魔芋多糖膳食纖維特性及其對糖代謝作用研究

張樂樂, 張 雯, 陳 合, 陳江湖

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一組以血糖水平持續(xù)升高為特征的慢性代謝紊亂性疾病,常見為2型糖尿病[1].2型糖尿病的發(fā)病原因包括β細胞功能受損和胰島素抵抗,最終導(dǎo)致高血糖等癥狀[2,3].因此,降血糖成為干預(yù)和治療2型糖尿病的主要醫(yī)學(xué)手段[1,4,5].研究表明膳食纖維對降血糖,預(yù)防2型糖尿病有積極作用[6].S.Ou等[6]研究了水溶性和水不溶性膳食纖維對葡萄的吸附、擴散和對淀粉水解的抑制作用,認為膳食纖維可以降低血糖,并提出了膳食纖維的體外降糖機理.

魔芋是天南星科魔芋屬植物的泛稱,種類繁多[7].魔芋塊莖中不僅含有豐富的魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)，其含量高達50%，還含有少量的淀粉、蛋白質(zhì)及纖維素等[8]營養(yǎng)物質(zhì).KGM是一種從魔芋的塊莖中提取的天然大分子雜多糖,具有諸多有利于抑制機體血糖升高的理化特性,如持水性、增稠性、流變性、乳化性、凝膠性和成膜性等[9].李寧等[10]研究了復(fù)合膳食纖維如魔芋膳食纖維、玉米膳食纖維等對非糖尿病者的血糖影響,結(jié)果顯示健康受試者在復(fù)合膳食纖維作用下,餐后血糖峰值降低且血糖變化更加平緩.向明等[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)KGM預(yù)防給藥可以防止鏈脲霉素誘導(dǎo)的大鼠糖尿病發(fā)生;V.Vuksan等[12]研究了KGM和西洋參聯(lián)合治療Ⅱ型糖尿病的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)KGM可以增加胰島素敏感性,西洋參增加胰島素分泌,兩者互補,具有治療Ⅱ型糖尿病的潛力,可以作為糖尿病患者新的膳食選擇;R.D.Deuaraj等[13]證實KGM不僅可以降低糖尿病患者的血糖,還可以降低非糖尿病患者的血糖.劉紅[14]通過建立糖尿病小鼠模型,研究了KGM對糖尿病小鼠血糖的影響,結(jié)果證明KGM有明顯降低糖尿病小鼠血糖的作用,并能減少糖尿病小鼠飲水量.

本文基于魔芋多糖的膳食纖維特性,研究魔芋多糖的理化性質(zhì)及其對糖代謝影響作用機制.模擬體外腸道環(huán)境研究魔芋多糖對葡萄糖擴散的影響,建立葡萄糖在魔芋多糖體系中的擴散動力學(xué)模型,闡明魔芋多糖對機體糖代謝的影響作用機制,探索魔芋多糖降糖機理,為Ⅱ型糖尿病的預(yù)防、改善和膳食支持提供新的思路和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

魔芋纖維粉,湖北一致魔芋生物有限公司；乙二胺四乙酸二鈉,天津市天力化學(xué)試劑有限公司；α-淀粉酶(3 700 U/g),可溶性淀粉,阿卡波糖(Acarbose),大連美侖生物技術(shù)有限公司；葡萄糖測定試劑盒(葡萄糖氧化酶法),上海榮盛生物藥業(yè)有限公司.

1.2 實驗儀器

UV-5100紫外分光光度,上海元析儀器有限公司；TG16-WS臺式高速離心機,湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；HWS-12電熱恒溫水浴鍋,上海一恒科學(xué)儀器有限公司；HAAKE MARS 60動態(tài)流變儀,德國Thermo Scientific公司；Varioskan flash全波長掃描式多功能讀數(shù)儀,賽默飛世爾科技有限公司(芬蘭).

