不同分子質量水溶性大豆皮膳食纖維對糖尿病模型小鼠糖脂代謝影響

吳喆超， 吳金祥， 李榮麗， 戴 煌，畢 潔， 張 威，肖安紅

(武漢輕工大學食品科學與工程學院；湖北省農產品加工與轉化重點實驗室；大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室，武漢 430023)

《中國居民營養與慢性病狀況報告(2020年)》顯示，我國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]，這些慢性疾病已嚴重威脅著我國居民的身體健康。

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

大豆皮、麩皮等是糧食加工的副產物，是制取膳食纖維物美價廉的原料。所制取膳食纖維的性質和組成單糖對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]，但鮮見從分子質量的角度研究其對糖脂代謝的影響。本實驗以大豆皮為原料制得3種不同分子質量的大豆皮水溶性膳食纖維為實驗對象，研究其對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，干燥后儲運。

膳食纖維：實驗室自制3種不同分子質量的水溶性大豆皮膳食纖維：SDF-1、SDF-2、SDF-3，其分子質量分布、單糖組成及部分性質見表1、表2、表3。

實驗用昆明種小鼠由華中科技大學同濟醫學院動物實驗中心提供，動物合格證號為SCXK(鄂)2020-0018，動物使用許可證號為SYXK(鄂)2016-0057。

四氧嘧啶：分析純；倍穩血糖試紙、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分子質量及其分布情況

表2 SDF-1、SDF-2、SDF-3的單糖的組成及質量分數/%

1.2 主要儀器與設備

Enspire多功能酶標儀；倍穩血糖儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 糖脂代謝實驗方法[7]

實驗在華中科技大學同濟醫學院動物實驗中心開展并完成。

實驗動物模型建立:選用(20±2)g健康昆明種小白鼠，適應性喂養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，剪尾測量血糖值；血糖值達10～30 mmol/L即為糖尿病模型小鼠。

實驗流程及給藥方式。試驗分組見表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時禁食1 h測小鼠體重(g)。9時第1次灌胃后，恢復自由進食；14時禁食1 h后再次灌胃后，恢復自由進食。在0 、7 、14 、21、28 d的21時開始禁食12 h后剪尾測血糖值。28 d測血糖值后，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)計算胰島素敏感指數(ISI)和胰島素抵抗指數(HOMA-IR)，然后處死，剝離肝臟和腎臟并稱重，按式(3)計算肝或腎臟指數。

(1)

HOMA-IR=

(2)

(3) 表4 試驗小鼠分組及喂養劑量

表3 SDF-1、SDF-2、SDF-3的部分性質

1.3.2 血糖耐量的試驗方法[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后剪尾測血糖值，按式(4)計算血糖曲線下面積。

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 數據處理

數據以x±s(平均值±標準差)表示，試驗重復3次，采用單因素方差分析進行差異顯著性比較，P<0.05表示差異有統計學意義。

表5 試驗小鼠分組及喂養方法

2 結果與討論

2.1 對糖尿病模型小鼠糖代謝、糖耐量的影響結果分析

糖代謝、血糖耐量試驗結果見表6～表9。

在試驗過程中觀察到：正常對照組(NC組)小鼠始終反應敏捷、毛色光亮、尿量正常(墊料干燥)；模型對照組(MC組)則小鼠精神萎靡、反應遲鈍、動作呆滯、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逐漸得到改善，飲水量和尿量逐漸減少。

由表6～表8可見，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(HOMA-IR)上升；腎臟指數和肝臟指數增大；胰島素含量(FIN)、胰島素敏感系數(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均呈現出明顯的向好趨勢。

表6 SDF-1、SDF-2、SDF-3對小鼠血糖影響試驗結果

表7 SDF-1、SDF-2、SDF-3對小鼠體重影響試驗結果

表8 SDF-1、SDF-2、SDF-3對小鼠內臟指數、抗氧化能力、胰島素抵抗的影響試驗結果

表9 SDF-1、SDF-2、SDF-3對小鼠血糖耐量影響試驗結果

較MC組，各劑量組小鼠的血糖值均呈下降趨勢，體重呈上升趨勢：21 d時，SDF-3-M組小鼠的血糖值降低開始呈顯著差異(P<0.05)；28 d時，所有劑量組小鼠的血糖值降低均呈現出非常顯著的差異(P<0.01)；在14 d時，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和肝臟指數均低于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)。說明給予不同劑量、不同分子質量的水溶性大豆皮膳食纖維后，對糖尿病模型小鼠的糖代謝不良狀況有一定緩解作用。但是，對胰島素敏感性沒有緩解，即劑量組的ISI值較MC組均無顯著性差異。

給予不同劑量、不同分子質量的水溶性大豆皮膳食纖維后，可改善糖尿病模型小鼠對葡萄糖的耐受力。由表9可知，所有試驗組的小鼠在給予葡萄糖后的0.5 h時，血糖值均出現峰值；2 h后NC組小鼠的血糖基本恢復正常；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 對糖尿病模型小鼠血脂代謝的影響結果分析

