人肠道产丁酸细菌及其所产丁酸的促健康作用研究进展

高文文，孟祥晨*

（东北农业大学 乳品科学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030）

产丁酸细菌作为一类重要的肠道细菌，近年来引起许多研究者的关注。目前，有不少研究已从人类肠道中分离出一些丁酸产生菌，并对其益生特性进行了广泛研究，但由于受传统培养方式的限制，仍对这类微生物知之甚少。产丁酸细菌在厌氧条件下能够发酵碳水化合物产生短链脂肪酸，且以丁酸为主。

丁酸又名酪酸，是一种短链脂肪酸，它是人肠道上皮细胞的主要营养物质，人体内超过95%的丁酸在结肠内产生和吸收[1]，一定水平的丁酸能够使结肠细胞保持稳定，从而可防止或抑制癌变[2]，调节肠道菌群失调和治疗肠易激综合征、抗生素相关性肠炎、急慢性腹泻等疾病[3]。在动物中，丁酸能够提高动物的免疫功能，促进动物生长并能影响肉的品质[4]；在反刍动物中，瘤胃中丁酸的产生也与乳品品质密切相关[5]。丁酸属于脂肪酸，当通过外界食物摄取时，在其到达大肠发挥作用之前就基本被吸收，因此无法在下消化道中发挥益生作用；而丁酸也是大肠中产丁酸细菌的主要代谢物，因此，大肠中产丁酸微生物对机体健康意义重大。本文根据近年来国内外的最新研究进展，重点综述了从人肠道中分离筛选出的产丁酸细菌的种类、特点、与乳酸菌的互惠共生作用，以及丁酸的益生作用。

1 人肠道菌群概述

人结肠存在约1 000～1 150 种细菌，主要以严格厌氧的革兰氏阳性菌为主，且具有宿主特异性[6]。每一种细菌都拥有独特的基因组，它们能够编码许多人类基因组不能编码的酶[7]，从而对人新陈代谢作出重要贡献。细菌定植始于分娩之后，随着年龄的增长，人类肠道微生物的组成逐渐发生变化[8]，进而导致肠道微生物组成在不同年龄之间存在显著差异。可以将肠道微生物生态系统比作一种虚拟的内分泌器官[9]，它们与免疫系统类似，都能够为宿主提供营养并能维持机体生理平衡。通过比较健康受试者与患者的粪便微生物发现，肠道微生物与许多胃肠道疾病的发生有关，如炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）、肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）、结肠癌以及抗生素相关腹泻等。最近的研究表明，肠道微生物也与肥胖以及糖尿病的发生有关[10]。由此可见，肠道微生态系统对维持肠道稳态至关重要，与人类健康和疾病密切相关，其中产丁酸细菌的作用更不容忽视。

2 肠道产丁酸的细菌

产丁酸细菌不是某一确定的种属，而是一类能够发酵碳水化合物、主要代谢产物为丁酸的细菌统称。通过对人肠道微生物的广泛研究发现，产丁酸细菌主要分布在梭菌属（Clostridium）、真杆菌属（Eubacterium）以及梭杆菌属（Fusobacterium）等中。过去受传统培养方法的限制，人们对肠道产丁酸细菌知之甚少，但随着分子生物学技术的发展，人结肠微生物的多样性逐渐被揭示，近年来，利用分子生物学技术研究产丁酸的主要细菌种类已经取得了较大进展。

2.1 普拉梭菌

普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）是一类无芽孢、非运动性、具有圆形末端的革兰氏阳性长杆菌，对氧的要求十分严格，即使在严格厌氧条件下也很难被培养。Faecalibacterium prausnitzii曾经被命名为Fusobacterium prauznitzii[11]，其DNA的G＋C的摩尔分数为47%～57%[12]。这类细菌的代谢产物除丁酸外，还有D-乳酸、甲酸等，并且能够利用乙酸作为发酵碳源而产丁酸。虽然在婴儿早期F. prausnitzii的丰度较低，但在健康的成人肠道中，F. prausnitzii约占粪便总微生物的5%，是肠道中最丰富的细菌[13]，肠道pH值、氧含量等条件变化都会影响F. prausnitzii的丰度[12]。F. prausnitzii是维持肠道健康的主要微生物[14]，许多患有肠道疾病和代谢性疾病的人群，其肠道菌群中F. prausnitzii的丰度降低[15-16]。

