天然產物在食品的應用

天然產物在食品的應用，食品的種類在生活中是有很多的，根據不同的食品產物給我們提供的價值也是有很大的差異的，下面介紹天然產物在食品的應用。

天然產物在食品的應用1

天然產物是動植物、微生物的組成成分或者其代謝產物，例如碳水化合物、蛋白質、特殊脂質，以及對人類健康和食品質量起重要作用的微量生物活性化合物。經修飾的天然產物也具有多種生物活性功能，可作為食品新增劑以改善食物的味道和感官特性。近年來，天然產物的抗衰老、抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗糖尿病和調節腸道微生態等功能一直是研究的熱點，但天然產物結構與功能之間的關係，以及在營養功能食品、製藥等領域的應用還需要更多的探索。天然產物，也是科學家研究的課題之一。Food Production, Processing and Nutrition特別開設新專輯，旨在發表這一領域的最新研究成果和綜述。基礎研究和技術應用論文都可以投稿。

專輯主題

食品中的'天然產物和生物活性成分（Natural Products and Bioactive Compounds in Food）

趙 超

福建農林大學食品科學學院教授、閩臺特色海洋食品加工及營養健康教育部工程研究中心副主任，主要從事海藻的分子營養和糖生物學研究。他在食品領域發表論文110多篇，授權專利34項，出版學術書籍《綠藻生物技術應用研究》，擔任Food Research International和Marine Drugs客座編輯，eFood和Food Frontiers編委會成員。

Rong Tsao

加拿大農業部圭爾夫研發中心教授，在食品生物活性物質領域及其抗氧化和抗炎活性方向享有盛名。他的研究涉及食品生物活性物質的分離鑑定、加工儲藏過程中降解及穩定性、體內代謝、作用機制和功能性食品和營養保健品的開發等。他在食品領域發表論文200多篇，連續多年被科睿唯安評為農業科學領域全球前1%“高被引科學家”，擔任Food Chemistry等食品領域一流雜誌的編委。

天然產物在食品的應用2

什麼是天然產物？

天然產物是指動物、植物、昆蟲或微生物體內的組成成分或其代謝產物以及人和動物體內許多內源性的化學成分，是自然產生的小分子。值得注意的是，天然產物來源中，植物來源佔85%以上。

谷禾在這裡主要介紹植物來源的天然產物，包括營養素和藥物。它們很容易與腸道微生物群相互作用，因為它們的成分複雜，在腸道中的停留時間長。通常，外源物質在小腸中的停留時間為1-6小時，在結腸中的停留時間為1-3天。特定的腸道微生物分解和轉化天然產物，產生豐富的代謝物和功能化合物，具有宿主本身無法合成的生理活性。

天然產物在食品、藥品、保健品領域均有運用。天然產物是極為重要的新藥來源。近年來臨床應用的藥物，三分之二左右源自天然產物、天然產物衍生物以及天然的生物大分子，幾乎涵蓋了疾病治療的各個方面。這在防治癌症及傳染類疾病領域中的表現尤為明顯。

天然產物在臨床上得到了廣泛的應用，其特點是多組分、多靶點、藥效學物質多、作用機理複雜、生理活性多樣。

對於口服天然產物，腸道菌群與臨床療效密切相關，但這種關係尚不明朗。腸道微生物在酶系統多樣性引起的天然產物的轉化和利用中起著重要作用。黃酮類化合物、生物鹼、木酚素和酚類等有效成分不能通過人體消化酶直接代謝，但可以通過腸道微生物產生的酶轉化，然後加以利用。因此，重點是通過腸道微生物群進行天然產物的代謝。

本文介紹了腸道微生物群及其對天然產物各組分生物轉化的影響的研究，並強調了所涉及的常見菌群，反應型別，藥理作用和研究方法。為臨床疾病防治中的應用提供理論支援，以及日常的選擇健康的藥物提供一定的參考，併為基於腸道生物轉化的天然產物研究提供新思路。

