《Scientific Reports》：α-Amylase in Aspergillus oryzae-fermented rice promotes the growth of human symbiotic Faecalibacterium Prausnitzii
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本研究针对具有重要益生潜力的下一代益生菌Faecalibacterium prausnitzii（F. prausnitzii）在体外培养中生长缓慢的问题，通过系统分析米曲霉（Aspergillus oryzae）发酵米提取物的活性成分，发现其富含的α-淀粉酶能够有效降解淀粉为低聚糖，显著促进F. prausnitzii的生长和丁酸盐（butyrate）产量。该研究揭示了传统发酵食品中外源酶类通过辅助降解复杂多糖促进肠道共生菌代谢的新机制，为开发以酶辅助策略为核心的合生元（synbiotics）提供了理论依据。
在人体肠道这个复杂的微生态系统中，数以万亿计的微生物与宿主健康息息相关。其中，Faecalibacterium prausnitzii（F. prausnitzii）作为一种重要的产丁酸盐（butyrate）细菌，被视为肠道健康的“哨兵”。它在健康成人肠道菌群中占比可达5-15%，其丰度的下降与炎症性肠病（IBD）、肥胖、2型糖尿病等多种疾病密切相关。F. prausnitzii通过产生丁酸盐等短链脂肪酸（SCFAs）发挥抗炎、维持肠道屏障完整性、调节免疫等多重有益作用，因此被寄予厚望成为下一代益生菌。然而，这颗“明星细菌”极其娇贵，对氧气高度敏感，在空气中暴露不到20分钟便会失活，这为其大规模培养和商业化应用带来了巨大挑战。因此，寻找能够有效促进其生长的“食物”——即益生元（prebiotics），或开发新的辅助策略，以支持其在复杂肠道环境中的定植与功能发挥，成为了当前研究的热点。
传统发酵食品，尤其是利用米曲霉（Aspergillus oryzae）制作的“米麹”（rice-koji），如日本清酒、味噌、甘酒等，在亚洲饮食文化中历史悠久，其健康益处备受关注。这些益处通常归因于发酵过程中产生的丰富营养素、维生素、必需氨基酸以及益生元低聚糖。近年来，有研究提出，发酵食品中的外源消化酶（如蛋白酶、脂肪酶）也可能通过影响肠道菌群组成而发挥益生元样作用。那么，米麹中是否含有能够特异性促进F. prausnitzii这类关键有益菌生长的成分？其作用机制又是怎样的？为了回答这些问题，来自香川大学和AuB株式会社的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。
研究者们为阐明米麹提取物对F. prausnitzii的作用及其机制，运用了一系列关键技术方法。他们从一名健康男性马拉松运动员的粪便样本中分离出F. prausnitzii菌株（研究经香川大学伦理委员会批准，批号H30-066），并在严格的厌氧条件下进行培养。通过硫酸铵沉淀和阴离子交换层析对米麹水提物进行活性成分分离纯化。利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对活性组分进行蛋白质鉴定。采用淀粉底物凝胶酶谱法（zymography）和生化试剂盒检测α-淀粉酶活性。通过监测光密度（OD590）、实时荧光定量PCR（qPCR）检测16S rRNA基因拷贝数、ATP生物发光法评估菌体代谢活性，以及高效液相色谱（HPLC）分析丁酸盐产量，综合评价F. prausnitzii的生长和代谢情况。
Rice-koji extract promoted F. prausnitzii growth（米麹提取物促进F. prausnitzii生长）
研究首先发现，在F. prausnitzii的基础培养基（FM）中添加1%或2%（v/v）的米麹提取物，能显著增强该菌的生长。与仅添加无菌水的对照组相比，添加提取物的培养物在培养12小时后的OD590值更高（超过1.2，对照组约为1.0），基因组拷贝数呈剂量依赖性增加，ATP产量也显著提升。革兰氏染色镜检进一步证实，添加米麹提取物的培养物中细菌细胞密度更高，且细胞更易聚集。这些结果明确表明米麹提取物中含有促进F. prausnitzii生长的活性成分。
