飼料單寧提高魚類糖利用能力的作用機制研究進展

彭 凱 王國霞 趙紅霞 黃燕華*

(1.廣東省農業(yè)科學院動物科學研究所，廣州510640；2.廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣州510640；3.農業(yè)農村部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，廣州510640)

糖類物質是水產(chǎn)飼料的重要組分，也是魚類廉價的能量來源。飼料中適量添加糖類物質可以降低蛋白質作為能量的消耗，節(jié)約蛋白質資源，減輕氮排泄對養(yǎng)殖水體的污染。然而，與陸生動物相比，魚類先天對糖的利用能力差[1]，尤其是肉食性魚類在攝入高糖飼料后，容易出現(xiàn)持續(xù)高血糖癥[2]。雖然魚體存在利用糖的一系列酶和代謝途徑，但魚類對葡萄糖的耐受性和利用能力存在種類差異，持續(xù)的高血糖至少需要3 h才能恢復至正常水平[3]，某些肉食性魚類如大黃魚，則需要24 h甚至更長時間恢復[3]。由于機體不能快速處理體內糖負荷，從而導致氧化應激、抗病力下降、生長緩慢甚至死亡等現(xiàn)象，危害魚類生命健康。由此看來，魚類對糖供能需求的增加與機體對糖利用能力的不足形成鮮明矛盾，使糖在水產(chǎn)飼料中的應用存在一定的局限性。

單寧是廣泛分布于自然界的一類天然多酚化合物，是一種儲量豐富的綠色可再生資源。長期以來，單寧被視為飼料“抗營養(yǎng)因子”，因此有關單寧的生物活性研究及其生產(chǎn)應用受到一定限制。實際上，低濃度單寧不僅不影響飼料的適口性，還能提高動物健康和生產(chǎn)性能[4-6]。據(jù)報道，單寧具有抗菌、抗氧化、抗炎、抗寄生蟲、抗病毒、調節(jié)營養(yǎng)物質代謝等多種生物活性[7]。近來研究表明，單寧具有顯著的降血糖效果，其作用機理可能與單寧調節(jié)糖代謝酶活性、調控胰島β細胞功能、干預動物腸道菌群有關[6,8-10]。本文綜述了魚類糖不耐受的生理機制以及單寧降血糖作用機制研究進展，以期為單寧生物活性的深入研究及指導生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

1 魚類糖不耐受的生理機制

魚類與陸生動物在糖代謝方面存在顯著差異，陸生動物主要利用糖為能源，而魚類主要利用蛋白質為能源，因為魚類對糖的利用率普遍較低[11-14]。魚類在攝入高糖飼料之后，會出現(xiàn)長時間的“餐后高血糖癥”，從而對魚類組織器官、生長性能、營養(yǎng)利用效率、生理功能產(chǎn)生不利影響[15]。魚類餐后高血糖癥形成的主要原因包括葡萄糖感知和攝食調控體系不完善、糖代謝酶活性低、葡萄糖轉運能力差、胰島素分泌不足、胰島素受體數(shù)量和親和力不足。

動物通過反饋調節(jié)機制保持機體血糖穩(wěn)態(tài)的關鍵在于體內廣泛分布葡萄糖感應器和攝食調控神經(jīng)元，它們能夠監(jiān)測血糖變化、觸發(fā)激素分泌、激活神經(jīng)系統(tǒng)，從而調控糖代謝。盡管在魚類的腦中發(fā)現(xiàn)一些葡萄糖感應器的構成分子，如葡萄糖轉運蛋白2(GLUT2)和葡萄糖激酶(GK)，但尚未鑒定出葡萄糖感應器如葡萄糖興奮性神經(jīng)元(GE)和葡萄糖抑制性神經(jīng)元(GI)的存在，魚類血糖是否受其他神經(jīng)元調控也不得而知[16]。魚類下丘腦中存在調節(jié)攝食的神經(jīng)肽類，但目前尚無證據(jù)表明魚類也存在促進攝食和抑制攝食的神經(jīng)元[16]。未來研究應當側重于魚類中樞神經(jīng)系統(tǒng)整合營養(yǎng)與內分泌等信號機制，研究影響魚類葡萄糖感知和攝食調控的關鍵神經(jīng)元，這有利于調控魚類對糖的攝食和代謝等生理活動，從根本上解決魚類對糖不耐受的問題。

