文献解读|J FUNCT FOODS（5.233）：基于人体粪便接种物探究预处理燕麦麸皮体外发酵及对微生物群的影响

燕麦麸皮是燕麦加工的副产品，DF含量高，但由于其氧化变质和储存寿命短，必须进行预处理。各种热处理，如蒸煮，滚筒干燥，烘烤和微波加热广泛使用，以提高谷物产品的口感、稳定性和安全性。热加工不仅使微量营养素更具生物利用度，减少其复杂结构来提高麸皮溶解度，而且可以破坏细胞壁基质，使聚合物更容易被肠道细菌接近并发酵利用。

大多数研究焦聚于单一益生元纤维上，完整谷物纤维对肠道的影响关注较少，且关于预处理燕麦麸皮在调节肠道菌群中的发酵特性数据甚少。因此，本文探究蒸、微波和热风干燥燕麦麸皮在体外消化和模拟肠道发酵后DF和β-葡聚糖含量变化，及对肠道菌群结构和代谢物（SCFAs）的影响。

MOBX的可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）含量显著增加，SOBX和HAOBX的SDF和IDF含量显著下降（p < 0.05）（图1A）。经模拟胃肠道消化后，OBX、SOBX、MOBX和HAOBX的β-葡聚糖含量在10.94至11.43 g/100 g之间，其中MOBX的含量显著高于其他样品（p < 0.05）（图1B）。结果表明，在模拟胃消化条件下，燕麦β-葡聚糖几乎不会进一步降解。蒸、微波炉和热风干燥都有助于保持燕麦β-葡聚糖含量和益生元功能。

图1 经预处理燕麦麸皮的体外模拟胃肠道消化。

（A）预处理燕麦麸皮的总膳食纤维（DF）、可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）含量；（B）预处理燕麦麸皮的β-葡聚糖含量。

NF、OB、SOB、MOB和HAOB组共享192个OTUs（图2A），OB、SOB、MOB和HAOB组共享243个OTUs（图2B）。结果表明，OB、SOB、MOB和HAOB组的粪便微生物群与NF组不同，SOB组的微生物群与OB 组更相似。

图2 基于OTUs 的Venn图

OB、SOB和MOB组的Ace和Chao指数显著高于NF组（p < 0.05）（图3A、B），表明OB组和SOB组粪便微生物群的丰富度要高得多。HAOB组的Chao和ACE指数与NF组相比无显著差异（p > 0.05）。结果表明，SOB可以调节粪便微生物群，而HAOB的影响较小。

NF组的Simpson指数显著高于OB组和SOB组，SOB组显著低于MOB组和HAOB组（图3C）。NF组的Shannon指数显著低于OB组和SOB组，SOB组的Shannon指数显著高于MOB组和HAOB组（图3D）。结果表明，SOB具有更大微生物多样性，并可能增加稀缺微生物群及优势OTUs的数量。

图3 微生物多样性指数。

（A）Ace指数，（B）Chao指数，（C）Simpson指数（D）Shannon指数。*p < 0.05，**p < 0.01。

OB、SOB、MOB、HAOB离NF较远，表明NF组与其他组之间的肠道微生物种类存在显著差异（图4A）。此外，MOB和HAOB离OB较远，而SOB和OB离散性较小，物种相似性较多。结果表明，预处理燕麦麸皮体外发酵后粪便菌群结构发生变化，OB和SOB群落组成更加相似。

PLS-DA分析发酵24 h微生物结构，HAOB组与OB、SOB和MOB组分离，而SOB组和MOB组更接近OB组（图4B）。结果表明，SOB和MOB群体形成了类似的集群。预处理可以提高膳食纤维的可发酵性，同时改变粪便微生物群。根据未加权和加权的UniFrac距离分析，每组内的总方差大于组间方差，表明实验样本之间存在显著差异（图4C、D）。

图4 不同微生物群落的β-多样性分析。

（A）NMDS，（B）PLS-DA分析，（C）加权箱形图，（D）未加权箱图。

Firmicutes，Proteobacteria和Actinobacteria是门水平下的典型代表（图5A）。与NF组相比，Firmicutes相对丰度显著增加（p < 0.01），而Proteobacteria（p < 0.01）和Actinobacteria（p < 0.05）相对丰度显著降低。与OB组相比，SOB、MOB和HAOB组的Firmicutes数量较少。

