短鏈脂肪酸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值

短鏈脂肪酸（scf）也被稱為發(fā)育酸（vf），是人類腸道細(xì)菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物。主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸和己酸。其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高,乙酸約為40～100mmol,丙酸為15～40mmol,丁酸為10～30mmol/kg內(nèi)容物,是腸道中主要的SCFA。SCFA主要來自大腸內(nèi)碳水化合物發(fā)酵和蛋白質(zhì)降解,腸道菌群通過產(chǎn)生SCFA,對(duì)人體多個(gè)器官和代謝產(chǎn)生較大的影響。1腸道菌群中各理化性質(zhì)及碳源的變化人和動(dòng)物消化道中棲息著龐雜的菌群,除了維持自己的代謝,它們也在人和動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝中起著重要的作用。食物進(jìn)入腸道后,各類細(xì)菌都參與了這一代謝過程。一些細(xì)菌參與復(fù)雜大分子物質(zhì)的降解,它們的代謝產(chǎn)物可能又是另一些細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),由此產(chǎn)生的食物鏈交叉連接,互相影響,構(gòu)成了腸道中蓬勃不息的代謝活動(dòng)。結(jié)腸是SCFA主要產(chǎn)生的部位,右結(jié)腸和盲腸中SCFA的含量較高,這是因?yàn)榻Y(jié)腸細(xì)菌首先在此同小腸來的碳水化合物接觸,發(fā)酵活性最強(qiáng)。雖然左右結(jié)腸的SCFA濃度不同,但乙酸:丙酸:丁酸的比率相同。Weaver等研究了35個(gè)健康人結(jié)腸的內(nèi)容物,發(fā)現(xiàn)乙酸:丙酸:丁酸的比率為60.7:15.8:17.3。大腸中的細(xì)菌幾乎都能都能分解糖類,并從降解碳水化合物中獲取能量和碳源,見表1。進(jìn)入結(jié)腸的碳水化合物,有些是尚未消化吸收的食物殘?jiān)?有些是粘蛋白及宿主的分泌物,其數(shù)量和類型主要取決于食物被消化吸收的程度,這些物質(zhì)都可被微生物發(fā)酵。由于細(xì)菌連續(xù)的代謝活動(dòng),結(jié)腸內(nèi)的氧化還原電位很低,只有極微量的氧存在,是一個(gè)適合嚴(yán)格厭氧微生物繁衍的環(huán)境。復(fù)雜的碳水化合物經(jīng)過連續(xù)水解成為簡(jiǎn)單的糖,受到菌群的進(jìn)一步代謝,最終成為多種發(fā)酵產(chǎn)物,如SCFA,其它有機(jī)酸、乙醇、氫和二氧化碳等見圖1。短鏈脂肪酸也是蛋白質(zhì)降解和氨基酸發(fā)酵的主要產(chǎn)物。從表2可見,梭菌可利用多種氨基酸,相應(yīng)生成多種有機(jī)酸。梭菌可通過丙烯酸途徑由丙氨酸產(chǎn)生丁酸,也可在蘇氨酸脫水酶和酮酸脫氫酶的參與下由蘇氨酸產(chǎn)生丙酸。乙酸可通過Stickland反應(yīng)從甘氨酸產(chǎn)生,也可從絲氨酸、谷氨酸、賴氨酸、鳥氨酸發(fā)酵產(chǎn)生。從表中可見谷氨酸是一種常見的發(fā)酵基質(zhì),乙酸和丁酸是其主要發(fā)酵產(chǎn)物,厭氧菌谷氨酸代謝有兩個(gè)途徑:甲基天冬氨酸途徑,常見于梭菌;羥基谷氨酸途徑,常見于梭桿菌、消化鏈球菌和氨基酸球菌。SCFA的種類和數(shù)量受到發(fā)酵基質(zhì)的數(shù)量、類型、降解速率、降解程度,以及腸道菌群和宿主生理狀態(tài)等因素的影響。