食品添加劑對腸道微生物組的影響

王賢書，葛月婷，邱 斌，劉麗娜，徐同成，杜方嶺，宗愛珍，賈 敏，劉 瑋

(山東省農業科學院農產品研究所/山東省農產品精深加工技術重點實驗室/農業部新食品資源加工重點實驗室，濟南 250100)

大量研究表明，腸道微生物參與宿主多種代謝途徑的調節，對機體的多種生理功能產生重要影響，并與炎癥性腸病(IBD)、肥胖及代謝綜合征等疾病息息相關。本文就近年來食品添加劑對腸道微生物結構及其代謝產生影響的研究進行綜述。

1 腸道微生物與人體健康

腸道微生物群落的構成和活性取決于宿主基因組、營養和生活方式等。同時腸道微生物群參與宿主多種代謝途徑的調節，對機體的多種生理功能發揮重要作用，如機體物質代謝、信號傳遞、消化道功能的完善及免疫功能的調節等[1-2]。越來越多的研究表明，腸道微生物與肥胖[3-5]、糖尿病[6-8]、高血壓[9]、高血脂[10-11]、炎癥[12-14]等疾病息息相關。LV Hooper等[15]將擬桿菌屬移植進無菌小鼠的腸道內，結果顯示，這種共生菌群調節幾個重要腸道功能基因的表達水平，主要包括營養吸收、粘膜屏障強化、物質代謝及血管生成等功能。已有研究報道，腸道菌群結構變化會導致某種菌群產生過量的大腸桿菌脂多糖(LPS)，LPS滲透血管進入血液后會引發機體炎癥反應，并且會促進因為高脂飲食而形成的肥胖及代謝綜合征的發生[16]。張培培等[17]研究發現，在新疆哈薩克族人群中由于脫硫弧菌屬數量的增加，導致其血漿IL-1p、IL-1β、IL-6、TNF-α的水平顯著升高，IL-10的水平顯著降低，提示腸道菌群的變化可能是新疆哈薩克族2型糖尿病發病的誘因之一。腸道脫硫弧菌屬、梭菌屬、Akkermansia、muciniphila、多形擬桿菌等腸道菌群的數量分別與血漿炎癥標志物水平存在一定的相關性。細菌代謝的最終產物，特別是維生素和短鏈脂肪酸(SCFA)對人體健康至關重要，這些腸道細菌代謝產物具有促進健康的作用[18]。美國基因組研究所研究人員發現，腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、氨基酸、維生素等營養物質代謝的基因，其中大部分是人體自身基因組中所不具有的[19]。

2 飲食與腸道微生物組的關系

飲食是影響腸道微生物群落組成最主要的一個因素，飲食中的營養物質能夠影響腸道微生物群落結構并為微生物的代謝提供底物，而微生物代謝產物如維生素和短鏈脂肪酸等可影響宿主生理功能。Carlotta De Filippo等[20]通過對歐洲兒童和非洲農村兒童腸道微生物組的比較來研究飲食對腸道微生物組的影響，通過使用高通量16S rDNA測序和生物化學分析，發現兩組之間腸道微生物群差異顯著。非洲農村兒童腸道中的短鏈脂肪酸含量明顯多于歐洲兒童，腸桿菌科(志賀氏菌屬和埃希氏菌屬)顯著低于歐盟兒童。與歐洲兒童相比，非洲農村兒童腸道中的擬桿菌富集，厚壁桿菌缺乏。在歐洲兒童腸道菌群內具有分解纖維素功能的普氏菌屬和解木聚糖桿菌基因完全缺乏。這項研究調查比較了以現代西方飲食和農村飲食為特征的兒童腸道微生物群，結果顯示，腸道菌群與宿主的關系受飲食因素影響，具有不同飲食結構的人群會形成不同的腸道微生物群落，飲食結構與腸道微生物組的變化密切相關。Ruth E.Ley等[21]通過對人類的糞便微生物群和其他59種生活在動物園和野外的哺乳動物的腸道微生物16S rRNA基因序列分析，表明飲食與腸道菌群之間有密切關系。腸道微生物群落與宿主共同進化，提供獨特的代謝功能，這反映在廣泛的食物消費模式中，在食肉動物、雜食動物和食草動物中的腸道中有著明顯不同的的微生物群。