基於腸道微生物的天然產物的生物轉化和代謝

01、天然產物轉化中的關鍵腸道菌群

★人體腸道中的微生物

腸道微生物群由1000-1250種細菌組成，這些細菌以各種形式與人類相互作用，例如共生和寄生，這種相互作用通過微生物代謝物作為訊號分子極大地影響人類健康。

腸道微生物構成了一個動態和多樣化的微生態系統，這是抵抗致病細菌的天然屏障。腸道微生物具有豐富的酶系統，包括葡萄糖苷酶，還原酶，裂解酶，轉移酶等，並大大擴充套件了人體內的代謝反應池。

腸道菌群影響口服給藥的效果

口服給藥是藥物遞送的首選途徑，口服藥物佔市場最暢銷藥物的大部分。近年來，腸道微生物群對天然產物口服給藥穩定性的影響受到廣泛關注。

腸道具有豐富的細菌，有助於正常的消化功能，其中健康受試者中約98%的腸道微生物可分為四個門，厚壁菌門（Firmicutes），擬桿菌門（Bacteroidetes），變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）。

一些腸道微生物如大腸桿菌，雙歧桿菌，真桿菌，乳酸桿菌，擬桿菌和鏈球菌參與天然產物的生物轉化，其部分代謝物有利於腸道吸收併發揮顯著的藥理作用。

關鍵腸道微生物對天然產物的生物轉化

大腸桿菌

大腸桿菌（Escherichia coli），又叫大腸埃希氏菌，是一種革蘭氏陰性，無孢子，兼性厭氧細菌，主要棲息在脊椎動物的腸道中。

水解黃芩苷而具有抗炎抗氧化作用

部分大腸桿菌可以產生糖苷酶參與外源物質的轉化，從而產生其有益作用。例如，E.coliHGU-3產生β-葡萄糖醛酸酶，水解黃芩苷中的糖苷鍵以產生黃芩素。

在相同劑量下，黃芩素比黃芩蒿素更有效地抑制組胺誘導的抓撓行為，並通過抑制Nrf2-ARE和NF-κB訊號通路而具有抗炎和抗氧化作用。

在脂肪肝變性中有治療益處

一些大腸桿菌菌株具有較高的薑黃素轉化活性。E.coliDH10B的高表達NADPH依賴性薑黃素/二氫薑黃素還原酶（CurA）將薑黃素還原為二氫薑黃素（DHC）和四氫薑黃素（THC），其全基因組序列已經確定。

NADPH是一種輔酶，叫還原型輔酶Ⅱ，學名煙醯胺腺嘌呤二核苷酸，在很多生物體內的化學反應中起遞氫體的`作用，具有重要的意義。

二氫薑黃素和四氫薑黃素通過調節SREBP-1C和PPARα的mRNA和蛋白質表達水平來降低細胞中的甘油三酯水平，並以依賴性方式衰減肝臟脂肪生成;二氫薑黃素和四氫薑黃素在肝脂肪變性中比薑黃素具有新的治療益處。

水解肉桂酸後有抗氧化和抗癌特性

　　Nu,MC和WC-1具有肉桂醯酯酶活性，可通過水解共軛羥基肉桂酸和遊離羥基肉桂酸酯釋放羥肉桂酸，在體外和體內均顯示出抗氧化和抗癌特性。

目前，對大腸桿菌的遺傳和生化特徵的良好理解可能有助於在體外合成具有各種健康活性的天然產物衍生物。

雙歧桿菌

雙歧桿菌（Bifidobacterium）是屬於放線菌門的廣泛而豐富的屬，是人類腸道微生物群的首批定植者之一。人類腸道中最常見的雙歧桿菌包括青春期雙歧桿菌，latum,dum, B. breve, nulatum, ium, um, docatenulatum和dolongum，佔成人微生物組的10%，它們與宿主健康有關。

預防急性肝損傷

某些種類的雙歧桿菌可以通過表達阿魏醯酯酶產生酚酸。例如，動物雙歧桿菌的阿魏醯酯酶可以將綠原酸（CHA）水解成咖啡酸（CAA）。咖啡酸可以通過增加Nrf2轉錄來預防對乙醯氨基酚誘導的小鼠急性肝損傷。