属水平上的主要微生物群落为Escherichia-Shigella，Enterococcus，Megamonas，Enterobacter，Bifidobacterium，Faecalibacterium和Citrobacter（图5B）。与NF组相比，所有燕麦麸皮组的Escherichia-Shigella相对丰度均显著降低（p < 0.01），Enterococcus相对丰度均显著升高（p < 0.01）。与NF组相比，OB，SOB和HAOB组的Megamonas和Enterobacter相对丰度显著升高，Bifidobacterium显著降低。Faecalibacterium相对丰度在SOB和MOB中比HAOB更丰富。在种水平上，OB、SOB和MOB组的Faecalibacterium prausnitzii相对丰度显著高于NF组（p < 0.05）。Faecalibacterium prausnitzii在OB和SOB中也更丰富。结果表明，预处理的燕麦麸皮可以促进有益细菌的生长，同时抑制有害细菌的生长。

图5 微生物在门（A）、属（B）、种（C）水平下的群落组成及相对丰度分布图。*p<0.05，**p <0.01，***p <0.001。

为了确定关键群落，LDA与非参数Kruskal-Wallis和Wilcoxon秩和检验相结合分析。NF组中两个门水平（Proteobacteria和Actinobacteria）的8种属在微生物群中起重要作用，且与其他组相比，相对丰度存在显著差异。在OB组中，有9个Firmicutes属。SOB包含9个属（Firmicutes和Proteobacteria），其丰度与其他组显著不同。有4个Proteobacteria属在丰度上与MOB组和HAOB组的其他组显著不同。结果表明，膳食纤维对人类肠道微生物组的组成和代谢物产生具有重要性，且Firmicutes的影响最大。此外，4份样本中，Enterobacter，Enterococcus，Bifidobacterium，Lactobacillales，Ruminococcus gnavus，Fusicatenibacter和Lactobacillus与NF组相比表现出更明显的变化（图6B）。

图6 组间分类单位差异显著。

在LEfSe方法上，使用非参数阶乘Kruskal-Wallis秩和检验确定显著不同的物种，显著性水平为0.05，LDA分数（lg）>2。

OB、SOB、MOB和HAOB距离NF较远，表明SCFA产量存在显著差异（图7A）。与NF组相比，本研究中OB、SOB、MOB和HAOB中的乙酸、丙酸和丁酸含量均较低（图7B）。OA组的乙酸、HAOB组的丙酸和丁酸均显著降低（p < 0.05）。SOB组比OB，MOB和HAOB组产生更多的乙酸，丙酸和丁酸。结果表明，热处理对燕麦膳食纤维的生理效应、化学性质和抗氧化活性以及燕麦麸皮的发酵可利用性都有影响。

图7 预处理燕麦麸皮对人类粪便菌群SCFAs含量的影响。

乙酸产生与Escherichia-Shigella，Citrobacter和unclassified_f__Desulfovibrionaceae呈正相关（p < 0.001），与Enterococcus，unclassified_p__Firmicutes，unclassified_o__Lactobacillales，Erysipelotrichaceae_UCG-003和Allisonella呈负相关（p < 0.001）。丙酸的产生与Ruminococcus_gnavus_group，Fusicatenibacter（p < 0.001），Subdoligranulum，Lachnoclostridiumunclassified_f__Lachnospiraceae，Anaerostipes和Flavonifractor（p < 0.01）呈正相关。与unclassified_k__norank_d__Bacteria（p < 0.001），Lactobacillus和Acinetobacter（p < 0.05）呈负相关。丁酸的产生与Ruminococcus gnavus group，Fusicatenibacter，Flavonifractor，Lachnoclostridium，unclassified fLachnospiraceae 和Anaerostipes（p < 0.01）呈正相关，与unclassified k norank d Bacteria呈负相关（p < 0.01）。发现异戊酸的产生与Faecalibacterium呈正相关（p < 0.01）。根据属水平的群落热图结果，燕麦麸皮的益生元作用是通过SCFAs抑制肠道中有害细菌的生长。

图8 关键肠道菌群与短链脂肪酸之间的相关性热点图。

** Spearman相关性在0.01水平上显著不同，* Spearman相关性在0.05水平上显著不同。

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