《食品科学》：朱婧研究员、李宝明副研究员等：一种全谷物混合物对糖尿病患者肠道菌群和短链脂肪酸影响的体外和体内评价

近年来随着我国居民生活方式和膳食结构的改变，我国糖尿病患病率不断上升，由2013年的10.9%增加到2018至2019年的12.4%，已成为一个严重危害国人身心健康的重大公共卫生问题。糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，2型糖尿病（T2DM）是其中最主要的类型，占糖尿病总数的90%以上。除了遗传因素外，不健康的饮食和缺乏运动是导致T2DM的重要因素。饮食治疗在预防和治疗糖尿病方面得到了广泛的研究，多种膳食模式包括地中海饮食、低碳水化合物饮食、植物性饮食、低血糖指数饮食都可用于T2DM的饮食治疗，这些饮食模式的共同特点都是以全谷物等植物性食物为主。

谷类食物包括大米及其制品、小麦及其制品、玉米及其制品及其他所有谷类食品，是中国居民最主要的食物来源，很大程度上体现了人群碳水化合物的摄入水平，通常也是能量和膳食纤维的主要来源。一项全球报告表明，尽管饮食中碳水化合物的摄入量在减少，但碳水化合物来源的质量在恶化，尤其是主食中的碳水化合物来源，从全谷物或块茎类食物转向了高度精制的碳水化合物和添加糖。我国营养学家也发现，近30 年来，我国居民谷类食物消费量逐年下降，精加工导致B族维生素、矿物质和膳食纤维丢失引起营养素摄入不足，导致慢性非传染性疾病的发生风险增高。

全谷物是指未经精加工或经简单物理处理后仍保留完整谷物颗粒全部组成成分的谷物，含有丰富的营养物质，如膳食纤维、多酚类物质、植酸、维生素等，其中膳食纤维很难被人体消化，是肠道菌群发酵的主要底物。而精制谷物经过碾磨，除去麸皮和胚芽，只留下淀粉胚乳。这一过程不仅消耗了必需的营养素，而且还增加了谷物的血糖生成指数（GI）。研究证实谷类食物在T2DM的预防和饮食治疗中发挥了重要作用。一项系统性综述和meta分析发现，食用全谷物是增加膳食纤维摄入量和降低慢性非传染性疾病，包括T2DM发病风险的有效手段，并且与GI或血糖负荷相比，全谷物/膳食纤维的高摄入与良好的健康结果相关性更明显。

糖尿病患者通常表现出肠道菌群失调，而饮食是影响人体肠道微生物菌群组成及功能性的主要因素。肠道菌群被誉为高度特异化的“人体活器官”，其组成、活性和代谢物等直接与人体健康息息相关，但碍于伦理道德，且对人体或者动物直接进行取样操作复杂，因此利用体外发酵模型对肠道菌群进行研究已成为热点。体外发酵模型的核心是将单个或多个化学因子与粪便微生物群同时接种，并在生理温度和厌氧条件下培养发酵。该模型广泛应用于研究单个或多个膳食成分对肠道菌群及其生长代谢功能的影响。既往体外发酵研究发现，不同粪便供体的肠道菌群处理不可消化碳水化合物的能力不同。而目前以糖尿病患者为粪便供体的体外发酵研究较少，全谷物对糖尿病肠道菌群代谢的影响尚不明确。因此，北京市科学技术研究院生物技术与健康研究所的赵明、朱婧*、李宝明*基于体外发酵模型，研究一种全谷物混合物（红米、黑米和糙米）对T2DM患者肠道菌群的体外调节作用，并通过人群体内干预研究进行验证，为健康谷物的评价和研发提供理论依据。

01

RG和WG的主要营养成分

如表1所示，与精制谷物RG相比，WG含有的可利用碳水化合物含量较少，而膳食纤维含量较高。有色米是指花青素或原花青素在果皮、种皮上沉积从而得到不同颜色的稻米，多以糙米形式被食用，最为常见的有色米为黑米、红米、黄米、紫米等。糙米、黑米和红米在营养组成上显著优于白米，并且有色米的矿物质含量和抗氧化活性更高。

