膳食蛋白质与植物纤维通过肠道微生物群之间的相互作用，与大鼠的盲肠发酵特征和IgA免疫反应有关

《The Journal of Nutrition》：Interactions between Dietary Protein and Vegetable Fiber via the Gut Microbiota Are Associated with Cecal Fermentation Profiles and IgA Responses in Rats.

研究探讨大豆蛋白、蛋清蛋白与纤维素、植物纤维组合对大鼠肠道菌群、发酵产物及免疫球蛋白A的影响。结果显示，大豆蛋白-植物纤维组菌群多样性最高，蛋 whites蛋白-纤维素组氨产量最高但植物纤维可抑制其生成，且Cecum IgA与氨呈正相关。

　　

杉本铃奈（Suzuna Shigetomi）、藤本夏美（Natsumi Fujimoto）、平野香奈（Kana Hirano）、松田司（Tsukasa Matsuda）、加藤千晴（Chikara Kato）、西村直道（Naomichi Nishimura）、日野慎吾（Shingo Hino）

日本静冈大学综合科学技术研究生院农业系，静冈

摘要

背景

饮食中的蛋白质及其与膳食纤维（DF）的相互作用对肠道微生物群、发酵过程以及宿主免疫系统（尤其是免疫球蛋白A（IgA）反应的影响尚未完全明了。

目的

本研究探讨了肠道微生物群如何适应饮食中的蛋白质，进而影响发酵特征和IgA反应，以及这些效应如何受到蔬菜纤维（VF）共同摄入的调节。

方法

5周大的雄性Wistar大鼠被分为6组，分别喂食6种不同蛋白质（酪蛋白、大豆蛋白、蛋清）和膳食纤维来源（纤维素、VF）组成的饮食，持续14天（每组n=6只）。研究分析了盲肠微生物组成、有机酸、氨含量、IgA水平以及与免疫相关的基因表达，并检测了粪便中的IgA含量。数据通过双向方差分析（ANOVA）或对齐等级转换（ART ANOVA）进行处理。微生物群组成通过排列多元方差分析（PERMANOVA）和ANOVA类差异表达工具2.0版（ALDEx2）进行评估，微生物共现网络构建和相关性分析则使用了Spearman等级相关性方法。

结果

大豆蛋白-VF饮食组的α多样性最高，而蛋清蛋白-VF饮食组的多个指标最低（P < 0.05）。β多样性分析显示不同饮食组之间存在显著差异（P < 0.001），网络分析表明蛋白质来源影响了微生物群结构。与大豆蛋白-纤维素饮食相比，大豆蛋白-VF饮食组的n-丁酸产量增加（分别为49.09 μmol/盲肠 vs 17.28 μmol/盲肠，P < 0.05）。蛋清蛋白-纤维素饮食组的氨产量最高，但共摄入VF后氨产量下降（分别为155.52 μmol/盲肠 vs 61.66 μmol/盲肠，P < 0.05）。值得注意的是，盲肠IgA与氨含量呈正相关（ρ = 0.67，P-adj. < 0.01）。

结论

在大鼠中，饮食中的蛋白质及其与VF的相互作用会导致微生物组成发生变化，从而影响盲肠中的发酵特征和IgA反应。这些发现强调了在设计旨在优化肠道健康的饮食干预措施时考虑蛋白质-纤维组合的重要性。

引言

肠道微生物群与宿主形成密切的共生关系，在营养代谢1、2、3和免疫系统成熟4、5、6中发挥重要作用。饮食通过可发酵的底物（如膳食纤维DF、抗性淀粉10、11、12和蛋白质13、14、15）以及难以被小肠消化的黏蛋白16、17、18，深刻影响这一微生物群落的组成和功能。微生物群对这些底物的发酵会产生多种代谢物，其中短链脂肪酸（SCFAs）尤为突出。SCFAs（主要是乙酸、丙酸和n-丁酸）是结肠细胞的重要能量来源19，并维持肠道免疫系统的稳态4、5、6、17、20、21。

宿主与微生物群的相互作用通过微生物成分和代谢物（包括SCFAs和吲哚衍生物4、5、20、21、22）来实现。特别是乙酸和n-丁酸分别促进免疫球蛋白A（IgA）的产生6、21和调节性T细胞的分化5。此外，最新研究表明吲哚衍生物还能激活先天淋巴细胞23、24。这些代谢物谱型在很大程度上取决于饮食成分的变化。膳食纤维作为主要发酵底物，已被报道能增加双歧杆菌（Bifidobacterium）、乳酸菌（Lactobacillus）和罗斯伯里亚菌（Roseburia）的数量，并增强SCFA的产生25、26。相比之下，动物源性蛋白质会增加拟杆菌（Bacteroides）和阿利斯蒂普斯菌（Alistipes）的丰度27、28，同时可能促进有害代谢物（如氨、硫化氢和芳香族氨基酸代谢物）的过量产生29、30、31、32，这些代谢物可能作为黏膜刺激因子调节免疫反应。植物源性蛋白质则有利于普雷沃氏菌（Prevotella）的生长并增强SCFA的产生，尽管这些关联是否直接由蛋白质本身或共摄入的膳食成分引起尚不清楚33、34、35。

