前言

近日，健合集团创新研究中心再次联合华南理工大学，在国际权威期刊《Molecular Nutrition & Food Research》上发表了一项最新研究成果^[1]并被评选为封面文章。该项目由华南理工大学食品科学与工程学院张斌副教授以及健合集团创新研究中心刘斐童博士共同主持，该研究揭示了不同结构母乳低聚糖（HMOs）对不同肠型婴儿肠道菌群和代谢的影响，为定向设计促进肠道健康的母婴营养产品提供了数据支撑及理论依据。

背景

HMOs在婴儿早期建立免疫系统、塑造婴儿微生物群落和加强宿主-微生物相互作用等方面都发挥着重要的作用^[1]。但HMOs的结构特异性与不同肠型的婴儿肠道菌群是如何影响体外酵解特性和菌群结构的变化仍然是未知的，因此本研究以6种商业用的HMO (2’-FL, 3’-FL, 3’-SL, 6’-SL, LNT, LNnT)为发酵的唯一碳源，选择3种肠型的代表性婴儿粪便为发酵底物，进行体外发酵。旨在阐明在发酵过程中HMO的产气量和产酸量，解析不同结构的HMO体外酵解特性，从而为定向设计针对改善肠道健康的婴儿食品配方提供新的思路。

主要结论

1. 在广州地区所采集的19名婴儿粪便可以分为3种肠型，分别为B. longum, B. breve 和Bacteroides肠型。

2. 在发酵的前期（0~4 h），B. breve肠型结构婴儿的酵解速率和产气量均高于其余两种肠型，而其余两种肠型结构婴儿倾向于在4 h后加快发酵速率。HMO内部的糖苷键的不同并不是控制体外发酵特性的关键因素。

3. B. longum和B. breve肠型结构婴儿主要产乙酸和乳酸，Bacteroides肠型结构婴儿除乙酸外，还会产丙酸、丁酸，且产琥珀酸较多，与其肠道菌群有关。

4. 所有种类的HMOs能够促进双歧杆菌在B. longum和B. breve肠型结构婴儿肠道中的增殖，而只有FLs可以维持拟杆菌在Bacteroides肠型结构婴儿肠道中的丰度。

5. 与HMOs分子结构特异性相比，菌群的初始结构是决定肠道菌群动态变化的主要因素，也是影响发酵特性的重要因素。

研究方法

本研究以6种商业用的HMO (2’-FL, 3’-FL, 3’-SL, 6’-SL, LNT, LNnT)为发酵的唯一碳源，选择3种肠型的代表性婴儿粪便为发酵底物，进行体外发酵。研究在发酵过程中HMO的产气量和产酸量，解析不同结构的HMO体外酵解特性。采用16S rRNA全长基因测序和主成分分析(principal component analysis, PCA)等手段分析不同HMO对不同婴儿肠型的微生物结构变化。

研究结果

1.    婴儿肠道菌群的分型

如图1 A和B所示，婴儿的肠道菌群可以分为三组，分别是以B. longum(平均相对丰度为72%)、B. breve(平均相对丰度为52%)和Bacteroides(平均相对丰度为42%)为主导。然后从每组中随机选择三个有代表性的供体进行体外批量发酵，其微生物群组成见图1 C。

图1 婴儿粪便样本的微生物谱。婴儿肠道菌群的Bray-Curtis 距离PCoA图(A)。每组主导菌群的相对丰度的箱形图(B)。选定的9个婴儿样本在种水平上的相对丰度(C)

2.    体外大肠酵解速率

对于B. longum肠型而言，所有益生元发酵的最终产气量较为一致，约为12 mL每50 mg 碳水化合物，但每个样品的产气速率不尽相同(图2 D1-D3)。与HMO和GOS相比，FOS在发酵后期(8~24 h)显示出更快的发酵速率。有趣的是，我们发现糖单元相同糖苷键不同的HMO(即FLs, SLs和LNT/LNnT组内之间)在产气方面没有显示出明显的差异，这表明HMO中糖苷键的不同并不能控制B. longum肠型的发酵速率。

至于B. breve肠型，与B. longum和Bacteroides肠型相比，其所有测试的样品在发酵初期(0~4 h)的产气量较高，表明B. breve肠型具有更高的利用碳水化合物的能力(图2 D4-D6)。

与前两种肠型不同的是，Bacteroides肠型在产气方面具有较大的个体差异，可能是由于肠道菌群内不同的拟杆菌菌种或菌株或者其他细菌的组成对气体产量的影响更大(图2 D7-D9)。

