楊 華,葉發(fā)銀,趙國華*
(西南大學食品科學學院,重慶 400715)
膳食多酚與腸道微生物相互作用研究進展
楊 華,葉發(fā)銀,趙國華*
(西南大學食品科學學院,重慶 400715)
近年來膳食多酚與腸道微生物的相互作用逐漸成為食品科學、營養(yǎng)學和生物學的研究熱點。多酚的抗衰老、抗腫瘤、預防心腦血管疾病的功能發(fā)揮主要依賴于腸道微生物對其的代謝;多酚的腸道微生物代謝產(chǎn)物又會通過影響腸道微生物菌相進而影響人體健康。本文在廣泛查閱文獻的基礎(chǔ)上,綜述腸道微生物對膳食結(jié)合態(tài)多酚的釋放、代謝和影響因素以及多酚及其代謝產(chǎn)物對腸道微生物菌相和酶的影響,以期為膳食多酚和腸道菌群相互作用的深入研究提供一定參考依據(jù)。
多酚;腸道菌群;代謝;相互作用
酚類化合物是指分子結(jié)構(gòu)中有若干個酚性羥基的植物成分的總稱。按照結(jié)構(gòu)分為類黃酮和非類黃酮化合物兩大類,前者包括花色苷和黃酮醇、黃烷酮等,后者包括咖啡酸、阿魏酸、綠原酸等小分子酚酸和單寧。來自于食物的酚類化合物稱為膳食多酚,它是植物性食物中重要的功能成分,廣泛存在于水果、蔬菜、谷物類、茶、咖啡等食物中[1]。大量研究表明膳食多酚對人體衰老以及諸如腫瘤、心血管疾病等代謝性疾病具有預防和控制作用。不可否認的是多酚在體內(nèi)的代謝吸收對其功能發(fā)揮至關(guān)重要。在過去很長一段時間內(nèi),生物學界普遍認為多酚的消化吸收主要發(fā)生在小腸部位[2]。但近年來對食品中膳食多酚形態(tài)和腸道微生物的進一步研究使我們對多酚的代謝吸收有了新的認識。膳食多酚按其形態(tài)可分為游離態(tài)多酚與結(jié)合態(tài)多酚[3]。游離態(tài)多酚主要吸收部位在小腸,而結(jié)合態(tài)多酚需要在腸道微生物產(chǎn)生的一系列酶的作用下經(jīng)游離、轉(zhuǎn)化等過程后被人體代謝利用[4]。但同時發(fā)現(xiàn),膳食多酚及其代謝物對腸道微生物的菌相有明顯影響[5]。鑒于腸道微生物在維護人體健康中的重要作用,我們認為膳食多酚與腸道微生物的相互作用是多酚類物質(zhì)發(fā)揮其生物調(diào)節(jié)作用的重要途徑。目前有關(guān)這方面的研究還比較薄弱,但已逐漸成為食品科學、營養(yǎng)學和生物學的研究新熱點。為加快該領(lǐng)域的研究,本文在廣泛查閱文獻的基礎(chǔ)上,對膳食多酚與腸道微生物的相互作用進行綜述。
腸道微生物對膳食多酚的影響主要包括兩個方面;1)食物中的結(jié)合態(tài)多酚在腸道微生物的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)游離化;2)結(jié)腸中膳食多酚能在腸道微生物分泌的酶的作用下發(fā)生代謝。
1.1腸道微生物對膳食結(jié)合態(tài)多酚的游離化
水果和蔬菜中的多酚大部分以游離形式存在,而谷物中的大多數(shù)酚類呈結(jié)合態(tài)。玉米、小麥和大米中的結(jié)合態(tài)多酚大約分別占其總酚的85%、75%和62%。結(jié)合態(tài)多酚大多以共價作用與細胞壁結(jié)構(gòu)成分如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、蛋白質(zhì)等結(jié)合而存在。如羥基苯甲酸通過苯環(huán)上的羥基與木質(zhì)素連接成鍵,或者通過羧基與糖類和蛋白質(zhì)形成酯。膳食中只有結(jié)構(gòu)簡單的酚類諸如苷元、黃酮醇單體及二聚體和部分多酚配糖體能在小腸中直接被吸收,這部分多酚只占膳食總酚的5%~10%[6];而結(jié)合態(tài)多酚能夠抵抗胃和小腸的消化作用到達結(jié)腸。結(jié)腸中的腸道菌群能夠分泌多種多酚代謝酶,如α-鼠李糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖醛酸酶等。這些酶能催化糖苷類多酚去糖基化、原花青素聚合物解離以及酯化酚酸水解等,這些反應最終使結(jié)合態(tài)多酚發(fā)生解離而釋放成為游離態(tài)多酚。Couteau等[7]從人糞便分離出了能產(chǎn)肉桂酰酯酶的大腸桿菌(Escherichia coli,3 株)、乳雙歧桿菌(Bifi dobacterium lacti)和加氏乳桿菌(Lactobacillus gasseri,2 株),該酶能催化綠原酸的酯鍵斷裂而釋放咖啡酸。苷元(如槲皮素)與鼠李糖、阿拉伯糖、木糖形成的糖苷只有到達結(jié)腸在腸道微生物所產(chǎn)鼠李糖苷酶等的作用下降解,苷元釋放后才能被進一步消化吸收[8]。對于谷物類食品中常見的細胞壁多糖阿魏酸酯,小腸黏膜上的阿魏酸酯酶對其水解作用非常有限。而在結(jié)腸發(fā)酵過程,細胞壁多糖阿魏酸酯首先在多糖水解酶如木聚糖酶、纖維素酶、果膠酶等作用下降解形成可溶性的寡聚糖阿魏酸酯,進而在雙歧桿菌等腸道微生物所產(chǎn)酯酶的催化將阿魏酸游離[9]??s合單寧往往通過C—N、C—S等共價鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合而存在于食物中,這類結(jié)合態(tài)單寧消化的第一步是在植物乳桿菌等腸道微生物分泌的單寧酶等的作用下將縮合單寧與蛋白質(zhì)分離[10]。
