文献解读|Food Res In（7.425）：竹子不溶性膳食纤维的体外粪便发酵特性及其对人体肠道菌群的影响

膳食纤维（DF）可以降低血液中的胆固醇和血糖，从而降低中风和糖尿病的风险。DF具有抗胃或小肠中消化酶水解的特性，部分可以通过肠道微生物群在结肠进行发酵。虽然大多研究焦聚可溶性膳食纤维（SDF），但逐渐发现纤维素类不溶性膳食纤维（IDF）不仅具有持水能力特性，有助于改善粪便稠度和重量，同时可以被肠道微生物群发酵并产生SCFAs，改变肠道菌群，利于改善肠道健康。

因此，有必要探究IDF通过肠道微生物发酵对SCFAs产生和肠道微生物群的影响。竹子，属于禾本科，含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，在世界范围内分布有1300种，是IDF的重要来源。竹子中IDF的消化、发酵特性及对肠道微生物的影响尚未得到研究。因此，本研究分别采用碱性过氧化氢法（命名为BIDF）和AOAC酶解法（命名为OIDF）提取获得2种竹子IDF，评估在体外人类粪便发酵后产生SCFAs和微生物群落的变化。研究结果将为更好地了解竹子中IDF的消化和发酵特性提供信息，并为其在功能性补充剂的开发应用提供科学依据。

随着时间发酵，所有组的 pH 值显著下降，发酵24 h后BIDF、OIDF和BF90组均低于BLK（图1）。pH值的降低可能是由于肠道微生物利用培养基中的碳水化合物，进行糖化及发酵，随后产生SCFA，从而降低pH值。结果表明，与OIDF和BF90相比，BIDF肠道微生物群可能具有更高的利用率，同时产生更多的SCFA。

图1、体外发酵过程中pH值的变化（n = 3）

发酵24 h结束时，BIDF、OIDF和BF90乙酸、丙酸、丁酸及总SCFAs浓度显著高于BLK（图2）。结果表明，在乙酸浓度中，与OIDF和BF90相比，BIDF组乙酸含量在发酵各阶段均显著高于BLK，表明肠道微生物对BIDF的利用率较高。

同时，与乙酸相似，各组丙酸浓度也随发酵时间的延长呈上升趋势。BIDF、OIDF和BF90组乙酸与丙酸的比例分别为5.12、6.09和6.40，均低于BLK（8.12）。结果表明，BIDF、OIDF和BF90通过调节肠道中乙酸和丙酸的比例含量，可以促进脂肪代谢。此外，BIDF、OIDF和BF90组丁酸得率分别比BLK（24 h）高1.37倍、1.23倍、1.24倍。BIDF、OIDF和BF90组SCFAs总量产量分别提高了14.65%、10.66%和10.59%。结果表明，BIDF、OIDF和BF90在一定程度上促进了肠道菌群发酵从而增加SCFAs的含量。

图2、体外发酵时产生的SCFA

（a）乙酸，（b）丙酸，（c）丁酸，（d）支链脂肪酸和（e）体外粪便发酵期间产生的SCFAs总浓度

随着数据的增加，Shannon指数曲线趋于稳定（图3）。结果表明，所得数据足够大，可以有效揭示样本群落结构。此外，本研究还通过Venn图分析研究了不同处理组间操作分类单元（OTU）的组成相似性和重叠性。根据97%的相似度对检测到的序列进行聚类，共获得373个OTU。BLK 组共享 372 个 OTU，每个组没有唯一的 OTU。结果表明，各组微生物群落组成相似。

图3、发酵24 h后微生物组成的Shannon指数曲线（a）和Venn图分析（b）（n = 3）

发酵24 h后，BIDF组的Shannon 指数和Simpson 指数显著高于其他组，物种多样性高于其他组（图4）。而BLK和BF90的Shannon 指数均显著高于发酵开始时（ALL0h组）。结果表明，BIDF在维持肠道菌群的多样性和丰富性方面发挥了积极作用。