F. prausnitzii具有免疫调节活性，Martín等[9]从健康的成人粪便中分离出10 株F. prausnitzii，这些菌株对两种细胞模型HT-29和PBMC免疫调节的实验结果表明，所有实验菌株都能够抑制HT-29细胞中促炎因子白介素（interleukin，IL）-8的生成，还能促进PBMC细胞的生长和抗炎因子IL-10的合成。Laval[17]、Miquel[18]等分别将F. prausnitzii应用于患有不同胃肠道疾病的模型小鼠，研究F. prausnitzii对肠道疾病的作用，结果发现该菌在治疗IBD和IBS时均起重要作用。F. prausnitzii还可以抑制肠道中某些致病菌如大肠杆菌（Escherichia coli）、志贺氏菌（Shigella）等的定植[19]。因此，F. prausnitzii有潜力作为下一代益生菌。

2.2 丁酸梭菌

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）最初从健康人体粪便中分离得到，并已实现商业化。它是梭菌属中一种严格厌氧的革兰氏阳性菌，在培养后期可能转变为革兰氏阴性菌。其菌体形态为两端钝圆的杆状或弯曲杆状，因具有芽孢，菌体中间膨大呈梭状，单个、成对或以短链排列，具有运动性，发酵葡萄糖或淀粉等碳水化合物的主要代谢产物为丁酸，此外还可产生乙酸、丙酸、淀粉酶、糖苷酶、维生素等。

一些国家主要将C. butyricum用于能源开发，生产丁酸和氢气，并以甘油为底物生产1,3-丙二醇等[20]。此外，C. butyricum具有许多益生作用，如调节肠道微生态、抗炎、抗氧化、增加机体免疫力等[21-23]；因此，中国、日本及许多欧盟国家利用C. butyricum开发药物、食品、饲料等。廖秀冬[21]研究表明C. butyricumCGMCC8187可显著增加小鼠肝脏和结肠黏膜中抗氧化物酶如谷胱甘肽S-转移酶和超氧化物歧化酶等的活性，并能抑制氧化应激。贾玲玲[22]研究发现，C. butyricumGGMCC0313.1能够增加T2D小鼠模型肠道中产丁酸菌的数量，进而促进短链脂肪酸的产生以及胰高血糖素样肽-1的分泌，同时，该菌能够促进胰腺中胰岛素的分泌，最终达到降血糖作用。Takahashi等[23]研究表明日粮中添加C. butyricumMIYAIRI588能够显著提高肉鸡和断奶仔猪的生长能力，在坏死性肠炎模型肉鸡中发现，该菌能降低坏死性肠炎的发生率和严重程度。目前，我国已将C. butyricum进行商业化应用，未来仍需开发生物性能优良的安全菌株，推动C. butyricum在人和动物生产中的应用。

2.3 Butyricicoccus pullicaecorum

Butyricicoccus pullicaecorum最初是从鸡粪便中分离得到的严格厌氧、非运动性的革兰氏阳性球菌，通常成对或成短链状排列，单菌落为白色、光滑的圆形，直径为1～2 mm。其主要代谢产物为丁酸、H2和CO2，模式株为25-3T（＝LMG 24109T＝CCUG 55265T），DNA的G＋C的摩尔分数为54.5%[24]。Geirnaert等[25]对菌株25-3T进行了胃液和小肠液耐受性实验，结果表明25-3T可以在pH 2和pH 3以及胆汁环境中存活并保持代谢活性，但在酸性条件下不具备培养性。Steppe等[26]通过小鼠口服毒性实验以及全基因组测序对菌株25-3T进行了安全性评价，发现小鼠服用25-3T菌液28 d后无不良反应，且其基因组不包含任何毒性因子，而包含有毒化合物抗性基因，因此25-3T是非致病性菌株。研究发现在IBD患者的粪便中Butyricicoccus菌群明显减少，并且由于B. pullicaecorum具有较强的黏附能力和耐酸耐胆盐性能，因此可以通过口服B. pullicaecorum来达到预防结肠炎的作用，其效果与Faecalibacterium prausnitzii相当[27]。所以B. pullicaecorum有可能作为下一代益生菌用于治疗IBD等肠道疾病。

