背景
玉米是全球最重要的作物之一，但其大规模生产也带来了显著的环境成本。因此，最大化利用食品加工副产物，例如淀粉加工中产生的玉米胚芽粕，作为可持续的饲料补充剂，对于减少粮食与饲料间的竞争、提升资源效率至关重要。然而，这些副产物对肠道微生物代谢及宿主健康的影响尚不明确。本研究旨在利用体外猪粪便培养系统，探究玉米胚芽粕发酵如何影响微生物群落结构和代谢产物谱，重点关注色氨酸代谢的动态变化及其与宿主免疫的相互作用。
方法
本研究从四个不同的商业化养猪场（A-D）采集健康猪只的粪便样本。使用猪结肠培养基（SCM）建立体外发酵模型，实验组补充5% (w/v) 的玉米胚芽粕，对照组则不添加。培养在厌氧条件下于37°C进行50小时。通过16S rRNA基因测序分析微生物群落组成，并利用毛细管电泳-飞行时间质谱（CE-TOF-MS）进行非靶向代谢组学分析。此外，使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对特定的芳香族氨基酸及其衍生物（如色氨酸、吲哚、IA、IPA、ILA）进行靶向定量。为了验证微生物代谢物的生物学功能，研究使用猪肠道上皮细胞（SIECs）进行体外实验，通过qPCR检测芳烃受体（AhR）下游靶基因CYP1A1的表达，并评估这些代谢物对脂多糖（LPS）诱导的炎症反应（TNFα, IL8）的调节作用。同时，通过共培养实验探究Prevotella copri和大肠杆菌在玉米胚芽粕存在下的代谢互作，特别是对吲哚生成的调控机制。相关基因表达（如大肠杆菌的tnaA）也通过RT-qPCR进行验证。数据分析使用GraphPad Prism等软件，采用适当的统计检验（如t检验、ANOVA）。
结果
玉米胚芽粕对微生物组成和代谢谱的影响
补充玉米胚芽粕显著改变了体外发酵系统中的微生物群落结构。α多样性（如Observed ASVs, Shannon指数）在添加玉米胚芽粕后显著增加。在科水平上，玉米胚芽粕显著富集了Lactobacillaceae, Prevotellaceae, Selenomonadaceae, Atopobiaceae和Bifidobacteriaceae，其中Prevotellaceae的相对丰度增加最为显著。相反，Veillonellaceae, Acidaminococcaceae和Lachnospiraceae的丰度则显著降低。
代谢组学分析检测到280种化合物，其中61种在补充玉米胚芽粕后显著增加，35种显著减少。KEGG通路富集分析显示，变化最显著的代谢物涉及氨基酸代谢，尤其是芳香族氨基酸（AAA）。具体而言，色氨酸（Trp）及其下游代谢物，如吲哚乳酸（ILA）、吲哚丙烯酸（IA）和吲哚丙酸（IPA）的水平显著升高。苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr）的代谢物如苯乳酸（PLA）和苯丙酸（PPA）也有所增加，但4-羟基苯乳酸和4-羟基苯丙酸水平下降。短链脂肪酸（SCFAs）的变化相对温和，仅乙酸盐显著增加，丁酸盐减少。
玉米胚芽粕衍生的微生物代谢物激活AhR
基于代谢组学结果，研究假设这些增加的微生物代谢物可能激活宿主AhR信号通路。使用猪肠道上皮细胞（SIECs）进行验证发现，IA、IPA和ILA（100 µmol/L）处理能显著诱导AhR经典靶基因CYP1A1的表达，而其他代谢物如犬尿喹啉酸（KyA）则无此效果。使用AhR拮抗剂CH-223191预处理后，IA、IPA和ILA对CYP1A1的诱导作用被显著抑制，证实了其作用是通过AhR介导的。此外，在LPS诱导的炎症模型中，预先用IA、IPA或ILA处理SIECs，能够下调LPS引起的促炎因子TNFα和趋化因子IL8的基因表达，提示这些代谢物具有抗炎潜力。
