植物蛋白从消化到结肠发酵：植物蛋白如何塑造肠道菌群的组成与功能

《Food Reviews International》：From Digestion to Colonic Fermentation: How Plant-Based Proteins Shape Gut Microbiota Composition and Function

　　

据估计，超过90%的膳食蛋白质在小肠中被消化，但蛋白质的数量和来源等因素，尤其是植物蛋白，可显著影响到达结肠的量。越来越多的证据表明，膳食蛋白质在塑造肠道微生物生态系统以及随之而来的宿主健康方面发挥着关键作用。这是因为未消化的蛋白质作为结肠发酵（colonic fermentation）的底物，从而重塑微生物组成并调节代谢物的产生，这些代谢物可对肠道和全身健康产生有益和潜在有害的影响。虽然有证据表明，较高的动物肉摄入量，特别是加工红肉，可以改变肠道菌群（gut microbiota）的组成和功能，但不同来源、形式和水平的植物蛋白摄入对肠道菌群的影响程度仍不清楚。本综述概述了植物蛋白在胃肠道（gastrointestinal tract, GIT）中的命运，讨论了影响其进入结肠的因素，并考察了蛋白质数量、来源和形式对肠道菌群组成和代谢活性的影响。研究人员还提出了对于理解植物蛋白与肠道菌群之间相互作用所介导的健康结局具有重要意义的主要开放性问题。

本文围绕植物蛋白与肠道菌群的相互作用，从胃肠道转运、微生物组成调控、代谢功能调节及人体研究证据等方面进行了系统综述。**引言**部分指出，膳食蛋白质对肠道菌群（gut microbiota, GM）和宿主健康的影响近年来受到广泛关注，这部分归因于替代蛋白来源的兴起以及膳食模式向增加植物蛋白摄入的转变。动物肉摄入与不良健康效应相关，可通过改变与促进菌群失调（dysbiosis）相关的菌属丰度并增加蛋白质特异性发酵代谢物如N-亚硝基化合物（N-nitroso compounds, NOC）、硫化氢（H₂S）、氨、胺类、氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide, TMAO）、酚类（如对甲酚）和吲哚类化合物等而实现。然而，植物蛋白摄入增加时是否呈现相同模式尚不清楚。由于植物蛋白通常较动物蛋白难消化，高植物蛋白饮食个体可能有更多完整植物蛋白到达结肠。与动物蛋白相关的研究发现相反，新兴证据表明植物蛋白可能通过调节GM对宿主健康产生独特且潜在有益的影响，但当前认识仍较为零散。本文旨在批判性评估植物来源蛋白（来源、数量、结构形式和消化率）与GM相互作用的最新证据，重点关注机制性见解和驱动结果变异性的因素。**膳食蛋白质在胃肠道中的转运**部分分为两个小节。"上消化道消化与吸收"阐述了膳食蛋白质从口腔到小肠的消化吸收过程：咀嚼后食物进入胃，胃蛋白酶将蛋白质分解为低分子量肽和氨基酸；食糜进入十二指肠后，水解酶将蛋白质消化物水解为氨基酸和更小的肽，通过回肠和空肠吸收。然而，并非所有肽都被吸收，小肽可逃避水解并以完整形式转运至大肠。膳食蛋白质的消化吸收行为因蛋白质来源和结构特征而异，后者主要受食品加工影响。植物蛋白以β-折叠（β-sheet）构象含量高于动物蛋白为特征，这促进蛋白质聚集，导致在胃肠道中抗蛋白水解。蛋白质与非淀粉多糖或纤维交联可阻断酶对蛋白质的接触。蛋白质与抗营养因子如植酸、硫代葡萄糖苷和单宁的相互作用也降低植物蛋白的消化率。此外，植物蛋白中蛋白酶抑制剂的存在，尤其是来自生豆类和谷物的，可通过与消化酶胰蛋白酶和糜蛋白酶复合而降低蛋白质消化率。"有多少膳食蛋白质到达结肠？"指出，估计每天有12–18 g蛋白质到达大肠，由10–15%尿素、氨、硝酸盐和氨基酸，48–51%蛋白质，以及34–42%肽组成。约>90%的蛋白质在小肠中被消化吸收，其余未消化部分逃逸至大肠，被微生物群用作代谢底物。