FSHW | 十种不可消化的碳水化合物增加体外发酵中产丁酸菌和丁酸的特异性

2023-12-16 18:00:52

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Introduction

在全球范围内，II型糖尿病（T2D）是一种主要的流行性疾病，预计在未来几年内将呈指数级增长。糖尿病患者呈现肠道微生物菌群失调，例如，在肠道宏基因组分析中，产丁酸菌减少是T2D患者的特征。有研究指出丁酸梭菌CGMCC0313.1可改善葡萄糖代谢和胰岛素耐受性并调节肠道微生物群组成。丁酸具有减轻胰岛细胞凋亡和炎症反应的潜力，从而改善T2D。丁酸和产丁酸菌正在成为人类结肠健康中肠道微生物代谢的重要指标，并对炎症反应、结直肠癌和高血糖症发挥益处。

非消化性碳水化合物（NDC）是一类在结肠中发酵的碳水化合物，来源于多种植物、动物和微生物，对宿主健康的有益影响已得到全面研究。NDC是肠道产丁酸菌用于生产丁酸的关键底物，并受NDC结构特征的影响。例如，在体外粪菌发酵中，果聚糖、抗性淀粉和β-葡聚糖的丁酸产量高于脱氧己糖和果胶。不过，关于NDC增加产丁酸菌和丁酸的特异性的研究是有限的。

特定NDC对某些细菌或菌株的高特异性已在底物特异性和酶适应研究中得到证实，例如，摄入小麦和燕麦β-葡聚糖有利于双歧杆菌的生长，II型抗性淀粉优先富集布氏瘤胃球菌和青春双歧杆菌。然而，一些研究指出，NDC诱导的肠道微生物群的改变受到个体间微生物组独特特征差异的影响。例如，人类肠道菌群对阿拉伯木聚糖-寡糖的干预表现出不同的个体模式。因此，研究不同个体肠道菌群的差异对碳水化合物调控产丁酸菌和丁酸的特异性的影响是有意义的。

江南大学生物工程学院徐静静博士、詹晓北教授等在本文以10个NDC（6种植物来源和 4种微生物来源）为研究对象，基于7名健康捐赠者和11名T2D患者的体外粪菌发酵实验，探究10个NDC调节产丁酸菌和丁酸水平的特异性；提出黄原胶寡糖（XGOS）和结冷胶寡糖（GGOS）对增加产丁酸菌和丁酸具有很强的特异性；揭示NDC结构与肠道菌群调控的关联。

Results and discussion

响应个体间肠道微生物差异的NDC消耗量

针对10个NDC，包括菊粉、果寡糖（FOS）、燕麦β-葡聚糖（OGS）、燕麦β-葡寡糖（OGOS）、黄芪多糖（APS）、黄芪寡糖（AOS）、XGOS、GGOS、热凝胶寡糖（COS）和普鲁兰寡糖（POS），在7名健康捐赠者和11名T2D患者的体外粪菌发酵实验中，我们分析了10个NDC发酵 48 小时后的消耗量，并通过TLC确定了七种寡糖（即 FOS、AOS、OGOS、COS、POS、XGOS 和GGOS）的降解情况（图 1）。结果表明，肠道微生物对NDCs的完全降解主要取决于个体间肠道微生物的差异，NDC降解的程度受到NDC结构和个体间肠道微生物的差异的影响。

图1 体外粪菌发酵中不同寡糖的消耗

体外粪菌发酵中短链脂肪酸的产量

与空白对照相比，所有NDCs的粪菌发酵均不同程度地增加了不同个体肠道菌群的乙酸、丙酸和丁酸产量（图 2）。在T2D组中，除了APS（中位值为0.6 mmol/L）、OGS（中位值为1.6 mmol/L）和COS（中位值为2.7 mmol/L）， XGOS（中位值为3.8 mmol/L）和GGOS（中位值为3.1 mmol/L）发酵产生的丁酸水平显著高于其他NDC（中位值<1.5 mmol/L）。在健康组中XGOS（中位值为5.1 mmol/L）和GGOS（中位值为5.5 mmol/L）发酵呈现与T2D组相似的结果。结果表明与其他NDC相比，XGOS和GGOS发酵呈现更高水平的丁酸。