參與魚體內糖酵解、糖異生、磷酸戊糖途徑的限速酶在魚類中已證實存在，但其活性較低且基因表達受飼料糖水平的影響[17]。魚類沒有唾液腺，因此口腔對淀粉和糖幾乎沒有消化，魚類的α-淀粉酶由胰腺合成，然后分泌到小腸。胰腺α-淀粉酶活性是魚類對淀粉和糖原消化的主要限制因子。肉食性魚類(如大西洋鮭、虹鱒、海鱸)由于基因突變和缺失，使消化道內的α-淀粉酶活性很低[18]。攝入高糖可以促進草食性和雜食性魚類胰腺分泌α-淀粉酶，但對肉食性魚類α-淀粉酶的分泌沒有影響[19]。當飼料中碳水化合物含量大于20%時，肉食性魚類對淀粉的消化能力顯著下降，表明魚類對糖的利用能力存在局限性。此外，魚類葡萄糖轉運能力差，胰島素依賴的葡萄糖轉運載體葡萄糖轉運蛋白(GLUT)數(shù)量少，阻礙了葡萄糖進入細胞進行代謝。魚類是否存在GLUT還有爭議，據(jù)報道，羅非魚和虹鱒體內無GLUT[20]，而棕鱒和銀鮭體內存在GLUT4同源體，這可能是魚類利用葡萄糖能力較差的原因之一[21]。對于魚類葡萄糖轉運載體的研究多集中在基因克隆和表達上，其轉運機制、動力學研究和影響因素等尚處于起步階段。

魚類血漿胰島素分泌量不足是導致魚類高血糖癥及影響魚類糖代謝的主要原因之一。動物機體穩(wěn)態(tài)下，魚體胰島素水平低于哺乳動物[22]。譚肖英等[23]報道，魚類胰島素分泌延遲于魚類對糖的吸收速度，從而使吸收的葡萄糖不能被有效利用。目前，魚類胰島素基因表達機制尚不明確，但Hrytsenko等[24]發(fā)現(xiàn)，羅非魚胰島素基因轉錄是由胰島β細胞特異性行為調節(jié)，且胰島素基因轉錄對高糖刺激不敏感。這可能是魚類胰島素分泌不足的原因。魚類胰島素受體數(shù)量較陸生動物少，肉食性魚比雜食性魚的肌肉胰島素受體數(shù)量和親和力低，因此胰島素受體數(shù)量不足也可能造成魚類高血糖癥，導致魚類對糖的利用率較低。

2 單寧提高魚類糖利用能力的作用機制

魚類糖代謝的研究多以調配飼料為手段，但通過調配飼料或更換不同糖源，并不能從根本上解決魚類不善于利用糖的問題。實際上，魚類的糖代謝調節(jié)較為復雜，已知受神經(jīng)中樞、內分泌因子和營養(yǎng)素等多重因子影響[16]。近年來發(fā)現(xiàn)，糖代謝與腸道內消化酶活性、葡萄糖轉運載體基因表達量以及微生物菌群活動密切相關。單寧具有降血糖作用，但其降血糖機理較為復雜。概括起來，單寧可能通過抑制糖代謝相關酶活性[25]、刺激胰島β細胞分泌胰島素[26]、抑制葡萄糖轉運載體mRNA表達[27]、刺激腸道L細胞分泌胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)[28]、調節(jié)腸道菌群[10]等途徑降低血糖水平。

