仝海英(1970~),女,漢族,山東籍,副主任護(hù)師
谷物β-葡聚糖對(duì)代謝的影響
仝海英綜述,高繼東審校
(青海大學(xué)附屬醫(yī)院)
DOI:10.13452/j.cnki.jqmc.2015.03.013
谷物β-葡聚糖對(duì)代謝的影響是近年來學(xué)界新關(guān)注到的一個(gè)問題,產(chǎn)生了一些新的學(xué)說或觀點(diǎn),本文就此加以綜述。
β-葡聚糖是膳食纖維中的一種成分類型,是重要的谷物非淀粉多糖,主要存在于大麥和燕麥中,據(jù)報(bào)道[1],每100g干重大麥含β-葡聚糖為2~20 g,燕麥為3~8 g,明顯高于高粱(1.1g~6.2g)、玉米(0.8g~1.7g)、麥子(0.5g~1.0g)和大米(0.13g)。青稞是大麥的變種,俗稱裸大麥(Hull-less or naked barley),主要分布于我國(guó)青藏高原,具有很高的β-葡聚糖含量:約為4.96%~7.62%[2-3]。
β-葡聚糖是以混合的(1→3)、(1→4)-β-糖苷鍵連接形成的線性D型葡萄糖聚合物,它具有水溶性并在較低濃度下就可以形成很高的粘稠度。它在小腸內(nèi)既不能被消化也不能被吸收,但易受結(jié)腸微生物環(huán)境的發(fā)酵。近期,Andrade EF等[4]對(duì)β-葡聚糖在糖尿病患者血糖水平影響方面進(jìn)行了綜合分析,他從2013年以前發(fā)表的819篇文獻(xiàn)中選擇了針對(duì)糖尿病人個(gè)體(1型和2型)的10篇文獻(xiàn)(在這些研究中,β-葡聚糖均來自燕麥,進(jìn)食的方式無論是與食物混合或以純?chǔ)?葡聚糖的形式,以及使用的劑量和實(shí)驗(yàn)的期限都未作嚴(yán)格限制),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,每人每天服用6.0 g β-葡聚糖持續(xù)至少4周就足以引起血糖水平以及血脂參數(shù)的改善,不過,單獨(dú)使用β-葡聚糖并不能使血糖水平恢復(fù)正常,低劑量β-葡聚糖(3.0g)持續(xù)服用12周可使代謝獲益亦有報(bào)道。作者認(rèn)為上述結(jié)果顯示出服用β-葡聚糖能夠有效降低糖尿病患者的血糖水平,較大劑量或較小劑量只要長(zhǎng)期服用都會(huì)產(chǎn)生好結(jié)果。對(duì)高β-葡聚糖大麥?zhǔn)称返难芯恳囡@示類似結(jié)果。Brockman DA等[5]檢測(cè)了Zucker糖尿病肥胖鼠服用含有6%β-葡聚糖的大麥面粉的效應(yīng),六周后顯示大麥面粉組糖化血紅蛋白下降,糖耐量實(shí)驗(yàn)曲線下面積減少,肝重減輕,肝脂含量下降,肌肉肉堿脂酰(acylcarnitines)含量升高。Tian MJ等[6]將40只C57BL/6小鼠分為4組:高劑量組(4%β-葡聚糖和高脂飲食)、低劑量組(2%β-葡聚糖和高脂飲食)、高脂飲食組和正常對(duì)照組,12周時(shí)檢測(cè)結(jié)果顯示,β-葡聚糖組降低了血清葡萄糖和血清脂質(zhì)以及胰島素抵抗指數(shù)。與此研究相同,Lingxiao Gong等[7]給喂飼蔗糖高脂食物的雄性Sprague-Dawley鼠加服西藏裸大麥,15周后與加服精制小麥面粉的大鼠相比,其體重、血脂水平和胰島素抵抗均減少。對(duì)44個(gè)高膽固醇血癥的日本男性觀察顯示,其中每日服用伴有7 g β-葡聚糖大麥粉的人,12周后他們的血清Tch和LDL-C水平顯著低于飲食為大米的對(duì)照組。不僅如此,內(nèi)臟脂肪面積、腰圍及BMI也均下降,提示代謝綜合征將會(huì)受益于β-葡聚糖[8]。研究表明,血糖、胰島素的反應(yīng)狀態(tài)受到β-葡聚糖服用劑量的明顯影響,呈現(xiàn)出一種線性依賴關(guān)系。對(duì)10個(gè)健康自愿者(1男9女)服用含β-葡聚糖2 g、4 g和6 g的50 g碳水化合物,結(jié)果顯示血糖指數(shù)(Glucemic Index GI)分別為83.7、58.3、63.6,胰島素指數(shù)(Insulin Index II )為75.0、57.6、51.1。[9]Jenkins AL等[10]認(rèn)為在服用50 g碳水化合物時(shí)每克β-葡聚糖能減少GI4個(gè)單位。Tappy L等[11]在三次早餐中,讓2型糖尿病患者服用含β-葡聚糖4.0 g、6.0 g 、8.4 g的早餐,與對(duì)照者相比,隨β-葡聚糖量值升高,早餐后血糖和胰島素水平顯著下降。