1.3 實驗方法

1.3.1 增稠性和流變性

參照文獻[15]的方法并適當(dāng)改進,用50 mL去離子水將一定質(zhì)量的KGM溶解,攪拌均勻,配制濃度為1%、2%、4%和6%的KGM溶液.采用動態(tài)流變儀測量KGM的增稠特性與剪切流變性質(zhì).吸取一定量的KGM溶液與錐板中,設(shè)置頻率1 Hz.設(shè)置溫度為25 ℃,剪切速率為100 s-1,測量各濃度KGM溶液的粘度,收集KGM溶液表觀粘度隨濃度變化數(shù)據(jù)；設(shè)置溫度為25 ℃,剪切速率為0.01～200 s-1,收集KGM溶液粘度與剪切應(yīng)力隨剪切速率變化數(shù)據(jù).

1.3.2 溶脹性

參照文獻[16]的方法并適當(dāng)改進.稱取0.100 g樣品(m0)于10 mL離心管中,加入10 mL去離子水,樣品放在37 ℃的恒溫環(huán)境中,每隔一段時間將樣品取出,離心、倒掉上清液,稱重(m1).離心條件：4 000 r/min,10 min,平行三次實驗.

(1)

式(1)中：SD-KGM的溶脹率(%)；m0-樣品吸水前重量(g);m1-樣品吸水后重量(g).

1.3.3 KGM對葡萄糖的擴散行為研究

參照文獻[4]的方法,分別在水分散液和人工腸液分散液中研究KGM對葡萄糖擴散的影響.

(1) KGM水分散液對葡萄糖擴散的影響

量取50 mL,100 mmol/L葡萄糖溶液置于四個燒杯中,分別加入2 mg/mL、4 mg/mL、6 mg/mL KGM,制成混懸液,裝入透析袋中,以500 mL水溶液作為擴散體系,并加入轉(zhuǎn)子控制一定的轉(zhuǎn)速,室溫條件下進行擴散,以未加KGM為對照組.擴散過程中,分別于5 min、10 min、20 min、30 min、50 min、70 min、90 min、120 min、150 min、180 min、240 min、300 min、360 min、480 min、600 min、780 min等時間取樣測定透析液中葡萄糖濃度,計算不同質(zhì)量分數(shù)KGM水分散液中葡萄糖擴散率Qt,以擴散時間t為橫坐標,以葡萄糖擴散率Qt為縱坐標,繪制不同質(zhì)量分數(shù)KGM水分散液中葡萄糖擴散曲線(Qt-t)及葡萄糖擴散速率曲線((dQt/dt)-t).

(2)

式(2)中:Qt-t時間不同質(zhì)量分數(shù)KGM分散液中葡萄擴散率(%)；Ct-擴散t時間透析液(水)中的葡萄濃度(mmol/L)；C1-擴散前透析袋中葡萄糖溶液濃度(mmol/L)；V1-擴散前透析袋中葡萄糖溶液的體積(mL)；V2-透析液(水)的體積(mL).

(3)

式(3)中: dQt/dt-不同質(zhì)量分數(shù)KGM中葡萄糖擴散速率(%/min)；t-擴散時間(min).

(2) KGM腸液分散液對葡萄糖擴散的影響

用人工腸液配制100 mmol/L 葡萄糖溶液50 mL置于四個燒杯中,分別加入2 mg/mL、4 mg/mL、6 mg/mL KGM制成混懸液,分別裝入透析袋中,以500 mL 人工腸液作為擴散體系,并加入轉(zhuǎn)子控制一定的轉(zhuǎn)速,室溫條件下擴散,以未加KGM為對照組.擴散過程中,分別于5 min、10 min、20 min、30 min、50 min、70 min、90 min、120 min、150 min、180 min、240 min、300 min、360 min、480 min、600 min、780 min等時間取樣測定透析液中葡萄糖濃度,計算不同質(zhì)量分數(shù)KGM腸液分散液中葡萄糖擴散率Qt,以吸附時間t為橫坐標,以KGM腸液分散液中葡萄糖擴散率Qt為縱坐標,繪制葡萄糖擴散曲線(Qt-t)及葡萄糖擴散速率曲線((dQt/dt)-t).

(4)

式(4)中:Qt-t時間不同質(zhì)量分數(shù)KGM分散液中葡萄擴散率(%)；Ct-擴散t時間透析液(人工腸液)中的葡萄濃度(mmol/L)；C1-擴散前透析袋中葡萄糖溶液濃度(mmol/L)；V1-擴散前透析袋中葡萄糖溶液的體積(mL)；V2-透析液(人工腸液)的體積(mL).

