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肠道菌群的组成、调节及其对宿主健康的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-11  浏览次数:3761
核心提示:导读肠道微生物菌群由一组细胞组成,是宿主基因的100 倍以上,相当于免疫系统。这些菌群是宿主特异的,包含遗传成分,可通过饮食
 

导读

肠道微生物菌群由一组细胞组成,是宿主基因的100 倍以上,相当于免疫系统。这些菌群是宿主特异的,包含遗传成分,可通过饮食、手术或抗生素发生改变。之前动物微生物是一个被忽视的系统,但它对动物的生理和发育作出重大贡献。此外,有研究表明动物与微生物菌群是共同进化的。研究对肠道菌群研究的最新进展及调节肠道菌群的不同方式( 益生菌、益生元和多酚) 进行综述。

1目前对肠道菌群的认识

在过去的10 年,人们对微生物菌群的认识呈指数增长。由于胃肠道环境的复杂性和微生物采样的挑战性,目前大部分研究集中在肠道菌群,这里分布着最大密度的许多细菌,大部分数据来自粪便样品,少数来自黏膜活检。虽然获得新鲜粪便样本是比较容易的,但获得的信息并不代表完整的肠道内环境。从一些有限的研究可知,小肠含有非常不同的细菌丰度和组成,与结肠相比有更大的动态变化。结肠菌群主要高效降解复杂的难以消化的糖类,而小肠菌群则利用相对较小的糖类快速消化和转化,快速利用总体养分。虽然粪便不是胃肠道的理想替代物,但通过研究可以总结出肠道内菌群多样性的概况。

1.1 肠道菌群研究概况

胃肠道厚壁菌门和拟杆菌门占主导位置,但至少有10 个不同门的菌群发挥重要的功能。研究肠道菌群时也以细菌为中心,只有极少数的论文研究病毒成分( 或病毒) 和真核微生物( 原生动物和真菌) 。以相对大样本的个体( 样本数量超过100) 进行肠道菌群分析可以看出,厚壁菌门与拟杆菌门的比例并不是在所有个体中都一样。然而,有研究表明,单一菌种( 属于厚壁菌门的普拉梭菌) 的消失与炎症性肠病( IBD) 相关。但关于此菌种在IBD 中的作用仍有争议。肠道微生物菌群对宿主的正常功能和发育至关重要,但并不确定哪些是关键菌种以及微生物菌群的功能是否比群落中的单个成员更重要。一些情况下,同一菌种中菌株的差异可以用来区分病原菌和益生菌,如大肠杆菌与IBD相关,而结直肠癌( CRC) 78 大肠杆菌菌株可用来作为一种益生菌。

1.2 肠道菌群与宿主的共生关系

事实上,肠道菌群的大多数细菌基本属于5 大菌门。一些个体的肠道中大约有160 种细菌,其中的极少数在不相关的个体之间共存。与此相反,在所有个体的胃肠道中都可以发现这些菌种的功能,功能比菌种更重要。肠道菌群的差异可能是重要的,因为这些差异可能导致其有效功能出现差别。例如,合成短链脂肪酸( SCFAs) 的能力在所有个体中被发现,但合成数量却不同。

肠道微生物是宿主与微生物长期协同进化过程中相互选择和适应形成的。正常情况下肠道菌群与机体处于共生关系: 一方面,宿主为正常菌群的生长和繁殖提供营养和场所,并且不对它们产生强烈的免疫反应( 免疫耐受) ; 另一方面,菌群对宿主的健康和疾病至关重要,在宿主防御外源性感染、促进免疫系统的成熟与平衡及营养与代谢等方面发挥不可缺少的生理功能。

