谷物β-葡聚糖对代谢的影响

仝海英(1970～)，女，汉族，山东籍，副主任护师

谷物β-葡聚糖对代谢的影响

仝海英综述，高继东审校

(青海大学附属医院)

DOI：10.13452/j.cnki.jqmc.2015.03.013

谷物β-葡聚糖对代谢的影响是近年来学界新关注到的一个问题，产生了一些新的学说或观点，本文就此加以综述。

β-葡聚糖是膳食纤维中的一种成分类型，是重要的谷物非淀粉多糖，主要存在于大麦和燕麦中，据报道[1]，每100g干重大麦含β-葡聚糖为2～20 g，燕麦为3～8 g，明显高于高粱(1.1g～6.2g)、玉米(0.8g～1.7g)、麦子(0.5g～1.0g)和大米(0.13g)。青稞是大麦的变种，俗称裸大麦(Hull-less or naked barley)，主要分布于我国青藏高原，具有很高的β-葡聚糖含量：约为4.96%～7.62%[2-3]。

β-葡聚糖是以混合的(1→3)、(1→4)-β-糖苷键连接形成的线性D型葡萄糖聚合物，它具有水溶性并在较低浓度下就可以形成很高的粘稠度。它在小肠内既不能被消化也不能被吸收，但易受结肠微生物环境的发酵。近期，Andrade EF等[4]对β-葡聚糖在糖尿病患者血糖水平影响方面进行了综合分析，他从2013年以前发表的819篇文献中选择了针对糖尿病人个体(1型和2型)的10篇文献(在这些研究中，β-葡聚糖均来自燕麦，进食的方式无论是与食物混合或以纯β-葡聚糖的形式，以及使用的剂量和实验的期限都未作严格限制)，统计结果表明，每人每天服用6.0 g β-葡聚糖持续至少4周就足以引起血糖水平以及血脂参数的改善，不过，单独使用β-葡聚糖并不能使血糖水平恢复正常，低剂量β-葡聚糖(3.0g)持续服用12周可使代谢获益亦有报道。作者认为上述结果显示出服用β-葡聚糖能够有效降低糖尿病患者的血糖水平，较大剂量或较小剂量只要长期服用都会产生好结果。对高β-葡聚糖大麦食品的研究亦显示类似结果。Brockman DA等[5]检测了Zucker糖尿病肥胖鼠服用含有6%β-葡聚糖的大麦面粉的效应，六周后显示大麦面粉组糖化血红蛋白下降，糖耐量实验曲线下面积减少，肝重减轻，肝脂含量下降，肌肉肉碱脂酰(acylcarnitines)含量升高。Tian MJ等[6]将40只C57BL/6小鼠分为4组：高剂量组(4%β-葡聚糖和高脂饮食)、低剂量组(2%β-葡聚糖和高脂饮食)、高脂饮食组和正常对照组，12周时检测结果显示，β-葡聚糖组降低了血清葡萄糖和血清脂质以及胰岛素抵抗指数。与此研究相同，Lingxiao Gong等[7]给喂饲蔗糖高脂食物的雄性Sprague-Dawley鼠加服西藏裸大麦，15周后与加服精制小麦面粉的大鼠相比，其体重、血脂水平和胰岛素抵抗均减少。对44个高胆固醇血症的日本男性观察显示，其中每日服用伴有7 g β-葡聚糖大麦粉的人，12周后他们的血清Tch和LDL-C水平显著低于饮食为大米的对照组。不仅如此，内脏脂肪面积、腰围及BMI也均下降，提示代谢综合征将会受益于β-葡聚糖[8]。研究表明，血糖、胰岛素的反应状态受到β-葡聚糖服用剂量的明显影响，呈现出一种线性依赖关系。对10个健康自愿者(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，结果显示血糖指数(Glucemic Index GI)分别为83.7、58.3、63.6，胰岛素指数(Insulin Index II )为75.0、57.6、51.1。[9]Jenkins AL等[10]认为在服用50 g碳水化合物时每克β-葡聚糖能减少GI4个单位。Tappy L等[11]在三次早餐中，让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，与对照者相比，随β-葡聚糖量值升高，早餐后血糖和胰岛素水平显著下降。