(5)

式(5)中:dQt/dt-不同質(zhì)量分數(shù)KGM中葡萄糖擴散速率(%/min);t-擴散時間(min).

1.3.4 葡萄糖的擴散動力學(xué)擬合

根據(jù)上述擴散曲線,分別按照零級釋放模型Qt=K0t+b0,一級釋放動力學(xué)Qt=K1·eαt+b1,Higuchi模型Qt=KH·t1/2+bH及Korsmeyer-Peppas模型Qt=K·tn對其進行擬合[17]，研究葡萄糖在KGM水分散液和腸液分散液中的擴散行為,建立擴散動力學(xué)模型.

1.3.5 KGM對α-淀粉酶的抑制作用

參照GB/T 24401-2009[18]測定方法,將質(zhì)量分數(shù)分別為8 mg/mL、10 mg/mL、12 mg/mL、14 mg/mL、16 mg/mL、18 mg/mL的KGM加入20 mL,20.0 mg/mL的淀粉溶液中,攪拌制成KGM淀粉溶液.分別加入pH6.0的磷酸緩沖液5 mL,60 ℃水浴條件下預(yù)熱8 min.預(yù)熱完成后立即加入0.1 mg/mL的α-淀粉酶溶液1 mL,搖勻,準確反應(yīng)5 min.反應(yīng)結(jié)束后立即吸取1 mL反應(yīng)液,加入預(yù)先盛有0.5 mL,0.1 mol/L鹽酸溶液和5 mL,0.70 mmol/L稀碘液的試管中,搖勻.觀察并記錄溶液顏色反應(yīng).隨后在全波長掃描式多功能讀數(shù)儀中660 nm波長下測定吸光值,由吸光值查找對應(yīng)的α-淀粉酶活力,計算KGM對α-淀粉酶的抑制率,繪制KGM對α-淀粉酶的抑制率曲線并根據(jù)擬合方程計算IC50值.用相同的方法以阿卡波糖進行實驗,作為陽性對照,阿卡波糖濃度為0.5 mg/mL、1.0 mg/mL、1.5 mg/mL、2.0 mg/mL、2.5 mg/mL、3.0 mg/mL,以去離子水代替KGM做空白對照.

(6)

式(6)中：c1-未加抑制劑時,α-淀粉酶活力(u/mL)；c2-加入抑制劑后,α-淀粉酶活力(u/mL).

1.3.6 KGM動態(tài)流變學(xué)研究

將KGM與50 mL去離子水?dāng)嚢枞芙?制備成2.0 mg/mL、4.0 mg/mL、6.0 mg/mL的KGM溶液.參照文獻[19]的方法,采用HAAKE MARS 60旋轉(zhuǎn)流變儀平板測量系統(tǒng)(直徑35 mm,間隙1 mm)測定KGM溶膠的動態(tài)流變學(xué)性質(zhì).吸取5 mL樣品置于平板中.設(shè)置溫度25 ℃,頻率1 Hz,應(yīng)變范圍為0.001%～100%并以對數(shù)方式遞增,確定KGM溶液的線性粘彈區(qū),經(jīng)實驗確定應(yīng)變?yōu)?%.固定溫度為25 ℃,剪切速率0.01～80 s-1,采集不同質(zhì)量分數(shù)KGM溶液的表觀黏度變化數(shù)據(jù).固定溫度25 ℃,在應(yīng)變4%的線性粘彈區(qū)范圍內(nèi)進行頻率掃描,掃描頻率為0.01～100 rad/s,測定KGM溶液的貯藏模量G′與損耗模量G″.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗采取三次平行實驗,結(jié)果以平均值±標準差的形式表現(xiàn),利用Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析和繪圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 KGM的流變性

由圖1可知,在高濃度條件下,隨著剪切速率增加,粘度逐漸降低,最后慢慢變平緩,在相同剪切速率下,KGM濃度越高,粘度越大,其粘度下降越快,這種現(xiàn)象反映了KGM具有典型的假塑性流體特征.由圖2知,剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增加,且KGM濃度越大,剪切應(yīng)力越大,呈現(xiàn)出非線性變化趨勢,該現(xiàn)象也說明了KGM具有典型的假塑性流體特征.