調節膽汁酸和降低膽固醇

部分雙歧桿菌的參與促進了黃烷酮，糖苷和皁苷在腸道中的代謝。umR0175中的β-葡萄糖苷酶和去甲基化酶通過環裂解和脫甲基作用促進3-（3′-羥基苯基）丙酸和3-苯丙酸的產生。

　　umSBT2928水解六種主要的人類和兩種動物膽汁鹽。因此，雙歧桿菌可以調節膽汁酸代謝並降低體內膽固醇水平。

抗腫瘤和提高免疫

此外，eATCC 15700產生β-葡萄糖苷酶，在人蔘皁苷Rd的C-3和C-20位置裂解糖苷，生成脫糖基化的人蔘皁苷。

人蔘皁苷主要存在於人蔘和馬鈴薯藥材中

人蔘皁甙的作用和功能是抑制腫瘤細胞的生長，誘導腫瘤細胞死亡，研究腫瘤的活性功能，腫瘤的異常逆行分化，提高人體免疫功能。

這些天然產物具有潛在的益處，代謝特徵使雙歧桿菌成為共生髮展的主要候選者。

真桿菌

真桿菌（Eubacterium）菌株的屬是革蘭氏陽性菌，它是人類腸道微生物群的核心屬之一，並顯示出在人類腸道的廣泛定植。

一些真桿菌產生糖苷酶，還原酶等，並參與外源性物質的代謝。

抗炎抗氧化

　　E. ramulus是研究最廣泛的類黃酮降解腸道細菌之一，它在人體腸道中很普遍。廣泛存在於人體腸道中。來自E. ramulus的查爾酮異構酶和黃烷酮/黃烷醇裂解還原酶降解某些類黃酮產生查爾酮和二氫查爾酮。

二氫查爾酮及其代謝物具有抗炎和抗氧化作用，可以下調促炎細胞因子的分泌，並挽救脂多糖誘導的氧化磷酸化。

降解黃酮類化合物

研究了lusstrain wK1對槲皮素和木犀草素的降解，發現靜止細胞和酶製劑通過2，3位雙鍵的還原和隨後的環分裂將這些黃酮轉化為3，4-二羥基苯基乙酸和3-（3，4-二羥基苯基）丙酸。

來自lusstrain wK1的根皮素水解酶將鄰近根皮素芳香A環的C-C鍵水解為3-（4-羥基苯基）丙酸和間苯三酚。

　　ulosolvensATCC 43171T可通過釋放的葡萄糖部分的發酵促進類黃酮和葡萄糖苷的去糖基化。

注意：葡萄糖苷的去糖化僅由細菌酶催化。

預防氣道過敏性炎症

　　EubacteriumL-8將甘草酸（GL）水解為18β-甘草次酸（18β-GA）。18β-甘草次酸通過抑制NF-κB磷酸化和增強Nrf2/HO-1通路來預防氣道過敏性炎症。

NF-kB——核因子κB，參與細胞對外界刺激的響應，在細胞的炎症反應、免疫應答等過程中起到關鍵性作用

Nrf2/HO-1訊號通路已成為細胞抗氧化應激的主要防禦機制之一

這些代謝轉化體現從真桿菌中獲得的各種益處。然而，還需要進一步的體內研究，以最大限度地發揮真桿菌屬的潛在益處。

乳桿菌

乳酸菌屬（Lactobacillus）屬於厚壁菌門，可以平衡微生物群落並保護胃腸粘膜。一些乳桿菌屬富含代謝酶，如α-鼠李糖酶，單寧酶，沒食子酸酯脫羧酶等，它們轉化外源性物質。

