吃下去不等于身体受益：植物营养素是否起效，还得看菌群转化

谷禾健康

植物性食物 Plant-based Diet

食物，尤其是植物性饮食，具有复杂的化学多样性。然而，肠道细菌大规模代谢植物营养素的活动在很大程度上仍是不完全清楚的。

近日，来自德国耶拿莱布尼茨天然产物研究与感染生物学研究所（Leibniz-HKI）微生物组的 Gianni Panagiotou团队联合上海交通大学医学院于发表在《Nature microbiology》整合并系统分析了包含酶反应和食物健康益处信息的多个数据库，以及3,068个全球公开的人类微生物组数据和来自可食用植物的775种植物营养素，发现植物营养素的转化与多种肠道微生物编码的酶相关。

通过结构预测与体外实验证实关键菌株（如 Eubacterium ramulus）对黄酮类化合物的特异代谢作用及其关键酶的催化功能。植物营养素的转化能力存在显著个体差异和地域特异性，五大洲人群共享630种核心转化通路，且疾病，年龄，肥胖等都会改变我们的代谢能力。

最终，这项研究告诉我们：我们吃下的植物性食物中含有数千种化学物质，其中许多需要经过你肠道中数万亿微生物的“加工处理”才能被人体有效利用。

同时该研究创新性地建立了“膳食化学—微生物酶—宿主健康”多层耦合框架，暗示在未来，营养师和医生可能会常规分析你的肠道微生物组，以推荐最适合你个人“肠道化工厂”的饮食方案，让我们真正迈向个性化营养的新时代。

01
饮食与肠道微生物的合作

“饮食决定健康”这一简单概念正被更复杂的理解所取代：我们的健康不仅取决于吃什么，还取决于我们的肠道微生物如何处理我们所吃的食物。”

就如刚发表在《Nature Microbiology》上的这项开创性研究，系统地探索了肠道微生物如何代谢植物性食物中的化学物质（称为植物营养素），以及这一过程如何影响我们的健康。来自德国、丹麦、中国等国家的科学家团队整合了全球3,068个人类肠道微生物组数据和1,300多种植物营养素信息，揭示了一个肠道惊人的”代谢宇宙”：我们肠道中约70%的微生物酶参与植物营养素的生物转化。

这意味着，当你咬下一口新鲜的草莓或清脆的西兰花时，你肠道中的微生物正在加班加点地将这些复杂化合物转化为对你身体有益的物质——但前提是拥有理想的微生物团队。

黄酮类化合物是植物性食物重要的次级代谢产物，隶属多酚类物质，广泛存在于多种膳食植物来源中，如水果、蔬菜、草药、种子、谷物及饮料等。其基本骨架通常由芳香环 A 与杂环 C 相连，并与另一芳香环相结合形成特征性结构。依据化学结构差异，黄酮类可进一步分为黄酮、黄酮醇、黄烷酮、黄烷醇、异黄酮和花青素等主要类型。

摄入后，部分黄酮类化合物可在小肠中经上皮酶 O-脱糖基化后被吸收；进入肠上皮细胞与肝脏后，吸收的黄酮类苷元进一步发生 I 相与 II 相代谢转化。然而，多数膳食黄酮类化合物（及其 I/II 相代谢产物）会到达大肠，并在肠道菌群作用下被进一步改造。大肠细菌酶可介导多种结构修饰反应，如脱羧、开环、还原、异构化和去甲基化等。

由于膳食黄酮多以糖苷形式存在，肠道细菌的 α-L-鼠李糖苷酶 可去除末端 α-L-鼠李糖，将其转化为葡萄糖苷；随后 β-葡萄糖苷酶进一步脱糖生成可吸收的苷元，苷元既可在大肠被吸收，也可继续代谢为多种开环产物。

