柑橘成分與腸道菌群相互作用研究進(jìn)展

白俊英，王晨，李貴節(jié)，孫志高，黃林華*

（1.西南大學(xué) 柑桔研究所，重慶 400700；2.國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400700；3.西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400700）

腸道被稱為人體的“第二大腦”，定植在腸道中的微生物統(tǒng)稱為腸道菌群，主要包括細(xì)菌和少量的真菌。有研究表明，腸道中的菌群數(shù)量達(dá)到1014～1015，菌群細(xì)胞數(shù)量與體細(xì)胞數(shù)量的比例大約為4∶3[1]。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，生命過(guò)程中的許多生理和病理過(guò)程都與腸道菌群的變化和代謝作用有關(guān)。因此，大量的研究旨在通過(guò)調(diào)控腸道菌群進(jìn)而起到保護(hù)機(jī)體健康的作用。目前常用的方法主要包括益生菌、膳食、糞菌移植等策略。但這些策略在調(diào)控菌群的同時(shí)也可能存在一些不足之處。例如，盡管大量的報(bào)道證實(shí)了益生菌和糞菌移植在調(diào)控菌群方面的巨大作用，但是其安全隱患一直限制著兩種策略的推廣。而膳食成分不存在安全性問(wèn)題，但由于個(gè)體之間自身菌群組成存在差異，造成其效果也存在個(gè)體差異。因此，一些研究旨在調(diào)查食品中的營(yíng)養(yǎng)因子等物質(zhì)在調(diào)控菌群的同時(shí)對(duì)機(jī)體健康的影響，其中最具有代表性的就是從水果或者蔬菜等植物中提取的植物化學(xué)物質(zhì)。這些物質(zhì)的使用既可以有效規(guī)避益生菌和糞菌移植可能帶來(lái)的安全性隱患，也可以使人們更加容易探究其作用機(jī)制，有利于大面積推廣。

我國(guó)柑橘資源豐富，是世界上柑橘品種的重要起源中心，柑橘種植面積居世界首位，產(chǎn)量居世界第三位。此外，柑橘種類繁多，包括甜橙、檸檬、葡萄柚、溫州蜜柑、常山胡柚等。柑橘果實(shí)全身皆有較大的營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，果皮、果肉、果核和囊衣中均含有較多的天然活性成分。例如，果皮中富含類黃酮和類胡蘿卜素，果肉中富含維生素C和葉酸等。其中一些成分已經(jīng)被證明了在抗炎、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、代謝性疾病、心血管和神經(jīng)保護(hù)等方面的巨大作用。值得注意的是，很多柑橘成分對(duì)機(jī)體健康的影響都取決于其對(duì)腸道菌群的調(diào)控作用，如圖1所示。

圖1 柑橘不同成分通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群影響機(jī)體健康Fig.1 Effect of different components in Citrus fruits on body health by regulating intestinal flora

柑橘中的橘皮素可以增加結(jié)腸炎小鼠腸道菌群的多樣性，上調(diào)毛螺菌科（Lachnospiraceae）和乳桿菌科（Lactobacillaceae）的相對(duì)豐度，增加戊酸和乙酸的含量，進(jìn)而起到緩解結(jié)腸炎的作用[2]。而柑橘果膠寡糖可以富集乳桿菌屬（Lactobacillus）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和擬桿菌屬（Bacteroides）并抑制梭菌屬（Clostridium）的豐度，增加短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）的含量，進(jìn)而影響機(jī)體健康[3]。這些結(jié)果表明，柑橘中的活性成分具有顯著的腸道菌群調(diào)控作用，且不同成分的調(diào)控作用不同，如表1所示。

表1 柑橘成分對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用Table 1 Regulation of Citrus components on intestinal flora

續(xù)表1 柑橘成分對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用Continue table 1 Regulation of Citrus components on intestinal flora

