脂肪酸對(duì)動(dòng)物腸道微生物菌群的影響

王慧美，劉樂(lè)文，劉麗英，李顯耀

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 泰安 271018)

新一代測(cè)序技術(shù)的普及，使得人們對(duì)腸道微生物的組成和功能有了更深入的了解。大量研究表明，腸道微生物在調(diào)節(jié)宿主健康方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，腸道微生態(tài)的紊亂是導(dǎo)致代謝性疾病(糖尿病、高脂血癥、非酒精性脂肪肝等)發(fā)生的重要原因[1-2]。因此，維持腸道微生態(tài)的平衡是保證宿主健康的關(guān)鍵。在影響腸道微生物的外源因素中，日糧的影響力位于前列，這與通過(guò)日糧攝入的脂肪酸有著密切聯(lián)系，脂肪酸特別是多不飽和脂肪酸(PUFA)可以通過(guò)改善腸道微生物的組成和數(shù)量對(duì)多種疾病產(chǎn)生調(diào)控作用[3]。本文主要總結(jié)日糧中脂肪酸對(duì)腸道微生物的影響及可能存在的機(jī)制，為改善腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)提供參考和借鑒。

1 腸道微生物

腸道微生物是指定植在動(dòng)物腸道中的微生物，這類(lèi)微生物主要依靠動(dòng)物腸道中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行生活，同時(shí)幫助宿主完成多種生理生化功能。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物主要包括細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌和病毒，其中99% 以上的微生物屬于細(xì)菌[4]。粗略估計(jì)，大約含有1 000多種不同門(mén)的細(xì)菌，其中以厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)為主，其他門(mén)細(xì)菌的含量較少，主要包括放線菌、變形菌、梭桿菌和疣微菌以及其他未分類(lèi)的細(xì)菌[5]。大量的研究表明，腸道微生物群在宿主體內(nèi)執(zhí)行許多重要功能，包括保護(hù)宿主免受病原體的侵害、影響宿主體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收、產(chǎn)生必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如維生素來(lái)調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng)以及免疫相關(guān)的健康問(wèn)題等[6-7]。另外，腸道微生物還具有特殊的代謝功能，大腸內(nèi)的微生物可以發(fā)酵利用未被小腸消化吸收的碳水化合物等成分[7]。總之，腸道微生物在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，維持能量平衡以及免疫調(diào)控等方面至關(guān)重要。因此，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物的穩(wěn)態(tài)來(lái)改善宿主的健康。

大量研究表明，動(dòng)物出生前是無(wú)菌的，但是很快就會(huì)被來(lái)自母體和環(huán)境中的微生物所定植，其定植順序是需氧菌及兼性厭氧菌率先在腸道內(nèi)定植，隨后是厭氧菌的定植[8]。隨著動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，其腸道微生物的組成和數(shù)量會(huì)發(fā)生變化。這些變化受到各種因素的影響，包括但不限于生活環(huán)境、應(yīng)激、日糧、抗生素的使用以及疾病的發(fā)生等。其中，日糧被認(rèn)為是影響宿主腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物日糧中的脂肪酸會(huì)對(duì)腸道微生物的數(shù)量和組成產(chǎn)生顯著的影響[3]。

2 脂肪酸的類(lèi)型及主要作用

脂肪酸是動(dòng)物日糧中的一種重要營(yíng)養(yǎng)成分，可以高效地為畜禽提供能量。根據(jù)其碳鏈的飽和程度可以將其分為三大類(lèi)：飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)和PUFA。另外，按照碳鏈的長(zhǎng)短可以將其分為短鏈脂肪酸(SCFA)、中鏈脂肪酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸。SFA指不含雙鍵的脂肪酸，一般較多見(jiàn)的有辛酸、癸酸和月桂酸等，主要存在于豬、牛、羊等動(dòng)物脂肪中，少數(shù)植物脂肪如椰子油、可可油、棕櫚油等也含有。MUFA指含有一個(gè)雙鍵的脂肪酸，種類(lèi)極為豐富，主要包括油酸、肉豆蔻油酸、棕櫚油酸、反式油酸、蓖麻油酸和芥酸等，其來(lái)源主要為黃油、羊脂魚(yú)油以及橄欖油、茶籽油等植物油脂。PUFA指含有2個(gè)或2個(gè)以上的雙鍵且碳鏈長(zhǎng)度為18～22個(gè)碳原子的直鏈脂肪酸，根據(jù)其不飽和鍵的位置，PUFA可以分為n-3 PUFA和n-6 PUFA兩類(lèi)。n-3 PUFA主要有α-亞麻酸、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DPA)等，前者主要存在于亞麻籽、胡桃仁及其種子油中，后兩者主要存在于深海魚(yú)類(lèi)的脂肪中；n-6 PUFA主要有亞麻酸和花生四烯酸等，主要來(lái)源于花生、玉米和葵花籽等植物種子。SCFA一般是指含有1～6個(gè)碳原子的脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸等。