图2 B. longum、B. breve和Bacteroides肠型接种物进行24 h体外发酵过程中产气情况 (mL/50 mg 碳水化合物)，不同的字母表示显著性差异(p < 0.05)

3.    代谢产物分析

SCFAs、乳酸和琥珀酸与婴儿胃肠道的微生物发酵和特定的饮食成分(如不可消化的碳水化合物)的存在呈正相关^[2]。在B. longum肠型中，FOS发酵后产生的乙酸是最少，而GOS发酵后乙酸的产量与HMO的产量相似 (图3A D1-D3)。在每个发酵时间点，LNT/LNnT组、FLs组和SLs组组内产生的乙酸区别不大(图3A D1-D3)，与图2所示的产气情况一致。

至于B. breve肠型，所有的益生元底物在整个发酵过程中显示出相似的乙酸产量 (图3A D4-D6)。然而，SLs组内显示出不同的代谢情况。就Bacteroides肠型而言，益生元发酵产生了相对较多的丙酸，尤其是FLs组，且SCFAs产量具有明显的个体特异效应。

乳酸和琥珀酸是产生SCFAs的中间产物，可以在粪便发酵过程中被检测到。在B. longum和B. breve肠型中，发酵产生大量的乳酸和少量的琥珀酸 (图3B D1-D6)。Bacteroides肠型产乳酸和琥珀酸的特征与其他两种肠型不同(图3B D7-D9)，其产生较高的琥珀酸可能与接种物中初始肠道菌群中的Bacteroides含量有关^[3]。

图3 B. longum-, B. breve-和 Bacteroides肠型接种物在24 h体外发酵过程中SCFAs(A)、乳酸和琥珀酸(B)的产量，不同的字母表示在每个时间点上的显著差异 (p < 0.05)

4.    肠道菌群的组成及丰度变化

整体来说，无论初始的肠道微生物群组成如何，FLs组、SLs组和LNT/LNnT组的组间和组内微生物群结构在每个粪便个体的发酵中都表现出相似性。与GOS和HMO相比，FOS在发酵后呈现出不同的微生物组成，尤其是在B. longum肠型(图4)。我们发现所有类型的HMO都能在Bifidobacterium为主的婴儿肠道中促进Bifidobacterium的数量，而只有FLs组能在Bacteroides肠型中维持Bacteroides的丰度，这与以前的报道一致^[4-6]。

图4 B. longum、B. breve和 Bacteroides肠型接种物在24 h体外发酵过程中在种水平上的微生物组成

5.    肠道菌群的结构变化

Bray-Curtis距离的PCA分析说明(图5A)，益生元发酵后样本群落之间在矩阵中明显分成三组，并且具有初始优势菌的特征(除D9外)，这说明不同的HMO在每个粪便发酵个体发酵过程中表现出更高的相似性，与婴儿的初始菌群有关。

与前面的PCA图的结果一致的是，Bacteroides肠型的发酵样本群落(除D9外)与其他两种肠型的菌群群落分开。Bacteroides肠型中琥珀酸、丙酸和丁酸的产量与Ba. fragilis呈正相关(图5B D7-D8)。在B. longum肠型(图5B D1-D3)中，乳酸的浓度与B. longum的丰度具有正相关；而在B. breve肠型(图5B D4-D6)中，乙酸的浓度与B. breve的丰度呈正相关。

图5 B. longum、B. breve和Bacteroides肠型接种物进行体外发酵益生元后的PCA图（A）和RDA图（B）

总结

HMOs内部的糖苷键的不同并不是控制体外发酵特性的关键因素，但是组间(FLs组、SLs组以及LNT/LNnT组)仍呈现不同的发酵特性。初始菌群对发酵特性的影响远大于益生元底物(HMOs, FOS和GOS) 对发酵特性的影响，同时益生元对婴儿肠道菌群的调节是以明显的个体依赖方式进行的。因此，不同结构的HMOs与个体初始菌群组成密切相关，可以通过调控关键有益菌种类(B. longum和B. breve)的增殖，调节特定的短链脂肪酸、乳酸和琥珀酸的产量，为定向设计促进肠道健康的婴幼产品提供了数据支撑。

参考文献：

[1] Xu, S., Lane, J. A., Chen, J., et al. In Vitro Infant Fecal Fermentation Characteristics of Human Milk Oligosaccharides Were Controlled by Initial Microbiota Composition More than Chemical Structure [J]. Mol. Nutr. Food Res. 2022, 2200098.

[2] Bode L. The functional biology of human milk oligosaccharides [J]. Early human development, 2015, 91(11): 619-622.

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