β-葡聚糖對(duì)血脂亦呈現(xiàn)出獨(dú)特的效果,含β-葡聚糖大麥?zhǔn)称犯深A(yù)心血管風(fēng)險(xiǎn)因素的薈萃分析顯示[12],在4~12周期間每日平均服用β-葡聚糖5 g,與對(duì)照組相比,顯著減少了具有不同飲食特點(diǎn)人群的總膽固醇(Tch)0.30mmol/L和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)0.27 mol/L,但甘油三酯(TG)和高密度脂蛋白(HDL)未受影響。另一個(gè)薈萃分析顯示[13],參加者接受了每天含有7 g β-葡聚糖的大麥?zhǔn)称罚鋵?duì)Tch、LDL-C和TG產(chǎn)生有益作用,但HDL-C無改變。服用燕麥粗粉和燕麥糠分別為28 g、56 g、84 g持續(xù)6周的成年人研究結(jié)果顯示,84 g燕麥粉,56 g和84 g燕麥糠使LDL-C比對(duì)照組分別下降10.1%和15.9%、11.5%。其中56 g燕麥糠引起的降低幅度顯著大于56 g燕麥粉的降脂作用[14]。作者認(rèn)為這充分說明高β-葡聚糖含量的燕麥糠是LDL-C降低的原因,支持β-葡聚糖具有獨(dú)立降低LDL-C的作用。Queenan KM等[15]在75例伴有高膽固醇血癥的成年人中進(jìn)行了隨機(jī)控制研究,一組接受每日6 g的濃縮燕麥β-葡聚糖,另一組接受每日6 g葡萄糖作為飲食添加劑,共服六周,β-葡聚糖組的血清Tch-C和LDL-C值比基線值平均分別顯著下降0.3 mmol/L,且LDL-C的減少值明顯大于對(duì)照組。
目前認(rèn)為β-葡聚糖對(duì)機(jī)體所產(chǎn)生的上述作用起源于其理化特性[1]。由于可溶性,β-葡聚糖形成了粘性液體,隨著粘性程度的提高,延遲了胃內(nèi)食物的排空,遲滯了隨后的消化和吸收。在小腸,很高的消化粘度降低了消化酶的彌散,并刺激非移動(dòng)水層形成,降低了葡萄糖向腸細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)。Yu K等[16]采用超聲心動(dòng)圖觀察了糖尿病患者在服用相等能量、容量,不含或含有可溶性膳食纖維(燕麥β-葡聚糖7.5g)飲料時(shí)胃排空與血糖和胰島素的關(guān)系顯示,膳食纖維延遲的胃排空與餐后血糖和胰島素反應(yīng)呈顯著負(fù)相關(guān)。近期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究顯示[17],小腸中高分子量與濃度的燕麥β-葡聚糖提高了抑制葡萄糖擴(kuò)散和葡萄糖吸收的作用。腸粘膜中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和Na/K-ATP酶的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性在葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中隨著燕麥β-葡聚糖的添加比對(duì)照組顯著下降,同時(shí)高分子量燕麥β-葡聚糖對(duì)腸道的雙糖酶活性具有很大的抑制效果。與此類似,在含8.9 g β-葡聚糖飲食中加入葡萄糖,服用三天后顯示外源性葡萄糖在血漿中的顯現(xiàn)較無β-葡聚糖的對(duì)照組降低21%[18]。Wood PJ等[19]觀察健康成人在口服50 g葡萄糖情況下,β-葡聚糖粘度的對(duì)數(shù)與葡萄糖和胰島素反應(yīng)之間表現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系,這種關(guān)系顯示在葡萄糖和胰島素反應(yīng)變化的因素中粘度所起的作用可能占79%~96%。
大腸內(nèi)的酸堿度和溫度對(duì)細(xì)菌的繁殖極為適宜,一些研究認(rèn)為,可溶性飲食纖維在大腸中受到厭氧細(xì)菌的分解發(fā)酵所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acids SCFA)可能對(duì)血糖和胰島素的改變有影響。這些SCFA,如丙酸(propionic acid)、丁酸(butyric acid)通過過氧化物酶增值激活受體(PPAR)γ,提高了肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(GLUT-4)的表達(dá)。對(duì)喂飼高熱量飲食的12只雄性有卒中傾向的自發(fā)性高血壓大鼠(SHRSP)的研究顯示,糖耐量實(shí)驗(yàn)后可溶性纖維(Psyllium)添加組血糖水平較對(duì)照組顯著降低,而胰島素分泌水平無顯著不同,但前者骨骼肌漿膜面GLUT-4的表達(dá)明顯提高[20]。
