玉米是全球最重要的作物之一，但其大規(guī)模生產(chǎn)也帶來了顯著的環(huán)境成本。因此，最大化利用食品加工副產(chǎn)物，例如淀粉加工中產(chǎn)生的玉米胚芽粕，作為可持續(xù)的飼料補(bǔ)充劑，對于減少糧食與飼料間的競爭、提升資源效率至關(guān)重要。然而，這些副產(chǎn)物對腸道微生物代謝及宿主健康的影響尚不明確。本研究旨在利用體外豬糞便培養(yǎng)系統(tǒng)，探究玉米胚芽粕發(fā)酵如何影響微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝產(chǎn)物譜，重點(diǎn)關(guān)注色氨酸代謝的動態(tài)變化及其與宿主免疫的相互作用。

本研究從四個不同的商業(yè)化養(yǎng)豬場（A-D）采集健康豬只的糞便樣本。使用豬結(jié)腸培養(yǎng)基（SCM）建立體外發(fā)酵模型，實(shí)驗(yàn)組補(bǔ)充5% (w/v) 的玉米胚芽粕，對照組則不添加。培養(yǎng)在厭氧條件下于37°C進(jìn)行50小時。通過16S rRNA基因測序分析微生物群落組成，并利用毛細(xì)管電泳-飛行時間質(zhì)譜（CE-TOF-MS）進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析。此外，使用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）對特定的芳香族氨基酸及其衍生物（如色氨酸、吲哚、IA、IPA、ILA）進(jìn)行靶向定量。為了驗(yàn)證微生物代謝物的生物學(xué)功能，研究使用豬腸道上皮細(xì)胞（SIECs）進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，通過qPCR檢測芳烴受體（AhR）下游靶基因^CYP1A1的表達(dá)，并評估這些代謝物對脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)（TNFα, IL8）的調(diào)節(jié)作用。同時，通過共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究Prevotella copri和大腸桿菌在玉米胚芽粕存在下的代謝互作，特別是對吲哚生成的調(diào)控機(jī)制。相關(guān)基因表達(dá)（如大腸桿菌的tnaA）也通過RT-qPCR進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分析使用GraphPad Prism等軟件，采用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（如t檢驗(yàn)、ANOVA）。

補(bǔ)充玉米胚芽粕顯著改變了體外發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。α多樣性（如Observed ASVs, Shannon指數(shù)）在添加玉米胚芽粕后顯著增加。在科水平上，玉米胚芽粕顯著富集了Lactobacillaceae, Prevotellaceae, Selenomonadaceae, Atopobiaceae和Bifidobacteriaceae，其中Prevotellaceae的相對豐度增加最為顯著。相反，Veillonellaceae, Acidaminococcaceae和Lachnospiraceae的豐度則顯著降低。

代謝組學(xué)分析檢測到280種化合物，其中61種在補(bǔ)充玉米胚芽粕后顯著增加，35種顯著減少。KEGG通路富集分析顯示，變化最顯著的代謝物涉及氨基酸代謝，尤其是芳香族氨基酸（AAA）。具體而言，色氨酸（Trp）及其下游代謝物，如吲哚乳酸（ILA）、吲哚丙烯酸（IA）和吲哚丙酸（IPA）的水平顯著升高。苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr）的代謝物如苯乳酸（PLA）和苯丙酸（PPA）也有所增加，但4-羥基苯乳酸和4-羥基苯丙酸水平下降。短鏈脂肪酸（SCFAs）的變化相對溫和，僅乙酸鹽顯著增加，丁酸鹽減少。

基于代謝組學(xué)結(jié)果，研究假設(shè)這些增加的微生物代謝物可能激活宿主AhR信號通路。使用豬腸道上皮細(xì)胞（SIECs）進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，IA、IPA和ILA（100 μmol/L）處理能顯著誘導(dǎo)AhR經(jīng)典靶基因^CYP1A1的表達(dá)，而其他代謝物如犬尿喹啉酸（KyA）則無此效果。使用AhR拮抗劑CH-223191預(yù)處理后，IA、IPA和ILA對^CYP1A1的誘導(dǎo)作用被顯著抑制，證實(shí)了其作用是通過AhR介導(dǎo)的。此外，在LPS誘導(dǎo)的炎癥模型中，預(yù)先用IA、IPA或ILA處理SIECs，能夠下調(diào)LPS引起的促炎因子TNFα和趨化因子IL8的基因表達(dá)，提示這些代謝物具有抗炎潛力。

