饮食成分影响肠道菌群结构的研究进展

郭坤杰，张萌萌，吉日木图，2，何 静*

（1 内蒙古农业大学 乳品生物技术与工程教育部重点实验室 呼和浩特 010018 2 内蒙古骆驼研究院 内蒙古巴丹吉林 737300）

人体肠道微生物是一个多元化的微生态系统，它参与人体自出生直至衰亡的生命代谢过程。在这个过程中，肠道菌群为宿主提供了必要的生理功能，包括新陈代谢、免疫和神经元的发育[1-2]。与宿主基因组不同，肠道菌群具有双向可塑性，很容易适应各种环境和宿主衍生的刺激。在环境因素中，饮食是影响肠道菌群基因和组成的关键因素，其中宏量营养素（脂肪、蛋白质和碳水化合物）的数量、类型和平衡都对肠道菌群有显著影响。通过改变反应器中的营养环境来改变微生物群落结构和功能，将是保持人类肠道微生物健康的最佳方式。为此，本文详细介绍饮食成分对肠道菌群影响的研究，以期为研究饮食、肠道微生物与健康的关系提供新思路。

1 饮食与肠道菌群的关系

个人饮食或饮食习惯对肠道菌群的改变起着至关重要的作用。到目前为止，饮食和肠道菌群之间的关系尚未明确。许多研究表明，所有影响肠道菌群的因素中饮食是最重要的因素之一。主要研究不同类型的饮食，如高碳水化合物、高脂肪、膳食纤维、西方饮食、益生元和素食饮食，在进食后24 h 内对肠道菌群的转移和形成有重要作用[3]。根据食物摄入的种类，哺乳动物分为草食性、肉食性和杂食性动物，每个种类都具有独特的肠道菌群组成；根据饮食类型，参与代谢途径的基因也相应地表达代谢特定的饮食成分。尽管摄入的饮食类型不同，但厚壁菌门 （Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）都会发生显著变化（图1）。此外，碳水化合物、蛋白质和脂肪等膳食营养素的组成、数量、性质和营养平衡是改变肠道菌群组成和代谢的主要因素。

图1 健康和非健康饮食影响肠道菌群的组成Fig.1 Healthy and unhealthy diets affect the composition of intestinal flora

正常人体肠道由1014个共生微生物群落组成，包括细菌、病毒、真菌和原生动物[4]。当人体摄入食物后，先经胃消化，然后通过小肠，最后未消化的食物到达大肠。肠道微生物存在于大肠内，通过代谢、生物合成和信号转导途径对宿主健康起到重要作用。肠道菌群对未消化的食物进行发酵从而产生代谢副产物，而这些副产物是刺激生物信号通路的前体。激活信号通路会影响机体代谢，从而调节能量稳态，最终导致肥胖或消瘦。饮食分为健康或非健康饮食，根据其性质、组成和热量不同来影响人体的健康状况。此外，许多炎症和自身免疫性疾病的发生主要是由饮食和相关的“有益”或“非有益”微生物引起的。一旦食物进入肠道，肠道菌群组成迅速变化，并根据饮食类型改变代谢途径和免疫反应。同时，人体肠道菌群的构成主要由饮食和生活方式决定，非健康饮食（如高热量、高糖和高脂肪饮食等）可能刺激“非有益”微生物，而健康饮食（如益生元或富含膳食纤维的饮食）则具有恢复“有益”菌群的能力[5]。所以，维持和塑造肠道中的“有益”菌群对宿主健康至关重要。

1.1 健康饮食与肠道菌群的关系

健康饮食如富含纤维、益生元和素食的饮食，可以促进“有益”肠道微生物生长。一个多世纪以前，诺贝尔奖获得者Elie Metchnikoff 就做出一个设想：补充乳酸菌对健康有益，并有助于延长寿命。益生菌是对宿主有益的活性微生物，可以调节肠道菌群，通过预防肠道疾病以增强宿主免疫力。益生菌直接或间接作用于肠道菌群，调节肠道菌群失调，但其作用机制尚未明确。而益生元是不被宿主消化吸收的食物成分，而被“有益”肠道菌群发酵。