對(duì)β葡聚糖降低血清膽固醇水平的機(jī)制亦存在這兩種認(rèn)識(shí)。多數(shù)研究者認(rèn)為β-葡聚糖在胃腸道的粘性提高了膽汁酸的排泄和降低了膽汁酸的吸收。Zhang JX等[21]對(duì)9個(gè)實(shí)施了回腸造瘺術(shù)患者的飲食添加了低飲食纖維(4.9g/日,麥面粉)或高飲食纖維(29g/日,燕麥粉),經(jīng)過六周的交叉設(shè)計(jì)觀察,顯示高纖維飲食者平均每天膽汁酸的排泄量顯著大于低纖維飲食者。與此類似,Lia A等[22]也給9個(gè)回腸造瘺的患者不同類型的四種食料:1)燕麥糠(含β-葡聚糖12.5g);2)燕麥糠加β-葡聚糖酶(含3.8gβ-葡聚糖);3)大麥(含13.0gβ-葡聚糖);4)小麥(含1.2gβ-葡聚糖),每種食料添加到患者的基礎(chǔ)飲食中連續(xù)服用2天。結(jié)果加服燕麥糠者24小時(shí)的膽汁酸排泄比燕麥糠加β-葡聚糖酶者提高53%,也顯著高于服用大麥和小麥?zhǔn)沉险?。同時(shí)服用大麥者平均每天排泄的膽固醇也比服用燕麥糠加β-葡聚糖酶和小麥者明顯升高。膽汁酸的排泄增多促進(jìn)了肝臟從周圍循環(huán)中獲取膽固醇合成膽汁酸的功能。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,是一些可溶性纖維包括β-葡聚糖在腸道被發(fā)酵所產(chǎn)生的SCFA影響了脂代謝。如丙酸鹽已經(jīng)顯示出顯著抑制合成膽固醇的限速酶羥甲基戊二酸單酰CoA還原酶(HMG- CoA 還原酶)效果。為了區(qū)別β-葡聚糖酵解和結(jié)合膽汁酸降低膽固醇的機(jī)制,Jiezhong Chen等[23-24]提出,除了伴隨糞便排出的膽汁酸和膽固醇指標(biāo)外還應(yīng)測(cè)定HMG-COA還原酶及膽固醇7α-羥化酶(Cholesterol 7α-hydroxylase,CYP7A1)活性。由于β-葡聚糖通過其特性在腸道結(jié)合膽汁酸降低了膽汁酸的重吸收及返回肝臟,肝臟膽汁酸濃度的減少將激活7α-羥化酶,此酶具有使膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸作用,這一過程導(dǎo)致肝細(xì)胞膽固醇含量減少而上調(diào)低密度脂蛋白(LDL)受體合成和加速低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)由血液轉(zhuǎn)運(yùn)至肝細(xì)胞內(nèi)。同時(shí),細(xì)胞內(nèi)減少的膽固醇也會(huì)上調(diào)肝細(xì)胞HMG-COA還原酶的合成。近期Li-Tao Tong等[25-26]研究了阿拉伯樹膠(Arabinoxylan AX)和裸大麥β-葡聚糖對(duì)膽固醇代謝的影響。他們對(duì)具有高膽固醇血癥的倉(cāng)鼠分別喂食含AX( 5g/Kg)、5‰裸大麥β-葡聚糖和5‰燕麥β-葡聚糖的實(shí)驗(yàn)食物30天,顯示除降低血漿膽固醇效應(yīng)外,還提高總的脂質(zhì)、膽固醇和膽酸的糞便排泄,減少肝臟HMG-COA 還原酶及提高7α-羥化酶的活性,并且提高了結(jié)腸總的SCFAs及丙酸鹽的含量。這些結(jié)果可能體現(xiàn)了雙重作用的機(jī)制。
研究表明,β-葡聚糖的粘性效應(yīng)與其分子結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。Wood PJ等[27]對(duì)其既往完成的粘度與血糖改變關(guān)系的臨床資料進(jìn)行了重新分析,他發(fā)現(xiàn)血糖的變化與β-葡聚糖分子量的對(duì)數(shù)和濃度對(duì)數(shù)之間有著顯著的聯(lián)系。為了驗(yàn)證β-葡聚糖的粘性效應(yīng)受控于分子量和數(shù)量,2010年,Wolever TM等[28]完成了345例的多中心臨床研究。方差分析顯示,Log(分子量× 數(shù)量)是LDL-C改變的決定因素。研究認(rèn)為伴有高分子量(2210000g/mol)或中等分子量(530000g/mol)的3 g燕麥β-葡聚糖能降低LDL-C,約0.2mmol/L(5%),當(dāng)分子量被減致210000 g/mol,其有效性將減少50%。Kim HJ[29]等則通過燕麥β-葡聚糖體外(in vitro)結(jié)合膽汁酸和發(fā)酵顯示,具有(2.42~1.61×105)g/mol分子量的β-葡聚糖能結(jié)合最大數(shù)量的膽汁酸,24小時(shí)發(fā)酵后,分子量為(3.48~0.87×105)g/mol的β-葡聚糖中所形成的總SCFA沒有差別,而高分子量(6.87×105g/mol)和最低分子量(0.46×105g/mol)的β-葡聚糖產(chǎn)生總的SCFA數(shù)量最低。由此他提出,in vitro能有效降膽固醇的最佳β-葡聚糖分子量范圍是(2.42~1.61×105)g/mol。進(jìn)一步研究提示[30],β-葡聚糖的分子量,所含低聚糖的比值[纖維三糖(DP3)/纖維四糖(DP4),纖維聚糖(DP)≥5的數(shù)量及β-(1-4)/β-(1-3)鍵比值]都能影響到燕麥的粘性。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)今后培育和應(yīng)用谷物β-葡聚糖將是有益的。
