第101期：使用猪粪培养物比较天然菊苣菊粉和合成菊粉的益生元特性

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原名：Comparison of the prebiotic properties of native chicory and synthetic inulins
using swine fecal cultures

译名：使用猪粪培养物比较天然菊苣菊粉和合成菊粉的益生元特性

期刊：Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

影响因子：1.297

发表时间：2020-04-11

doi.org/10.1080/09168451.2020.1749553

1、摘要
已知根据聚合度（DP）的均值和范围，菊粉型果聚糖会对发酵曲线产生不同的影响。本文旨在研究使用猪粪培养物来比较菊苣根中提取的天然菊苣菊粉（NIN）和合成菊粉（SIN）的益生元特性，已知SIN菊粉的DP分布比NIN要窄。结果显示，NIN和SIN均显示出了益生元的作用，但与SIN相比，NIN的pH值显著降低，丙酸和丁酸的产量均增加；同时在琥珀酸和乳酸是丙酸和丁酸的前体物质，相关基因表达量上存在差异；此外，NIN比SIN更能强烈地诱导某些种类的双歧杆菌和乳杆菌的繁殖。结果表明，由于DP的差异，NIN和SIN表现出不同的益生元特性，并且NIN可能对宿主健康更为有益。

2、试验设计

3、结果与分析

表1：用于实时定量PCR分析的引物。

表2：天然菊苣菊粉（NIN）和合成菊粉（SIN）的峰聚合度（DP），DP均重（DPw），DP均数（DPn）和多分散度（DPw / DPn）。
使用GPC以确认NIN和SIN的DP分布。NIN的DP峰值为25.1，DP均重（DPw）为21.7，DP均数（DPn）为14.5，而SIN的DP峰值为22.3，DPw为20.5，DPn为18.5（表2）。两种菊粉的分布宽度（多分散性）以DPw与DPn之比（DPw / DPn）进行测定。NIN的DPw / DPn为1.49，SIN的DPw / DPn为1.11，这表明NIN的DP范围比SIN宽，因为DPw / DPn越大表示分子量的分布越宽。

图1：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵过程中的pH值。数据表示为平均值±SD（n = 4至5）。相同发酵时间下不同字母表示差异显著（p <0.05）。C：对照（无底物）；NIN：天然菊苣菊粉；SIN：合成菊粉。

图2：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵过程中SCFA的产量。（a）乙酸（b）丙酸（c）丁酸和（d）总SCFA的浓度表示为平均值±SD（n = 5）。在相同发酵时间下不同字母表示差异显著（p <0.05）。C，对照（无底物）；NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

测量了体外粪便发酵期间SCFA的累积浓度。乙酸是所有组中最丰富的SCFA，48小时超过60 mM（图2（a））。与对照组相比，NIN和SIN在发酵24h后导致丙酸含量显著增加（图2（b））。NIN的丙酸浓度在24和48 h显著高于SIN。定量测量证实了NIN和SIN组的丁酸产量具有时间依赖性（图2（c））。NIN和SIN中的最终丁酸浓度分别比对照组高3.6和3.0倍。总SCFA产量倾向于遵循与乙酸相同的趋势（图2（d））。换句话说，在每个时间点，两个菊粉组的总SCFA均显著高于对照组。第48h，SIN与NIN中的浓度相似。

图3：天然菊苣和合成菊粉体外发酵过程中乳酸，琥珀酸和异丁酸的产生量。（a）乳酸（b）琥珀酸和（c）异丁酸的浓度表示为平均值±SD（n = 5）。在相同发酵时间下不同字母表示差异显著（p <0.05）。C，对照（无底物）；NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

为了阐明NIN和SIN组之间丙酸和丁酸产生差异的原因，我们在体外粪便发酵中测量了乳酸和琥珀酸的浓度（图3（a，b））。与对照组相比，除了SIN组在12 h的乳酸产量外，NIN和SIN的乳酸和琥珀酸产量在每个时间点均显著增加。在整个发酵过程中，NIN组两者有机酸的浓度显著高于SIN组。

图4：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵过程中产生的氨和吲哚含量。（a）氨和（b）吲哚的浓度表示为平均值±SD（n = 5）。在相同发酵时间下不同字母表示差异显著（p <0.05）。C，对照（无底物）；NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

在任何样品中均未检测到异戊酸。对照培养物中的氨和吲哚浓度在12h后增加（图4）。在第24和48h，NIN和SIN组的水平显著低于对照组。菊粉型组对异丁酸，氨和吲哚的抑制作用没有差异。

图5：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵48h时双歧杆菌种类的含量，（a）链状芽孢杆菌（b）齿状芽孢杆菌和（c）青春芽孢杆菌的相对丰度表示为平均值±SD （n = 5）。不同的字母表示差异显著（p <0.05）。 C，对照（无底物）； NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

与对照组相比，NIN和SIN组悬链双歧杆菌组（包含链状双歧杆菌和假双歧杆菌）和牙双歧杆菌的丰度相应增加（图5（a，b））。有趣的是，NIN对链状双歧杆菌和牙双歧杆菌的生长影响明显强于SIN，NIN和SIN不能促进青春双歧杆菌的生长（图5（c））。

图6：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵48小时后乳酸杆菌的定量分析。（a）罗伊氏乳杆菌亚组，（b）发酵乳杆菌和（c）唾液乳杆菌的相对丰度以平均值±SD（n = 5）表示。不同的字母表示差异显著（p <0.05）。 C，对照（无底物）； NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

如图6所示，两种菊粉都诱导了罗伊氏乳杆菌亚组和发酵乳杆菌的生长，但是对唾液乳杆菌的相对丰度没有影响。值得注意的是，相对于SIN，NIN增加了罗伊氏乳杆菌亚群的相对丰度，而NIN和SIN对发酵乳杆菌的生长没有差异。

图7：天然菊苣菊粉和合成菊粉体外发酵48小时mmdA和BCoAT的含量。（a）与拟杆菌相关的mmdA（b）与小球藻相关mmdA和（c）BCoAT的相对丰度以平均值±SD（n = 5）表示。不同的字母表示差异显著（p <0.05）。 C，对照（无底物）；NIN，天然菊苣菊粉；SIN，合成菊粉。

检查48小时发酵样品中mmdA和BCoAT的相对丰度，以确认NIN和SIN对丙酸和丁酸产生的影响差异（图7）。在NIN中发现与拟杆菌属相关的mmdA相对丰度显著增加。相比之下与对照相比，两种菊粉的发酵减少了与小球藻相关的mmdA相对丰度。与对照组相比，在粪便培养物中添加NIN和SIN可导致48h后BCoAT显著增加。NIN的BCoAT丰度显著高于SIN。

4、结论
总之，本研究表明，NIN和SIN，包括DP> 10的ITF，在猪粪培养物中作为益生元发挥了有益的作用。然而与SIN相比，NIN更强烈地诱导了丙酸和丁酸的产生以及某些双歧杆菌和乳杆菌的生长。两种菊粉之间的益生元特性差异可能与NIN所含ITF的DP范围比SIN宽的事实有关。综上所述，与SIN相比，NIN整体的益生元特性优越，引起的宿主反应更好，日后要加大对NIN性质的进一步研究。

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