糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病,目前,病因和发病机理尚未完全认识。长期存在的高血糖会造成各种组织和器官,特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害和功能障碍,甚至导致器官衰竭,给人类健康和社会经济带来严重影响[1]。糖尿病是一个终身疾病,目前医学水平无法根除治愈,需要患者终身用药和治疗[2]。早期糖尿病往往症状不明显,不易被察觉,因此,早期糖尿病以干预生活方式为主。带病生存是所有糖尿病人群的现状,因此,寻找到一种能够缓解糖尿病、延缓并发症的发生进程的辅助性食品迫在眉睫。
链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)是一种被广泛用于实验动物中诱发糖尿病的化学物质,对动物的胰岛β细胞有选择性破坏作用,相比操作复杂的、周期长的基因动物,通过化学药物损伤胰岛功能,从而诱导糖尿病的操作简单、成本低、应用更广泛[3]。STZ对其他组织器官毒性相对较小,适量注射能诱导Ⅱ型糖尿病,造模成功率较高,是目前国内外应用最广泛的糖尿病模型化学诱导剂[4]。
目前,常见的降血糖药有磺脲类药物、双胍类药物、胰岛素增敏剂和α-葡萄糖苷酶抑制剂等。这些药物在治疗疾病的同时也会对身体产生一系列副作用,如头晕、头痛、呕吐、腹痛、肠胀气和腹泻等不良反应[5]。近年来的研究表明,益生菌食品具有一定的降糖功效,对糖尿病有一定的缓解作用。如Wang等[6]研究表明益生菌可以降低高血糖水平,改善餐后血糖及对葡萄糖的耐受作用,并减轻胰腺炎症,从而缓解糖尿病。罗龙龙等[7]证实乳酸菌可以通过降低胰岛水平,达到降血糖的目的,对糖尿病人有良好的治疗疗效。另有研究表明,乳酸菌发酵产生的某种活性物质对缓解糖尿病有一定的效果,谢玉锋等[8]的研究发现副干酪乳杆菌在发酵过程中,能将豆浆中的某些大分子物质降解产生小分子物质,而小分子物质的生物活性更强,具有更好的降血糖效果,同时通过抑制α-葡萄糖苷酶活性,减缓肠道生成葡萄糖的速度,达到降低血糖、缓解其病症的目的,从而预防和治疗糖尿病。
本实验中采用的副干酪乳杆菌TK1501(Lactobacillus paracasei TK1501)属于乳杆菌属,作为一种益生菌,具有增强免疫力、维持肠道菌群平衡、降血压、降血脂、降血糖和降胆固醇等功效[9]。大豆的营养成分非常丰富,其蛋白质含量非常高,除糖类较低外,其他营养成分,如脂肪、钙、磷、铁和维生素B1、维生素B2等人体必需的营养物质含量都较高,是一种理想的优质植物蛋白食物。Ascencio等[10]的研究结果指出,由于血液中的胰岛素可以由大豆蛋白通过影响胆固醇调控元件结合蛋白-1的表达来调控,因此,通过摄入一些含有大豆植物蛋白的食物能降低胆固醇和甘油三酯的积累预防脂肪肝。谢玉锋等[11]将来源于Lactobacillus paracasei TK1501的β-葡糖苷酶基因连接于表达载体pET28a(+)上,在 E.coli BL21 中进行表达,重组酶经镍离子亲和层析分离得到纯酶,实现了糖苷类物质的高效转化。Zhang等[12]研究发现β-葡糖苷酶有益于水解大豆异黄酮和合成糖苷,而水解后的大豆异黄酮有益于控制患者血浆胰岛素水平和葡萄糖水平,进而缓解糖尿病。
大豆粉是大豆经烘烤和粉碎制成的食品,因具有丰富的膳食纤维,能有效阻止糖的过量吸收,且含糖量较低、营养丰富、含有大量的卵磷脂,有一定的降血糖和降血脂的作用,适合作为糖尿病患者的日用性食品[13]。目前,针对利用副干酪乳杆菌发酵大豆粉治疗糖尿病的研究鲜有报道,本实验通过喂食小鼠L.paracasei TK1501发酵后的大豆粉,研究其对小鼠Ⅱ型糖尿病的干预作用,探讨其对糖尿病的作用效果。L.paracasei TK1501发酵大豆粉对糖尿病的干预作用具有重要的研究意义,实验结果为开发一款能够缓解糖尿病病症且不损害健康的日用性食品提供思路。