脂肪酸除了作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為動(dòng)物體提供能量外，還可以通過(guò)影響腸道微生物的組成和數(shù)量來(lái)調(diào)控腸道微生態(tài)的平衡。Robertson等[9]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂富含n-3 PUFA日糧的小鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳酸桿菌的豐富度顯著增加，有利于維持宿主腸道微生態(tài)的平衡。另外，SCFA和n-3 PUFA在調(diào)節(jié)動(dòng)物炎癥反應(yīng)以及免疫應(yīng)答方面發(fā)揮著重要作用，研究表明，SCFA不僅能夠影響白細(xì)胞的功能(如炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生和白細(xì)胞的遷移能力)，還可以誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及中性粒細(xì)胞的凋亡[10]。n-3 PUFA可以抑制炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)、減少促炎癥細(xì)胞因子的分泌及誘導(dǎo)免疫細(xì)胞向抗炎癥的方向發(fā)展[11]。因此，日糧中的一些脂肪酸具有調(diào)節(jié)宿主免疫功能的作用。除此之外，日糧中的脂肪酸還對(duì)機(jī)體代謝，動(dòng)物的繁殖性能等具有調(diào)節(jié)作用[11]。

3 脂肪酸對(duì)腸道微生物的影響

大量的研究表明，日糧中的脂肪酸能夠直接或間接影響宿主腸道微生物的組成和數(shù)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)的平衡。

3.1 SFA對(duì)腸道微生物的影響

日糧中的SFA多來(lái)源于肉制品、乳制品以及椰子油、棕櫚油等植物油脂中。Devkota等[12]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂富含SFA的飼料可引起小鼠腸道微生物組成的變化，促進(jìn)了原本低豐度亞硫酸鹽還原性致病菌-沃氏嗜膽菌的繁殖。Lam等[13]研究發(fā)現(xiàn)，C57BL/6J小鼠在攝入富含SFA的飼料后，其腸道菌群內(nèi)厚壁菌門(mén)的比例升高，擬桿菌門(mén)的比例下降，導(dǎo)致擬桿菌門(mén)/厚壁菌門(mén)的比值降低。同樣地，de Wit等[14]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂富含棕櫚油來(lái)源的SFA的飼料后，C57BL/6J小鼠腸道中微生物菌群的豐富度和多樣性下降，擬桿菌門(mén)/厚壁菌門(mén)的比值降低，容易引發(fā)肥胖等疾病的發(fā)生。此外，還有大量的研究證實(shí)SFA能夠改變腸道菌群的數(shù)量和組成，打破腸道微生態(tài)系統(tǒng)的平衡，從而導(dǎo)致代謝性疾病的發(fā)生。

3.2 MUFA對(duì)腸道微生物的影響

目前，關(guān)于MUFA對(duì)腸道微生物組成和數(shù)量影響的研究較少。Mujico等[15]發(fā)現(xiàn)，飼喂高脂飼料導(dǎo)致小鼠腸道微生態(tài)發(fā)生紊亂，在攝入油酸復(fù)合物后腸道內(nèi)雙歧桿菌含量增加，腸道微生態(tài)紊亂的狀況得到改善。同樣地，劉忠臣[16]在研究不同來(lái)源的脂肪對(duì)豬盲腸微生物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與豬油和魚(yú)油相比，椰子油增加了豬盲腸內(nèi)乳酸桿菌和雙歧桿菌的含量，降低了大腸桿菌的含量。雙歧桿菌和乳酸桿菌是腸道內(nèi)的有益菌群，其含量的增加有利于維持宿主的健康。因此，攝入一定量的MUFA對(duì)維持機(jī)體健康具有積極作用。

