食品添加剂对肠道微生物组的影响

王贤书，葛月婷，邱 斌，刘丽娜，徐同成，杜方岭，宗爱珍，贾 敏，刘 玮

(山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室/农业部新食品资源加工重点实验室，济南 250100)

大量研究表明，肠道微生物参与宿主多种代谢途径的调节，对机体的多种生理功能产生重要影响，并与炎症性肠病(IBD)、肥胖及代谢综合征等疾病息息相关。本文就近年来食品添加剂对肠道微生物结构及其代谢产生影响的研究进行综述。

1 肠道微生物与人体健康

肠道微生物群落的构成和活性取决于宿主基因组、营养和生活方式等。同时肠道微生物群参与宿主多种代谢途径的调节，对机体的多种生理功能发挥重要作用，如机体物质代谢、信号传递、消化道功能的完善及免疫功能的调节等[1-2]。越来越多的研究表明，肠道微生物与肥胖[3-5]、糖尿病[6-8]、高血压[9]、高血脂[10-11]、炎症[12-14]等疾病息息相关。LV Hooper等[15]将拟杆菌属移植进无菌小鼠的肠道内，结果显示，这种共生菌群调节几个重要肠道功能基因的表达水平，主要包括营养吸收、粘膜屏障强化、物质代谢及血管生成等功能。已有研究报道，肠道菌群结构变化会导致某种菌群产生过量的大肠杆菌脂多糖(LPS)，LPS渗透血管进入血液后会引发机体炎症反应，并且会促进因为高脂饮食而形成的肥胖及代谢综合征的发生[16]。张培培等[17]研究发现，在新疆哈萨克族人群中由于脱硫弧菌属数量的增加，导致其血浆IL-1p、IL-1β、IL-6、TNF-α的水平显著升高，IL-10的水平显著降低，提示肠道菌群的变化可能是新疆哈萨克族2型糖尿病发病的诱因之一。肠道脱硫弧菌属、梭菌属、Akkermansia、muciniphila、多形拟杆菌等肠道菌群的数量分别与血浆炎症标志物水平存在一定的相关性。细菌代谢的最终产物，特别是维生素和短链脂肪酸(SCFA)对人体健康至关重要，这些肠道细菌代谢产物具有促进健康的作用[18]。美国基因组研究所研究人员发现，肠道微生物基因组中富含参与碳水化合物、氨基酸、维生素等营养物质代谢的基因，其中大部分是人体自身基因组中所不具有的[19]。

2 饮食与肠道微生物组的关系

饮食是影响肠道微生物群落组成最主要的一个因素，饮食中的营养物质能够影响肠道微生物群落结构并为微生物的代谢提供底物，而微生物代谢产物如维生素和短链脂肪酸等可影响宿主生理功能。Carlotta De Filippo等[20]通过对欧洲儿童和非洲农村儿童肠道微生物组的比较来研究饮食对肠道微生物组的影响，通过使用高通量16S rDNA测序和生物化学分析，发现两组之间肠道微生物群差异显著。非洲农村儿童肠道中的短链脂肪酸含量明显多于欧洲儿童，肠杆菌科(志贺氏菌属和埃希氏菌属)显著低于欧盟儿童。与欧洲儿童相比，非洲农村儿童肠道中的拟杆菌富集，厚壁杆菌缺乏。在欧洲儿童肠道菌群内具有分解纤维素功能的普氏菌属和解木聚糖杆菌基因完全缺乏。这项研究调查比较了以现代西方饮食和农村饮食为特征的儿童肠道微生物群，结果显示，肠道菌群与宿主的关系受饮食因素影响，具有不同饮食结构的人群会形成不同的肠道微生物群落，饮食结构与肠道微生物组的变化密切相关。Ruth E.Ley等[21]通过对人类的粪便微生物群和其他59种生活在动物园和野外的哺乳动物的肠道微生物16S rRNA基因序列分析，表明饮食与肠道菌群之间有密切关系。肠道微生物群落与宿主共同进化，提供独特的代谢功能，这反映在广泛的食物消费模式中，在食肉动物、杂食动物和食草动物中的肠道中有着明显不同的的微生物群。

食物中那些人类自身产生的酶难以消化的成分，如纤维素等，为肠道微生物的新陈代谢提供底物。不同细菌发酵不同的底物，复杂的饮食可以为特定的致病菌提供一系列生长促进或生长抑制因子[18，22]。炎症性肠病(IBD)，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎(UC)，虽然遗传成分被鉴定为发展IBD的风险因素，但有证据表明饮食因素可能在IBD的发展中发挥作用。食用淀粉中的抗性淀粉在小肠中不能被酶解，不提供能量，其性质类似膳食纤维，但可进入结肠中与脂肪酸起发酵反应，导致丁酸盐的产生，丁酸盐可改善结肠生理机能，并且为肠道微生物生长提供主要能量来源。RKL Leu等[14]研究了抗性淀粉和膳食红肉对DSS诱导的小鼠结肠炎的影响，研究使用DSS诱导Balb/c小鼠结肠炎模型，基于疾病活动指数(体重减轻、粪便稠度、直肠出血和动物的总体状况)和组织学评分来评估结肠炎的严重程度，使用实时荧光定量PCR对盲肠内容物细菌数进行定量，结果表明，抗性淀粉的摄入能够减弱小鼠肠道炎症水平，并且膳食红肉和抗性淀粉的摄入诱发了肠道微生物群落的变化。

