FSHW | β-胡萝卜素与肠道菌群相互作用：类胡萝卜素利用新途径

Introduction

近年来，β-胡萝卜素作为转化效率最高的VA源受到广泛关注。人体不能自我合成β-胡萝卜素，必须经膳食摄取并在小肠和大肠中消化吸收，而β-胡萝卜素中的长疏水多烯链严重限制了其有效生物利用率，低吸收效率使其大量停留在大肠。大量研究证明，β-胡萝卜素在经过人体消化系统时，只有不足10%会被胃、肠中的消化酶消化，未被吸收利用的β-胡萝卜素都将进入大肠，但大肠中大量肠道菌群与β-胡萝卜素的相互作用尚未见报道。

江苏省农业科学院李大婧研究员、戴竹青副研究员、江苏大学硕士研究生李智娴等 利用肠道菌群体外厌氧发酵模型分析了β-胡萝卜素经菌群代谢后的保留率与代谢产物生成情况；结合高通量测序分析了β-胡萝卜素对肠道菌群的调节作用，为类胡萝卜素类营养素的生物效价研究提供新的视角。

Results and Discussion

肠道菌群对β-胡萝卜素代谢的影响

不同剂量β-胡萝卜素与肠道菌群共培养后β-胡萝卜素的保留率和代谢产物生成情况如图1所示。经肠道菌群厌氧发酵24 h后，低、中、高剂量的β-胡萝卜素处理组保留率分别为（44.34±2.97）%、（35.72±6.23）%和（22.13±3.69）%，β-胡萝卜素降解率分别是无菌培养组的1.46倍左右。VA和维甲酸是β-胡萝卜素的主要代谢产物。VA和维甲酸的浓度均随着发酵时间的增加而增加，发酵24小时后，其浓度分别达到为（0.24±0.00）和（0.80±0.00）μg/mL，分别是无菌培养组的1.99倍和1.06倍，这表明肠道菌群对β-胡萝卜素利用发挥重要作用。

图1 不同剂量的β-胡萝卜素在发酵溶液中24 h内β-胡萝卜素的保留率（A）以及代谢产物生成情况（B）

β-胡萝卜素对短链脂肪酸产生的影响

文章采用GC测定了发酵体系中的SCFAs的生成情况，各组的SCFAs浓度随发酵时间的增加而增加。发酵24小时后，低、中、高β-胡萝卜素计量组的总SCFAs浓度分别为（36.25±5.51）、（44.00±1.16）、（39.80±5.56）mmol/L，分别是无β-胡萝卜素组的1.87、2.26和2.05倍。其中以乙酸、丙酸和乳酸为主要的短链脂肪酸。此外，0.5mg/mL β-胡萝卜素组的SCFAs产量显著高于其他两组（P<0.05）。

β-胡萝卜素对肠道菌群的影响

文章利用Illumina Miseq平台对肠道细菌16S rDNA V3和V4区域进行高通量测序，研究了β-胡萝卜素对体外厌氧发酵体系中肠道微生物的影响。结果表明添加β-胡萝卜素可以提高细菌群落的丰富度与多样性，但差异不显著（P＞0.05）。采用β多样性分析评价样本中的物种复杂性结果如图2所示。样本聚类结果表明体外厌氧发酵实验重复性较好，且各组间菌群结构差异明显，空白对照组与β-胡萝卜素补充组的菌群结构差异显著。PCA图中PC1和PC2共解释了体外发酵菌群整体差异的86.367%，其中PC1解释率为76.433%，说明添加β-胡萝卜素显著改变了肠道菌群的结构和组成。

图2 不同处理组间的PCA分析图（A）和聚类树图（B）

进一步研究了β-胡萝卜素对厌氧发酵体系中肠道菌群组成的影响。各处理组肠道菌群在门和属水平上的分布情况如图3所示。各组样本肠道菌群主要由拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门和变形菌门的微生物组成。与空白对照组相比，所有β-胡萝卜素处理组样本厚壁菌门相对丰度显著增加。在物种属水平上，β-胡萝卜素处理增加了Parasutterella、Lachnospiraceae、Roseburia、Dorea等菌属的相对丰度，降低了Dialister、Enterobater等菌属的相对丰度。结果表明，β-胡萝卜素可以改变肠道的菌群组成，且促进细菌种类生长的最适β-胡萝卜素浓度不同。

图3 不同处理组肠道菌群门水平（A）和属水平（B）的物种组成

通过Lefse和Metastats进一步分析β-胡萝卜素响应关键菌株。根据LDA评分（lg）筛选相对丰度大于0.5%的OTU进行分析，结果如图4所示。低剂量β-胡萝卜素组的优势菌属为Dorea、Lachnospiraceae、Ruminococcus、Butyricicocous、Parasutterella等菌属；中剂量β-胡萝卜素组的优势菌属为Roseburia、Lachnospiraceae、Anaerofilum等菌属；高剂量β-胡萝卜素组的优势菌属为Erysipelotrichacia等菌属。这些关键菌属是造成不同处理组之间菌群差异的主要因素。