益生元对健康有潜在益处，从而受到广泛关注。有研究表明，菊粉、低聚果糖、乳果糖和低聚半乳糖等益生元可以使乳杆菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）的数量增加，而乳杆菌和双歧杆菌可以产生SCFAs（乳酸和乙酸）并通过发酵过程丰富益生菌促进宿主健康[6]。抗性淀粉也是一种益生元，它可以不经胃和小肠的消化到达结肠，被特定微生物发酵，产生丁酸等SCFAs，从而作为结肠上皮细胞的能量来源，具有多种保健作用并增强胰岛素敏感性。根据抗性淀粉的组成不同，肠道菌群对抗性淀粉的响应也不同，从而使厚壁菌门和拟杆菌门的比例发生变化[7-8]。

许多研究集中在其它的健康饮食上，如水果、蔬菜、可发酵膳食纤维和富含多不饱和脂肪酸的饮食，研究表明食用这些食物可以提高免疫力并调节免疫功能[9]。此外，这些膳食营养素通过调节肠道上皮细胞失调、减轻过敏反应、调节免疫系统和减少炎性疾病的方式在调节宿主与肠道菌群相互作用中发挥着重要作用。

1.2 非健康饮食与肠道菌群的关系

在现代生活方式中，非健康饮食的消费普遍升高，使人们摄入的脂肪和糖含量增加，膳食纤维含量下降[6]。据报道，过度食用加工食品会影响肠道中的 “有益” 菌群，从而影响系统的内稳态。Varadharajan 等[11]研究表明，自助餐厅饮食对Sprague Dawley 大鼠的肠道菌群影响很大，使厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门发生变化，从而导致肥胖。富含饱和脂肪酸的饮食可以改变肠道菌群组成，增加了革兰氏阴性菌的比例；这种改变会刺激脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的产生，增加肠道通透性，导致代谢内毒素血症[12]。此外，高糖饮食如软饮料、糕点、甜点心和白面包，能量高、营养价值低，会改变肠道微生物的新陈代谢，增加肥胖、心血管疾病和糖尿病的风险。大量研究表明，低纤维的西方饮食也会降低结肠黏液屏障，导致有害微生物群入侵，这会导致病原体易感染性和炎症，在碳水化合物（包括纤维）摄入量减少到30 g/d，24 h 内肠道菌群变化明显，因为碳水化合物的损失极大地降低了纤维素降解细菌的丰度，而乳球菌属 （Lactococcus） 和链球菌属（Streptococcus）的丰度增加，导致短链脂肪酸 （short-chain fatty acids，SCFAs）水平降低，所以对肠道健康产生不利影响[13]。Sonnenburg 等[14]研究了人类微生物菌群对小鼠缺乏纤维摄入的影响，结果表明，低纤维饮食导致小鼠肠道内的微生物多样性显著降低，而将小鼠转化到正常的纤维饮食时，微生物的多样性却无法恢复。因此，膳食纤维对肠道菌群多样性的影响至关重要。

2 饮食成分对肠道菌群的作用

2.1 碳水化合物

碳水化合物对肠道菌群的影响过程极为复杂，主要取决于碳水化合物的类型和数量。有研究表明，西方饮食中普遍存在简单碳水化合物，如软饮料、糕点、甜点心和白面包，这抑制了共生类杆菌在小鼠肠道中的定植，并促进了肥胖的发展[58]。同时，这类饮食能量高、营养价值低，会改变肠道微生物的新陈代谢，增加肥胖、心血管疾病和糖尿病的风险。与此相反，长期食用复杂碳水化合物（如膳食纤维）已被证明使普雷沃特氏菌的数量增多。发酵膳食纤维是盲肠和结肠菌群的主要功能之一，也是发酵终产物SCFAs 的主要来源（图2）。SCFAs 作为信号分子，通过抑制组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylases，HDACs）或作为几种G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs；包括GPR41、GPR43 和GPR109A） 和过氧化物酶体增殖物激活受体γ （peroxisome proliferators-activated receptor-γ，PPARγ）的配体发挥作用[16-17]。用丁酸盐补充高脂饮食（high fat diet，HFD）小鼠可预防饮食引起的肥胖和胰岛素抵抗，增加能量消耗[18]；利用丙酸盐治疗时，超重个体的体重停止增加[19]，健康女性的葡萄糖耐量得到改善。结肠内注射与摄入纤维水平相匹配的醋酸盐、丙酸盐或丁酸盐可改善超重或肥胖男性的能量代谢[20]。Frost等[21]研究表明，HFD 喂养并补充可发酵纤维的小鼠更瘦，消耗的食物更少，并在下丘脑表达厌食神经肽，所以纤维源性醋酸盐在食欲调节机制介导下的有益作用。同时，通过标记碳水化合物，发现醋酸盐积累在下丘脑中，又通过功能脑成像观察到静脉注射醋酸盐后下丘脑神经元激活后的变化[21]。

