菠萝蜜多糖胃肠消化中结构变化规律及其对肠道菌群调控机制研究

Polysaccharide, as an important biological molecule, participates in all kinds of cells' activities. Recently, much attention has been focused on the gut microbiota regulation of polysaccharide. However, there was a little research about the relevance between the structure changes of polysaccharide during gastrointestinal digestion and gut microbiota modulation. Based on our previous research, the polysaccharide from jackfruit pulp (JFP-Ps) was influenced in gastrointestinal digestion and fermented by human fecal microbiota in vitro. Hence, In this project，the structural information (including configuration of glycosidic bond, functional group, saccharide unit of polysaccharide’s main-chain, degree of branch) of gastrointestinal digested JFP-Ps products will be characterized by chromatography, spectroscopy, mass spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectroscopy. Then the PacBio combined with bioinformatics technique will be applied to determine the changes of gut microbiota in high-fat diet-fed rats, and to analyze the functional genes related to glucose metabolism in the gut microbiota genes by using KEGG, COG and Rfam databases, the total short-chain fatty acid levels and typical metabolites in vitro fermentation of JFP-Ps by human fecal microbiota will be identified by means of GC and UPLC-Q/TOF-MS, respectively. Finally, the underlying mechanisms on the modulation of gut microflora will be studied by analyzing the typical metabolites, glycosidase activity and expression of glucose metabolism associated protein factor. This study can provide valuable theoretical references on the high-value utilization of jackfruit and scientific facts for developing prebiotics.

多糖是一类重要的生物信息大分子，广泛参与细胞的各种生命活动。多糖调节肠道功能的作用备受关注，但关于多糖胃肠消化中结构变化规律及其与肠道菌群调节的关系尚待系统研究。本项目拟在前期菠萝蜜多糖（JFP-Ps）体外消化和肠道酵解特征研究基础上，利用光谱、质谱和核磁共振等技术研究其胃肠消化物糖链聚合度、官能团、糖残基连接顺序和连接方式等分子结构信息；采用PacBio测序技术和生物信息学方法，研究JFP-Ps对营养性肥胖大鼠肠道菌群结构的影响，预测肠道菌群中与碳水化合物代谢相关的功能，GC、UPLC-Q/TOF-MS手段考察肠道微生物发酵过程中短链脂肪酸及发酵产物全谱的动态变化；利用代谢组学、基因组学和蛋白质组学技术，以肠道特征代谢物、糖苷酶活性、相关蛋白表达为指标，探讨JFP-Ps胃肠消化产物结构和肠道菌群调节的相关性，并阐明其肠道菌群调节的作用机制，为菠萝蜜高值化利用和益生元开发提供科学依据。

多糖是一类重要的生物信息大分子，广泛参与细胞的各种生命活动。多糖调节肠道功能的作用备受关注，但关于多糖胃肠消化中结构变化规律及其与肠道菌群调节的关系尚待系统研究。本项目在团队前期研究基础上，检测了菠萝蜜精多糖总糖、糖醛酸、单糖组成等性质；研究了菠萝蜜多糖溶液的流变学特性，分析了菠萝蜜多糖胃肠消化过程中分子量、结构和游离单糖等变化规律；通过营养性肥胖大鼠模型，研究了菠萝蜜多糖的减肥作用及其对肠道菌群的调节作用，从肠道免疫屏障和机械屏障功能两方面揭示了菠萝蜜多糖肠道菌群调节的作用机制；基于UPLC-Q-TOF-MS/MS技术探究了菠萝蜜多糖肠道代谢规律和参与的代谢通路；研究了菠萝蜜多糖对高脂诱导肥胖大鼠肝脏的保护作用及机制。结果显示，菠萝蜜多糖溶液为“非牛顿流体”，呈现凝胶性质；经胃肠消化后，分子量和结构发生了明显的变化；菠萝蜜多糖可降低肥胖大鼠Lee's指数，抑制肥胖大鼠体重增加，改善血脂代谢紊乱；肠道菌群分析结果显示，菠萝蜜多糖可调节肥胖大鼠肠道菌群OTU数、物种丰度和多样性，增加Prevotellaceae_Ga6A1_group、Sphaerochaeta、Alloprevotella等短链脂肪酸产生菌属丰度；通过改善结肠氧化损伤，抑制小肠葡萄糖转运以降低血糖，修复肠道黏膜损伤以改善黏膜的屏障功能，下调炎症基因TNF-α和IL-6的表达，上调短链脂肪酸受体基因GPR43和GPR41以及紧密连接蛋白Occludin表达，增强肠道免疫屏障功能和机械屏障功能；代谢组学结果显示，菠萝蜜多糖参与机体脂肪酸代谢、氨基酸合成分解、糖代谢和脂代谢等代谢途径；显著改善肥胖大鼠血脂指标，缓解肝组织中的炎症和脂质积累，激活脂肪分解通路（PPARα/PPARγ-LPL/HSL-CPT1）和脂肪酸的β氧化通路（PPARα/PPARγ-CPT1），抑制AMPK介导的脂肪合成通路（AMPK/(SREBP-1c)-ACC-FAS），促进游离脂肪酸受体基因（GPR43、GPR41）的表达，调控肝脏和肝脂肪组织的脂代谢，具有保护肥胖大鼠肝脏的作用。研究基于肠道微生物与肠道屏障探讨菠萝蜜多糖与改善肥胖的关系，可为菠萝蜜等特色农产品精深加工关键技术研究与产品开发提供支持。