2.4 罗斯氏菌属

罗斯氏菌属（Roseburia）是一类轻微弯杆、具有运动性、严格厌氧的革兰氏染色不定的菌属，在培养初期为革兰氏阳性，有些菌株在培养后期可能会转变为革兰氏阴性，能够从人与动物粪便、瘤胃、口腔以及土壤等生境中分离得到。目前，此属包括5 个种，它们的主要代谢产物均为丁酸。Barcenilla等[28]最初从健康人体粪便中分离得到菌株L1-82T，随后Duncan等[29]将其归类于Roseburia中的新种R. intestinalis，并将L1-82T（＝NCIMB 13810T＝DSM 14610T）定义为R. intestinalis的模式株。当以葡萄糖作为发酵底物时，额外添加适量的乙酸能够促进L1-82T的生长，主要代谢产物除丁酸外，还包括乳酸、氢气、二氧化碳等。而且，在培养基中存在乙酸的条件下，L1-82T能够利用低聚果糖作为唯一能源[30]。研究发现在新生儿和出生30 d的婴儿肠道中几乎不存在Roseburia[31]，随着年龄的增长，Roseburia逐渐定植，并且百岁老人肠道中Roseburia的丰度要高于不足百岁的老人[32]。

Roseburia具有许多生理功能，如免疫调节、抗炎特性、调节代谢综合征和调节神经系统等[33]。R. intestinalis是人肠道中最主要的微生物之一，其在IBD患者肠道中的丰度显著降低，表明它与许多胃肠道疾病的发生有关，能够起到有效的抗炎作用。Zhu Changxin等[34]研究表明R. intestinalis（DSMZ-14610）能够抑制由2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）溶液诱导的结肠炎模型小鼠中细胞因子IL-17的表达，从而起到抗炎作用。

2.5 Anaerostipes

Anaerostipes是近年来发现的革兰氏染色不定、有芽孢、严格厌氧、不运动、呈杆状或弯曲杆状的新属，约占人类肠道菌群的2%[35]，它与Roseburia类似，都是革兰氏染色不定菌属。此属为过氧化氢酶和氧化酶阴性，也不能水解明胶和脲酶，其DNA的G＋C的摩尔分数为44.5%～46.0%[35]。目前这个属仅包含4 个种，分别为从人粪便中分离的A. caccae、A. hadrus和A. rhamnosivorans[35-37]以及从鸡粪便中分离的A. butyraticus[38]，其中A. caccae为模式种。它们的共同特点是能够利用乳酸和乙酸作为碳源产丁酸，从而对肠道微生态发挥重要作用。但它们在形态学特性、代谢特性等方面呈现一定差异性。目前，国内外针对此属的研究结果相对较少。

目前太谷县全县50%饮用水来源于庞庄水库，庞庄水库主要向两个水厂（站）供水，分别是太谷县自来水公司在杨家庄村设立的水厂和小白供水站。主要用水区域为太谷县城、小白乡、水秀乡、胡村镇。

3 产丁酸细菌和益生乳酸菌的共生作用

2016年12月，国际益生菌与益生元科学协会将益生元重新定义为：能够被宿主体内的菌群选择性利用并转化为有益于宿主健康的物质[39]。与益生菌相比，益生元具有稳定性，并且更易添加到食物中为人类所利用而发挥益生功能。大多数产丁酸细菌不能直接发酵某些益生元物质，而结肠中的某些乳酸菌可将不易消化的益生元部分水解而产生中间代谢产物，如短寡糖和单糖；此外，乳酸菌也可以将某些益生元完全水解，产生代谢终产物，如乙酸和乳酸[40]，然后产丁酸菌再进一步将这两种类型产物作为次生基质发酵产丁酸。