丁酸盐在维持肠道免疫平衡、预防炎症和癌症发生方面具有重要作用[22]。这个过程可以通过调节炎性细胞或调节性T 细胞（Regulatory cells，Tregs）来实现[23-24]。一些研究表明，膳食纤维在促进肠屏障功能方面发挥着重要作用。当动物食用低纤维食物时，肠道菌群的营养源从纤维转移到宿主黏液，从而使其对病原体的预防减弱。因此，当小鼠感染了黏膜病原体柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）后，出现黏膜层被侵蚀，从而破坏屏障功能并导致致命性结肠炎[25]。尽管用纯纤维（如菊粉） 补充低纤维饮食并不能消除柠檬酸杆菌的敏感性，但纯纤维可以通过一种纤维介导的促进黏液功能的关键细菌[26]或IL-22[27]诱导的机制来减轻脂肪饮食对肠道屏障和宿主健康的有害影响。

有趣的是，膳食纤维和肠道菌群之间的相互作用并不是一定有益于宿主。对比前面提到的有益的研究[22]，另一个研究表明，在缺乏Apc 基因和错配修复基因Msh2 的大肠癌遗传易感小鼠模型中，纤维衍生丁酸酯与肿瘤发生有关。在这种情况下，丁酸酯通过诱导肠隐窝中的干细胞样特征来促进肿瘤发生，潜在的导致干细胞的产生和自我更新[28]。这一观察结果仍有待于人体实验的验证。

2.2 脂肪

几十年来，由于推测摄入脂肪与心血管疾病（cardiovascular diseases，CVDs）和肥胖有关，因此一直不鼓励高脂肪饮食。1981年至2007年发表的前瞻性队列研究的荟萃分析不支持这种联系；因此，2015年美国农业部和卫生部发布的最新版本的饮食指南中，不再要求减少脂肪总摄入量，而是要求优化饮食中的脂肪类型，特别是减少饱和脂肪酸和反式脂肪酸的摄入[29]。一些研究表明脂肪的数量和来源对宿主有不同的影响，其中一些脂肪介导的影响是通过肠道菌群引起的变化来传递的。通过富含脂肪的饮食改变肠道菌群，使表达LPS 的细菌过多，导致小鼠和人类的LPS 水平升高，这种促炎症状态被称为“代谢性内毒素血症”。LPS 通过造血细胞中的Toll 样受体4 （toll-like receptors 4，TLR4）和CD14 传递信号，从而促进体重增加或导致肥胖，增加白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）巨噬细胞的炎症指数和胰岛素抵抗。有趣的是，这些副作用似乎只针对饱和脂肪，例如以富含猪油的饲料喂养小鼠，会促使拟杆菌属、Turicibacter 和Bilophila spp.的数量增加[30]。相比之下，喂食不饱和鱼油的小鼠，会使双歧杆菌、阿克曼菌（Akkermansia）和乳杆菌的数量增加，且未表现出代谢损伤。除了过多表达LPS 的细菌外，HFD 相关菌群有时还与丁酸和维甲酸（retinoic acid，RA）水平降低有关[31]，这两种物质都有助于肠内稳态，并调节树突状细胞和调节性T 细胞的归巢和分化[24]。因此，HFD 消耗丁酸盐和RA 可导致小鼠化学性结肠炎的恶化。饱和脂肪还可以通过促进牛磺酸与宿主的胆汁酸结合，从而扩大沃氏嗜胆菌（Bilophila wadsworthia）的丰度，再将其用作末端电子受体并产生硫化氢或次级胆汁酸，最后可能导致肠道屏障破坏和免疫细胞浸润[32]。此外，其他饮食脂肪类型对肠道菌群的调节作用尚未明确。当前的证据表明，在健康的人类中，食用ω-3 多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）会导致几种产生丁酸盐的细菌的丰度增加，这与已知的ω-3 PUFAs 的抗癌和抗炎作用一致[33]。

