- 原文：Dietary fiber and prebiotics and the gastrointestinal microbiota
- 杂志：Gut Microbes
- 作者：Hannah D. Holscher
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作者单位： Department of Food Science and Human Nutrition and Division of Nutritional Sciences, University of Illinois, 361 Edward R. Madigan Laboratory, Urbana, IL USA
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摘要
- 胃肠道微生物群在人类健康中具有重要作用，并且人们越来越关注利用饮食方法来调节定居在胃肠道的微生物群落的组成和代谢功能，以改善健康状况，预防或治疗疾病。 调节微生物群的一种饮食策略是食用可被胃肠道中的微生物代谢的膳食纤维和益生元。 人的消化酶不能消化大多数复杂的碳水化合物和植物多糖。 相反，这些多糖被微生物代谢，产生短链脂肪酸（SCFA），包括乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐。 本文回顾了纤维和益生元消耗对人类胃肠道微生物群组成和代谢功能的影响的当前知识，包括复杂碳水化合物的理化性质，适当摄入量和治疗剂量的影响以及与该组成有关的表型反应 人类微生物群。
关键词：发酵，人类微生物组，不可消化的碳水化合物，短链脂肪酸
介绍
- 人体胃肠菌群是地球上人口最稠密的微生物群落之一，其微生物群落高度多样化，可提供对人类健康至关重要的代谢，免疫和保护功能。胃肠菌群受到多种因素的影响。 包括遗传因素，宿主生理（宿主的年龄，疾病，压力等）和环境因素（例如生活条件和药物使用）的影响。人们越来越多地认为饮食是调节成分和营养的关键环境因素。 胃肠菌群的代谢功能。实际上，食用特定饮食成分（如纤维和益生元）是可以调节菌群的途径。
- 膳食纤维，既不被消化也不被吸收的碳水化合物聚合物，在胃肠道中进行细菌发酵，从而影响细菌群落的组成以及微生物代谢活动，包括发酵终产物的产生。 一些膳食纤维也可以归类为益生元。益生元被定义为“选择性发酵的成分，其导致胃肠道微生物群的组成和/或活性发生特定变化，从而为宿主健康带来益处。” 这篇综述讨论了食用膳食纤维和益生元对胃肠道微生物群的影响，包括成分的理化性质和剂量的作用，以及与驻留微生物群组成有关的表型反应。
饮食，纤维和益生元在胃肠道微生物组中的作用
- 饮食对人类和其他哺乳动物的胃肠道微生物群的改变能力已得到广泛研究，表明饮食的组成，惯常饮食摄入和急性饮食变化都会影响肠道内的微生物群落。 在哺乳动物中，食草动物，杂食动物和食肉动物的微生物区系在组成和功能上是不同的。特定于人类的习惯饮食模式与个体胃肠道微生物区系的组成有关，但是大量营养素和纤维摄入的显着变化也可以迅速引起变化。 人类在短短小时内就已经证明了12种细菌多样性的明显变化和微生物衍生的粪便发酵终产物的生产，从富含纤维的农业饮食（> 30克/天）转向以肉食为不含纤维基础的饮食。