由于不同植物蛋白来源消化率的差异，到达结肠的植物蛋白数量可能高度不同。蛋白质到达结肠的量受餐食中蛋白质量的影响。高蛋白摄入后结肠和粪便中蛋白质衍生物（如支链氨基酸（branched-chain amino acids, BCFAs）和氮）增加，表明数量决定了到达结肠并驱动微生物发酵的蛋白质量。大量蛋白质到达结肠对宿主健康具有重要意义，因为增加的结肠蛋白质发酵和由此产生的代谢物（如对甲酚、H₂S、吲哚衍生物和BCFAs）与肠道疾病如炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）相关。"膳食蛋白质对营养支持的重要性"讨论了膳食蛋白质是健康个体的重要营养素，提供生长、组织修复和生理过程调节所需的必需氨基酸（essential amino acids, EAA）。美国在《2025–2030年美国居民膳食指南》中修订了膳食蛋白质推荐量，建议将蛋白质摄入量增加至每天每公斤体重1.2–1.6克。这显著高于欧洲食品安全局（European Food Safety Association, EFSA）的0.83克/公斤体重人群参考摄入量（population reference intake, PRI），后者与世界卫生组织（World Health Organization, WHO）的安全蛋白质水平（safe level of protein, SLP）摄入推荐相同。蛋白质吸收受损的个体如IBD患者，黏膜层炎症阻碍氨基酸和肽的吸收，影响其膳食蛋白质水平并可能导致蛋白质营养不良。IBD患者某些氨基酸的血浆水平降低。为解决这一特定人群的蛋白质-能量营养不良，推荐通过增加膳食蛋白质摄入进行营养支持。**超越营养：膳食蛋白质对肠道菌群组成和功能的调节**部分分为多个小节。"肠道菌群组成的调节"指出，除营养作用外，膳食蛋白质包括多种氨基酸在维持肠道稳态中发挥重要作用。实验动物模型研究表明，L-精氨酸和L-谷氨酰胺以及色氨酸和赖氨酸等EAA可改变GM组成和微生物代谢、增强肠道屏障功能、调节肠道免疫反应，从而在黏膜愈合中发挥作用，尤其对IBD个体。近期系统综述报道植物蛋白在健康个体及肥胖、心血管疾病或类风湿关节炎患者中可短期至中期改善微生物群组成。大型队列研究也揭示了增加植物蛋白摄入带来的有益宿主健康结局。然而，与高肉类蛋白摄入相关的不良健康效应是否同样适用于高植物蛋白摄入仍不清楚。"植物蛋白来源的影响"小节指出，越来越多证据表明植物来源蛋白可通过促进有益菌群如乳杆菌属（*Lactobacillus*）和双歧杆菌属（*Bifidobacterium*）以及增强短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）产生来调节GM组成。然而，不同植物蛋白来源在相同摄入量下对GM的影响是否相同尚不清楚。"大豆蛋白"小节介绍了大豆含约35–40%蛋白质，是优质膳食蛋白质来源。体外发酵研究显示罗斯氏菌属（*Roseburia*）、*Atopobium*、梭菌属（*Clostridium*）、乳杆菌属、双歧杆菌属和粪杆菌属（*Faecalibacterium*）增加，表明SCFA产生潜力增强。在低和高碳水化合物条件下，大豆分离蛋白组显示出最高的微生物组多样性。体内研究表明大豆蛋白可改善胰岛素抵抗和代谢结局，可能与GM谱改善有关。"豆类"小节指出豆类含高浓度蛋白质（15–30%），通常约为谷物的两倍。体外发酵研究显示豌豆分离蛋白（70%）和水解豌豆蛋白（66%）增加变形菌门（Proteobacteria）丰度，同时降低厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和梭杆菌门（Fusobacteria），提示更具蛋白水解特征的发酵谱。豌豆蛋白的GM调节效应可受碳水化合物水平影响。