啤酒作为代表性发酵食品其成分对肠道菌群产生的影响
啤酒作为代表性发酵食品其成分对肠道菌群产生的影响
啤酒作为世界上最古老的发酵饮料之一，其对人体健康的影响一直备受关注。近年来的研究表明，适量饮用啤酒可能对肠道健康产生积极影响。本文从乙醇、酚酸类、碳水化合物类和发酵使用的酵母等多个维度，详细探讨了啤酒中各种成分对肠道菌群的影响机制。
乙醇
酒精会直接改变肠道微生物群的组成。与非酒精组相比，少量或适量饮用酒精饮料对肠道健康有益。然而，长期大量饮酒会导致胃肠道生物失调，并导致肝损伤。例如，在人类中，与平均每天消费2.5 g酒精的对照组相比，超过10年每天消费118.9 g酒精的饮酒者的肠道微生物群显示出较高的变形菌门丰度和较低的粪肠杆菌丰度。乙醇脱氢酶(ADH)将酒精转化为乙醛，乙醛会严重伤害组织和肠道细菌。接受20%乙醇干预的大鼠肠道菌群表现出厚壁菌门的显著下降和拟杆菌门的增加。然而，乳酸杆菌的相对丰度的变化在各项研究中存在一些分歧。虽然在酒精处理的大鼠中，乳酸杆菌的数量显著减少，但随着时间的推移，在对照组中，乳酸杆菌的数量大致保持恒定。此外，与对照组相比，实验组的肠杆菌属和链球菌科成员显著减少。为了避免或减轻酒精诱导的肠道通透性过高，某些益生菌如乳酸杆菌可将其他肠道微生物群产生的乙醛转化为乙酸。然而，酒精对人体健康和肠道微生物群的有害影响是毫无疑问的，应该做进一步的研究，讨论啤酒中不含酒精的成分是否可以抵消酒精对肠道微生物的负面影响，精滥用通过肠道微生物群与肝病的发作和进展有关。库普弗细胞表面的Toll样受体4 (TLR4)与细菌来源的LPS相互作用，因为酒精使用改变了肠道微生物群的组成并损害了肠道上皮的完整性。
图1 饮酒可以直接改变肠道微生物群的组成
酚酸类
在哺乳动物系统中发现的芳香族氨基酸L-苯丙氨酸(L-PHE)、其前体L-酪氨酸(L-TYR)和几种酚类代谢物、儿茶酚胺及其衍生物都包括酚核。类黄酮、苯甲酸、肉桂酸和其他酚酸通常被视为膳食植物化学物质，因为它们具有抗氧化、抗炎和抗癌的特性。由于饮食中的(多)酚类在小肠中吸收不良，它们可以到达结肠，在结肠中被结肠微生物群大量代谢。
图2 啤酒中常见的多酚化合物
这些代谢物可以通过芳香族氨基酸的发酵由肠道微生物群产生。茶多酚，尽管它们的生物利用度很低，但可以提高与新陈代谢相关的内部器官和组织的性能，如肝脏、脂肪组织、骨骼肌和胰腺。由于酚酸的抗氧化活性，适度饮用不含酒精的啤酒对人体健康和肠道菌群有良好的影响，但酒精的存在会干扰这些益处。研究表明，饮用黑啤(多酚含量增加)使得肠道中链球菌属水平显著增加，Blautia属和Akkermansia属显著减少，与贮藏啤酒的摄入有关(多酚含量-27.83 mg/100 mL；4.2% ABV)。有部分结果表明，多酚可能是啤酒饮用者生理状态变化的根本原因。在整个酿造过程中，大麦颗粒经历了显著的变化，这对啤酒的酚含量和成分有很大的影响。其中最重要的是上述化合物的降解和结合部分的释放，它们一起导致在制麦芽过程中，特别是在发芽和烘烤过程中游离酚类化合物的普遍增加。黑啤中酚类物质的含量通常是其他类型啤酒的三倍，这可能是由于热处理过程中结合酚类化合物的释放以及更高的谷物易碎性带来的可提取性的提高。通过对肠道微生物群的影响，进入结肠的未吸收多酚具有显著的原位效应和许多后果。它涉及寡聚和多聚多酚，通常在远端肠道处理它们之前不会改变。啤酒中含有50多种酚类化学物质，其浓度根据不同啤酒的原料和酿造技术而有所不同。大麦芽和啤酒花是啤酒中酚类化学物质的主要生产者。麦芽汁和啤酒中20%30%的酚类化合物来自啤酒花，另外70%80%来自大麦芽。