4周龄~5周龄级昆明雄鼠,体重(25±2)g:斯贝福(北京)生物技术有限公司;高糖高脂饲料(67%基础饲料+10%猪油+20%蔗糖+2.5%胆固醇+0.5%胆酸钠)、基础饲料:科澳协力饲料厂。
链脲佐菌素(USP级,98.5%,货号S17049)、肝糖原、胆固醇(totalcholestrol,TC)、甘油三酯(triglyceride,TG)、低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein,LDL-c)、高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein,HDL-c)检测试剂盒:南京建成生物工程研究所;柠檬酸(99.0%)、葡萄糖(99.8%):上海麦克林生化科技有限公司。
电子分析天平(AB204-S):梅特勒—托利多仪器(上海)公司;电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9240A):上海一恒科学仪器有限公司;台式高速离心机(GL20A):湖南湘仪离心机器有限公司;高效液相色谱仪(1200 Infinity):美国安捷伦公司;血糖仪及试纸(580型):江苏鱼跃医疗设备股份有限公司;酶标仪(1500型):赛默飞世尔科技公司。
1.3.1 菌种的制备
将保存于-80℃的L.paracasei TK1501以1%的接种量接种至5%脱脂奶粉液体培养基中,37℃培养24 h,连续活化3代后于4℃保存备用。
1.3.2 L.paracasei TK1501发酵大豆粉的制备
将活化后的L.paracasei TK1501种子液接种至大豆粉固体培养基[料液比 1∶0.6(g/mL)]中,37 ℃培养48 h后,于50℃烘箱干燥,控制含水量≤12%,制备L.paracasei TK1501发酵大豆粉。
1.3.3 小鼠建模与分组
取 4周龄~5周龄、体重(25±2)g的SPF级昆明雄鼠40只,随机分成4组(每组10只):空白组、模型组、L.paracasei TK1501发酵大豆粉组、未发酵大豆粉组。鼠房控制温度(22±2)℃,湿度50%~60%,昼夜循环,自由饮食饮水,基础饲料适应性饲养1周。1周后模型组、L.paracasei TK1501发酵大豆粉组、未发酵大豆粉组饲喂高脂高糖饲料3周。第4周起腹腔注射10 mg/mL STZ 75 mg/kg体重,注射前禁食12 h左右,连续注射3 d,建立糖尿病模型,同时,空白组注射柠檬酸缓冲溶液(0.1 mol/L,pH4.5)。建模后尾部采血随机测定小鼠血糖,血糖值>11.1 mmol/L即为建模成功。建模成功后以0.182 g/mL、0.4 mL的剂量分别利用L.paracasei TK1501发酵大豆粉、未发酵豆粉干预4周,模型组利用等量生理盐水灌胃。
1.3.4 小鼠形态观察
观察小鼠饮水量、饮食量、精神状态、毛发、排尿情况等,并记录。
1.3.5 小鼠体重的测定
实验开始后,每周同一时间对小鼠体重进行测定。
1.3.6 小鼠空腹血糖的测定
实验开始后,每周测定前小鼠隔夜禁食不禁水12 h,采用尾部采血的方式,测定其空腹血糖值。
1.3.7 小鼠糖耐量的测定
实验第9周小鼠隔夜禁食不禁水12 h,以2 g/kg的剂量灌胃20%葡萄糖溶液,尾部采血分别测定第0、15、30、60、90 min 和 120 min 时小鼠血糖值。
1.3.8 小鼠血液及组织采集
实验结束时,4组小鼠均隔夜禁食12 h后称重,采用眼球取血法收集血液标本,断颈处死。解剖并迅速取出胰腺、肝脏和肾脏于冰冷的生理盐水中冲洗。将血液样品在4℃条件下3 000×g离心10 min,收集血清置于-80℃保存备用。
