《食品科学》：西藏农牧学院李梁副教授、刘振东副教授等：牦牛乳对小鼠肠道菌群及代谢的影响

乳及乳制品作为人类摄入蛋白的重要来源，除可以满足人体必需氨基酸、维生素、微量元素与矿物质的需求，乳中的功能性低聚糖作为重要的益生元还在维持肠道菌群平衡和人体代谢健康方面起着重要作用。研究显示不同来源的乳及乳制品对肠道微生物的影响以及对人体代谢的影响均有所不同。牦牛乳营养丰富，其蛋白质、乳糖、矿物质等营养成分的种类和含量均高于普通牛乳。

肠道微生物作为人体微生态系统的关键部分被称为“第二基因组”或“第二大脑”，不仅参与肠道与大脑之间的双向交流，还在产生有益代谢物和调节免疫响应等方面发挥着重要作用。

宏基因组学作为一种研究微生物群落全基因组方法，能够快速、准确地获得微生物群落的遗传信息，并探索其多样性、代谢功能及宿主相互作用。代谢组学则采用质谱和色谱等技术定量鉴定生物样本中的代谢物、代谢特征和代谢通路的变化；两种组学结合有利于更全面地了解微生物的种类、功能与代谢产物的关联。

为探究长期牦牛乳饮食对肠道菌群及代谢的影响，探寻高原牧区单一化饮食习服性与牦牛乳摄入的相关性。西藏农牧学院食品科学学院舒森彪、李梁*、刘振东*等人以牦牛乳与荷斯坦牛乳饮食小鼠为研究对象，通过宏基因组学和代谢组学的方法对不同牛乳饮食小鼠肠道微生物群落结构和代谢产物进行研究，进而揭示牦牛乳在藏式膳食结构中的作用，为牦牛乳及制品的进一步开发利用奠定基础。

1 牦牛乳与荷斯坦牛乳对小鼠肠道菌群结构的影响

1.1 测序数据统计

采用Illumina测序平台测序获得的原始数据存在一定比例低质量数据，为了保证后续分析的结果准确可靠，需要对原始的测序数据进行预处理，包括质控和去宿主序列，获取用于后续分析的有效序列。具体数据统计结果见表2。

1.2 物种组成分析

为了研究样品物种组成及多样性信息，用Kraken2对所有样品的全部的有效序列进行注释分类。基于Bracken数据库对得到的结果进行物种的基本组成分析，对于每个样本，在界门纲目科属种的序列数与序列总数的比例进行统计。图1展示了每个样本中在各分类水平注释的程度，结果显示本次样本中，检测到的物种有古生菌（616）、细菌（83 786 651）、真菌（6 186）、香公病毒科（1 922 113）、勒布病毒科（93）、正子病毒科（82）、副子病毒科（2）、桑格病毒科（789）、病毒（80 875）。

如图2A 所示，在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）是各组小鼠粪便样品中的优势菌门，C组中的厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和疣微菌门分别占34.96%、30.49%、22.92%和7.53%，Q组分别占26.48%、33.27%、24.31%和11.08%，S组分别占43.74%、22.36%、24.75%和3.40%。与C组相比，Q组降低了厚壁菌门的相对丰度，提高了放线菌门、拟杆菌门和疣微菌门的相对丰度，而S组降低了放线菌门和疣微菌门相对丰度，提高了厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度；此外，Q组的放线菌门和疣微菌门的相对丰度高于S组，而S组的厚壁菌门的相对丰度高于Q组，Q组与S组之间拟杆菌门的相对丰度差异不明显。这说明了牦牛乳与荷斯坦牛乳的摄入可以在门水平上影响肠道菌群的构成。

