馬鈴薯饅頭攝入對女性青少年腸道菌群結構影響分析

徐海泉 郭燕枝 馬云倩 盧士軍 孫君茂

摘?要：選取某高中和職高青少年群體為研究對象，以班級為整體隨機分為馬鈴薯饅頭（馬鈴薯全粉占比30%）組、小麥饅頭（小麥面粉占比100%）組和普通膳食組3組，開展為期8w的干預研究。隨機抽取小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭組及普通膳食組女性研究對象各5名，分析馬鈴薯饅頭攝入對人體腸道菌群結構的影響。結果表明：與干預前相比，干預后小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭組和普通膳食組腸道菌群OTU數(shù)量變化幅度分別為-12.9%、+3.3%?、-5.1%。在門水平上的4種主要菌群（擬桿菌門、硬壁菌門、蛋白菌門、放線菌門）和屬水平上的8種共有主要菌群（普氏菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、柔嫩梭菌屬、羅氏菌屬、雙歧桿菌屬、薩特氏菌屬和瘤胃球菌屬）豐度均呈現(xiàn)馬鈴薯饅頭組變化幅度最小;Alpha多樣性指數(shù)和Beta多樣性指數(shù)同樣呈現(xiàn)干預前后變化幅度馬鈴薯饅頭組要小于小麥饅頭組和普通膳食組?；谝陨戏治稣J為，長期連續(xù)攝入30%的馬鈴薯饅頭，并不會引起人體腸道菌群結構的顯著變化。

關鍵詞：腸道菌群;馬鈴薯;主食;青少年

伴隨我國馬鈴薯主食化戰(zhàn)略的不斷推進，馬鈴薯主食產品逐漸被廣大居民所接受，其種類也是日漸豐富[1-2]。針對我國人群當前的營養(yǎng)狀況及膳食特點實施馬鈴薯主食化戰(zhàn)略的營養(yǎng)可行性及其社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益等，已有較多研究進行了相關分析，但對馬鈴薯主食化對我國人群健康效應的評估分析相對較少[3-6]。研究發(fā)現(xiàn)，人體營養(yǎng)狀況及健康水平與體內腸道菌群構成存在一定相關性[7-11]，不同膳食結構及食物攝入可影響腸道菌群結構[12-15]。國外研究發(fā)現(xiàn)，長期攝入馬鈴薯對血壓及血糖水平可能會產生一定影響[16-18]。長期連續(xù)攝入馬鈴薯主食產品是否會對體內腸道菌群結構產生一定影響？尚無相關研究。目前，市場馬鈴薯主食產品以馬鈴薯全粉占比30%的馬鈴薯饅頭為主[19]。本研究以30%的馬鈴薯饅頭為干預評價產品，分析對其長期連續(xù)攝入對腸道菌群結構的影響，為科學評估馬鈴薯主食化戰(zhàn)略對我國人群營養(yǎng)健康狀況的影響提供科學依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?馬鈴薯饅頭與小麥粉饅頭制作

馬鈴薯饅頭是以馬鈴薯全粉與普通小麥粉按3∶7重量比例混勻后為原料加工制作而成，小麥粉饅頭由100%小麥粉原料加工制作而成，二者在同一學校食堂加工制作。研究對象試驗期間其他食物攝入信息采用食堂記賬法記錄收集（表1）。

1.2?儀器與設備

Fresco21型高速冷凍離心機，美國Thermo公司;Gel DOC XR凝膠成像系統(tǒng)，美國Bio-Rad公司;GeneAmp 7900聚合酶鏈式反應儀，美國ABI公司;508-U001 Ion Torrent測序平臺、2.0 Qubit熒光定量儀，美國Invitrogen公司;SW-CJ-2D型雙人單面超凈臺，蘇州凈化設備有限公司。