体内研究表明鹰嘴豆和羽扇豆分离蛋白可增加碳水化合物发酵细菌如普雷沃氏菌属（*Prevotella*）的丰度。"谷物和假谷物蛋白"小节指出谷物和假谷物是重要的蛋白质来源，蛋白质含量通常为9.89–21.5%，但往往缺乏某些EAA如赖氨酸、苏氨酸和色氨酸。体内研究表明藜麦蛋白在DSS诱导结肠炎模型中通过增加有益微生物和减少病原菌发挥抗炎作用。"食用种子和坚果蛋白"小节指出种子和坚果具有益生元潜力，通过维持肠屏障完整性、改善抗炎状态和增强丁酸合成来改善肠道稳态。体内研究表明奇亚籽、核桃和向日葵种子蛋白分离物通过增加有益菌属的丰度/组成来调节GM。然而，种子和坚果蛋白对GM的影响并非普遍有益，可能因宿主生理条件而异。"植物蛋白的跨来源比较"小节提出底物可利用性框架用于理解植物蛋白-GM相互作用：蛋白质消化率决定逃逸小肠的含氮底物的数量和形式，而蛋白质结构、氨基酸组成和加工影响其对微生物酶的可及性。当碳水化合物充足时，微生物碳流优先导向糖酵解发酵和SCFA产生；当碳水化合物可利用性相对于蛋白质来源底物有限时，蛋白水解发酵更为突出。"植物与动物蛋白对肠道菌群的比较效应"小节指出，在标准膳食条件下，与酪蛋白和蛋蛋白饮食相比，大豆蛋白增加芽孢菌门（Bacillota）、放线菌门（Actinomycetota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）和拟杆菌门丰度，同时降低厚壁菌门丰度和厚壁菌门/拟杆菌门比值。比较研究进一步强调植物蛋白分离物相关的独特代谢谱，如大豆蛋白相比蛋清产生更高的丙酸。"蛋白质数量的影响"小节指出，高蛋白饮食尤其是动物来源的高蛋白饮食已知会增加远端肠道中蛋白质衍生代谢物如含氮化合物、尿素和发酵产物的水平。膳食蛋白质水平也影响GM的分类多样性和结构。过量蛋白质补充可破坏肠道微生物生态系统的平衡，可能减少有益微生物同时促进机会性或致病性菌群的生长。高蛋白摄入与糖酵解细菌浓度降低和蛋白发酵细菌增加相关。然而，现有证据不成比例地集中于动物来源蛋白，对高摄入植物来源蛋白对GM的影响了解相对较少。"蛋白质类型的影响"小节讨论完整蛋白和水解蛋白两种形式。水解蛋白因多功能功能特性越来越多地用于临床营养或特殊膳食产品。完整植物蛋白保留更多天然结构，需要胃肠道消化分解为可吸收氨基酸或小肽；而蛋白水解物已经过水解过程分解为氨基酸或更小的肽，使其更易快速消化。植物蛋白水解物（plant protein hydrolysates, PPH）对拟杆菌门的影响因蛋白质来源而异。PPH也影响厚壁菌门/拟杆菌门比值。蛋白水解物对放线菌门的影响似乎取决于底物和加工过程。变形菌门的响应在各研究间存在差异。PPH对疣微菌门的影响也因来源而异。"加工技术对植物蛋白和GM相互作用的影响"小节指出，食品加工技术广泛用于改变膳食蛋白质的营养、感官和功能特性。热处理和挤压蒸煮被广泛认为可改善植物蛋白的营养特性，特别是通过增强蛋白质消化率和减少抗营养因子。相比之下，结构修饰不一定转化为相应的GM响应变化。加工过程中产生的化学修饰也可能改变植物蛋白在结肠中的命运。糖化影响 lentil 蛋白的消化率并增加未消化糖化蛋白对微生物发酵的可利用性。发酵代表另一种可能改变植物蛋白与GM相互作用的加工策略。总体而言，加工不应仅被视为改善蛋白质消化率的手段，而是可通过改变蛋白质结构、消化率以及到达结肠的蛋白质衍生底物的数量和组成，在宿主吸收和微生物利用之间重新分配膳食氮。**GM功能的调节**部分指出，除调节GM组成外，植物蛋白通过改变发酵衍生化合物的产生显著影响微生物代谢物谱。未消化蛋白质到达结肠后经微生物蛋白水解产生SCFA、BCFAs、生物胺、吲哚类、酚类衍生物和含硫化合物。完整蛋白分离物表现出显著的发酵行为，受底物可利用性、膳食背景和理化结构的影响。多项研究一致报道植物蛋白分离物尤其是大豆、豌豆和藜麦可刺激SCFA产生，同时伴随BCFAs增加，表明蛋白水解发酵同时进行。