虽然啤酒花颗粒提取物比大麦芽提取物含有多40%的总多酚和黄酮类化合物，但麦芽汁中发现的大多数酚类化学物质都是从麦芽中产生的。许多酚类化学物质，包括黄酮醇、黄酮、烷基甲氧基苯酚、α和异α酸、阿魏酸和咖啡酸、儿茶素和表儿茶素原花青素，以高浓度和多种形式存在于啤酒中。啤酒中发现的其他重要黄酮类化合物包括染料木黄酮、大豆黄酮和异戊烯化的查耳酮类化合物，如黄腐酚（XN）和8-异戊烯基柚皮素。啤酒是人类饮食中后两者的主要来源，这些化学物质已经显示出广泛的生物活性品质。在啤酒中，黄腐酚和阿魏酸或白藜芦醇等非类黄酮多酚是两种重要的物质。由于啤酒花是目前已知的XN的唯一食物来源，喝啤酒是消费这种罕见的、改善健康的物质的唯一方式。作为抗癌、抗动脉粥样硬化和减肥药物，XN及其两种主要活性代谢物异黄腐酚（IX）和8-异戊烯基柚皮素（8-PN）预计将引起越来越多的关注。啤酒中XN的含量（0.5~4.0 mg/L）因啤酒的类型和酿造方法而异。XN及其衍生物的给药对肠道微生物群的多样性和丰度有影响。食用30 mg/kg黄腐酚后，XN衍生物显著降低了微生物多样性并影响了拟杆菌门。厚壁菌门同样受到XN衍生物的影响。在Lachnospiraceae、Ruminococcaceae和Eubacteriaceae中观察到显著的下降。与对照组小鼠相比，接受黄腐酚衍生物治疗的小鼠较少出现盐杆菌和梭菌，而较多出现类芽孢杆菌。这些丰富的变化与化学物质在防止小鼠肥胖方面的成功相吻合。此外，通过减少巨噬细胞浸润，XN及其衍生物改变胆汁酸代谢，减少炎症，并降低促炎基因的表达。啤酒中包含的非类黄酮酚类化学物质，由于其环中羟基的清除能力，它们表现出非凡的抗氧化活性。除了具有抗抑郁、抗伤害、抗炎、抗过敏和抗癫痫活性等神经保护优势外，它还被证明能够部分防止缺血再灌注损伤。例如，阿魏酸（FA）可以激活大鼠的核因子E2相关因子-2 (Nrf2-Keap1信号通路)，以减少活性氧（ROS）并增强抗氧化酶活性。尽管FA与肥胖基因野生型小鼠体内微生物种类总体丰度之间的关系还存在一些不确定性，但已经证明FA可以增强高脂饮食诱导的肥胖小鼠体内的葡萄糖和脂质稳态。因为后肠中肠道微生物群分泌的阿魏酸酯酶的活性明显高于前肠中这些微生物群的活性，一些FA被上肠吸收，而大多数不溶性FA被后肠中的肠道微生物群发酵。根据一项研究，用阿魏酸干预的小鼠体内乳酸杆菌和拟杆菌的浓度更高。关于啤酒中的多酚如何通过控制肠道微生物群来改善人类健康的研究很少且有限，补充多酚可以根据剂量改变人类肠道微生物群的丰度。酚类代谢物和SFCA可能结合并发挥益生元作用，因此在未来，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学可被大量用于研究肠道微生物群-多酚-宿主健康相互作用的生物学效应，以找出啤酒中的关键有益物质及其有益效应的剂量阈值。
碳水化合物类
从大麦的麸皮和胚芽部分获得的富含糖分的液体在酿造过程中被称为麦芽汁，用于酿造啤酒。阿拉伯木聚糖，β-(1,3；1,4)-葡聚糖、葡甘露聚糖和纤维素是非淀粉多糖，它们都产生高黏度的溶液。14名试验参与者喝了用异麦芽酮糖和抗性麦芽糊精代替普通碳水化合物制成的无醇啤酒。虽然拟杆菌几乎显著减少，但由于无酒精啤酒成分的变化，卟啉单胞菌科及其拟杆菌属有所增加。在大麦芽啤酒中，麦芽三糖、麦芽四糖和纤维二糖的量分别为0.737.35、0.873.74和0.07~0.49 g/L。通过改变啤酒中碳水化合物的含量来改变肠道微生物群的组成似乎是可行的。大麦制成的啤酒含有可溶性（β-葡聚糖）和不溶性纤维，对人体消化系统有许多健康益处。