中国微生态学杂志2000年第12卷第2期

陈朝晖何岚

关键词：功能食品科学消化道 生理 功能

1简介

发展功能食品最有前景的部分在于通过生物制剂调节消化道功能。为了解功能食品的潜在价值及寻找新的开发点，有必要研究人体正常肠道微生物及其发酵、肠道免疫功能和消化道相关疾病。

2消化道微生物群：生理和功能

2.1正常微生物群（GIBSON&MACFARLANE，1995）

在消化道的不同部位，细菌的数量和菌落结构是不同的。整个胃内的菌落计数低于10³／g（内容物），这是由胃内较高的酸度决定的。而小肠的菌量则从每毫升内容物的10⁴个到回盲部的10⁶～10⁷个，限制小肠内细菌生长的主要因素是肠内容物的排空速度及胆汁和胰液的分泌。大肠是一个密集的微生态系统，通常有几百种细菌，典型菌量为(10¹¹～10¹²)/g，大部分为严格厌氧菌。

结肠内的多数菌为非芽胞厌氧菌，包括类杆菌、双歧杆菌、优杆菌等。从数量上来说，人类和动物肠道中最重要的细菌是类杆菌和双歧杆菌，它们分别占肠道厌氧菌总计数的30%和25％。其中革兰阴性的类杆菌属在数量上占绝对优势，此属包括水解蛋白及水解糖的两种菌。革兰阳性非芽胞杆菌中，以下几种为优势菌：严格厌氧的优杆菌，双歧杆菌，它们在母乳喂养的婴儿肠道中占优势；乳杆菌在温血动物肠道中数量、品种繁多，但其生态学特性还不清楚。

芽胞杆菌和球菌也定居于肠道，其中芽胞梭菌最常见。兼性厌氧和严格厌氧的革兰阳性球菌在数量上也很重要，如严格厌氧的消化链球菌，兼性厌氧的链球菌等。

大肠微生物在出生时获得。最初，兼性厌氧菌占优势，随后受饮食习惯的影响，形成不同的菌群结构。母乳喂养的婴儿粪便中的优势菌为双歧杆菌；而配方奶粉喂养的婴儿肠道微生群则较复杂，以双歧杆菌、类杆菌、芽胞梭菌和链球菌为主。断奶后，成人的菌群模式就建立起来了。

肠道微生物群的主要作用是通过发酵将上消化道未消化的糖转化为能量。发酵的基质主要是饮食中未被上消化道消化的糖，包括抗性淀粉、非淀粉性多糖（NSP），如：纤维素、半纤维素、果胶、胶。其他可被发酵的糖：非消化性寡糖、各种糖和糖醇（ sugar alcohols）。此外，蛋白质和氨基酸则是肠球菌的生长基质，包括弹性硬蛋白、胶原和白蛋白。成人结肠每天获得的所有基质包括20g～60g糖和5g～20g蛋白质。

细菌在结肠的活动存在部位的差异。右（近端）结肠特点是基质充足、pH值较低（发酵产酸所致）、排空迅速;而左（远端）结肠则基质浓度低、pH值接近中性，细菌生长缓慢。近端结肠具较好的糖水解环境，而远端结肠则有较好的蛋白水解环境。

除了发酵功能，大肠微生物在健康中还扮演其它角色。肠道微生物的繁殖构成了防止肠道致病菌入侵的肠道防御屏障的基础，它与免疫系统一起执行肠道的防御功能。此外，肠道菌还可合成维生素（主要为维生素B和K）。因此通过饮食来调节肠道菌群成为发展功能食品的极好途径。

2.2发酵和短链脂肪酸（BINDER， et al.1994；CUMMINGS，1995；CUMMINGS， et al．1995）

发酵促进了细菌的生长（生物量），同时产生短链脂肪酸（SCFA）、H₂、CO₂、CH₄。SCFA是细菌发酵的主要终产物，是人和哺乳动物后肠（横结肠2/3位置以下的结肠）的主要阴离子，包括乙酸、丙酸、丁酸。支链脂肪酸如异丁酸／戊酸盐等则由氨基酸发酵产生。细菌代谢蛋白质所产生的其他终产物还有：NH₃、吲哚、酚和胺。

大肠内的SCFA可通过检测血中水平来观察。然而，仅乙酸在外周血中明显出现，并在时间和数量上与大肠中的基质发酵相关。

2.2.1生理和健康

所有的SCFA均可在后肠被迅速吸收，并促进水、盐的吸收。随后主要在消化道上皮、肝脏和肌肉中代谢，极少出现在尿中，大便中有少量。

SCFA最重要的性质是对肠上皮的营养作用。三种SCFA对大肠均有营养作用，其中以丁酸最为有效，而丙酸最差。对接受肠内和肠外营养的病人来说，SCFA注入后肠所起的营养和维持粘膜防御屏障的功能具有重要意义，尽管其机理尚未研究清楚。

