马铃薯馒头摄入对女性青少年肠道菌群结构影响分析

徐海泉 郭燕枝 马云倩 卢士军 孙君茂

摘 要：选取某高中和职高青少年群体为研究对象，以班级为整体随机分为马铃薯馒头（马铃薯全粉占比30%）组、小麦馒头（小麦面粉占比100%）组和普通膳食组3组，开展为期8w的干预研究。随机抽取小麦馒头组、马铃薯馒头组及普通膳食组女性研究对象各5名，分析马铃薯馒头摄入对人体肠道菌群结构的影响。结果表明：与干预前相比，干预后小麦馒头组、马铃薯馒头组和普通膳食组肠道菌群OTU数量变化幅度分别为-12.9%、+3.3% 、-5.1%。在门水平上的4种主要菌群（拟杆菌门、硬壁菌门、蛋白菌门、放线菌门）和属水平上的8种共有主要菌群（普氏菌属、梭状芽孢杆菌属、柔嫩梭菌属、罗氏菌属、双歧杆菌属、萨特氏菌属和瘤胃球菌属）丰度均呈现马铃薯馒头组变化幅度最小;Alpha多样性指数和Beta多样性指数同样呈现干预前后变化幅度马铃薯馒头组要小于小麦馒头组和普通膳食组。基于以上分析认为，长期连续摄入30%的马铃薯馒头，并不会引起人体肠道菌群结构的显著变化。

关键词：肠道菌群;马铃薯;主食;青少年

伴随我国马铃薯主食化战略的不断推进，马铃薯主食产品逐渐被广大居民所接受，其种类也是日渐丰富[1-2]。针对我国人群当前的营养状况及膳食特点实施马铃薯主食化战略的营养可行性及其社会效益、生态效益和经济效益等，已有较多研究进行了相关分析，但对马铃薯主食化对我国人群健康效应的评估分析相对较少[3-6]。研究发现，人体营养状况及健康水平与体内肠道菌群构成存在一定相关性[7-11]，不同膳食结构及食物摄入可影响肠道菌群结构[12-15]。国外研究发现，长期摄入马铃薯对血压及血糖水平可能会产生一定影响[16-18]。长期连续摄入马铃薯主食产品是否会对体内肠道菌群结构产生一定影响？尚无相关研究。目前，市场马铃薯主食产品以马铃薯全粉占比30%的马铃薯馒头为主[19]。本研究以30%的马铃薯馒头为干预评价产品，分析对其长期连续摄入对肠道菌群结构的影响，为科学评估马铃薯主食化战略对我国人群营养健康状况的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 马铃薯馒头与小麦粉馒头制作

马铃薯馒头是以马铃薯全粉与普通小麦粉按3∶7重量比例混匀后为原料加工制作而成，小麦粉馒头由100%小麥粉原料加工制作而成，二者在同一学校食堂加工制作。研究对象试验期间其他食物摄入信息采用食堂记账法记录收集（表1）。

1.2 仪器与设备

Fresco21型高速冷冻离心机，美国Thermo公司;Gel DOC XR凝胶成像系统，美国Bio-Rad公司;GeneAmp 7900聚合酶链式反应仪，美国ABI公司;508-U001 Ion Torrent测序平台、2.0 Qubit荧光定量仪，美国Invitrogen公司;SW-CJ-2D型双人单面超净台，苏州净化设备有限公司。

1.3 研究设计

本研究为随机对照干预研究，按照随机整群抽样原则，选取内蒙古自治区托克托县某普通高中一年级4个班、某职业高中一年级2个班高中学生开展马铃薯馒头干预研究。研究对象以班级为单位随机分为小麦馒头组、马铃薯馒头组（平衡对照）和普通膳食组（一般对照），每组各2个班级。设普通膳食组以排除长期连续摄入馒头主食可能对肠道菌群的影响。小麦馒头组每日进食1餐小麦馒头主食，马铃薯馒头组每日进食1餐马铃薯馒头主食，普通膳食组学生自由进食，干预持续8w。小麦馒头组与马铃薯馒头组膳食除每日仅1餐主食（分别提供小麦馒头和马铃薯馒头）摄入不同外，其余餐次所提供食物种类均相同。研究对象纳入标准：（1）身体健康，无消化系统疾病、肾脏疾病、心脏疾病等严重疾病。（2）能够坚持连续8w每天摄入馒头主食1餐。（3）对小麦粉或马铃薯全粉无过敏。每组选取5名研究对象，分别于干预前、干预后采集晨起粪便样品进行菌群检测，以评价其肠道菌群结构变化情况（表2）。本研究已通过伦理委员会审批，且研究对象本人及其监护人均已签署知情同意书。

1.4 肠道菌群检测

干预前所采集粪便样品于-80℃冻存，8w后与干预后所采集粪便样品同批次进行肠道菌群检测。提取粪便样品菌群全基因组DNA，使用16s rDNA 通用引物进行V4区PCR扩增并建库测序。通过采集菌群16s rDNA信息进行肠道菌群种类及丰度分析。