1.2腸道微生物對膳食多酚的代謝降解
表1 腸道微生物介導的多酚代謝降解的反應類型、參與酶及產(chǎn)酶微生物Table1 Reaction types, enzymes and enzyme-producing microbes for polyphenols degradation mediated by gut microflora
膳食中的結(jié)合態(tài)多酚被腸道微生物游離化后或直接進入結(jié)腸的游離態(tài)多酚能在腸道微生物作用下進一步被代謝降解。腸道微生物對游離態(tài)多酚的代謝降解主要是借助于其分泌的一系列酶的作用而實現(xiàn)。不同腸道微生物分泌的各不相同,因此對多酚的代謝方式也不一樣。腸道微生物介導的膳食多酚代謝降解主要包括環(huán)裂解、官能團解離等反應(表1)。腸道微生物介導的黃酮醇、黃烷酮、黃酮化合物的代謝降解通常起始于碳環(huán)上相同位置鍵的斷裂,繼而引起A環(huán)形成羥基化芳香族化合物和B環(huán)形成各種酚酸。圖1給出了柚皮素腸道微生物介導的代謝降解過程[17]。
圖1 多酚的腸道微生物代謝途徑(以柚皮素為例)Fig.1 Biotransformation pathway of polyphenols (phloretin) by gut microflora
實驗研究表明不同來源的花青素由腸道微生物介導代謝降解后形成相似的降解產(chǎn)物。根據(jù)B環(huán)結(jié)構(gòu)的不同,矢車菊色素代謝降解為原兒茶素,錦葵色素的降解產(chǎn)物為丁香酸,甲基花青素的代謝降解產(chǎn)物為香草酸[18]。到達結(jié)腸的縮合兒茶素在腸道微生物作用下主要降解為小分子酚酸[18]。Déprez等[19]的體外實驗發(fā)現(xiàn)原花青素聚合物的腸道微生物代謝產(chǎn)物主要包括對(間)羥基苯乙酸、對(間)羥基苯丙酸和對(間)羥基苯戊酸。綠原酸的酯鍵在人類糞便微生物作用下迅速發(fā)生水解,并通過脫羧反應、雙鍵還原反應或碳4位置去羥基化后轉(zhuǎn)化為乙基兒茶酚或者3-羥基苯丙酸。形成的苯丙酸會進一步通過β-氧化形成苯甲酸[20]。阿魏酸在嚙齒或反芻動物腸道微生物代謝下轉(zhuǎn)化為3-羥基苯丙酸或其他酚酸。不同多酚在腸道微生物介導的代謝降解作用下形成的降解產(chǎn)物也因多酚種類和參與微生物種類而各異。常見的多酚腸道代謝降解產(chǎn)物有間苯三酚、3,4-二羥基苯甲酸、3,4-二羥基苯乙酸和3,4-二羥基苯丙酸等。表2給出了常見多酚的腸道代謝產(chǎn)物及參與微生物。
表2 常見多酚的腸道微生物介導的代謝產(chǎn)物及參與微生物Table2 Metabolites of common polyphenols and microflora involved in their biotransformation
影響腸道微生物對多酚代謝降解作用的因素主要包括:1)多酚類結(jié)構(gòu)。來自反芻動物的丁酸弧菌能使蘆丁和槲皮苷的C環(huán)裂解,但不能降解苷元槲皮素的C環(huán)。腸道微生物對C-型糖苷化多酚的游離作用明顯弱于O-型糖苷化多酚[25]。體外實驗發(fā)現(xiàn)在同樣條件下發(fā)酵的麥麩膳食纖維中結(jié)合態(tài)阿魏酸游離化的速度明顯低于甜菜纖維中的結(jié)合態(tài)阿魏酸,這主要是結(jié)合態(tài)多酚的結(jié)構(gòu)差異造成的。麥麩中阿魏酸是與阿拉伯木聚糖結(jié)構(gòu)中的阿拉伯糖殘基酯化的,而甜菜中的阿魏酸是與果膠側(cè)鏈中的阿拉伯糖殘基和半乳糖殘基(各占約50%)酯化的。2)微生物的種類。研究表明人的雌馬酚代謝表型(即能否將大豆苷元轉(zhuǎn)化為雌馬酚)決定于其腸道的微生物組成,雌馬酚產(chǎn)生者的腸道中擁有中間鏈球菌(Streptococcus intermedius ssp.)、產(chǎn)生消化鏈球菌(Ruminococcus productus spp.)、卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus spp.)等微生物,而雌馬酚非產(chǎn)生者的腸道中則缺少這些細菌[7]。