肠道菌群介导的黄酮类代谢中，雌马酚（equol）生物合成途径是研究最为深入的代表之一，其核心在于一系列关键酶将异黄酮苷元逐步转化为雌马酚。

另一条较为清晰的途径是黄酮/黄酮醇的降解代谢，其中 Flavonifractor plautii 与 Eubacterium ramulus被认为是参与转化的活跃菌种；在这些菌种中已鉴定出多种相关酶，包括黄酮/黄酮醇还原酶（Flr）、查尔酮异构酶（Chi）、黄烷酮/黄烷醇裂解还原酶（Fcr）以及根皮苷水解酶（Phy）。

黄酮类化合物及其微生物代谢产物因具备抗炎、抗氧化与抗癌等生物活性而与多种健康获益相关，其保护作用已在结直肠癌（CRC）和炎症性肠病（IBD）等疾病研究中得到支持。

02
肠道微生物：我们体内的化学工厂

植物营养素与微生物酶的完美匹配

当想研究这个复杂关系时，首先面临的挑战是如何将植物性食物中的化学物质与肠道微生物产生的酶联系起来。研究团队人员从NutriChem 2.0数据库中获取了7,825种与可食用植物相关的低分子量植物营养素，并功将超过1,500种化合物与具有独特酶库编号的酶联系起来。经过精细筛选，最终确定了1,388种植物营养素与4,678种酶相关联。

通过分析全球3,068个健康人的肠道微生物组数据，研究团队发现这些植物营养素中有775种可被肠道微生物酶转化，涉及1,118种可食用植物。令人惊讶的是，约64%（1,226种）的这些酶仅存在于肠道微生物物种中，而在人类基因组中不存在。这意味着，如果没有肠道微生物的帮助，我们的身体将无法代谢这些植物性化合物。

03
关键发现：肠道微生物酶的超能力

广泛的代谢能力

约67%的肠道微生物酶可能参与植物营养素的生物转化

独特的微生物贡献

约64%的植物营养素转化酶仅存在于肠道微生物中，人类基因组中不存在

主要参与者

拟杆菌门和变形菌门，是最常见的植物营养素转化菌门

核心化学类别

萜类、黄酮类和生物碱是主要被转化的植物营养素类别

主要酶类别

氧化还原酶、转移酶和水解酶是参与转化的主要酶类

值得注意的是，达人群中肠道细菌物种的丰度和流行度与其基因组转化植物营养素的能力呈正相关。这意味着那些在我们肠道中更常见、数量更多的细菌，往往具有更强的代谢植物性化合物的能力。

04
普通健康食物的微生物转化率

研究团队特别关注了21种被认为是健康饮食选择的常见食物，发现它们中超过一半的已识别植物营养素与肠道微生物酶相关联。例如，黄酮类化合物根皮素的糖基化（由EC 2.4.1.4催化）和根皮素向3-(4-羟苯基)丙酸的转化（由查尔酮异构酶EC 5.5.1.6催化）都是已知的与健康相关的生物转化过程。

注：Parsnips 是英文里对 “欧洲防风草 的称呼，一种根茎类蔬菜，外形有点像白色胡萝卜。

这些发现表明，我们日常食用的许多健康食物，如蓝莓、绿茶、坚果等，其健康益处可能在很大程度上依赖于我们肠道微生物的代谢能力。换句话说，如果你肠道中缺乏特定的微生物或其产生的酶，即使食用”超级食物”也可能无法获得其全部健康益处。

05
益生菌vs肠道细菌：谁是更好的代谢专家

随着益生菌产品的普及，许多人可能认为服用益生菌补充剂可以获得与健康肠道微生物相同的益处。但这项研究揭示了一个重要事实：常见益生菌在代谢植物营养素方面的能力远不如我们肠道中自然存在的某些细菌。

益生菌的短板 与 肠道细菌的特长

研究人员注释了59种益生菌的基因组，发现这些菌株中的酶可以潜在地转化775种与肠道微生物酶相关的植物营养素中的525种。然而，在186种与次级代谢相关途径的植物营养素中，只有116种可被益生菌和肠道微生物酶共同修饰，而70种只能被肠道微生物酶修饰。

更重要的是，能够修饰这些植物营养素的肠道细菌种类平均为158种，而能够做到这一点的益生菌种类平均仅为8种。这意味着，许多植物性食物中的生物活性化合物需要我们肠道中特定的”本土”细菌才能被有效代谢，而常见的益生菌补充剂可能无法提供这种能力。