1.5 数据处理与分析

下机检测数据经过数据过滤滤除低质量reads后，再进行后期分析。通过reads之间的Overlap关系将reads拼接成Tags。利用软件USEARCH（v7.0.1090）将拼接好的Tags在97%相似水平下划分为分类操作单元（Operational Taxonomic Units，OTU），并与数据库比对，进行物种注释。基于OTU和物种注释结果进行样品物种复杂度分析以及组间物种差异分析。以Alpha多样性指数（Observed Species指数、Chao指数、Ace指数、Shannon指数和Simpson指数）反映单样品物种多样性，其中，Observed Species指数、Chao指数和Ace指数反映样品中的群落丰富度，Shannon指数和Simpson指数反映群落多样性。前4项指数值越大表明样品中的菌群物种越丰富，而Simpson指数值越小表明样品中的菌群物种越丰富。相同菌群物种丰富度的情况下，群落中各物种具有越大的均匀度，则认为群落具有越大的多样性。

2 结果与分析

2.1 研究对象一般特征

15名研究对象年龄分布为15.8～17.8岁，身高为149.0～163.0cm，体重为40.0～65.0kg，体质指数为17.4～25.6kg/m 2，不同组别之间身高、体重及体质指数存在统计学差异（P<0.05）（表3）。研究对象有1人为蒙古族（马铃薯馒头组），其余14人均为汉族。所有研究对象在基线调查时均已出现首次月经。3组研究对象在干预期间摄入食物类别基本一致，普通膳食组主食为大米、馒头、包子类，蔬菜为马铃薯、茄子、菜花、白菜等，肉类主要为猪肉、鸡肉;马铃薯馒头组和小麦馒头组主食为大米、馒头、油饼类，蔬菜主要有韭菜、青椒、菜花、白菜、红薯、萝卜、西红柿、马铃薯等，肉类主要为猪肉、鱼肉。干预期间，马铃薯馒头组平均每人每天摄入马铃薯馒头104.2g，小麦馒头组平均每人每天摄入小麦馒头95.4g。

2.2 肠道菌群种类及丰度分析

2.2.1 OTU丰度分析 统计97%相似度下的OTU丰度信息，以反映样品肠道菌群的物种丰富程度。15名研究对象，干预前后30个样品（每名研究对象于基线和终期各采集1次）共产生342个OTU，其中小麦馒头组、马铃薯馒头组、普通膳食组在干预前OTU数量分别为124、91和118，干预后3组OTU变化幅度分别为-16（-12.9%）、+3（+3.3%）、-6（-5.1%）（表4）。

图1为利用Venn图展示多样品共有和各自特有OTU数量以及样品间OTU数量的重叠情况。不同颜色代表不同样品组别。不同图形之间交叠部分数字为两组之间共有OTU数量，非交叠部分数字分别代表不同组别各自特有OTU数量。如图1所示，干预后小麦馒头组和普通膳食组OTU数量均有降低，而马铃薯馒头组OTU数量则有增加。同基线相比，小麦馒头组、马铃薯馒头和普通膳食组干预前后共有的OTU数量分别占基线总数的81.9%、85.0%、78.9%。

2.2.2 菌群种类及丰度分析 分别在门和属水平上分析所检测主要肠道菌群物种及其构成比例。在菌门水平上，主要构成菌群为拟杆菌门、硬壁菌门、蛋白菌门、放线菌门。与其他两组人群相比，马铃薯膳食组人群主要肠道菌群构成比例干预前后变化幅度最小（-3.87～2.30）%，小麦馒头组变化幅度最大为（-8.00～7.91）%，普通膳食组人群干预前后变化幅度为（-4.67～ 7.05）%。在菌属水平上，3组人群肠道菌群构成排名前10的菌属中，有8种为3组共有菌属，分别为普氏菌属、梭状芽孢杆菌属、柔嫩梭菌属、罗氏菌属、双歧杆菌属、萨特氏菌属和瘤胃球菌属。马铃薯组干预前后主要菌群变化幅度最小为（-3.03～4.50）%;小麦馒头组和普通膳食组分别为（-2.41～8.74）%、（-17.12～14.35）%（表5、图2～3）。

2.3 菌群多样性分析

2.3.1 样品内多样性分析 样品内多样性以Alpha多样性指数评价。干预前后Observed Species指数、Chao指数、Ace指数和Shannon指数，马铃薯馒头组均低于小麦馒头组和普通膳食组，而Simpson指数马铃薯馒头组则高于小麦馒头组和普通膳食组。提示干预前后，马铃薯馒头组菌群丰度要小于小麦馒头组和普通膳食组。从干预前后的变化趋势分析，马铃薯馒头组的Observed Species指数、Chao指数、Ace指数、Shannon指数和Simpson指数均呈现较小麦馒头组和普通膳食组较小的变化幅度，且Simpson指数3组间差异有统计学意义（图4、表6）。

