短链脂肪酸的营养价值

短链脂肪酸的营养价值

短链脂肪酸（scf）也被称为发育酸（vf），是人类肠道细菌发酵的主要产物。主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸和己酸。其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高,乙酸约为40～100mmol,丙酸为15～40mmol,丁酸为10～30mmol/kg内容物,是肠道中主要的SCFA。SCFA主要来自大肠内碳水化合物发酵和蛋白质降解,肠道菌群通过产生SCFA,对人体多个器官和代谢产生较大的影响。1肠道菌群中各理化性质及碳源的变化人和动物消化道中栖息着庞杂的菌群,除了维持自己的代谢,它们也在人和动物的营养物质代谢中起着重要的作用。食物进入肠道后,各类细菌都参与了这一代谢过程。一些细菌参与复杂大分子物质的降解,它们的代谢产物可能又是另一些细菌的营养物质,由此产生的食物链交叉连接,互相影响,构成了肠道中蓬勃不息的代谢活动。结肠是SCFA主要产生的部位,右结肠和盲肠中SCFA的含量较高,这是因为结肠细菌首先在此同小肠来的碳水化合物接触,发酵活性最强。虽然左右结肠的SCFA浓度不同,但乙酸:丙酸:丁酸的比率相同。Weaver等研究了35个健康人结肠的内容物,发现乙酸:丙酸:丁酸的比率为60.7:15.8:17.3。大肠中的细菌几乎都能都能分解糖类,并从降解碳水化合物中获取能量和碳源,见表1。进入结肠的碳水化合物,有些是尚未消化吸收的食物残渣,有些是粘蛋白及宿主的分泌物,其数量和类型主要取决于食物被消化吸收的程度,这些物质都可被微生物发酵。由于细菌连续的代谢活动,结肠内的氧化还原电位很低,只有极微量的氧存在,是一个适合严格厌氧微生物繁衍的环境。复杂的碳水化合物经过连续水解成为简单的糖,受到菌群的进一步代谢,最终成为多种发酵产物,如SCFA,其它有机酸、乙醇、氢和二氧化碳等见图1。短链脂肪酸也是蛋白质降解和氨基酸发酵的主要产物。从表2可见,梭菌可利用多种氨基酸,相应生成多种有机酸。梭菌可通过丙烯酸途径由丙氨酸产生丁酸,也可在苏氨酸脱水酶和酮酸脱氢酶的参与下由苏氨酸产生丙酸。乙酸可通过Stickland反应从甘氨酸产生,也可从丝氨酸、谷氨酸、赖氨酸、鸟氨酸发酵产生。从表中可见谷氨酸是一种常见的发酵基质,乙酸和丁酸是其主要发酵产物,厌氧菌谷氨酸代谢有两个途径:甲基天冬氨酸途径,常见于梭菌;羟基谷氨酸途径,常见于梭杆菌、消化链球菌和氨基酸球菌。SCFA的种类和数量受到发酵基质的数量、类型、降解速率、降解程度,以及肠道菌群和宿主生理状态等因素的影响。结肠细菌的种类或培养条件,对SCFA的类型数量有很大的影响,产气荚膜杆菌在碳源限制培养时,主要产物为乙酸、丁酸、琥珀酸和乳酸。短双歧杆菌在碳水化合物限制的条件下主要产物是甲酸和乙酸,碳源过多时主要是乙酸和乳酸。卵形拟杆菌在碳源限制时主要产物为乙酸、琥珀酸和丙酸,碳源过多时主要为乙酸和琥珀酸。结肠内淀粉量增加时,粪便样品中水解淀粉的细菌在厌氧菌总数中的比例增加,产生的丁酸的浓度及其在SCFA中的比例也随之增加。2肠道细菌和宿主间相互作用的功能SCFA对宿主有着重要的生理功能,如调节肠道菌群,维持体液和电解质的平衡,给宿主提供能量,给肠道上皮细胞提供营养等。尤其丁酸,对结肠上皮细胞有很大的意义,其功能有:(1)能量来源;(2)细胞膜脂类合成的基质;(3)促进消化道细胞生长;(4)诱导细胞分化;(5)影响基因表达;(6)与细胞骨架构建改变有关;(7)增加组蛋白乙酰化;(8)诱导细胞编程死亡等。结肠上皮细胞中SCFA的代谢活动,可能是肠道细菌与宿主间相互作用最重要的体现。