1.3.9 肝脏中相关指标的测定
肝脏组织与0.1 mmol/L磷酸盐缓冲溶液按质量比1∶10的比例混匀,用匀浆机进行匀浆,10 000×g离心10 min,收集上清液,按照试剂盒说明书的步骤测定肝糖原的含量。
1.3.10 血脂指标的测定
利用试剂盒对血脂中的相关指标进行测定。
1.3.11 脏器组织病理学研究
将低温保存的胰腺、肝脏和肾脏进行H&E染色切片。
1.3.12 L.paracasei TK1501发酵大豆粉前后大豆异黄酮含量变化的测定
采用高效液相色谱法进行大豆异黄酮含量的测定,色谱条件:检测柱 Hypersil ODS2(C18)(200 mm×4.6 mm,5μm);流动相:甲醇+0.1%乙酸(体积分数),水+0.1%乙酸(体积分数);流速1 mL/min;柱温27℃;检测波长260 nm。采用黄豆苷、大豆苷元、染料木苷、染料木素、黄豆黄苷、黄豆黄素标准品对L.paracasei TK1501发酵大豆粉前后样品中的大豆异黄酮含量进行定量定性分析。
本实验中采用3次实验数据平均值,应用SPSS23.0软件进行统计分析,符合正态分布的计量资料以平均值±标准差表示,液相图谱使用自带的色谱工作站进行分析,采用邓肯氏新复极差法检验,p<0.05为差异具有统计学意义。
不同组别小鼠的形态见图1。
图1 不同组别小鼠的形态
Fig.1 Morphology of mice in different groups
由上至下分别为正常组、L.paracasei TK1501发酵大豆粉组、模型组。
空白组小鼠体型匀称,皮毛有光泽,饮食、饮水、排尿正常,行动机敏,精神状态较好。模型组小鼠体型消瘦,毛发稀疏且发黄,饮食、饮水量大,尿多,行动迟缓,反应迟钝。L.paracasei TK1501发酵大豆粉组小鼠体型与模型组相比较大,饮食、饮水量相对减少,排尿相对减少,行动、精神状态均有所改善,表明L.paracasei TK1501发酵大豆粉对STZ诱导的小鼠Ⅱ型糖尿病模型小鼠外观形态、生存状态等有明显的改善作用。
L.paracasei TK1501发酵大豆粉对小鼠体重的影响见图2。
图2 不同组别小鼠体重的变化
Fig.2 Changes in body weight of mouse in different groups
前3周空白组小鼠体重先上升,后呈逐渐趋于平缓的趋势,喂食高糖高脂饲料的小鼠体重不断增加。除空白组外,其余组别小鼠第4周开始连续3 d注射STZ,体重整体呈迅速下降的趋势。喂食L.paracasei TK1501发酵大豆粉组体重虽没有显著上升,但与模型组小鼠相比,下降趋势较平缓,初步判断L.paracasei TK1501发酵大豆粉对Ⅱ型糖尿病小鼠的体重下降具有轻微的缓解作用。
L.paracasei TK1501发酵大豆粉对小鼠血糖的影响见图3。
图3 不同组别小鼠血糖值的变化
Fig.3 Changes in blood glucose levels of mice in different groups
除空白组外,其余组别小鼠第4周开始连续注射STZ后血糖持续上升。第5周灌胃后,模型组小鼠血糖整体呈上升趋势;L.paracasei TK1501发酵大豆粉组小鼠血糖先缓慢上升,后逐渐下降,与模型组相比存在明显的下降趋势;未发酵大豆粉组血糖缓慢上升后逐渐趋于稳定,但仍远高于正常水平。进一步说明,L.paracaseiTK1501发酵大豆粉对小鼠血糖具有缓解作用。
口服葡萄糖耐量实验是一种葡萄糖负荷实验,用以了解胰岛β细胞功能和机体对血糖的调节能力,是确诊糖尿病的重要指标,当糖耐量出现异常时,可初步判定为糖尿病[14]。L.paracasei TK1501发酵大豆粉对小鼠糖耐量的影响见图4。