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发酵液pH值的动态变化

谷物消化产物冻干粉与糖尿病志愿者的粪便混合发酵24 h后，RG组粪便发酵产物pH值为4.39±0.37，WG组发酵产物pH值为4.52±0.44，配对t检验结果提示，WG组的pH值明显高于RG组（t＝-3.373，P＜0.01）。pH值从一定程度上可以反映发酵培养基中碳水化合物的消耗程度和SCFAs的产生情况。既往体外发酵实验发现，可溶性β-葡聚糖可在12 h内快速完成发酵。而全谷物相比精制谷物含有更多的不溶性膳食纤维，可能会限制发酵速度。

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体外发酵阿拉伯糖和木糖的消耗量

非淀粉多糖（NSP）是膳食纤维的主要成分，在唾液、胃液和肠液等消化液中不能被消化或完全消化，进入肠道后成为人体内肠道微生物的主要碳源。阿拉伯木聚糖是大多数谷物中含量最丰富的NSP。动物实验发现，补充阿拉伯木聚糖可促进纤维降解菌的生长，增加SCFAs，并降低机会致病菌的丰度。由图1可见，以WG为底物进行体外发酵消耗的阿拉伯糖和木糖含量分别高于以RG为底物消耗的含量，差异具有统计学意义（P＜0.01）。此外，阿拉伯糖和木糖的消耗量呈显著正相关（t＝0.817，P＜0.01），提示同一粪便供体发酵阿拉伯糖和木糖的能力存在相关性，而全谷物可为肠道菌群提供更多的可发酵底物和能量来源。

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体外发酵对肠道菌群产生SCFAs的影响

SCFAs是含量最丰富的，也是研究最多的肠道微生物代谢终产物。乙酸、丙酸和丁酸是肠道菌群利用碳水化合物发酵产生的主要代谢产物，而异丁酸和异戊酸是主要由氨基酸为底物合成的支链SCFAs。SCFAs产生的差异可能取决于发酵底物和肠道微生物的组成。本研究发现，RG组的乙酸含量明显高于WG组，与pH值的结果一致，可能是由于RG的快速发酵导致更多的乙酸产生和发酵环境的酸化；RG组和WG组的异丁酸和异戊酸含量明显低于空白组；RG组的丁酸含量明显低于空白组和WG组，见表2。尽管乙酸通常被认为有益健康，但过高浓度的乙酸可能无法被肠上皮细胞代谢，而被运往肝脏成为合成脂肪和TC的前体。既往研究还发现，大多数肠道细菌可通过发酵NSP以剂量依赖的方式生成乙酸，而产生丙酸和丁酸的肠道菌群则有限。丁酸是结肠细胞的主要能量来源，在降低血糖、控制体质量和改善胰岛素敏感性方面起着关键作用。由此可见，通过摄入富含膳食纤维的全谷物增加丁酸水平，可能为T2DM提供新的治疗选择。

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体外发酵对肠道菌群多样性的影响

α多样性可反映肠道菌群组成的丰富度和均匀度，β多样性可反映不同组之间肠道菌群的差异，二者可以评价以不同底物进行体外发酵对肠道菌群的影响。如图2所示，与空白组相比，添加RG显著降低了Evenness指数（P＜0.05），而Shannon指数在RG和WG组都出现了降低趋势，但差异没有统计学意义（P＞0.05）。既往体外发酵研究也发现了肠道菌群多样性的下降，可能是由于底物在体外进行发酵后，打破了原有体系中微生物平衡，微生物之间产生竞争作用，降低了肠道菌群的多样性。本研究发现，WG组保持了Evenness指数的稳定，对肠道菌群的均匀度产生了积极影响。这可能是因为不溶性膳食纤维除了可为肠道菌群提供能量来源，还可为微生物提供生态位点。

经主坐标分析（principal co-ordinates analysis，PCoA）发现，空白组与RG、WG组之间存在较明显的区分，第1主成分贡献为30.04%，说明添加的发酵底物改变了肠道菌群的结构，如图3所示。进一步对RG组和WG组进行ANOSIM检验，r＝-0.046、P＞0.05，提示2 组肠道菌群的结构没有明显差异。