图4 基于LDA的分布直方图（A），不同组别的进化分支图（B），基于LDA分析的热图和细菌分类信息（属，科，门）（C）

图5 优势物种图

Conclusion

本文用体外厌氧发酵模型，研究了β-胡萝卜素与肠道菌群的相互作用。结果表明，在肠道微生物作用下，β-胡萝卜素的保留率显著降低，VA、维甲酸和SCFAs的生成量显著增加，说明肠道菌群可以降解和利用β-胡萝卜素。同时，β-胡萝卜素可以通过增加Roseburia、Parasutterella以及Lachnospiraceae等菌属的丰度，降低Dialister、Enterobater等菌属的丰度来改变肠道菌群的组成。本研究结果表明肠道菌群可能是β-胡萝卜素利用的新潜在靶点。

第一作者

李智娴，女，江苏大学工学硕士，食品工程专业，主要方向为果蔬加工与综合利用。

通信作者

李大婧，女，博士、博导、二级研究员。现任农产品加工研究所副所长、果蔬加工创新团队首席科学家。入选江苏省“333”中青年领军人才，江苏省有突出贡献中青年专家，全国农产品加工业十佳青年科技人才，江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象等。长期从事果蔬加工品质调控与机理、类胡萝卜素等营养健康食品精准制造研究。主持承担国家自然科学面上基金、江苏省重点研发计划重点项目等国家和部省级项目35项。作为第一完成人，获得江苏省科学技术二等奖2项、中国食品工业协会科学技术特等奖1项；作为主要完成人，获得中华农业科技奖、北京市科技进步三等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、中国食品科学技术学会技术发明二等奖等各类奖项16项；省科技鉴定成果6项；授权国家发明专利63件，其中第一发明人14件；发表期刊论文309篇，其中SCI收录90篇、EI收录9篇；参编著作7部；制定省标及企业标准37项。兼任中国食品科学技术学会休闲食品加工技术分会常务理事、第三届青年工作委员会委员，国家食药同源产业科技创新联盟常务理事，《食品科学》青年编委会编委。

通信作者

戴竹青，女，戴竹青，博士、硕导、副研究员。江苏省科协“青年科技人才托举工程”培养对象，江苏省农业科学院青年拔尖人才，Fermentation客座编辑。现工作于江苏省农科院加工所果蔬加工创新团队，主要从事果蔬加工与营养提升方面研究。主持国家自然科学基金青年基金、江苏省农业科技自主创新资金等项目5项，以第一/通讯作者在Food Chemistry、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food & Function等杂志发表论文10余篇，其中中科院一区论文7篇；获2021年江苏省科学技术二等奖。

Study on the interaction between β-carotene and gut microflora using an in vitro fermentation model

Zhixian Lia,b, Zhuqing Daia,b,*, Enjuan Shia,b, Peng Wanc, Guijie Chenc, Zhongyuan Zhangb, Yayuan Xua, Ruichang Gaoa, Xiaoxiong Zengc, Dajing Lia,b,*

a School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

b Institute of Agro-product Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China

c College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

*Corresponding author.

Abstract

β-Carotene, a typical non-oxygenated carotenoid, is the most efficient source of retinol (VA). The low bio-availability of β-carotene lead to large accumulation in colon; however, the relationship between β-carotene and gut microflora remains unclear. This study intends to explore the interaction between β-carotene and gut microflora using an in vitro fermentation model. After 24 h fermentation, the degradation rate of β-carotene was (64.28 ± 6.23)%, which was 1.46 times that of the group without gut microflora. Meanwhile, the production of VA was nearly 2 times that of the group without gut microflora, indicating that the gut microflora can metabolize β-carotene into VA. β-Carotene also influences the production of short-chain fatty acids (SCFAs), the production of total SCFAs in 0.5 mg/mL β-carotene (BCM) group was (44.00 ± 1.16) mmol/L, which was 2.26 times that of the blank control (BLK) group. Among them, the production of acetic acid in BCM group was (19.06 ± 0.82) mmol/L, which was 2.64 time that of the BLK group. Furthermore, β-carotene significantly affected the structure and composition of gut microflora, increasing the abundance of Roseburia, Parasutterella and Lachnospiraceae, and decreasing the abundance of Dialister, Collinsella and Enterobacter (P < 0.05). This study provides a new way to understand how β-carotene works in human body with gut microflora.

Reference:

LI Z X, DAI Z Q, SHI E J, et al. Study on the interaction between β-carotene and gut microflora using an in vitro fermentation model[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(4): 1369-1378. DOI:10.1016/j.fshw.2022.10.030.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

为构建多元化食物供给体系并兼顾生态环境保护，并形成以生物多样性保护促进食品生产的可持续性，北京食品科学研究院和中国食品杂志社将与北方民族大学、皖西学院、宿州学院、滁州学院于 2023年5月13-14日在中国宁夏银川 共同举办“ 生态保护与食品可持续发展国际研讨会 ”。本届研讨会将围绕新资源食品挖掘、动植物、微生物可替代蛋白、食用菌等食物资源的开发现状、重要创新进展及存在的问题开展研讨，探讨未来食品发展方向，通过展示我国生态保护与食品可持续发展等领域的最新科研成果，搭建科研单位与企业产学研结合的平台，共同促进我国食品产业发展快速踏入新里程。

Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。

投稿网址：

https://www.sciopen.com/journal/2958-4124