- 在世界上工业化和未工业化的地区，膳食纤维的摄入量差异显着。西方化饮食的特点是动物蛋白，脂肪，糖和淀粉含量高，纤维含量低，而非洲国家未工业化农村社区的居民饮食 如布基纳法索和坦桑尼亚，由于纤维植物的摄入增加，纤维含量增加了七倍。 在美国，成年人平均每天需要摄取克膳食纤维，在英国则是14克/天，而在欧洲则是16-29克/天。整个人口的横断面研究 全球范围内发现，膳食纤维摄入量增加与胃肠道微生物群落多样性有关。临床前研究表明，食用可发酵纤维对微生物菌群多样性具有因果关系，因此，饲喂缺乏可发酵纤维的饮食的小鼠在微生物群落中的微生物群多样性会耗尽。 此外，对人体的干预研究表明，膳食纤维和全谷物摄入量会增加肠道细菌的多样性。西方社会的低纤维摄入量据认为是导致人类胃肠道微生物群消耗减少的原因。 肥胖，心血管疾病，2型糖尿病和结肠癌等慢性非传染性疾病的发病率随之增加。
膳食纤维
- 膳食纤维是一个广义术语，因此，纤维消耗对胃肠道微生物的影响将根据所消耗纤维的类型而变化。 根据食品法典委员会在2009年的定义，膳食纤维是“具有十个或更多单体单元的碳水化合物聚合物，它们既不会在人体小肠中被消化也不吸收，并且属于以下类别：（i）天然可食用碳水化合物聚合物 （ii）可食用的碳水化合物聚合物，可食用的碳水化合物聚合物通过物理，酶或化学手段从食品原料中获得，并具有公认的科学证据证明其具有有益的生理作用；以及（iii）可食用的合成碳水化合物聚合物 具有公认的科学证据证明具有有益的生理作用。” 纤维的定义具有一定的灵活性，国家主管部门可以决定包含三到九个单体单元的碳水化合物，而不是将定义限制为仅包含长度≥10个单体单元的碳水化合物。 在澳大利亚，巴西，加拿大，中国，欧洲和新西兰，纤维的定义包括不易消化的碳水化合物，其具有三个以上的单体单元。
- 膳食纤维是异质的，因此利用不同的分类来描述它们，包括起源，化学组成和物理化学性质，并根据聚合程度（例如链长）进行附加的子分类。 重要的是，这些特性中的每一个也会影响微生物发酵。 关于来源，植物纤维可以分为谷物和谷物，水果，蔬菜，坚果和豆类的纤维。 但是，必须注意的是，存在于不同类型植物中的纤维也将具有可变的化学组成以及理化特性。例如，香蕉中含有抗性淀粉和菊粉型果聚糖，而苹果是其中的一种来源。 果胶。 因此，富含植物性食品的饮食提供了许多不同类型的膳食纤维，从而支持了更多样化的微生物群组成。
- 纤维的理化特性包括发酵性，溶解性和粘度，这些特性不仅影响发酵，而且还影响食用的治疗效果。不溶性纤维（例如纤维素）通常难以被肠道微生物发酵，但是它们在肠内的存在。 日粮可增加肠道运输速度，从而减少可用于未消化食品的结肠细菌发酵的时间。车前子也是一种不可发酵的纤维。 然而，其高溶解度和高粘度可带来独特的治疗效果，包括改善血糖控制和降低血液中的胆固醇水平。高度可发酵而又具有高溶解度和高粘度的纤维包括β-葡聚糖和果胶。这些纤维天然存在 在全谷物中，例如燕麦和大麦（β-葡聚糖）和在苹果中的水果（果胶）中的饮食。葡萄糖吸收和胆汁酸的结合减慢–车前草，β-葡聚糖， 和果胶-也据称会影响胃肠道菌群。 胃肠道菌群容易发酵的非粘性可溶性纤维包括菊粉，抗性麦芽糊精，抗性淀粉，聚葡萄糖和可溶性玉米纤维。菊粉型果聚糖天然存在于龙舌兰，朝鲜蓟，芦笋，香蕉，菊苣根中。 。尽管已证明菊粉型果聚糖的植物来源和聚合程度不同，但它们会影响人体的发酵状况。在临床研究中，菊粉型果聚糖的生理益处是： 有限。 但是，啮齿动物研究表明，摄入菊粉型纤维可以不同程度地降低体重，降低胆固醇和降低血糖浓度。
- 除聚合度外，复杂碳水化合物的溶解度还会影响人胃肠道内发酵的位置。 可溶性纤维（例如短链果糖寡糖（FOS）和果胶）在胃肠道中被细菌更近端（例如回肠和升结肠）代谢，而溶解性较低的纤维（例如纤维素）可以在肠道中部分发酵。 远端结肠，其传播时间较慢，细菌密度较高。最近，研究表明，链长和溶解度不同的纤维会不同地影响小鼠盲肠微生物群的组成-饮食中添加了5–10％的纤维素（一种不溶性） 与食用10％FOS或菊粉，可溶性纤维的小鼠相比，这种纤维具有显着不同的微生物群落组成。43已广泛研究了饮食中可发酵纤维或可评估微生物群的碳水化合物（MACs）的影响。 实际上，这是膳食纤维的最后一类，涵盖了术语益生元。