考慮到我國(guó)豐富的柑橘資源以及不同柑橘成分在調(diào)控腸道菌群方面的差異，明確柑橘不同成分對(duì)于菌群的調(diào)控差異和特異性，對(duì)于日后開發(fā)富含柑橘成分的靶向調(diào)控菌群策略具有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文綜述了我國(guó)第一大類水果——柑橘中的主要成分在腸道菌群中的代謝、對(duì)腸道菌群的影響，以及柑橘成分被腸道菌群代謝進(jìn)而影響機(jī)體健康的機(jī)制，以期為柑橘成分和腸道健康之間的關(guān)系提供參考，為柑橘活性成分的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 柑橘膳食纖維與腸道菌群的相互作用關(guān)系

1.1 柑橘中的膳食纖維

膳食纖維是指因人體缺乏相應(yīng)的降解酶，因而難以被小腸直接消化和吸收的膳食碳水化合物。柑橘中的膳食纖維，根據(jù)其水溶性大小可分為可溶性膳食纖維和不可溶性膳食纖維?？扇苄陨攀忱w維主要是果膠，而不可溶性膳食纖維主要包括纖維素和半纖維素[22]。柑橘果膠主要分布在初生細(xì)胞壁和胞間層中，是一種復(fù)雜的多相多糖，結(jié)構(gòu)上包括線性的聚半乳糖醛酸鏈、鼠李半乳糖醛酸聚糖I（rhamnogalacturonan-I，RG-I）和鼠李半乳糖醛酸聚糖II（rhamnogalacturonan-II，RG-II）[22]。纖維素是由幾千個(gè)葡萄糖單元通過(guò)β-(1→4)糖苷鍵連接構(gòu)成的直鏈多糖，是構(gòu)成柑橘細(xì)胞壁的主要成分，而半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，通常具有分支結(jié)構(gòu)[23]。

1.2 柑橘膳食纖維與腸道菌群之間的關(guān)系

柑橘果膠等可溶性膳食纖維通常是高度可發(fā)酵的，而低溶解度的纖維素和半纖維素，由于受到消化酶的限制，可發(fā)酵性較差[22]。采用柑橘果膠進(jìn)行發(fā)酵后，與空白對(duì)照組相比，柑橘果膠發(fā)酵顯著增加了小鼠腸道乳桿菌屬和擬桿菌屬的豐度[24]。在肥胖小鼠中，柑橘果膠可以通過(guò)增加擬桿菌門的豐度，進(jìn)而改善機(jī)體葡萄糖糖代謝穩(wěn)態(tài)[7]。非消化性的柑橘膳食纖維直接進(jìn)入結(jié)腸，在腸道菌群的作用下首先降解成單糖，然后經(jīng)過(guò)腸道菌群廣泛發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和丁酸[24]。腸道來(lái)源的SCFAs有助于維持低pH值，抑制腸道病原菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而構(gòu)建健康的腸道微生態(tài)環(huán)境。此外，膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs在腸道中還發(fā)揮了多種健康益處，比如為宿主結(jié)腸細(xì)胞和腸道菌群提供能量、維持腸道屏障功能、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、減少炎癥和腫瘤發(fā)生、控制血糖水平，以及通過(guò)影響肝、腦和脂肪組織來(lái)影響宿主的生理和病理等[23，25]。例如，乙酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)GLP-1進(jìn)而影響代謝綜合征[26]；丙酸和丁酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)GLP-1和PYY的水平，進(jìn)而降低飲食誘導(dǎo)的肥胖[27-28]。因此，腸道菌群利用柑橘膳食纖維后產(chǎn)生SCFAs可能是其影響機(jī)體健康的重要途徑之一。

此外，腸道菌群可以代謝柑橘膳食纖維并釋放關(guān)鍵代謝物N-甲基羥色胺。小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N-甲基羥色胺可以影響宿主生理和代謝變化，包括降低脂肪含量、影響肝臟糖原代謝、縮短腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，并且改變肝臟和結(jié)腸中和晝夜節(jié)律有關(guān)的基因表達(dá)[29]。進(jìn)一步在人類研究中確定了糞便中N-甲基羥色胺的積累與腸道中的卵形擬桿菌（Bacteroides ovatus），狄氏副擬桿菌（Parabacteroides distasonis），Bacteroides finegoldii和產(chǎn)氣柯林斯菌（Collinsella aerofaciens）等相關(guān)，它們能夠?qū)Ω涕倮w維進(jìn)行分解代謝，釋放N-甲基羥色胺[29]。值得注意的是，不同菌株對(duì)N-甲基羥色胺的產(chǎn)生能力具有顯著的株間差異，如不同卵形擬桿菌從柑橘纖維中釋放N-甲基羥色胺的能力就有所不同，這可能歸因于腸道微生物組中編碼碳水化合物活性酶的基因豐度差異[29]。因此，腸道菌群對(duì)柑橘膳食纖維的利用可能歸因于菌株自身具備的豐富代謝基因。