3.3 PUFA對(duì)腸道微生物的影響

日糧中的PUFA主要來(lái)源于魚(yú)油以及亞麻籽油、大豆油、玉米油等植物油脂中。Bomba等[17]研究發(fā)現(xiàn)，幼豬口服PUFA能夠提高腸道內(nèi)微生物的含量，尤其是乳酸桿菌的含量。另一研究表明PUFA顯著增加肉仔雞腸道內(nèi)乳酸桿菌的含量[18]。乳酸桿菌是腸道有益菌，其含量的增加有利于維持宿主的腸道健康。Huang等[19]研究表明，C57BL/6J小鼠攝入富含n-6 PUFA的飼料后，其腸道菌群中柔壁菌門(mén)的含量下降，變形菌門(mén)的含量增加。柔壁菌門(mén)含量的下降與炎癥的發(fā)生有關(guān)，變形菌門(mén)含量的增加會(huì)導(dǎo)致腸道內(nèi)致病菌含量的增加。因此，食用富含n-6 PUFA的日糧不利于維持宿主的健康。Ghohs等[20]研究發(fā)現(xiàn)，富含n-6 PUFA的日糧導(dǎo)致小鼠腸道內(nèi)細(xì)菌的過(guò)度增長(zhǎng)，但使擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)中微生物的含量下調(diào)，引起腸道菌群的失調(diào)，這些變化與體重增加以及巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)有關(guān)，在此日糧中補(bǔ)充魚(yú)油可恢復(fù)腸道微生物群穩(wěn)態(tài)和炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞募集。同樣的，Mujico等[15]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠食用SFA后，其腸道菌群發(fā)生紊亂，在日糧中添加n-3 PUFA可使腸道中厚壁菌門(mén)和乳酸桿菌的含量增加，改善腸道微生態(tài)。另外，有研究表明，日糧中添加一定比例的n-6/n-3 PUFA更有利于維持腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的平衡。Kaliannan等[21]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道微生物菌群受日糧中n-6/n-3 PUFA的影響，其中，高比值日糧使得腸道內(nèi)變形菌門(mén)的含量增加，這些細(xì)菌與炎癥的發(fā)生相關(guān)，低比值日糧增加了小鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳酸桿菌等具有抗炎作用的細(xì)菌的含量。

綜上所述，膳食中n-3 PUFA和n-6 PUFA均可顯著改變腸道微生物的種類(lèi)和含量，n-3 PUFA可以抑制腸道中具有促炎作用微生物的增長(zhǎng)，促進(jìn)有益菌的增長(zhǎng)，維持腸道微生態(tài)系統(tǒng)的平衡。而n-6 PUFA則增加與炎癥相關(guān)微生物的含量，抑制具有抗炎作用微生物含量的增長(zhǎng)。因此，提高日糧中n-3PUFA的含量，使n-6/n-3 PUFA保持均衡，對(duì)于腸道微生態(tài)的調(diào)控和保證機(jī)體的健康具有重要作用。

3.4 SCFA與腸道微生物的關(guān)系

動(dòng)物體腸道內(nèi)SCFA的來(lái)源主要有兩個(gè)途徑，一是從日糧中直接攝取，二是由動(dòng)物體內(nèi)未消化吸收的碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生[22]。腸道微生物種類(lèi)和含量的改變會(huì)影響動(dòng)物體腸道內(nèi)SCFA種類(lèi)和含量的變化。Wolin等[23]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌的主要發(fā)酵產(chǎn)物是乳酸，擬桿菌屬主要的發(fā)酵產(chǎn)物是乙酸和丁酸，雙歧桿菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物是乙酸、乳酸和甲酸。Marques等[24]研究發(fā)現(xiàn)，添加反式10，順式12共軛亞油酸可以增加小鼠腸道內(nèi)微生物的多樣性和盲腸內(nèi)SCFA的總量。孫曉紅等[25]用健康成年人糞便做細(xì)菌培養(yǎng)的體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SCFA的產(chǎn)量與腸道內(nèi)微生物菌群的含量呈正相關(guān)，SCFA的種類(lèi)和含量可以影響腸道微生物的種類(lèi)和含量。SCFA的增加可進(jìn)一步改善盲腸黏膜的健康狀況[26]。Lu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，高脂日糧誘導(dǎo)肥胖小鼠食用添加醋酸、丙酸、丁酸或其混合物的飼料，腸道微生物的豐富度顯著提高并且其腸道菌群的狀態(tài)得到顯著改善。van Immerseel等[28]研究發(fā)現(xiàn)，甲酸和乙酸處理可使腸道內(nèi)沙門(mén)菌的定植增加，丁酸處理可使腸道內(nèi)沙門(mén)菌的定植減少。

4 脂肪酸影響腸道微生物可能存在的機(jī)制

大量的研究證實(shí)，脂肪酸能夠影響和改變腸道微生物的種類(lèi)和含量。隨著這些結(jié)果的出現(xiàn)，脂肪酸影響和改變腸道微生物菌群的作用機(jī)制也得到越來(lái)越多的關(guān)注。但是，日糧中脂肪酸影響腸道微生物群的機(jī)制尚不明確。