抗炎、抗氧化作用

　　L. rhamnosusNCTC 10302具有β-葡糖苷酶和α-鼠李糖苷酶活性，通過水解，環裂變和脫氫將橙皮素7-O-葡萄糖苷和柚皮素-7-O-芸香糖苷轉化為各自的糖苷元和3-（苯基）丙酸。

　　L. plantarum表達單寧酶水解沒食子酸酯，具有短脂肪醇取代基的原兒茶酸酯和複雜的沒食子單寧以產生沒食子酸。沒食子酸通過抑制MAPK/NF-κB途徑並激活Akt/AMPK/ Nrf2途徑，在脂多糖誘導的炎症和氧化應激中起保護作用。

MAPK是訊號從細胞表面傳導到細胞核內部的重要傳遞者。

Akt，蛋白激酶B，又稱PKB或Rac，在細胞存活和凋亡中起重要作用。

預防代謝紊亂

觀察到，沒食子酸和鄰苯三酚是由tarumWCFS1中沒食子甘氨酸代謝酶降解沒食子甘肽而產生的。這項研究意味著益生元-益生菌相互作用在預防飲食誘導的代謝紊亂方面的潛在作用。

改善骨質疏鬆

具有大豆苷元還原酶活性的Lactobacillus sp.Niu-O16。二氫大豆苷元抑制NF-κB活化和MAPK磷酸化，從而改善骨質疏鬆症。

　　i,tarum和ophilus影響白藜蘆醇苷到白藜蘆醇的去糖基化。這種轉化對於提高白藜蘆醇苷的生物利用度和生物活性非常重要。來自eri,eticus和entum的阿魏醯酯酶水解綠原酸以釋放咖啡酸。

這些發現為乳桿菌在促進健康的製藥和食品應用中的作用開闢了新的視角。然而，潛在的轉化機制值得進一步研究。

擬桿菌

擬桿菌屬（Bacteroides）的成員是革蘭氏陰性專性厭氧菌，佔結腸中細菌總數的25%，在人類腸道細菌組中起著多種作用。在臨床中經常檢測到擬桿菌物種，例如脆弱擬桿菌，asonis,us和aiotaomicron。

抑制炎症反應

擬桿菌屬擁有一系列水解酶，並通過轉化外來物質參與與其微生物鄰居的物種間關聯。體外共孵育實驗表明，某些擬桿菌物種參與類黃酮的生物轉化。

　　Bacteroides sp.45表達α-L-鼠李糖苷酶和β-蘆丁糖苷酶，用於將蘆丁水解成槲皮素3-O-葡萄糖苷，槲皮素和白花青素。

槲皮素3-O-葡萄糖苷比其他形式的槲皮素吸收得更好，並且可以通過抑制NF-κB和MAPK訊號通路來抑制結腸炎小鼠的炎症反應。

　　Bacteroides sp. 54將槲皮苷代謝為羥基槲皮素和去甲基槲皮素。槲皮苷也被α-L-鼠李糖苷酶降解為槲皮素，並通過Bacteroides sp.45進行進一步的環裂解以產生3,4-二羥基苯甲酸。

β-葡萄糖醛酸酶由擬桿菌J-37表達，將甘草酸代謝為18β-甘草次酸。

天然產物在擬桿菌作用下進行生物轉化，產生具有不同功能活性的代謝物。瞭解人體內天然產物的整個過程以評估其對人體健康的影響是很重要的。

鏈球菌

鏈球菌屬（Streptococcus）是革蘭氏陽性菌，呈球形或卵形，通常成鏈排列或成對排列，廣泛存在於人類糞便和鼻咽中。

巨集轉錄組學分析表明，磷酸轉移酶系統主要由鏈球菌表達，這表明這些細菌是小腸中可用碳水化合物的主要利用者。

抗癌、抗過敏作用

　　StreptococcusLJ-22表達β-葡萄糖醛酸酶將甘草酸代謝為18β-甘草次酸-3-O-β-D-葡萄糖醛酸（GAMG）。GAMG對脂多糖誘導的RAW264.7細胞具有抗過敏活性。

甘草酸和甘草次酸均有一定的防癌和抗癌作用。甘草次酸可抑制原癌細胞的資訊傳遞和基因表達.甘草酸對多種惡性腫瘤均有抑制作用。甘草次酸還具有抗病毒感染的作用，對致癌性的病毒如肝炎病毒，EB病毒及艾滋病毒的感染均有抑制作用。

