我们每天会吃下去很多像纤维素这样难以消化的多糖，它们在穿过小肠的过程中可能会产生13升易燃的氢气，这可是很危险的。幸好，实际上我们放出来的只是 屁 而已，相比于暴露在空气中的可燃气体，屁味虽然让人觉得不那么愉悦，但是造成的麻烦好像小了很多。为什么这些氢气最后都变成屁了呢?而且据说屁还能被科学家和大夫用来诊断疾病，这又是怎么实现的呢? 我们肯定不可能产生那么多氢气，要不然我们不早就飘走了？所以氢气是怎么变成屁的？ 还好我们每个人的肠道里都有那么一些细菌可以消耗掉氢气。 Biomedical Imaging Unit， Southampton GeneralHospital/Science Photo Library 我们的结肠中大概生活着两千克的微生物，它们每天会消耗大约40克多糖。结肠中的细菌可以将每克碳水化合物转化为三分之一升氢气，这样算来每天就大约会产生13升。但肠道中的微生物可是很擅长把消化时产生的物质转化为其他物质的，而厚壁菌门细菌（Firmicutes）所产生的氢气也可以成为其他细菌的原料。比如，有的细菌会使硫离子和氢气反应产生硫化氢，这种气体不仅有一定毒性和臭鸡蛋的味道，本身还十分易燃。古生菌（Archaea）可以让四分子氢气和一分子二氧化碳反应生成一分子甲烷和两分子水，从而降低可燃性。 所以在经过这一系列的化学变化后，屁里都含有哪些化学物质？各自的量又是多少？ 从肠道排出的气体其实大部分都是无味的，大约四分之一只是单纯的氧气和氮气，另外四分之三是肠道菌群产生的二氧化碳、氢气和甲烷。当然，你也闻到过，人和人屁味道的差别还是挺大的，想必成分也有所不同，美国明尼阿波利斯退伍军人事务医疗中心的胃肠病学家Michael LevittIn就发现，只有三分之一的人肠道中有能产生甲烷的细菌。从上世纪70年代开始，Levitt就在开展关于肠道气体组成的研究，有时还会将导管插入患者的直肠收集他们的屁。他也亲自尝试过这个装置，并坦言“这确实会让人菊花一紧——不仅对患者而言，对在患者身上使用这一装置的研究者也会这样”。 1998 年，Levitt的团队通过直肠插管对6名健康女性和10名健康男性在4个小时内产生的屁的组成进行了详尽的研究。研究对象的总产气量范围在106ml到1657ml之间，其中最多的人大约能产生500ml氢气，但是只有4人的屁中含有甲烷。Levitt团队的测量结果还发现，产生气味的成分并不会消耗太多的氢：硫化氢，甲硫醇这种闻起来像是烂白菜的成分，以及有大蒜气味的二甲硫醚，总共加起来平均只占屁中的50ppm。 我们每天会放多少屁？ 4 小时内，16名研究对象放屁次数在3到9次之间，每次约有100ml。这个频率与1998年澳大利亚新南威尔士大学Rosemary Stanton和 Terry Bolin二人对健康人所做的研究相符。Stanton解释说，他们之所以要研究放屁，是因为有些人认为膳食纤维使胀气增多是消化不良的表现，从而避免食用。他们对60名男性和60名女性进行调查，让他们记录每天的放屁次数和食物摄取。结果表明，男性每天会放屁2到53次，平均12.7次，女性每天1到32次，平均7.1次，放屁的次数会随着纤维的摄入量增多。研究表明放屁是十分普遍的，Stanton说：“希望打算摄取更多膳食纤维的人对此做好准备。” 屁只在肠子里产生，那它和我们的健康能有什么关系? 有证据表明，肠道细菌的失衡与肠易激综合征（IBS）等疾病会造成屁中氢气和甲烷含量的变化，来自英国西英格兰大学的Ben deLacy Costello说。甲烷气体可能导致便秘，因为它们似乎会抑制肠蠕动。同样，硫化氢也会抑制肌肉收缩，这可能与肠壁损伤、炎症性肠病（IBD）和结肠癌有关。然而，气体测试的可靠性也存在一些问题，比如无法从中得知为什么人的肠道中会产生这么多的氢气和甲烷。而且Levitt也表示，他也不相信甲烷会与肠易激有关。 Costello 分析粪便挥发气体的装置（一张有气味的图片） Ben De Lacy Costello / ref 6 因此，De Lacy Costell和他的同事们不再直接研究屁中的气体成分，转而去调查粪便挥发出的低浓度化合物。起初，他们在容器中把粪便和培养基混合起来以模仿大肠环境，然后通过塑料管道吸出或是泵出容器内上方空气，并通过气相色谱-质谱联用分析其中成分。研究人员在其中发现了297种化合物，包括挥发性的硫化物，以及吲哚、粪臭素等和粪便气味有关的分子。不过，他们也发现了很多好闻的物质，比如α-和β-蒎烯、柠檬烯等。通过这些化合物含量的不同，或许就能区分出健康人和患有溃疡性结肠炎，或因艰难梭状芽胞杆菌和空肠弯曲菌感染而腹泻的人。 所以蒎烯和柠檬烯的存在会使粪便有松树和柠檬的气味么？ 也许吧，但这些化合物的含量都很低，而引起臭味的吲哚，粪臭素和硫化物还是占主导地位的，De Lacy Costello说。 科学家们研究屁和粪便中的物质到底有什么用? 在2014年发表的一项研究中，他们用更简单也更便宜的金属氧化物半导体探测器代替了质谱仪，这使得整个系统都更加小型化。“如果可以设计一个仅根据挥发出来的气体就能分析样品化合物组成模式的仪器，那么在无需明确知晓具体物质的条件下就可以检测疾病。”De Lacy Costello说。到目前为止，该系统通过粪便区别IBS患者与IBD患者的准确率可以达到76%。DeLacy Costello的团队也开发了一种“电子鼻”，尝试以此作为疾病早期预警与结肠癌筛查的工具。 