SDF-1、SDF-2、SDF-3對糖尿病模型小鼠血脂代謝的影響試驗結果見表10。

由表10可見，糖尿病模型小鼠的脂代謝出現異常，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值降低沒有顯著性差異。

表10 SDF-1、SDF-2、SDF-3對小鼠 血脂指標影響試驗結果/mmol/L

3 討論

不同分子質量的膳食纖維對糖尿病模型小鼠糖代謝具有緩解作用[2]。結果說明，在對糖尿病模型小鼠給予4周3種不同分子質量、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。

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

從對血糖值的影響來看，SDF-3-M組在第3周結束時，首先較MC組的血糖值降低出現顯著差異；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25%；總的效果比較來看SDF-3>SDF-1> SDF-2，說明膳食纖維分子質量不同、劑量不同對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看(見表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存在果糖聚合的支鏈或片段。目前研究已證實果聚糖膳食纖維例如菊糖具有較好的調節血糖的效果，例如Rodríguez等[14]研究表明，對高脂小鼠劑量組給予富含果聚糖的飲食干預，其血糖值降低較模型對照組具有顯著性差異；李曉月等[15]用菊糖(果聚糖)對高脂血癥模型小鼠進行干預，證明菊糖可使HOMA-IR降低、ISI升高、胰島β細胞功能增強。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糖代謝具有較好的調節作用，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，分子質量大的膳食纖維，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，如同凝膠過濾系統，可延緩營養物質向胃腸道黏膜表面擴散時間，進而阻礙葡萄糖在腸道的吸收[16]。SDF-3在高中低劑量(對應濃度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(上升)，且與血糖恢復的效果一致，即SDF-3>SDF-1>SDF-2，其中SDF-3-M組和SDF-1-M組恢復效果也最明顯。

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

羥自由基非常活潑，反應速率常數很高，在生物體內進攻細胞膜而致其損傷[18]。由于細胞膜的主要成分磷脂中含有較多不飽和脂肪酸，最容易發生脂質過氧化反應，而脂質的過氧化和細胞損傷的發生，可引起人體衰老和心臟病、動脈粥樣硬化、癌化、炎癥、糖尿病等疾病[19,20]。研究表明氧化應激與糖尿病等疾病的發病機制有關，氧化應激會導致糖尿病患者體內線粒體功能障礙引起活性氧和活性氮過量產生，進而造成骨骼肌細胞組織氧化損傷，干擾骨骼肌組織對葡萄糖的攝取[21-23]。超氧化物歧化酶活性升高，說明機體的抗氧化功能得到增強。

膳食纖維含有羧基、羥基和氨基等側鏈基團，可以作為供氫體與自由基反應，終止自由基的鏈式反應[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，改變陽離子的瞬間濃度，起稀釋作用，從而對消化道的pH值、滲透壓及氧化電位產生影響，抑制氧化反應的進行[25]。本試驗結果證明，3種不同分子質量、不同劑量的水溶性大豆皮膳食纖維對糖尿病模型小鼠具有一定增強其抗氧化的效果，超氧化物歧化酶可以緩解因糖尿病所致的氧化損傷，并也會受到3種膳食纖維的單糖的組成及性質如黏性、吸附性等的影響。3種膳食纖維對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，抗氧化能力恢復效果較MC組沒有呈現顯著性。

膳食纖維的分子質量大小對脂代謝也具有影響[3]。本試驗結果顯示，在對糖尿病模型小鼠給予3種不同分子質量、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的影響。劑量組對TC、TG、LDL-C降低、和對HDL-C升高，仍然是SDF-1、SDF-3的效果較SDF-2為優，同樣也說明可能存在果糖聚合的支鏈或片段、果糖含量高的多糖對脂代謝影響更強。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，說明SDF-1在胃和小腸部位對膽固醇的吸附性能最強，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，這些性質能夠促進其形成凝膠網絡結構，延緩了脂質向胃腸道黏膜表面擴散的時間，還可以包裹油脂分子，從而使SDF-1、SDF-3具有較好的調節脂代謝的能力。SDF-2因單糖的組成中果糖含量最低、對膽固醇吸附效果最弱，導致其對糖尿病模型小鼠脂代謝異常的緩解效果最差，尤其是對HDL-C升高無顯著性。

4 結論

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葡萄糖的耐受力。較糖尿病模型對照組，所有劑量組小鼠的血糖降低、體重恢復、肝臟指數和腎臟指數的降低、對糖耐受能力的提高、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能力；而SDF-1在pH 2.0、pH 7.0下吸附膽固醇能力均最強，使得SDF-1具有較好的調節脂代謝的能力。

本研究結果表明膳食纖維多糖的分子質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，可進一步加強研究，開發具有適合的分子質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品，指導膳食纖維產品的開發利用。