多酚對腸道微生物影響的 研究進展及對多酚指示菌的探討

盧 烽,廖小軍,胡小松,張 燕

(北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,中國農業大學食品科學與營養工程學院學院, 國家果蔬加工工程技術研究中心,農業部重點開放實驗室,北京 100083)

人類腸道微生物的數量在1014～1015,大概是人體自身細胞的10倍左右[1],也就是說我們的身體是由90%的微生物和10%的自身細胞組成[2]。且腸道微生物所含基因是我們人體自身所攜帶基因的150倍左右[3]。不過Abbott等[4]發表文章稱以前的研究夸大了人體中腸道微生物的數量,它與人體細胞數量的比值應為1.3∶1,即使這樣腸道微生物的數量依舊驚人。Eckburg等[5]發表文章稱腸道微生物主要分為六大門類:厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭桿菌門(Fusobacteria)。其中,厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是最主要的兩個菌門。腸道微生物易受到外界環境的影響。一旦宿主的飲食習慣、作息規律發生變化或是服用藥物(尤其是抗生素類藥物),腸道微生物的平衡狀態就會被打破,并隨之發生變化[6]。在過去的十年人們越來越重視腸道微生物對健康的影響,相關研究也急劇增多。大量動物或人群研究都顯示許多疾病都與腸道微生物密切相關。腸道微生物不僅可以影響宿主的能量代謝,更重要的是其生態平衡的紊亂會導致肥胖、二型糖尿病等代謝類疾病和腸易激綜合征(IBS)等免疫類疾病[7-8]。甚至腸道微生物生態的失衡還和抑郁癥、孤獨癥等精神類疾病相關[9]。因此近年來涌現出許多關于通過調節腸道微生物改善疾病的研究,益生元、益生菌、糞菌移植都被認為是目前較為有效的途徑,而多酚就是一種重要的益生元[9-10]。

多酚類化合物是指分子結構中有若干個酚性羥基的植物成分的總稱,是植物次級代謝產物。按照結構分為類黃酮和非類黃酮化合物兩大類(見圖1),前者包括花色苷和黃酮醇、黃烷酮等,后者包括咖啡酸、阿魏酸、綠原酸等小分子酚酸,正反式白藜蘆醇等芪類和單寧。多酚分布廣泛,存在于多種食物中,例如:水果、蔬菜、咖啡、茶、可可、紅酒等[11-12]。作為重要的植物源功能性成分,多酚對健康的益處近年得到越來越多的關注。眾多研究顯示多酚具有抗氧化性、抗癌癥、消炎、改善機體代謝及免疫等功效[13-15]。

圖1 不同種類多酚物質的結構Fig.1 The structure of different polyphenols

多酚的作用在很大程度上依賴其在體內的消化、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腸內被直接吸收,大約占全部多酚的5%～10%。絕大多數多酚轉移到大腸中,經由腸道微生物的分解、代謝,變成生物活性更高的小分子物質。不僅腸道微生物會影響多酚在人體中的代謝、吸收,反過來多酚及其代謝產物也會對腸道微生物產生顯著影響。許多研究表明多酚會顯著影響腸道微生物的組成,選擇性促進某些細菌的生長,抑制有害菌的生長。并且還會改變腸道微生物的代謝表達[17-18]。關于多酚改善肥胖、心腦血管栓塞、糖尿病等代謝類疾病的報道層出不窮,而其中有許多研究都闡明這種改善很大程度上是通過改變腸道微生物實現的[19]。本文總結了近年來國內外研究結果,闡述了多酚對腸道微生物的作用,并總結了最易受多酚影響的腸道微生物。通過分析得出與多酚攝入密切相關的腸道菌群,并挑選出可以作為多酚影響腸道菌群指示菌的微生物(即隨著多酚的攝入確定會產生某種變化的腸道細菌)。以期能夠為未來多酚對腸道微生物生態平衡影響的研究提供新思路。

1 食物中多酚混合物對腸道微生物的影響

許多食物都富含多酚,有大量研究證明這些食物所富含的多酚物質會對腸道微生物產生顯著影響。

1.1 茶多酚

早期在腸道微生物的研究多是用體外發酵實驗來研究不同物質對腸道微生物的影響。早在1993年就有報道指出茶多酚可促進雞糞便中雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的生長,抑制大腸桿菌(Escherichiacoli)[20]。此后隨著腸道微生物所受關注增加,有越來越多的相關研究發表。Akkermansiamuciniphila(簡稱A.muciniphila)近年發現與抑制肥胖和Ⅱ型糖尿病等代謝綜合癥密切相關,在肥胖和Ⅱ型糖尿病人中該菌水平比健康人要低很多[21-22]。Kemperman等[23]發現黑茶多酚顯著增加了Akkermansiamuciniphila菌、克雷白氏桿菌(Klebsiella)、腸球菌(Enterococci)的生長,同時抑制了食物谷菌屬(Victivallis)、B.coccoides、Anaeroglobus。