1.3?研究設計

本研究為隨機對照干預研究，按照隨機整群抽樣原則，選取內蒙古自治區(qū)托克托縣某普通高中一年級4個班、某職業(yè)高中一年級2個班高中學生開展馬鈴薯饅頭干預研究。研究對象以班級為單位隨機分為小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭組（平衡對照）和普通膳食組（一般對照），每組各2個班級。設普通膳食組以排除長期連續(xù)攝入饅頭主食可能對腸道菌群的影響。小麥饅頭組每日進食1餐小麥饅頭主食，馬鈴薯饅頭組每日進食1餐馬鈴薯饅頭主食，普通膳食組學生自由進食，干預持續(xù)8w。小麥饅頭組與馬鈴薯饅頭組膳食除每日僅1餐主食（分別提供小麥饅頭和馬鈴薯饅頭）攝入不同外，其余餐次所提供食物種類均相同。研究對象納入標準：（1）身體健康，無消化系統(tǒng)疾病、腎臟疾病、心臟疾病等嚴重疾病。（2）能夠堅持連續(xù)8w每天攝入饅頭主食1餐。（3）對小麥粉或馬鈴薯全粉無過敏。每組選取5名研究對象，分別于干預前、干預后采集晨起糞便樣品進行菌群檢測，以評價其腸道菌群結構變化情況（表2）。本研究已通過倫理委員會審批，且研究對象本人及其監(jiān)護人均已簽署知情同意書。

1.4?腸道菌群檢測

干預前所采集糞便樣品于-80℃凍存，8w后與干預后所采集糞便樣品同批次進行腸道菌群檢測。提取糞便樣品菌群全基因組DNA，使用16s rDNA 通用引物進行V4區(qū)PCR擴增并建庫測序。通過采集菌群16s rDNA信息進行腸道菌群種類及豐度分析。

1.5?數(shù)據(jù)處理與分析

下機檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾濾除低質量reads后，再進行后期分析。通過reads之間的Overlap關系將reads拼接成Tags。利用軟件USEARCH（v7.0.1090）將拼接好的Tags在97%相似水平下劃分為分類操作單元（Operational Taxonomic Units，OTU），并與數(shù)據(jù)庫比對，進行物種注釋。基于OTU和物種注釋結果進行樣品物種復雜度分析以及組間物種差異分析。以Alpha多樣性指數(shù)（Observed Species指數(shù)、Chao指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)）反映單樣品物種多樣性，其中，Observed Species指數(shù)、Chao指數(shù)和Ace指數(shù)反映樣品中的群落豐富度，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)反映群落多樣性。前4項指數(shù)值越大表明樣品中的菌群物種越豐富，而Simpson指數(shù)值越小表明樣品中的菌群物種越豐富。相同菌群物種豐富度的情況下，群落中各物種具有越大的均勻度，則認為群落具有越大的多樣性。

2?結果與分析

2.1?研究對象一般特征

15名研究對象年齡分布為15.8～17.8歲，身高為149.0～163.0cm，體重為40.0～65.0kg，體質指數(shù)為17.4～25.6kg/m?2，不同組別之間身高、體重及體質指數(shù)存在統(tǒng)計學差異（P<0.05）（表3）。研究對象有1人為蒙古族（馬鈴薯饅頭組），其余14人均為漢族。所有研究對象在基線調查時均已出現(xiàn)首次月經(jīng)。3組研究對象在干預期間攝入食物類別基本一致，普通膳食組主食為大米、饅頭、包子類，蔬菜為馬鈴薯、茄子、菜花、白菜等，肉類主要為豬肉、雞肉;馬鈴薯饅頭組和小麥饅頭組主食為大米、饅頭、油餅類，蔬菜主要有韭菜、青椒、菜花、白菜、紅薯、蘿卜、西紅柿、馬鈴薯等，肉類主要為豬肉、魚肉。干預期間，馬鈴薯饅頭組平均每人每天攝入馬鈴薯饅頭104.2g，小麥饅頭組平均每人每天攝入小麥饅頭95.4g。

2.2?腸道菌群種類及豐度分析

2.2.1?OTU豐度分析?統(tǒng)計97%相似度下的OTU豐度信息，以反映樣品腸道菌群的物種豐富程度。15名研究對象，干預前后30個樣品（每名研究對象于基線和終期各采集1次）共產生342個OTU，其中小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭組、普通膳食組在干預前OTU數(shù)量分別為124、91和118，干預后3組OTU變化幅度分別為-16（-12.9%）、+3（+3.3%）、-6（-5.1%）（表4）。

