米糠中阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物调节肠道菌群及肠屏障功能的机制

Both phenolic compounds and dietary fiber can modulate gut microbiota and improve human health. Fiber usually conjugated with phenolic acids in cereals. However, it is unclear how this phenolic acid-dietary fiber complex affects gut microbiota yet. Arabinoxylan is an important fiber in rice bran, previous research found that the arabinoxylan with distinct structure impacts gut microbiota differently. However, how the ferulic acid-arabinoxylan complex influence gut microbiota and barrier function warranted further research. In this project, ferulic acid-arabinoxylan complex with various degrees of feruloyl esters will be generated from rice bran. After mimicking in vitro upper gastrointestinal tract digestion, the effects of the ferulic acid-arabinoxylan complex on gut microbiota composition and fermenta will be evaluated using in vitro fermentation model. Then the impact of fermenta on barrier function will be investigated using lipopolysaccharides (LPS) disrupted Caco-2 epithelial barrier model, and assessed by multi-factor data analysis approaches. Finally, the relationship and mechanism between ferulic acid-arabinoxylan complex and its impact on intestinal microbiota and barrier function will be elucidated using a machine learning algorithm. The results of this project will provide a new theoretical basis to understand the relationship between phenolic acid-dietary fiber complex and human health, and guidance for gut microbiota dietary intervention.

酚类或膳食纤维均可通过调控肠道菌群改善人体健康，而二者在谷物中常以酚酸-膳食纤维复合物存在，该复合物对肠道菌群的影响及机制不明。阿拉伯木聚糖是米糠中重要的膳食纤维，前期研究发现阿拉伯木聚糖的结构显著影响其与肠道菌群的相互作用，而阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物对肠道菌群及肠屏障功能的影响尚不清楚。本项目拟从米糠中提取并改性获得不同阿魏酸含量的阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物，作为一种酚酸-膳食纤维模型，通过体外模拟消化发酵研究该复合物对肠道菌群及其发酵产物的影响。再采用脂多糖诱导肠上皮细胞屏障功能障碍模型结合多因素分析进一步研究其发酵产物对肠道屏障功能的影响规律。最后通过机器学习算法分析阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物与肠道菌群、肠道屏障功能的关系，从而阐明该复合物通过肠道菌群调节肠道屏障功能的机制。项目成果可为酚酸-膳食纤维食品体系与人体健康关系的建立提供新的理论依据，为饮食调节肠道菌群提供新思路。

阿拉伯木聚糖是米糠中重要的膳食纤维，前期研究发现阿拉伯木聚糖的结构显著影响其与肠道菌群的相互作用，而阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物对肠道菌群及肠屏障功能的影响尚不清楚。本项目以阿拉伯木聚糖和阿魏酸为研究对象，通过提取天然的低结合阿魏酸含量的阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物和化学合成高结合阿魏酸含量的阿魏酸-阿拉伯木聚糖复合物，采用体外发酵实验，阐明了结合阿魏酸对阿拉伯木聚糖的调节肠道菌群的影响及其机制。其次，通过体外发酵实验，探究阿拉伯木聚糖和游离阿魏酸在不同人群中对肠道菌群的影响机制。最后，通过小鼠实验，阐明了阿拉伯木聚糖联合酚酸对肥胖的预防作用及对患者肠道菌群的调节机制。体外实验结果表明：结合阿魏酸对发酵模式的影响和阿拉伯木聚糖的微生物群变化取决于碳水化合物的结构；随着阿魏酰含量增高，复合物抑制有害菌（Dialister、Alistipes和Desulfovibrio）、促进共生/益生菌（Prauserella、Akkermansia、Psychrobacter和Paraprevotella）的作用增加；游离阿魏酸会抑制阿拉伯木聚糖的快速发酵，维持生物多样性。体内动物实验表明：阿拉伯木聚糖及阿拉伯木聚糖联合茶多酚对小鼠肥胖有减脂作用，且能促进产短链脂肪酸；同时，茶多酚的存在使阿拉伯木聚糖保持较高的肠道菌群多样性。这些结果表明，阿拉伯木聚糖的结构会影响阿拉伯木聚糖的肠道益生特性，且阿拉伯木聚糖联合酚酸对肥胖有预防作用。项目达到了预期目标，研究成果发表SCI论文5篇（均为科瑞唯安JCR 1区），中文核心论文1篇，培养研究生4名，做国际会议学术会议报告2次。研究结果不仅丰富和完善了阿拉伯木聚糖和阿魏酸的益生功能的理论基础，而且为拓展阿拉伯木聚糖和阿魏酸的相关研究和产品开发提供科学依据。