冯 焱 ， 闫丽欢，冯江浩， 李建慧

(1.山西农业大学生命科学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学动物科技学院，山西 太谷 030801)

随着生活水平的提高，饮食结构发生了质的变化，肉类食品所占比重不断攀升，导致肥胖人群比例居高不下，随之而来的是“富贵病”风险影响巨大。肠道作为人体内最大的消化器官和免疫器官，其肠道微生物存在与宿主有着重要的“唇齿相依，荣辱与共”的关联，在维持宿主健康方面发挥着举足轻重的作用。正常机体的肠道内存在100多种微生物[1]。由于不同的生活环境和饮食习惯，造成肠道微生物组成多元化，同时肠道微生物也存在明显的个体差异[2]。有趣的是，肠道最初的细菌定植在很大程度上取决于输送方式，自然分娩的婴儿首先接种的细菌通常存在于阴道和粪便中的微生物群，如乳酸菌(Lactobacillus)和普氏菌(Prevotella)，而剖腹产出生的婴儿接种的细菌则来自皮肤和环境[3]。肠道微生物主要由两部分构成，一是定植在肠道黏膜内构成较稳定的自身微生物，二是可以由饮食从外界摄入通常在肠道内存在时间较短的外来微生物的影响[2]。通过膳食纤维干预，可以明显改善肠道微生物的组成及结构多样性，对体重也有显著的控制效果[4]。研究膳食纤维对肠道微生物的影响，了解微生物演替和可能的潜在机制，以及由其代谢产生的短链脂肪酸对宿主的作用，为进一步探究饮食，肠道微生物及宿主三者间关系提供参考。

1 膳食纤维及其对宿主肠道微生物区系的调控作用

Kaye等[5]研究表明，经过肠道微生物消化的膳食纤维，会通过短链脂肪酸来调节血压和心脏机能，阻止高血压的发生。该研究首次从机制上证实膳食纤维可以直接调节心血管健康，让两者的关系从相关性变成因果。众多的研究证实，肠道微生物的功能不仅仅是消化食物，同时能够合成机体必需的氨基酸以维持机体健康。有研究发现，肠道微生物的组成及代谢产物对宿主的免疫系统成熟和炎性反应有重要的影响。如果肠内部免疫系统崩溃，会引起慢性肠炎疾病，例如克罗恩病和溃疡性结肠炎[6]。而短链脂肪酸(SCFA)作为由膳食纤维经肠道微生物发酵后的主要产物也有相当重要的功能，膳食纤维不仅能够降低肥胖宿主的体重，而且对免疫功能也有侵染[7-8]。宿主通过饮食干预对肠道菌群结构和功能的调节作用直接影响自身的代谢状况。高纤维日粮为肠道微生物群提供大量可发酵底物，直接或间接调节宿主的健康成为当今研究的焦点之一。

1.1 膳食纤维的功能

膳食纤维(DF)是一类不能够被机体自身消化吸收的短链糖类物质，但能够刺激某些肠道微生物并被分解，分解产物能够被人体利用，因而DF也被称为益生元。世界卫生组织和各国营养学界对膳食纤维的摄入给出了统一的建议，即每人每天摄入量在25～35 g。但中国成人平均每人每日摄入膳食纤维仅为13.3 g，导致慢性病、心血管疾病与日攀升。DF能够在肠道内被微生物分解为SCFA，一方面能够被肠道吸收进入到宿主体内，另一方面改变肠道环境，抑制有害菌群生长[9]。对于DF现在研究较多的是菊粉，这是一个涵盖不同聚合度的线性β-(2,1)果糖和果糖的化合物的统称[10]。DF具有许多亲水基团，因此对于水有很强的吸附能力，能够吸附水分子增大体积，从而产生饱腹感，减少采食。此外其表面还有一些活性基团能够吸附肠道内的胆固醇等物质，加快肠道食糜排空速度，缩短有毒物质在肠道内的滞留时间，抑制肠道对其吸收。

1.2 膳食纤维与肠道微生物互作

对欧洲188项不同的研究表明，其中大部分是随机的(96%)，研究对象是被认为健康的17岁以上成年人(81%)。研究检验膳食纤维对9个预先定义的生理健康领域中的至少一个的影响，从“膳食纤维-微生物-生理轴”的介入中获取数据[11-12]，可能是低碳水化合物的饮食导致微生物群落多样性的逐步丧失，造成生态失衡，病原菌的扩散，微生物组成的变化，某种物种丰度的增加或减少，微生物功能能力的变化。也有研究者认为，高脂肪、低发酵膳食纤维的饮食会使微生物群转向一种与肠道炎症风险增加相关的更不健康的模式。因此，DF诱导的肠道菌群调控其对健康和疾病的潜在影响而引起研究者的兴趣。然而，目前还不清楚这些变化如何可预测其发生方式(图1)。

图1 膳食纤维-微生物群-生理轴[16]