比較基因組學(xué)和宏基因組學(xué)結(jié)果進(jìn)一步闡明了腸道菌株利用柑橘膳食纖維的作用機(jī)制。例如，腸道擬桿菌基因組富含大量的糖苷水解酶基因（約260種），因此這類腸道菌株具有強(qiáng)大的膳食纖維代謝能力，協(xié)助代謝機(jī)體自身難以利用的復(fù)雜植物多糖。以多形擬桿菌為例，其具有較強(qiáng)的果膠利用能力，能夠利用果膠中的RG-II，并能剪切21個(gè)不同糖苷鍵中的20個(gè)[30]。果膠的不同結(jié)構(gòu)域可以激活多形擬桿菌中的多糖利用位點(diǎn) （polysaccharide utilization loci，PUL），PUL編碼不同的糖苷水解酶，多種糖苷水解酶復(fù)合體形成一套多糖降解系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)同作用可以使果膠分子中復(fù)雜的RG-I骨架解聚，并且去除粘附于RG-I的果膠結(jié)構(gòu)域[31]。多形擬桿菌對(duì)果膠支鏈和主鏈的解構(gòu)是相互協(xié)調(diào)的，可以應(yīng)對(duì)空間障礙[30]。此外，多形擬桿菌中還含有9種可降解果膠中構(gòu)成鼠李糖-GalA重復(fù)單元骨架的酶[31]。除此之外，還發(fā)現(xiàn)有很多腸道細(xì)菌產(chǎn)生的酶參與了果膠代謝，比如β-D-葡萄糖苷酶、β-L-阿拉伯糠醛苷酶、β-D-半乳糖醛酸酶、α-阿拉伯糠醛苷酶、2-酮-3-脫氧D-lyxo-七氟沙酸水解酶、內(nèi)源性果膠苷酶、α-2-O-甲基-L-焦糖酶和果膠甲基酯酶[30]。

2 柑橘類黃酮與腸道菌群之間的互作關(guān)系

2.1 柑橘中的類黃酮

類黃酮是柑橘中最重要的功能性成分之一。柑橘提取物、柑橘果皮和柑橘種子都是類黃酮的重要來(lái)源。據(jù)報(bào)道，柑橘果皮中類黃酮的平均含量（以干重計(jì)）為0.700%～2.000%[32]。目前在柑橘中鑒定出來(lái)的類黃酮已經(jīng)超過(guò)250多種，其中黃烷酮類和多甲基黃酮類（polymethoxylated flavones，PMFs）是最重要的類黃酮化合物[33]。柑橘中黃烷酮類主要包括橙皮素和柚皮素以及它們的糖苷形式——橙皮苷和柚皮苷，它們的含量占到柑橘果皮干重的0.002%～8.090%[32]。值得注意的是，橙皮苷和柚皮苷在已有的實(shí)驗(yàn)中都被發(fā)現(xiàn)具有顯著的抗炎作用。例如，橙皮苷能夠減少炎癥標(biāo)志物[34]，并且通過(guò)影響NF-κB信號(hào)通路[35]，進(jìn)而起到抑制炎癥的作用。PMFs是一種黃酮類化合物，幾乎只存在于柑橘果實(shí)中，含量達(dá)到果皮干重的0.008%～1.450%。目前從柑橘屬植物中已鑒定出的PMFs有80多種，其中以川陳皮素和橘皮素含量最為豐富[36]。柑橘中的黃酮類成分對(duì)機(jī)體健康有重要影響，且這些作用與其對(duì)腸道菌群的影響息息相關(guān)。