食物中那些人類自身產生的酶難以消化的成分，如纖維素等，為腸道微生物的新陳代謝提供底物。不同細菌發酵不同的底物，復雜的飲食可以為特定的致病菌提供一系列生長促進或生長抑制因子[18，22]。炎癥性腸病(IBD)，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎(UC)，雖然遺傳成分被鑒定為發展IBD的風險因素，但有證據表明飲食因素可能在IBD的發展中發揮作用。食用淀粉中的抗性淀粉在小腸中不能被酶解，不提供能量，其性質類似膳食纖維，但可進入結腸中與脂肪酸起發酵反應，導致丁酸鹽的產生，丁酸鹽可改善結腸生理機能，并且為腸道微生物生長提供主要能量來源。RKL Leu等[14]研究了抗性淀粉和膳食紅肉對DSS誘導的小鼠結腸炎的影響，研究使用DSS誘導Balb/c小鼠結腸炎模型，基于疾病活動指數(體重減輕、糞便稠度、直腸出血和動物的總體狀況)和組織學評分來評估結腸炎的嚴重程度，使用實時熒光定量PCR對盲腸內容物細菌數進行定量，結果表明，抗性淀粉的攝入能夠減弱小鼠腸道炎癥水平，并且膳食紅肉和抗性淀粉的攝入誘發了腸道微生物群落的變化。

3 食品添加劑對腸道微生物的影響

食品添加劑已成為現代食品工業加工生產過程中不可或缺的重要組分，研究食品添加劑對腸道微生物的影響，有助于我們預防和治療與腸道微生物群落相關的許多疾病，具有一定的指導意義。

苯甲酸作為食品生產中常用的食品防腐添加劑，其對人類腸道微生物產生的影響值得關注。有機酸和它們的鹽被認為是另一類天然生長促進劑，多年來一直用做動物飼料中的添加劑，在豬的生長過程中，苯甲酸提高了育肥豬的體重增加量和飼料增重比[23-24]。體外研究中，苯甲酸在減少整體盲腸菌群豐度方面非常有效，并對大腸桿菌產生不利影響，具有一定的抑菌能力[25-26]。與體外研究相比，體內研究出現不一致性，研究顯示，乳酸菌隨飲食中苯甲酸的量而增加或減少[27]，大腸桿菌的數量有所增加，增加的數量也受到飲食中苯甲酸含量的影響[28]。另有研究表明，飼料添加5 000mg/kg苯甲酸降低了仔豬消化道食糜pH，促進了有益菌的生長，改善了腸道微生物菌群結構，并提高微生物代謝產物丙酸、丁酸及總揮發性脂肪酸的濃度[26]。

乳化劑可改變腸道菌群的組成，從而誘導腸道炎癥，促進炎癥性腸疾病和代謝綜合征的發展。有研究表明，長期服用乳化劑的實驗小鼠，會患上慢性腸道炎癥，并表現出代謝綜合征的跡象，如肥胖、高血壓等。Chassaing B等[29]研究顯示，在小鼠試驗中兩種常用乳化劑聚山梨醇80(P80)和羧甲基纖維素(CMC)會導致輕度炎癥、肥胖及代謝綜合征。腸道被保護的主要方法是通過多層黏液結構覆蓋腸道表面，從而使絕大多數腸道細菌保持在與腸道上皮細胞的安全距離上。乳化劑可能是通過破壞粘液—細菌之間的相互作用，擾亂宿主—微生物群之間的動態平衡，導致輕度炎癥從而促進肥胖和代謝綜合征，廣泛使用乳化劑可能會增加肥胖、代謝綜合征和其他慢性炎性疾病的社會發生率。

腸道微生物群在許多慢性炎性疾病(包括IBD和代謝綜合征)的發展中起核心作用。改變和影響腸道微生物組的物質，可以促進這種炎性疾病發展。研究人員通過使用人體腸道微生物生態系統(M-SHIME)模型的粘膜模擬器檢查了羧甲基纖維素(CMC)和聚山梨醇80(P80)對微生物群的直接影響，該模型在缺乏活體宿主的情況下保持了復雜且穩定的人類微生物群。這種方法表明，P80和CMC都直接作用于人類微生物群，增加了其促炎潛能(如生物活性鞭毛蛋白水平升高)[30]。