Dewulf等[13]试验表明，给30个受试的肥胖妇女在饮食中添加菊粉类的果糖，通过为期3个月的观察以及对其肠道微生物的16S rRNA的检测发现，在饮食中添加菊粉类果糖的受试者其肠道微生物的组成中厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度有所增加，拟杆菌门(Bacteroides)减少，其它的菌属双歧杆菌(Bifidobacterium)，粪杆菌(Faecalibacterium)，以及普拉梭杆菌(Prausnitzii)的相对丰度提升，同时也观察到其与血液中的脂多糖呈现负相关。试验通过对某些细菌种类与代谢内毒素血症或代谢组学特征之间的相关性分析，证实菊粉类果糖的摄入选择性地改变肥胖女性肠道菌群的组成，从而导致宿主代谢的适度改变。Reimer等[4]在为期12周的试验中发现，对饮食中添加菊粉类果糖的受试者粪便进行测定，菊粉类果糖能够增加肠道内的双歧杆菌的相对丰度，与对照组相比，添加菊粉类果糖中，受试者的食欲、饥饿感与预期的食物消耗都有明显的降低。Ho等[14]对I型糖尿病儿童添加浓缩的低聚果糖菊粉3～6个月，酮酸症没有明显改善，但C-肽明显增多，肠道的通透性也显著增加。结果表明，饮食中摄入菊粉类低聚果糖可改变肠道菌群的结构，对于肥胖患者能够增加其肠道微生物的丰度，降低食物的摄入，体重下降，对于I型糖尿病患者来说能够增加C-肽含量，对胰岛细胞功能有一定帮助，同时也改善肠道内微环境。Miyamoto等[15]发现，在高脂饲喂小鼠饮食中添加大麦β-葡聚糖可显著提高肠道中的放线菌和双歧杆菌的数量。Bai等[16]在高脂诱导肥胖大鼠饮食中添加苦瓜粉，能够显著提高疣微菌门(Verrucomicrobia)以及一些产丁酸盐菌(BlautiaandAllobaculum)的数量。Barczynska等[17]的试验表明，马铃薯糊精可使高脂饮食诱导的肥胖大鼠肠道中乳酸杆菌、双歧杆菌、普雷沃氏菌(Prevotella)和拟杆菌数量提高，对梭菌属(Clostridium)数量有显著抑制。Ferrario等[18]研究表明，菊粉和抗性淀粉可增加肠道中拟杆菌门，普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和瘤胃球菌属(Ruminococcus)的数量，降低变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门数量，可以作为改善肠道微生物菌群结构的理想食物佐剂。

2 短链脂肪酸对宿主健康的影响

不可消化的碳水化合物在肠道内主要被分解成为乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等，可能在能量稳态、免疫功能和宿主微生物信号传导等方面发挥作用，被肠道上皮细胞尤其是盲肠上皮吸收，占肠道内所有SCFA的95%以上，同时也产生不易被人体消化的乳酸[19-20]。在不同肠段SCFA的含量也不尽相同，在小肠与大肠内都有发现乙酸盐和丙酸盐，丁酸盐则主要在结肠和盲肠内被发现[21]。肠道内微生物发酵产生的SCFA会通过血液运输到人体内肝脏等器官，对保持健康有积极效应。不同的肠道细菌通过多种代谢途径产生，作用于不同的载体或细胞，并发挥相应的调节代谢作用(见表1)。

表1 SCFAs的产生途径[23]

近年来，研究证明SCFA在免疫方面的效力，对维持肠道内免疫反应以及个体免疫反应都有重要的意义。SCFA可作能量物质，同时也是信号分子。它的产生与摄入食物中的DF关系密切，肠道内SCFA是由食物中不能被机体分解的DF由肠道内的微生物发酵产生，DF为肠道内的微生物提供足够的能量。当食物中的膳食纤维不足时，肠道微生物的发酵活性降低。研究证实，长期摄入高脂肪、高蔗糖的食物会导致肠道内的某些菌群消失[22]。肠道内的免疫反应要保持在一个平衡状态。研究发现，SCFA对于个体的免疫系统也有重要作用。Park等[7]研究SCFA能够直接影响T细胞分化，促进T细胞分化为Th1和Th17等效应T细胞，通过对GPR41或GPR43依赖的HDAC抑制剂的激活以及之后对mTOR-S6K的激活来促进T细胞的分化和细胞因子的表达。

SCFA主要是由肠道微生物代谢产生，可通过“脑-肠轴”发挥作用，影响宿主的身体状态，同时取决于肠道内菌群组成、消化时间(在肠道运转的时间)、宿主-微生物代谢通量以及宿主食物中的纤维含量[24]。SCFA是肠道微生物影响宿主健康的一种方式。例如，丁酸盐可以抑制大肠炎症以及大肠癌[25]，通过抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)来改变许多不同功能的基因表达。从而控制细胞分化，增殖以及凋亡的基因。此外，丁酸盐在癌细胞内浓度为正常细胞内的3倍，可作为HDAC的抑制剂，有效抑制HDAC活性[26]。而在正常的结肠上皮细胞以及干细胞内丁酸盐可以正常代谢，不会受到因丁酸盐浓度过高引起的细胞抑制以及功能的损伤[27]。由拟杆菌属、双歧杆菌属、普氏菌属(prausnitzii)以及瘤胃球菌属产生的乙酸盐可通过血脑屏障作用于大脑[28-30]。Gao等[31]的试验表明，给高脂饲料喂养的小鼠添加乙酸盐，能够增加代谢能力，使其增加能量消耗，从而使其对肥胖具有一定抵抗能力。丙酸盐可促进肝脏内的糖异生作用，降低体内血液中的胆固醇含量，对于体重的控制也有积极影响[32]。研究证实丙酸和丁酸能够诱导细胞的分化和凋亡，影响某些癌症的发生[33]。Chambers等[8]给成年超重者长期于饮食中添加丙酸盐，同样可以控制体重，显著降低受试者体重的增加速率。

3 展望

随着研究者对DF与动物健康关系的认知不断深入，DF作为一类能够改善肠道微生物菌群结构的物质，从不同的角度对于肠道菌群活性重新定位和认知，通过个性化微生物组学分析越来越明确。对于DF发挥作用方式，主要是通过被微生物代谢为SCFAs而促进一些菌的生长，改变肠道环境，抑制另一些菌的生长和供能，两者之间存在竞争互作关系，其对于宿主健康和免疫功能方面的作用影响深远。SCFAs与DF二者间的作用机制需要进一步深入探究。