所以之后有可能通过验屁直接诊断疾病么？ “ 在未来，我们很有可能通过直接监测粪便、皮屑、呼气这些身体的排出物就能诊断出某些疾病，”De Lacy Costello说，“这肯定是全世界科学家追求的目标。”不过，Levitt认为，只有像他自己所做的那样采用直肠插管来直接采集捕捉屁，用屁做检测才能成为，否则等屁放出来，被空气的稀释以后会让微量成分的检测变得十分不可控。所以，这个想法可能没办法实际应用。 豆子真的会让人放更多的屁吗？ 2011 年，三个不同的实验都表明，参与者在开始吃菜豆或是烤豆的那天放的屁都会比往常更多。但是随着时间推移，受试者身体渐渐就适应了豆子的摄入，几周后，放屁的频率就会下降到正常水平，Levitt也亲身经历过这种影响。“关于豆子的个体差异和时间差异十分有趣，我对此也不是十分了解。”他说，“但是当我一旦给别人吃豆子，他们肠道的产气量无疑要比吃其他的碳水化合物时多很多。” 有什么好的方法可以控制放屁吗？ “ 不要憋得太久，这可能会让易感人群感到疼痛甚至得上IBS，”Stanton说，“避免使用膳食纤维可能会减少屁的产生，但是膳食纤维在很多方面都非常重要，比如降低患结肠癌、痔疮，以及憩室病的风险等。燕麦和许多水果中的可溶性纤维可以促进肠道中“好”细菌的增长，这些细菌可以产生短链的脂肪酸，由肠道吸收后可以降低胆固醇和血糖水平，减小结肠癌患病几率。”Levitt还尝试过让受试者在持续一周的时间里每天吃四次活性炭，结果表明吃活性炭对控制屁的气味和量没有任何作用。因此，如果你想少放屁，除了不吃膳食纤维这个不推荐的方法外，唯一的选择可能就是“别吞下太多的空气”。所以，只要屁不会造成你生理上的疼痛，你和你身边的人都应该学会宽容一些。 参考文献 1 A Strocchi and M D Levitt ，Gastroenterol，1992，102，846，（DOI： 10.1016/0016-5085（92）90790-6） 2 J Z Ou et al ，Trends Biotechnol，2015，33，208（DOI：10.1016/j.tibtech.2015.02.002） 3 A Strocchi and M D Levitt ，J Clin. Invest，1992，89，1304，（DOI：10.1016/0016-5085（92）90790-6） 4 F L Suarez et al ，Am J Physiol，1997，272，G1028 5 T D Bolin and R A Stanton ，Eur J Surg，1998，164，115（DOI：10.1080/11024159850191553） 6 C E Garner et al FASEB J ，2007，21，1675 （DOI：10.1096/fj.06-6927com） 7 S F Shepherd et al J Breath Res ，2014，8，026001（DOI：10.1088/1752-7155/8/2/026001） 8 D M Winham and A M Hutchins Nutr J. 2011 ，10，128（DOI：10.1186/1475-2891-10-128） 9 F L Suarez et al ，Am J Gastroenterol，1999，94，208（DOI：10.1111/j. 1572-0241.1999.00798.x） 原文链接 ：https：//www.chemistryworld.com/feature/explainer-the-chemistry-of -farts/2500168.article 来源：环球科学ScientificAmeric
学过生物化学的人都知道，草木（如秸秆）的化学组成是纤维素，粮食（如大米）的化学组成是淀粉。纤维素与淀粉在结构上类似，都是D-葡萄糖的聚合体，只不过纤维素含β-糖苷键，而淀粉含α-糖苷键，但两者的用途却有天壤之别：富含纤维素的青草只能作饲料喂养牲畜，而人可以把以淀粉为主要成分的大米、麦子、红薯当饭吃！ 据估计，到2050年，世界人口将达到90亿！如何解决全球人口的吃饭问题是一项巨大挑战。假如有谁能将草木“变成”粮食，那么人类从此就不会挨饿了！这在过去也许是一个遥不可及的梦想，可是现在真的有人能够做到了。美国佛吉尼亚理工学院的华裔学者Zhang Y-H团队在《美国科学院院刊》上在线发表论文，报道了他们成功地将纤维素转化成淀粉的最新研究结果。 从纤维素到淀粉的转化是由来自细菌、真菌和植物的4种酶共同催化完成的，它们是内切葡聚糖酶（endoglucanase）、纤维二糖水解酶（cellobiohydrolyase）、纤维二糖磷酸化酶（cellobiose phosphorylase）、α-葡聚糖磷酸化酶（alpha-glucan phosphorylase）。由玉米秸秆中的纤维素转化为淀粉的产率达到30%，其余的纤维素则被水解为游离的葡萄糖。 有趣的是，由此获得的直链淀粉对淀粉酶的水解作用有抗性，也就是在消化过程中并不会完全水解成葡萄糖。因此，它既能像淀粉那样让人充饥，又类似纤维素有清肠功效，有助于大幅度降低肥胖及糖尿病的发病率。 上述生产过程易于实现规模化和产业化，而且节能环保，造价低廉，既不需要购置昂贵的设备，也不需要加热和添加化学试剂，用纳米磁珠结合的固定化酶可以反复使用。由此获得的直链淀粉不仅可以用来生产食品（可提供20%-40%热量），还可以制造生物降解性食品包装材料，并能作为氢能的贮存库。 原文链接： C. You, H. Chen, S. Myung, N. Sathitsuksanoh, H. Ma, X.-Z. Zhang, J. Li, Y.- H. P. Zhang. Enzymatic transformation of nonfood biomass to starch . Proceedings of the National Academy of Sciences , 2013; DOI: 10.1073/pnas.1302420110
