節食引起相關微生物的變化及對人體的影響

趙金博,何穎妍

(1.北京師范大學 環境學院,北京 100875; 2.水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875; 3.暨南大學 環境與氣候研究院,廣州 511436)

減肥人群常常采用一種短期內就能實現預期效果的方式,即節食。但當碳水化合物攝入量低于30 g/d時,纖維降解細菌的能力將被削弱,乳球菌、鵝肝菌及鏈球菌的豐度增加可能會對腸道健康產生不良影響,導致人們出現頭暈、胃脹等癥狀。本研究對不同類型食物中的微生物進行分析,探討腸道菌群對人體心理及生理的影響,揭示不同腸道菌種在人體中的作用機理,為人們調整飲食結構提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

將溶液分為淀粉類：大米粥;脂肪類：黃油、食用油;高糖類：可樂;蛋白質類：牛奶、肉湯;維生素類：西柚汁、番茄汁;茶、酸奶及相關保健品。實驗載體：貓砂。

1.2 方法

腸道微生物模擬培養。將貓砂分別裝入13個離心管(10 mL)蓋緊保存。將上述溶液及對比組清水分別裝入50 mL錐形瓶中,用膠頭滴管移入量筒中進行稱量,選取5 mL分別滴入試管中。將試管用兩層報紙包好放入高溫滅菌鍋中滅菌,用75%酒精對膠頭滴管及離心管進行消毒。滅菌完成后取出儀器,將各試管中5 mL溶液分別倒入離心管中,標號,輕微振蕩,使溶液分布均勻。將離心管放入恒溫培養箱,調節溫度為37.5 ℃,培養35 d后取出進行16 s測序檢驗。

問卷制作。歸納節食引起的人體健康問題,發放到問卷星進行線上調研,問卷內容包括節食過程中的飲食習慣及導致的心理與生理問題。

2 結果

2.1 微生物種類

與數據庫進行比對,對OTU進行物種分類。研究對象為腸道微生物,故將分類為屬的微生物進行對比,具體數據如圖1所示。共分為14個菌屬與未分類的及物種豐度在所有樣品中均低于0.5%的物種(合并為others),其中最為常見及占比較大的是梭菌(Clostridium)及乳桿菌(Lactobacillus)。

圖1 不同樣品的物種分析

梭菌是腸道內一大類正常的革蘭氏陽性菌,能產生芽孢,為兼性厭氧細菌。由于梭菌與人類疾病密切相關,目前多用于研究治療及預防疾病,如針對腹瀉對酪酸梭菌(Clostridiumcocleatum)、普拉梭菌(ClostridiumNexile)等,有益梭菌可抑制病原菌,促進有益菌生長,從而保護腸道黏膜,抑制腸道炎癥的發生[1]。梭菌亦有有害菌類,如艱難梭菌(Clostridiumdifficile)、產生莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)等,均會引起抗生素性腹瀉、食物中毒及偽膜性結腸炎等[2]。乳桿菌為革蘭氏陽性菌,不產生芽孢,為厭氧或兼性厭氧細菌,在自然界分布較廣,特別是在碳水化合物較高的發酵產品中,如乳制品、肉制品中含量豐富,具有調節腸胃、保護胃部黏膜、促進消化、抗腫瘤及氧化等作用。

2.2 相關分類與作用

根據分析可知,素食者與喜肉者腸道微生物的菌落結構發生改變,其中素食者腸道菌群以有益梭菌為主,喜肉者腸道菌群以普拉氏梭桿菌為主[3],故將實驗樣本分為高糖與高脂類、淀粉蛋白質類、蔬果維生素類,以探討所含菌種及其特征。

2.2.1 高糖與高脂類

將實驗樣本中的黃油(But)、食用油(Oil)、可樂(Col)作為高糖與高脂類的代表,檢測菌種類型如圖2、圖3、圖4。

圖2 黃油菌種類型及占比

圖3 食用油菌種類型及占比

圖4 可樂菌種類型及占比

結果顯示,在三種高糖與高脂類的食物中,桿菌與變形菌為主要微生物,特別是在可樂與黃油中,桿菌占比高達80%。從微生物菌屬分類角度來看,可樂中乳桿菌目內的片球菌屬占據相對較高的比例,表明高糖食物可能導致厚壁菌門的增加。對食用油與黃油進行分析可知,隨著高脂食物的增加,變形菌門的數量也相應增加,故推測變形菌的數量可能是影響肥胖程度的一個指標。研究表明,變形菌門可作為腸道菌群失調的標志,其在腸道微生物組成紊亂期間的增加現象較為常見,故推斷肥胖引發的炎癥可能是由飲食中變形菌群增加引發腸道菌群失衡誘發的炎癥反應[4]。