結(jié)腸細(xì)菌的種類或培養(yǎng)條件,對(duì)SCFA的類型數(shù)量有很大的影響,產(chǎn)氣莢膜桿菌在碳源限制培養(yǎng)時(shí),主要產(chǎn)物為乙酸、丁酸、琥珀酸和乳酸。短雙歧桿菌在碳水化合物限制的條件下主要產(chǎn)物是甲酸和乙酸,碳源過多時(shí)主要是乙酸和乳酸。卵形擬桿菌在碳源限制時(shí)主要產(chǎn)物為乙酸、琥珀酸和丙酸,碳源過多時(shí)主要為乙酸和琥珀酸。結(jié)腸內(nèi)淀粉量增加時(shí),糞便樣品中水解淀粉的細(xì)菌在厭氧菌總數(shù)中的比例增加,產(chǎn)生的丁酸的濃度及其在SCFA中的比例也隨之增加。2腸道細(xì)菌和宿主間相互作用的功能SCFA對(duì)宿主有著重要的生理功能,如調(diào)節(jié)腸道菌群,維持體液和電解質(zhì)的平衡,給宿主提供能量,給腸道上皮細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)等。尤其丁酸,對(duì)結(jié)腸上皮細(xì)胞有很大的意義,其功能有:(1)能量來源;(2)細(xì)胞膜脂類合成的基質(zhì);(3)促進(jìn)消化道細(xì)胞生長(zhǎng);(4)誘導(dǎo)細(xì)胞分化;(5)影響基因表達(dá);(6)與細(xì)胞骨架構(gòu)建改變有關(guān);(7)增加組蛋白乙酰化;(8)誘導(dǎo)細(xì)胞編程死亡等。結(jié)腸上皮細(xì)胞中SCFA的代謝活動(dòng),可能是腸道細(xì)菌與宿主間相互作用最重要的體現(xiàn)。三種主要的SCFA如乙酸、丙酸和丁酸,對(duì)上皮細(xì)胞的代謝具有重要意義,其中丁酸是這些細(xì)胞的特別重要的能量來源,在細(xì)胞分化和生長(zhǎng)中起著非常重要的作用。2.1小鼠腸道疾病的代謝結(jié)腸上皮細(xì)胞能量的60%～70%來自細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)物。通過對(duì)混合SCFA產(chǎn)生的CO2的研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞作用的順序是丁酸第一,丙酸次之,然后是乙酸。SCFA代謝生成CO2和酮體,它們是粘膜脂類合成的前體。小鼠盲腸壁內(nèi)有12%的丁酸轉(zhuǎn)化為酮體,結(jié)腸不產(chǎn)生酮體,這與有些動(dòng)物如兔、豚鼠中觀察到的一樣。利用14C-SCFA所做的代謝實(shí)驗(yàn)證明,標(biāo)記物可轉(zhuǎn)化為兔盲腸壁的氨基酸,羧酸和糖。人結(jié)腸細(xì)胞也可代謝葡萄糖和谷氨酰胺,在分離到的結(jié)腸細(xì)胞中,70%以上消耗的氧是因?yàn)槎∷嵫趸?。由丁酸產(chǎn)生的CO2在人的前后結(jié)腸相同,而后腸中產(chǎn)生的酮體較少,這意味著較多的丁酸在后腸進(jìn)入三羧酸循環(huán)。反之,谷氨酰胺的代謝和葡萄糖氧化一樣,主要在前腸進(jìn)行。如前所述,結(jié)腸上皮細(xì)胞的健康主要依賴丁酸,丁酸是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能源。丁酸還能抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。2.2scfa對(duì)腸道生長(zhǎng)的影響大量研究證明膳食纖維可刺激小腸和大腸腸粘膜的生長(zhǎng)和功能。上皮細(xì)胞的這種營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)幾乎肯定是通過SCFA介導(dǎo)的,Sakata通過回腸管每日向小鼠結(jié)腸滴注混合SCFA,觀察到隱窩細(xì)胞(cryptocell)在兩天內(nèi)增殖速率增加。