2.2.2乙酸

乙酸是肠道的主要SCFA。被上皮细胞吸收后，进入门静脉血中，经肝至外周组织，最后在肌肉中代谢。动物研究表明，当门静脉血中乙酸降至一定水平时，肝脏会分泌游离乙酸；许多组织可吸收并利用乙酸，并且成为机体从未被小肠消化的糖中获取能量的主要方式。现证明发酵糖所产生的能量值是(6．3～8．4)kj／g。

2.2.3丙酸

丙酸对以后肠发酵为主的人类来说并不重要，主要由肝脏清除，未发现它对人类的糖代谢有显著影响。

2.2.4丁酸

丁酸是最重要的SCFA。除了对粘膜的营养作用外。还是结肠上皮的重要能量源，可调节细胞的生长和分化。丁酸几乎全部被结肠上皮细胞代谢并成为其主要能量来源。有研究显示溃疡性结肠炎患者缺乏丁酸代谢。

丁酸对细胞生长和分化的影响已成为研究重点。体外，丁酸具有浓度依赖性地减缓转化细胞的生长和促进分化标记表达的作用，因而引导细胞从肿瘤相向非肿瘤相转化。体外结肠细胞研究显示，长链脂肪酸导致肠细胞的活力降低和低分化，而丁酸则具相反作用。然而对大肠癌动物模型研究表明，丁酸可导致细胞反转（turnover），有些研究显示它可促进肿瘤形成。丁酸的促细胞增生功能也许并不具有病理学意义，它虽可促进肠腺基部细胞的增生，并由此营养粘膜细胞，但并不促进与结直肠癌有密切关系的表层腺细胞的增生；而且这些动物模型的致癌机理与人类癌症的相关性还存在许多质疑（见6．6部分）。已证实有几种基因表达受丁酸的影响并且丁酸反应因子存在于某些基因的上游因子（upstream element）中。

2.3肠道微生物和上皮细胞之间的相互关系

虽然粘附于上皮细胞是细胞定植于肠道的一个重要因素，但允许某些菌种在肠道特定区域定植的机理尚不清楚。一个有趣的发现是：肠微生物群可影响上皮细胞结合相的表达，使其成为微生物粘附的受体。最近有论文报告：宿主的小肠上皮细胞对某些严格厌氧菌表达果糖结合糖（fucosylated glycoconjugates）。病原菌的粘附可因土著菌与宿主之间的“有益的双向对话”（ mutually beneficial crosstalk）而减少。用CaCo－2细胞株或悉生动物作为模型来系统研究粘附和感染，发现一种菌可诱导出相应的上皮细胞表面结构从而影响其他菌的粘附，这可作为防治肠道疾病的一个策略。因此，细菌对粘膜细胞的粘附是非常重要的，但其粘附及降解功能（degrading properties）有待于进一步的阐明。

2.4健康菌群的概念

有些菌有益于健康，而有些菌却是有害的。这些致病菌可通过产生毒素而引起腹泻、粘膜破坏、肿瘤发生。如芽胞梭菌、减硫菌（sulfate reducer）等。

有益菌主要包括双歧杆菌和乳杆菌。这二种菌属中无任何明显致病的菌种，它们在母乳喂养的婴儿肠道中的优势地位可预防感染。在成人它们是肠道屏障功能和促进正常免疫功能的主要菌群。此外，细菌通过发酵与宿主形成共生的关系。

然而，肠道微生物是一群复杂的、互相作用的有机体，它们的功能是多种微生物共同活动的结果。因此，通过调节肠道菌群来增进健康从许多方面来讲都是可能的。

3消化道免疫系统

3.1肠相关淋巴组织(GALT)(BRANDTZAEG，et al. 1989)

首先，对正常人而言，接触消化道微生物的免疫系统是GALT。人肠道淋巴系统是机体最大的淋巴组织，包含超过10⁶淋巴细胞／每克组织；此外人体每天产生的免疫球蛋白约60%被分泌到消化道。GALT是粘膜免疫系统（如消化道、呼吸道、口腔、泌尿生殖道、乳腺）的一部分，有其独特的细胞类型和免疫机制。肠道免疫系统的特性是由长期暴露于环境抗原以下所决定的，需对除饮食抗原以外的入侵抗原产生有效的免疫应答。肠道定植菌对食物蛋白和抗原的不同免疫应答可能在预防食物蛋白过敏反应中扮演重要角色。

3.2免疫生理调节（BRANDTZAEG,1995）

粘膜免疫系统的不同部分构成了对外来抗原的特异性免疫应答。第一道防线是起免疫排斥作用的非炎症性IgA抗体。粘膜免疫系统的最有特征的部分是分泌性IgA。粘膜表面有大量的IgA产生，虽然IgGg、IgM、IgE也有分泌，但数量要少得多。消化道中的分泌性 igA是二聚体或多聚体。粘膜免疫系统中 IgA的主导地位是由位于GALT，尤其是特异性免疫应答的发生区-Peyer区的IgA选择性T细胞的调节功能决定的。分泌性IgA可抵抗肠腔内蛋白酶的水解，并且不会激活补体和产生炎症反应，这使IgA成为保护粘膜的理想物质。因此，分泌性IgA的主要功能是：配合非免疫性防御功能，并通过防止病原微生物对上皮细胞的粘附和穿入以及中和毒素