肠道微生物组是一个由细菌、病毒和古菌组成的复杂而动态的社区，主要栖息在人类大肠中（Zhang, 2022）。在过去二十年里，大量研究揭示了肠道微生物及其代谢产物对宿主生理的深远影响。肠道微生物群影响肠道上皮，调节局部和全身免疫反应，并与多种疾病的发生有关，包括炎症性肠病、特应性反应、癌症、溃疡性结肠炎和心血管疾病（Bull & Plummer, 2014; Cao et al., 2024; Hou et al., 2022; Zhang, 2022）。
一个健康的肠道生态系统需要微生物多样性以及关键物种的充足数量，同时避免病原菌的过度生长。通过选择性补充益生元可以多样化肠道环境并促进某些物种的生长。益生元能够刺激有益肠道细菌的生长，它们主要是不可消化的碳水化合物聚合物，能够到达结肠（Betteridge, 2009; Carlson et al., 2017; Davani-Davari et al., 2019）。例如，关键物种双歧杆菌属可以通过木寡糖得到促进（Alessandri et al., 2021; Li et al., 2015）；2型抗性淀粉可以促进瘤胃球菌（Ruminococcus bromii）的增殖，而魔芋甘露聚糖则支持梭菌属（Clostridium）的生长（Baxter et al., 2019; Mao et al., 2022）。致病性的双歧杆菌属（Bilophila）会在高脂肪饮食中过度生长，导致肠道炎症（Feng et al., 2017; Ndungo et al., 2022）。
微生物相互作用被认为是宿主对纤维摄入反应的核心决定因素（Opperman et al., 2025; Ratanpaul et al., 2023）。膳食纤维在化学和物理上具有多样性，包括黏液质、不可消化的寡糖、木质素、抗性淀粉和β-葡聚糖，这些都是微生物群的养分（Opperman et al., 2025; Stribling & Ibrahim, 2023）。已知有超过3000种肠道细菌，但目前尚不清楚哪些纤维或纤维组合对所有有益菌种的生长最有效。例如，研究表明，一次给予益生菌阿纳罗布蒂里克姆菌（Anaerobutyricum soehngenii）可以增加人体内胰高血糖素样肽-1及其再生家族成员1β的表达，但尚未确定哪些益生元可以增加这种细菌及其他许多细菌的丰度（Koopen et al., 2022）。微生物群对身体的影响是通过细菌代谢膳食多糖产生的数千种代谢产物、身体分泌物或从头合成的代谢产物来实现的（Kim, 2024; Liu et al., 2022）。虽然很少测量细菌发酵产生的总气体量，但肠道膨胀会影响肠易激综合症患者的痛觉感知，而且也很少测量气体产生的速率（Malagelada et al., 2017）。益生元的发酵速率常被描述为“缓慢”或“快速”，但这些术语在生理学上的具体含义尚未达成一致，也没有先前的研究尝试全面描述发酵速率并将其与人体生理联系起来（Ratanpaul et al., 2023; Rumpagaporn et al., 2015; Wang et al., 2019; Williams et al., 2011）。
文献中的一个局限性是，膳食纤维的益生元潜力大多是在单独条件下研究的。然而，膳食来源中很少只含有一种益生元（Ratanpaul et al., 2023）。因此，建议测试膳食纤维的组合。此外，体外发酵实验通常会混合来自不同捐赠者的粪便样本，这些样本通常会被冷冻以增加可测试的体积并创造一个更多样的微生物群落，但这种方法会产生偏倚结果（Julia et al., 2023）。因此，建议使用个体的新鲜样本（Cantu-Jungles et al., 2017; Julia et al., 2023; Pirkola et al., 2023）。由于肠道微生物群组成在个体之间存在显著差异，研究结果应被视为概念验证，而不能直接推广到其他个体。
本研究考察了结构不同的膳食纤维在单独使用和组合使用时的气体产生动力学、代谢产物谱型和肠道微生物群动态。鉴于纤维的结构多样性和肠道微生物群的复杂性，我们假设某些纤维组合会在发酵动力学和代谢产物产生方面产生非线性（例如协同或拮抗）的结果。我们的目标是在个体水平上评估这些效应，并建立一个标准化的系统来表征发酵速率。这些发现有助于制定优化纤维组合的策略，以增强有益的微生物反应和代谢产物谱型，同时为跨研究比较提供描述性框架。
