膳食成分是如何影响肠道健康的？
人体胃肠道中含有超过10亿个微生物，远远超过人体自身的细胞数量。由于每个人的肠道菌群组成都不相同，因此不存在单一的最佳组合。事实上，由于婴儿出生方式、抗生素的使用以及生活方式、饮食和文化习惯，人类肠道菌群特征存在明显的个体差异。丰富而多样的微生物群落使肠道菌群组成更加平衡和健康。
近年来，许多研究表明肠道菌群失调与许多非传染性疾病密切相关，比如心血管疾病、肥胖、糖尿病、癌症、肠易激综合症等胃肠道疾病以及神经系统疾病。此外，肠道菌群和大脑之间的相互作用，即众所周知的“肠脑轴”，已经通过双向神经内分泌信号和免疫激活被证实，在帕金森病和自闭症等神经系统疾病中起着关键作用。虽然在很多疾病中目前还不完全清楚肠道菌群组成的变化是导致疾病的原因还是疾病的结果，但是肠道菌群的丰富度和多样性与健康之间的关系已经得到证实。
饮食是肠道菌群组成的关键调节因素之一，它不仅直接影响宿主的体内平衡和生物过程，而且还能通过微生物发酵产生的一些重要的代谢产物，特别是短链脂肪酸。这种人类宿主与肠道菌群之间的互惠共生关系可以通过饮食习惯的改变而改变，这可能会影响肠道屏障功能和免疫系统。那么我们饮食中的各种成分，包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、微量营养素等等，到底是如何调节肠道菌群的组成，从而调节肠道屏障功能的呢？
碳水化合物与肠道菌群
碳水化合物可以分为可消化的碳水化合物和不可消化的碳水化合物。可消化的碳水化合物，比如葡萄糖、果糖和半乳糖，在小肠中被酶降解，并以葡萄糖的形式迅速释放到血液中。相反，不可消化的碳水化合物，也被称为“膳食纤维”，在小肠中难以消化，最终到达大肠。膳食纤维包括非淀粉多糖、木质素、抗性淀粉和难消化性低聚糖。非淀粉多糖包括纤维素和半纤维素（葡聚糖、树胶和果胶）。抗性淀粉通常存在于整粒或部分磨碎的谷物或种子中。最后，难消化性低聚糖包括棉子糖、水苏糖、低聚果糖和菊粉。膳食纤维可以根据其在结肠中的可发酵性分为可发酵的和不可发酵的膳食纤维，或者根据在水中的溶解度分为可溶性和不可溶性膳食纤维。可发酵的膳食纤维，比如菊粉、果胶、β-葡聚糖、低聚果糖和低聚半乳糖，被认为是水溶性的；而不可发酵的膳食纤维，比如纤维素、半纤维素、木质素和抗性淀粉，被认为是不溶性的。可发酵的纤维容易在结肠内被细菌发酵，而不可发酵的纤维则不能。
可发酵的膳食纤维主要在肠道细菌的作用下进行发酵，从而产生单糖、短链脂肪酸（比如乙酸、丙酸和丁酸）以及气体（比如甲烷和二氧化碳）等。一方面，乙酸和丙酸通过门静脉被肝脏吸收，在这里它们被用作脂质、葡萄糖和胆固醇代谢的底物。事实上，乙酸是胆固醇合成和脂肪生成的前体，而丙酸是葡萄糖异生作用的底物。另一方面，丁酸在维持组织屏障功能、调节基因表达和免疫调节方面起着至关重要的作用。短链脂肪酸还参与结肠内环境的稳定，刺激上皮细胞的增殖和分化，促进盐和水的吸收，维持黏膜的完整性以及减少炎症。此外，短链脂肪酸还可以发挥其它有益作用，比如作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂、在表观遗传调控发挥重要作用、具有抗癌的作用、还可以通过激活胰高血糖素样肽1、肽YY、瘦素等激素增加肠道转运时间和饱腹感。短链脂肪酸的种类和数量主要由肠道菌群的组成和碳水化合物的摄入量决定。因此，人类饮食中不可消化的碳水化合物的种类和数量的变化会影响肠道菌群的组成和功能。