1.2 葡萄多酚

有研究表明紅酒、葡萄中的多酚顯著增加了Akkermansiamuciniphila菌的豐度。且紅酒中多酚在體外發酵中提升了克雷白氏桿菌(Klebsiella)、食物谷菌屬(Victivallis)、Cloacibacillus、Alistipes的相對豐度,減少了擬桿菌屬(Bacteroides)、Blautiacoccoides、Anaeroglobus和Subdoligranulum豐度[23]。還有報道稱利用葡萄、葡萄籽多酚體外發酵時可以抑制致病菌梭菌屬的產氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)和溶組織梭菌(Clostridiumhistolyticum)的生長[24-25]。Dolara等[26]發現紅酒多酚可以增加大鼠腸道中雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)的豐度,抑制了丙酸桿菌(propionibacterium),梭狀芽孢桿菌(Clostridiumsporogenes)的生長。Collins等[27]發現葡萄多酚不僅可以抑制高脂飲食誘導的小鼠肥胖、胰島素抵抗,還能影響腸道微生物,尤其能顯著提升毛螺菌科(Lachnospiraceae)的豐度。在一個由Ying等[28]進行的動物實驗中,六只雌性豬被喂食了6 d葡萄籽提取物。結果顯示飲食增加葡萄籽提取物可以改變腸道微生物,顯著增加了毛螺菌科(Lachnospiraceae)、梭菌(Clostridiales)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)。Queipo-Ortuno[29]發現每日飲用紅酒多酚持續四周會顯著增加雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度,促進人體腸道微生物的健康發展。此外紅酒多酚還有利于腸球菌(Enterococci)、普氏菌(Prevotella)、擬桿菌屬(Bacteroides)、遲緩埃格特菌(Eggerthellalenta)的生長,而酒精卻沒有這種作用[29]。在眾多腸道微生物中,對多酚最為敏感的就是雙歧桿菌(Bifidobacterium)。

表1 不同種類多酚對腸道菌群的影響Table 1 Effects of different kinds of polyphenols on gut microbiota

1.3 其他來源多酚

目前關于茶多酚和葡萄多酚對于腸道微生物影響報道較多,雖然其他來源的多酚相對較少,但仍有一些值得人們注意的研究結果。Tzounis等[30]發現可可黃酮醇提取物可以增加人體腸道中雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的豐度。Massot-Cladera等[31]發現可可多酚提取物可以顯著減少擬桿菌屬(Bacteroides)、梭菌屬(Clostridium)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)的相對豐度。Bialonska等[32]發表文章稱石榴多酚提取物可以促進人體腸道中雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和一些產生短鏈脂肪酸菌類的生長。Molan等[33]發現黑醋栗多酚提取物可以提升大鼠盲腸中雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的豐度,同時抑制擬桿菌屬(Bacteroides)、梭狀芽胞桿菌(Clostridia)的生長。

2 多酚單體對腸道微生物的影響

除了多酚混合物外,研究者們也關注了多酚單體對腸道微生物影響。雖然多酚單體對腸道微生物影響研究出現較晚,但是進展迅速。

2.1 類黃酮

2.1.1 黃烷酮類、黃酮醇類 Parker等[34]在發表文章報道了多酚單體對病原菌、共生菌、益生菌的不同作用。他們發現在蘆丁、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強,而蘆丁的最弱。此外他們還注意到革蘭氏陽性菌較革蘭氏陰性菌對多酚更加敏感,其生長更容易被抑制。近年相關研究逐漸增多,并且也不僅局限于對某些菌種豐度的影響,也涉及到抗炎、菌群代謝等內容。Kawabakak等[35]發表文章稱將不同的黃酮醇(高良姜素、山奈酚、槲皮素、楊梅酮和非瑟酮)與腸道益生菌青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)聯合培養,監測其抗炎能力,發現青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)能顯著提升這些多酚單體的抗炎能力。在另一個體外研究中,Xue等[36]發現將槲皮素加入到液體培養基與人糞便菌群共同發酵24 h,結果顯示槲皮素可以顯著抑制擬桿菌門和厚壁菌門的生長,此外,他們還發現槲皮素能通過調節菌群組成來影響菌群對多糖代謝和能量代謝功能。除上述報道外,Firrman等[37]發現槲皮素等可以提升雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度,同時抑制大腸桿菌(Escherichiacoli)、溶組織梭菌(Clostridiumhistolyticum)、腸球菌(Enterococci)的生長。