虽然SCFA 可以使肥胖患者增重，但却在膳食纤维中起到积极作用。研究表明，肥胖小鼠的肠道菌群从食物中获取能量的能力增强。在这个机制中，难消化的碳水化合物发酵产生醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐。这些SCFAs 可以作为结肠（丁酸盐）或外周组织（乙酸盐和丙酸盐）中的能量来源，以及促进其它多种代谢和免疫调节作用，并推测这一过程会使宿主获得更多的可用能量，从而导致体重增加或肥胖。巧合的是，从食用富含饱和脂肪饮食的人类和喂食HFD 的小鼠中获取粪便发现，粪便中的SCFAs 水平的升高伴随着粪便能量含量的降低，这表明摄入脂肪可以通过增加能量获取而导致肥胖。醋酸盐还可以通过对肠-脑轴的影响导致代谢综合征。Perry 等[34]研究表明，喂食HFD 的大鼠血浆和粪便中的乙酸水平升高，这会使副交感神经系统为响应葡萄糖而激活从而产生过多的胰岛素，并升高胃饥饿素的水平，最后导致一种恶性循环，结果表明脂肪会促进过度饮食同时破坏葡萄糖的稳态。与这一发现相反，Frost 等[21]的研究表明，小鼠下丘脑中的乙酸盐活性抑制了食欲。因此，还需要做更多的研究来解决多个关于SCFAs 在代谢综合征中的作用及其与纤维和脂肪相互作用的冲突。

总之，饱和脂肪通过改变肠道或系统的免疫环境，从而改变肠道菌群，促进部分可遗传的有害影响，最后导致特定环境下的代谢综合征和结肠炎发生，并增加食物中的能量获取并调节SCFAs水平。据目前的研究表明，应考虑脂肪的类型[35]，以及多种额外因素，如疾病易感性[32]和与脂肪相互作用的特定共生体[36]的存在。

2.3 蛋白质

与脂肪相似，食物中的蛋白质含量也会影响肠道菌群的组成，在种类组成和丰度上有很大的个体差异。根据蛋白质来源，可以分为植物蛋白和动物蛋白。有研究表明，食用以糖化豌豆蛋白为基础的植物蛋白饮食，人类共生乳杆菌和双歧杆菌数量显著增加，并提高了SCFA 的产量[37]。乳制品中含有丰富的蛋白质，有研究表明，摄入牛奶或发酵乳制品可以增加乳杆菌属和双歧杆菌属的相对丰度，调节肠道菌群失调[38]。相比之下，食用动物蛋白（红肉和加工肉类）通常与患心血管疾病的风险增加有关。红肉富含L-肉碱，它被肠道菌群代谢成三甲胺（trimethylamine，TMA），TMA 随后通过门脉循环转运到肝脏，并通过黄素单加氧酶转化为氧化三甲胺（Trimethylamine-N-oxide，TMAO），而TMAO 与促进动脉粥样硬化有关。有研究表明，长期喂食L-肉碱的小鼠肠道菌群组成发生改变，TMA 和TMAO 合成升高，动脉粥样硬化增加。此外，食用L-肉碱的杂食动物比素食者的TMAO 水平更高。在小鼠和人类中，肠道菌群的特定成员与L-肉碱转化为TMA 或TMAO 的能力有关，并且都与普雷沃菌属（Prevotella）有共同联系。除了动脉粥样硬化外，微生物产生的TMAO 也与血小板高反应性和血栓形成风险相关[39]。