例如，Roseburia和Bacteroides产生的内切木聚糖酶可以将谷物阿拉伯木聚糖（如啤酒中的阿拉伯木聚糖）分解为AXOS，然后可以通过木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖苷酶进一步降解为单糖阿拉伯糖和木糖，这2 种酶都是由双歧杆菌产生的。拟杆菌的Sus样系统可以与其他肠道微生物合作，共享多糖的部分分解产物，避免与其他细菌使用的细胞外自由扩散酶竞争。这些已经导致双歧杆菌和/或乳酸杆菌种类的相对增加，以及通过发酵产生SCFA。每天服用3 g AXOS会导致粪便丙酸水平升高，双歧杆菌的平均比例增加1.3 倍。虽然通过饮用高麦麸提取物剂量的啤酒来消耗10 g/day的AXOS是具有挑战性的，但通过食用麦麸提取物达到这一水平，相对于安慰剂摄入量，粪便中双歧杆菌的平均水平增加了0.36 个log单位，以及粪便SCFA和单个SCFA，乙酸，丙酸和丁酸的总水平。AXOS与FA偶联，因此由于肠道细菌对AXOS的降解，FA水平可能会升高，这可能会对肠道微生物群产生影响。随着AXOS > 5 g的给药，普雷沃氏菌的比例可能会增加；这一结果也见于60岁以上的健康成年人。普雷沃氏菌是吃植物性饮食的人中最普遍的肠道微生物群，普雷沃氏菌和一些双歧杆菌都受益于AXOS的存在。普雷沃氏菌占优势的粪便微生物群特征经常显示肠道快速转运和总SCFA浓度升高。肠道pH值下降，随后大量SCFA合成，对宿主产生免疫调节和代谢作用，导致病原微生物的恶劣环境。β-葡聚糖是啤酒中重要的有用碳水化合物。酵母和大麦籽粒细胞壁是β-葡聚糖的主要来源。β-葡萄糖残基与结构中的混合键β-(1-3,1-4)偶联，这是β-葡聚糖在水溶液中产生粘度并使聚合物水溶性所必需的。由于β-葡聚糖具有多种生物活性和对肠道菌群的优势，因此它是最受欢迎的食品成分之一，被认为是潜在的益生元。它可能支持肠道健康的微生物平衡。根据一项研究，当与某些用作益生菌的乳酸杆菌益生菌菌株（如嗜酸乳杆菌LA5和植物乳杆菌WCFS1）结合使用时，发现益生菌肠细胞黏附和益生菌生长受到β-葡聚糖的有利影响，这增加了益生菌单独使用时的有效性。其他研究表明，食用富含β-葡聚糖的食物会增加包括双歧杆菌、乳酸杆菌和普雷沃氏菌在内的生物体的相对丰度。乳酸菌（LAB）在预防胃肠道癌症并发症和减轻症状方面的影响已在许多临床试验中得到证实。人类肠道微生物群中的主要拟杆菌和普雷沃氏菌可能具有某种拮抗关系，这使得它们难以共存。β-葡聚糖也是众所周知的免疫调节效应物，可激活免疫细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞和抗原呈递细胞，并增强趋化因子、促炎细胞因子和氧化爆发的产生。β-葡聚糖最常见的模式识别受体（PRR）是Mac-1/CR3、TLR-2/6（Toll样受体）、Dectin-1，它是一种II型跨膜蛋白受体，具有基于酪氨酸的激活基序（ITAM），通过酪氨酸激酶和TLR-2/6发出信号。β-葡聚糖可以增强调理和非调理吞噬作用，引发细胞因子的级联释放，如肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（ILs）和活性氧（ROS）的产生，从而激活免疫细胞，产生继发性免疫反应，包括触发细胞凋亡，也参与肿瘤免疫。
图3 啤酒中的低聚糖可以调节肠道微生物群，影响宿主免疫力
发酵使用的酵母