圖1 剪切速率對不同濃度KGM溶膠 粘度的影響

圖2 不同濃度KGM溶膠流變曲線

可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)KGM濃度越大,則KGM粘度度與剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系越明顯,此時KGM剪切稀化特性越顯著,假塑性流體特征越明顯.這是因為隨著KGM濃度的增加,使溶液中KGM分子密度增加,溶液中會形成大量氫鍵.由于非化學(xué)鍵的鍵能小,在剪切外力的作用下,KGM分子鏈或分子鏈段沿剪切力的方向伸展,氫鍵會受到破壞,因而表現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象,KGM也就具有了假塑性流體特征.

2.2 增稠性

由圖3可知,KGM的粘度隨著濃度的增加而呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,且濃度越大,其粘度也就越大,該結(jié)果說明,KGM具有很好的增稠效果.這是由于KGM是一種非離子型水溶性高分子多糖,含有豐富的羥基(-OH),易溶于水,吸水后體積可膨脹80～100倍,以及電中性等特性決定了其具有良好的增稠性.

圖3 KGM溶膠粘度隨濃度的變化曲線

2.3 溶脹性

由圖4可知,隨著時間的延長,KGM的溶脹性能越好,溶脹體積也越大,因其良好的吸水性,使得KGM能夠結(jié)合大量的水[20],吸水量可達其自身體積的40陪以上.這也使得KGM有了很好的延遲人體胃排空的作用,減少人體攝食量及攝食次數(shù),從而抑制機體血糖水平升高.

圖4 KGM溶脹曲線

2.4 KGM對葡萄糖擴散的影響

2.4.1 葡萄糖在KGM水分散液和腸液中的擴散

由圖5和圖6可知,一定質(zhì)量分數(shù)的KGM有抑制葡萄糖擴散的作用,且KGM的濃度越大其抑制效果越好,這是因為KGM中富含大量氫鍵,使其極易與水分子結(jié)合,從而具有很強的親水性和持水力[16].當(dāng)人體食用了KGM后,與水充分結(jié)合后膨脹,形成粘度大、流動性差的膠狀物質(zhì),從而可以增加食糜體系的體積,增加腸液的黏度,增大葡萄糖擴散阻力,同時氫鍵束縛葡萄糖分子,阻礙葡萄糖的擴散,從而減緩機體對葡萄糖的吸收,穩(wěn)定餐后血糖.

(a)葡萄糖在KGM水分散液中的擴散曲線Qt-t

(b)葡萄糖在KGM水分散液中的擴散速率曲線d(Qt-t)圖5 葡萄糖在KGM水分散液中的 擴散曲線和擴散速率曲線

(a)葡萄糖在KGM腸液分散液中的擴散曲線Qt-t

(b)葡萄糖在KGM腸液分散液中的擴散速率曲線d(Qt-t)圖6 葡萄糖在KGM腸液分散液中的 擴散曲線與擴散速率曲線

2.4.2 KGM在水分散液和腸液分散液中的動力學(xué)模型擬合

由圖7和圖8可知,葡萄糖無論是在水分散液中還是腸分散液中,其擴散行為均符合一級釋放動力學(xué)模型.動力學(xué)結(jié)果說明,KGM因其良好的吸水溶脹性使得葡萄糖在擴散過程中擴散阻力增加,擴散速率減小,形成粘度大、流動性差的混懸液還會包裹葡萄糖分子,從而阻礙了葡萄糖在人體腸道內(nèi)的擴散.