如图2B 所示，在属水平上，所有组小鼠肠道微生物群落以乳杆菌属（

Lactobacillus

）、双歧杆菌属（

Bifidobacterium

）、穆里巴库伦菌属（

Muribaculum

）、阿克曼菌属（

Akkermansia

）、邓肯艾拉菌属（

Duncaniella

）、拟杆菌属（

Bacteroides

）、利莫西尔乳酸杆菌属（

Limosilactobacillus

）和利基乳杆菌属（

Ligilactobacillus

）等为主，C组中的乳杆菌属、双歧杆菌属、穆里巴库伦菌属、阿克曼菌属、邓肯艾拉菌属、拟杆菌属、利莫西尔乳酸杆菌属和利基乳杆菌属相对丰度分别为20.26%、20.56%、11.11%、7.53%、4.71%、4.45%、3.16%和7.43%，Q组分别为16.11%、19.19%、8.33%、11.80%、4.87%、6.09%、4.77%和2.41%，S组分别为28.62%、7.68%、9.08%、3.40%、6.15%、4.33%、6.49%和3.75%。与C组相比，Q组与S组的穆里巴库伦菌属和利基乳杆菌属的相对丰度均降低，利莫西尔乳酸杆菌属的相对丰度均升高，而Q组与S组之间的穆里巴库伦菌属与利基乳杆菌属相对丰度差异不明显，这说明牦牛乳与荷斯坦牛乳的摄入导致小鼠肠道菌群发生了明显的变化。此外，Q组的双歧杆菌属、阿克曼菌属和拟杆菌属的相对丰度高于S组，而S组的乳杆菌属、穆里巴库伦菌属、邓肯艾拉菌属和利莫西尔乳酸杆菌属的相对丰度高于Q组。这说明了牦牛乳与荷斯坦牛乳的摄入可以在属水平上影响肠道菌群的构成。

1.3 样品共有物种分析

通过绘制Venn图分析不同样品组之间特有或共有的物种，可以比较直观地表现样本分组间物种组成相似性及重叠情况。由图3所示，3 个组共有524 个分类操作单元（OTUs）；C组有173 个特有的OTUs、Q组有168 个特有的OTUs、S组有179 个特有的OTUs。结果发现当小鼠摄食不同牛乳蛋白后得到不同程度的变化，其中Q组特有菌种降低，S组小鼠菌种与对照组相比显著增加，充分说明食用不同牛乳后小鼠肠道微生物菌群数量会改变，从而改变其原有的肠道菌群结构。

1.4 功能相对丰度与代谢通路概况分析

通过京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库将行使相同功能的基因聚在一起。根据数据库的注释结果，绘制各样品在各个功能层级上的相对丰度统计图，注释结果如图4显示，分别为其他氨基酸的代谢、耐药性：抗菌、内分泌系统、核苷酸代谢、萜类和聚酮类物质的代谢、细胞生长和死亡、膜转运、异种生物体的生物降解和代谢、耐药性：抗肿瘤、肽聚糖的生物合成和代谢、类脂（化合）物代谢作用、次生代谢物的生物合成、能量代谢、细胞复制和修复、辅助因子和维生素的代谢、转译、氨基酸代谢、碳水化合物代谢等功能。

与C组相比，Q组会上调碳水化合物代谢、辅助因子和维生素的代谢、能量代谢和核苷酸代谢，S组会上调碳水化合物代谢、其他氨基酸的代谢、转译、细胞复制和修复、类脂（化合）物代谢作用、耐药性：抗肿瘤、异种生物体的生物降解和代谢、膜转运和核苷酸代谢；Q组与S组相比，Q组会上调氨基酸代谢、辅助因子和维生素的代谢、能量代谢、次生代谢物的生物合成、肽聚糖的生物合成和代谢。然后再进一步对肠道微生物分布情况进行功能代谢通路差异性分析，如图5所示，主要影响的6 条丰度显著较高的功能代谢通路，分别为缺氧诱导因子-1信号通路（map04066）、Toll样受体信号通路（map05111）、甲酰四氢叶酸生物合成（map00261）、非小细胞肺癌-磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B信号通路（map04214）、糖酵解（map00531）、二硫键形成（map00405）。3 组相比，C组具有显著差异的代谢通路有map00531和map00405，Q组具有显著差异的代谢通路有map00261和map04214，S组具有显著差异的代谢通路有map04066和map05111。

2 牦牛乳与与荷斯坦牛乳对小鼠代谢的影响

2.1 样本质控与标准化校正

如图6A所示，在主成分分析（PCA）图中QC样本聚集在一起，证明校正效果良好；如图6B所示，标准化校正前代谢物含量的中位数和上下四分位数不均匀，而标准化校正后基本处于同一水平。