研究表明，膳食中檸檬酸鈉的添加能降低試驗小鼠的體重，而高劑量的檸檬酸鈉可顯著提高小鼠血清中高密度脂蛋白膽固醇的含量。檸檬酸鈉的添加影響了小鼠腸道微生物的beta多樣性，使厚壁菌門和擬桿菌門的比例發生變化。在屬水平上，檸檬酸鈉高劑量組檢測出了棒狀桿菌屬和葡萄球菌屬，說明攝食高劑量的檸檬酸鈉會對小鼠腸道微生態造成一定影響[31]。

對人體來說，優質的益生元，在通過消化道時，大部分不被人體消化，而是被腸道菌群利用。益生元的攝入可以通過增加特定細菌的數量(對人體有益的菌群)，從而改變菌群的組成，顯著地調節人體腸道微生物菌群的結構。一般來說，通常不易消化的寡糖，特別是低聚果糖是益生元[32]。異麥芽低聚糖是一種優質的益生元，對機體腸道菌群具有一定的調節作用，能激發人體自身雙歧桿菌等有益菌的生長繁殖，抑制體內有害菌的生長。此外，因低聚異麥芽糖的甜味、加工性質十分接近砂糖或麥芽糖，制取容易，價格便宜[33]。益生元廣泛用于食品生產中，充分發揮其調節腸道菌群的作用，為食品工業的發展和人類健康做出了貢獻。

4 結論

多種食品添加劑會改變腸道微生物群落結構，嚴重的甚至會引起腸道輕度炎癥、肥胖、代謝綜合征等疾病，威脅機體健康。作為膳食補充劑的益生元則表現出對人體健康有益的一面，其通過增加特定細菌的數量(對人體有益的菌群)，調節人體腸道微生物菌群，從而促進人體健康。揭示食品添加劑與腸道微生物的關系，有助于預防和治療現在已知與微生物群落相關的許多疾病，有助于最大程度地發揮食品添加劑的作用，同時避免其對機體健康的不利影響，對保持人體健康具有一定的指導意義。◇

[1]雷春龍，董國忠.腸道菌群對動物腸黏膜免疫的調控作用[J].動物營養學報，2012，24(3)：416-422.

[2]Nicholson JK，Holmes E，Kinross J，et al.Host-gut microbiota metabolic interactions[J].Science，2012，336(6086)：1262.

[3]Kallus SJ，Brandt LJ.The intestinal microbiota and obesity[J].Journal of Clinical Gastroenterology，2012，46(1)：16.

[4]Cani PD.Gut microbiota and obesity：lessons from the microbiome[J].Briefings in Functional Genomics，2013，12(4)：381-387.

[5]Clarke SF，Murphy EF，Nilaweera K，et al.The gut microbiota and its relationship to diet and obesity[J].Gut Microbes，2012，3(3)：186-202.

[6]Nadja L，Vogensen FK，Berg F W J V D，et al.Gut microbiota in human adults with type 2 diabetes differs from non-diabetic adults[J].Plos One，2010，5(2)：65.

[7]Qin J，Li Y，Cai Z，et al.A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes[J].Nature，2012，490(7418)：55-60.

[8]Karlsson FH，Tremaroli V，Nookaew I，et al.Gut metagenome in European women with normal，impaired and diabetic glucose control[J].Nature，2013，498(7452)：99.

[9]Holmes E，Loo RL，Stamler J，et al.Human metabolic phenotype diversity and its association with diet and blood pressure[J].Nature，2008，453(7193)：396-400.

[10]Fu J，Bonder MJ，Cenit MC，et al.The gut microbiome contributes to a substantial proportion of the variation in blood lipids[J].Circulation Research，2015，117(9)：817-824.

[11]Hayashi H，Takahashi R，Nishi T，et al.Molecular analysis of jejunal，ileal，caecal and recto-sigmoidal human colonic microbiota using 16S rRNA gene libraries and terminal restriction fragment length polymorphism[J].Journal of Medical Microbiology，2005，54(11)：1093-101.