圖1為利用Venn圖展示多樣品共有和各自特有OTU數(shù)量以及樣品間OTU數(shù)量的重疊情況。不同顏色代表不同樣品組別。不同圖形之間交疊部分數(shù)字為兩組之間共有OTU數(shù)量，非交疊部分數(shù)字分別代表不同組別各自特有OTU數(shù)量。如圖1所示，干預后小麥饅頭組和普通膳食組OTU數(shù)量均有降低，而馬鈴薯饅頭組OTU數(shù)量則有增加。同基線相比，小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭和普通膳食組干預前后共有的OTU數(shù)量分別占基線總數(shù)的81.9%、85.0%、78.9%。

2.2.2?菌群種類及豐度分析?分別在門和屬水平上分析所檢測主要腸道菌群物種及其構成比例。在菌門水平上，主要構成菌群為擬桿菌門、硬壁菌門、蛋白菌門、放線菌門。與其他兩組人群相比，馬鈴薯膳食組人群主要腸道菌群構成比例干預前后變化幅度最小（-3.87～2.30）%，小麥饅頭組變化幅度最大為（-8.00～7.91）%，普通膳食組人群干預前后變化幅度為（-4.67～?7.05）%。在菌屬水平上，3組人群腸道菌群構成排名前10的菌屬中，有8種為3組共有菌屬，分別為普氏菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、柔嫩梭菌屬、羅氏菌屬、雙歧桿菌屬、薩特氏菌屬和瘤胃球菌屬。馬鈴薯組干預前后主要菌群變化幅度最小為（-3.03～4.50）%;小麥饅頭組和普通膳食組分別為（-2.41～8.74）%、（-17.12～14.35）%（表5、圖2～3）。

2.3?菌群多樣性分析

2.3.1?樣品內多樣性分析?樣品內多樣性以Alpha多樣性指數(shù)評價。干預前后Observed Species指數(shù)、Chao指數(shù)、Ace指數(shù)和Shannon指數(shù)，馬鈴薯饅頭組均低于小麥饅頭組和普通膳食組，而Simpson指數(shù)馬鈴薯饅頭組則高于小麥饅頭組和普通膳食組。提示干預前后，馬鈴薯饅頭組菌群豐度要小于小麥饅頭組和普通膳食組。從干預前后的變化趨勢分析，馬鈴薯饅頭組的Observed Species指數(shù)、Chao指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均呈現(xiàn)較小麥饅頭組和普通膳食組較小的變化幅度，且Simpson指數(shù)3組間差異有統(tǒng)計學意義（圖4、表6）。

2.3.2?樣品間多樣性分析?不同群體間菌群Beta多樣性以Bray-Curtis評價，Bray-Curtis距離值在0～1之間，值越大表示樣品間的差異越大。同一研究對象干預前后菌群間Bray-Curtis均值，小麥饅頭組、馬鈴薯饅頭組均低于普通膳食組，分別為0.28±0.13、0.22±0.08、0.64±0.19。其余不同樣品兩兩間Bray-Curtis值以熱圖形式反映（圖5），藍色值最?。?）、紅色值最大（1），馬鈴薯饅頭組干預前后Bray-Curtis值多呈現(xiàn)藍色，而普通膳食組呈現(xiàn)與紅色較為接近，小麥饅頭組則居于二者之間。

3?討論

腸道菌群結構變化及其代謝產物對調節(jié)人體健康起到了重要作用[21-25]。腸道菌群的結構隨著膳食結構及攝入食物種類的不同而存在較大差異，膳食結構的改變將會引起腸道菌群種類、數(shù)量及其代謝活動的變化[26]。