蛋白质来源的影响通过比较不同植物基质的研究得到进一步强调。在完整蛋白分离物效应基础上，蛋白水解物表现出重叠但有区别的发酵模式，反映其改变的结构特性和增加的消化率。总体而言，虽然完整蛋白和蛋白水解物均促进SCFA产生，但水解物倾向于放大蛋白水解发酵，表现为BCFAs的持续增加。**人体研究证据**部分指出，现有证据大致可分为三个层次：体外研究提供机制性见解；动物研究提供临床前体内证据；人体临床研究提供最具生理相关性的直接证据。大部分研究基于体外或动物模型，人体临床证据仍然有限。例如，健康成人中豌豆分离蛋白摄入量递增（0.25→1.0 g/kg/天）显著增加*Limosilactobacillus frumenti*、*Odoribacter splanchnicus*和*Lactobacillus crispatus*的相对丰度，但观察到*Bifidobacterium longum*和*Bifidobacterium catenulatum*丰度急剧下降。在该干预组中，SCFA特别是戊酸和丁酸水平也增加。然而，对豌豆分离蛋白的生理响应存在显著异质性。另一项研究表明杂合或富含纤维的植物蛋白使微生物代谢从蛋白水解发酵转向糖酵解发酵。一项随机临床试验评估了植物基肉类类似物对健康参与者GM的调节效应，结果显示产丁酸菌群如*Faecalibacterium*、*Eubacterium*、*Roseburia*、*Ruminococcus*和*Anaerostipes*丰度显著增加。总之，这些研究表明植物基蛋白可调节GM组成和代谢活性，尽管这些效应的幅度和方向在个体间差异较大。**挑战与开放问题**部分讨论了逃逸肠道消化的膳食蛋白质代表结肠中微生物代谢的重要但未被充分探索的底物。机制上，植物蛋白对GM的影响可能由到达结肠的蛋白质衍生底物的量和形式以及常驻微生物群落的代谢能力所决定。一个重要的考虑是植物蛋白基食品的开发和加工中最大化蛋白质消化率与维持适当比例蛋白质可用于结肠微生物发酵之间的潜在权衡。宿主生理和代谢特征也可能导致植物蛋白对肠道菌群影响的个体间差异。这些考虑对食品工业尤为重要，加工和配方策略必须平衡营养质量、技术功能性和对GM的潜在影响。未来研究的关键领域包括：(a) 确定植物蛋白基质中非蛋白质组分如膳食纤维、多酚和抗营养因子对蛋白质发酵和GM组成及功能的贡献；(b) 研究植物蛋白来源间的差异；(c) 确定加工和生物转化如何改变蛋白质可及性和后续微生物发酵；(d) 进行精心设计的随机对照人体试验以验证临床前模型发现。"非蛋白质组分的独立和交互效应"小节指出，本综述中讨论的研究所使用的蛋白质组分由蛋白质含量为66–80%的浓缩物或分离物组成，这意味着剩余组分约占20–30%，可能仍然显著。共存的膳食组分如可发酵碳水化合物和多酚可对微生物活性产生实质性影响。"缺乏人体研究"小节指出，由于实验模型和蛋白质来源间观察到的显著异质性，当前证据仍然有限。大多数可用数据来自体外和动物研究，而人体临床试验证据仍然稀缺。**结论**部分指出，植物蛋白不仅是重要的营养成分，还作为肠道微生物组的主要调节者。由于膳食蛋白质在小肠中很少被完全消化，相当一部分到达结肠并在那里进行微生物发酵。这一过程产生多种代谢物，从有益的SCFAs到潜在有害的化合物，取决于生理环境。蛋白质的肠道发酵影响高度可变，由蛋白质来源、结构复杂性、消化率和周围食物基质或"共乘客"决定。总体而言，植物基蛋白似乎比动物来源蛋白更有利地调节GM，尽管现有文献中的发现仍有些不一致。具体的发酵模式很大程度上由蛋白质量和碳水化合物的存在决定。然而，由于大多数研究使用体外或动物模型而非人体，得出确定性结论仍然困难。重要的是，当前证据不支持优化肠道菌群组成和/或功能的特定植物蛋白摄入阈值。在建立此类阈值之前，植物蛋白应纳入已建立的总蛋白质推荐量中，同时关注整体膳食质量和充足的可发酵膳食纤维摄入。