图4 不同组别小鼠血糖的变化
Fig.4 Changes in blood glucose of mice in different groups
*p<0.05与模型组相比差异显著。
由图4可见,小鼠经口服灌胃葡萄糖后,血糖值约在15 min~60 min达到最高值。对比不同组别小鼠血糖值的下降趋势发现,空白组小鼠在15 min时血糖值达到最高值,随后开始逐渐降低;L.paracasei TK1501发酵大豆粉组小鼠血糖值在30 min后迅速下降,120 min后血糖值下降更加明显,且逐渐趋于空白组水平;模型组小鼠的血糖值在60 min后虽存在下降趋势,但仍处于较高水平,且120 min后血糖值远高于正常血糖水平。上述结果表明,与模型组相比,L.paracasei TK1501发酵大豆粉对患病小鼠的葡萄糖耐受能力有显著的改善作用(p<0.05),糖耐量得到一定程度的恢复,从而反应胰岛功能得到好转。
肝糖原是一种由多葡萄糖聚合而成的物质,在调节血糖方面发挥着核心作用,主要储存于肝脏中,用于为机体提供能量[15-16]。肝糖原的合成和降解受胰岛素、胰高血糖素等激素的调控,当激素控制失调,糖原的分解和糖异生增加,就会导致糖尿病的发生,因此,糖尿病患者的肝糖原含量较健康人群相比往往较低[17]。L.paracasei TK1501发酵大豆粉对小鼠肝糖原的影响见图5。
图5 不同组别小鼠肝糖原含量
Fig.5 Liver glycogen content of mice in different groups
*p<0.05与模型组相比差异显著。
由图5可见,经STZ诱导的模型组小鼠糖原含量远低于空白组健康小鼠,表示模型组小鼠体内激素调节紊乱,肝脏受损,机体合成糖原的能力大大减小。经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预的小鼠糖原含量与模型组相比显著性升高(p<0.05)。推测可能是由于肝功能增强,并调控了肝脏对糖原的合成、储存、分解等代谢过程,从而减轻胰岛素抵抗,增强机体对胰岛素的利用,患病小鼠体内肝糖原增加[18]。
不同组别小鼠TC、HDL-c、LDL-c的变化见图6,不同组别中小鼠TG的含量见图7。
图6 不同组别小鼠TC、HDL-c、LDL-c的变化
Fig.6 Changes of TC,HDL-c and LDL-c in different groups of mice
**p<0.01表示与模型组相比差异极显著,##p<0.01表示与模型组相比差异极显著,△p<0.05表示与模型组相比差异显著。
图7 不同组别中小鼠TG含量
Fig.7 TG content of mice in different groups
总胆固醇(TC)是指血液中所有脂蛋白所含胆固醇之总和,即结合胆固醇和游离胆固醇的总和[19]。其中起关键作用的是高密度脂蛋白胆固醇(HDL-c),具有促进组织细胞内胆固醇的清除、维持细胞内胆固醇量的相对恒定的作用[20]。如图6所示,模型组小鼠体内TC、低密度脂蛋白(LDL-c)较健康小鼠大幅增加,而HDL-c明显减少。经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预的小鼠TC与模型组相比极显著降低(p<0.01),LDL-c显著降低(p<0.05),且 HDL-c极显著升高(p<0.01)。可见L.paracasei TK1501发酵大豆粉对小鼠TC、HDL-c和LDL-c具有调节作用,减轻脂肪代谢紊乱的发生,降低血糖控制的难度,进而缓解糖尿病对机体造成的危害。
