人體胃腸道中含有超過10億個微生物，遠遠超過人體自身的細胞數量。由於每個人的腸道菌群組成都不相同，因此不存在單一的最佳組合。事實上，由於嬰兒出生方式、抗生素的使用以及生活方式、飲食和文化習慣，人類腸道菌群特徵存在明顯的個體差異。豐富而多樣的微生物群落使腸道菌群組成更加平衡和健康。
近年來，許多研究表明腸道菌群失調與許多非傳染性疾病密切相關，比如心血管疾病、肥胖、糖尿病、癌症、腸易激綜合症等胃腸道疾病以及神經系統疾病。此外，腸道菌群和大腦之間的相互作用，即眾所周知的“腸腦軸”，已經通過雙向神經內分泌信號和免疫激活被證實，在帕金森病和自閉症等神經系統疾病中起著關鍵作用。雖然在很多疾病中目前還不完全清楚腸道菌群組成的變化是導致疾病的原因還是疾病的結果，但是腸道菌群的豐富度和多樣性與健康之間的關係已經得到證實。
飲食是腸道菌群組成的關鍵調節因素之一，它不僅直接影響宿主的體內平衡和生物過程，而且還能通過微生物發酵產生的一些重要的代謝產物，特別是短鏈脂肪酸。這種人類宿主與腸道菌群之間的互惠共生關係可以通過飲食習慣的改變而改變，這可能會影響腸道屏障功能和免疫系統。那麼我們飲食中的各種成分，包括碳水化合物、蛋白質、脂肪、微量營養素等等，到底是如何調節腸道菌群的組成，從而調節腸道屏障功能的呢？
碳水化合物與腸道菌群
碳水化合物可以分為可消化的碳水化合物和不可消化的碳水化合物。可消化的碳水化合物，比如葡萄糖、果糖和半乳糖，在小腸中被酶降解，並以葡萄糖的形式迅速釋放到血液中。相反，不可消化的碳水化合物，也被稱為“膳食纖維”，在小腸中難以消化，最終到達大腸。膳食纖維包括非澱粉多糖、木質素、抗性澱粉和難消化性低聚糖。非澱粉多糖包括纖維素和半纖維素（葡聚糖、樹膠和果膠）。抗性澱粉通常存在於整粒或部分磨碎的穀物或種子中。最後，難消化性低聚糖包括棉子糖、水蘇糖、低聚果糖和菊粉。膳食纖維可以根據其在結腸中的可發酵性分為可發酵的和不可發酵的膳食纖維，或者根據在水中的溶解度分為可溶性和不可溶性膳食纖維。可發酵的膳食纖維，比如菊粉、果膠、β-葡聚糖、低聚果糖和低聚半乳糖，被認為是水溶性的；而不可發酵的膳食纖維，比如纖維素、半纖維素、木質素和抗性澱粉，被認為是不溶性的。可發酵的纖維容易在結腸內被細菌發酵，而不可發酵的纖維則不能。
可發酵的膳食纖維主要在腸道細菌的作用下進行發酵，從而產生單糖、短鏈脂肪酸（比如乙酸、丙酸和丁酸）以及氣體（比如甲烷和二氧化碳）等。一方面，乙酸和丙酸通過門靜脈被肝臟吸收，在這裡它們被用作脂質、葡萄糖和膽固醇代謝的底物。事實上，乙酸是膽固醇合成和脂肪生成的前體，而丙酸是葡萄糖異生作用的底物。另一方面，丁酸在維持組織屏障功能、調節基因表達和免疫調節方面起著至關重要的作用。短鏈脂肪酸還參與結腸內環境的穩定，刺激上皮細胞的增殖和分化，促進鹽和水的吸收，維持黏膜的完整性以及減少炎症。此外，短鏈脂肪酸還可以發揮其它有益作用，比如作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑、在表觀遺傳調控發揮重要作用、具有抗癌的作用、還可以通過激活胰高血糖素樣肽1、肽YY、瘦素等激素增加腸道轉運時間和飽腹感。短鏈脂肪酸的種類和數量主要由腸道菌群的組成和碳水化合物的攝入量決定。因此，人類飲食中不可消化的碳水化合物的種類和數量的變化會影響腸道菌群的組成和功能。
