吳喆超， 吳金祥， 李榮麗， 戴 煌，畢 潔， 張 威，肖安紅

(武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；湖北省農(nóng)產(chǎn)品加工與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；大宗糧油精深加工省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430023)

《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告(2020年)》顯示，我國(guó)18歲及以上居民超重率和肥胖率分別為34.3%和16.4%，高血壓、糖尿病、高膽固醇血癥患病率分別為為27.5%、11.9%、8.2%[1]，這些慢性疾病已嚴(yán)重威脅著我國(guó)居民的身體健康。

膳食纖維可通過(guò)調(diào)節(jié)糖脂等代謝來(lái)預(yù)防肥胖、糖尿病等慢性疾病。大量研究表明，膳食纖維預(yù)防慢性病的防效果與膳食纖維的來(lái)源、性質(zhì)等密切相關(guān)。膳食纖維是一類多糖分子，不同來(lái)源(制取原料不同)實(shí)際上是組成多糖分子的單糖單元組成和分子質(zhì)量大小，而致其性質(zhì)不同，從而影響其功能效果。不少學(xué)者從膳食纖維多糖的分子質(zhì)量大小影響糖脂代謝進(jìn)行了研究。例如，趙駿等[2]研究了3種不同分子質(zhì)量(82、100、117 ku)的桑葉水溶性多糖對(duì)糖尿病模型大鼠糖代謝的影響，發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量為117 ku的多糖組分降血糖效果最好，結(jié)果證明了膳食纖維糖分子質(zhì)量大小對(duì)于糖尿病模型大鼠的糖代謝影響不同。張思聰?shù)萚3]采用分子質(zhì)量為48、510 ku的2種殼聚糖研究對(duì)高脂小鼠降血脂的影響，結(jié)果表明510 ku的殼聚糖對(duì)血清總膽固醇(TC)、血清甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL-C)、高密度脂蛋白(HDL-C)影響效果優(yōu)于48 ku的殼聚糖等。

大豆皮、麩皮等是糧食加工的副產(chǎn)物，是制取膳食纖維物美價(jià)廉的原料。所制取膳食纖維的性質(zhì)和組成單糖對(duì)不同糖尿病模型小鼠及高脂血癥小鼠的糖脂代謝有明顯的影響[4,5]，但鮮見(jiàn)從分子質(zhì)量的角度研究其對(duì)糖脂代謝的影響。本實(shí)驗(yàn)以大豆皮為原料制得3種不同分子質(zhì)量的大豆皮水溶性膳食纖維為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究其對(duì)糖尿病模型小鼠糖脂代謝的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆皮：東北大豆，黑龍江，2019年10月采收，干燥后儲(chǔ)運(yùn)。

膳食纖維：實(shí)驗(yàn)室自制3種不同分子質(zhì)量的水溶性大豆皮膳食纖維：SDF-1、SDF-2、SDF-3，其分子質(zhì)量分布、單糖組成及部分性質(zhì)見(jiàn)表1、表2、表3。

實(shí)驗(yàn)用昆明種小鼠由華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供，動(dòng)物合格證號(hào)為SCXK(鄂)2020-0018，動(dòng)物使用許可證號(hào)為SYXK(鄂)2016-0057。

四氧嘧啶：分析純；倍穩(wěn)血糖試紙、TC試劑盒、TG試劑盒、HDL-C試劑盒、LDL-C試劑盒、T-SOD試劑盒及胰島素ELISA試劑盒。

表1 SDF-1、SDF-2、SDF-3分子質(zhì)量及其分布情況

表2 SDF-1、SDF-2、SDF-3的單糖的組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

1.2 主要儀器與設(shè)備

Enspire多功能酶標(biāo)儀；倍穩(wěn)血糖儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 糖脂代謝實(shí)驗(yàn)方法[7]

實(shí)驗(yàn)在華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)展并完成。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型建立:選用(20±2)g健康昆明種小白鼠，適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d后，禁食24 h，腹腔注射2%、160 mg/kgbw的四氧嘧啶溶液；7 d后禁食12 h，剪尾測(cè)量血糖值；血糖值達(dá)10～30 mmol/L即為糖尿病模型小鼠。