2.1 單寧促進糖酵解，抑制糖異生

單寧能夠提高葡萄糖激酶、己糖激酶等糖原合成酶活性，抑制葡萄糖-6-磷酸酶、磷酸烯醇式丙酮酸酶等糖異生酶活性，從而加速糖原合成，減少葡萄糖生成[29-30]。研究表明，可可豆縮合單寧能夠刺激骨骼肌細胞糖原合成，促進葡萄糖的吸收[31]。葡萄籽縮合單寧同樣具有促進脂肪細胞糖原合成的能力[32]。在2型糖尿病小鼠模型中，蘋果縮合單寧顯著降低血糖水平，抑制糖異生[33]。在鏈脲佐菌素誘導小鼠糖尿病模型中，蓮蓬縮合單寧能夠提高小鼠肝臟丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶的基因表達水平，加速糖酵解過程[34]。石榴花單寧能夠競爭性抑制小腸α-葡萄糖苷酶活性，抑制餐后高血糖的快速上升[35]。細胞鈣離子濃度升高是誘發(fā)糖尿病的一個重要原因，茶單寧可以增強細胞膜鈣離子ATP酶活性，降低細胞內鈣離子濃度并達到降血糖的功效[36]。單寧單體兒茶素還能通過清除自由基，保護細胞膜鈣離子ATP酶活性，控制糖異生基因表達下降，以此延緩血糖上升[37]。概括起來，單寧通過下調胰腺組織中與糖酵解通路相關酶的活性或基因表達水平，促進糖酵解，抑制糖異生，從而降低血糖水平。

2.2 單寧誘導胰島β細胞再生

單寧的降血糖作用可能與單寧刺激胰島β細胞產(chǎn)生胰島素以及增加胰島素敏感性有關。Huang等[38]推測縮合單寧的降血糖作用可能歸因于縮合單寧誘導了胰島β細胞再生，從而增強了胰島素受體的蛋白表達水平。Khan等[39]報道，肉桂單寧能夠激活肝糖原合成酶和胰島素受體激酶，增加葡萄糖攝取量，提高胰島素敏感性。茶單寧可以刺激2型糖尿病模型小鼠肌肉組織中葡萄糖的吸收，促進胰島β細胞產(chǎn)生胰島素，改善體內葡萄糖平衡[40]。可可豆單寧單體表兒茶素通過增加HepG2細胞胰島素受體(IR)、胰島素受體底物1(IRS1)和胰島素受體底物2(IRS2)磷酸化水平，激活糖原合成重要通路，如磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)和AMP依賴蛋白激酶(AMPK)信號通路，增加葡萄糖轉運載體GLUT2轉運水平[9]，提示單寧通過改善胰島素信號通路，促進葡萄糖轉運載體轉移到細胞膜，調節(jié)葡萄糖吸收。González-Abuín等[41]發(fā)現(xiàn)，葡萄籽縮合單寧能夠干預肥胖型大鼠二肽基肽酶4(DPP4)基因表達下調，促進胰島β細胞分泌胰島素，降低2型糖尿病小鼠血糖水平。

2.3 單寧介導腸道微生物調控血糖

腸道微生物與宿主生理代謝的相互關系是國際生物學研究的熱點之一[42]，然而腸道微生物在糖代謝中所扮演的角色尚處于探索階段。作為魚類營養(yǎng)物質代謝的主要場所，腸道及其微生態(tài)對糖代謝的影響至關重要。腸道棲息著數(shù)量龐大的微生物群落，腸道微生物是腸道發(fā)揮正常生理功能的基礎，也是對動物發(fā)育不健全腸道酶系的有益補充。腸道中的擬桿菌可利用自身特有的結構域，協(xié)助腸道菌群降解糖類物質，提高宿主對糖的利用率[43]。積極探索魚類腸道微生態(tài)并加以調整，對維持魚類健康和提高生產(chǎn)性能具有積極的理論和實踐意義。縱觀國內外文獻，腸道微生物對糖代謝的影響主要歸納為以下3個方面：1)魚類腸道微生物可以直接分泌與糖代謝相關的胞外酶，從而促進多糖的分解[44]；2)腸道特定菌屬如勞特氏菌屬(Blautia)、擬桿菌屬(Bacteriodes)和Butyricoccus代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸，能夠直接被腸道吸收并提供給機體能量[45]，同時作用于腸道L細胞表面受體，分泌胰高血糖素樣肽[GLP-1、胰高血糖素樣肽-2(GLP-2)]和內分泌調節(jié)肽[肽YY(PYY)]，進而控制血糖和能量水平[46]；3)腸道微生物通過調控葡萄糖轉運載體mRNA表達量影響葡萄糖的利用[47-48]。