膳食纖維充足的情況下，腸道菌群能夠更好地維持健康的穩態。健康的黏液層能夠阻止病原菌入侵，提高機體的免疫力。而膳食纖維的缺乏將使腸道菌群構成發生變化，腸道細菌開始利用黏液為食，導致腸道黏液層變薄，增大病原菌入侵的風險。因此，膳食纖維是健康菌群最重要的保障之一。
蛋白質與腸道菌群
氨基酸的發酵發生在遠端結腸，主要由厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門的細菌完成。蛋白水解發酵比糖水解發酵產生的短鏈脂肪酸要少，還會產生一些支鏈脂肪酸（比如異丁酸、2 -甲基丁酸、異戊酸）和一些潛在的有毒物質，比如氨氣，亞硝胺和氧化三甲胺。埃希氏菌屬、假單胞菌屬、變形菌屬和克雷伯氏菌屬等需氧菌能夠產生亞硝胺。
蛋白質對腸道菌群組成的影響因蛋白質類型的不同而不同。食用動物蛋白，特別是紅肉，可能會導致耐膽汁的厭氧菌的丰度增加，比如擬桿菌屬、別樣桿菌屬和嗜膽菌屬細菌。腸道菌群的這些改變可能導致氧化三甲胺的增加，這是一種可導致動脈粥樣硬化的化合物，在心血管疾病的發生中起著重要作用。動物蛋白中含硫氨基酸較高，比如蛋氨酸、半胱氨酸和牛磺酸，大量攝入動物蛋白可能通過硫酸鹽還原菌（比如脫硫弧菌）產生硫化氫，從而增加炎症性腸病的風險。此外，大量動物蛋白的攝入還可能降低雙歧桿菌的丰度和短鏈脂肪酸的產生，從而增加炎症性腸病的風險。
另一方面，食用植物蛋白，比如豌豆蛋白，可以增加腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌的數量，降低致病性的脆弱擬桿菌和產氣莢膜梭菌的數量。此外，西式飲食3周後補充大豆蛋白，可以顯著增加雙歧桿菌科、梭菌目和脫鐵桿菌科的細菌丰度，而降低擬桿菌門的細菌水平，也就是說大豆蛋白可以部分彌補西式飲食對腸道菌群的損害。大豆異黃酮可以增強大豆攝入對腸道菌群的有益影響，而大豆皂苷對腸道屏障的有害作用則可能抵消大豆攝入對腸道菌群的有益影響。最後，植物蛋白的發酵可能與雙歧桿菌和乳酸桿菌的丰度增加有關，從而刺激短鏈脂肪酸的產生。
脂肪與腸道菌群
膳食脂肪的數量和質量影響腸道菌群組成。根據碳分子間是否存在雙鍵，膳食脂肪酸可分為飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸。
哺乳動物類產品是飽和脂肪酸的主要來源。研究表明，攝入過多的膳食脂肪，尤其是飽和脂肪酸，會導致腸道菌群失調。此外，高脂飲食誘導的菌群失調可能導致腸道屏障的改變。事實上，硫酸鹽還原菌在食用高脂飲食的宿主體內含量更豐富。由特定硫酸鹽還原菌產生的高濃度的硫化物可以減少黏液中的二硫鍵，裂解杯狀細胞分泌的黏蛋白所形成的網絡，從而破壞黏液層的穩定性。所以，攝入大量的高飽和脂肪的飲食可以刺激硫酸鹽還原菌的產生，導致黏液層破壞，增加腸道炎症。
單不飽和脂肪酸，比如特級初榨橄欖油中的油酸，是“地中海式飲食”的主要成分之一。食用特級初榨橄欖油已被證明具有地中海式飲食的大部分心臟保護功能，尤其是可以減少冠心病的風險。