玉米胚芽粕补充对不同农场猪只粪便微生物和代谢谱的影响
研究进一步评估了玉米胚芽粕补充在不同农场来源样本中的一致性。虽然来自四个农场的原始粪便样本微生物组成存在差异，但补充玉米胚芽粕均导致了微生物群落结构的显著改变，且农场间的差异大于处理组内的差异。值得注意的是，Prevotellaceae在所有农场的样本中均表现出对玉米胚芽粕补充的一致响应，其相对丰度均有增加趋势。然而，关键AhR配体（IA, IPA, ILA）的产生存在显著的农场间差异。仅在农场A的发酵液中，IA和IPA的浓度超过了100 µmol/L（达到体外实验显示有生物活性的浓度），而在其他农场（B-D）的样本中，这些代谢物浓度极低或检测不到。
玉米胚芽粕通过Prevotella驱动的纤维降解调控吲哚和色氨酸代谢
为了探究不同农场间色氨酸代谢差异的机制，研究测定了发酵液中的色氨酸浓度。农场A的样品中色氨酸浓度最高，且与Prevotella丰度的增加相一致。吲哚（由大肠杆菌等细菌通过色氨酸酶TnaA分解色氨酸产生）的浓度在农场A和D的玉米胚芽粕处理组中显著降低。高效液相色谱（HPLC）分析显示，玉米胚芽粕处理组的培养上清中高分子量多糖（DP > 9）减少，表明微生物对复杂碳水化合物的降解增强。
通过Prevotella copri与Escherichia coli的共培养实验进一步验证了上述机制。当两者在含有玉米胚芽粕的SCM中共培养时，与单独培养E. coli或仅有玉米胚芽粕的条件相比，吲哚产量显著降低，而色氨酸得以保留。RT-qPCR分析显示，共培养条件下E. coli的tnaA基因表达下调。HPLC分析证实，共培养体系中高分子量多糖的降解更为明显，而低分子量碳水化合物积累更多。这表明P. copri对玉米胚芽粕中纤维的降解，产生了可供E. coli利用的单糖，通过分解代谢物阻遏作用抑制了tnaA表达和吲哚生成，从而将色氨酸代谢导向产生其他生物活性衍生物（如IA, IPA, ILA）的途径。
作为对照，补充纯化淀粉的实验产生了截然不同的微生物群落（多样性下降，Prevotellaceae未富集）和代谢谱（色氨酸衍生物水平低），尽管吲哚生成同样被抑制，这突出了玉米胚芽粕复杂纤维成分在塑造微生物组功能和代谢输出方面的特异性。
最后，对82头断奶后仔猪粪便的靶向分析发现，色氨酸浓度在高体重组有升高趋势，而吲哚浓度与体重无显著关联。这表明减少吲哚生成、增加色氨酸可利用性可能有助于改善生产性能。
结论
本研究表明，玉米胚芽粕作为一种富含纤维的饲料副产物，能够显著重塑猪肠道微生物群落，促进以Prevotella为代表的纤维降解菌的增殖。这种微生物群落的改变驱动了色氨酸代谢途径的转变，即抑制了由大肠杆菌主导的吲哚生成通路，转而促进生成IA、IPA和ILA等AhR配体。这些微生物源性代谢物在体外被证实能够激活猪肠道上皮细胞的AhR信号通路并发挥抗炎作用。然而，这种代谢转化效应受到农场特异性原始微生物群落结构的显著调节，强调了初始菌群组成对膳食干预效果的影响。该研究从微生物代谢互作的角度，为玉米加工副产物的高值化利用提供了新的机制见解，表明通过定向调节肠道菌群，可以将其转化为生产具有免疫调节功能生物活性物质的平台，从而为开发促进动物肠道健康和生长性能的功能性饲料、推动畜牧业可持续发展提供了重要的 preclinical evidence 和理论依据。