由于加工肉类在炭化过程中产生致癌的杂环胺，因此加工肉类也与人类患结肠直肠癌的风险增加有关[40]。据报道，产生乳酸的细菌（如乳酸菌）可以直接与杂环胺结合，从而潜在的保护宿主免受DNA 损伤和肿瘤的诱导。红肉也富含血红素，血红素与结肠细胞的细胞毒性和过度增生有关。在小鼠中，富含血红蛋白的饮食会导致黏蛋白降解菌（如艾克曼菌（Akkermansia muciniphila））大量繁殖，导致黏液层降解从而使肠屏障功能受损[41]。食用红肉还与结肠癌和胃癌有关，当血红素在肠内分解时，会刺激内源性致癌物质N-亚硝基化合物的产生，这会损害肠壁，从而导致结肠癌[42]。比较GF 大鼠和食用硝酸盐大鼠中的N-亚硝基化合物，结果表明肠道菌群可能通过硝酸还原酶对N-亚硝基化合物的产生起到抑制作用。因此，肠道菌群的特定成员可能会调节与红肉和加工肉类相关的代谢物对宿主健康的影响。

2.4 食品添加剂

当今世界，食品添加剂已经在各种食品中广泛使用，如防腐剂、甜味剂、乳化剂和强化剂等。长期以来，我国一直强化食品添加剂的生产许可以及使用范围和最大使用量（或最大残留量） 的监管，所以通常认为这些添加剂是安全的。随着肠道菌群与饮食和疾病相互作用的研究逐渐受到广泛关注，各种食品添加剂已被证明可诱导肠道微生物群发生变化。

许多食品中都添加了食品乳化剂（如工业生产的番茄酱），从而稳定乳液。Chassaing 等[43]研究表明，两种常见的乳化剂羧甲基纤维素和聚山梨酯-80，低剂量使用会使肠道中的“有益”菌群失调，从而导致小鼠发生低度炎症、代谢综合征和结肠炎等疾病[44]。此外，磷脂酰胆碱（一种卵磷脂）是一种与菌群相互作用从而影响人体健康的乳化剂，与L-肉碱和其它胆碱分子一样，被肠道微生物群转化为TMA，从而增加了TMAO 的水平和CVDs 的风险。还有一种常见的食品添加剂是零热量人造甜味剂 （non-caloric artificial sweeteners，NAS），人们通常用NAS 代替高热量糖类以达到减肥效果。然而NAS 并不只有有益作用，还与促进体重增加和其它相关代谢紊乱方面有关。啮齿动物在摄入糖精[45-47]、三氯蔗糖[48]、阿斯巴甜[49-50]、甜蜜素、纽甜[51]和乙酰磺胺酸钾[52]等NAS 时，还会发生代谢稳态的失调和破坏（图2）。更重要的是，在短期和长期使用NAS 的研究中，都观察到了人类对NAS 的个性化反应。个体差异可能是由于肠道菌群的差异，需要进一步的验证。

图2 代谢综合征中的微生物群与饮食的相互作用[62]Fig.2 The interaction between the microbiota and diet in metabolic syndrome[62]

2.5 矿物质及植物源性生物活性营养素

矿物质和维生素一样，是人体必需的元素，矿物质是无法自身产生、合成的，在人体组织的生理作用中发挥重要的功能。各种矿物质在人体新陈代谢过程中，每天都有一定量随各种途径，如粪、尿、汗、头发、指甲、皮肤及黏膜的脱落排出体外。因此，必须通过饮食补充矿物质。在饮食中补充铁是预防和治疗贫血症的一种常见方法，主要发生在婴儿时期。但是，饮食中的高铁可能会降低整体共生细菌的多样性，导致肠杆菌科成员的丰度增加，其中许多具有致病性，并且可以通过编码高亲和力金属转运蛋白和铁载体来获得营养金属[53-54]。此外，在饮食中添加锰会增加小鼠心脏的细菌定植和金黄色葡萄球菌感染的致死性，这可能是由于细菌利用锰来保护其免受活性氧和中性白细胞的杀伤[55]。因此，预测通过补充缺乏的矿物质来获得更好的健康预后并不容易。矿物质的补充应审慎地个体化，以避免附带感染风险的改变。