參考文獻(xiàn)
[1]Khoury DE,Cuda C,Luhovyy BL,et al.Beta glucan:health benefits in obesity and metabolic syndrome.J Nutr Metab,2012,(pubmed,PMCID:3236515).
[2]Zheng X,Li L,Wang Q.Distribution and molecular characterization of β-glucan from hull-less barley bran,shorts and flour[J].Int J Mol Sci,2011,12(3):1563-1574.
[3] 陳麗華,王燕春.青海省青稞地方品種β-葡聚糖含量分析[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào),2012,30(3):34-38.
[4]Andrade EF,Lobato RV,de Araújo TV,et al.Effect of beta-glucan in the control of blood glucose levels of diabetic patients:a systematic review[J].Nutrition Hosp,2015,31(1):170-177.
[5]Brockman DA,Chen X,Gallaher DD.Cosumption of a high β-glucan barley flour improves glucose control and fatty liver and increases muscle acylcarnitines in the Zucker diabetic fatty rat[J]. Eur J Nutr,2013,52(7):1743-1753.
[6]Tian MJ,Song JN,Liu PP,et al.Effects of beta glucan in highland barley on blood glucose and serum lipid in high fat-induced c57 mouse[J].Zhonghua yu fang yi xue za zhi,2013,47(1):55-58.
[7]Lingxiao Gong,Lingyun Gong,ying Zhang.Intake of Tibetan hull-less barley is associated with a reduced risk of metabolic related syndrome in rats fed high-fat-sucrose diets[J].Nutrients,2014,6(4):1635-1648.
[8]Shimizu C,Kihara M,Aoe S,et al.Effect of high β-glucan barley on serum cholesterol concentrations and visceral fat area in Japanese men -a randomized,double-blinded,placebo-controlled trial[J].Plant food for human nutrition,2008,63(1):21-25.
[9]Makelainen H,Anttia H,Sihvonen J,et al.The effect of β-glucan on the glycemic and insulin index[J].European Journal of clinical nutrition,2007,61(6):779-785.
[10]Jenkins AL,Jenkins DJA,Zdravkovic U,et al.Depression of the glycemic index by high levels of β-glucan fiber in two functional foods tested in type 2 diabetes[J].European journal of clinical nutrition,2002,56(7):622-628.
