朱瑩瑩，李春保，周光宏

（南京農(nóng)業(yè)大學 國家肉品質(zhì)量安全控制工程技術研究中心，江蘇 南京 2 10095）

飲食、腸道微生物與健康的關系研究進展

朱瑩瑩，李春保，周光宏*

（南京農(nóng)業(yè)大學 國家肉品質(zhì)量安全控制工程技術研究中心，江蘇 南京 2 10095）

腸道微生物是膳食與人體健康的橋梁，與營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝密切相關，是人體重要的“微生物器官”。同時，研究學者們也已經(jīng)清楚地認識到這個重要的“微生物器官”與人體生理功能、健康和疾病關系密切，對人體的重要性不容忽視。為此，本文就近幾年來有關膳食對腸道微生物結(jié)構以及代謝產(chǎn)物影響的研究進行綜述，并介紹腸道微生物與人體生理功能及健康的關系，旨在為未來研究飲食、腸道微生物與健康的關系提供參考。

腸道微生物；飲食；健康；代謝物；代謝綜合征；肥胖

自人類基因組計劃完成以來，人體基因功能的研究已成為生命科學領域的研究熱點。生物學家們曾經(jīng)樂觀地認為：只要弄明白人類兩萬多個基因的功能，人類生老病死之謎將會被揭開。但是，越來越多的研究表明，人體的生長發(fā)育和生理代謝，人體對疾病的易感性以及對藥 物的耐受性都無法全部歸屬于自身的差異基因。這主要是因為人是由自身細胞和與人體共生微生物組成的“超級生物體（superorganism）”［1］。人體內(nèi)的大量共生微生物是人體后天獲得的一個非常重要的“器官”，其中人體消化道是微生物重要的棲息場所。胃腸道各段都定殖有細菌，但大腸是微生物最密集的地方，微生物數(shù)量大約為1014個，是人體自身細胞數(shù)目的10 倍；微生物的基因總數(shù)多達300 萬個，約為人體的150 倍［2］，具有人體自身無法具備的代謝功能，腸道微生物可以發(fā)酵未消化的食物，生成的代謝產(chǎn)物會對人體健康產(chǎn)生潛在影響，是膳食與人體健康的重要橋梁，是人體重要的“微生物器官”［3］。近年來，有關腸道微生物的研究已成為科學家們關注的熱點。本文就近幾年來有關飲食對腸道菌群的結(jié)構的影響以及腸道微生物對人體健康的影響研究進行綜述，旨在為未來研究飲食、腸道微生物與健康的關系提供參考。

1　膳食對腸道微生物的影響

越來越多的研究表明，食物的營養(yǎng)價值受宿主腸道菌群結(jié)構的影響，但同時食物也會影響腸道微生物基因及其組成。食物經(jīng)小腸消化后，不能被小腸吸收的食物成分進入大腸后會被細菌代謝，生成不同的代謝物，不同的代謝底物的優(yōu)勢菌群有顯著差異，進而也會影響腸道菌群結(jié)構。

1.1膳食對腸道菌群結(jié)構的影響

膳食組成會影響宿主腸道微生物組成。下面從膳食模式（dietary pattern）以及3 個膳食的主要組成成分：脂肪、蛋白質(zhì)和糖類來闡述膳食對腸道菌群結(jié)構的影響。

1.1.1膳食模式

膳食模式，又稱膳食結(jié)構，與地域密切相關。Tyakht等［4］對俄國人、美國人、丹麥人以及中國人的腸道菌群結(jié)構做了分析，發(fā)現(xiàn)差異顯著，其中俄國人腸道中擬桿菌屬和普氏菌屬的含量相對其他國家居民較低，這主要是因為他們的膳食模式長期不同。de Filippo等［5］對歐洲兒童及非洲兒童的腸道微生物進行了研究，發(fā)現(xiàn)菌群組成差異顯著，歐洲兒童腸道內(nèi)的普雷沃菌屬相對非洲農(nóng)村兒童更豐富。素食者和喜食肉者，其腸道菌群結(jié)構差異明顯，素食者的腸道菌群是由產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium coccoides）和多枝梭菌（Clostridium ramosum）為主［6］，而長期高水平食肉者的腸道優(yōu)勢菌為普拉氏梭桿菌（Feacalibacterium prausnitzii）［7］。Wu等［8］研究表明人體腸道中核心主導菌群與膳食模式中的蛋白、脂肪和糖類成分的比例有關。Zhang Chenhong等［9］研究發(fā)現(xiàn)節(jié)食與自由采食小鼠的腸道微生物結(jié)構存在顯著差異，且節(jié)食小鼠壽命明顯延長，與自由采食組相比，節(jié)食組小鼠腸道乳桿菌屬數(shù)量顯著提高。