膳食纤维充足的情况下，肠道菌群能够更好地维持健康的稳态。健康的黏液层能够阻止病原菌入侵，提高机体的免疫力。而膳食纤维的缺乏将使肠道菌群构成发生变化，肠道细菌开始利用黏液为食，导致肠道黏液层变薄，增大病原菌入侵的风险。因此，膳食纤维是健康菌群最重要的保障之一。
蛋白质与肠道菌群
氨基酸的发酵发生在远端结肠，主要由厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门的细菌完成。蛋白水解发酵比糖水解发酵产生的短链脂肪酸要少，还会产生一些支链脂肪酸（比如异丁酸、2 -甲基丁酸、异戊酸）和一些潜在的有毒物质，比如氨气，亚硝胺和氧化三甲胺。埃希氏菌属、假单胞菌属、变形菌属和克雷伯氏菌属等需氧菌能够产生亚硝胺。
蛋白质对肠道菌群组成的影响因蛋白质类型的不同而不同。食用动物蛋白，特别是红肉，可能会导致耐胆汁的厌氧菌的丰度增加，比如拟杆菌属、别样杆菌属和嗜胆菌属细菌。肠道菌群的这些改变可能导致氧化三甲胺的增加，这是一种可导致动脉粥样硬化的化合物，在心血管疾病的发生中起着重要作用。动物蛋白中含硫氨基酸较高，比如蛋氨酸、半胱氨酸和牛磺酸，大量摄入动物蛋白可能通过硫酸盐还原菌（比如脱硫弧菌）产生硫化氢，从而增加炎症性肠病的风险。此外，大量动物蛋白的摄入还可能降低双歧杆菌的丰度和短链脂肪酸的产生，从而增加炎症性肠病的风险。
另一方面，食用植物蛋白，比如豌豆蛋白，可以增加肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，降低致病性的脆弱拟杆菌和产气荚膜梭菌的数量。此外，西式饮食3周后补充大豆蛋白，可以显著增加双歧杆菌科、梭菌目和脱铁杆菌科的细菌丰度，而降低拟杆菌门的细菌水平，也就是说大豆蛋白可以部分弥补西式饮食对肠道菌群的损害。大豆异黄酮可以增强大豆摄入对肠道菌群的有益影响，而大豆皂苷对肠道屏障的有害作用则可能抵消大豆摄入对肠道菌群的有益影响。最后，植物蛋白的发酵可能与双歧杆菌和乳酸杆菌的丰度增加有关，从而刺激短链脂肪酸的产生。
脂肪与肠道菌群
膳食脂肪的数量和质量影响肠道菌群组成。根据碳分子间是否存在双键，膳食脂肪酸可分为饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。
哺乳动物类产品是饱和脂肪酸的主要来源。研究表明，摄入过多的膳食脂肪，尤其是饱和脂肪酸，会导致肠道菌群失调。此外，高脂饮食诱导的菌群失调可能导致肠道屏障的改变。事实上，硫酸盐还原菌在食用高脂饮食的宿主体内含量更丰富。由特定硫酸盐还原菌产生的高浓度的硫化物可以减少黏液中的二硫键，裂解杯状细胞分泌的黏蛋白所形成的网络，从而破坏黏液层的稳定性。所以，摄入大量的高饱和脂肪的饮食可以刺激硫酸盐还原菌的产生，导致黏液层破坏，增加肠道炎症。