Belenguer等[40]将青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）和霍氏真杆菌（Eubacterium hallii）共同培养在以抗性淀粉为底物的试管中，证明了E.hallii能够利用B.adolescentis降解抗性淀粉产生的乳酸再进一步形成丁酸。Falony等[30]研究发现，Anaerostipes caccaeDSM 14662不能降解低聚果糖，但是将其与长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）BB536共培养，并以低聚果糖作为唯一能量来源时，后者能降解低聚果糖产生单糖而使A.caccaeDSM14662可以生长。同样，Moens等[41]发现将A.caccaeDSM14662与嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）IBB 801共同培养也能够促进菌株生长和丁酸的生成；当培养基中仅以低聚果糖为碳源时，待嗜酸乳杆菌将低聚果糖全部降解为游离果糖后，A.caccaeDSM14662才能生长；但当培养基中额外添加乙酸时，其可以作为电子受体，从而使A.caccaeDSM14662利用Lb.acidophilusIBB 801产生的乳酸作为生长底物，最终使得A.caccaeDSM14662在发酵初期便可以生长。正是微生物之间的这种共生作用使得产丁酸菌也可以间接发酵益生元产丁酸，从而对宿主产生健康益处。

4 主要代谢产物——丁酸的形成及其健康益处

4.1 丁酸形成途径

产丁酸菌主要通过丁酸激酶途径和丁酰辅酶A（coenzyme A，COA）∶乙酸COA转移酶途径形成丁酸，并且大多数以后者为主（图1）。产丁酸细菌的代谢始于糖酵解作用所产生的丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶作用下生成乙酰COA，然后丁酸的合成主要分为两大步，第一大步是乙酰COA在一系列酶的催化作用下转化为丁酰COA[42]。第二大步是丁酰COA在丁酸激酶（butyric acid kinase，BK）的作用下生成丁酸，这是丁酸产生的传统途径。近年来研究发现，从许多胃肠道中分离出的产丁酸菌不具有BK活性，而是在丁酰COA∶乙酸COA转移酶的作用下利用乙酸作为碳源产生丁酸[43]，这是丁酸合成的另一种途径。Duncan等[44]研究了7 种人肠道产丁酸菌的丁酸形成途径，结果表明，这7 种菌都含有丁酰COA∶乙酸COA转移酶活性，而只有一种菌具有丁酸激酶活性。Louis等[43]从人类粪便中分离38 株厌氧产丁酸菌，通过聚合酶链式反应和酶实验检测丁酸形成酶及其基因，结果显示仅有4 株菌拥有丁酸激酶活性及相关基因，而在分离的38 株产丁酸菌中均检测到了丁酰COA∶乙酸COA转移酶活性，这更加证明了后者在人肠道产丁酸菌中丁酸形成中的重要性。

产丁酸菌除可利用葡萄糖等碳水化学物作为发酵碳源外，还可利用乙酸或者乳酸作为碳源产丁酸，但只有在生长培养基中存在葡萄糖、乳酸等碳源的情况下，额外添加的乙酸才能起到促进微生物生长的作用[45]，具体转化途径见图1。由此可推测，在人类结肠中许多微生物可将乳酸作为前体物质产丁酸，在今后的研究中，可以利用肠道产丁酸菌能够利用乳酸这一特性去筛选获得其他产丁酸细菌。

图 1 丁酸形成途径Fig. 1 Formation pathway of butyrate

4.2 丁酸的益生作用

肠道中最丰富的短链脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等，除一小部分从饮食、内源性蛋白或黏液和脱落的上皮细胞获得，其他短链脂肪酸主要在人和动物结肠中由肠道微生物发酵膳食纤维而来。它们几乎能提供人所需能量的5%～10%[1]。其中最重要的短链脂肪酸是丁酸，在人类肠道健康和动物生产等方面发挥着不可忽视的作用。