多不飽和脂肪酸主要存在於葵花籽、大豆、玉米油以及堅果和種子中，它們被細分為ω- 3 多不飽和脂肪酸（包括亞麻酸）和ω-6 多不飽和脂肪酸（包括亞油酸）。多不飽和脂肪酸也被稱為“必需脂肪酸”，因為它們不能由人體合成，需要從飲食中獲取。ω-3多不飽和脂肪酸，特別是在脂肪含量高的魚類中發現的ω-3，可以通過恢復健康的腸道菌群組成和增加抗炎化合物的產生來發揮積極作用。一些研究表明，ω-3多不飽和脂肪酸能夠恢復硬壁菌門/擬桿菌門的比例，增加毛螺菌科的細菌，這與抗炎症的短鏈脂肪酸丁酸的產生增加有關。
多不飽和脂肪酸的一個獨特家族是共軛亞油酸，是亞油酸的異構體。一些證據表明共軛亞油酸具有抗動脈粥樣硬化、抗肥胖和抗癌症的特性。飲食中補充共軛亞油酸能夠顯著改變腸道菌群組成，增加短鏈脂肪酸丁酸的產生。共軛亞油酸對腸道菌群組成的有益影響可以部分解釋其健康益處。
鹽與腸道菌群
世界衛生組織建議每天最多攝入5克鹽。高鹽飲食是高血壓、腎臟損傷和心血管疾病的主要危險因素之一。高鹽飲食還可通過直接損傷胃黏膜，導致上皮細胞增生，從而增加胃癌發生的風險。此外，高鹽飲食可通過誘導幽門螺旋桿菌CagA的表達而改變其毒性，而CagA陽性的幽門螺旋桿菌是胃癌風險的標誌物。
高鹽飲食可導致腸道中乳酸桿菌等有益菌的數量減少，而一些潛在致病菌的數量增加。特別是，高鹽飲食導致的乳酸桿菌的減少使得Th17細胞顯著增加，這與許多炎症性疾病的發生和發展有關。高鹽飲食引起的小鼠結腸炎加重也被認為與乳酸桿菌的減少，乳酸桿菌的減少導致保護性短鏈脂肪酸的產生改變，而這些變化又改變了腸道免疫穩態和腸道通透性，導致對炎症刺激的易感性增加。
食品添加劑與腸道菌群
在過去幾十年裡，隨著作為西式飲食主要特徵的超級加工食品的發展，食品工業批准使用的食品添加劑的數量一直在飆升，比如無營養的人工甜味劑和乳化劑等等。人工甜味劑被添加到幾乎所有的加工食品中，通常是為了提高穩定性和保質期，改善口感和質地。許多報告表明，人工甜味劑會改變腸道菌群組成，並在宿主體內誘發菌群調節的不良反應，比如葡萄糖耐受不良。實際上，研究發現，一些無熱量的人工甜味劑可以改變微生物的代謝途徑，與宿主對代謝性疾病的易感性增加有關。一部分正常情況下不攝入無熱量的人工甜味劑的健康志願者以5mg/kg的劑量服用糖精一週後，出現了較差的葡萄糖耐受性。而無熱量的人工甜味劑的攝入減少了腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌的丰度，增加了擬桿菌屬和某些梭菌屬細菌的數量。另一項研究報道了飲食中添加低劑量（5-7mg/天）的阿斯巴甜導致大鼠腸道菌群的顯著變化，比如腸桿菌科細菌和柔嫩梭菌的丰度增加，同時伴隨著空腹血糖水平升高，胰島素反應受損。與其它低熱量甜味劑不同，從甜菊葉中提取的甜菊糖苷迄今為止沒有證據表明其對腸道細菌有負面影響。
除了人工甜味劑外，膳食乳化劑，比如大豆卵磷脂、單，雙甘油脂肪酸酯，也能增加腸道細菌易位，促進全身炎症反應，改變腸道菌群組成和功能。乳化劑的攝入可降低腸道微生物的多樣性，導致菌群失調和慢性腸道炎症，促進結腸炎和代謝綜合徵的發生。
微量營養素和腸道菌群