单不饱和脂肪酸，比如特级初榨橄榄油中的油酸，是“地中海式饮食”的主要成分之一。食用特级初榨橄榄油已被证明具有地中海式饮食的大部分心脏保护功能，尤其是可以减少冠心病的风险。
多不饱和脂肪酸主要存在于葵花籽、大豆、玉米油以及坚果和种子中，它们被细分为ω- 3 多不饱和脂肪酸（包括亚麻酸）和ω-6 多不饱和脂肪酸（包括亚油酸）。多不饱和脂肪酸也被称为“必需脂肪酸”，因为它们不能由人体合成，需要从饮食中获取。ω-3多不饱和脂肪酸，特别是在脂肪含量高的鱼类中发现的ω-3，可以通过恢复健康的肠道菌群组成和增加抗炎化合物的产生来发挥积极作用。一些研究表明，ω-3多不饱和脂肪酸能够恢复硬壁菌门/拟杆菌门的比例，增加毛螺菌科的细菌，这与抗炎症的短链脂肪酸丁酸的产生增加有关。
多不饱和脂肪酸的一个独特家族是共轭亚油酸，是亚油酸的异构体。一些证据表明共轭亚油酸具有抗动脉粥样硬化、抗肥胖和抗癌症的特性。饮食中补充共轭亚油酸能够显著改变肠道菌群组成，增加短链脂肪酸丁酸的产生。共轭亚油酸对肠道菌群组成的有益影响可以部分解释其健康益处。
盐与肠道菌群
世界卫生组织建议每天最多摄入5克盐。高盐饮食是高血压、肾脏损伤和心血管疾病的主要危险因素之一。高盐饮食还可通过直接损伤胃黏膜，导致上皮细胞增生，从而增加胃癌发生的风险。此外，高盐饮食可通过诱导幽门螺旋杆菌CagA的表达而改变其毒性，而CagA阳性的幽门螺旋杆菌是胃癌风险的标志物。
高盐饮食可导致肠道中乳酸杆菌等有益菌的数量减少，而一些潜在致病菌的数量增加。特别是，高盐饮食导致的乳酸杆菌的减少使得Th17细胞显著增加，这与许多炎症性疾病的发生和发展有关。高盐饮食引起的小鼠结肠炎加重也被认为与乳酸杆菌的减少，乳酸杆菌的减少导致保护性短链脂肪酸的产生改变，而这些变化又改变了肠道免疫稳态和肠道通透性，导致对炎症刺激的易感性增加。
食品添加剂与肠道菌群
在过去几十年里，随着作为西式饮食主要特征的超级加工食品的发展，食品工业批准使用的食品添加剂的数量一直在飙升，比如无营养的人工甜味剂和乳化剂等等。人工甜味剂被添加到几乎所有的加工食品中，通常是为了提高稳定性和保质期，改善口感和质地。许多报告表明，人工甜味剂会改变肠道菌群组成，并在宿主体内诱发菌群调节的不良反应，比如葡萄糖耐受不良。实际上，研究发现，一些无热量的人工甜味剂可以改变微生物的代谢途径，与宿主对代谢性疾病的易感性增加有关。一部分正常情况下不摄入无热量的人工甜味剂的健康志愿者以5mg/kg的剂量服用糖精一周后，出现了较差的葡萄糖耐受性。而无热量的人工甜味剂的摄入减少了肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌的丰度，增加了拟杆菌属和某些梭菌属细菌的数量。另一项研究报道了饮食中添加低剂量（5-7mg/天）的阿斯巴甜导致大鼠肠道菌群的显著变化，比如肠杆菌科细菌和柔嫩梭菌的丰度增加，同时伴随着空腹血糖水平升高，胰岛素反应受损。与其它低热量甜味剂不同，从甜菊叶中提取的甜菊糖苷迄今为止没有证据表明其对肠道细菌有负面影响。
除了人工甜味剂外，膳食乳化剂，比如大豆卵磷脂、单，双甘油脂肪酸酯，也能增加肠道细菌易位，促进全身炎症反应，改变肠道菌群组成和功能。乳化剂的摄入可降低肠道微生物的多样性，导致菌群失调和慢性肠道炎症，促进结肠炎和代谢综合征的发生。