益生元
并非所有纤维都可以归类为益生元。 然而，大多数益生元可以归类为膳食纤维。益生元的食用是一种饮食策略，通过该策略可以对胃肠道微生物群进行改良以获取健康益处。益生元最初在1995年由Gibson和Roberfroid定义为“一种不可消化的食品成分，通过选择性刺激结肠中一种或有限数量细菌的生长和/或活性，从而有益地影响宿主，从而改善宿主健康。 “ 在最初的定义之时，基于培养的方法几乎专门用于研究微生物群，而双歧杆菌和乳酸杆菌是益生元喂养研究的主要目标。2004年，对益生元的定义进行了更新，增加了三个标准：1）对胃酸度和哺乳动物酶水解和胃肠道吸收具有抵抗力； 2）由肠道菌群发酵，和3）选择性刺激与健康相关的肠道细菌的生长和/或活性。
随着时间的流逝，分子方法的发展独立于基于培养物的方法，显示出比最初研究的细菌更密集，更多样化的细菌群落。 因此，在2010年，益生元的定义被修订为“一种选择性发酵的成分，可以在赋予益处的胃肠道菌群的组成和/或活性方面进行特定的改变。” 更新后的定义扩大了细菌数量的用语： 从一种或数量有限的细菌到从结肠到整个胃肠道的微生物群以及位置的特定变化。
随着我们对饮食对微生物群影响的理解的不断发展，关于是否需要进一步扩大定义的讨论不断。 最近，宾德尔斯及其同事提出，益生元应被定义为“一种不可消化的化合物，通过其在肠道中的微生物代谢，可以调节肠道菌群的组成和/或活性，从而对宿主产生有益的生理作用。” 他们提出的定义确定了该成分是导致微生物群落变化的诱因。 它还排除了与选择性和特异性相关的限制性语言，同时保持了确定有益的生理效应的需要。 这有助于为研究历史之外的细菌（例如双歧杆菌和乳杆菌）铺平道路。 例如，产生丁酸盐的细菌，例如Faecalibacterium prausnitzii和Akkermansia muciniphila（一种粘蛋白降解细菌）都与有益的健康作用相关，包括减少炎症和改善肠屏障功能。 宿主健康中的微生物群正在继续扩大，这一定义可能会继续发展。
微生物发酵
- 分子和计算方法的进步扩大了我们对饮食如何影响胃肠道微生物群组成和功能的理解。 例如，超基因组测序表明，胃肠道细菌群中的基因比人类基因组中的基因多出约150倍。有趣的是，人类酶不能消化大多数纤维和益生元。 实际上，在人类基因组中已鉴定出少于20种糖苷酶是涉及膳食多糖消化的酶。49胃肠道细菌对膳食多糖的代谢是宿主与微生物群之间共生关系的一个例子。 此外，这种关系为微生物的饮食调节提供了途径，因为微生物的生长和代谢取决于底物的可获得性，例如宿主所消耗的饮食纤维或益生元的类型。
- 人类酶只能通过胰和唾液淀粉酶的作用降解一部分糖类（包括淀粉多糖）中存在的糖苷键，而二糖蔗糖和乳糖则可以通过刷状边界的双糖，蔗糖酶和乳糖酶降解。尽管 乳糖的消化能力确实在全球范围内有所不同，并且乳糖酶的活性会在整个寿命期内降低。 逃避人类酶消化的碳水化合物是胃肠道内细菌发酵的底物。 细菌代谢膳食聚糖的能力差异很大。 当人类饮食中富含不同类型和数量的水果，蔬菜，全谷类，坚果和豆类时，可提供丰富的植物多糖来源，其中包含不同类型的糖苷键。 通常，多糖越复杂，代谢它就越需要糖苷酶。50有些细菌拥有许多不同的酶，可以使它们代谢数十种不同的复杂碳水化合物，而其他微生物只能利用一种或几种不同的多糖。例如，在人类微生物区系中发现的细菌拟杆菌（Theactotaides thetaiotaomicron）和卵形芽孢杆菌（B. ovatus）能够代谢十多种不同类型的聚糖。