1.1.2脂肪

脂肪對腸道菌群結(jié)構的影響研究主要集中在高脂飲食上。Zhang Chenhong等［10］對大鼠飼喂不同脂肪含量的飼料，發(fā)現(xiàn)大鼠腸道微生物結(jié)構發(fā)生了顯著性變化，相對正常飲食，高脂飲食會降低擬桿菌門和雙歧桿菌數(shù)量，增加厚壁菌門和變形菌門數(shù)量。膳食中脂肪酸組成也會影響腸道菌群結(jié)構，Devkota等［11］研究發(fā)現(xiàn)富含高飽和脂肪酸的膳食會改變腸道微生物組成，且促進了原本較低豐度的亞硫酸鹽還原菌（sulphiteulphite reducing pathobiont）和沃氏嗜膽菌（Bilophila wadsworthia）的增殖。

1.1.3蛋白質(zhì)

目前，針對蛋白質(zhì)對腸道菌群結(jié)構的影響主要集中在高蛋白水平和不同蛋白種類上。Lubbs等［12］研究發(fā)現(xiàn)高蛋白日糧會增加腸道中大腸桿菌和梭菌的數(shù)量。Qi Hongwei等［13］用不同蛋白作為唯一蛋白來源配制日糧飼喂大鼠14 d，發(fā)現(xiàn)不同來源蛋白對雄性大鼠（Sprague-Dawley rats）盲腸內(nèi)容物中微生物組成有影響，與大豆蛋白和玉米蛋白相比，酪蛋白顯著提高了大鼠腸道中乳酸菌和雙歧桿菌數(shù)量。

1.1.4糖類物質(zhì)

無論是低糖飲食還是高糖飲食，均會影響腸道微生物結(jié)構。低糖飲食會改變腸道微生物結(jié)構，減少突變小鼠的腸道腫瘤數(shù)量，同時降低產(chǎn)丁酸微生物 的水平［14］，而高脂/高糖飲食會改變小鼠腸道菌群結(jié)構，促使小鼠發(fā)生肥胖［15］。此外，膳食纖維在膳食中所占的比例大小會顯著影響腸道微生物結(jié)構，高纖維飲食會增加腸道中雙歧桿菌（Bifidobacterium）數(shù)量，而低纖維飲食會增加普氏菌屬（Bacteroidese prevotella）數(shù)量［16］。

表1　影響宿主健康的腸道微生物代謝產(chǎn)物［1177］TTaabbllee 11 FFeerrmmeennttaattiioonn pprroodduuccttss ffrroomm tthhee gguutt mmiiccrroobbiioottaa tthhaatt iimmppaacctt hheeaalltthh［1177］

1.2膳食對腸道微生物代謝產(chǎn)物的影響

未消化的 食物進入大腸后，可供微生物代謝使用，是腸道微生物的主要代謝底物，主要包括蛋白質(zhì)、碳水化合物等。不同的微生物代謝物對人體健康會產(chǎn)生不同的影響。下面針對與人體健康相關的細菌代謝產(chǎn)物以及三大營養(yǎng)素對其產(chǎn)生的影響進行闡述。

1.2.1細菌代謝產(chǎn)物

腸道細菌利用碳水化合物和蛋白質(zhì)為底物進行厭氧發(fā)酵，生成的產(chǎn)物對人體正常的生理活動具有重要的意義，van Hylckama Vlieg等［17］對其作了很好的總結(jié)，如表1所示。

1.2.2蛋白質(zhì)/氨基酸對腸道細菌代謝物的影響

腸道微生物發(fā)酵蛋白質(zhì)/氨基酸，不僅會產(chǎn)生有利于腸道的代謝物，同樣也會生成對人體健康不利的物質(zhì)，不同蛋白對菌群發(fā)酵產(chǎn)物會產(chǎn)生影響。Shen Qing等［18］使用不同方式烹飪不同肉類，用人體排泄物中的微生物進行體外發(fā)酵實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是肉的種類還是肉的烹調(diào)方式都對微生物構成與發(fā)酵狀況有影響。Macfarlane等［19］研究發(fā)現(xiàn)腸道細菌發(fā)酵氨基酸和肽類物質(zhì)的主要產(chǎn)物是乙酸、丙酸和丁酸，但同時會產(chǎn)生酚類和吲哚類等有害物質(zhì)。用土豆蛋白代替酪蛋白，會增加腸道中支鏈脂肪酸的含量，這可能與蛋白質(zhì)組成 和消化率有關［20］。