Identification of growth-promoting factors for F. prausnitzii in rice-koji extract（米麹提取物中F. prausnitzii生长促进因子的鉴定）
由于该生长促进效应具有热不稳定性，提示活性成分可能是蛋白质。研究人员通过硫酸铵沉淀和阴离子交换层析将米麹提取物分离为20个组分。活性检测显示，第12至15组分具有显著的生长促进活性。SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）显示这些组分在约55 kDa处有清晰的蛋白条带，其中第13组分含量最高。LC-MS/MS分析鉴定出该组分中最丰富的蛋白质是米曲霉来源的α-淀粉酶，其分子量与SDS-PAGE结果一致。酶活分析（zymography和生化测定）证实， indeed，第12-15组分，特别是第13组分，具有最高的α-淀粉酶活性。将米麹提取物100°C加热10分钟使其酶活完全失活后，其生长促进效应也随之消失，证明该效应依赖于α-淀粉酶的催化活性。
Growth-promoting effect of α-amylase-rich rice-koji fraction on F. prausnitzii（富含α-淀粉酶的米麹组分对F. prausnitzii的生长促进效应）
为了验证α-淀粉酶的作用，研究者在不同碳源条件下测试了富含α-淀粉酶的第13组分的效果。在以淀粉、麦芽糖和纤维二糖作为碳源（不含D-葡萄糖）的培养基中，第13组分能像完整的米麹提取物一样有效促进F. prausnitzii的生长和ATP产生。然而，在以D-葡萄糖为唯一碳源的培养基中，第13组分未显示出生长促进作用，但完整的米麹提取物仍能在对数生长中期促进生长，提示米麹中还存在不依赖于淀粉降解机制的其他生长促进因子（如肽、氨基酸、维生素等）。特别重要的是，在以淀粉为唯一碳源的培养基中，第13组分显著促进了F. prausnitzii的生长、ATP产生以及丁酸盐的产量，尽管效果略低于完整的米麹提取物。这直接表明米曲霉来源的α-淀粉酶通过促进淀粉的降解，增强了F. prausnitzii对淀粉的利用效率。
Effect of A. oryzae-derived α-amylase on F. prausnitzii growth（米曲霉来源的α-淀粉酶对F. prausnitzii生长的影响）
最后，研究者比较了添加1%米麹提取物与等量（56.4 mU）纯化米曲霉α-淀粉酶的效果。在仅含0.1%淀粉的培养基中培养15小时后，纯化的α-淀粉酶也能显著提高F. prausnitzii的生长（OD590）和ATP水平，但其效果显著低于米麹提取物。这一结果确认了α-淀粉酶是米麹提取物发挥生长促进作用的的关键成分之一，但同时表明米麹提取物的卓越效果不能仅用α-淀粉酶的含量来解释，提示米麹中可能还存在其他酶类（如葡萄糖淀粉酶、脱支酶等）或因子，通过协同作用更高效地将淀粉降解为F. prausnitzii更易利用的低聚糖混合物。
结论与展望
本研究首次揭示，传统米麹发酵食品中的米曲霉来源α-淀粉酶是促进关键肠道共生菌F. prausnitzii生长的重要因子。其作用机制并非作为直接营养被菌体利用，而是作为“助手酶”（assistant enzyme），催化降解培养基中的淀粉，生成更易被F. prausnitzii摄取和发酵的低聚糖（如麦芽糖、麦芽三糖、糊精），从而帮助细菌绕过自身合成并分泌多糖降解酶所需的能量消耗，更高效地生长和产酸。这为理解发酵食品的健康益处提供了新视角：它们不仅是营养源，还可能通过提供外源酶来优化肠道菌群的功能。
研究者也讨论了本研究的局限性与未来方向。目前的发现基于F. prausnitzii的纯培养体系，而人体结肠是一个充满竞争的复杂生态系统，淀粉降解产物可能被多种糖酵解菌共享，其竞争结果难以预测。此外，酶在胃肠道中的稳定性（如胃酸和蛋白酶的影响）、淀粉底物和酶的最佳剂量，以及α-淀粉酶的促生长效应在Faecalibacterium属不同菌株或进化支中的普适性，都是未来需要深入探讨的问题。尽管面临挑战，这项研究无疑为开发以“酶辅助”为策略的新型合生元（synbiotics）和功能食品提供了富有前景的设计思路。米麹本身就可以被视为一个天然的合生元范例，它同时提供了益生元（淀粉）和针对F. prausnitzii的助手酶（α-淀粉酶）。未来，通过临床干预试验验证这一策略在人体内的有效性，将具有重要的科学意义和应用价值。