單寧具有廣譜抗菌性，其對大多數(shù)細菌、真菌和酵母菌具有一定的抑制作用[49]。Peng等[6]報道，紫色達利菊縮合單寧可以顯著降低綿羊血糖水平，可能歸因于單寧降低了瘤胃中布氏普雷沃氏菌(Prevotellabryantii)和嗜淀粉瘤胃桿菌(Ruminobacteramylophilus)數(shù)量。單寧還可能通過影響腸道微生態(tài)來調控血糖水平，即通過改變腸道微生物的種類和數(shù)量而影響細菌對腸道細胞的黏附[10,50-51]，從而影響糖類物質的消化和吸收，說明單寧可能通過干預動物腸道菌群調節(jié)糖代謝。劉鈺錕[52]從羅非魚腸道中篩選出了8株高效利用淀粉的細菌，發(fā)現(xiàn)Su1菌(與BacillustoyonensisBCT-7112相似度99%)能夠顯著降低高淀粉飼料組羅非魚的血糖水平，激活淀粉酶；額外添加Su1使羅非魚腸道中疣微菌門(Verrucomicrobia)的比例上調，并推測Su1可能通過調控腸道菌群結構而發(fā)揮降血糖作用。Larsen等[53]研究表明，2型糖尿病模型動物腸道菌群失衡，表現(xiàn)為厚壁菌屬豐度減少，變形菌屬數(shù)量增加，且變形菌屬數(shù)量與血糖水平呈正相關。王露[54]報道，糖尿病小鼠腸道細菌多樣性和豐度明顯改變，其中乳酸桿菌屬和擬桿菌屬數(shù)量下降，螺桿菌屬和變形菌屬等有害菌數(shù)量增加，治愈后小鼠腸道菌群多樣性和豐度恢復正常，說明腸道菌群確實影響糖代謝。薛俊敏[55]通過小鼠腸道菌群失調模型的研究表明，茶單寧顯著提高了厚壁菌門和擬桿菌門相對豐度，降低了變形菌門相對豐富，同時增加了小腸內乙酸、丁酸和異戊酸等短鏈脂肪酸含量。近期研究表明，腸道擬桿菌可通過介導膽汁酸甘氨熊脫氧膽酸(GUDCA)-腸道法尼醇X受體(FXR)代謝通路發(fā)揮降血糖作用[56]。FXR在膽汁酸合成與代謝、葡萄糖代謝中發(fā)揮重要角色[57]。金石[58]報道，飼喂大鼠縮合單寧可顯著上調FXR基因表達水平。另有研究表明，葡萄籽縮合單寧對膽汁酸跨膜轉運具有抑制作用[59]。由此可見，單寧有治療糖尿病的功效，即通過介導腸道菌群特定菌屬調控膽汁酸代謝通路，從而降低血糖水平，維持機體內糖穩(wěn)態(tài)。

3 小結與展望

糖是魚類廉價的能量來源，但其在飼料中的應用卻受到限制，因為魚類(尤其是肉食性魚)攝食高糖飼料容易引發(fā)高血糖癥，危害魚類新陳代謝和生命健康。魚類餐后出現(xiàn)的高血糖癥主要歸因于葡萄糖感知和攝食調控體系不完善、糖代謝酶活性低、葡萄糖轉運能力差、胰島素分泌不足以及胰島素受體數(shù)量和親和力不足。解決魚類糖不耐受的問題有利于提高糖的利用率，減少蛋白質作為魚類能源的消耗，緩解飼料蛋白質資源緊張。

單寧具有顯著的降血糖作用，其作用機制包括抑制糖代謝相關酶活性、刺激胰島β細胞分泌胰島素、抑制葡萄糖轉運載體mRNA表達、刺激腸道L細胞分泌GLP-1以及通過介導腸道特定菌群發(fā)揮降血糖功效，從而在解決魚類高血糖癥上展現(xiàn)出良好的應用前景。未來研究應側重于魚類中樞神經(jīng)系統(tǒng)整合營養(yǎng)與內分泌調控糖代謝的信號機制，以及腸道菌群干預魚類糖代謝的作用機理研究，為魚類糖代謝研究及其健康養(yǎng)殖提供理論依據(jù)。