4.2.1 抗炎作用

4.2.2 抗癌作用

目前，已使用模型小鼠证明了丁酸可以预防和抑制结肠癌的发生[2]。有研究推测大量摄入膳食纤维会引起结肠中丁酸浓度增加，从而发挥抗癌作用[48]。但更多研究主要集中于人类结肠癌组织中单羧酸转运蛋白-1（monocarboxylate transporter1，MCT1）和Na＋偶联单羧酸转运蛋白（sodium-coupled monocarboxylate transporter1，SMCT1）的活性与结肠癌发生的关系，发现：MCT1和SMCT1的降解可以减少结肠中丁酸的摄取与代谢进而诱发结肠癌[49]。丁酸具有抗癌作用（包括诱导细胞分化、凋亡以及抑制细胞增殖），但是丁酸不会抑制正常细胞的生长。丁酸对正常细胞和结肠癌细胞生长的不同作用已被描述为“丁酸悖论”[50]，这种现象可以由Warburg效应来解释。在正常结肠细胞中，首选的能量来源是丁酸，丁酸经β-氧化生成乙酰COA，并最后经三羧酸循环释放大量能量。而在癌细胞中的主要能量来源是葡萄糖，并且通过低糖酵解作用为自身供能，这种作用机制不需要氧气和线粒体参与，此时丁酸没有被代谢生成乙酰COA，抑制了组蛋白乙酰转移酶的活性，从而抑制组蛋白乙酰化，因此最终表现为丁酸作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂在细胞核中积累[51]，而组蛋白去乙酰化酶活性的降低能够抑制肿瘤细胞生长，所以在结肠癌细胞中丁酸表现出抑制细胞生长的活性。

4.2.3 对肠黏膜的作用

丁酸不但具有抗炎及抑制癌症作用，还可以对充当结肠防御屏障的肠黏膜产生积极的作用，从而增强结肠的防御功能。肠道黏膜上的黏液层是能够抵制肠内抗原的第一道防线，而丁酸可以增强黏液层的主要成分，如黏蛋白和三叶因子的分泌。体外研究表明，当丁酸作为HT-29细胞的唯一能量来源时，其可调节许多编码黏蛋白（mucoprotein，MUC）基因的表达，包括显著上调MUC3、MUC5B、MUC5AC以及MUC2的表达[52]；因此丁酸可在转录水平上影响黏液层的组成和性质，从而增强其保护作用。其次，丁酸也能够诱导活性转谷氨酰胺酶、抗菌肽和热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）的合成。已有研究证明，转谷氨酰胺酶可以促进肠黏膜的愈合，抗菌肽（IL-37）和防御素可保护肠黏膜免受细菌的感染，HSPs可通过抑制炎症调节剂的生成而预防炎症[53-55]。因此，丁酸能够间接增强结肠黏膜的保护作用。但丁酸对人类结肠防御屏障的作用仍需深入研究。

4.2.4 对动物肠道发育、营养物质吸收及生长的作用

据报道，肠道微生物代谢产生的丁酸可减少食物摄入量，降低因饮食而引起的肥胖患病率，此外，丁酸还具有多种代谢益处，如改善胰岛素抗性、促进脂肪氧化等。Lin Jing等[56]研究发现，小鼠经含质量分数5%丁酸钠的高脂饮食喂养2 d后，其食物摄入量和体质量显著降低。Gao Zhanguo等[57]在肥胖小鼠的高脂饮食中添加丁酸钠，结果表明用丁酸钠处理5 周后，肥胖小鼠的体质量、脂肪含量和空腹血糖浓度均显著降低，并显著改善了小鼠胰岛素耐受性。Li Zhuang等[58]将实验小鼠经灌胃和静脉注射两种不同方式给予丁酸盐，结果发现小鼠仅在灌胃给药时表现出食物摄入量的减少，并最终猜测丁酸在进入体循环系统前就能够抑制下丘脑中表达神经肽Y的促食欲神经元的活性，从而增加饱腹感。因此，建议可以通过口服途径补充丁酸盐来预防或治疗肥胖以及相关代谢疾病。

