文章题目：In vitro fermentation of hyaluronan by human gut microbiota: Changes in microbiota community and potential degradation mechanism

发表期刊：Carbohydrate Polymers

影响因子：10.723

通讯单位：中国海洋大学、青岛海洋生物医药研究院

通讯作者：于广利、尚庆森、李国云

        2021年1月7日，国家卫生健康委发布正式公告，批准透明质酸（即玻尿酸，HA）为新食品原料。自此，HA可在合法地在普通食品中添加使用。目前，HA在日本、韩国、美国、欧盟、澳大利亚、新西兰和巴西等主要国家均被允许添加在食品或膳食补充剂中。第三方研究机构Frost & Sullivan调查显示，2019年，全球食品级透明质酸终端产品市场达到约3.5亿美元，预计2024年将达到约4.8亿美元，市场前景十分广阔。目前，中国市场获批使用的HA新食品原料分子量极大（8万~400万），其口服之后难以被人体直接吸收。因此，HA到达胃肠道后可以被肠道菌群降解。然而，人体肠道菌群结构差异巨大并且组成极为复杂（约40万亿个细菌，共1500种），不同种类的细菌如何发酵利用HA并未得到完全阐明。中国海洋大学医药学院于广利教授、李国云教授和青岛海洋生物医药研究院尚庆森副教授团队对不同人体肠道菌群降解利用HA的特征进行了深入系统地研究。通过自主开发的人体肠道菌群体外模拟发酵技术，作者对10个生活在山东青岛的健康志愿者的肠道菌群进行研究发现，人群中大约有80%的个体的肠道菌群可以降解利用HA。在大约一个肠道通过时间（36h~48h）内，具有降解能力的肠道菌群可以迅速将HA转化为低分子量的HA寡糖。前期研究发现，部分HA寡糖可以通过肠道黏膜吸收入血。本研究结果提示，肠道菌群降解HA可以在某种程度上促进其吸收利用。此外，人群中大约有20%的个体的肠道菌群在整个发酵周期内（约72h）都无法降解利用HA。因此，可以想象，对该部分个体而言，其口服之后HA将极大概率通过原型排出体外。

图1 不同人体肠道菌群的HA降解能力比较

        通过高分辨质谱（HILIC-FTMS）分析，作者进一步对不同人体肠道菌群降解HA产生的寡糖进行了表征。研究发现，人体肠道菌群降解HA可以产生一系列饱和的和不饱和的聚合度为2到11（dp=2~11）的寡糖。其中，多数寡糖以不饱和的四糖、六糖和八糖为主。并且，随着发酵时间的延长，降解产生的HA寡糖可以进一步被肠道菌群利用。到发酵末期（72h），具有降解能力的肠道菌群几乎可以实现对HA的整体发酵利用。

图2 不同人体肠道菌群降解HA产生的寡糖质谱分析

        通过发酵产物分析，作者进一步发现，人体肠道菌群降解发酵HA可以产生一系列对人体有益的短链脂肪酸（SCFAs）。降解产生的SCFAs以乙酸、丙酸和丁酸为主。此外，不同个体肠道菌群的产SCFAs能力与其降解HA的能力密切相关，具有强降解能力的细菌也产生较多的SCFAs。

图3 人体肠道菌群发酵利用HA产SCFAs分析

        通过16S rRNA高通量测序分析作者发现，肠道菌群降解HA前后菌群的结构发生了显著变化，提示相关功能菌株可能驱动了HA的降解代谢过程。进一步研究发现，HA发酵后肠道中拟杆菌属（Bacteroides spp.）的细菌丰度显著升高，提示拟杆菌属细菌是人体肠道中重要的HA降解功能菌。

图4 不同肠型菌群发酵利用HA的群落生态变化

        实验室前期通过肠道功能菌株靶向分离（TIFB）技术，初步构建了人体肠道功能菌株库，目前该菌株库已经囊括了110种共计约1600余株不同的细菌。通过对菌株库中的不同细菌进行系统的筛选，作者进一步发现人体肠道拟杆菌属中驱动HA降解的细菌主要为解木聚糖拟杆菌、卵形拟杆菌和单型拟杆菌。上述三种拟杆菌均可以将HA降解产生不同聚合度（dp=2~8）的HA寡糖。其中，解木聚糖拟杆菌和卵形拟杆菌的降解能力更强，单型拟杆菌的降解能力稍差。

图5 解木聚糖拟杆菌、卵形拟杆菌和单型拟杆菌降解产HA寡糖分析

        通过蛋白质组学技术，作者以卵形拟杆菌为例进一步对其中的HA降解酶进行了挖掘分析。研究发现，其主要含有糖苷水解酶GH88家族和多糖裂解酶PL8家族、PL29家族、PL33家族和PL35家族的酶系。上述不同的功能酶可以将HA降解产生一系列饱和的和不饱和的寡糖。

图6 卵形拟杆菌中HA降解酶的蛋白质组学分析

        综上所述，本论文对人体肠道菌群降解利用HA的过程进行了深入探讨。本研究系统阐明了不同个体间肠道菌群的HA代谢差异并从功能菌株和代谢产物两个方面解析了HA的降解机制，为HA相关大健康产品的开发提供了理论依据。

图7 人体肠道菌群降解HA的机制概述图

原文链接：
Pan L, Ai X, Fu T, et al. In vitro fermentation of hyaluronan by human gut microbiota: Changes in microbiota community and potential degradation mechanism. Carbohydrate Polymers, 2021;269:118313. doi:10.1016/j.carbpol.2021.118313

该课题组长期致力于肠道菌群和天然多糖的互作关系研究，在肠道菌群的体外模拟发酵、肠道功能菌株的分离筛选、多糖的肠道菌群代谢机制和新一代益生菌的开发研究方面具有重要积累，欢迎对本领域有研发兴趣的企业或高校课题组洽谈合作。

作者：尚庆森

审核：李全才

编辑：邵萌

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