實(shí)驗(yàn)流程及給藥方式。試驗(yàn)分組見(jiàn)表4，每組10只，雌雄各半。低、中、高劑量按膳食纖維人體推薦劑量(0.5 g/kgbw)[8]的5倍、7.5倍和10倍確定。每日8時(shí)禁食1 h測(cè)小鼠體重(g)。9時(shí)第1次灌胃后，恢復(fù)自由進(jìn)食；14時(shí)禁食1 h后再次灌胃后，恢復(fù)自由進(jìn)食。在0 、7 、14 、21、28 d的21時(shí)開(kāi)始禁食12 h后剪尾測(cè)血糖值。28 d測(cè)血糖值后，眼眶取血，離心(4 000 r/min，10 min)后吸取上部清亮的血清，測(cè)血清總膽固醇(TC)、血清甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL-C)、高密度脂蛋白(HDL-C)、超氧化物歧化酶活性(T-SOD)、血清胰島素含量(FIN)[9]，按式(1)和式(2)計(jì)算胰島素敏感指數(shù)(ISI)和胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)，然后處死，剝離肝臟和腎臟并稱重，按式(3)計(jì)算肝或腎臟指數(shù)。

(1)

HOMA-IR=

(2)

(3) 表4 試驗(yàn)小鼠分組及喂養(yǎng)劑量

表3 SDF-1、SDF-2、SDF-3的部分性質(zhì)

1.3.2 血糖耐量的試驗(yàn)方法[13]

將依1.3.1方法成功建模的小鼠按表5分組，每組10只，雌雄各半。灌胃劑量為人體膳食纖維推薦量(0.5 g/kgbw)[8]的5倍。禁食5 h后灌胃，20 min后給予20%、2.0 g/kgbw的葡萄糖溶液，并在0、0.5、1.0、2.0 h后剪尾測(cè)血糖值，按式(4)計(jì)算血糖曲線下面積。

血糖曲線下面積=0.25×(0 h 血糖值+4×0.5 h 血糖值+3×2.0 h 血糖值)

(4)

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以x±s(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示，試驗(yàn)重復(fù)3次，采用單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性比較，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表5 試驗(yàn)小鼠分組及喂養(yǎng)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)糖尿病模型小鼠糖代謝、糖耐量的影響結(jié)果分析

糖代謝、血糖耐量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6～表9。

在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到：正常對(duì)照組(NC組)小鼠始終反應(yīng)敏捷、毛色光亮、尿量正常(墊料干燥)；模型對(duì)照組(MC組)則小鼠精神萎靡、反應(yīng)遲鈍、動(dòng)作呆滯、皮毛失去光澤，飲水量和尿量明顯增加(墊料潮濕)；劑量組小鼠的精神萎靡等狀態(tài)逐漸得到改善，飲水量和尿量逐漸減少。

由表6～表8可見(jiàn)，NC組小鼠血糖值始終保持正常，體重不斷增加；較NC組，MC組的糖尿病小鼠的血糖、胰島素抵抗系數(shù)(HOMA-IR)上升；腎臟指數(shù)和肝臟指數(shù)增大；胰島素含量(FIN)、胰島素敏感系數(shù)(ISI)和超氧化物歧化酶活性(T-SOD)降低，并均始終存在非常顯著的差異(P<0.01)。但是，較MC組，除ISI值外，給予了膳食纖維的劑量組的指標(biāo)均呈現(xiàn)出明顯的向好趨勢(shì)。

表6 SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)小鼠血糖影響試驗(yàn)結(jié)果

表7 SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)小鼠體重影響試驗(yàn)結(jié)果

表8 SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)小鼠內(nèi)臟指數(shù)、抗氧化能力、胰島素抵抗的影響試驗(yàn)結(jié)果