β-葡聚糖对血脂亦呈现出独特的效果，含β-葡聚糖大麦食品干预心血管风险因素的荟萃分析显示[12]，在4～12周期间每日平均服用β-葡聚糖5 g，与对照组相比，显著减少了具有不同饮食特点人群的总胆固醇(Tch)0.30mmol/L和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)0.27 mol/L，但甘油三酯(TG)和高密度脂蛋白(HDL)未受影响。另一个荟萃分析显示[13]，参加者接受了每天含有7 g β-葡聚糖的大麦食品，其对Tch、LDL-C和TG产生有益作用，但HDL-C无改变。服用燕麦粗粉和燕麦糠分别为28 g、56 g、84 g持续6周的成年人研究结果显示，84 g燕麦粉，56 g和84 g燕麦糠使LDL-C比对照组分别下降10.1%和15.9%、11.5%。其中56 g燕麦糠引起的降低幅度显著大于56 g燕麦粉的降脂作用[14]。作者认为这充分说明高β-葡聚糖含量的燕麦糠是LDL-C降低的原因，支持β-葡聚糖具有独立降低LDL-C的作用。Queenan KM等[15]在75例伴有高胆固醇血症的成年人中进行了随机控制研究，一组接受每日6 g的浓缩燕麦β-葡聚糖，另一组接受每日6 g葡萄糖作为饮食添加剂，共服六周，β-葡聚糖组的血清Tch-C和LDL-C值比基线值平均分别显著下降0.3 mmol/L，且LDL-C的减少值明显大于对照组。

目前认为β-葡聚糖对机体所产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体，随着粘性程度的提高，延迟了胃内食物的排空，迟滞了随后的消化和吸收。在小肠，很高的消化粘度降低了消化酶的弥散，并刺激非移动水层形成，降低了葡萄糖向肠细胞的转运。Yu K等[16]采用超声心动图观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纤维(燕麦β-葡聚糖7.5g)饮料时胃排空与血糖和胰岛素的关系显示，膳食纤维延迟的胃排空与餐后血糖和胰岛素反应呈显著负相关。近期动物实验研究显示[17]，小肠中高分子量与浓度的燕麦β-葡聚糖提高了抑制葡萄糖扩散和葡萄糖吸收的作用。肠粘膜中葡萄糖转运体和Na/K-ATP酶的葡萄糖转运活性在葡萄糖转运的过程中随着燕麦β-葡聚糖的添加比对照组显著下降，同时高分子量燕麦β-葡聚糖对肠道的双糖酶活性具有很大的抑制效果。与此类似，在含8.9 g β-葡聚糖饮食中加入葡萄糖，服用三天后显示外源性葡萄糖在血浆中的显现较无β-葡聚糖的对照组降低21%[18]。Wood PJ等[19]观察健康成人在口服50 g葡萄糖情况下，β-葡聚糖粘度的对数与葡萄糖和胰岛素反应之间表现出显著的线性关系，这种关系显示在葡萄糖和胰岛素反应变化的因素中粘度所起的作用可能占79%～96%。

大肠内的酸碱度和温度对细菌的繁殖极为适宜，一些研究认为，可溶性饮食纤维在大肠中受到厌氧细菌的分解发酵所产生的短链脂肪酸(Short-chain fatty acids SCFA)可能对血糖和胰岛素的改变有影响。这些SCFA，如丙酸(propionic acid)、丁酸(butyric acid)通过过氧化物酶增值激活受体(PPAR)γ，提高了肌细胞、脂肪细胞对葡萄糖转运体4(GLUT-4)的表达。对喂饲高热量饮食的12只雄性有卒中倾向的自发性高血压大鼠(SHRSP)的研究显示，糖耐量实验后可溶性纤维(Psyllium)添加组血糖水平较对照组显著降低，而胰岛素分泌水平无显著不同，但前者骨骼肌浆膜面GLUT-4的表达明显提高[20]。