以往的研究主要集中在单个膳食成分（如分离的DF和蛋白质）的影响上。然而，这些成分实际上是作为整体饮食的一部分被摄入的，因此其生理效应高度依赖于整体饮食组成36、37、38。事实上，我们之前的研究39表明，果寡糖（FOS）的摄入效果会因整体饮食组成而异。在喂食半纯化饮食的大鼠中，FOS会导致发酵异常，表现为乳酸积累、肠道屏障破坏和盲肠IgA暂时升高39、40、41。而在喂食更复杂、未纯化饮食的大鼠中则未观察到这些现象，因为FOS的发酵过程较为温和39。值得注意的是，这种未纯化饮食中含有高达11%的不可消化蛋白质，这可能在盲肠中成为额外的可发酵底物。这一观察结果表明，共摄入的膳食成分是调节发酵过程及后续生理效应的关键因素。饮食中的蛋白质和DF对肠道环境有不同的影响，但也会相互影响对方的发酵特征39、42。然而，这种相互作用如何塑造肠道微生物群并进而调节宿主黏膜免疫（特别是IgA的产生）目前尚不清楚。

因此，本研究旨在探讨三种具有不同小肠消化率的蛋白质来源（酪蛋白、大豆蛋白和蛋清蛋白）43、44、45如何影响肠道微生物群，进而调节盲肠的发酵特征和相应的宿主IgA反应，以及这些效应如何受到蔬菜纤维（VF）共同摄入的调节。通过使用复杂的、来源于食物的可发酵底物，我们试图避免单一纤维来源可能导致的微生物偏差。基于这一方法，我们假设这些膳食蛋白质会形成不同的肠道微生物群、发酵特征和宿主免疫反应，而VF的生理效应则受到其与共摄入蛋白质相互作用所产生的肠道环境的影响，从而导致不同的发酵特征和IgA反应。为了验证这些假设，我们分析了微生物组成、有机酸和氨的产生以及IgA反应的变化。

部分内容片段

膳食蛋白质来源

酪蛋白购自日本东京的MEGGLE Japan有限公司。大豆蛋白和蛋清蛋白由日本大阪的Fuji蛋白质研究基金会和日本三重的Taiyo Kagaku有限公司提供。蛋白质的化学性质采用标准方法测定（详见补充方法），结果列于补充表1中。

VF的制备

VF由日本常见的四种蔬菜制成：卷心菜（Brassica oleracea var. capitata）和胡萝卜（Daucus carota）

结果

蛋白质来源影响了食物摄入量、粪便排出量和盲肠参数（i-戊酸和n-戊酸除外），并且倾向于增加粪便中的IgA分泌（P = 0.079）（表1）。膳食纤维来源也通过双向方差分析或ART ANOVA影响了食物摄入量、体重增加以及大多数盲肠和粪便指标（盲肠组织重量、氨含量、丙酸、乳酸、n-戊酸或IgA含量），尽管并非所有VF组与其相同蛋白质来源的纤维素组在多重比较中均无显著差异

讨论

本研究的一个核心发现是盲肠IgA水平与氨含量之间存在强烈的正相关关系，而氨是蛋白质发酵的产物，而非SCFAs（图4）。尽管这项研究的关联设计无法确定因果关系，但这一发现表明蛋白质发酵及其相关细菌可能在调节肠道免疫中起重要作用。

数据可用性

支持本研究结果的原始数据和分析代码存储在Mendeley Data中（https://data.mendeley.com/datasets/t8vjkpr8d6）。该数据集目前处于保密状态，正式发表后将立即解除保密限制并公开更新版本。

作者声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用

在准备本研究期间，作者使用了Gemini（Google）工具来提高文本的可读性和语法准确性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

资助

本研究由日本学术振兴会（JSPS）的KAKENHI项目资助，项目编号为23K05128。资助方未参与研究的设计、数据收集与分析、手稿撰写或结果发表的决定。

支持来源

本研究由日本学术振兴会（JSPS）的KAKENHI项目资助，项目编号为23K05128。

致谢

SS和SH负责研究设计。SS、NF、KH、TM和SH共同完成了研究工作。CK和NN提供了研究资源。SS、TM和SH负责数据分析或统计分析。SS和SH撰写了论文。SH对最终内容负主要责任。所有作者均已审阅并批准了最终版本的手稿。