微量营养素和肠道菌群
微量营养素在塑造肠道菌群方面也起着重要作用。维生素和矿物质在调节能量代谢、细胞生长和分化以及免疫功能方面起着关键作用。各种维生素，比如硫胺素（维生素B1），核黄素（维生素B2），烟酸，生物素，泛酸（维生素B5）和叶酸等B族维生素以及维生素K，都可以由肠道微生物合成。事实上， B族维生素是通过各种肠道细菌的合作而合成的。例如，拟杆菌门、梭杆菌门和变形菌门的所有细菌都具有核黄素和生物素生物合成的必要途径。此外，所有的梭杆菌门细菌都被认为是维生素B12的生产者，而拟杆菌门似乎是B族维生素产量最多的一个细菌门。另一方面，一些研究表明维生素也可以影响肠道菌群的组成。例如，维生素D可以通过调节肠道菌群和增加潜在有益菌的丰度对炎症性肠病患者发挥积极作用。此外，对3-6月龄的婴儿肠道菌群的研究发现，维生素D与婴儿肠道菌群组成有关，可能对免疫系统的调节以及哮喘与过敏性疾病的发病率具有长期影响。
其它抗氧化性的维生素，比如类胡萝卜素，与许多水果和蔬菜的黄色、橙色和红色有关，也可能影响肠道菌群的组成。叶黄素能显著促进双歧杆菌和乳酸杆菌的生长，并减少其它细菌的数量，比如拟杆菌和梭菌。另一方面，血清类胡萝卜素的水平也可能受到肠道菌群组成的影响。β-类胡萝卜素的抗炎作用是受到肠道菌群的调节。
像维生素一样，一些矿物质也参与了许多影响肠道菌群的细菌生理过程。艰难梭菌是一种臭名昭著的院内感染病原菌，在艰难梭菌感染的小鼠中，过量的锌会通过增加毒性和改变宿主的免疫反应，严重加重艰难梭菌相关的疾病。在含铁蛋白中，铁是氧化还原反应、代谢途径和电子传递链机制的另一个关键元素。铁的利用率会影响肠道菌群的组成。富含血红素的饮食会减少肠道微生物多样性，增加了变形菌门细菌的丰度，减少厚壁菌门细菌的丰度。
多酚与肠道菌群
在各种植物类的食物中，比如水果、蔬菜、茶、药用植物、藻类、草药、种子和谷物，以及咖啡、茶、可可和葡萄酒等饮料中，已经发现了一万多种多酚类化合物。一些可食用的野生水果，比如葡萄、橄榄、蓝莓、番荔枝、芒果和柑橘类水果也含有丰富的多酚。由于这些化合物被认为可以预防心血管疾病、糖尿病、肥胖和许多其它疾病，所以目前越来越受到科学界的关注。然而，这些化合物必须在人体内被吸收才能发挥作用，肠道菌群与多酚类化合物的相互作用对多酚类化合物的生物利用度有重要影响。肠道菌群可以调节多酚类化合物转化为更小的代谢物，影响其生物利用度，改变其活性。
在过去的十年里，一些研究表明多酚类化合物可以改变肠道菌群，促进有益微生物的生长。例如，补充槲皮素可以改变肠道菌群组成，抑制与饮食诱导的肥胖相关的细菌物种的生长。花青素可以显著促进双歧杆菌、乳酸杆菌和肠球菌的生长，表明花青素可以选择性的促进肠道菌落的有益成员。
结论
膳食成分对肠道菌群有重要影响，影响其丰富度和多样性。那么，我们究竟怎样选择才是健康的呢？一方面，大量摄入动物蛋白、饱和脂肪、糖和盐会刺激致病菌的生长，从而损害有益菌，导致肠道屏障功能的改变。另一方面，复杂多糖和植物蛋白的摄入与有益菌数量的增加有关，可以刺激短链脂肪酸的产生。此外，ω-3多不饱和脂肪酸、多酚类和一些微量营养素似乎有通过调节肠道菌群而带来健康益处的潜力。