基于丁酸的生物学功能，如抑制致病菌、调节免疫和炎症反应以及抗氧化能力等，可以将其应用于畜禽养殖中。在畜禽饲料中可使用丁酸盐代替抗生素作为生长促进剂，Leeson等[4]发现，补充含质量分数0.2%丁酸盐的饮食，能够在不影响肉鸡饲料摄入量的情况下，显著增加肉鸡的胴体质量和胸肉产量。Wu Wei等[8]在一日龄肉鸡的膳食中分别补充0、200、400 mg/kg和800 mg/kg的丁酸钠，实验表明补充800 mg/kg丁酸钠显著刺激了肉鸡空肠和回肠上杯状细胞的生长和回肠绒毛高度的增加，同时有效提高了肉鸡的抗氧化能力以及肉鸡肠道中毛螺菌科、瘤胃菌科的丰度。

仔猪在断奶早期不能很好地消化和吸收营养成分，从而导致生长滞后，而采用丁酸盐作为饲料添加剂可以缓解这种情况。Piva等[59]使用丁酸钠（800 mg/kg）喂食断奶仔猪，发现在喂食丁酸钠的前2 周，断奶仔猪的平均日增质量（average daily gain，ADG）和每日采食量（daily feed intake，DFI）分别显著增加了20%和16%，而在随后的阶段（15～35 d），喂食丁酸钠的仔猪仍具有较高的DFI，ADG却无明显变化。因此，丁酸钠能够促进断奶仔猪的固体饲料摄入量，但仅在断奶初期表现为促进仔猪生长。Mazzoni等[60]分别在仔猪的哺乳期（4～28 d）和断奶后期（29～40 d）喂食丁酸钠（3 000 mg/kg），发现仅在断奶后补充丁酸钠能够显著增加肠内生长抑素阳性细胞的数量，并使胃黏膜厚度显著增加。因此，只有在仔猪断奶后，以低剂量喂食丁酸钠时，才可能促进黏膜的成熟和分化，从而影响胃的形态和功能。

也有少数动物实验表明，丁酸可能存在某些副作用。Tarrerias等[61]研究发现丁酸盐不但不能减少TNBS诱导的超敏反应，相反延长了反应时间。同样地，Lin Jing等[56]也发现丁酸灌肠新生大鼠可能会抑制其体质量增加，并使结肠湿质量增加以及诱导肠黏膜损伤。但这些影响仅限于动物实验，在人体中尚未得到证实。少数研究表明：丁酸也有可能促进肥胖、糖尿病等代谢综合征的发生和发展[62]，但更多的体外研究则证明了丁酸对肥胖具有抑制作用。

虽然丁酸具有许多益生作用，如抗菌、抗炎、抗癌以及对肠黏膜的作用，提高生长性能（包括胴体组成），促进肠组织发育/成熟等；但也需要考虑丁酸对肠道产生的可能不利影响。在过去10 年中，丁酸的生理作用主要集中于体外实验、模型动物和一些临床干预研究，在今后的研究中应更加重视人体内作用的研究，以阐明丁酸盐在健康与疾病中的作用。

5 结 语

人结肠是一个复杂的生态系统，其中微生物群落组成及其性状对宿主健康影响显著。近年来人们逐渐揭示了丁酸的生理作用，相应地，人们也更加关注肠道中能够产丁酸的微生物。随着分子生物学技术的发展，越来越多的肠道产丁酸菌被发现，尤其在聚类XIVa和IV中包含着许多重要的丁酸产生菌，如Roseburia和F. prausnitzii，它们广泛定植于人类肠道，但由于这类菌生长需要比较苛刻的环境，所以可能还有许多产丁酸菌没有被分离培养出来，这需要不断地改进技术进行研究。此外，目前发现产丁酸细菌的丁酸形成途径主要有两种，但这两种途径对于丁酸合成的贡献以及调控机制还不是很清楚，而且是否还存在其他合成途径还有待研究，随着基因组学研究的深入，相信在不久的将来，在这方面将取得较大进展。而且，丁酸的生理功能作用仍需要大量的人体实验去证实。最后，微生物代谢生成丁酸的量相对较低，要使产丁酸细菌能够更好地应用于食品、药品或饲料等方面，仍需要采取一些如优化发酵工艺等手段来提高其合成量，并评价这些微生物的安全性，从而达到真正地使其应用于人类，有益于人类。