图4、发酵24 h后微生物组成α多样性ACE指数（a）、Chao1指数（b）、Shannon指数（c）和Simpson指数（d）（n = 3，* P < 0.05，** P < 0.01）

发酵24 h后各组间存在统计学差异，主坐标成分（PCoA）PC-1可以解释最大47.97%的数据变化（图5）。与BLK组相比，BF90和OIDF组距离较近，而BIDF组与其他组的距离最远。此外，应用非度量多维尺度（NMDS）来评估不同群体之间的相似性。BIDF、BF90和OIDF组远离BLK组，OIDF组接近BF90组。PCoA和NMDS分析均表明，发酵24 h后各组与ALL0h组的距离最近。结果表明添加竹子纤维（BIDF，OIDF，BF90）后肠道微生物群的多样性发生改变。此外，还使用置换多元方差分析（PERMANOVA）和相似性分析（Anosim）来评估不同组之间的显著差异。Permanova显示R2 = 0.729，P = 0.001，表明不同群体间微生物多样性差异显著。Anosim结果R2=0.744，P=0.001，说明组间和组内差异非常显著，实验设计可靠。综上结果表明，竹子中的IDF可以显著影响微生物群落的组成。

图5、发酵24 h后微生物组成的β多样性（a）PCoA，（b）NMDS和（c）permanova/anosim（n = 3）

发酵24 h后，99%的肠道菌群在门水平上由Firmicutes, Actinobacteria, Bacteroidetes and Proteobacteria组成（图6）。Firmicutes和Actinobacteria是所有组的主要成分。与BLK相比，BIDF组肠道菌群F/B比率显著降低，表明竹子膳食纤维能调节肠道菌群组成，抑制肥胖。BIDF24h组Bacteroidetes的丰度显著高于其他组，因为Bacteroidetes是结肠中丙酸的主要生产者，可以调节血脂和胆固醇，这与BIDF组的高丙酸产量结果一致。因此，BIDF在促进健康方面发挥了积极作用，有望成为肥胖患者的功能性食品。

图6、不同组发酵24 h后门水平的微生物多样性（n = 3;* P < 0.05，** P < 0.01）

图7、不同组发酵24 h后属水平的微生物多样性（n = 3;* P < 0.05，** P < 0.01）

各组微生物组成的属水平相对丰度值如图7所示。肠道菌群主要由Dorea, Bifidobacterium, Agathobacter, Collinella, Fusicatenibacter, Blautia, Bacteroides, Coprocccus 和 Ruminococcaceae组成。体外发酵24 h后，BIDF组Bacteroides丰度显著高于其他组。结果与BIDF组较高的SCFAs产率一致。在 BIDF 组中，Bifidobacterium的丰度降低。结果表明，BIDF可以调节肠道微生物群的组成。

在发酵开始时（ALL0h）和发酵24 h后，在BIDF，BF90和BLK组中发现丰度显著差异的微生物群（图8）。在BIDF组中，Bacteroides，Negativicutes，Selenomonadale 和 Veillonellacea占据主导地位，LDA评分高于4分。在BF90组中，Firmicutes，Clostridia，Lachnospiraceae和 Dorea占优势，LDA评分高于4分，Firmicutes含有许多发酵产生SCFAs的微生物。肠道中 F/B 的比例与肥胖风险呈正相关。因此，BIDF可能比BF90具有更好的减肥潜力。BLK组Actinobacteria 和Ruminococcaceae为主要优势菌种，LDA评分均高于4。发酵初期（ALL0h）以Actinobacteria，Agathobacter，Collinsella，Coriobacteriaceae，Ruminococcaceae和Faecalibacterium为主，LDA评分均高于4。结果表明，BIDF可能会促进肠道中Bacteroides的生长，以产生许多SCFA并降低肥胖的风险。

图8、基于Cladogram（a）和LDA评分（b）进行LEfSe分析

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