200403 Preparation and performance of cellulose acetate-polyethyleneimine blend microfiltration membranes and their applications， Preparation and performance of cellulose acetate-p ，Journal of Membrane Science，2004，235（1-2）73-86
王应宽 编译 2009-08-17 UTC-6 CST UMN, St Paul 佛罗里达大学研究人员发现短吻鄂细菌 可提升纤维素乙醇生产 据位于甘斯韦尔的佛罗里达大学消息（ July 27, 2009 ），该校的研究人员发现生长在短吻鳄树中的细菌有助于改善生产木质纤维素乙醇的工艺，将有助于解决国家的能源危机。（注：佛罗里达大学橄榄球队取名短吻鳄队 - the Gators ） 纤维素乙醇燃料的生产源于经常被丢弃的植物废弃物。典型的工艺是采用转基因工程的细菌或复杂的化学反应分解植物细胞壁中的复杂化合物，来生产单糖分子化合物，再发酵生产燃料级乙醇。 圣地亚国家实验室（ Sandia National Laboratories ） 2 月份的报告预测，如果能降低生产成本，到 2030 年纤维素乙醇将可取代全美国汽油消耗量的 30% 。而降低成本的重要途经就是使生产更高效。 纤维素乙醇生产中效率低的原因很大程度在于在反应之初必须要用加热和加酸的办法预处理植物原料以分解植物细胞壁中的一些成分。佛罗里达大学食品与农业科学研究所的研究组在应用与环境微生物学学报（ Journal Applied and Environmental Microbiology ）报道称，有一种命名为 JDR-2 的朽木细菌（ Paenibacillus Sp. ）具有分解半纤维素的特殊能力。这种能力有助于改进预处理工艺步骤以便低成本高效率的生产乙醇。 通过工程改良细菌，像类芽孢杆菌 JDR-2 那样分解半纤维素，纤维素乙醇生产工艺可以大大简化。研究组几年前就筛选出了这种细菌，并被用于枫香树进行分解试验。目前研究组已经绘制出 JDR-2 的基因组图谱，预计年内将把 JDR-2 的纤维素分解能力转基因到细菌，用于生产乙醇。届时将设计高效的工艺以便用木材、农业废弃物和其他能源作物生产燃料乙醇。 资料来源： UF team finds alligator tree bacteria might improve cellulosic ethanol production http://news.ufl.edu/2009/07/27/sweetgum/ UF team finds alligator tree bacteria might improve cellulosic ethanol production Filed under Agriculture , Environment , Florida , Research on Monday, July 27, 2009. GAINESVILLE, Fla. Most would identify the tree by its often troublesome, spiky gumballs, but what many call the sweetgum tree also goes by another name, thanks to its distinctive, reptilian bark: the alligator tree. So it may be fitting that researchers from the University of Florida , home of the Gators, have found that bacteria growing in its wood may improve the process of making the fuel that might help solve the nations energy crisis. Cellulosic ethanol fuel is derived from plant material often thrown away as trash. Typically, the processes use genetically engineered bacteria or tricky chemical reactions to break down complex