研究还发现，共享和肠道限制性植物营养素在结构特征上存在差异。含有羧酸和羰基的植物营养素（如反式肉桂酸和柚皮素）特别富集在共享化学空间中，而肠道限制性植物营养素则富含苯环和双环基团。

注：

原文中 shared phytonutrients（共享）：既能被肠道常驻菌也能被常见益生菌，预测/注释到可代谢的植物营养素。

gut‑restricted phytonutrients（肠道限制性）：只被肠道常驻菌预测/注释到可代谢，而未在益生菌物种中预测到可代谢的植物营养素。

所以，肠道限制性在这里就是一个相对概念：相对于他们纳入分析的那批益生菌而言，这些化合物的代谢能力更“限制在肠道本土菌里”。

体外实验验证：Eubacterium ramulus的明星表现

为了验证这些发现，研究团队在实验室中测试了六种具有高生物转化潜力的肠道菌株对36种植物营养素的代谢能力。结果令人瞩目：Eubacterium ramulus（一种常见的肠道细菌）表现出最强的生物转化活性，能显著代谢12种底物中的11种。

黄色的代表Eubacterium ramulus 菌种

进一步研究发现，Eubacterium ramulus含有一种名为EC 5.5.1.6的酶，能够催化两种黄酮类化合物——butein和isoliquiritigenin的生物转化。当存在活的E. ramulus时，这些化合物的转化速度显著加快，并且只在活菌存在的情况下才能检测到下游产物。这一发现不仅验证了计算预测，还为理解特定细菌如何影响植物营养素的代谢提供了机制性见解。

研究结果对益生菌行业提出了挑战。许多商业益生菌可能无法提供我们肠道中自然存在的某些细菌所具有的代谢能力。同时也意味着保护我们原生肠道微生物组多样性的重要性。

06
个体差异与地理差异：为什么同一种食物对不同人效果不同？

如果你曾经疑惑为什么某些食物对你的朋友或家人有效却对你似乎没什么作用，这项研究可能给了答案。研究发现，植物营养素的生物转化存在显著的个体间和地理变异性，这解释了为什么相同的饮食对不同人会产生不同的健康效果。

个体差异：与α多样性（群落丰富度/均匀度）的关系

分析显示，在个体微生物组中注释的酶中，平均70%与植物营养素生物转化相关，而在次级代谢相关途径中这一比例高达90%。然而，植物营养素相关酶的比例与微生物组α多样性呈负相关，这表明植物营养素生物转化是肠道微生物群的普遍特性。但对于参与次级代谢的酶来说，这种相关性是正的，表明肠道微生物转化次级代谢相关植物营养素的能力存在差异。

个体差异很大，但洲际总体很相似

个体间植物营养素转化范围差异明显：每人可被转化的植物营养素数量在264–620之间（覆盖5个地理区域）。

植物营养素相关的微生物组独特性在不同个体之间显著高于同一个体内部。

但把人按“洲/地区”汇总后，整体“植物营养素与食物生物转化相关的酶学机器”在各地区高度相似：5个地区共同关联到的植物营养素有630种；

只有少数显示强地域特异性（如亚洲10种、大洋洲2种）。

例如黄烷醇类（taxifolin）及其相关酶 EC 1.1.1.219 只在亚洲个体中被注释到，可能与当地食物/药用植物相关。

地理差异：祖籍可能影响你的代谢能力

地理差异的有趣发现所有地区的肠道微生物组都能代谢630种常见植物营养素；然而，也有一些植物营养素表现出高度的地理特异性。

例如，黄酮类化合物taxifolin（存在于荔枝和柘树等食物中，后者是东亚的传统药物）及其相关酶EC 1.1.1.219仅在亚洲个体中被注释到。这种地理特异性可能反映了长期饮食传统与肠道微生物组之间的共同进化。