脂肪酸具有廣泛的抗菌活性，它可以直接導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜溶解[29]或間接影響細(xì)菌細(xì)胞代謝[30]。Desbois等[31]研究表明，脂肪酸的兩親結(jié)構(gòu)具有清潔作用，這可能導(dǎo)致細(xì)胞膜的溶解從而造成細(xì)胞的破壞。Sheu等[30]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脂肪酸進(jìn)入革蘭陰性菌和革蘭陽(yáng)性菌的細(xì)胞膜時(shí)，會(huì)破壞電子傳遞，減少ATP的產(chǎn)生，剝奪細(xì)胞必需的能量來(lái)源，從而影響細(xì)菌的生存。Zheng等[32]研究表明，宿主攝入的脂肪酸能夠阻礙細(xì)菌內(nèi)脂肪酸的生物合成，進(jìn)而影響細(xì)菌體內(nèi)的生化過(guò)程如細(xì)菌細(xì)胞膜的合成等。不飽和脂肪酸還可以通過(guò)抑制細(xì)菌胞漿酶的合成來(lái)介導(dǎo)其對(duì)細(xì)菌的抗菌作用[33]。另外，不飽和脂肪酸的抗菌作用還可能與它們的自氧化作用或過(guò)氧化產(chǎn)物有關(guān)，這些產(chǎn)物來(lái)自代謝過(guò)程，本身就具有抗菌作用[31]。張希等[34]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸的抗菌活性取決于其碳鏈長(zhǎng)度、取代基的種類(lèi)、分子中雙鍵的數(shù)目以及位置等，通常情況下不飽和脂肪酸的抗菌活性強(qiáng)于相等碳鏈長(zhǎng)度的SFA。另外，羧基的-OH基團(tuán)似乎與脂肪酸的抗菌活性有關(guān)[32]。有研究表明，不飽和脂肪酸(中鏈和長(zhǎng)鏈)對(duì)革蘭陽(yáng)性菌的抑制效果強(qiáng)于革蘭陰性菌，并且通常比相同碳鏈的飽和脂肪酸更有效[35]。可能的作用機(jī)制是革蘭陰性菌的外膜可以阻礙脂肪酸的進(jìn)入，而革蘭陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁允許脂肪酸通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜[33]，便于脂肪酸發(fā)揮其抗菌作用。綜上所述，脂肪酸可以通過(guò)溶解或破環(huán)細(xì)菌的細(xì)胞膜、抑制對(duì)其生命活動(dòng)至關(guān)重要的酶的活性等機(jī)制來(lái)影響細(xì)胞的生存，發(fā)揮抑菌作用。

除了上述脂肪酸的抑菌活性外，脂肪可以通過(guò)刺激消化道黏膜、胰腺等組織分泌相關(guān)的消化酶類(lèi)等，進(jìn)而對(duì)腸道微生物的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。另外，高脂飲食會(huì)促進(jìn)肝臟內(nèi)膽汁的分泌，而膽汁中的膽汁酸也是一種抑菌活性物質(zhì)，能夠直接抑制細(xì)菌的的生長(zhǎng)繁殖，還可以作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)腸道微生物的功能來(lái)影響腸道菌群的組成[36]。脂肪酸影響腸道微生物的作用機(jī)制極其復(fù)雜，上述的機(jī)制可能只是其中的小部分。目前，關(guān)于該作用機(jī)制的研究較少，仍需要進(jìn)一步的挖掘研究。

5 展望

動(dòng)物日糧中的脂肪酸不僅為動(dòng)物提供營(yíng)養(yǎng)，而且對(duì)動(dòng)物體的腸道微生物有著重要的影響。大量的研究表明，日糧中脂肪酸種類(lèi)與含量的改變，會(huì)引起腸道微生物組成和含量的變化，而其中具體的作用機(jī)制目前還知之甚少，亟待我們?nèi)ミM(jìn)一步的挖掘探索。從現(xiàn)有的研究結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物體食用富含SFA的日糧，不利于維持腸道微生態(tài)的平衡。在日糧中添加n-3 PUFA會(huì)上調(diào)腸道內(nèi)有益菌的含量，下調(diào)具有促炎作用微生物的含量，有利于維持腸道微生態(tài)的平衡，而n-6 PUFA容易引起腸道內(nèi)單一微生物過(guò)度生長(zhǎng)，降低腸道微生物的多樣性，不利于維持腸道微生態(tài)的平衡，可能造成腸道微生物菌群的紊亂，甚至進(jìn)一步導(dǎo)致宿主疾病的發(fā)生。因此，可以通過(guò)改變動(dòng)物日糧中脂肪酸的種類(lèi)來(lái)預(yù)防和治療與腸道微生態(tài)紊亂相關(guān)的疾病。