2.1膳食多酚對腸道微生物菌群構(gòu)成的影響
表3 多酚對腸道微生物影響的體內(nèi)外實驗研究結(jié)果Table3 Recently reported effects of polyphenols on intestinal bacteria both both in vivo vivo and and in vitro tro
現(xiàn)有的體內(nèi)外實驗結(jié)果表明多酚可選擇性地抑制腸道致病菌,促進雙歧桿菌等有益菌的生長,減少厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的比例,從而優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu),對健康產(chǎn)生積極意義(表3)。Tzounis等[15]的體內(nèi)實驗表明黃酮醇會引起乳酸桿菌和雙歧桿菌的增多,F(xiàn)ogliano等[35]對水不溶性可可的體外研究也得到同樣結(jié)論,這種改變會使血漿C反應蛋白(C-reactive protein,CRP)減少,預示著心腦血管疾病發(fā)生率的降低,CRP也是炎癥和急性反應的血液標記物。有規(guī)律地攝食紅酒多酚會使血壓、高密度脂蛋白、甘油三酯顯著減少,這和補充多酚引起的擬桿菌數(shù)量增加有關(guān)。此外攝食紅酒引起變形桿菌數(shù)量的增加會降低尿酸水平[36]。
多酚對微生物的影響取決于酚類的結(jié)構(gòu)、劑量和微生物的種類。對多酚抑制腸道微生物生長的機理研究表明兒茶素等多酚能與被抑制微生物的細胞膜結(jié)合而干擾細胞膜的正常功能從而達到抑制的作用。Sirk等[3]發(fā)現(xiàn)茶黃素和兒茶素的羥基能與細胞膜的脂質(zhì)雙分子層形成H鍵,這種H鍵形成能力與兒茶素的分子結(jié)構(gòu)和聚合度有關(guān)。由于細胞壁結(jié)構(gòu)的差異,G-菌對多酚的抵抗力通常要高于G+菌。再者,有些多酚(如兒茶素)通過產(chǎn)生過氧化氫的方式破壞細胞膜的通透性而起到抑制微生物(如大腸桿菌、綠膿桿菌)生長的作用。此外,據(jù)董璐等[37]茶多酚能夠通過干擾細菌群體感應中信號分子的合成從而影響細菌成膜能力,但是Parker等[28]則認為對腸道微生物起調(diào)節(jié)作用的是多酚的代謝物而非多酚本身。限于我們當前的知識,有些多酚對腸道微生物的調(diào)節(jié)現(xiàn)象有時過于復雜而難于解釋。如茶多酚能抑制產(chǎn)氣莢膜梭菌、艱難梭菌、擬桿菌,但對某些梭菌、雙歧桿菌和乳酸桿菌的影響很小。而表兒茶素能選擇性地抑制溶組織梭菌,促進球形梭菌和大腸桿菌,對雙歧桿菌和乳桿菌基本沒有影響。
2.2膳食多酚對腸道微生物酶活性的影響
腸道微生物可產(chǎn)生與宿主能量代謝、物質(zhì)代謝及遺傳信息轉(zhuǎn)運等系列生理過程密切相關(guān)而種類繁多的酶系統(tǒng),主要包括水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉(zhuǎn)移酶。研究發(fā)現(xiàn),膳食多酚對腸道微生物的酶系統(tǒng)有顯著影響,其影響途徑主要包括:1)多酚通過改變腸道微生物的種類和數(shù)量,進而使微生物代謝酶的種類和數(shù)量發(fā)生相應改變,最終影響到酶參與的代謝反應[38];2)多酚能與腸道中的金屬離子螯合生成不溶性復合物[9],這一方面使某些微生物的生長受到抑制從而影響到微生物的酶系,如多酚與鐵結(jié)合后抑制了某些需氧型微生物血紅素的生成,使該種微生物及其酶系統(tǒng)受到影響。另一方面,由于多酚對金屬離子的螯合作用使多種以金屬離子作為輔酶的微生物酶系由于缺乏輔基而無法合成;3)多酚能直接抑制某些腸道微生物酶系的活性。如體外細胞實驗發(fā)現(xiàn)縮合單寧可以抑制內(nèi)切葡聚糖酶等細菌胞外酶的活性。這種抑制作用主要是通過多酚與酶蛋白分子結(jié)合而實現(xiàn)的。Gradisar等[39]發(fā)現(xiàn)兒茶素能在旋轉(zhuǎn)酶B亞單位的ATP結(jié)合位點上結(jié)合從而抑制了大腸桿菌DNA旋轉(zhuǎn)酶(DNA gyrase)的活性。Plaper等[40]發(fā)現(xiàn)槲皮素也有類似作用。白藜蘆醇灌胃(8 mg/(kg·d))能使大鼠糞便中與結(jié)腸腫瘤發(fā)病有關(guān)的酶活性降低,即β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、黏多糖酶和硝基還原酶的活性分別降低了21%、45%、37%、41%和26%[36]。但尚不清楚這些酶活性的變化是由于白藜蘆醇對酶的直接抑制作用還是白藜蘆醇改變腸道菌群結(jié)構(gòu)的結(jié)果。體外實驗表明包括白藜蘆醇在內(nèi)的多種多酚對環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)有明顯的抑制作用[41]。