某些植物营养素的代谢能力具有地理特异性；且不同洲的酶谱仍显著不同，反映饮食差异。非洲和亚洲与其他地区的差异尤为显著，这反映了区域饮食的巨大差异。酶的变化与特定化学类别（包括黄酮类和脂肪酸相关化合物）显著相关。

07
饮食如何塑造我们的代谢能力？

为了探索饮食如何塑造这些模式，研究人员使用了已有的连续饮食信息和配对的宏基因组数据。Procrustes分析显示，可食用植物饮食记录与这些可食用植物1,665种植物营养素相关的酶丰度之间存在显著一致性，表明食用植物的摄入与微生物组的植物营养素生物转化潜力相关。

更有趣的是，对美国出生的个体和居住在泰国、刚移民到美国或已在美国生活至少20年的泰国人的数据集进行的相似性分析发现，尽管饮食习惯的适应相对温和，但泰国参与者的食用植物相关酶组成随着时间推移变得与美国出生的参与者显著相似。这表明，我们的肠道微生物组及其代谢能力可以通过改变饮食来调节，尽管这可能需要相当长的时间。

研究还发现，植物营养素相关酶的比例与年龄呈负相关，而植物营养素相关微生物组的独特性与年龄呈正相关。这表明，随着年龄增长，我们的肠道微生物组可能失去一些代谢植物营养素的能力，同时变得更加个性化。此外，511种酶与BMI显著相关，随着BMI增加，植物营养素相关酶的数量减少，这可能部分解释了为什么肥胖人群对某些植物性食物的反应不同。

08
疾病改变我们的代谢能力

研发发现

疾病状态会显著改变肠道微生物群对“具有健康益处的植物食物/其植物营养素”的生物转化潜力；这些与植物营养素相关的微生物酶特征还能用于区分健康人与患者。

研究设计

对象/数据：公共肠道宏基因组病例-对照队列，覆盖三类疾病：

• 炎症性肠病（IBD）
• 结直肠癌（CRC）
• 非酒精性脂肪肝（NAFLD）

方法主线

把肠道细菌酶（EC/酶学分类，且做了species-stratified分层归因到物种）与其可作用的具有健康益处的植物营养素空间关联，评估不同疾病中这些酶的丰度变化，并进一步用机器学习做判别。