表9 SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)小鼠血糖耐量影響試驗(yàn)結(jié)果

較MC組，各劑量組小鼠的血糖值均呈下降趨勢(shì)，體重呈上升趨勢(shì)：21 d時(shí)，SDF-3-M組小鼠的血糖值降低開(kāi)始呈顯著差異(P<0.05)；28 d時(shí)，所有劑量組小鼠的血糖值降低均呈現(xiàn)出非常顯著的差異(P<0.01)；在14 d時(shí)，SDF-2-L、SDF-2-M、SDF-3-H、SDF-3-M組小鼠的體重上升呈非常顯著的差異(P<0.01)，SDF-1-L、SDF-1-M、SDF-1-H、SDF-2-H、SDF-3-L組小鼠的體重上升呈顯著差異(P<0.05)。21～28 d，所有劑量組的小鼠體重升高均呈非常顯著的差異(P<0.01)。所有劑量組的腎臟指數(shù)和肝臟指數(shù)均低于MC組，并均較其具有非常顯著的差異(P<0.01)。劑量組的FIN值均高于MC組，除SDF-2-L組外，其他劑量組的均較其具有非常顯著差異(P<0.01)。劑量組的HOMA-IR值均低于MC組，但僅SDF-1-M組較其呈顯著差異(P<0.05)；所有劑量組的T-SOD值高于MC組，SDF-1-M、SDF-1-H、SDF-3-M、SDF-3-H組較其具有顯著差異(P<0.05)。說(shuō)明給予不同劑量、不同分子質(zhì)量的水溶性大豆皮膳食纖維后，對(duì)糖尿病模型小鼠的糖代謝不良狀況有一定緩解作用。但是，對(duì)胰島素敏感性沒(méi)有緩解，即劑量組的ISI值較MC組均無(wú)顯著性差異。

給予不同劑量、不同分子質(zhì)量的水溶性大豆皮膳食纖維后，可改善糖尿病模型小鼠對(duì)葡萄糖的耐受力。由表9可知，所有試驗(yàn)組的小鼠在給予葡萄糖后的0.5 h時(shí)，血糖值均出現(xiàn)峰值；2 h后NC組小鼠的血糖基本恢復(fù)正常；MC組小鼠的血糖降低極少，較NC組血糖值始終具有非常顯著的差異(P<0.01)；較MC組，所有劑量組小鼠的血糖明顯下降，1 h后開(kāi)始血糖值均具有非常顯著的差異(P<0.01)，血糖曲線下面積也呈非常顯著的差異(P<0.01)，且血糖曲線下面積依次為SDF-3

2.2 對(duì)糖尿病模型小鼠血脂代謝的影響結(jié)果分析

SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)糖尿病模型小鼠血脂代謝的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

由表10可見(jiàn)，糖尿病模型小鼠的脂代謝出現(xiàn)異常，較NC組，血清總膽固醇(TC)、血清甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL-C)升高，高密度脂蛋白(HDL-C)降低，且均存在非常顯著的差異(P<0.01)。但所有劑量組小鼠在給予膳食纖維28 d后，較MC組，TC值、TG值和LDL-C值降低，而HDL-C值升高，且其中所有劑量組的TC值、TG值的降低均具有非常顯著的差異(P<0.01)；SDF-1和SDF-3的高中低劑量組的HDL-C值升高均具有非常顯著的差異(P<0.01)；LDL-C值降低沒(méi)有顯著性差異。

表10 SDF-1、SDF-2、SDF-3對(duì)小鼠 血脂指標(biāo)影響試驗(yàn)結(jié)果/mmol/L

3 討論

不同分子質(zhì)量的膳食纖維對(duì)糖尿病模型小鼠糖代謝具有緩解作用[2]。結(jié)果說(shuō)明，在對(duì)糖尿病模型小鼠給予4周3種不同分子質(zhì)量、不同劑量的水溶性大豆皮膳食纖維后，可以提高胰島素的分泌、降低胰島素抵抗，腫大的肝腎等器官縮小，血糖降低，使糖代謝異常有所緩解，但效果有所不同。

本實(shí)驗(yàn)中，3種水溶性大豆皮膳食纖維，不僅分子質(zhì)量不同，它們的單糖的組成和性質(zhì)也有差異：隨分子質(zhì)量的增大，吸水力、吸水膨脹率、吸油力率及黏性增大，清除自由基能力減?。籗DF-1對(duì)膽固醇吸附能力最強(qiáng)，而SDF-2則最弱，從而對(duì)緩解糖尿病模型小鼠的糖代謝異常的影響有所不同。

從對(duì)血糖值的影響來(lái)看，SDF-3-M組在第3周結(jié)束時(shí)，首先較MC組的血糖值降低出現(xiàn)顯著差異；4周后的血糖值降低率，SDF-1和SDF-3明顯高于SDF-2，其中SDF-3-M組和SDF-1-M組超過(guò)25%；總的效果比較來(lái)看SDF-3>SDF-1> SDF-2，說(shuō)明膳食纖維分子質(zhì)量不同、劑量不同對(duì)糖尿病模型小鼠降血糖作用程度不同。

