综述：聚羟基丁酸酯（PHB）作为酮生物素在食品科学中的应用与挑战

PHB作为新型酮类前体物质，通过微生物分解持续释放3-HB调节肠菌-免疫-代谢轴，突破传统益生元局限。本文系统综述PHB的合成工艺、绿色提取技术、理化特性及改性方法，阐明其作为功能性食品添加剂在维持肠道菌群平衡、诱导调节性T细胞分化等方面的机制，并探讨工业化应用中成本控制、安全阈值及临床验证等关键挑战，提出构建精准干预模型和菌群-酮体互作图谱的未来方向。

双高|嘉颖欣|孙丽瑞|谢金辉|董伟琪|高通

哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室，中国哈尔滨，150076

摘要

聚羟基丁酸酯（PHB）作为聚羟基烷酸酯（PHA）家族的代表性成员，由于其可生物降解性和生物相容性，一直被认为是一种环保的生物材料。近年来，关于肠道微生物群的研究揭示了它独特的“酮体供体”特性——通过在肠道中缓慢释放3-羟基丁酸（3-HB），它能够精确调节微生物群与宿主之间的共生关系，从而超越了传统益生元的范畴，成为“酮体供体益生元”（即“酮生物素”）的核心载体。本文系统综述了PHB的微生物合成、绿色提取与纯化工艺、物理化学性质及改性技术，并深入探讨了酮体供体介导的益生菌机制——即“微生物群-免疫-代谢”的协同调节作用。同时，总结了PHB在食品相关领域的最新研究进展、潜在应用及其作为功能食品中酮生物素的当前挑战。最后，讨论了“酮生物素精准干预方案”和“构建人体肠道酮体供体-微生物群相互作用图谱”等未来发展方向。希望本文能为PHB从实验室走向食品工业提供启示，并推动酮体供体益生元作为生物制造与人类健康之间的战略桥梁的发展。

引言

在“后抗生素时代”，随着慢性代谢疾病的高发，肠道菌群失调与炎症性肠病（IBD）和结直肠癌（CRC）等慢性疾病的发病机制密切相关（Cui等人，2025；Islam等人，2022；Jackson和Theiss，2019）。因此，通过饮食干预调节肠道微生态已成为一个研究前沿领域。尽管传统益生元（如寡半乳糖、寡果糖、菊粉）可以促进共生有益菌的增殖，但它们存在单靶点作用、在上消化道快速降解以及个体间反应差异较大的局限性（Chengxiao等人，2021；Cheng等人，2022；Schropp等人，2023）。Satoh（2023）提出通过聚羟基丁酸酯（PHB）将3-羟基丁酸（3-HB）输送到肠道以改善肠道健康，这种方法不同于传统的益生元策略，为克服现有局限提供了新的途径。

PHB是在碳过剩而氮/磷有限的条件下由微生物合成的。PHB单体的化学结构与人体内源性酮体3-HB一致，这一特性赋予了它双重功能：（1）PHB的聚酯结构使其可用作食品添加剂，如表面活性剂、乳化剂、增稠剂等；（2）作为酮生物素，肠道微生物产生的胞外PHB降解酶可将其水解为3-HB。与传统仅通过短链脂肪酸（SCFA）发酵起作用的益生元不同，3-HB的持续释放不仅能够靶向并激活产生丁酸的细菌（如Clostridium和Roseburia），还能作为信号分子调节宿主免疫，例如诱导调节性T细胞（Treg）的分化（Satoh，2023）。

然而，目前关于PHB作为酮化合物的研究仍存在显著“转化差距”。动物实验（特别是使用大鼠结肠炎模型）表明，PHB可以显著增加肠道中Firmicutes的数量，同时显著减少Proteobacteria的比例（Fernández等人，2022）。尽管PHB在食品工业中广泛应用，尤其是在食品包装材料中，但关于其在高温下的稳定性以及作为生酮剂的有效摄入量的数据仍然有限。此外，PHB诱导Treg激活的分子机制（如SCFAs与Treg分化之间的定量关系）尚未通过人体临床试验得到验证。

本综述总结了PHB整个价值链的研究进展，涵盖了从上游生产到下游应用的所有阶段。与以往主要关注其在农业、医学、环境和包装等领域应用的研究不同，本文首次系统探讨了PHB作为人类功能性食品添加剂的潜在应用，并阐明了在将理论愿景转化为实际食品工业化过程中遇到的挑战，强调了临床验证、发酵动力学分析、安全阈值、包封工程和有效性验证框架的重要性。通过全面分析和前瞻性见解，本文旨在为新一代基于PHB的功能性食品的开发提供实用的科学路线图和监管指导。

方法论

本综述遵循了系统的文献搜索和评估流程，采用多数据库检索策略，涵盖了Web of Science、PubMed、Scopus、Google Scholar和中国国家知识基础设施（CNKI），使用了包括“polyhydroxybutyrate” OR “PHB” OR “poly(3-hydroxybutyrate”)、“microbial synthesis” OR “biosynthesis” OR “fermentation”、“extraction” OR “purification”、“physicochemical properties” OR “modification”等关键词的布尔组合。

PHB的基本性质：合成、纯化及其作为酮体供体益生元的适应性

PHB作为酮生物素的核心潜力与其生物合成途径、纯化过程和物理化学性质密切相关。高效的生物合成和绿色提取工艺决定了产品的经济可行性和安全性；而3-HB的可控释放特性则决定了其益生元功能的有效性。

PHB的益生菌机制：酮体供体介导的“微生物群-免疫-代谢”轴的协同调节

与传统益生元不同，PHB通过作为独特的酮体供体发挥作用。它通过控制3-HB的释放触发一系列过程，包括微生物酶促水解、代谢转化和免疫调节。这一机制涉及PHB降解菌的初始水解、产生丁酸的细菌的代谢传递以及Tregs的免疫调节，有效恢复了微生物平衡并提供了疾病防护（Gnaim等人）。

PHB在食品及相关领域的应用：现状、潜力与挑战

长期以来，PHB因其作为可持续生物聚合物的潜力而被认为是环保包装材料的理想选择，有望替代石油衍生的塑料。然而，新的研究证据表明，其多功能性和生物安全性远超包装应用领域，为食品加工、动物营养和功能性食品的开发开辟了广阔前景。

将PHB转化为酮体供体益生元的挑战

• (1)
  高生产成本仍是大规模工业应用的主要瓶颈。PHB的生产成本远高于传统石化聚合物（Park等人，2024），主要原因是原料、提取和纯化成本较高。虽然已采用低成本的替代品如木质纤维素、C1气体和工业废弃物，但仍存在挑战。

结论

PHB的研究已从生物材料应用扩展到作为酮体供体益生元的角色。与传统益生元和现有的酮体补充方法相比，PHB具有明显的竞争优势。传统益生元（如菊粉）主要依赖微生物发酵产生SCFAs，常因近端结肠过度发酵导致胃肠道不适（如腹胀）。此外，传统的外源性酮体

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了2023年哈尔滨市科学技术研究基金项目（2023ZCZJCG001）的支持。