传统工艺中，酵母菌属可分为艾尔酵母和拉格酵母，也称为啤酒酿造中的顶部发酵和底部发酵酵母，区分艾尔和拉格酵母的主要特征是拉格酵母具有发酵蜜二糖的能力。此外，毕赤酵母（Pichia kluyveri）因其发酵葡萄糖的能力有限而被发现可生产低酒精（0.5%~1.2%，V/V）或无酒精（0.5%，V/V）啤酒，同时显著将啤酒花化合物变为阳性风味化合物。酵母在大约70%的健康成年人的肠道中可检测到。然而，培养酵母的困难及其在肠道中的较低浓度导致缺乏关于真菌酵母功能作用的数据。源自酵母的β-葡聚糖形成刺激免疫活性的特殊结构。包括Dectin-1在内的许多免疫受体可以识别酵母菌，Dectin-1已成为吞噬作用和骨髓吞噬细胞杀伤的关键。Dectin-1是一种C型凝集素受体，可识别几乎所有真菌细胞壁中发现的β-1,3-葡聚糖。酵母制剂主要用于饮食中，作为高质量蛋白质，维生素和矿物质的来源，也作为优良的益生元（干酵母培养物）或益生菌（活酵母培养物）。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）具有益生菌作用，并且能够提高营养物质的生物利用度，从而提高啤酒的营养价值。例如S. boulardii能恢复短链脂肪酸（SCFA）的正常平衡，增加分泌型IgA（sIgA）水平，或通过影响细胞因子水平作为免疫调节剂。然而，尚不完全清楚粪便中出现布拉氏酵母菌和酿酒酵母等酵母是否具有长久定植在肠道中的能力。
几千年来，人类一直在酿造和饮用酒精饮料，我们的肠道细菌和大肠可能已经进化到可以忍受定期和高度可变的酒精消费水平。因此，2018年，世界卫生组织宣布，人类每日摄入纯酒精少于20 g（中国人标准约为15 g）对心脑血管疾病有益。此外，不同分子量的阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖的混合物可以通过改善结肠微生物群中乳酸杆菌和双歧杆菌的生长而起到益生元的作用。食用多酚可以增加肠道微生物群的数量和种类。通过防止某些细菌的生长，啤酒中的多酚可以影响F/B比值，这与肥胖和糖尿病的出现有关。过量饮酒以及在较小程度上摄入一些有毒和致敏物质，是啤酒对健康产生负面影响的主要原因。啤酒衍生的乳酸菌可以改变啤酒，并可能通过产生组胺，酪氨酸，等生物胺而产生危险作用。根据在《柳叶刀》上发表的研究，戒酒是唯一被认为是完全安全的饮酒水平。然而，由于啤酒消费对健康的影响也可能取决于其他饮食成分的存在和剂量，以及啤酒的类型，因此很难确定适度消费是否普遍安全。此外，上述实验中使用的成品啤酒没有明确的标准，其他未指定物质对肠道微生物群的影响无法消除。啤酒成分与肠道微生物群之间双向相互作用的研究是复杂且难以解释的。肠道微生物群也是肠道屏障的一部分，有助于黏膜免疫。微生物群及其代谢物在很大程度上影响肠道屏障完整性，宿主代谢和病原体定植。包括饮食，肠道微生物群和人体生理学在内的每一个系统都是复杂的，并且有其自身的技术局限性。目前的微生物组研究正在超越仅仅描述微生物群落结构和疾病关联。随着产生各种组学数据包括基因组、转录组、蛋白质组和微生物组的技术进步，研究人员在了解肠道细菌在复杂慢性疾病发病机制中的致病作用方面取得了进展。此外，与缺乏机制知识有关的问题可以通过使用机器学习和人工智能来解决。为了预测这些参数对结果的累积影响，建立了许多这些算法，以包括饮食组成，肠道微生物群组成和宿主生理反应等信息。这些方法将有助于开发针对复杂混合物（如啤酒和肠道微生物群）之间相互作用的独特研究的精确研究方法。
参考文献
LIU Z X, SHI J M, WANG L S, et al. Association of moderate beer consumption with the gut microbiota[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3126-3138. DOI:10.26599/FSHW.2023.9250004.