2.3.2 样品间多样性分析 不同群体间菌群Beta多样性以Bray-Curtis评价，Bray-Curtis距离值在0～1之间，值越大表示样品间的差异越大。同一研究对象干预前后菌群间Bray-Curtis均值，小麦馒头组、马铃薯馒头组均低于普通膳食组，分别为0.28±0.13、0.22±0.08、0.64±0.19。其余不同样品两两间Bray-Curtis值以热图形式反映（图5），蓝色值最小（0）、红色值最大（1），马铃薯馒头组干预前后Bray-Curtis值多呈现蓝色，而普通膳食组呈现与红色较为接近，小麦馒头组则居于二者之间。

3 讨论

肠道菌群结构变化及其代谢产物对调节人体健康起到了重要作用[21-25]。肠道菌群的结构随着膳食结构及摄入食物种类的不同而存在较大差异，膳食结构的改变将会引起肠道菌群种类、数量及其代谢活动的变化[26]。

本研究为首次针对马铃薯主食产品摄入对肠道菌群结构影响分析所开展的研究。研究发现，长期連续摄入马铃薯全粉占比30%的马铃薯馒头主食并未对其肠道菌群结构产生显著影响。干预前后，马铃薯馒头组、小麦馒头组及普通膳食组人群肠道菌群结构变化均不显著。研究表明，膳食中碳水化合物、蛋白质和脂肪的含量及种类会对肠道菌群的构成产生显著影响，其中碳水化合物主要以抗性淀粉及某些功能性低聚糖在发挥重要影响作用。本研究中，研究对象所摄入的马铃薯全粉占比30%的马铃薯馒头与小麦馒头的供能营养素构成差别不大。与小麦馒头相比，30%的马铃薯馒头中碳水化合物、蛋白质及脂肪的含量均有降低，但降低幅度并不大，仅为9.1%～10.0%。因此，长期连续摄入仅替换30%小麦粉的马铃薯馒头并不会引起膳食结构的显著性变化，其肠道菌群结构也不会产生显著性变化。动物实验表明[27]，酶解处理的马铃薯渣对大鼠肠道菌群有一定的调节作用，可以显著提高回肠、盲肠、结肠及相应粘膜的乳酸杆菌数量，并显著降低回肠、盲肠、结肠及相应粘膜的大肠杆菌数量。马铃薯渣主要成分为原鲜马铃薯中的膳食纤维，而马铃薯馒头中，膳食纤维的含量相对较少，而膳食纤维摄入的增加将引起肠道菌群构成的显著变化。虽然国外相关研究发现，长期摄入马铃薯可能会导致血压、血糖变化[28-29]，我们认为这更多是因为马铃薯食用形态不同所导致，西方国家对马铃薯加工多采用油炸及烘烤等方式，而该种加工方式会产生较多不利于人体健康的化学物质[30]。

本研究尚存在一定局限性。首先，本研究中研究对象仅以女性青少年为目标群体开展，而对男性青少年的影响效果尚需进一步验证;研究对象数量仅15例，但研究采用组内干预对象自身前后对照及组间自由膳食及小麦馒头平衡膳食对照设计，更易比较分析其干预前后变化。其次，本研究对干预前后对研究对象膳食摄入状况并未进行精确定量分析，但通过食堂食物购买记录单进行膳食类别定性分析，同样可反映研究对象膳食结构的基本状况。基于以上分析，本研究认为，长期连续摄入30%的马铃薯馒头，并不会引起人体肠道菌群结构的显著变化。◇

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Effect of Steamed Potato Bread Intake in Female Adolescents on Gut Microbiota

XU Hai-quan，GUO Yan-zhi，MA Yun-qian，LU Shi-jun，SUN Jun-mao

（Institute of Food and Nutrition Development，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Beijing 100081，China）

Abstract：A randomized controlled trial including steamed potato bread group（30% potato flour），steamed wheat flour bread group（100% wheat flour）and free diet group was carried out for 8 weeks.15 female adolescents were selected for evaluation the effect on gut microbiota.The results showed that the changes of OTUs of the gut microbiota in steamed wheat flour bread group，steamed potato bread group and free diet group were -12.9%，+3.3%and -5.1%，respectively.Both the abundance of 4 major microbiota at phylum level（Bacteroides，Firmicutes，Proteobacteria and Actinomycetes）and the abundance of 8 major common microbiota at genus level（Prevotella ，Bacteroides，Faecalibacterium，Roseburia，Bifidobacterium，Sutterella and Ruminococcus）all showed the smallest change in the steamed potato bread group.The Alpha diversity indexes and the Beta diversity indexes also showed the smallest changes in the steamed potato bread group after the intervention.It indicated that no significant changes in the structure of the human gut microbiota being found because of 30% potato steamed bread intake for long-term continuously.

Keywords：gut microbiota;potato;staple food;adolescent

（責任编辑 李婷婷）