- 复杂多糖向单糖的微生物转化涉及多种生化途径，这些途径是由微生物的酶活性介导的。 复杂碳水化合物的主要细菌发酵最终产物是SCFA，即乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐，以及气体（H2和CO2）。 SCFA是结肠中细菌发酵的重要指标。 SCFAs的浓度在整个胃肠道中变化，其中近端结肠中的浓度最高，而远端结肠中的浓度降低，而远端结肠中的微生物密度最高。
- 在SCFA中，丁酸盐是结肠细胞和肠细胞的关键能源。 丙酸也可以通过肠糖异生53转化为葡萄糖而局部使用，或扩散到门静脉以用作肝糖异生的底物。90％至99％的SCFA被肠道吸收或被微生物群利用。54 ，在外周循环中发现了少量的SCFA，主要是丙酸酯和乙酸酯。 乙酸盐是循环中发现的最丰富的SCFA，并且已证明可以穿过血脑屏障.；SCFA影响胃肠道上皮细胞的完整性，葡萄糖稳态，脂质代谢，食欲调节和免疫功能57。
膳食中纤维和益生元的摄入可调节微生物群
- 细菌对未消化的碳水化合物的发酵取决于如上所述的碳水化合物的理化性质，以及纤维的剂量以及食用纤维的个体上的细菌群落组成。 细菌具有碳水化合物结合模块和广泛的酶，包括糖苷水解酶，糖基转移酶，多糖裂解酶和碳水化合物酯酶，可水解多种纤维。因此，具有多种膳食纤维（例如 日粮中的纤维素，半纤维素，果胶，树胶，果聚糖等）和含有一系列单糖单元以及α-和β-键的抗性淀粉，与饮食中的饮食相比，更能支持各种胃肠道微生物群落。 较少的底物负荷（例如精制饮食）。
- 多糖链的长度或纤维的聚合度和分支度会影响细菌利用其作为能源的能力。 许多细菌可以发酵短链FOS，而双歧杆菌，拟杆菌，费氏杆菌，乳杆菌和玫瑰菌可以在体外发酵低聚果糖。 然而，相对少的可利用长链果聚糖。62,63同一属内的细菌物种也具有不同的降解纤维来源的能力。 例如，双歧双歧杆菌可以在FOS上体外生长，但不能在菊粉上生长。纤维分子的分支还差异性地影响了胃肠道内发酵的位置。 使用呼吸氢作为发酵标志物的临床研究表明了这一点，因为微生物发酵是人体内产生氢的唯一来源，并且肠道中产生的总氢的14％被灌注到肺中。例如，短链FOS 在4小时内发酵； 龙舌兰菊粉，餐后四个小时开始发酵高度分支的果聚糖，并在6小时内达到峰值; 菊苣菊粉（一种长链线性果聚糖）餐后8小时达到峰值发酵。
- 膳食纤维的食用促进了胃肠道微生物群落中存在的细菌种类之间广泛的代谢相互作用。 因此，通过利用其他社区成员的副产品，有很大的潜力间接刺激社区内其他微生物的生长。 此过程称为交叉进纸； 因此，一种细菌对多糖的发酵产生的产物为群落中存在的其他细菌的生长提供了底物。 因此，经由纤维或益生元的食用对人类胃肠道微生物群的饮食调节可导致代谢后果，该后果不同于基于单个培养物的评估细菌在分离底物上生长的实验的结果。 例如，事实证明，饮食中摄取果聚糖会导致丁酸盐浓度增加，即使果糖摄取后细菌的主要增加不会直接代谢丁酸。果聚糖的主要利用者是双歧杆菌和乳杆菌，它们是乳酸菌， 在纯培养物中生长时，它们会产生乳酸和乙酸盐作为其主要发酵终产物。 造成这种现象的可能原因是，细菌将果聚糖代谢为能源而产生的乳酸和乙酸被包括丁酸盐在内的许多其他细菌（包括真细菌，玫瑰菌和费氏细菌）所利用。因此，交叉进料是 与共同培养体外实验或体内研究相比，单一培养体外实验的差异结果是一种机制。
- 虽然交叉喂养对某些细菌可能是有益的，但由于代谢产物的产生而导致的营养竞争和pH值变化会抑制社区中其他微生物的生长。 多糖的细菌发酵导致酸性发酵终产物的产生，主要是乳酸和SCFA，它们降低了结肠的pH，进而影响了胃肠道中微生物群落的组成。 正常人结肠的pH值在pH 5.5至7.5之间。 利用人类粪便样本对结肠进行建模的体外发酵实验表明，pH从6.5降低至5.5会显着改变细菌群落-酸性更高的条件更好地支持了生产丁酸盐的Firmicutes（如Roseburia spp。）的生长，同时减少了增殖 对酸敏感的拟杆菌属spp。