2.2.2 淀粉蛋白質類

米粥(Ric)與肉湯(Mea)、牛奶(Mil)分別作為淀粉與蛋白質的代表,通過微生物組成的OTU進行物種分類,得到以下結果,如圖5、圖6、圖7所示。在淀粉與蛋白質含量較高的食物中存在豐富的梭菌。研究表明,高蛋白食物會增加腸道中大腸桿菌與梭菌的數量[3]。圖6的肉湯菌種成分中,乳桿菌占比僅次于梭菌。乳桿菌是益生菌的一種,在人體內能夠協助分解食物中的蛋白質、脂肪、糖類,維持腸道菌群平衡,增強腸道免疫系統功能,激活吞噬細胞的吞噬作用,而有益梭菌也對腸道保護起到重要作用。

圖5 米粥菌種類型及其占比

圖6 肉湯菌種及其占比

圖7 牛奶菌種及其占比

圖8 番茄菌種及其百分比

圖9 西柚菌種及其百分比

圖10 酸奶菌種及其百分比

2.2.3 蔬果維生素類

西柚汁(Pom)、番茄湯(Tom)、酸奶(Yog)作為蔬果與維生素的代表,測得的菌群如下：

通過對西柚汁與番茄湯的菌種類型進行分析發現,γ-變形菌綱比例較高,與其他文獻對比發現,蔬菜水果及酸奶的攝入會導致雙歧桿菌屬豐度的增加[5]。雙歧桿菌作為腸道內的有益菌種,與乳酸菌一樣,能有效抑制人體內有害細菌的生長,維護菌種腸道菌群平衡。

3 結果分析

研究表明,腸道菌群的代謝產物LPS、肽聚糖等對腸黏膜、腸道上皮細胞、腸平滑肌細胞有直接或間接的影響,通過腦腸肽、胺類傳入神經元,從而通過中樞神經系統影響大腦功能[6]。腸道微生態在腸道消化中起調節作用,有人提出了“微生物-腸-腦軸”的概念,即建立消化道中微生物群狀態與神經中樞的關系,指出腸道微生態影響人體生理及心理機能。問卷調查結果顯示,110名受訪者無論是禁止主食攝入還是減少攝入蛋白質、脂肪等食物,超過60%的人報告出現情緒問題及身體不適,故推測節食導致淀粉、蛋白質、脂肪等營養物質減少,導致腸道梭菌、桿菌等菌群減少,進而對人體產生影響。在禁止攝入糖分及高脂類食物的人群中,情緒受到影響的表現包括易怒、悲觀低落及注意力不集中等,身體上的明顯反應包括頭暈、疲倦及胃痛等癥狀。

目前對于微生物組群與神經系統關系的研究數據較少,但已證實了腸易激綜合征的發作原因。腸易激綜合征(IBS)被認為是腸道菌群失調,導致腸道屏障受損及免疫機制紊亂且最終導致腦-腸軸異常[7]。正常飲食中含有大量碳水化合物,細菌可利用這些物質進行發酵,產生甲烷、二氧化碳、氫氣等氣體,當腸道菌群紊亂時,產生過多的氣體會滯留在腸道內,引起腹部不適。研究表明,炎癥性腸病、潰瘍性結腸炎、IBS等疾病及相關并發癥,如焦慮、抑郁、自閉癥與色氨酸代謝紊亂有關,而色氨酸由腸道菌群直接產生,由此推測節食期間飲食結構的紊亂易導致相關腸道微生物缺失,如雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌種的豐度下降,引發腸道黏膜低濃度炎癥。研究表明,約有51%的IBS患者存在焦慮或抑郁等心理疾病[8]。

4 結束語

飲食結構對腸道微生物變化與人體健康密切相關,腸道作為一個復雜的生態系統,其中的菌群在人體生理學中發揮著極其重要的作用,腸道微生物失衡可能導致不同疾病的發生。人們在減肥時應采用科學的方法,適當對高油、高脂、高糖類食物進行節食,而非采用生酮減肥等拒絕所有碳水攝入的極端減肥方式。在飲食結構上,應注重蛋白質、脂肪占比的平衡,適當增加攝入酸奶、蔬果等食物,以提高雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益腸道菌群的豐度,維護腸道平衡狀態。