本研究為首次針對馬鈴薯主食產品攝入對腸道菌群結構影響分析所開展的研究。研究發(fā)現(xiàn)，長期連續(xù)攝入馬鈴薯全粉占比30%的馬鈴薯饅頭主食并未對其腸道菌群結構產生顯著影響。干預前后，馬鈴薯饅頭組、小麥饅頭組及普通膳食組人群腸道菌群結構變化均不顯著。研究表明，膳食中碳水化合物、蛋白質和脂肪的含量及種類會對腸道菌群的構成產生顯著影響，其中碳水化合物主要以抗性淀粉及某些功能性低聚糖在發(fā)揮重要影響作用。本研究中，研究對象所攝入的馬鈴薯全粉占比30%的馬鈴薯饅頭與小麥饅頭的供能營養(yǎng)素構成差別不大。與小麥饅頭相比，30%的馬鈴薯饅頭中碳水化合物、蛋白質及脂肪的含量均有降低，但降低幅度并不大，僅為9.1%～10.0%。因此，長期連續(xù)攝入僅替換30%小麥粉的馬鈴薯饅頭并不會引起膳食結構的顯著性變化，其腸道菌群結構也不會產生顯著性變化。動物實驗表明[27]，酶解處理的馬鈴薯渣對大鼠腸道菌群有一定的調節(jié)作用，可以顯著提高回腸、盲腸、結腸及相應粘膜的乳酸桿菌數(shù)量，并顯著降低回腸、盲腸、結腸及相應粘膜的大腸桿菌數(shù)量。馬鈴薯渣主要成分為原鮮馬鈴薯中的膳食纖維，而馬鈴薯饅頭中，膳食纖維的含量相對較少，而膳食纖維攝入的增加將引起腸道菌群構成的顯著變化。雖然國外相關研究發(fā)現(xiàn)，長期攝入馬鈴薯可能會導致血壓、血糖變化[28-29]，我們認為這更多是因為馬鈴薯食用形態(tài)不同所導致，西方國家對馬鈴薯加工多采用油炸及烘烤等方式，而該種加工方式會產生較多不利于人體健康的化學物質[30]。

本研究尚存在一定局限性。首先，本研究中研究對象僅以女性青少年為目標群體開展，而對男性青少年的影響效果尚需進一步驗證;研究對象數(shù)量僅15例，但研究采用組內干預對象自身前后對照及組間自由膳食及小麥饅頭平衡膳食對照設計，更易比較分析其干預前后變化。其次，本研究對干預前后對研究對象膳食攝入狀況并未進行精確定量分析，但通過食堂食物購買記錄單進行膳食類別定性分析，同樣可反映研究對象膳食結構的基本狀況。基于以上分析，本研究認為，長期連續(xù)攝入30%的馬鈴薯饅頭，并不會引起人體腸道菌群結構的顯著變化。◇

參考文獻

[1]王秀麗，齊瑋，馬云倩，等.馬鈴薯主食認知水平及消費行為研究[J].中國食物與營養(yǎng)，2017，23（12）：54-57.

[2]劉麗宅，謝晶，汪洋，等.馬鈴薯主食產品研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].糧食加工，2016，41（6）：64-67.

[3]徐海泉，王秀麗，馬冠生.馬鈴薯及其主食產品開發(fā)的營養(yǎng)可行性分析[J].中國食物與營養(yǎng)，2015，21（7）：10-13.

[4]徐海泉，孫君茂，王小虎，等.馬鈴薯與我國小康社會的主食文化[J].中國食物與營養(yǎng)，2016，22（5）：13-16.

[5]逄學思，曲峻嶺，郭燕枝.中國馬鈴薯主食產業(yè)化現(xiàn)狀及未來展望[J].農業(yè)展望，2018，14（4）：28-31.

[6]徐海泉，郭燕枝，馬云倩，等.內蒙古某馬鈴薯主食化試點學校學生馬鈴薯主食攝入及其認知行為調查分析[J].中國健康教育，2018，34（4）：330-333、337.

[7]Mangiola F，et al.Gut microbiota in autism and mood disorders[J].World J Gastroenterol，2016，22（1）：361-368.

[8]Tang WH，Kitai T，Hazen SL.Gut microbiota in cardiovascular health and disease[J].Circ Res，2017，120（7）：1183-1196.

[9]De Vadder F，Kovatcheva-datchary P，Goncalves D，et al.?Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits[J].Cell，2014（156）：84-96.

[10]Tang WH，Wang Z，Levison BS，et al.Intestinal microbial metabolism of phosphatidylcholine and cardiovascular risk[J].N Engl J Med，2013（368）：1575-1584.