[12]Gevers D，Kugathasan S，Denson LA，et al.The treatment-naive microbiome in new-onset Crohn’s disease[J].Cell Host & Microbe，2014，15(3)：382.

[13]Morgan XC，Tickle TL，Sokol H，et al.Dysfunction of the intestinal microbiome in inflammatory bowel disease and treatment[J].Genome Biology，2012，13(9)：R79.

[14]Leu R K L，Young GP，Ying H，et al.Dietary red meat aggravates dextran sulfate sodium-induced colitis in mice whereas resistant starch attenuates inflammation[J].Digestive Diseases & Sciences，2013，58(12)：3475-3482.

[16]曹戰江，于健春，康維明.肥胖癥腸道菌群與炎癥的研究進展[J].中國醫學科學院學報，2013(4)：462-465.

[17]張培培.新疆維吾爾族、哈薩克族2型糖尿病人群腸道菌群與炎癥因子的相關性研究[D].新疆：新疆醫科大學，2014.

[18]Graf D，Cagno R D，et al.Contribution of diet to the composition of the human gut microbiota[J].Biochemical Journal，2015，26(1)：477-480.

[19]Gill SR，Pop M，Deboy RT，et al.Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome[J].Science，2006，312(5778)：1355-1359.

[20]De FC，Cavalieri D，Di PM，et al.Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2010，107(33)：14691-14696.

[21]Ley RE，Hamady M，Lozupone C，et al.Evolution of mammals and their gut microbes[J].Science，2008，320(5883)：1647-1651.

[22]Muegge BD，Kuczynski J，Knights D，et al.Diet drives convergence in gut microbiome functions across mammalian phylogeny and within humans[J].Science，2011，332(6032)：970.

[23]Dierick N，Michiels J，Van NC.Effect of medium chain fatty acids and benzoic acid，as alternatives for antibiotics，on growth and some gut parameters in piglets[J].Communications in Agricultural & Applied Biological Sciences，2004，69(2)：187.

[24]Guggenbuhl P，Séon A，Quintana AP，et al.Effects of dietary supplementation with benzoic acid(VevoVitall?；)on the zootechnical performance，the gastrointestinal microflora and the ileal digestibility of the young pig[J].Livestock Science，2007，108(1-3)：218-221.

[25]Bühler K，Liesegang A，Bucher B，et al.Influence of benzoic acid and phytase in low-phosphorus diets on bone characteristics in growing-finishing pigs[J].Journal of Animal Science，2011，88(10)：3363.

[26]高增兵，余冰，鄭萍，等.苯甲酸對仔豬腸道微生物及代謝產物的影響[J].動物營養學報，2014，26(4)：1044-1054.

[27]Kluge H，Broz J，Eder K.Effect of benzoic acid on growth performance，nutrient digestibility，nitrogen balance，gastrointestinal microflora and parameters of microbial metabolism in piglets[J].Journal of Animal Physiology & Animal Nutrition，2006，90(7-8)：316.

[28]Torrallardona D，Badiola I，Broz J.Effects of benzoic acid on performance and ecology of gastrointestinal microbiota in weanling piglets[J].Livestock Science，2007，108(1)：210-213.

[29]Chassaing B，Koren O，Goodrich J，et al.Dietary emulsifiers impact the mouse gut microbiota promoting colitis and metabolic syndrome[J].Nature，2015，519(7541)：92-6.

[30]Chassaing B，Wiele T V D，Bodt JD，et al.Dietary emulsifiers directly alter human microbiota composition and gene expression ex vivo potentiating intestinal inflammation[J].Gut，2017，66(8)：1414-1427.

[31]張寧，李東堯，張秋香，等.檸檬酸鈉對小鼠生理及腸道菌群的影響[J].食品與機械，2016(5)：24-29.

[32]Gibson GR，Probert HM，Loo JV，et al.Dietary modulation of the human colonic microbiota：updating the concept of prebiotics[J].Journal of Nutrition，2004，17(2)：259-275.

[33]楊遠志，黃婧，辛修鋒，等.低聚異麥芽糖對腸道菌群的調節作用[J].中國食品添加劑，2008(s1)：160-164.