《Food Research International》：Insights into specific and nonspecific butyrate-producing pathways during the
in vitro fecal fermentation of butyrylated starch
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•酯酶介导的酯水解是实现特异性丁酸产生的关键。•羧酸酯酶检测证实了发酵过程中酯酶的参与作用。•非特异性丁酸产生的传统代谢途径发生了改变。引言丁酸化淀粉是一种特殊的抗性淀粉，其特点在于能够携带丁酸（Zhang等，2025）。它可以有效克服传统丁酸制剂的诸多缺陷，比如高刺激性、难闻气
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酯酶介导的酯水解是实现特异性丁酸产生的关键。
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羧酸酯酶检测证实了发酵过程中酯酶的参与作用。
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非特异性丁酸产生的传统代谢途径发生了改变。
引言
丁酸化淀粉是一种特殊的抗性淀粉，其特点在于能够携带丁酸（Zhang等，2025）。它可以有效克服传统丁酸制剂的诸多缺陷，比如高刺激性、难闻气味以及复杂的制备流程（Dai等，2019；Huang等，2025；Ying等，2026）。此外，丁酸化淀粉具有抗肠道消化的能力，能够让丁酰基团和可发酵碳水化合物一同进入结肠，供微生物进一步利用（Li, Kong等，2025）。
丁酸化淀粉之所以具有这些功能，主要是因为它具备产生丁酸的独特能力（Clarke等，2012；Dong等，2023；Li, Zhang等，2025）。这使得丁酸化淀粉成为解决体内丁酸缺乏、调节肠道微生物群以及恢复肠道稳态的理想材料（Jama等，2023；Mari?o等，2017）。有研究认为，丁酸化淀粉中的丁酰基团与抗性淀粉成分都能通过微生物发酵产生丁酸（Li等，2023；Zhang等，2024）。这两种丁酸产生途径可分别视为特异性丁酸产生途径和非特异性丁酸产生途径。尽管已有大量研究（Li, Kong等，2025；Zhang等，2024），包括体外粪便发酵和体内动物实验，都表明丁酸化淀粉发酵能显著提升丁酸水平及其在总短链脂肪酸中的比例，但关于丁酸化淀粉这两种丁酸产生途径的机制仍不十分清楚。
丁酸化淀粉中的特异性丁酸产生途径主要与丁酰基团的代谢有关。针对短链脂肪酸淀粉酯的产酸特性进行研究后发现，乙酸化、丙酸化和丁酸化淀粉的发酵分别会提高乙酸、丙酸和丁酸的含量（He等，2022；Li, Wang, Wang, Wu等，2022）。而体外和体内实验都表明，丁酸化淀粉的发酵并不会显著改变乙酸和丙酸等其他短链脂肪酸的水平，这说明正是引入的丁酰基团决定了特异性丁酸产生途径的走向（Li, Wang, Wang, Wang等，2022；Yang等，2025）。通过比较不同取代度丁酸化淀粉的发酵特性，发现丁酸化淀粉的特异性丁酸产生能力会随着取代度的增加而提升（Li等，2023；Sun等，2025）。虽然先前的研究已经确认了丁酰基团在丁酸化淀粉特异性丁酸产生中的作用，但很少有研究探讨丁酰基团的具体代谢方式，也就是它是通过直接水解还是经过复杂的微生物转化来实现的？有假说认为，丁酸化淀粉中的酯化丁酰基团是通过结肠细菌的酯酶作用释放出来的（Clarke等，2011；Xie等，2019）。由于丁酰基团的链长更长，因此其去除难度要比乙酸基团和丙酸基团更大（Li等，2026）。碳水化合物酯酶是肠道微生物群所编码的重要碳水化合物活性酶，能够催化多种酯水解反应，比如阿拉伯木聚糖降解、木聚糖脱乙酰、果胶去甲基化以及去除酯结合的酚酸类物质（Kabel等，2011；Pereira等，2021；Purushe等，2010）。微生物分析显示，丁酸化淀粉及其他短链脂肪酸淀粉酯的发酵会导致一类不产生丁酸的细菌的相对丰度显著上升（Clarke等，2011；Li等，2026）。这种现象很可能是由于这类细菌拥有能够通过酯酶作用去除酰基的相同酶系统所致（Li等，2026）。不过，目前关于丁酸化淀粉代谢过程的研究还处于假设阶段，尚缺乏直接证据证明酯酶参与了丁酸化淀粉的特异性丁酸产生途径。