[11]Tappy L,Gügolz E,Würsch P.Effects of breakfast cereals containing various amounts of β-glucan fibers on plasma glucose and insulin responses in NIDDM subjects[J].Diabetes care,1996,19(8):831-834.
[12]Abumweis SS,Jew S,Ames NP. Beta-glucan from barley and its lipid-lowering capacity:a meta-analysis of randomized,controlled trials[J].European journal of clinical nutrition,2010,64(12):1472-1480.
[13]Talati R,Baker WL,Pabilonia MS,et al.The effects of Barley-derived soluble fiber on serum lipids[J]. Annals of family medicine,2009,7(2):157-163.
[14]Davidson MH,Dugan LD,Burns JH,et al.The hypocholesterolemic effects of β-glucan in oatmeal and oat bran.A dose-controlled study[J].Journal of the American medical association,1991,265(14):1833-1839.
[15]Queenan KM,Stewart ML,Smith KN,et al.Concentrated oat β-glucan,a fermentable fiber,lowers serum cholesterol in hypercholemic adults in a randomized controlled trial[J].Nutrition journal.2007,6:6:(PMCID:1847683).
[16]Yu K,Ke MY,Li WH,et al.The impact of soluble dietary fibre on gastric emptying,postpradial blood glucose and insulin in patients with type 2 diabetes[J].Asia pac J clin Nutr,2014,23(2):210-218.
[17]Zhang Y,Zhang H,Wang L,et al.The effect of oat β-glucan on in vitro glucose diffusion and glucose transport in rat small intestine[J].J sci food agric,2015,(pubmed,PMID:25639602).
[18]Battilana P,Ornstein K,Minehira K,et al.Mecanisms of action of β-glucan in postpradial glucose metabolism in healthy men[J].European journal of clinical nutrition,2001,55(5):327-333.
[19]Wood PJ,Braaten JT,Scott FW,et al.Effect of dose and modification of vscous properties of oat gum on plasma glucose and insulin following an oral glucose load[J].Br J Nutr,1994,72(5):731-743.
[20]Song YJ,Sawamura M,Ikeda K,et al,Soluble dietary fiber improves insulin sensitivity by increasing muscle GLUT-4 content in stroke-prone spontaneously hypertensive rats[J].Clinical and experimental pharmacology and physiology,2000,27(1-2):41-45.
[21]Zhang JX,Hallmans G,Andersson H,et al.Effect of oat bran on plasma cholesterol and bile acid excretion in nine subjects with ileostomies[J].American journal of clinical nutrition,1992,56(1):99-105.
[22]Lia A,Hallmans G,Sandberg A.S,et al.Oat beta-glucan increases bile acid excretion and a fiber-rich bareley fraction increases cholesterol excretion in ileostomy subjects.Am.J[J].Clin.Nutr,1995,62:1245-1251.
[23]Chen J,Gislette T,Huang XF.The role of molecular weight and viscosity of oat β-glucan in hypocholesterolemic effect[J].American society for nutrition,2010,92(6):1538.
[24]Chen J,Huang XF.The effects of diets enriched in beta-glucan on blood lipoprotein concentrations[J].J Clin Lipidol,2009,3(3):154-158.
[25]Tong LT,Zhong K,Liu L,et al.Effects of dietary wheat bran arabinoxylans on cholesterol metabolism of hypercholesterolemic harmsters[J].Carbohydr polym,2014,112:1-5.
[26]Tong LT,Zhong K,Liu L,et al.Effects of dietary hull-less barley β-glucan on the cholesterol metabolism of hypercholesterolemic hamsters[J].Food chemistry,2015,15(169):344-349.
[27]Wood PG,Beer MU,Butler G,et al.Evaluation of role of cocentraction and molecular weight of oat beta-glucan in determing effect of viscosity on plasma glucose and insulin following an oral glucose load[J].British Journal of Nutrition,2000,84(1):19-23.
[28]Wolever TM,Tosh SM,Gibbs AL,et al.physicochemial properties of oat β-glucan influence its ability to reduce serum LDL cholesterol in humans:a randomized clinical trial[J].The American J of Clinical Nutrition,2010,92(4):723-732.
[29]Kim HJ,White PJ.Optimizing the molecular weight of oat β-glucan for in vitro bile acid binding and fermentation[J].J Agric Food Chem,2011,59(18):10322-10328.
[30]Lin Y,White P.Molecular weight and structure of water soluble(1→3)(1→4)-β-glucans affect pasting properters of oat flours[J].J Food Sci,2011,76(1):68-74.
收稿日期2015-01-03