20世纪90年代以来，人们对植物生物活性物质的全新认识代表了营养学的第二个“黄金时代”的到来，它作为功能性因子在功能性食品中的地位日趋重要。例如，补充从葡萄[56]或蔓越橘[57]中提取的多酚类物质给HFD 喂养的小鼠，可以减少炎症和体重增加，与艾克曼菌的数量增加有关。然而，由于肠道微生物区系的差异和化合物的反应在个体间存在的差异，导致多酚类物质 （如类黄酮）对人类健康的影响难以剖析[58]。因此，确定与多酚类物质相互作用的细菌及其机制至关重要。有研究表明，用HFD 喂养小鼠，类黄酮降解共生物的增加，肠道中的芹菜素和柚皮素的含量显著减少。此外，将HFD 喂养的小鼠转换为正常的多糖饮食可以使其代谢参数正常化，但并不能使肠道菌群恢复到原来的组成，仍会持续降解类黄酮，使类黄酮水平降低。当成功节食的小鼠被重新喂食HFD 时，低水平的类黄酮作为 “微生物群记忆”，通过影响棕色脂肪组织热量产生进一步加剧代谢作用。用膳食芹菜素和柚皮素补充节食小鼠，可以调节小鼠消耗能量的能力，防止体重恢复到原来水平。因此，菌群与含有低类黄酮或类黄酮补充剂饮食之间的相互作用可以预防HFD 对健康的有害影响。对于人类来说，体重上下浮动比较常见，因此确定这种机制是否在哺乳动物中也存在非常重要。

其它植物化合物例如羟基肉桂酸、咖啡酸、香豆素酸和阿铁酸，可以通过肠道菌群改变为与健康有益的形式，并在植物中以酯结合物的形式存在，具有抗炎和抗氧化作用。双歧杆菌、乳杆菌和大肠杆菌（Escherichia）能够从其结合的植物形态中释放这些化合物，从而影响这些生物活性化合物的个体化水平。与此同时，肠道菌群会降解其它有毒的植物源化合物（如草酸盐），它在坚果、浆果和茶叶中含量丰富，可能形成草酸钙晶体，导致肾结石。在分解草酸盐的细菌中，产甲酸草酸杆菌是一个关键的参与者，该菌的低丰度与尿草酸浓度升高和尿路结石风险增加有关。

3 结论

诸多研究表明，肠道菌群与饮食习惯和饮食干预紧密联系，并在食物代谢中具有显著作用，为饮食治疗发现了一个潜在的新目标。然而，大量相

互矛盾的研究结果严重阻碍了饮食-微生物-宿主研究向临床应用的转化。这一新兴领域有可能彻底改变人们对营养的认识，从统一的食品内在准则转变为针对个人和环境的灵活建议，从而预防或调节代谢紊乱，甚至改善炎症和肿瘤。这种概念上的改变可能会使标准操作方式从传统的通用方法转变为利用能够处理大数据的先进生物信息学工具来整合众多个体参数的方法，从而在考虑患者偏好的同时制定治疗策略。饮食以个人特有的方式与人类的“整体”相互作用。从宿主及其常驻微生物群获得多个参数可以帮助设计精确的饮食干预，包括饮食的数量、成分和时间。这些干预措施可用于预防或治疗各种疾病，以及评估预后，预测饮食干预成功的可能性和监测干预的临床反应。这种从“普遍”到“个性化”的营养模式转变值得对宿主和微生物群参数进行定期重新评估，因为它们在饮食干预本身或其它环境因素的影响下容易发生持续变化。由于针对特定疾病而设计的一些营养方案可能会引起其它健康问题，所以这种个性化的方法对饮食治疗提出了新的挑战。肠道菌群是可以改变的，饮食干预可以触发肠道中细菌结构和功能的改变，这可能需要定期重新评估个人参数和调整饮食方案。因此，未来的研究应对饮食中的成分对肠道菌群的作用机制进行更深入的挖掘，将微生物学、食品科学和营养学相结合，进一步探究饮食中的成分如何调控肠道菌群来改善宿主健康，这将会是食品科学未来的研究方向。