2.1.2 黃烷醇類 Lee等[38]通過體外發酵研究了茶多酚主要成分:表兒茶酸,兒茶酸,沒食子酸對于腸道微生物的作用。這些黃烷醇類物質抑制了病原菌如產氣莢膜梭菌(Clostridiumperfrigens),艱難梭菌(Clostridiumdifficile)和擬桿菌屬(Bacteroides)的生長,而雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)這些益生菌則相對豐度增加。Tzonuis等[39]也發表文章稱表兒茶酸、兒茶酸酚可以提升雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度,抑制大腸桿菌(Escherichiacoli)、溶組織梭菌(Clostridiumhistolyticum)、腸球菌(Enterococci)的生長。Unno等[40]通過實驗發現,給大鼠喂食包含 0.6% EGCG的飲食能夠顯著降低梭菌(Clostridiales)的豐度,并且還會減少大鼠盲腸中醋酸和丁酸水平。

2.1.3 花色苷類 有眾多報道說明單個多酚單體能夠對腸道微生物產生顯著影響,但是另外有一些研究發現一些多酚單體自身沒有效果,而當它們與其他多酚物質混合在一起時卻能起到有趣的作用。Hidalgo等[41]發現在體外發酵實驗中花色苷混合物可以顯著促進雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和腸球菌(Enterococci)的生長,而與之形成對比的是錦葵-3-葡萄糖苷單獨不能起到明顯調節菌群的作用,但當它與其他花色苷一起協同作用時能增強花色苷混合物的菌群調節作用。

2.2 非黃酮類

2.2.1 酚酸類 有報道稱通過體外實驗發現咖啡酸能夠抑制病原菌如產氣莢膜梭菌(Clostridiumperfrigens),艱難梭菌(Clostridiumdifficile)和擬桿菌屬(Bacteroides)的生長,使益生菌如雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)相對豐度增加。并且咖啡酸還被證明是茶多酚中最強的微生物抑制劑,特別是對大腸桿菌(Escherichiacoli)、沙門氏菌(Salmonellaenterica)、假單胞菌(Pseudomonas)、梭菌(Clostridiales)和擬桿菌屬(Bacteroides)[38]。

2.2.2 芪類 Larrosa等[42]發表文章稱白藜蘆醇可以增加大鼠腸道中雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度,并能保護結腸黏膜抑制葡聚糖硫酸鈉(DSS)介導的結腸炎。與此相似,Qiao等[43]和Chen等[43]發現在小鼠體內白藜蘆醇可以改善由高脂飲食介導的腸道微生物失調,顯著增加擬桿菌門(Bacteroidetes)與厚壁菌門(Firmicutes)的比值。同時明顯抑制腸球菌(Enterococci)的生長,并增加了雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度。另外有研究發現反式白藜蘆醇不僅自身不能調節腸道微生物,甚至還會抑制其他多酚調節腸道微生物的效果。Etxeberria等[45]單獨喂食大鼠槲皮素可顯著調節大鼠腸道微生物的組成。但單獨攝食反式白藜蘆醇,甚至將反式白藜蘆醇同槲皮素一起喂食大鼠,都不能明顯影響腸道微生物。

3 結論與展望

綜上所述,無論是多酚混合物還是多酚單體都會對腸道微生物的結構組成產生很大影響。在眾多腸道微生物中雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)最易受到影響,幾乎所有相關報道都會指出多酚物質能顯著增加它的豐度。此外許多多酚類物質也會明顯促進乳酸菌、Akkermansiamuciniphila的生長。除了這三種被顯著提升的益生菌外,相當高比例的文獻報道多酚能抑制梭菌類如產氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)、溶組織梭菌(Clostridiumhistolyticum)、艱難梭菌(Clostridiumdifficile)和大腸桿菌(Escherichiacoli)等致病菌的生長。因此,我們考慮是否可以從這幾個菌屬的變化來分析腸道菌群、腸道微生態與宿住健康之間的關系。

由于多酚與腸道微生物有著極其微妙的聯系,導致它們之間的相互作用復雜多變。本文在分析現有相關文獻的基礎上總結出了腸道菌群變化與多酚密切相關的微生物,它們通常情況下會隨著多酚的出現而產生相應的變化,這些菌很有可能成為多酚影響腸道生態平衡的指示菌。以期通過對這些菌屬的體內生長特性、代謝產物分析,闡明菌群變化與生態平衡、與人體健康之間的關系,從而為果蔬營養與人類健康研究開啟新的方向。