1.2.3碳水化合物對腸道細菌代謝物的影響

腸道微生物發(fā)酵碳水化合物的產(chǎn)物主要是SCFAs，包括乙酸、丁酸和丙酸。與以蛋白質(zhì)和脂肪為主要膳食成分的人群比較，在長期以糖類物質(zhì)為主要膳食的人群中，其腸道微生物代謝產(chǎn)物中短鏈脂肪酸含量相對較高［8］。以膳食纖維為主食的非洲兒童腸道細菌代謝產(chǎn)物中短鏈脂肪酸含量相對以高脂肪高蛋白為主食的歐洲兒童高［5］。另外，有些碳水化合物不被人體分泌的消化酶所消耗，直接進入腸道，可以特異性地刺激對宿主健康有益的細菌生長或代謝活動，這些碳水化合物被稱為“益生元”，如菊粉、抗性淀粉、寡聚糖等［21］。

1.2.4脂肪對腸道細菌代謝物的影響

高脂肪含量的食物富含磷脂酰膽堿及膽堿，腸道微生物能將其轉(zhuǎn)化成三甲胺，氧化的三甲胺進入血液會造成動脈粥樣硬化，從而引發(fā)心血管疾?。?2］。高脂低膳食纖維飲食的小鼠腸道微生物產(chǎn)短鏈脂肪酸能力遠遠低于低脂高膳食纖維飲食的小鼠［23］。

2　腸道微生物與人體健康

腸道微生物是人體內(nèi)最重要的微生物群落，其本身及其代謝產(chǎn)物共同參與機體的物質(zhì)能量代謝及免疫調(diào)節(jié)，對人體健康起到至關重要的作用。下面就腸道微生物的生理功能以及腸道菌群失衡與疾病間的關系進行綜述。

2.1腸道微生物的生理功能

2006年美國基因組研究所首次對腸道微生物的基因功能進行了研究，發(fā)現(xiàn)腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、氨基酸、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)代謝的基因，其中大部分都是人體自身所不具備的［24］。2007年日本學者曾報道成年人腸道微生物中富集的237 個基因家族中，有25%與碳水化合物代謝有關。腸道微生物中的糖苷酶是降解食物中不能被消化吸收多糖發(fā)酵生成短鏈脂肪酸所必需的［25］，其產(chǎn)生的SCFAs不僅可通過G蛋白偶聯(lián)受體43（G-protein-coupled receptor 43，GPR43）將信號傳輸給免疫細胞抑制炎癥產(chǎn)生，還可作用于小腸末梢和結(jié)腸的L-腸內(nèi)分泌細胞，調(diào)節(jié)激素胰高血糖素樣肽1（glycagon like peptide 1，GLP-1）產(chǎn)生，增加胰島素的分泌［26］，同時SCFAs可以通過抑制組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）的活性來促進腸道內(nèi)某些特異基因的表達，如腫瘤抑制基因［27］。SCFAs中的丁酸鹽是腸道上皮細胞的重要能源物質(zhì)，且對腸道上皮細胞的發(fā)育有重要的影響［28］，可以降低炎癥的發(fā)生、減輕氧化應激、提高腸屏障功能［29］；丙酸鹽在調(diào)控血壓上起到積極作用［30］。另外，腸道微生物通過分解膽汁酸和甘氨酸的結(jié)合體改變膽汁酸在人體內(nèi)的肝腸循環(huán)過程，從而調(diào)節(jié)脂肪和葡萄糖代謝［31］。腸道微生物代謝物對人體健康產(chǎn)生有益影響的同時，也會對健康產(chǎn)生一些不利影響，如脂多糖（lipopolysaccharides，LPS），它是腸道內(nèi)革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的一種內(nèi)毒素，可以引起炎癥反應，導致肥胖和胰島素抵抗［32］。

2.2腸道微生物失衡與疾病

正常身體狀態(tài)下，人體腸道微生物與人體內(nèi)外環(huán)境間維持著動態(tài)平衡，一旦這種平衡被打破，將會嚴重影響人體健康，包括腸道疾病、代謝綜合征等。下面對近幾年來有關腸道微生物失衡與這幾種疾病間關系的報道進行簡單介紹。