從3種膳食纖維的單糖的組成來(lái)看(見(jiàn)表2)，水溶性大豆皮膳食纖維是雜多糖。除SDF-1含阿拉伯糖外，3種膳食纖維都含有β-葡萄糖、木糖、半乳糖和果糖；SDF-1和SDF-3的β-葡萄糖、木糖、半乳糖含量接近，但果糖含量較高也差別很大，SDF-3(61.01%)> SDF-1(47.37%)>SDF-2(25.69%)，可以推斷出水溶性大豆皮膳食纖維雜多糖可能會(huì)存在果糖聚合的支鏈或片段。目前研究已證實(shí)果聚糖膳食纖維例如菊糖具有較好的調(diào)節(jié)血糖的效果，例如Rodríguez等[14]研究表明，對(duì)高脂小鼠劑量組給予富含果聚糖的飲食干預(yù)，其血糖值降低較模型對(duì)照組具有顯著性差異；李曉月等[15]用菊糖(果聚糖)對(duì)高脂血癥模型小鼠進(jìn)行干預(yù)，證明菊糖可使HOMA-IR降低、ISI升高、胰島β細(xì)胞功能增強(qiáng)。由此推斷可能存在果糖聚合的支鏈或片段、且果糖含量高的多糖對(duì)糖代謝具有較好的調(diào)節(jié)作用，因此，可能致含果糖最高的SDF-3的降血糖作用也最明顯。

另外，從表3可見(jiàn)，分子質(zhì)量大的膳食纖維，黏度、吸水力、膨脹力和吸油力大，在胃腸中更容易吸水膨脹，形成黏稠液體，如同凝膠過(guò)濾系統(tǒng)，可延緩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向胃腸道黏膜表面擴(kuò)散時(shí)間，進(jìn)而阻礙葡萄糖在腸道的吸收[16]。SDF-3在高中低劑量(對(duì)應(yīng)濃度5%、10%和15%)下的黏性最大、吸水膨脹性最好，所以使血糖降低的效果最好。由于糖代謝異常的緩解，劑量組小鼠的體重也得以恢復(fù)(上升)，且與血糖恢復(fù)的效果一致，即SDF-3>SDF-1>SDF-2，其中SDF-3-M組和SDF-1-M組恢復(fù)效果也最明顯。

膳食纖維因含有大量羧基、羥基等活性基團(tuán)，具有良好的吸附性，如對(duì)葡萄糖的吸附，從而可在短時(shí)間內(nèi)降低血糖水平[17]，因此，對(duì)糖尿病模型小鼠的血糖耐量產(chǎn)生影響，而且，膳食纖維的吸水膨脹所形成的黏稠溶液，也對(duì)吸附功能產(chǎn)生協(xié)同增效作用。SDF-3，吸水力、膨脹力均最強(qiáng)，因而形成黏稠溶液的黏度也最大，所以對(duì)血糖耐量的恢復(fù)能力也最強(qiáng)。

羥自由基非?；顫?，反應(yīng)速率常數(shù)很高，在生物體內(nèi)進(jìn)攻細(xì)胞膜而致其損傷[18]。由于細(xì)胞膜的主要成分磷脂中含有較多不飽和脂肪酸，最容易發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，而脂質(zhì)的過(guò)氧化和細(xì)胞損傷的發(fā)生，可引起人體衰老和心臟病、動(dòng)脈粥樣硬化、癌化、炎癥、糖尿病等疾病[19,20]。研究表明氧化應(yīng)激與糖尿病等疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致糖尿病患者體內(nèi)線粒體功能障礙引起活性氧和活性氮過(guò)量產(chǎn)生，進(jìn)而造成骨骼肌細(xì)胞組織氧化損傷，干擾骨骼肌組織對(duì)葡萄糖的攝取[21-23]。超氧化物歧化酶活性升高，說(shuō)明機(jī)體的抗氧化功能得到增強(qiáng)。