主要发现1：与植物营养素相关的酶在疾病中大量失衡

IBD：炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease）

CRC：结直肠癌（Colorectal Cancer）

NAFLD：非酒精性脂肪性肝病（Non-Alcoholic Fatty Liver Disease）

识别到的植物营养素相关酶数量：

IBD：608

CRC：1,038

NAFLD：517

其中在患者 vs 对照中显著差异丰度

• metagenomeSeq 的零膨胀高斯（ZIG）模型FDR < 0.05）的比例：

IBD：59.7%（363/608）

CRC：49.9%（518/1,038）

NAFLD：22.2%（115/517）

说明IBD 与 CRC 中，这类能处理健康植物营养素的微生物酶谱改变更广泛；NAFLD 相对较少但仍存在系统性改变。

主要发现 2：对具体健康食物的生物转化潜力改变程度不一

按每种有益食物对应的植物营养素相关 EC来看，平均有显著改变的比例：

IBD：63.0%

CRC：33.6%

NAFLD：25.3%

并且存在显著异质性：不同疾病之间差异很大；

同一疾病内部，不同食物差异也很大；

有些食物对应的酶中超过 50%都显著改变。

意味着不是“整体代谢能力统一下降/上升”，而是呈现“食物/营养素通路特异”的重塑。

主要发现 3：饮食相关酶特征可用于疾病判别，且优于非饮食相关酶

随机森林判别模型使用的特征数与内部表现：

IBD：18 个酶，auROC = 0.892

CRC：28 个酶，auROC = 0.763

NAFLD：22 个酶，auROC = 0.95

外部队列验证：三病均保持较高准确度（auROC 约 0.72–0.79）。

对照实验：若改用非饮食相关 EC（不与植物营养素关联）做 species-stratified 特征，验证集 auROC 降低：

IBD：0.779

CRC：0.698

NAFLD：0.584

这些可以推测与植物营养素生物转化直接相关的酶信号更贴近疾病相关的微生物功能改变，具有更强的可迁移判别力（尤其 NAFLD 的差距最大）。

总之，这些说明疾病状态不仅改变菌群有哪些菌，也改变其处理健康植物食物成分的功能酶库；这种功能改变具有食物/营养素通路特异性。

09
抗炎饮食的作用与特定细菌酶有关

动物实验验证：草莓的抗炎作用为何依赖肠道微生物？

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为了在体内测试参与植物营养素生物转化的肠道微生物酶是否对健康饮食的保护作用至关重要，研究人员在特定无病原体(SPF)和无菌(GF)条件下的结肠炎小鼠模型中研究了抗炎食物草莓的作用。

草莓的保护作用依赖肠道微生物

• 在无菌（GF）小鼠中，草莓饮食只能改善部分临床症状（如延缓便血、略改善粪便性状、DAI下降），但并不能改善结肠组织学损伤，提示草莓的保护作用并非完全由食物本身直接产生，而是部分依赖肠道微生物。
• 在有菌（SPF）小鼠中，草莓补充会显著改变粪便中“与草莓相关的微生物酶”谱系（DNA与RNA层面均改变），且结肠炎进程本身也会进一步改变这些酶谱与草莓相关的代谢。
• 进一步筛到一批在草莓组更高、并与疾病严重程度（DAI/组织学评分）相关的关键微生物酶（DNA层面27个、RNA层面44个），例如 EC 4.1.1.11、EC 6.3.1.1；提示草莓的完整抗炎收益与这些酶的丰度与表达有关。

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草莓抗炎作用的微生物机制

关键酶的作用：EC 4.1.1.11（天冬氨酸→β-丙氨酸和色氨酸→色胺）与减轻炎症相关

基因表达的重要性：不仅酶的存在（DNA水平）重要，其表达（RNA水平）也至关重要

治疗潜力：特定酶（如EC 6.3.1.1）可能成为炎症性肠病的治疗靶点

这些发现有力地证明，抗炎植物性食物（如草莓）的全部益处取决于特定肠道微生物酶的存在和转录活性。这解释了为什么同一食物可能对某些人有显著的健康益处，而对另一些人则效果有限——这完全取决于他们肠道中是否存在并表达这些关键酶。

10
讨论与展望：个性化营养的新未来

这项研究通过整合全球微生物组数据和植物营养素信息，为我们理解饮食-微生物组-健康之间的联系提供了前所未有的深度和广度。研究结果不仅揭示了肠道微生物如何代谢植物性食物中的数千种化合物，还为个性化营养和精准医学开辟了新的可能性。

对益生菌和功能性食品开发的启示

这项研究对益生菌行业提出了重要挑战。虽然益生菌在各种疾病背景下已显示出疗效，但研究发现常见益生菌在代谢植物营养素方面的能力远不及我们肠道中自然存在的某些细菌。这表明，超越乳酸杆菌和双歧杆菌的益生菌开发对于更广泛地应用于人类健康至关重要。

研究人员发现，一小部分肠道细菌物种（如11种细菌的组合）可以潜在地修饰43种次级代谢相关代谢物（常见益生菌缺乏这种遗传潜力）。这为通过选择具有特定代谢能力的细菌进行发酵来开发功能性食品提供了新方向。

重新定义”健康饮食”

研究结果强调了重新审视”健康饮食”概念的重要性。饮食的有效性可能在很大程度上取决于健康微生物组的存在。对于肠道微生物组失衡的人来说，食用具有已证实健康益处的可食用植物可能不足以获得全部益处。因此，个性化营养可能需要特定食物和有益微生物的组合，或食物的离体发酵，以实现植物性饮食的全部营养潜力。

特别值得注意的是，植物营养素相关酶的比例与年龄呈负相关。这表明，老年人可能失去代谢某些植物营养素的能力，这为开发针对老年人的特定益生菌或发酵食品提供了依据，以弥补这种与年龄相关的代谢能力下降。