基于体外时空动态消化模型的2′-岩藻糖基乳糖在婴儿中的益生元效应研究

《Journal of Future Foods》：Study on the prebiotic effects of 2′-Fucosyllactose in infants based on an in vitro spatiotemporal dynamic digestion model

　　

2′-岩藻糖基乳糖（2′-FL）是人乳寡糖（HMOs）的关键组分。研究人员采用体外时空动态消化模型（BGR-7）系统研究了2′-FL的结构变化、肠道菌群调控及代谢调节效应。研究发现，2′-FL在胃和小肠中结构稳定，但在结肠中发生显著降解；可促进双歧杆菌属（Bifidobacterium）和拟杆菌属（Bacteroides）等有益菌富集，抑制链球菌属（Streptococcus）、肠球菌属（Enterococcus）和埃希氏-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）等有害菌过度生长，并对克雷伯氏菌属（Klebsiella）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter）和肠杆菌属（Enterobacter）等机会性致病菌表现出灵活调控作用。2′-FL可提高CO₂、H₂、挥发性有机化合物（VOCs）及H₂S等肠道气体水平，其中VOCs与H₂S呈现明显的时空分布特征。代谢组学分析表明，其可影响硫代谢、三羧酸循环（TCA cycle）及谷胱甘肽代谢等通路，从而增强抗氧化与能量代谢能力。综上所述，2′-FL通过调控肠道微生物群落结构及代谢功能，促进婴儿肠道建立动态平衡的微环境；其调控模式与低聚果糖（FOS）不同，具有更复杂的时间与生态学特征。本研究结果为阐明HMOs在婴儿肠道健康中的作用提供了实验证据。

研究背景与目的
生命最初1000天是婴幼儿生长发育的关键窗口期，母乳因其宏量营养素及人乳寡糖（HMOs，母乳中第三大固体成分）等生物活性物质被视为婴儿营养的金标准。其中，2′-岩藻糖基乳糖（2′-FL）在HMOs中含量最高，具有益生元潜力，但其在婴儿全消化道的稳定性、降解规律及与肠道菌群互作的深层机制尚不明确。由于人体体内消化研究存在伦理与技术限制，研究团队在实验室已有仿生胃肠道反应器（BGR）基础上，开发了具备胃、十二指肠、空肠、回肠、升结肠、横结肠和降结肠七个腔室的体外时空动态消化模型（BGR-7），以更真实地模拟婴幼儿胃肠动力学、生理过程及菌群定植。该论文发表于《Journal of Future Foods》。研究人员利用BGR-7系统，从口咽至结肠全程动态考察2′-FL的结构稳定性及其对菌群组成、肠道气体和代谢组的调控作用，以期为婴幼儿配方食品中HMOs的精准设计与营养干预提供理论与数据支持。

主要技术与方法
研究以3名健康婴儿（24周男性母乳喂养、48周女性配方奶喂养、32周男性混合喂养）的新鲜粪便作为结肠菌群接种来源，采用BGR-7进行口腔—胃—小肠—升结肠—横结肠—降结肠的时空动态模拟；通过DNS法测定还原糖，TBA法测定丙二醛（MDA），ABTS与DPPH法评估抗氧化能力；利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和¹³C-核磁共振（NMR）解析结构演变；对结肠发酵样品进行16S rRNA V3–V4扩增子测序、BGR内置气体传感器实时监测CO₂、H₂、挥发性有机化合物（VOCs）和H₂S，并采用超高效液相色谱–质谱（UHPLC-MS）非靶向代谢组学分析；最后以O2PLS整合模型探讨菌群与代谢物的关联。

主要研究结果
3.1 上消化道理化特性分析
还原糖测定显示，2′-FL在胃中稳定（约13%），进入小肠后逐渐升高至约50.7%，提示糖苷键在肠段发生轻微水解；低聚果糖（FOS）在胃中略有上升、在小肠中维持约2%。MDA水平在胃和十二指肠基本稳定，进入空肠、回肠后逐渐升高，且FOS在回肠末期的MDA显著高于2′-FL，表明FOS降解产生了更多促氧化产物。ABTS和DPPH抗氧化活性在胃中较低，进入小肠尤其是回肠后显著激活，FOS抗氧化能力略高于2′-FL。

3.2 胃肠道结构变化
SEM观察显示，2′-FL在胃和十二指肠仅发生表面熔融和聚集，整体结构保持完整；至空肠、回肠形成黏弹性网络；进入升结肠后结构松散，至降结肠则降解为均匀微小球状聚集体。FTIR显示，胃和小肠阶段糖苷键特征峰（约1012、891、768 cm^?1）无明显衰减，而结肠阶段这些峰急剧下降、C=O峰增强，提示菌群发酵产生短链脂肪酸等代谢产物。¹³C-NMR显示，胃、小肠阶段异头碳（92–98 ppm）和糖环碳（62–78 ppm）信号保留，结肠阶段上述信号基本消失，并在20–60 ppm出现岩藻糖甲基碳和单糖伯碳碎片峰。三项技术交叉证实2′-FL主要在上消化道保持稳定，在结肠被菌群彻底降解。

3.3 结肠发酵气体分析
2′-FL组CO₂和H₂浓度呈先升后降趋势，且显著高于FOS组，提示其可促进糖类酵解并富集产氢菌。VOCs在横结肠段达到峰值，呈现独特的时空分布；H₂S同样在横结肠达到最高，显著高于空白和FOS组。研究人员认为，2′-FL诱导的挥发性代谢物和H₂S的延后峰可能有助于在近端结肠避免高浓度H₂S损伤，而在远端结肠维持气体信号分子的生理调节功能，体现其引导建立有序、特异代谢格局的能力。

