肠道健康“双剑合璧”：低聚果糖与罗伊氏乳杆菌如何塑造学生菌群生态

肠道菌群对健康至关重要，其失调与多种疾病相关。调节肠道菌群的方法包括益生元（如低聚果糖，FOS）和益生菌（如罗伊氏乳杆菌）。FOS可调节肠道菌群，降低疾病风险；罗伊氏乳杆菌可恢复菌群稳态，预防腹泻。两者组合（合生元）比单独使用更有效。

然而，FOS与罗伊氏乳杆菌的协同作用研究较少，尤其是在调节肠道菌群和代谢方面。本研究通过体外模拟发酵技术，分析其对学生肠道菌群和代谢的影响，旨在为开发增强学生免疫力的营养产品提供依据。

1、研究结果

A.      FOS和罗伊氏乳杆菌对微生物组成的调节效应

图 1 体外发酵后各实验组粪便样本在属水平上的细菌群落多样性

通过16S rRNA基因测序分析了不同组别发酵后粪便微生物群落的变化。结果显示，在门水平上，每个发酵组的微生物群落主要由厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）组成（图1A）。进一步分析各组在ASV水平上的α多样性发现，LF组的Chao指数显著低于CON组和LR组（图1B），表明LF组的物种丰富度较低；同时，LF组的Shannon指数也显著低于LR组（图1C），说明LF组的群落多样性较低。此外，在属水平上，不同发酵组的肠道微生物群落结构存在显著差异（P < 0.05）（图1D），这表明实验处理对微生物群落的组成产生了明显的影响。此外，研究发现，19个属的相对丰度在四组间存在显著差异，各组分别富集了不同的微生物属，表明实验处理对微生物群落组成产生了显著影响。

B.       粪便细菌体外发酵产生的短链脂肪酸（SCFA）

图 2 FOS和罗伊氏乳杆菌对体外发酵模型中SCFA水平的影响

所有发酵组的六种SCFA产量如图2所示。FOS组的总SCFA产量显著高于CON组和LR组（图2A）。其中，乙酸（Ace）含量最高，其次是丙酸（Pro），其他四种SCFA含量较低（图2B）。FOS组的乙酸含量显著高于CON组和LR组（P < 0.001）。LF组和FOS组的丙酸（Pro）、丁酸（But）、异丁酸（Isob）和异戊酸（Isov）产量显著低于CON组和LR组（P < 0.05），而戊酸（Val）含量在各组间无显著差异。LR组和CON组的六种SCFA含量也无显著差异。

C.       粪便细菌体外发酵产生的气体

图 3 FOS和罗伊氏乳杆菌对体外发酵模型中气体水平的影响

本研究检测了五种发酵气体（CO₂、H₂、H₂S、CH₄和NH₃）的水平（图3）。结果显示，CO₂含量最高，其次是H₂、H₂S、CH₄和NH₃。FOS组和LF组的总气体产量显著低于CON组和LR组（图3A）。LF组的CO₂产量显著高于LR组和FOS组（P < 0.001，图3B），但H₂、H₂S和NH₃水平显著低于CON组和LR组（图3C-F）。CH₄含量在各组间无显著差异，且LR组与CON组的气体含量也无显著差异（图3E）。这表明FOS和罗伊氏乳杆菌的组合在气体产生方面与单独使用的效果不同。

D.      粪便微生物群与发酵产物之间的相关性

图 4 属水平粪便微生物群与SCFA和气体的相关性分析

图片说明：图中仅绘制了显著相关的线条。线条颜色表示正相关（红色）和负相关（蓝色），线条宽度表示相关性的强度。

通过Spearman相关性分析绘制的相关网络图（图4）显示，14个细菌属与6种短链脂肪酸（SCFA）和5种气体之间存在显著相关性。其中，大肠埃希氏菌-志贺氏菌和拟杆菌与多数发酵产物呈正相关，但与乙酸、戊酸和CH₄无关，且大肠埃希氏菌-志贺氏菌与乙酸呈负相关。相反，双歧杆菌和乳酸杆菌与多数发酵产物呈负相关，但与乙酸呈正相关。芽孢杆菌与SCFA、NH₃和H₂S呈负相关，而Megasphaera与戊酸呈正相关，芽孢杆菌和未分类的Bacilli与戊酸呈负相关。CH₄与Megasphaera、Megamonas、Phascolarctobacterium和Klebsiella呈正相关。这些结果表明，FOS和罗伊氏乳杆菌及其组合可能通过调节肠道微生物群的发酵产物来影响宿主代谢。

E.       粪便微生物群功能预测分析（PICRUSt2）

图 5 KEGG功能在三级水平上的相对丰度统计

在代谢功能方面，LR组和FOS组在嘌呤代谢、嘧啶代谢和糖酵解/糖异生上无显著差异（图6F-H）。然而，LF组和FOS组在代谢途径、微生物代谢和ABC转运蛋白的相对丰度显著低于CON组和LR组（图6A、C和I）。相反，LF组和FOS组在次级代谢物生物合成、氨基酸生物合成等方面显著高于CON组和LR组（图6）。此外，FOS组的碳代谢相对丰度低于LR组和LF组（图6E）。这些结果表明，FOS和罗伊氏乳杆菌的组合显著改变了肠道微生物群的功能途径，效果优于单独使用。

2、 结论

本研究通过体外发酵模型，分析了低聚果糖（FOS）和罗伊氏乳杆菌对中国健康中小学生粪便菌群的调节作用。结果显示，FOS组双歧杆菌和乳酸杆菌增加，大肠埃希氏菌-志贺氏菌和拟杆菌减少；罗伊氏乳杆菌组芽孢杆菌和未分类的Bacilli增加。FOS还调节了乙酸的生成，降低了其他短链脂肪酸含量，并减少了H₂、H₂S和NH₃的产生。相关性分析表明，发酵气体与双歧杆菌和乳酸杆菌呈负相关，乙酸与双歧杆菌呈正相关。FOS和罗伊氏乳杆菌的组合表现出更平衡的微生物群结构和代谢调节。研究表明，FOS和罗伊氏乳杆菌的组合对调节粪便微生物群和代谢具有协同效应，为功能性食品开发提供了理论支持，但其机制需进一步研究。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4FO03763D