compounds in plant cell walls to produce simple sugar molecules that can be fermented into fuel-grade alcohol. A February report by the Sandia National Laboratories predicted that cellulosic ethanol could replace 30 percent of the nations gasoline by 2030 if the price can be brought down. A big part of reducing the price is making production more efficient. Much of the inefficiency in cellulosic ethanol production lies in the fact that it must be given a head start by cooking the plant material with heat and acids to break down some of the components in the plant cell walls. As the team from UFs Institute of Food and Agricultural Sciences reported in the July issue of the journal Applied and Environmental Microbiology, a strain of the wood-decaying Paenibacillus sp. bacteria named JDR-2 has a knack for breaking down and digesting one of these components, hemicelluloses. That knack could help modify preprocessing steps for cost-effective production of ethanol. The acids, the heating all of these steps you have to take beforehand are expensive, require a lot of work and, lets face it, no one wants to work with sulfuric acid on that scale if you dont have to, said James Preston , the team leader and a professor in UFs microbiology and cell science department . By engineering the bacteria already being used to produce ethanol to also process hemicelluloses the way this Paenibacillus does, you should be able to significantly simplify the process. Preston came across the bacteria a few years ago, as he was using decaying sweetgum trees to grow shiitake mushrooms on his tree farm in Micanopy, Fla. After studying the unusually uniform composition of the decaying wood, he and his colleagues went on to study the genetics of one of the bacteria digesting that wood. The team has now mapped JDR-2s genome, and Preston expects that, within the year, they will transfer genes behind JDR-2s abilities to bacteria used to produce ethanol. This would be followed by the design of processes for the cost-effective production of ethanol from wood, agricultural residues and other potential energy crops. Credits Writer Stu Hutson, stu@ufl.edu , 352-392-0400 Source James Preston, jpreston@ufl.edu , 352-392-5923
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