3.4 16S肠道菌群分析
与FOS相比，2′-FL显著提高了Shannon、Simpson和Sobs等α多样性指数，并随发酵时间延长而增加；β多样性显示三组显著分离，2′-FL组样本分布更分散，提示形成更复杂的动态互作网络。在属水平上，2′-FL促进了双歧杆菌属（Bifidobacterium）和拟杆菌属（Bacteroides）的富集，抑制了链球菌属（Streptococcus）、肠球菌属（Enterococcus）和埃希氏-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）的过度生长。对机会性致病菌的调控更具时空灵活性：克雷伯氏菌属（Klebsiella）在升结肠较低，而在横结肠和降结肠显著升高；柠檬酸杆菌属（Citrobacter）和肠杆菌属（Enterobacter）始终维持在显著低于主要共生菌的水平。

3.5 代谢组学分析
代谢组学共筛选出117个差异代谢标志物（88个上调、29个下调）。差异代谢物主要涉及硫代谢、三羧酸循环（TCA cycle）、丙酮酸代谢、酪氨酸代谢、赖氨酸降解与生物合成、丙氨酸–天冬氨酸–谷氨酸代谢、谷胱甘肽代谢、戊糖磷酸途径和糖酵解等通路。2′-FL上调了琥珀酸、甲基丙二酸、羟基丙酮、6-磷酸葡萄糖酸、焦谷氨酸、环腺苷二磷酸核糖（cADPR）、4-羟基鞘氨醇及焦磷酸等代谢物；下调了硫代硫酸、二甲基砜、3-(甲硫基)丙酸甲酯等。上述变化提示2′-FL通过激活戊糖磷酸途径和谷胱甘肽代谢增强抗氧化能力，通过补充琥珀酸维持能量代谢，并通过cADPR促进钙信号传导，有助于维护肠上皮细胞结构、促进细胞增殖并减轻氧化损伤。

3.6 菌群与代谢组关联分析
O2PLS整合模型具有良好的拟合度和预测能力（R²X=0.861，R²Y=0.683，CV-ANOVA p<0.05）。相关热图显示差异代谢物与双歧杆菌属、拟杆菌属、克雷伯氏菌属、链球菌属、埃希氏-志贺氏菌属和柠檬酸杆菌属等显著相关，尤其双歧杆菌属与3-磷酸甘油酸呈负相关、与三酰甘油TG(14:0/20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)/15:0)呈正相关。该结果进一步说明2′-FL可通过调控特定菌群影响下游代谢，维持肠道微环境稳态。

讨论与结论
本研究通过BGR-7系统地证明，2′-FL在婴儿胃和小肠几乎不被消化，完整到达结肠后被菌群逐步降解为单糖和小分子代谢物。与经典益生元FOS相比，2′-FL对婴儿肠道菌群的调控不仅表现为有益菌富集和有害菌抑制，还展现出更复杂的时间动态和生态位特征，如气体代谢物和机会致病菌的阶段性变化。这种时空特异性可能有助于在结肠不同区段分配代谢负荷和信号功能。作者也指出研究存在局限：结肠发酵仅基于3名健康婴儿的粪便样本，难以涵盖喂养方式、分娩方式、年龄与疾病等个体差异；采样间隔较长，可能遗漏菌群降解和代谢产物的细微动态。未来需扩大婴儿菌群样本量、纳入更多个体化变量并提高采样频率。

研究结论翻译
本研究采用BGR-7体外胃肠道反应器系统模拟婴儿消化环境，系统分析了2′-FL的消化特性与益生元效应。结合理化测定以及SEM、FTIR和NMR分析发现，2′-FL在胃、小肠阶段可有效抵抗酸和酶降解，缓慢释放还原糖并维持结构完整性；进入结肠后则伴随物理形态转变和代谢产物积累而发生显著降解。以2′-FL和FOS为碳源进行的体外结肠发酵及16S rRNA测序表明，与FOS相比，2′-FL可显著提高肠道菌群α多样性（Shannon、Simpson和Sobs指数）并促进菌群动态演替。在属水平上，2′-FL富集双歧杆菌属和拟杆菌属等有益菌，同时抑制链球菌属、肠球菌属和埃希氏-志贺氏菌属等有害菌过度生长；对克雷伯氏菌属、柠檬酸杆菌属和肠杆菌属等潜在致病菌的调控模式与FOS不同，体现出其在微生物重塑中更为复杂的时间与生态位特征。结肠发酵过程中，2′-FL显著升高H₂和CO₂浓度，并在VOCs和H₂S代谢中呈现明显时空分布模式；相关性分析显示肠道菌群与气体代谢物之间存在显著关联。代谢组学进一步揭示，2′-FL干预显著影响硫代谢、三羧酸循环、戊糖磷酸途径、谷胱甘肽代谢、糖酵解及赖氨酸生物合成等多条代谢通路。肠道菌群—代谢物关联分析结果证实，2′-FL可通过调控特定菌群影响下游代谢，进而参与维持肠道微环境稳态与宿主健康。本研究存在样本量较小、发酵采样间隔较长等需进一步完善之处。总之，本研究从消化特性、肠道菌群响应和代谢调控等多维度系统阐明了2′-FL在婴儿肠道健康中的生理作用，为HMOs营养功能研究及相关产品开发提供了实验依据与理论指导。