生显著影响。许多研究表明多酚会显著影响肠道微生物的组成,选择性促进某些细菌的生长,抑制有害菌的生长。并且还会改变肠道微生物的代谢表达[17-18]。关于多酚改善肥胖、心脑血管栓塞、糖尿病等代谢类疾病的报道层出不穷,而其中有许多研究都阐明这种改善很大程度上是通过改变肠道微生物实现的[19]。本文总结了近年来国内外研究结果,阐述了多酚对肠道微生物的作用,并总结了最易受多酚影响的肠道微生物。通过分析得出与多酚摄入密切相关的肠道菌群,并挑选出可以作为多酚影响肠道菌群指示菌的微生物(即随着多酚的摄入确定会产生某种变化的肠道细菌)。以期能够为未来多酚对肠道微生物生态平衡影响的研究提供新思路。

1 食物中多酚混合物对肠道微生物的影响

许多食物都富含多酚,有大量研究证明这些食物所富含的多酚物质会对肠道微生物产生显著影响。

1.1 茶多酚

早期在肠道微生物的研究多是用体外发酵实验来研究不同物质对肠道微生物的影响。早在1993年就有报道指出茶多酚可促进鸡粪便中双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的生长,抑制大肠杆菌(Escherichiacoli)[20]。此后随着肠道微生物所受关注增加,有越来越多的相关研究发表。Akkermansiamuciniphila(简称A.muciniphila)近年发现与抑制肥胖和Ⅱ型糖尿病等代谢综合症密切相关,在肥胖和Ⅱ型糖尿病人中该菌水平比健康人要低很多[21-22]。Kemperman等[23]发现黑茶多酚显著增加了Akkermansiamuciniphila菌、克雷白氏杆菌(Klebsiella)、肠球菌(Enterococci)的生长,同时抑制了食物谷菌属(Victivallis)、B.coccoides、Anaeroglobus。

1.2 葡萄多酚

有研究表明红酒、葡萄中的多酚显著增加了Akkermansiamuciniphila菌的丰度。且红酒中多酚在体外发酵中提升了克雷白氏杆菌(Klebsiella)、食物谷菌属(Victivallis)、Cloacibacillus、Alistipes的相对丰度,减少了拟杆菌属(Bacteroides)、Blautiacoccoides、Anaeroglobus和Subdoligranulum丰度[23]。还有报道称利用葡萄、葡萄籽多酚体外发酵时可以抑制致病菌梭菌属的产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens)和溶组织梭菌(Clostridiumhistolyticum)的生长[24-25]。Dolara等[26]发现红酒多酚可以增加大鼠肠道中双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)的丰度,抑制了丙酸杆菌(propionibacterium),梭状芽孢杆菌(Clostridiumsporogenes)的生长。Collins等[27]发现葡萄多酚不仅可以抑制高脂饮食诱导的小鼠肥胖、胰岛素抵抗,还能影响肠道微生物,尤其能显著提升毛螺菌科(Lachnospiraceae)的丰度。在一个由Ying等[28]进行的动物实验中,六只雌性猪被喂食了6 d葡萄籽提取物。结果显示饮食增加葡萄籽提取物可以改变肠道微生物,显著增加了毛螺菌科(Lachnospiraceae)、梭菌(Clostridiales)、乳杆菌属(Lactobacillus)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)。Queipo-Ortuno[29]发现每日饮用红酒多酚持续四周会显著增加双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度,促进人体肠道微生物的健康发展。此外红酒多酚还有利于肠球菌(Enterococci)、普氏菌(Prevotella)、拟杆菌属(Bacteroides)、迟缓埃格特菌(Eggerthellalenta)的生长,而酒精却没有这种作用[29]。在众多肠道微生物中,对多酚最为敏感的就是双歧杆菌(Bifidobacterium)。

表1 不同种类多酚对肠道菌群的影响Table 1 Effects of different kinds of polyphenols on gut microbiota

1.3 其他来源多酚

目前关于茶多酚和葡萄多酚对于肠道微生物影响报道较多,虽然其他来源的多酚相对较少,但仍有一些值得人们注意的研究结果。Tzounis等[30]发现可可黄酮醇提取物可以增加人体肠道中双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的丰度。Massot-Cladera等[31]发现可可多酚提取物可以显著减少拟杆菌属(Bacteroides)、梭菌属(Clostridium)、葡萄球菌属(Staphylococcus)的相对丰度。Bialonska等[32]发表文章称石榴多酚提取物可以促进人体肠道中双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)和一些产生短链脂肪酸菌类的生长。Molan等[33]发现黑醋栗多酚提取物可以提升大鼠盲肠中双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的丰度,同时抑制拟杆菌属(Bacteroides)、梭状芽胞杆菌(Clostridia)的生长。