近10 年來,隨著腸道菌群在健康調(diào)控和代謝控制中的作用逐步得到確認,一些傳統(tǒng)的營養(yǎng)理念得到挑戰(zhàn)和更新,腸道菌群相關(guān)健康科學得到了飛速發(fā)展。就多酚類物質(zhì)而言,腸道菌群的參與使我們對多酚類物質(zhì)的體內(nèi)代謝吸收有了新的認識。而利用膳食調(diào)節(jié)和優(yōu)化腸道菌群進而提升人類的健康水平有著巨大的現(xiàn)實意義。膳食多酚與腸道菌群的相互作用的研究雖然最近得到了極大的重視,也取得一些可喜的研究成果,但總體來看,仍十分不完善,尚有很多懸而未決的問題值得進一步去探索。就作者的角度而言,今后針對膳食多酚與腸道菌群的研究應集中在以下幾點:1)膳食多酚對腸道微生物的影響機理,如通過破壞毒力因子、抑制DNA的合成、產(chǎn)生活性氧等來抑制特定腸道微生物;2)以真實食物,如藍莓或葡萄等,而非多酚提取物為實驗對象研究膳食多酚對腸道菌群的影響;3)利用代謝組學研究膳食多酚在結(jié)腸中的代謝途徑,而目前的這類研究以簡單的體外模擬結(jié)腸發(fā)酵為主;4)總結(jié)膳食多酚對腸道菌群調(diào)節(jié)與預防或輔助治療特定疾病的關(guān)系,為進一步膳食指導奠定基礎(chǔ)。
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Advances in Interactions between Gut Microflora and Dietary Polyphenols
YANG Hua, YE Fayin, ZHAO Guohua*
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)
In recent years, the interactions between the gut microbiota and polyphenols have gradually become a hotspot in food science, nutriology and biology. The functions of ployphenols such as antiaging, antitumor, and preventive effects on cardiovascular and cerebrovascular diseases mainly rely on their metabolism by the gut microbiota. The metabolites of ployphenols by intestinal microorganisms affect human health by influencing the gut microbial community. On the basis of an extensive review of relevant literature, this paper summarizes recent progress in understanding the release and metabolism of dietary bound phenolics by the gut microbiota under the influence of several factors, and the influence of polyphenols as well as their metabolites on the gut microflora and related enzymes, aiming to provide valuable
for in-depth study on the interactions between the gut microbiota and dietary polyphenols.
polyphenols; gut microbiota; metabolism; interaction
TS201.4
A
1002-6630(2015)03-0223-05
10.7506/spkx1002-6630-201503043
2014-02-09
國家自然科學基金面上項目(31371737)
楊華(1991—),女,碩士研究生,研究方向為食品化學。E-mail:1138399595@qq.com
趙國華(1971—),男,教授,博士,研究方向為食品化學與營養(yǎng)學。E-mail:zhaoguohua1971@163.com