2.2.1腸道微生物與腸道疾病

腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）是一種腸道功能紊亂疾病，臨床癥狀伴有慢性腹瀉和腹痛。飲食與IBS關系密切，在以往的報道中發(fā)現(xiàn)IBS患者的飲食中缺少高纖維的食物，使得腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)脂肪酸下降，而短鏈脂肪酸可以影響腸神經(jīng)元，增加腸道動力，對IBS患者有益［33］。IBS患者腸道內(nèi)彎 曲桿菌（Campylobacter）含量顯著升高，占比達10%［34］，變性菌門含量的增加同時會導致厚壁菌門數(shù)量下降，影響人體健康［35］。IBS患者腸道黏膜通透性會增加，而將正常小鼠體內(nèi)腸道微生物轉(zhuǎn)移到患有IBS的小鼠體內(nèi)，會改變腸道黏膜通透性，使其往好的方向發(fā)展［36］。

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是一種慢性腸道炎癥性疾病，其病因不明，主要包括非特異性潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）和克羅恩病（Crohn's disease）。Kaakoush等［37］研究發(fā)現(xiàn)克羅恩病兒童患者體內(nèi)厚壁菌門（Firmicutes），尤其是梭菌綱（Clostridia）數(shù)量顯著下 降，而擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）比 例上升。D'Argenio等［38］將正常菌群轉(zhuǎn)移到克羅恩病患者體內(nèi)，成功治愈該患者。van Noo d等［39］將患者兒子的糞便混合物直接注射到患者的十二指腸內(nèi)，成功通過腸道菌群取代的方法治愈了艱難梭菌導致的腸道疾病。

結(jié)腸癌的發(fā)病率逐年上升，是一種非感染性腸道疾病。Wang Tingting等［40］研究發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌患者與健康志愿者腸道內(nèi)的菌群結(jié)構差異顯著，其產(chǎn)丁酸的細菌數(shù)量相對健康者有所減少。B?ckhed等［41］研究發(fā)現(xiàn)抗生素和低糖飲食會減少突變小鼠的腸道腫瘤數(shù)量，同時降低了產(chǎn)丁酸微生物的水平（丁 酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶基因拷貝數(shù)降低），而當改變飲食使抗生素治療組小鼠產(chǎn)丁酸水平增加時，它的細胞增殖和腫瘤數(shù)量均會增加。

2.2.2腸道微生物與代謝綜合征

代謝綜合征是以肥胖為中心，生理代謝層面的危險因子聚集的現(xiàn)象，從而導致患Ⅱ型糖尿病和心血管疾病的風險增加。這些危險因子包括高血壓、血脂異常、胰島素抵抗以及非酒精性脂肪肝病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）等。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，代謝綜合征的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，其中肥胖是代謝綜合征迅速發(fā)展的代表。肥胖與腸道微生物密切相關，對此Gordon教授課題組做了很系統(tǒng)的研究。早在2004年，他就提出“腸道微生物是調(diào)節(jié)脂肪儲存的環(huán)境因素”［41］。2006年，其課題組成員研究發(fā)現(xiàn)肥胖小鼠與體質(zhì)量正常小鼠腸道內(nèi)擬桿菌門（Bacteroidetes）和硬壁菌門（Firmicutes）相對豐度存在較大差異；且將肥胖小鼠的腸道微生物移植到無菌的體質(zhì)量正常小鼠腸道內(nèi)，會導致正常小鼠出現(xiàn)肥胖的癥狀［42］。2009年，其課題組研究了一對表型差異的雙胞胎個體（其中一個苗條，另一個肥胖）腸道菌群結(jié)構，發(fā)現(xiàn)她們腸道微生物的核心菌群差異顯著［43］。2013年，Gordon教授課題組成員將這對同卵雙胞胎的腸道菌群移植到體質(zhì)量正常的無菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)接受瘦者的小鼠體質(zhì)量正常，而接受胖者的則出現(xiàn)肥胖癥狀［23］。肥胖個體腸道微生物更易發(fā)酵膳食中宿主無法 消化的多糖，生成易于被腸道細胞吸收的單糖和SCFAs，進而進入肝臟中轉(zhuǎn)化脂質(zhì)；同時腸道微生物可以幫助宿主攝取能量、調(diào)控宿主脂肪代謝基因Fiaf的表達，造成脂肪過度積累［44］。

糖尿病是一種因胰島素分泌或作用缺陷而導致的一系列臨床綜合征，它的患病率與飲食習慣及腸道菌群結(jié)構密切相關。Gordon教授課題組［39，41-42，45］研究了高糖飲食對普通小鼠和無菌小鼠健康的影響，發(fā)現(xiàn)與無菌小鼠相比，正常小鼠的食物消耗量減少，而體脂含量增加，且出現(xiàn)胰島素抵抗；無菌小鼠即使食用高糖高脂飲食，也能抵御肥胖和胰島素抵抗的發(fā)生；若將普通正常小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內(nèi)，會導致無菌小鼠進食量減少，但體脂含量增加，同時出現(xiàn)甘油三酯增多、胰島素抵抗現(xiàn)象。2012年，華大基因研究院［2］完成了腸道微生物與Ⅱ型糖尿病的宏基因組關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)中國人群中Ⅱ型糖尿病患者均伴有中等程度的腸道微生態(tài)紊亂現(xiàn)象發(fā)生，且表現(xiàn)出產(chǎn)丁酸細菌種類的缺乏。