2饮食调节肠道微生物菌群

2.1 肠道微生物的代谢活性

糖类发酵是肠道微生物的核心活动,促使结肠能量和碳源的再利用。肠道菌群中占支配地位的细菌,包括SCFAs 的产生菌和专门发酵寡糖的菌种( 双歧杆菌等) 协作,在初步降解复杂的植物多糖中起关键作用。释放的SCFAs 和气体通过其他更多的细菌( 还原性产酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等)用作碳源和能源。复杂难消化的膳食糖类有效转化成SCFAs,供肠道共生微生物菌群和宿主使用,机体日常需要能量的10%来自结肠发酵。丁酸和丙酸可以调节肠道生理和免疫功能,而乙酸是脂肪合成和糖异生作用的底物。最近,这些代谢物的关键作用已在调节免疫功能中确定,它们可以调节免疫反应、口服耐受性和炎症的消退,并调节脂肪组织( 在肥胖中是主要的炎性器官) 的炎症输出。在结肠中,糖类的发酵大多发生在结肠近端。随着食糜向后肠移动,糖类耗尽,肠道菌群转向其他底物,特别是蛋白质或氨基酸。氨基酸发酵除分解有益的SCFAs 外,还产生一系列潜在的有害化合物。其中一些可能在肠道疾病( IBD 等) 中发挥作用。经动物模型和体外研究表明,化合物如氨、酚、甲酚、某些胺类和硫化氢,在肠漏的发生或发展、炎症以及DNA 损伤中起重要作用。相反,膳食纤维或植物性食物的摄入可以控制这类情况,这突出了肠道微生物发酵糖类的重要性,发酵糖类是肠道菌群的一个核心活动,为功能性保健品的合理设计提供科学依据。该功能性保健品可以改善肠道健康,并通过跨界通信轴,如肠-肝轴、肠-脑轴和肠-脑-皮肤轴,影响宿主生理相关的微生物菌群活动。

2.2 肠道健康的3 个调节因子: 益生菌、益生元和多酚

在调节肠道菌群的组成、代谢或免疫学活性的策略中,益生菌、益生元和多酚被认为是最佳途径。

不同益生菌菌株作用于试验动物可能会出现不同结果。部分原因可能为试验设计不佳和菌株选择不当。对益生菌的本质缺乏理解也是导致该现象的原因。益生特性具有菌株特异性,很少有益生菌菌株按特定作用机制筛选出来。有生物活性的一类产品是否适合于传统的功效评估有待商榷。Jones等筛选胆盐水解乳酸杆菌,研究其对降低高胆固醇血症个体胆固醇水平的能力,随机双盲试验表明,摄入该菌株可显著降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇。此外,他们提出一个潜在机制,即通过细胞核受体——法尼醇X 受体( FXR) 减少脂肪从小肠的吸收。

益生元作为一种特定的膳食纤维,当其发酵时,肠道内微生物组成发生显著变化,通常认为有益细菌的相对丰度会增加,如双歧杆菌或某些丁酸产生菌。在动物试验中,益生元通常为饮食的10%是有效的。随着对肠道微生态了解的更深入,益生元作为一种主要的糖分解和微生物群落发酵底物已经进入肠道菌群的基础结构,通过菌群与宿主消化系统的协同配合,可以从原本随粪便排出的复杂植物多糖中获取能量和碳源。

多酚是一类多种植物的次生代谢产物,常与水果和蔬菜的颜色、味道以及防御机制有关。长期以来,它们一直被认为是最有可能存在于全植物食品中,影响动物生理过程并预防慢性饮食疾病的一类化合物。肠道菌群在将膳食多酚转化为可吸收的生物活性物质方面起着至关重要的作用,预计作用于到达结肠的膳食多酚达95%。近年来的研究表明,多酚提取物,尤其是去醇化红酒多酚提取物和可可来源的黄烷醇,可以通过增加双歧杆菌和乳酸杆菌的相对丰度,调节肠道菌群向更保健的方向发展,包括调节肠道微生物群落结构和功能,促进肠道微生物菌群及宿主健康。

3小 结

肠道菌群在维持机体健康稳态中起至关重要的作用,这种作用主要依赖于菌种的多样性、菌群结构的稳定性和微生态的平衡性。随着下一代测序技术高分辨率观测研究和代谢物谱技术的使用,证明肠道菌群与促进健康以及不同疾病的发生或维持有关。后基因组时代基于对微生物菌群如何与宿主生理相互作用更好地了解,最终通过对作用机制的理解,更有针对性且有效地治疗疾病。在更完整的理解疾病的过程中,能够更准确地将不同的疾病状态分层,并确定肠道菌群是否是一个潜在的治疗靶点,从而可以通过调节肠道菌群预防和治疗某种特定疾病。

责编:马维军;审阅:于继英

(来源:饲料研究;作者:王文娟,孙冬岩,孙笑非)

 


 
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