2.2 代谢物含量统计

将校正后代谢物进行统计，发现各组之间存在差异代谢物，结果如图7所示，丰度排名的前20个代谢物分别为9-Oxo-10(

E

),12(

E

)-十八烷二烯酸、

L

-酪氨酸、十六烷酰胺、硬脂基酰胺、烟酸、十六碳酸甘油、油酸乙醇酰胺、亚油酸乙醇酰胺、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、2-羟基肉桂酸、单油酸、(-)-贝壳杉烯氧化物、胆汁酸、

D

-脯氨酸、芬普利姆、异亮氨酸、7-乙酰胆碱、卵磷脂（18:3）、油酸酰胺、

L

-苯丙氨酸。

2.3 PCA

PCA为无监督分析，即PCA并不考虑样品的分组信息。如图8所示，两个分组的点云明显分布在不同区域，说明两个分组的代谢物组成结构差异较大。

2.4单变量分析

通过前期的分析已经确定本次代组间的代谢物存在差异性，但不能直观地表现这些代谢物的变化会给机体带来多大的影响。为了能解决这个问题，接下来采取计算代谢物的变化倍数（FC）衡量这个变化的大小，结合

P

值，筛选一些影响较大的代谢物。结果如图9所示，黄色区域的代谢物

P

小于0.05，且log 2 FC绝对值大于1，这些代谢物在分组间差异显著，且变化较大。为了更加直观地展示代谢物在组之间的差异，将这些挑选出来的代谢物进行统计，排名靠前24的差异代谢物变化情况制作箱式图，如图10所示，这些代谢物分别是前列腺素E2-1-甘油、VB 1 、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、4-羟基-

L

-脯氨酸、1-(3-苯基丙酰基)-4-哌啶羧酸、辅酶Q2、3-甲氧基苯甲醛、乙酰组胺、利血平、西前列素、磺胺甲嘧啶、6-甲基-4-(吗啉甲基)-2

H

-甲烯-2-酮、利索普18:1、

N

-乙酰亚胺、1-(2-甲基苄基)-3-吡咯烷基-1

H

-咪唑并[4,5-

b

]、伐地那非

N

-氧化物、二十碳五烯酸、2-氨基苯磺酸、前列腺素K2、3-乙酰基-11-酮-B-膨胀酸、乙基-1-苯基-1

H

-吡唑并[3,4-

b

]喹啉、7

a

羟基睾酮、

S

-(甲基)谷胱甘肽、羟基-3-(4-甲氧基苯基)-3,4-二氢-1

H

-2-苯并。与C组和S组相比，牦牛乳的摄入显著提高了VB 1 、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、辅酶Q2、磺胺甲嘧啶、1-(2-甲基苄基)-3-吡咯烷基-1

H

-咪唑并[4,5-

b

]、前列腺素K2、3-乙酰基-11-酮-B-膨胀酸和

S

-(甲基)谷胱甘肽等代谢物的含量。

2.5 代谢通路分析

通过富集分析，寻找组间差异显著（

T

检验，

P

＜0.05）的代谢产物，寻找在某一生物过程中起关键作用的生物途径，以揭示和了解生物过程的基本分子机制。如图11A所示，代谢途径主要富集于类固醇激素生物合成，辅因子的生物合成，2-氧代羧酸代谢，氨基酸的生物合成，赖氨酸降解，精氨酸和脯氨酸代谢，硫胺代谢，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成，VB 6 代谢，苯丙氨酸代谢，精氨酸生物合成，淀粉和蔗糖代谢，视黄醇代谢，泛酸和辅酶A生物合成，半胱氨酸和蛋氨酸代谢，花生四烯酸代谢，不饱和脂肪酸的生物合成，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解，氨酰基tRNA生物合成，核苷酸代谢，嘌呤代谢。然后再进行拓扑分析，确定这些富集代谢通路中最为显著和代谢物影响最大的生物功能是哪些，结果如图11B所示，蓝色区域的代谢通路是过表达分析（over-representation analysis，ORA）中显著的代谢通路，为赖氨酸降解、2-氧代羧酸代谢、类固醇激素生物合成、氨基酸的生物合成和辅因子的生物合成。