3 食品添加剂对肠道微生物的影响

食品添加剂已成为现代食品工业加工生产过程中不可或缺的重要组分，研究食品添加剂对肠道微生物的影响，有助于我们预防和治疗与肠道微生物群落相关的许多疾病，具有一定的指导意义。

苯甲酸作为食品生产中常用的食品防腐添加剂，其对人类肠道微生物产生的影响值得关注。有机酸和它们的盐被认为是另一类天然生长促进剂，多年来一直用做动物饲料中的添加剂，在猪的生长过程中，苯甲酸提高了育肥猪的体重增加量和饲料增重比[23-24]。体外研究中，苯甲酸在减少整体盲肠菌群丰度方面非常有效，并对大肠杆菌产生不利影响，具有一定的抑菌能力[25-26]。与体外研究相比，体内研究出现不一致性，研究显示，乳酸菌随饮食中苯甲酸的量而增加或减少[27]，大肠杆菌的数量有所增加，增加的数量也受到饮食中苯甲酸含量的影响[28]。另有研究表明，饲料添加5 000mg/kg苯甲酸降低了仔猪消化道食糜pH，促进了有益菌的生长，改善了肠道微生物菌群结构，并提高微生物代谢产物丙酸、丁酸及总挥发性脂肪酸的浓度[26]。

乳化剂可改变肠道菌群的组成，从而诱导肠道炎症，促进炎症性肠疾病和代谢综合征的发展。有研究表明，长期服用乳化剂的实验小鼠，会患上慢性肠道炎症，并表现出代谢综合征的迹象，如肥胖、高血压等。Chassaing B等[29]研究显示，在小鼠试验中两种常用乳化剂聚山梨醇80(P80)和羧甲基纤维素(CMC)会导致轻度炎症、肥胖及代谢综合征。肠道被保护的主要方法是通过多层黏液结构覆盖肠道表面，从而使绝大多数肠道细菌保持在与肠道上皮细胞的安全距离上。乳化剂可能是通过破坏粘液—细菌之间的相互作用，扰乱宿主—微生物群之间的动态平衡，导致轻度炎症从而促进肥胖和代谢综合征，广泛使用乳化剂可能会增加肥胖、代谢综合征和其他慢性炎性疾病的社会发生率。

肠道微生物群在许多慢性炎性疾病(包括IBD和代谢综合征)的发展中起核心作用。改变和影响肠道微生物组的物质，可以促进这种炎性疾病发展。研究人员通过使用人体肠道微生物生态系统(M-SHIME)模型的粘膜模拟器检查了羧甲基纤维素(CMC)和聚山梨醇80(P80)对微生物群的直接影响，该模型在缺乏活体宿主的情况下保持了复杂且稳定的人类微生物群。这种方法表明，P80和CMC都直接作用于人类微生物群，增加了其促炎潜能(如生物活性鞭毛蛋白水平升高)[30]。

研究表明，膳食中柠檬酸钠的添加能降低试验小鼠的体重，而高剂量的柠檬酸钠可显著提高小鼠血清中高密度脂蛋白胆固醇的含量。柠檬酸钠的添加影响了小鼠肠道微生物的beta多样性，使厚壁菌门和拟杆菌门的比例发生变化。在属水平上，柠檬酸钠高剂量组检测出了棒状杆菌属和葡萄球菌属，说明摄食高剂量的柠檬酸钠会对小鼠肠道微生态造成一定影响[31]。

对人体来说，优质的益生元，在通过消化道时，大部分不被人体消化，而是被肠道菌群利用。益生元的摄入可以通过增加特定细菌的数量(对人体有益的菌群)，从而改变菌群的组成，显著地调节人体肠道微生物菌群的结构。一般来说，通常不易消化的寡糖，特别是低聚果糖是益生元[32]。异麦芽低聚糖是一种优质的益生元，对机体肠道菌群具有一定的调节作用，能激发人体自身双歧杆菌等有益菌的生长繁殖，抑制体内有害菌的生长。此外，因低聚异麦芽糖的甜味、加工性质十分接近砂糖或麦芽糖，制取容易，价格便宜[33]。益生元广泛用于食品生产中，充分发挥其调节肠道菌群的作用，为食品工业的发展和人类健康做出了贡献。

4 结论

多种食品添加剂会改变肠道微生物群落结构，严重的甚至会引起肠道轻度炎症、肥胖、代谢综合征等疾病，威胁机体健康。作为膳食补充剂的益生元则表现出对人体健康有益的一面，其通过增加特定细菌的数量(对人体有益的菌群)，调节人体肠道微生物菌群，从而促进人体健康。揭示食品添加剂与肠道微生物的关系，有助于预防和治疗现在已知与微生物群落相关的许多疾病，有助于最大程度地发挥食品添加剂的作用，同时避免其对机体健康的不利影响，对保持人体健康具有一定的指导意义。◇

[1]雷春龙，董国忠.肠道菌群对动物肠黏膜免疫的调控作用[J].动物营养学报，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]曹战江，于健春，康维明.肥胖症肠道菌群与炎症的研究进展[J].中国医学科学院学报，2013(4)：462-465.

[17]张培培.新疆维吾尔族、哈萨克族2型糖尿病人群肠道菌群与炎症因子的相关性研究[D].新疆：新疆医科大学，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，郑萍，等.苯甲酸对仔猪肠道微生物及代谢产物的影响[J].动物营养学报，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]张宁，李东尧，张秋香，等.柠檬酸钠对小鼠生理及肠道菌群的影响[J].食品与机械，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]杨远志，黄婧，辛修锋，等.低聚异麦芽糖对肠道菌群的调节作用[J].中国食品添加剂，2008(s1)：160-164.