[11]楊莉，葛武鵬，梁秀珍，等.高通量測序技術研究不同喂養(yǎng)和分娩方式對不同月齡嬰幼兒腸道菌群的影響[J/OL].食品科學.1-13[2018-11-07].

[12]Tomás-Barberán FA，et al.Interactions of gut microbiota with dietary polyphenols and consequences to human health[J].Curr Opin Clin Nutr Metab Care，2016，19（6）：471-476.

[13]Yang BG，Hur KY，Lee MS.Alterations in gut microbiota and immunity by dietary fat[J].Yonsei Med J，2017，58（6）：1083-1091.

[14]Healey GR，Murphy R，Brough L，et al.Interindividual variability in gut microbiota and host response to dietary interventions[J].Nutr Rev，2017，75（12）：1059-1080.

[15]周一鳴，趙燊，馮飛，等.凝固型苦蕎酸奶對小鼠腸道菌群調節(jié)作用的研究[J/OL].食品科學.1-15[2018-11-07].http：//kns.cnki.net/kcms /detail/11.2206.TS.?20180919.1331.056.html.

[16]Borch D，et al.Potatoes and risk of obesity，type 2 diabetes，and cardiovascular disease in apparently healthy adults：a systematic review of clinical intervention and observational studies[J].Am J Clin Nutr，2016，104（2）：489-498.

[17]Muraki I，et al.Potato consumption and risk of type 2 diabetes：results from three prospective cohort studies[J].Diabetes Care，2016，39（3）：376-384.

[18]Borgi L，Rimm EB，Willett WC，et al.Potato intake and incidence of hypertension：results from three prospective US cohort studies[J].BMJ，2016（353）：i2351.

[19]韓黎明，原霽虹，童丹，等.國內馬鈴薯主食產品開發(fā)研究進展——基于專利分析[J].中國食物與營養(yǎng)，2017，23（2）：26-30.

[20]周琳，楊禎妮，唐振闖，等.美國和日本新型主食產品推廣對我國馬鈴薯主食產業(yè)化的啟示[J].中國食物與營養(yǎng)，2018，24（11）：5-9.

[21]Burcelin R.Gut microbiota and immune crosstalk in metabolic disease[J].Biol Aujourdhui，2017，211（1）：1-18.

[22]Pickard JM，et al.Gut microbiota：role in pathogen colonization，immune responses，and inflammatory disease[J].Immunol Rev，2017，279（1）：70-89.

[23]Lai ZL，et al.Fecal microbiota transplantation confers beneficial metabolic effects of diet and exercise on diet-induced obese mice[J].Sci Rep，2018，8（1）：15625.

[24]Federico A，Dallio M，DI Sarno R，et al.Gut microbiota，obesity and metabolic disorders[J].Minerva Gastroenterol Dietol，2017，63（4）：337-344.

[25]Wang F，Zhang C，Zeng Q.Gut microbiota and immunopathogenesis of diabetes mellitus type 1 and 2[J].Front Biosci（Landmark Ed），2016（21）：900-906.

[26]Barratt MJ，et al.The gut microbiota，food science，and human nutrition：a timely marriage[J].Cell Host Microbe，2017，22（2）：134-141.

[27]曲娜，等.酶解馬鈴薯渣對大鼠體重和腸道菌群的影響[J].食品工業(yè)科技，2012，33（14）：363-366.

[28]Lightowler HJ，Henry CJ.Glycemic response of mashed potato containing high-viscocity hydroxypropylmethylcellulose[J].Nutr Res，2009，29（8）：551-557.

[29]Schfer G，et al.Comparison of the effects of dried peas with those of potatoes in mixed meals on postprandial glucose and insulin concentrations in patients with type 2 diabetes[J].Am J Clin Nutr，2003，78（1）：99-103.

[30]Oohtit A，Al-sharbati M，Gupta I，et al.Potato chips and childhood：what does the science say？ An unrecognized threat？[J].Nutrition，2014，30（10）：1110-1112.

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，F(xiàn)irmicutes，Proteobacteria and Actinomycetes）and the abundance of 8 major common microbiota at genus level（Prevotella?，Bacteroides，F(xiàn)aecalibacterium，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

（責任編輯?李婷婷）