3 肠道切片

从H&E染色的小鼠小肠肠道切片图可以清楚地看到小肠的基本组织结构，包括上皮细胞的状态、细胞增殖和凋亡情况，以及可能存在的炎症和损伤等。如图12所示，与C组相比，Q组和S组的肠壁厚度增加，肠绒毛变得更长、更密集，且没有畸形或破损的情况，说明Q组和S组小鼠肠道的对营养物质的吸收能力更强，这可能是因为Q组和S组小鼠的肠道微生物群落比C组小鼠更加丰富，有助于提高营养物质的吸收和利用效率。此外，这两组的肠道上皮细胞形态整齐，排列有序，没有发现异常细胞，例如炎症细胞或肿瘤细胞。这些肠道形态的变化可能表明，小鼠在摄入不同类型的牛乳后，其肠道微生物的多样性和丰富度发生了增加，这可能改变了小肠内部的消化和代谢情况，从而影响到了小肠的组织结构。这些变化可能与摄入不同牛乳后，小鼠体内氨基酸代谢、辅助因子和维生素的代谢以及能量代谢等功能上调有关。

本研究主要探讨牦牛乳对小鼠肠道菌群及代谢的影响，以及其在藏区人民单一化饮食习服性中的作用。基于宏基因组学研究发现，摄入牦牛乳能够影响小鼠肠道微生物的结构组成，这与先前的研究相一致，其中也发现乳和乳制品可以改变肠道菌群的组成。在门水平上，通过对小鼠肠道微生物分布情况的观察，发现厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）是小鼠肠道菌群中最丰富的门类，这种丰度分布与人类肠道菌群分布极为相像。对比C组和S组，牦牛乳的摄入提高了放线菌门和疣微菌门的相对丰度，这两类微生物都对分解食物中的复杂物质（如纤维素、蛋白质和多糖）具有关键作用；在属水平上，摄入牦牛乳提高了阿克曼菌属（

Akkermansia

）和拟杆菌属（

Bacteroides

）的相对丰度，阿克曼菌属有助于维护肠道黏液层的健康，能够刺激肠道免疫系统，提高对病原体的防御能力；拟杆菌属能够分解肠道中的复杂多糖，如膳食纤维，分解过程中产生SCFAs，如丁酸和乙酸，这些物质可以作为肠道细菌的能源，有助于维持肠道健康。此外，基于代谢组学研究显示，牦牛乳的摄入可以显著提高小鼠体内多种代谢物的含量。摄入牦牛乳提高了小鼠体内的VB 1 、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、辅酶Q2等代谢物的含量，VB 1 对神经功能和能量代谢有重要作用，辅酶Q2是一种强大的抗氧化剂，有利于减少氧化应激和炎症。牦牛乳的摄入还可以显著调节小鼠体内的代谢路径。摄入牦牛乳提高了小鼠体内类固醇激素生物合成、辅因子的生物合成、2-氧代羧酸代谢、VB 6 代谢、苯丙氨酸代谢等，这些都是生命活动中的重要代谢过程，它们的改变影响到小鼠生长发育、免疫、神经功能等多个方面。

基于两种组学研究发现，微生物群落的改变可能影响小鼠代谢物的变化。摄入牦牛乳能提高VB 1 、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、辅酶Q2等代谢物的含量，这得益于放线菌门和疣微菌门的增殖，它们通过增强食物分解和物质吸收，使得这些代谢物的含量发生变化。微生物群落的改变也可能通过改变小鼠体内的代谢路径，从而影响小鼠的健康。摄入牦牛乳提高了阿克曼菌属和拟杆菌属的相对丰度，其产生的SCFAs不仅为肠道细菌提供能源，也可供宿主能量利用，进而可能影响类固醇激素的生物合成，同时，还可能通过制造一些生物活性分子（如氨基酸、维生素和激素）或通过与宿主的免疫系统的互动，进一步调节宿主的代谢途径。

结合宏基因组学和代谢组学研究结果，可以得出牦牛乳的摄入可以改善肠道菌群的组成和提高有益代谢物的含量，这可能是高原牧区居民能够适应并在这种单一饮食条件下保持健康的一个重要因素。长期过度依赖一种或几种食物，会对健康产生不良影响。Mozaffarian等研究显示长期以高糖或高脂肪食物为主的单一饮食对减肥具有消极作用，提出饮食要融合蔬菜、水果、全谷物等各种食物；Pan An等研究发现长期摄入过多红肉和加工肉类会增加一些癌症，如结肠癌和胃癌的风险。然而，高原地区的环境特殊，食物选择有限，在这种环境下，牦牛乳作为高海拔地区人民重要的蛋白来源，却可以帮助人们适应这种环境，这可能是因为牦牛乳的摄入有利于有益微生物的增长，如放线菌门、疣微菌门、阿克曼菌属和拟杆菌属等，这些微生物可以帮助分解食物中的复杂物质，如膳食纤维、蛋白质和多糖等，使人体更好地吸收和利用食物中的营养成分，维护肠道健康；而且，牦牛乳的摄入提高了一些有益代谢物的水平，如VB1和辅酶Q2，这些代谢物对于维持身体的各种功能，如神经功能和抗氧化能力等，都是非常重要的。