研究進(jìn)一步評估了玉米胚芽粕補(bǔ)充在不同農(nóng)場來源樣本中的一致性。雖然來自四個農(nóng)場的原始糞便樣本微生物組成存在差異，但補(bǔ)充玉米胚芽粕均導(dǎo)致了微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著改變，且農(nóng)場間的差異大于處理組內(nèi)的差異。值得注意的是，Prevotellaceae在所有農(nóng)場的樣本中均表現(xiàn)出對玉米胚芽粕補(bǔ)充的一致響應(yīng)，其相對豐度均有增加趨勢。然而，關(guān)鍵AhR配體（IA, IPA, ILA）的產(chǎn)生存在顯著的農(nóng)場間差異。僅在農(nóng)場A的發(fā)酵液中，IA和IPA的濃度超過了100 μmol/L（達(dá)到體外實(shí)驗(yàn)顯示有生物活性的濃度），而在其他農(nóng)場（B-D）的樣本中，這些代謝物濃度極低或檢測不到。

為了探究不同農(nóng)場間色氨酸代謝差異的機(jī)制，研究測定了發(fā)酵液中的色氨酸濃度。農(nóng)場A的樣品中色氨酸濃度最高，且與Prevotella豐度的增加相一致。吲哚（由大腸桿菌等細(xì)菌通過色氨酸酶TnaA分解色氨酸產(chǎn)生）的濃度在農(nóng)場A和D的玉米胚芽粕處理組中顯著降低。高效液相色譜（HPLC）分析顯示，玉米胚芽粕處理組的培養(yǎng)上清中高分子量多糖（DP > 9）減少，表明微生物對復(fù)雜碳水化合物的降解增強(qiáng)。

通過Prevotella copri與Escherichia coli的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述機(jī)制。當(dāng)兩者在含有玉米胚芽粕的SCM中共培養(yǎng)時，與單獨(dú)培養(yǎng)E. coli或僅有玉米胚芽粕的條件相比，吲哚產(chǎn)量顯著降低，而色氨酸得以保留。RT-qPCR分析顯示，共培養(yǎng)條件下E. coli的tnaA基因表達(dá)下調(diào)。HPLC分析證實(shí)，共培養(yǎng)體系中高分子量多糖的降解更為明顯，而低分子量碳水化合物積累更多。這表明P. copri對玉米胚芽粕中纖維的降解，產(chǎn)生了可供E. coli利用的單糖，通過分解代謝物阻遏作用抑制了tnaA表達(dá)和吲哚生成，從而將色氨酸代謝導(dǎo)向產(chǎn)生其他生物活性衍生物（如IA, IPA, ILA）的途徑。

作為對照，補(bǔ)充純化淀粉的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了截然不同的微生物群落（多樣性下降，Prevotellaceae未富集）和代謝譜（色氨酸衍生物水平低），盡管吲哚生成同樣被抑制，這突出了玉米胚芽粕復(fù)雜纖維成分在塑造微生物組功能和代謝輸出方面的特異性。

最后，對82頭斷奶后仔豬糞便的靶向分析發(fā)現(xiàn)，色氨酸濃度在高體重組有升高趨勢，而吲哚濃度與體重?zé)o顯著關(guān)聯(lián)。這表明減少吲哚生成、增加色氨酸可利用性可能有助于改善生產(chǎn)性能。

本研究表明，玉米胚芽粕作為一種富含纖維的飼料副產(chǎn)物，能夠顯著重塑豬腸道微生物群落，促進(jìn)以Prevotella為代表的纖維降解菌的增殖。這種微生物群落的改變驅(qū)動了色氨酸代謝途徑的轉(zhuǎn)變，即抑制了由大腸桿菌主導(dǎo)的吲哚生成通路，轉(zhuǎn)而促進(jìn)生成IA、IPA和ILA等AhR配體。這些微生物源性代謝物在體外被證實(shí)能夠激活豬腸道上皮細(xì)胞的AhR信號通路并發(fā)揮抗炎作用。然而，這種代謝轉(zhuǎn)化效應(yīng)受到農(nóng)場特異性原始微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著調(diào)節(jié)，強(qiáng)調(diào)了初始菌群組成對膳食干預(yù)效果的影響。該研究從微生物代謝互作的角度，為玉米加工副產(chǎn)物的高值化利用提供了新的機(jī)制見解，表明通過定向調(diào)節(jié)腸道菌群，可以將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)具有免疫調(diào)節(jié)功能生物活性物質(zhì)的平臺，從而為開發(fā)促進(jìn)動物腸道健康和生長性能的功能性飼料、推動畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的 preclinical evidence 和理論依據(jù)。