大腸或小腸內(nèi)SCFA的產(chǎn)量減少時(shí),該部位上皮細(xì)胞的增殖就受到抑制,這種現(xiàn)象也可在旁通管手術(shù),低纖維飲食,以及無菌動(dòng)物中看到。SCFA對(duì)大腸粘膜的營(yíng)養(yǎng)效應(yīng),使人們擔(dān)心它們也許是有利于腫瘤發(fā)生的一個(gè)因素,Scheppach等的研究證明這種想法是不正確的。用[3H]-胸腺嘧啶脫氧核苷和溴脫氧尿嘧啶標(biāo)記培養(yǎng)的隱窩細(xì)胞,計(jì)算整個(gè)隱窩細(xì)胞和5個(gè)相等隱窩區(qū)室的標(biāo)記指數(shù)(測(cè)定隱窩細(xì)胞生長(zhǎng)速率),丁酸和丙酸均可增加細(xì)胞繁殖速度,而乙酸不能。它們對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的刺激僅僅限于基部3個(gè)區(qū)室,而不是那些接近表面出現(xiàn)早期腫瘤特征的區(qū)室。2.3對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響丁酸對(duì)細(xì)胞的作用早在1976年就開始引起重視,后來的相關(guān)研究證明,除了作為結(jié)腸細(xì)胞的重要能源,丁酸還在不同細(xì)胞中表現(xiàn)了多種多樣的特性。這些特性包括在消化道對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的阻抑,誘導(dǎo)分化,刺激細(xì)胞骨架形成及改變基因表達(dá)等。在多種細(xì)胞系中可見到丁酸對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的減緩或抑制作用,如雞成纖維細(xì)胞、HeLa細(xì)胞、鼠成纖維細(xì)胞、肝癌細(xì)胞、結(jié)腸細(xì)胞、胰腺細(xì)胞、神經(jīng)成纖維細(xì)胞、膀胱細(xì)胞、黑素瘤細(xì)胞、乳腺細(xì)胞等。丁酸對(duì)細(xì)胞分化的影響與控制基因表達(dá)有關(guān),丁酸可改變多種基因的表達(dá),如鼠紅白血病細(xì)胞中的血紅蛋白合成的誘導(dǎo),肝細(xì)胞表皮生長(zhǎng)因子(EGF),內(nèi)皮細(xì)胞血纖蛋白溶酶原激活物的合成,肝癌細(xì)胞的金屬硫蛋白,乳腺組織細(xì)胞EGF等。3對(duì)血藥濃度和代謝的影響人體內(nèi)SCFA的代謝參看圖2。瘤胃動(dòng)物中,乙酸是代謝必需的能量來源,因?yàn)樗羞M(jìn)入瘤胃的葡萄糖都被瘤胃微生物發(fā)酵。乙酸對(duì)人類并不象瘤胃動(dòng)物中那樣重要。碳水化合物從小腸消化吸收后,即可作為能源利用,乙酸在后腸產(chǎn)生,是組織的次級(jí)能量來源。人靜脈血液中的乙酸主要來自消化道,水平穩(wěn)定,一般為50mmol/L,攝入可發(fā)酵碳水化合物后,可上升到100～300mmol/L。乙酸只有幾分鐘的半衰期,能迅速?gòu)难星宄?也可被骨骼肌、心肌和腦代謝。在乙酸降低到最低水平,如饑餓時(shí),肝臟可合成乙酸。口服乙酸或乙醇(乙酸的前體)時(shí),游離脂肪酸水平下降。無論經(jīng)口或靜脈給予乙酸,對(duì)葡萄糖的代謝幾乎沒有影響,也不刺激人胰島素的釋放。對(duì)瘤胃動(dòng)物的丙酸代謝進(jìn)行了較深入的研究,對(duì)其在人體內(nèi)的作用了解較少。丙酸可能有著類似丁酸的某些功能,但明顯不如丁酸那樣重要,門靜脈血液中可發(fā)現(xiàn)丙酸。添加丙酸的食物可降低大鼠和豬的血清膽固醇水平,但對(duì)人的作用不大清楚。在雙盲實(shí)驗(yàn)中,10個(gè)女性實(shí)驗(yàn)者每天服用7.5g丙酸鈉,對(duì)照組用安慰劑,連續(xù)7周,血清的膽固醇沒有變