结 论

基于宏基因组学研究表明，对比C组和S组，在门水平上，牦牛乳的摄入提高了放线菌门和疣微菌门的相对丰度；在属水平上，牦牛乳Q的摄入提高了阿克曼菌属和拟杆菌属的相对丰度。基于代谢组学研究表明，不同牛乳对小鼠体内多种代谢物有显著的调节作用，对比C组和S组，牦牛乳的摄入提高了VB 1 、(±)12(13)-二羟基-9-十八烷基酸、辅酶Q2、磺胺甲嘧啶、1-(2-甲基苄基)-3-吡咯烷基-1

H

-咪唑并[4,5-

b

]、前列腺素K2、3-乙酰基-11-酮-B-膨胀酸和

S

-(甲基)谷胱甘肽等代谢物的含量，并且影响最显著的代谢通路为类固醇激素生物合成、辅因子的生物合成、2-氧代羧酸代谢、赖氨酸降解、赖氨酸代谢等。

综上所述，牦牛乳的摄入对肠道菌群和代谢功能具有积极影响，这可能是藏区人民能够适应其单一的饮食习惯，并保持身体健康的一个重要原因。这为进一步开发和利用牦牛乳提供了重要的科学依据。然而，本研究也存在一些局限性。如本研究对象是小鼠，虽然小鼠是常用的生物模型动物，但其与人类在肠道结构和代谢机制上还是存在差异；此外，本研究只关注了乳制品对肠道微生物和代谢的影响，但乳制品可能还会通过其他机制影响人体健康，这些方面需要进一步研究。

作者简介

通信作者：

李梁，西藏农牧学院食品科学学院研究生导师，在读博士，副教授。主要研究方向为高原特色农产品功能成分挖掘与产地溯源。近3 年主持科研项目5 项，其中西藏自治区自然基金项目2 项；以第一作者或通信作者发表中文核心及以上级论文20余篇，其中SCI 11 篇；授权发明专利1 项，软件著作权2 项，出版教材、专著各1 部。Food & Function、Journal of Food Processing and Preservation、Journal of Food Measurement and Characterization等SCI杂志审稿人。

通信作者：

刘振东，西藏农牧学院食品科学学院研究生导师，在读博士，副教授。主要围绕青稞、牦牛乳和大型食药用真菌资源开展西藏传统特色饮食资源评价的科学研究工作，近3 年先后主持国家自然科学基金、西藏自治区自然科学基金重点项目等课题10余项，以第一作者及通信作者发表核心及以上科研论文30余篇，其中SCI收录10 篇，累计影响因子50；授权专利6 项，其中发明专利2 项，实用新型专利4 项。受邀担任核心期刊《食品研究与开发》杂志青年编委及国际期刊Food & Function等SCI杂志审稿专家。西藏自治区五四青年奖章获得者，西藏农牧学院青年优秀科研个人获得者，西藏农牧学院科学技术奖一等奖获得者。

第一作者：

舒森彪（1998—），男，汉族，2017至2021年，本科就读于沈阳师范大学，食品科学与工程专业，2022年至今研究生就读于西藏农牧学院，食品加工与安全专业；研究方向农产品加工与贮藏；获得荣誉：2022年西藏农牧学院新生奖学金，2023年西藏农牧学院学业一等奖学金；科研成果：2024年在《FOODS》期刊上以第一作者发表一篇名为《Effects of Different Heat Treatments on Yak Milk Proteins on Intestinal Microbiota and Metabolism》的期刊论文。

本文 《牦牛乳对小鼠肠道菌群及代谢的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第10期135-146页，作者：舒森彪，张金超，杨杰，汪雯翰，罗章，李梁，刘振东。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230906-053。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：王雨婷 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。

图片来源于文章原文及摄图网。

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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