(a)葡萄糖在KGM水分散液中零級釋放動力學(xué)擬合曲線

(b)葡萄糖在KGM水分散液中一級釋放動力學(xué)擬合曲線

(c)葡萄糖在KGM水分散液中Higuchi模型擬合曲線

(d)葡萄糖在KGM水分散液中Korsmeyer-Peppas 模型擬合曲線圖7 葡萄糖在KGM水分散液中 擴散擬合曲線

(a)葡萄糖在KGM腸液分散液中零級釋放動力學(xué)擬合曲線

(b)葡萄糖在KGM腸液分散液中一級釋放動力學(xué)擬合曲線

(c)葡萄糖在KGM腸液分散液中Higuchi模型擬合曲線

(d)葡萄糖在KGM腸液分散液中Korsmeyer-Peppas 模型擬合曲線圖8 葡萄糖在KGM腸分散液中 擴散擬合曲線

2.5 KGM對α-淀粉酶的抑制作用

由圖9可知,KGM對α-淀粉酶抑制率隨著KGM濃度的增大而增加,KGM的質(zhì)量分數(shù)越大,對α-淀粉酶的抑制效果越好,其對α-淀粉酶的抑制特性與阿卡波糖一致.由表1可知,通過擬合曲線得到KGM的IC50為10.659 mg/mL,R2=0.984 7.該結(jié)果說明KGM對α-淀粉酶具有抑制作用,攝入一定量的KGM可以達到與阿卡波糖相同的抑制效果.

圖9 KGM/阿卡波糖對α-淀粉酶 的抑制率

表1 KGM/阿卡波糖對α-淀粉酶的抑制作用擬合方程

2.6 KGM的動態(tài)粘彈性

由圖10可知，隨著頻率的增加，KGM的儲能模量G′和損耗模量G″也隨之增加.這是因為此時溶液中KGM分子鏈還未來得及伸展，所以使儲能模量G′和損耗模量G″都增加.從圖可知，在掃描頻率范圍內(nèi)，低頻區(qū)G′﹤G″，高頻區(qū)G′﹥G″，且儲能模量G′和損耗模量G″會在某一個頻率值時有一個交點，隨著KGM濃度的增加，該頻率交點值逐漸降低，交點模量增大.可以發(fā)現(xiàn)，無論是高濃度還是低濃度，在頻率交點之前，儲能模量G′總是小于損耗模量G″，此時頻率交點值也成為兩種模量轉(zhuǎn)變的拐點，拐點之前，KGM溶膠以粘性為主，拐點之后以彈性為主.這是由于KGM濃度增大后，分子鏈間的纏結(jié)程度也會隨之增加，KGM與水結(jié)合成凝膠狀物質(zhì)，在剪切力的作用下，KGM溶液由粘性液體向彈性固體轉(zhuǎn)變.

(a)不同質(zhì)量分數(shù)KGM的彈性指數(shù)G′和粘性指數(shù)G″ 隨剪切頻率的變化曲線

(b)不同質(zhì)量分數(shù)KGM的復(fù)數(shù)黏度隨剪切頻率的變化曲線圖10 不同質(zhì)量分數(shù)KGM的動態(tài)粘彈性變化

3 結(jié)論

KGM作為一種水溶性膳食纖維,可以影響機體腸道內(nèi)的糖代謝,具有抑制人體餐后血糖水平升高的作用,其主要機制為：

(1)KGM富含纖維,幾乎不含熱量,糖尿病患者在食用KGM后,KGM不會增加患者血糖水平.

(2)因其很好的吸水溶脹性,KGM在體內(nèi)能夠吸水膨脹,增強人體飽腹感,延緩食物在胃腸道的消化,降低人體攝食量與攝食次數(shù),從而降低人體對葡萄糖的吸收量及吸收速度,達到抑制人體血糖水平的作用.

(3)KGM進入機體后,一方面因其良好的增稠性,會使得人體胃腸道環(huán)境粘度增大,從而增加了葡萄糖在胃腸道中的擴散阻力,降低葡萄糖的擴散速率,抑制了葡萄糖的擴散;另一方面,當(dāng)KGM的濃度達到一定值時,會形成粘度大、流動性差的KGM溶膠,可以包裹葡萄糖分子,降低機體內(nèi)葡萄糖濃度,減少機體對葡萄糖的吸收.

(4)KGM形成的溶膠可以降低α-淀粉酶的活力,包裹淀粉顆粒,阻礙淀粉水解,降低機體內(nèi)糖代謝,從而抑制人體血糖水平升高.

本研究闡明了KGM對機體腸道內(nèi)糖代謝的干預(yù)機制,為Ⅱ型糖尿病的膳食干預(yù)治療提供了理論依據(jù).