丁酸化淀粉中的非特异性丁酸产生途径则主要与抗性淀粉残余物的代谢有关（Sun等，2025）。由于丁酰基团会对糖苷水解酶产生空间位阻效应，因此在去除丁酰基团后，抗性淀粉残余物的代谢就会相对更加容易进行（Li, Gao等，2025）。这一过程涉及多个相互关联的代谢途径，包括淀粉降解、糖酵解、丙酮酸代谢以及丁酸代谢，而这些途径又与淀粉的结构特征以及肠道微生物群的表型密切相关（Cerqueira等，2020；Esquivel-Elizondo等，2017）。在初级降解菌和产丁酸细菌的共同作用下，丁酸化淀粉中的抗性淀粉残余物会经历一系列复杂的代谢转变，逐步将葡萄糖转化为丙酮酸、乙酰辅酶A和丁酰辅酶A。随后，非特异性丁酸要么通过丁酸激酶途径产生，要么以乙酸为底物通过丁酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶途径生成（Singhal等，2021；Zhang等，2026）。有研究认为，抗性淀粉的结构特性能够特异性地调控肠道微生物群的表型及其相关的代谢途径，从而显著影响肠道微生物群的产酸行为（Deehan等，2020）。这一观点也得到了相关研究的进一步证实。Li, Wang, Wang, Wang等（2022）和Sun等（2025）发现，乙酸化、丙酸化和丁酸化的高直链玉米淀粉发酵都能分别促进产乙酸菌、产丙酸菌和产丁酸菌的生长。其中，丁酸化淀粉尤其有利于、、和等菌种的增殖。不过，目前关于丁酸化淀粉发酵的研究大多只关注微生物组成的变化，而没有充分探讨对丁酸激酶途径或丁酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶途径的影响，而这两条途径对于非特异性丁酸的产生至关重要。
本研究旨在对丁酸化淀粉在体外粪便发酵过程中的特异性丁酸产生途径与非特异性丁酸产生途径进行比较分析。我们设计了含有酰基团或具有抗消化特性的发酵底物作为对照。通过体外粪便微生物群发酵实验来探究丁酰基团在丁酸产生途径中的作用，同时使用自行合成的异丁酸化淀粉作为关键对照，以避免非特异性产酸对特异性产酸的干扰。此外，我们还通过检测发酵后的微生物群中羧酸酯酶的活性，来评估丁酰基团可能的水解代谢情况。最后，我们利用16S rRNA测序技术分析了发酵样本中的物种多样性、群落组成以及KEGG代谢途径，以此更深入地了解丁酰基团如何通过赋予淀粉抗消化特性，从而调控丁酸化淀粉的非特异性丁酸产生途径。
章节要点
材料
普通玉米淀粉（NMS，分子量：0.97×107克/摩尔）购自中国上海的山东君能发展有限公司。异麦芽低聚糖（IMO）购自宝灵宝生物工程有限公司；丁酸钠（SB）购自上海阿拉丁化学科技有限公司；三丁酸甘油酯购自上海西格玛-奥德里奇贸易有限公司；羧酸酯酶检测试剂盒购自南京建诚生物工程研究所；醋酸、丙酸
丁酸化淀粉的产丁酸特异性
通过分析不同底物的发酵情况，我们研究了丁酸化淀粉的产丁酸特异性。如图1所示，BC组产生的短链脂肪酸浓度较低，其中的少量短链脂肪酸主要来自粪便浆液。与BC组相比，SB组的乙酸、丙酸和异丁酸含量没有显著差异，而丁酸、总短链脂肪酸以及丁酸的比例则明显上升。相反，NMS、TNMS、IMO、BNMS
结论
丁酰基团的代谢在决定丁酸化淀粉的产酸特异性方面起着核心作用，这一过程主要是通过肠道微生物群所编码的碳水化合物酯酶介导的水解反应来实现的。丁酸化淀粉的抗性淀粉特性有助于塑造肠道微生物群的组成，促使
、和等关键指示菌种的数量增加。尽管两种CRediT作者贡献说明
李凌津：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化分析，方法学研究，实验分析，资金获取，正式分析。 秦梦远：可视化分析。 徐志强：方法学研究，实验分析。 徐元腾：项目管理，资金获取。 洪岩：写作——审阅与编辑，验证分析，项目管理，方法学研究，资金获取，概念构思。 李成：监督指导，项目管理，概念构思。 顾正标：监督指导，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32302066和22276078）以及福建省科技创新联合基金项目（项目编号：2023Y9053）的资助。同时，我们也感谢Editage（www.editage.cn）提供的英文润色服务。
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