2.2 柑橘類黃酮與腸道菌群之間的關(guān)系

腸道菌群在柑橘類黃酮的生物轉(zhuǎn)化和健康促進(jìn)功能中發(fā)揮重要作用[37]，那些在小腸中未被吸收或溶解的類黃酮成分會(huì)立即進(jìn)入結(jié)腸，與腸道菌群發(fā)生作用。例如，研究橙皮苷對(duì)健康動(dòng)物腸道淋巴組織和腸道菌群組成的影響，發(fā)現(xiàn)口服橙皮苷4周導(dǎo)致大鼠腸道中細(xì)菌和免疫球蛋白A（Immunoglobulin A，IgA）包被菌數(shù)量增加，菌群組成發(fā)生變化，乳酸桿菌（Lactobacillus）比例增加[8]。動(dòng)物和體外研究證明了橙皮苷及其衍生化合物對(duì)心血管疾病危險(xiǎn)因素的有益抑制作用，特別關(guān)注了采用橙皮苷作為干預(yù)策略產(chǎn)生的個(gè)體差異性，而這可能歸因于個(gè)體間橙皮苷生物利用率的差異，這種現(xiàn)象高度依賴于α-鼠李糖苷酶活性和腸道菌群組成[38]。

柑橘類黃酮苷經(jīng)宿主和腸道菌群分泌的多種酶水解成苷元是類黃酮苷吸收的前提條件。黃烷酮類經(jīng)口攝入后，只有部分黃烷酮會(huì)被小腸刷狀緣酶快速水解，或通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白直接轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞，隨后被細(xì)胞質(zhì)中的β-葡萄糖苷酶水解釋放苷元[39]。值得注意的是，橙皮苷和柚皮苷中超過(guò)70%的相應(yīng)的苷元，會(huì)進(jìn)入到結(jié)腸中[40]。此外，大量在小腸中未被水解的柑橘黃酮苷（如柚皮苷和橙皮苷）也會(huì)進(jìn)入到結(jié)腸中，在結(jié)腸中橙皮苷上附著的有機(jī)酸和糖分別被腸道菌群有效地去除[41]。首先腸道菌群分泌的α-鼠李糖苷酶會(huì)將鼠李糖部分去除，然后葡萄糖部分再由β-葡萄糖苷酶去除。釋放的苷元隨后被腸道菌群代謝為各種酚類物質(zhì)[42]，結(jié)合的酚類代謝物通常被腸道菌群產(chǎn)生的葡萄糖醛酸酶和硫酸酯酶水解成相應(yīng)的游離形式[43]，進(jìn)而被宿主吸收。PMFs可被腸道菌群生物轉(zhuǎn)化為各種去甲基化代謝物，布勞特氏菌屬（Blautia sp.MRG-PMF1）等特異性細(xì)菌參與了PMFs的代謝[44-45]。此外，梭菌屬（Clostridiumspp.），梭狀芽胞桿菌（Clostridiumscindens），普氏梭桿菌屬（Flavonifractor plautii）和鏈狀真桿菌（Eubacteriumdesmolans）也參與了柑橘類黃酮的降解[46]。

腸道微生物代謝柑橘類黃酮衍生的代謝物在促進(jìn)健康方面發(fā)揮著重要作用。例如，3-（4-羥基苯基）丙酸能顯著降低ox-LDL處理的巨噬細(xì)胞的脂質(zhì)積累和CD36的mRNA表達(dá)[47]。腸道菌群對(duì)柑橘類黃酮的整體生物轉(zhuǎn)化往往伴隨生物活性的增強(qiáng)[43]。例如，純化的柑橘多甲氧基黃酮提取物可以顯著抑制代謝綜合征小鼠腸道內(nèi)帕拉普氏菌屬（Paraprevotella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等條件致病菌的豐度，增加卵形擬桿菌（Bacteroides ovatus）的豐度，進(jìn)而起到緩解代謝綜合征的作用[13]。而體內(nèi)PMFs的去甲基代謝物總是比母體化合物表現(xiàn)出更強(qiáng)的生物活性[23]。