微量營養素在塑造腸道菌群方面也起著重要作用。維生素和礦物質在調節能量代謝、細胞生長和分化以及免疫功能方面起著關鍵作用。各種維生素，比如硫胺素（維生素B1），核黃素（維生素B2），煙酸，生物素，泛酸（維生素B5）和葉酸等B族維生素以及維生素K，都可以由腸道微生物合成。事實上， B族維生素是通過各種腸道細菌的合作而合成的。例如，擬桿菌門、梭桿菌門和變形菌門的所有細菌都具有核黃素和生物素生物合成的必要途徑。此外，所有的梭桿菌門細菌都被認為是維生素B12的生產者，而擬桿菌門似乎是B族維生素產量最多的一個細菌門。另一方面，一些研究表明維生素也可以影響腸道菌群的組成。例如，維生素D可以通過調節腸道菌群和增加潛在有益菌的丰度對炎症性腸病患者發揮積極作用。此外，對3-6月齡的嬰兒腸道菌群的研究發現，維生素D與嬰兒腸道菌群組成有關，可能對免疫系統的調節以及哮喘與過敏性疾病的發病率具有長期影響。
其它抗氧化性的維生素，比如類胡蘿蔔素，與許多水果和蔬菜的黃色、橙色和紅色有關，也可能影響腸道菌群的組成。葉黃素能顯著促進雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長，並減少其它細菌的數量，比如擬桿菌和梭菌。另一方面，血清類胡蘿蔔素的水平也可能受到腸道菌群組成的影響。β-類胡蘿蔔素的抗炎作用是受到腸道菌群的調節。
像維生素一樣，一些礦物質也參與了許多影響腸道菌群的細菌生理過程。艱難梭菌是一種臭名昭著的院內感染病原菌，在艱難梭菌感染的小鼠中，過量的鋅會通過增加毒性和改變宿主的免疫反應，嚴重加重艱難梭菌相關的疾病。在含鐵蛋白中，鐵是氧化還原反應、代謝途徑和電子傳遞鏈機制的另一個關鍵元素。鐵的利用率會影響腸道菌群的組成。富含血紅素的飲食會減少腸道微生物多樣性，增加了變形菌門細菌的丰度，減少厚壁菌門細菌的丰度。
多酚與腸道菌群
在各種植物類的食物中，比如水果、蔬菜、茶、藥用植物、藻類、草藥、種子和穀物，以及咖啡、茶、可可和葡萄酒等飲料中，已經發現了一萬多種多酚類化合物。一些可食用的野生水果，比如葡萄、橄欖、藍莓、番荔枝、芒果和柑橘類水果也含有豐富的多酚。由於這些化合物被認為可以預防心血管疾病、糖尿病、肥胖和許多其它疾病，所以目前越來越受到科學界的關注。然而，這些化合物必須在人體內被吸收才能發揮作用，腸道菌群與多酚類化合物的相互作用對多酚類化合物的生物利用度有重要影響。腸道菌群可以調節多酚類化合物轉化為更小的代謝物，影響其生物利用度，改變其活性。
在過去的十年裡，一些研究表明多酚類化合物可以改變腸道菌群，促進有益微生物的生長。例如，補充槲皮素可以改變腸道菌群組成，抑制與飲食誘導的肥胖相關的細菌物種的生長。花青素可以顯著促進雙歧桿菌、乳酸桿菌和腸球菌的生長，表明花青素可以選擇性的促進腸道菌落的有益成員。
結論
膳食成分對腸道菌群有重要影響，影響其豐富度和多樣性。那麼，我們究竟怎樣選擇才是健康的呢？一方面，大量攝入動物蛋白、飽和脂肪、糖和鹽會刺激致病菌的生長，從而損害有益菌，導致腸道屏障功能的改變。另一方面，複雜多糖和植物蛋白的攝入與有益菌數量的增加有關，可以刺激短鏈脂肪酸的產生。此外，ω-3多不飽和脂肪酸、多酚類和一些微量營養素似乎有通過調節腸道菌群而帶來健康益處的潛力。
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