此外，單寧酸被Streptococcus gallolyticus olyticus（SGG）的單寧酶降解以產生鄰苯三酚。SGG可能通過消除單寧酸對腫瘤細胞的毒性來促進結直腸癌的發展。因此，有必要進行進一步的體內研究，以確定消除這些單寧酸降解微生物是否可以支援結直腸癌的有效治療。

降低血壓，抗氧化

　　mophilusGIM 1.321很高的β-葡萄糖苷酶生產能力，用於將果實花青素降解為綠原酸，咖啡酸和阿魏酸。

CAA和CHA（10/15毫克/千克/天）的施用可以降低血壓併發揮抗氧化作用。

鏈球菌菌株可能是腸道中的共生、致病和機會性病原體，需要更多關於其對人類健康影響的資訊。更好地瞭解鏈球菌如何代謝天然產物，可以調節腸道微生物組以提高治療效果。

經黏液真桿菌屬

經黏液真桿菌（Blautia）屬物種嚴格無氧，不可移動，通常為球形或橢圓形，廣泛存在於哺乳動物的腸道和糞便中。越來越多的證據表明，經黏液真桿菌的益生菌特性對天然產物的生物轉化有影響。

影響生物轉化

在類黃酮生物轉化過程中，Blautia催化的反應包括去甲基化，去糖基化以及環裂解，其可能被相應的酶催化，例如O-糖苷酶和β-葡萄糖苷酶。

研究表明，Blautia sp. MRG-PMF1菌株分別將5，7-二甲氧基黃酮和5，7，4-三甲氧基黃酮轉化為生物活性白楊素和芹菜素，對芳基甲基醚官能團具有水解能力。Blautia sp. MRG-PMF1還具有去糖基化活性，並且發現各種異黃酮，黃酮和黃酮被代謝成相應的糖苷元。

去甲基產物具有抗炎、抗癌、抗氧化能力

　　Blautiasp. MRG-PMF1在菌株進一步代謝具有雌激素作用的去甲基香菜素。該菌株還可以催化薑黃素以產生具有抗炎和抗癌特性的去甲氧基薑黃素。

此外，Blautia sp.AUH-JLD56能夠單獨生物轉化牛蒡子苷或牛蒡子苷元，製成具有更好抗氧化能力的去甲基化產物。

最近，關於Blautia對草本植物和功能性食品的生物轉化和代謝研究越來越多。探索Blautia的生物轉化對於開發新的酶和生物活性代謝物具有重要意義。

02、天然產物的微生物代謝

複雜的微生物酶催化腸道中天然產物的代謝，產生有利於宿主利用/排洩的親脂性和低分子量代謝物。與人類遺傳學不同，腸道微生物組的特徵是可改變的，使其成為優化治療的潛在治療靶點。

口服天然產品進入消化道後，首先會接觸大量腸道微生物及其產生的活性酶。因此，天然產物的腸道生物轉化可能發生在通過肝臟的第一次傳遞效應之前，也可以被運輸到肝臟進行修飾/結合，然後排洩到腸道，與腸道微生物反應形成一系列代謝產物。

因此，與健康或疾病相關的特定菌株、特定代謝途徑和特定酶的組合對於確定腸道微生物對宿主的影響非常重要。

水解

水解提高生物活性和生物利用度

某些天然產物具有高分子量和低脂溶性，並且它們難以在腸道中被人體吸收並且具有低生物利用度。通過腸道微生物介導的水解，它們的物理性質發生了變化，它們的生物活性和生物利用度大大提高。

大多數糖苷具有低活性，被認為是“天然前體藥物”。在與腸道微生物相互作用後，糖苷的糖基被去除，然後，糖苷部分被腸細胞吸收以發揮生理作用。水解反應是進一步轉化所必需的，產物（例如糖）參與促進腸道微生物的生長和存活。

腸道微生物對天然產物的水解反應