06

体外发酵对肠道菌群物种组成的影响

各组门水平群落组成及丰度分布如图4所示，与空白组相比，RG组和WG组的Actinobacteria相对丰度明显增加，Bacteroidetes相对丰度明显降低。De Paepe等的研究发现，肠道微生物在不溶性麸皮上的定植存在个体差异性，并且与附着在麸皮上的Bacteroidetes的丰度降低相关，这与本研究的结果一致。此外，本研究发现Bacteroidetes与Actinobacteria的相对丰度呈显著负相关，这可能是由于在体外发酵过程中Actinobacteria通过竞争营养底物和生态位点，对Bacteroidetes产生了竞争性抑制。

各组肠道菌群属水平的前20菌属，如图5所示，与空白组相比，RG组和WG组的Bifidobacterium、Lactobacillus相对丰度增加，特别是Bifidobacterium，一种Actinobacteria菌门的益生菌，经过体外发酵，替代Bacteroides成为了RG组和WG组的最大优势菌属。

除了丰度较高的前20菌属，与空白组相比，WG组的Gordonibacter相对丰度增加，Actinomyces、Rothia相对丰度降低，而RG组的Achromobacter丰度增加。既往研究发现，Gordonibacter具有代谢膳食多酚的作用，其代谢产物可改善胰岛素敏感性。Actinomyces、Rothia、Achromobacter都属于机会致病菌，提示精制谷物RG可能有增加肠道菌群紊乱的风险，全谷物WG相反可能有改善肠道菌群紊乱的作用。

在属水平上，RG组和WG组共鉴定出120 个菌属，其中6 个菌属是RG组独有，12 个菌属是WG组独有。通过Wilcoxon符号秩和检验发现，与RG组相比，有7 种菌属在WG组的相对丰度明显升高（P＜0.05），分别是Collinsella、Bacteroide、Parabacteroides、Anaerostipes、Oscillibacter、Faecalibacterium、Megasphaera。Pearson相关性分析提示，Gordonibacter、Coprococcus与底物中阿拉伯糖的消耗量呈显著正相关（P＜0.05）；Collinsella、Gordonibacter、Coprococcus、Dorea、Roseburia、Agathobaculum、Ruminococcaceae_unclassified、Ruminococcus、Eubacterium、Lactococcus与木糖的消耗量呈显著正相关（P＜0.05）。既往研究发现，Parabacteroides、Anaerostipes、Oscillibacter、Faecalibacterium、Collinsella、Coprococcus、Dorea、Roseburia、Agathobaculum、Ruminococcaceae、Eubacterium等菌属/科具有产丁酸的能力，提示WG在体外发酵过程中可为产丁酸菌提供营养底物，促进其增殖、合成丁酸，从而调节肠道和代谢功能。

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受试者粪便SCFAs含量变化

既往研究发现，增加富含膳食纤维的食物摄入，有利于促进肠道菌群利用SCFAs前体物质进行发酵，从而增加粪便中的SCFAs。本研究发现，使用WG干预2 周后，受试者粪便丁酸的含量与干预前相比显著升高，如表3所示，与体外研究的结果存在一致性。Hald等对代谢综合征患者进行4 周的饮食干预后，发现相较于西方饮食，以全谷物为主要碳水化合物的饮食结构能够提高肠道双歧杆菌比例和粪便丁酸盐含量。研究发现，膳食纤维的摄入可以改善T2DM患者的血糖控制、血压、血脂、肥胖和炎症，而这些影响可能归因于SCFAs。由此可见，全谷物WG有通过提高肠道合成SCFAs，达到改善T2DM代谢的潜力。

08

受试者肠道菌群的多样性和组成分析

饮食是肠道菌群的重要调节因子。高糖、高脂肪和高TC的饮食可导致肠道生态失调，破坏肠黏膜屏障，促进糖尿病的发展。研究发现，T2DM患者的微生物群中有害细菌的数量增多，而产生丁酸盐细菌的水平较低。