NAFLD是代謝綜合征的并發(fā)癥之一，其發(fā)病率也與腸道微生物密切相關。腸道細菌中的革蘭氏陰性菌會促進胰島素抵抗、增加內(nèi)源性乙醇生成、誘導膽堿缺乏，這些都與NAFLD發(fā)病率密切聯(lián)系［46］；腸道微生物產(chǎn)生的乙醇增加了腸道黏膜通透性，誘導膽堿缺乏，增加NAFLD患病風險；另外，腸道微生物是Toll樣受體的重要來源，Toll樣受體能刺激肝細胞產(chǎn)生炎癥細胞因子，誘發(fā)NAFLD［47］。

3　結(jié) 語

腸道微生物在人體中發(fā)揮重要作用，其組成及代謝物與人體健康狀況密切相關。它不僅影響著食物消化、營養(yǎng)吸收，同時具有調(diào)節(jié)宿主代謝及免疫系統(tǒng)等生理功能。人們已經(jīng)清楚的認識到，人體自身的代謝不僅僅受自身基因控制，更受腸道微生物調(diào)控。人們對健康飲食要求越來越高，在膳食與健康的關系中，腸道微生物這個橋梁作用也越來越受到重視。

隨著人類基因組計劃的展開，近幾年來已得到海量的腸道微生物數(shù)據(jù)和信息，生物學家們越來越重視對腸道微生物這個“微生物器官”的研究，但目前組學技術所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的處理方法仍有一定的缺陷，如何從這些龐大的數(shù)據(jù)中挖掘出有意義的數(shù)據(jù)來解釋問題和解決問題仍存在進一步發(fā)展空間。未來對腸道微生物這一復雜體系的解釋和信息挖掘最有效的手段應該是借助生物大數(shù)據(jù)，結(jié)合臨床經(jīng)驗及相關文獻建立完整的知識體系，并在此基礎上構建對應知識庫（如腸道微生物代謝物庫、基因調(diào)控庫等）。

腸道微生物與人體健康關系密切，腸道微生物失衡會導致多種疾病的發(fā)生。影響腸道微生物結(jié)構的因素有很多，但最主要的影響 因素是飲食。未被胃腸道消化的飲食進入到后腸（盲結(jié)腸）供微生物發(fā)酵，會產(chǎn)生對人體健康有益（如短鏈脂肪酸）或有害（如脂多糖、苯酚等）的物質(zhì)；同時也會改變腸道微生物結(jié)構，進一步影響人體健康。但目前就飲食對腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的影響研究甚淺，針對這些影響與人體健康關系的研究更是少之又少。相信在不久的將來，人們就膳食如何調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構及其代謝產(chǎn)物的作用機制上會有新突破；在健康調(diào)控或疾病的治療上，通過膳食改變腸道微生物結(jié)構及其代謝產(chǎn)物或許會是研究學者們的一種新思路。

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Advances in the Associations of Diet with Gut Microbiota and Human Health

ZHU Yingying， LI Chunbao， ZHOU Guanghong*
（National Center of Meat Quality and Safety Control， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

The gut microbiota is a bridge between diet and human health， acting as an important “microbial organ” in the human body， and is related to nutrient absorption and metabolism. Meanwhile， researchers have already gained attention due to the important role of this “m icrobial organ” associated with health and disease as well as diverse physiological functions. In this paper， we summarize the effect of diet on the structure and metabolites of the gut microbiota， the relationship between t he gut microbiota and physiological functions， and the association with the gut microbiota and human health. It could be helpful for us to understand the association of diet with the gut microbiota and human health.

gut microbiota； diet； health； metabolite； metabolic synd rome； obesity

TS201.4

A

1002-6630（2015）15-0234-06

10.7506/spkx1002-6630-201515043

2014-10-08

國家自然科學基金面上項目（31471600）

朱瑩瑩（1985—），女，博士研究生，研究方向為肉品加工與質(zhì)量控制。E-mail：yingy_zh@163.com

周光宏（1960—），男，教授，博士，研究方向為肉品加工與質(zhì)量控制。E-mail：ghzhou@njau.edu.cn