- 尽管胃肠微生物群可以通过摄入纤维和益生元来实现，但个体反应可能会有所不同。 这些表型反应与宿主遗传学，7种适当剂量的目标饮食多糖和个体独特的微生物群组成的组合有关。因此，“反应者”和“无反应者”对食物的饮食调节 通过特定纤维的微生物群可能与剂量不足和/或缺乏能够发酵添加的纤维的细菌有关。 例如，每天摄入2.5克短链FOS或低聚半乳糖（GOS）不会增加双歧杆菌的数量，但每天10克的剂量足以诱导双歧杆菌在胃肠道菌群中大量繁殖。 此外，双歧杆菌水平未检出的个体对每天摄入高达7.5克的龙舌兰菊粉没有反应。整个饮食中的反应也取决于纤维的摄入； 例如，每千卡的膳食纤维已显示与双歧杆菌属都呈正相关。 有趣的是，个体微生物区系的组成和基石种类的存在也影响纤维发酵。 在一项控制良好的喂养研究中，微生物群中不存在溴化鲁美球菌的个体发酵补充的抗性淀粉的能力降低，导致发酵度为20–30％，而溴化鲁美球菌则为100％。
研究状况
- 关于纤维或益生元消耗对人类胃肠菌群组成和功能的影响的临床研究提供了在胃肠道复杂环境中与不同类型纤维消耗相关的各种反应的示例（表1）。 简而言之，通过使用关键词组合搜索PubMed和GoogleScholar数据库，鉴定了最近5年（2011-2016年）发表的利用分子方法评估≥两种微生物和发酵谱的青少年或无胃肠道疾病的成年人的临床研究。 包括“纤维”，“纤维”，“益生元”，“人类”，“微生物群”和“微生物组”。 这些临床试验表明，GOS，菊粉，低聚木糖和阿拉伯木聚糖寡糖可在双歧杆菌属物种中诱导富集。 同时，可溶性玉米纤维和聚葡萄糖刺激了拟杆菌和硬毛菌门微生物的变化。 旨在评估人类微生物群落组成的分子方法遵循GOS ，龙舌兰菊粉和436型抗性淀粉的食用量，这些食用量的食用表明，以适当的剂量食用这些纤维主要是选择性富集了双歧杆菌。 和富含236型抗性淀粉的真细菌。 尽管存在细菌群落组成的其他微小变化，但这些结果支持将GOS和菊粉指定为益生元纤维。 微生物的代谢结果变化很大，相同的纤维会导致SCFA浓度变化，具体取决于临床人群。 另外，聚右旋糖和可溶性玉米纤维广泛地引起了硬毛菌和拟杆菌类的几种分类单元的变化，随后粪便丁酸，酚和吲哚的浓度降低。
表格1
- 过去5年间，在没有胃肠道疾病的青少年和成年人中发表的膳食纤维和益生元研究评估了微生物群的组成和功能。
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缩写：RCT，随机对照试验；·GC，气相色谱；·SCFA，短链脂肪酸；·FISH，荧光原位杂交；·DGGE，变性梯度凝胶电泳；·NMR，核磁共振光谱
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- 纤维消耗的不同影响（表1）由其化学结构决定。GOS通常由通过β-1,6键和β-1,4键连接至末端葡萄糖的半乳糖聚合物组成，在2和10.75之间的龙舌兰菊粉的DP是通过β-2,1连接的线性和分支果糖链。和β-2,6键。2型和4型抗性淀粉均由通过α-1,6糖苷键连接的葡萄糖单糖组成，型抗性淀粉通过磷酸化而具有额外的交联。可溶性玉米纤维是富含1,6-糖苷键的玉米淀粉级分。聚葡萄糖同时包含α和β连接的1,2，1,3,1,4和1,6葡萄糖单体。每根纤维的独特分子该结构部分解释了人类胃肠菌群消耗差异的影响。
结论