3 柑橘中的其它成分及與腸道菌群之間的關(guān)系

除了膳食纖維和類黃酮外，柑橘中還含有大量的香精油。柑橘精油因具有宜人的氣味和優(yōu)異的功能[48]，被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和藥品行業(yè)中。檸檬烯是柑橘精油中含量最高的成分，在大多數(shù)柑橘精油中的含量高達(dá)60%～95%[49]。一種基于放射性標(biāo)記的方法闡明了d-檸檬烯在大鼠體內(nèi)的吸收、分布和排泄?？诜?00 mg/kg標(biāo)記的d-檸檬烯后，大腸內(nèi)幾乎沒有放射性，說(shuō)明檸檬烯在進(jìn)入大腸前已經(jīng)被機(jī)體吸收，并不與腸道菌群產(chǎn)生相互作用[50]。

除此之外，柑橘中也含有其它的功能性成分，比如辛弗林、檸檬苦素類化合物和類胡蘿卜素等，它們?cè)诟涕僦械暮亢艿偷憩F(xiàn)出廣泛的生物活性，攝入體內(nèi)后對(duì)機(jī)體健康有重要影響[23]。辛弗林是一種原生物堿，在酸橙和甜橙果皮中的含量（以干重計(jì)）分別為0.100%～0.300%和0.001%～0.003%[51]?？诜粮チ趾笤谛∧c中被吸收并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到肝臟中代謝，并不進(jìn)入大腸影響腸道微生物[23]。而檸檬苦素類物質(zhì)的主要代謝路徑由腸道微生物完成，包括羰基還原、環(huán)氧基團(tuán)和呋喃基團(tuán)的水解、氧化和分解[52]。同時(shí)，檸檬苦素能夠顯著提高結(jié)腸菌群的豐富度，增加了18個(gè)屬的相對(duì)豐度并且降低了4個(gè)屬的相對(duì)豐度。值得注意的是，檸檬苦素降低了益生菌乳酸桿菌（Lactobacillus）和雙歧桿菌（Bifidobacterium）的豐度，這可能跟檸檬苦素發(fā)揮的生理功能有關(guān)[16]。在柑橘中鑒定出來(lái)的類胡蘿卜素約有115種，包括胡蘿卜素和葉黃素，它們是柑橘果實(shí)中的重要呈色物質(zhì)[53]。類胡蘿卜素具有多種健康活性，包括抗氧化活性、癌癥預(yù)防作用、調(diào)節(jié)骨質(zhì)代謝和骨質(zhì)疏松癥、以及降低肝功能障礙和代謝綜合征的風(fēng)險(xiǎn)等[23]。有報(bào)道指出，膳食和血漿類胡蘿卜素與孕婦糞便菌群的α多樣性呈正相關(guān)[54]，這可能是類胡蘿卜素促進(jìn)身體健康的一種機(jī)制。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)柑橘主要成分與腸道菌群的關(guān)系進(jìn)行了綜述，揭示出柑橘成分通過(guò)影響腸道菌群進(jìn)而調(diào)節(jié)身體機(jī)能的潛力，能夠?yàn)楦涕俪煞值拈_發(fā)提供參考。但是目前大多數(shù)研究仍然集中在柑橘成分對(duì)腸道細(xì)菌門和屬水平的影響，研究方法和手段較為單一，對(duì)于種水平上腸道菌群的變化，柑橘成分與腸道菌群的互作機(jī)制等方面提供的信息有限。

食品組學(xué)是一種基于基因組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和微生物組學(xué)等多種組學(xué)技術(shù)的新興技術(shù)，可以應(yīng)用先進(jìn)的組學(xué)技術(shù)全方位地研究食品生化和營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題。在化合物譜分析和生物標(biāo)志物鑒定方面，以及在基因?qū)用娴臋C(jī)制探究中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，未來(lái)的研究可以從基因組的角度探究不同柑橘膳食纖維對(duì)腸道菌群種水平的靶向調(diào)控作用，可以運(yùn)用食品組學(xué)的方法進(jìn)一步深入闡釋柑橘中的活性成分對(duì)人體健康的作用及具體機(jī)制。這不止有助于解析膳食攝入與機(jī)體健康的關(guān)系，而且有助于開發(fā)新的柑橘功能食品。