图2 体外发酵中不同NDCs的乙酸（A）、丙酸（B）、丁酸（C）产量的变化

NDCs对粪便菌群组成的影响

基于NDC的完全消耗，以及去除体外粪菌发酵中有机酸产量最大、最小和的异常值的筛选条件，选择3名健康捐赠者（2H、4H和7H）和3名T2D患者（4D、5D和9D）的微生物菌群进行16s rRNA测序分析。如图3所示，通过主成分分析（PCoA），发现XGOS和GGOS发酵的微生物群落偏好于聚集在一起，受健康组和T2D组的个体间肠道微生物差异影响较小。如图4所示，与其他8个NDC相比，健康组和T2D组的XGOS和GGOS发酵明显增加了总产丁酸菌的数量，尤其是f_Lachnospiraceae、g_Lachnoclostridium和s_butyrate producing bacterium GM2/1，说明XGOS和GGOS发酵可以极大地富集产丁酸菌。以上结果表明与其他八个NDC相比，XGOS和GGOS在增加丁酸和产丁酸菌方面表现出很强的特异性。已有研究指出瓜尔胶、甘露寡糖和半乳糖寡糖主要由β（1→4）糖苷键组成，可显著增加丁酸梭菌。β（1→4）糖苷键连接的二葡萄糖比具有其他糖苷键的二葡萄糖产生更多的丁酸。说明XGOS和GGOS增加丁酸和产丁酸菌的特性可能归因于它们共有的 β（1→4）糖苷键。

图3 基于OTU水平的PCoA分析

图4 科、属和种水平上丰度最高的20种细菌中的产丁酸细菌的相对丰度。A：健康组，B：II型糖尿病组。

Conclusion

作者析并比较了NDC调节丁酸和产丁酸菌的特异性。发现NDC的降解程度取决于NDC结构和个体间肠道微生物群的差异。与菊粉、FOS、APS、AOS、OGS、OGOS、COS和POS发酵相比，XGOS和GGOS发酵特异性地增加了丁酸的产量和产丁酸菌的丰度，这可能归因于它们共有的β（1→4）糖苷键。因此，对丁酸和产丁酸菌具有强特异性的XGOS和GGOS可能对损害或限制的疾病和病症具有有益的应用。

第一作者简介

徐静静，女，工学博士，现为上海交通大学博士后，主要研究方向为多糖/寡糖对肠道微生物代谢的调控作用；酵素食品的制备和功能研究；减肥食品的开发。在国内外期刊公开发表学术论文11 篇，其中SCI收录7 篇，第一作者论文4篇，申请国家发明专利1 项。

通信作者简介

詹晓北，男，江南大学生物工程学院教授，博士生导师，工会主席，先后入选江苏省“双创人才”，“校双一流至善责任学者C类”，江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人，无锡市优秀科技工作者。近年来主要研究微生物多、寡糖的理论和生产应用研究；生物反应器的开发和应用研究。近五年主持国家重点研发项目子课题2 项，企业委托项目5 项，获得省部级科技奖励4 项。在国内外期刊上发表文章100多篇，申请发明专利47 项（国际专利3 项），授权24 项。

The specificity of ten non-digestible carbohydrates to enhance butyrate-producing bacteria and butyrate production in vitro fermentation

Jingjing Xu^a, Ruyue Wang^a, Weibao Liu^a, Zhongwei Yin^a, Jianrong Wu^a, Xun Yu^b, Wen Wang^b, Hongtao Zhang^a, Zhitao Li^a, Minjie Gao^a, Li Zhu^c, Xiaobei Zhan^a,*

^a Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

^b Wuxi Second People's Hospital, Wuxi 214125, China

^cL & F Biotech. Ltd. 7144 Collister Dr. Burnaby BC V5A3P6, Canada

*Corresponding author.

Abstract

Butyrate and butyrate-producing bacteria are important indicators of gut microbial metabolism in human health. Ten non-digestible carbohydrates (NDCs), including inulin, fructooligosaccharide (FOS), oats β-glucans (OGS), oats β-glucan oligosaccharides (OGOS), Astragalus polysaccharides (APS), Astragalus oligosaccharides (AOS), xanthan gum oligosaccharides (XGOS), gellan gum oligosaccharides (GGOS), curdlan oligosaccharides (COS), and pullulan oligosaccharides (POS) were used to investigate NDC specificity in modulating butyrate-producing bacteria and butyrate production in 48-h in vitro fermentation studies in combination with fecal inocula from 7 healthy donors and 11 patients with type 2 diabetes (T2D). We observed that the amount of these ten NDCs utilized depended on NDC structure and inter-individual gut microbial differences. XGOS and GGOS fermentations significantly increased butyrate-producing bacteria (especially f_Lachnospiraceae) and butyric acid production. Furthermore, XGOS and GGOS fermentations showed a better ability to consistently modulate gut microbiota composition and metabolic properties between individuals of healthy donors or T2D patients when compared to inulin, FOS, APS, AOS, OGS, OGOS, COS and POS fermentation. This research indicated that xanthan gum and gellan gum oligosaccharides have strong specificity to enhance butyrate-producing bacteria and butyrate production.

Reference:

XU J J, WANG R Y, LIU W B, et al. The specificity of ten non-digestible carbohydrates to enhance butyrate-producing bacteria and butyrate production in vitro fermentation[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(6): 2344-2354. DOI:10.1016/j.fshw.2023.03.038.

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