α多样性分析如图6所示，使用WG作为主食干预2 周后，与基线组相比，Shannon指数和Evenness指数出现了升高趋势，但差异没有统计学意义（P＞0.05）。PCoA如图7所示，进一步进行ANOSIM检验，r＝-0.096、P＞0.05，提示2 组肠道菌群的组间差异小于组内差异。

2 组肠道菌群门水平的肠道菌群构成，如图8所示，糖尿病患者的优势菌门是Bacteroidetes、Firmicutes、Actinobacteria和Proteobacteria，与既往研究的结果一致。

2 组肠道菌群属水平的前20 位菌属，如图9所示。在属水平上，2 组共鉴定出127 个菌属，其中13 个菌属是干预前组独有的，20 个菌属是干预组独有。通过Wilcoxon符号秩和检验发现，与基线组相比，产丁酸菌Anaerostipes在干预组的相对丰度明显升高（P＜0.05）。大量研究表明，T2DM患者的肠道微生物群表现出生态失调，一些有益菌如Bifidobacterium、Bacteroides、Faecalibacterium、Akkermansia和Roseburia与T2DM呈负相关，一些机会致病菌与T2DM呈正相关，并且与健康对照相比，T2DM存在产丁酸菌比例降低。一项随机对照试验发现，与饮食建议组相比，一种富含纤维的营养配方显著增加了糖尿病患者产丁酸菌Roseburia faecis和Anaerostipes hadrus的相对丰度。研究发现丁酸盐能够改善胰岛素敏感性，对于T2DM的预防和治疗具有重要意义。由此可见，恢复产丁酸细菌及其水平可能为T2DM提供新的治疗选择。

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对受试者血糖血脂的影响

糖尿病患者通常伴随脂质代谢紊乱，这可能导致患者胰岛素抵抗的加重。既往研究发现，小米、燕麦、荞麦等全谷物干预可促使发酵产生特定SCFAs的菌种在肠道中成为优势菌种，进而使肠道微生物菌群的结构发生改变，从而对机体脂质代谢产生影响。本研究发现，使用全谷物干预2 周后受试者的FPG、TG与基线组水平相比无显著性差异，而HDL-C水平明显高于基线，TC和LDL-C水平明显低于基线组（表4）。研究结果提示WG具有改善T2DM患者脂代谢异常的功能。

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阿拉伯木聚糖是谷物中主要的NSP，存在于小麦、大麦、水稻和玉米等多种谷物的胚乳细胞和糊粉层的细胞壁中。既往研究发现，一些产丁酸菌，如Roseburia intestinalis，拥有专门的酶系统，可分解全谷物中的阿拉伯木聚糖，将其转化为可发酵的单糖，再通过厌氧发酵产生丁酸。本研究发现，与精制谷物RG相比，富含膳食纤维的WG可为体外发酵提供更多的阿拉伯糖和木糖，产生了更多的丁酸，并且阿拉伯糖和木糖与多种产丁酸菌的丰度呈正相关，提示WG在体外发酵过程中可为产丁酸菌提供更多的营养底物。与RG组相比，WG更有利于保持肠道菌群的α多样性；在门水平上，与空白组相比，添加WG和RG皆增加了Actinobacteria的相对丰度，降低Bacteroidetes的相对丰度；在属水平上，与空白组相比，添加WG和RG皆增加了Bifidobacterium、Lactobacillus的相对丰度，WG组还增加了Gordonibacter的相对丰度，降低了Actinomyces、Rothia的相对丰度，RG组则增加了Achromobacter的相对丰度；此外，WG组与RG组相比，增加了Collinsella、Parabacteroides、Anaerostipes、Oscillibacter、Faecalibacterium等产丁酸菌的丰度，提示全谷物混合物WG对菌群结构产生了积极的影响，且显著促进了丁酸的产生。以往研究多聚焦单一全谷物，本研究选择一种全谷物混合物（糙米、红米和黑米的1∶1混合物）作为干预物，更贴近实际饮食中“混合摄入”的特点，其结果对日常饮食指导和食品开发更具现实意义。同时，针对T2DM患者这一特定人群，分析其肠道菌群对全谷物的响应，比针对健康人群的研究更具临床价值。