2 多酚单体对肠道微生物的影响

除了多酚混合物外,研究者们也关注了多酚单体对肠道微生物影响。虽然多酚单体对肠道微生物影响研究出现较晚,但是进展迅速。

2.1 类黄酮

2.1.1 黄烷酮类、黄酮醇类 Parker等[34]在发表文章报道了多酚单体对病原菌、共生菌、益生菌的不同作用。他们发现在芦丁、槲皮素、柚皮素、染料木素等多酚中,槲皮素、柚皮素的抑菌能力最强,而芦丁的最弱。此外他们还注意到革兰氏阳性菌较革兰氏阴性菌对多酚更加敏感,其生长更容易被抑制。近年相关研究逐渐增多,并且也不仅局限于对某些菌种丰度的影响,也涉及到抗炎、菌群代谢等内容。Kawabakak等[35]发表文章称将不同的黄酮醇(高良姜素、山奈酚、槲皮素、杨梅酮和非瑟酮)与肠道益生菌青春双歧杆菌(Bifidobacteriumadolescentis)联合培养,监测其抗炎能力,发现青春双歧杆菌(Bifidobacteriumadolescentis)能显著提升这些多酚单体的抗炎能力。在另一个体外研究中,Xue等[36]发现将槲皮素加入到液体培养基与人粪便菌群共同发酵24 h,结果显示槲皮素可以显著抑制拟杆菌门和厚壁菌门的生长,此外,他们还发现槲皮素能通过调节菌群组成来影响菌群对多糖代谢和能量代谢功能。除上述报道外,Firrman等[37]发现槲皮素等可以提升双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度,同时抑制大肠杆菌(Escherichiacoli)、溶组织梭菌(Clostridiumhistolyticum)、肠球菌(Enterococci)的生长。

2.1.2 黄烷醇类 Lee等[38]通过体外发酵研究了茶多酚主要成分:表儿茶酸,儿茶酸,没食子酸对于肠道微生物的作用。这些黄烷醇类物质抑制了病原菌如产气荚膜梭菌(Clostridiumperfrigens),艰难梭菌(Clostridiumdifficile)和拟杆菌属(Bacteroides)的生长,而双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)这些益生菌则相对丰度增加。Tzonuis等[39]也发表文章称表儿茶酸、儿茶酸酚可以提升双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度,抑制大肠杆菌(Escherichiacoli)、溶组织梭菌(Clostridiumhistolyticum)、肠球菌(Enterococci)的生长。Unno等[40]通过实验发现,给大鼠喂食包含 0.6% EGCG的饮食能够显著降低梭菌(Clostridiales)的丰度,并且还会减少大鼠盲肠中醋酸和丁酸水平。

2.1.3 花色苷类 有众多报道说明单个多酚单体能够对肠道微生物产生显著影响,但是另外有一些研究发现一些多酚单体自身没有效果,而当它们与其他多酚物质混合在一起时却能起到有趣的作用。Hidalgo等[41]发现在体外发酵实验中花色苷混合物可以显著促进双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)和肠球菌(Enterococci)的生长,而与之形成对比的是锦葵-3-葡萄糖苷单独不能起到明显调节菌群的作用,但当它与其他花色苷一起协同作用时能增强花色苷混合物的菌群调节作用。

2.2 非黄酮类

2.2.1 酚酸类 有报道称通过体外实验发现咖啡酸能够抑制病原菌如产气荚膜梭菌(Clostridiumperfrigens),艰难梭菌(Clostridiumdifficile)和拟杆菌属(Bacteroides)的生长,使益生菌如双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)相对丰度增加。并且咖啡酸还被证明是茶多酚中最强的微生物抑制剂,特别是对大肠杆菌(Escherichiacoli)、沙门氏菌(Salmonellaenterica)、假单胞菌(Pseudomonas)、梭菌(Clostridiales)和拟杆菌属(Bacteroides)[38]。

2.2.2 芪类 Larrosa等[42]发表文章称白藜芦醇可以增加大鼠肠道中双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度,并能保护结肠黏膜抑制葡聚糖硫酸钠(DSS)介导的结肠炎。与此相似,Qiao等[43]和Chen等[43]发现在小鼠体内白藜芦醇可以改善由高脂饮食介导的肠道微生物失调,显著增加拟杆菌门(Bacteroidetes)与厚壁菌门(Firmicutes)的比值。同时明显抑制肠球菌(Enterococci)的生长,并增加了双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度。另外有研究发现反式白藜芦醇不仅自身不能调节肠道微生物,甚至还会抑制其他多酚调节肠道微生物的效果。Etxeberria等[45]单独喂食大鼠槲皮素可显著调节大鼠肠道微生物的组成。但单独摄食反式白藜芦醇,甚至将反式白藜芦醇同槲皮素一起喂食大鼠,都不能明显影响肠道微生物。

3 结论与展望

综上所述,无论是多酚混合物还是多酚单体都会对肠道微生物的结构组成产生很大影响。在众多肠道微生物中双歧杆菌属(Bifidobacterium)最易受到影响,几乎所有相关报道都会指出多酚物质能显著增加它的丰度。此外许多多酚类物质也会明显促进乳酸菌、Akkermansiamuciniphila的生长。除了这三种被显著提升的益生菌外,相当高比例的文献报道多酚能抑制梭菌类如产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens)、溶组织梭菌(Clostridiumhistolyticum)、艰难梭菌(Clostridiumdifficile)和大肠杆菌(Escherichiacoli)等致病菌的生长。因此,我们考虑是否可以从这几个菌属的变化来分析肠道菌群、肠道微生态与宿住健康之间的关系。

由于多酚与肠道微生物有着极其微妙的联系,导致它们之间的相互作用复杂多变。本文在分析现有相关文献的基础上总结出了肠道菌群变化与多酚密切相关的微生物,它们通常情况下会随着多酚的出现而产生相应的变化,这些菌很有可能成为多酚影响肠道生态平衡的指示菌。以期通过对这些菌属的体内生长特性、代谢产物分析,阐明菌群变化与生态平衡、与人体健康之间的关系,从而为果蔬营养与人类健康研究开启新的方向。