- 宿主与微生物之间的相互作用无疑是复杂的，取决于许多饮食和微生物因素，其利弊平衡。过去十年中技术和计算的进步使研究人员对驻留在胃肠道中的数万亿种微生物的成分和功能有了更好的了解，并且越来越多的证据表明饮食，胃肠道微生物群和人类之间存在相互关系。健康。在此，对特定膳食纤维和益生元对人体胃肠道菌群组成和功能的影响进行了综述，包括成分的理化特性，剂量和与驻留菌群组成有关的表型反应的作用。
- 人类，动物，体外和计算研究对于继续推动这一领域的发展都是必不可少的，因为每种类型的研究都有局限性。在人类研究中，随机对照试验是金标准方法，并且在可行和适当的情况下，应采用带有洗脱期的交叉研究。必须注意监测研究参与者对饮食干预的依从性。使用稳定同位素标记食品是一项保真度措施，应尽可能采用。临床试验价格昂贵，并且经常会生成未得到充分利用的大量数据库。因此，还应采用计算建模和生物信息学方法来扩展我们对这些数据集的理解。
- 动物实验，包括灵知生物 (gnotobiotic) 研究，可用于确定机制，并可用于补充临床研究结果。但是，局限性包括与人类相比临床前模型的生理差异。值得注意的是，啮齿动物是盲肠发酵菌，并且会进行同性繁殖。可以使用动物的单个外壳和金属丝底部笼子来减少共病。考虑将动物研究中使用的剂量转换为人类食用价值也很重要。啮齿类动物试验经常以饲料的5-20％重量/重量添加纤维，而这些剂量在人体内的转化通常是无法达到的。例如，成年人的饮食中，纤维饮食的5％至少为每天20克/天。如果目标纤维是高度可发酵的，例如菊粉型纤维，则该剂量接近人类食用的可忍受极限的上限，并且以该水平食用会导致不愉快的副作用，例如气体，腹胀和腹泻。其他纤维，例如聚右旋糖和可溶性玉米纤维，在临床试验中已显示每天可耐受克。猪为研究纤维和益生元的摄入对胃肠道生理的影响提供了替代性的临床前模型。比啮齿动物更类似于人类。但是，当原料供应有限时，可能会遇到诸如底物供应等挑战。在所有动物实验中，应使用规定的饮食而不是食物来提高研究结果的可重复性。
未来发展方向
- 关于纤维，包括那些被认为是益生元的纤维，如何影响胃肠道微生物群的见解不断涌现；然而，需要更多的研究来确定对人类胃肠微生物群的组成和功能的调节是否对人类健康有益。大型前瞻性研究对于确定微生物群扰动与疾病之间关联的方向性是必要的。需要进行良好控制的临床试验，最好是采用带有冲洗期的交叉设计，对单一成分进行改良的完整喂养研究，以评估纤维不仅对胃肠道细菌类群的影响，还需要评估微生物代谢产物和其他健康的生理指标，例如身体成分，血液中的胆固醇，血糖和炎症。当无法进行完整的饲养试验时，交叉研究设计可用于解释造成很大一部分变异的微生物群落的个体组成。当平行臂设计最适合评估其他研究结果时，在基线和随时间推移进行微生物组样本收集和分析将能够进行额外的统计分析，以说明随时间的变化。使用食物频率问卷和饮食记录或召回有助于评估可能对研究结果有帮助的其他饮食因素的影响。另外，建议使用依从性日志来评估治疗的消耗。在可能的情况下，使用稳定的同位素标记纤维将进一步加强这些研究。
- 还必须利用动物模型来研究机制。使用gnotobiotics模型进行的研究尤其强大，尤其是当通过粪便移植使动物被人性化时。模拟胃肠道的离体实验也很有用，因为它提供了高通量方法。应该使用数据处理算法（例如机器学习）进一步探索在人，动物和体外研究中生成的大量数据集的收集，比较和集成。集成了庞大的多组学数据集的机器学习方法还使我们能够扩展对宿主-微生物相互作用的理解。在这个技术和计算迅速发展的时代，应该努力通过转录组学，代谢组学和蛋白质组学，超越对微生物群组成的简单表征，朝着微生物群的功能活动发展。需要采取多学科的方法，人类微生物组领域的研究将需要营养，微生物学，生理学，免疫学和计算机科学等众多学科的科学家之间的合作。