丁酸是肠道细菌发酵膳食纤维产生的主要SCFAs之一，对肠道健康和脂质代谢具有多重益处。本研究对T2DM受试者进行2 周全谷物主食干预后发现，产丁酸菌Anaerostipes的相对丰度以及粪便中的丁酸水平明显升高，进一步验证了体外发酵实验的结果；此外，干预2 周后患者的血脂代谢紊乱得到了明显改善，揭示了全谷物混合物WG对肠道稳态和脂质代谢的健康调节作用。以往研究大多进行单一体外或体内研究，本研究首先通过体外发酵模型和宏基因组学探讨了WG对肠道菌群及代谢物的影响，再通过T2DM患者体内干预实验进行验证，形成从机制探索到效果验证的完整证据链，为“饮食-菌群-代谢疾病”的关联提供了新的科学证据，丰富了肠道菌群介导膳食干预改善代谢疾病的理论体系。

由于体外发酵模型不能完全模拟体内环境，在未来研究中可采用动态发酵模型（如SHIME）或动物模型进行验证，以便更好地复制体内复杂的微环境和宿主因素。此外，本研究采用单臂干预研究对体外研究结果进行初步验证，较短的干预时间可能不足以引起菌群结构的显著变化，有待大样本、高质量的随机对照研究来更好阐释全谷物饮食对T2DM的干预效果。

综上所述，本研究不仅提示全谷物在调节肠道菌群方面的巨大潜力，也验证了体外发酵模型在评价和筛选谷类食物调节肠道菌群功能方面的应用价值，为健康谷物产品的研发提供了理论和技术基础。

作者简介

通信作者：

李宝明，博士、副研究员，毕业于中国农业科学院农业微生物学专业，2007年入职北京市理化分析测试中心工作，历任室主任、副部长、副所长等，现为北京市科学技术研究院生物技术与健康研究所党支部书记、副所长（正处职），长期从事实验室管理与质量体系建设，研究方向为肠道微生物在改善健康中的应用研究。近5 年承担和参与国家科技部、北京市科学研究院等项目5 项，发表学术论文34 篇，参与编书3 部，申请专利11 项，获得省部级科技奖励2 项。

朱婧，博士，研究员，毕业于荷兰乌特勒支大学，北京市科学技术研究院生物技术与健康研究所营养组学团队负责人。研究方向为基于多组学研究营养相关健康问题。参编学术专著4 本，发表学术论文 50余篇。获得发明专利 1 项，主持团体标准制定 1 项，参与团体标准制定1 项。入选北京市海外高层次人才（北京项目青年项目），曾获全国营养行业先进工作者、华夏医学科技奖营养与代谢专项奖一等奖、中国营养科学技术奖三等奖等奖项。担任中国营养学会营养与保健食品分会秘书长、中国营养学会妇幼营养分会委员、中国营养保健食品协会母婴营养专业委员会委员，北京市科协人才举荐评审专家，《NUTRITION IN CLINICAL PRACTICE 临床精粹》青年编委，《Food & Medicine Homology》青年编委。

第一作者：

赵明，博士，助理研究员，研究方向为营养与食品卫生，2012年毕业于北京大学公共卫生学院营养与食品卫生系，历任首都医科大学附属北京妇产医院、北京大学首钢医院营养科主治医师。2022年入职北京市科学技术研究院生物技术与健康研究所，曾参与国自然面上、市自然、首特等多项省部级课题，主持2024年北京市财政项目创新工程课题1 项，主持2025年北京市财政项目创新培育课题1 项，发表学术论文10余篇，申请专利2 项。

引文格式：

赵明, 朱婧, 李宝明. 一种全谷物混合物对糖尿病患者肠道菌群和短链脂肪酸影响的体外和体内评价. 食品科学,2026, 47(1): 134-141. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250731-249.

ZHAO Ming, ZHU Jing, LI Baoming. Effect of a whole-grain mixture on gut microbiota and short-chain fatty acids in diabetic patients: in vitro and in vivo evaluation. Food Science, 2026, 47(1): 134-141. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250731-249.

实习编辑：杨瑞蕾；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

为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。

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