膳食纖維含有羧基、羥基和氨基等側(cè)鏈基團(tuán)，可以作為供氫體與自由基反應(yīng)，終止自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[24]；另外膳食纖維具有良好的吸附性，可以吸附螯合如Ca2+、Zn2+、Cu2+等金屬離子，并在與Ca2+、Zn2+、Cu2+等離子交換時(shí)，改變陽(yáng)離子的瞬間濃度，起稀釋作用，從而對(duì)消化道的pH值、滲透壓及氧化電位產(chǎn)生影響，抑制氧化反應(yīng)的進(jìn)行[25]。本試驗(yàn)結(jié)果證明，3種不同分子質(zhì)量、不同劑量的水溶性大豆皮膳食纖維對(duì)糖尿病模型小鼠具有一定增強(qiáng)其抗氧化的效果，超氧化物歧化酶可以緩解因糖尿病所致的氧化損傷，并也會(huì)受到3種膳食纖維的單糖的組成及性質(zhì)如黏性、吸附性等的影響。3種膳食纖維對(duì)羥自由基的清除能力比較接近，但因SDF-2的單糖的組成中果糖含量低、吸附性能最弱，因此，抗氧化能力恢復(fù)效果較MC組沒(méi)有呈現(xiàn)顯著性。

膳食纖維的分子質(zhì)量大小對(duì)脂代謝也具有影響[3]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，在對(duì)糖尿病模型小鼠給予3種不同分子質(zhì)量、不同劑量的水溶性大豆皮膳食纖維4周后，可改善小鼠脂代謝異常，但效果同樣也受到3種膳食纖維的單糖的組成及性質(zhì)的影響。劑量組對(duì)TC、TG、LDL-C降低、和對(duì)HDL-C升高，仍然是SDF-1、SDF-3的效果較SDF-2為優(yōu)，同樣也說(shuō)明可能存在果糖聚合的支鏈或片段、果糖含量高的多糖對(duì)脂代謝影響更強(qiáng)。同樣吸附性和黏性的差異也是影響效果的重要因素：SDF-1在pH 2.0、pH 7.0下吸附膽固醇能力均最強(qiáng)，說(shuō)明SDF-1在胃和小腸部位對(duì)膽固醇的吸附性能最強(qiáng)，可有效降低血漿中膽固醇及甘油三酯的含量；SDF-3黏度最高，吸水力、吸水膨脹性、吸油力最高，這些性質(zhì)能夠促進(jìn)其形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延緩了脂質(zhì)向胃腸道黏膜表面擴(kuò)散的時(shí)間，還可以包裹油脂分子，從而使SDF-1、SDF-3具有較好的調(diào)節(jié)脂代謝的能力。SDF-2因單糖的組成中果糖含量最低、對(duì)膽固醇吸附效果最弱，導(dǎo)致其對(duì)糖尿病模型小鼠脂代謝異常的緩解效果最差，尤其是對(duì)HDL-C升高無(wú)顯著性。

4 結(jié)論

本研究中，水溶性大豆皮膳食纖維可以緩解糖尿病模型小鼠的糖脂代謝異常及改善對(duì)葡萄糖的耐受力。較糖尿病模型對(duì)照組，所有劑量組小鼠的血糖降低、體重恢復(fù)、肝臟指數(shù)和腎臟指數(shù)的降低、對(duì)糖耐受能力的提高、血清總膽固醇、血清總膽固醇的降低均具有非常顯著的差異。

水溶性大豆皮膳食纖維對(duì)糖尿病模型小鼠的糖脂代謝不同影響，也受到其的單糖的組成及黏性、吸附性等性質(zhì)差異的影響。SDF-3果糖含量最高，黏度最高，吸水力、吸水膨脹性、吸油力最高，使其具有較好的降血糖作用和血糖耐量的恢復(fù)能力；而SDF-1在pH 2.0、pH 7.0下吸附膽固醇能力均最強(qiáng)，使得SDF-1具有較好的調(diào)節(jié)脂代謝的能力。

本研究結(jié)果表明膳食纖維多糖的分子質(zhì)量及其組成單糖單元的種類是影響糖脂代謝效果的重要因素，可進(jìn)一步加強(qiáng)研究，開(kāi)發(fā)具有適合的分子質(zhì)量大小及其組成單糖單元種類、功能效果更高的膳食纖維產(chǎn)品，指導(dǎo)膳食纖維產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用。