三种主要的SCFA如乙酸、丙酸和丁酸,对上皮细胞的代谢具有重要意义,其中丁酸是这些细胞的特别重要的能量来源,在细胞分化和生长中起着非常重要的作用。2.1小鼠肠道疾病的代谢结肠上皮细胞能量的60%～70%来自细菌发酵产物。通过对混合SCFA产生的CO2的研究,发现细胞作用的顺序是丁酸第一,丙酸次之,然后是乙酸。SCFA代谢生成CO2和酮体,它们是粘膜脂类合成的前体。小鼠盲肠壁内有12%的丁酸转化为酮体,结肠不产生酮体,这与有些动物如兔、豚鼠中观察到的一样。利用14C-SCFA所做的代谢实验证明,标记物可转化为兔盲肠壁的氨基酸,羧酸和糖。人结肠细胞也可代谢葡萄糖和谷氨酰胺,在分离到的结肠细胞中,70%以上消耗的氧是因为丁酸氧化。由丁酸产生的CO2在人的前后结肠相同,而后肠中产生的酮体较少,这意味着较多的丁酸在后肠进入三羧酸循环。反之,谷氨酰胺的代谢和葡萄糖氧化一样,主要在前肠进行。如前所述,结肠上皮细胞的健康主要依赖丁酸,丁酸是结肠上皮细胞的主要能源。丁酸还能抑制结肠癌细胞的生长。2.2scfa对肠道生长的影响大量研究证明膳食纤维可刺激小肠和大肠肠粘膜的生长和功能。上皮细胞的这种营养效应几乎肯定是通过SCFA介导的,Sakata通过回肠管每日向小鼠结肠滴注混合SCFA,观察到隐窝细胞(cryptocell)在两天内增殖速率增加。大肠或小肠内SCFA的产量减少时,该部位上皮细胞的增殖就受到抑制,这种现象也可在旁通管手术,低纤维饮食,以及无菌动物中看到。SCFA对大肠粘膜的营养效应,使人们担心它们也许是有利于肿瘤发生的一个因素,Scheppach等的研究证明这种想法是不正确的。用[3H]-胸腺嘧啶脱氧核苷和溴脱氧尿嘧啶标记培养的隐窝细胞,计算整个隐窝细胞和5个相等隐窝区室的标记指数(测定隐窝细胞生长速率),丁酸和丙酸均可增加细胞繁殖速度,而乙酸不能。它们对细胞生长的刺激仅仅限于基部3个区室,而不是那些接近表面出现早期肿瘤特征的区室。2.3对细胞生长的影响丁酸对细胞的作用早在1976年就开始引起重视,后来的相关研究证明,除了作为结肠细胞的重要能源,丁酸还在不同细胞中表现了多种多样的特性。这些特性包括在消化道对细胞生长的阻抑,诱导分化,刺激细胞骨架形成及改变基因表达等。在多种细胞系中可见到丁酸对细胞生长的减缓或抑制作用,如鸡成纤维细胞、HeLa细胞、鼠成纤维细胞、肝癌细胞、结肠细胞、胰腺细胞、神经成纤维细胞、膀胱细胞、黑素瘤细胞、乳腺细胞等。丁酸对细胞分化的影响与控制基因表达有关,丁酸可改变多种基因的表达,如鼠红白血病细胞中的血红蛋白合成的诱导,肝细胞表皮生长因子(EGF),内皮细胞血纤蛋白溶酶原激活物的合成,肝癌细胞的金属硫蛋白,乳腺组织细胞EGF等。3对血药浓度和代谢的影响人体内SCFA的代谢参看图2。瘤胃动物中,乙酸是代谢必需的能量来源,因为所有进入瘤胃的葡萄糖都被瘤胃微生物发酵。乙酸对人类并不象瘤胃动物中那样重要。碳水化合物从小肠消化吸收后,即可作为能源利用,乙酸在后肠产生,是组织的次级能量来源。人静脉血液中的乙酸主要来自消化道,水平稳定,一般为50mmol/L,摄入可发酵碳水化合物后,可上升到100～300mmol/L。乙酸只有几分钟的半衰期,能迅速从血中清除,也可被骨骼肌、心肌和脑代谢。在乙酸降低到最低水平,如饥饿时,肝脏可合成乙酸。口服乙酸或乙醇(乙酸的前体)时,游离脂肪酸水平下降。无论经口或静脉给予乙酸,对葡萄糖的代谢几乎没有影响,也不刺激人胰岛素的释放。对瘤胃动物的丙酸代谢进行了较深入的研究,对其在人体内的作用了解较少。丙酸可能有着类似丁酸的某些功能,但明显不如丁酸那样重要,门静脉血液中可发现丙酸。添加丙酸的食物可降低大鼠和猪的血清胆固醇水平,但对人的作用不大清楚。在双盲实验中,10个女性实验者每天服用7.5g丙酸钠,对照组用安慰剂,连续7周,血清的胆固醇没有变