对β葡聚糖降低血清胆固醇水平的机制亦存在这两种认识。多数研究者认为β-葡聚糖在胃肠道的粘性提高了胆汁酸的排泄和降低了胆汁酸的吸收。Zhang JX等[21]对9个实施了回肠造瘘术患者的饮食添加了低饮食纤维(4.9g/日，麦面粉)或高饮食纤维(29g/日，燕麦粉)，经过六周的交叉设计观察，显示高纤维饮食者平均每天胆汁酸的排泄量显著大于低纤维饮食者。与此类似，Lia A等[22]也给9个回肠造瘘的患者不同类型的四种食料：1)燕麦糠(含β-葡聚糖12.5g)；2)燕麦糠加β-葡聚糖酶(含3.8gβ-葡聚糖)；3)大麦(含13.0gβ-葡聚糖)；4)小麦(含1.2gβ-葡聚糖)，每种食料添加到患者的基础饮食中连续服用2天。结果加服燕麦糠者24小时的胆汁酸排泄比燕麦糠加β-葡聚糖酶者提高53%，也显著高于服用大麦和小麦食料者。同时服用大麦者平均每天排泄的胆固醇也比服用燕麦糠加β-葡聚糖酶和小麦者明显升高。胆汁酸的排泄增多促进了肝脏从周围循环中获取胆固醇合成胆汁酸的功能。另一种观点认为，是一些可溶性纤维包括β-葡聚糖在肠道被发酵所产生的SCFA影响了脂代谢。如丙酸盐已经显示出显著抑制合成胆固醇的限速酶羟甲基戊二酸单酰CoA还原酶(HMG- CoA 还原酶)效果。为了区别β-葡聚糖酵解和结合胆汁酸降低胆固醇的机制，Jiezhong Chen等[23-24]提出，除了伴随粪便排出的胆汁酸和胆固醇指标外还应测定HMG-COA还原酶及胆固醇7α-羟化酶(Cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)活性。由于β-葡聚糖通过其特性在肠道结合胆汁酸降低了胆汁酸的重吸收及返回肝脏，肝脏胆汁酸浓度的减少将激活7α-羟化酶，此酶具有使胆固醇转化为胆汁酸作用，这一过程导致肝细胞胆固醇含量减少而上调低密度脂蛋白(LDL)受体合成和加速低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)由血液转运至肝细胞内。同时，细胞内减少的胆固醇也会上调肝细胞HMG-COA还原酶的合成。近期Li-Tao Tong等[25-26]研究了阿拉伯树胶(Arabinoxylan AX)和裸大麦β-葡聚糖对胆固醇代谢的影响。他们对具有高胆固醇血症的仓鼠分别喂食含AX( 5g/Kg)、5‰裸大麦β-葡聚糖和5‰燕麦β-葡聚糖的实验食物30天，显示除降低血浆胆固醇效应外，还提高总的脂质、胆固醇和胆酸的粪便排泄，减少肝脏HMG-COA 还原酶及提高7α-羟化酶的活性，并且提高了结肠总的SCFAs及丙酸盐的含量。这些结果可能体现了双重作用的机制。

研究表明，β-葡聚糖的粘性效应与其分子结构有着密切的关系。Wood PJ等[27]对其既往完成的粘度与血糖改变关系的临床资料进行了重新分析，他发现血糖的变化与β-葡聚糖分子量的对数和浓度对数之间有着显著的联系。为了验证β-葡聚糖的粘性效应受控于分子量和数量，2010年，Wolever TM等[28]完成了345例的多中心临床研究。方差分析显示，Log(分子量× 数量)是LDL-C改变的决定因素。研究认为伴有高分子量(2210000g/mol)或中等分子量(530000g/mol)的3 g燕麦β-葡聚糖能降低LDL-C，约0.2mmol/L(5%)，当分子量被减致210000 g/mol，其有效性将减少50%。Kim HJ[29]等则通过燕麦β-葡聚糖体外(in vitro)结合胆汁酸和发酵显示，具有(2.42～1.61×105)g/mol分子量的β-葡聚糖能结合最大数量的胆汁酸，24小时发酵后，分子量为(3.48～0.87×105)g/mol的β-葡聚糖中所形成的总SCFA没有差别，而高分子量(6.87×105g/mol)和最低分子量(0.46×105g/mol)的β-葡聚糖产生总的SCFA数量最低。由此他提出，in vitro能有效降胆固醇的最佳β-葡聚糖分子量范围是(2.42～1.61×105)g/mol。进一步研究提示[30]，β-葡聚糖的分子量，所含低聚糖的比值[纤维三糖(DP3)/纤维四糖(DP4)，纤维聚糖(DP)≥5的数量及β-(1-4)/β-(1-3)键比值]都能影响到燕麦的粘性。这些发现对今后培育和应用谷物β-葡聚糖将是有益的。

参考文献

[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] 陈丽华，王燕春.青海省青稞地方品种β-葡聚糖含量分析[J].青海大学学报，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