甘油三酯(TG)是检测糖尿病的重要指标之一,TG过高会导致肝功能异常、增加诱发糖尿病的风险,从而危害身体健康[21-22]。如图7,喂食L.paracasei TK1501发酵大豆粉小鼠的TG虽然高于健康小鼠,但较模型组小鼠相比,存在明显的降低趋势,推测L.paracasei TK1501发酵大豆粉对降低小鼠TG存在积极作用,患病小鼠的肝功能因此有所改善,从而加强TG的代谢,延缓糖尿病的发展进程。
组织病理学检查结果如图8~图10所示。
图8 光学显微镜下不同组别小鼠胰腺组织病理切片(×200)
Fig.8 Histopathological sections of mice pancreatic tissue in different groups under light microscope(×200)
(a)空白组;(b)模型组;(c)L.paracasei TK1501 发酵大豆粉组;(d)未发酵大豆粉组。
图9 光学显微镜下不同组别小鼠肝脏组织病理切片(×200)
Fig.9 Pathological sections of liver tissues of different groups of mice under light microscope(×200)
(a)空白组;(b)模型组;(c)L.paracasei TK1501 发酵大豆粉组;(d)未发酵大豆粉组。
图10 光学显微镜下不同组别小鼠肾脏组织病理切片(×200)
Fig.10 Pathological sections of kidney tissues of different groups of mice under light microscope(×200)
(a)空白组;(b)模型组;(c)副干酪乳杆菌 TK1501 发酵大豆粉组;(d)未发酵大豆粉组。
图8(a)中空白组小鼠胰腺组织结构正常,边界分明,胰岛细胞排列整齐,无明显脱落现象和炎症细胞浸润现象;图8(b)中模型组小鼠胰腺组织结构边界模糊,胰岛细胞排列松散,甚至萎缩,胰腺组织损伤明显;图8(c)中经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预的小鼠胰腺组织结构与模型组相比较,胰岛细胞萎缩减少,损伤明显有所改善,炎症细胞浸润现象得到缓解。
图9(a)中空白组小鼠肝脏结构完整、清晰,肝细胞排列有序;图9(b)中模型组小鼠肝脏脂肪明显增加,受损严重,部分肝细胞出现坏死;图9(c)中经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预的小鼠肝脏脂肪减少、细胞结构相对清晰,损伤有所改善。
图10(a)中空白组小鼠肾脏组织结构正常,无炎性细胞,肾小球无病变;图10(b)中模型组小鼠肾脏出现炎性细胞,肾小球系膜细胞发生病变,肾小管上皮细胞出现脱落,肾脏受损严重;图10(c)中经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预的小鼠肾脏病变情况有所改善,损伤得到明显缓解。通过组织病理学检查显示,经L.paracasei TK1501发酵大豆粉干预后的糖尿病小鼠的胰腺、肝脏和肾脏的病理切片炎症均有所改善,对缓解患病小鼠脏器受损的情况效果显著。
大豆异黄酮是大豆或苜蓿等植物产生的黄酮类次级代谢产物,广泛存在于大豆及其制品中,具有抗氧化、抗肿瘤,缓解糖尿病等功效;但其有效成分主要以苷元型黄酮的形式存在,不易被人体消化和吸收[23]。大豆异黄酮中苷元型黄酮在人体内吸收程度远高于糖苷型黄酮,有益于控制糖尿病患者血浆中胰岛素水平和葡萄糖水平,从而达到控制糖尿病进程的目的[23]。利用L.paracasei TK1501对大豆粉进行发酵后,某些物质将结合型糖苷类黄酮转化为游离型苷元类黄酮,其糖苷类物质的含量均有所降低,苷元类物质的含量均有所增加,提高了机体对黄酮的利用效果。本实验利用高效液相色谱法对大豆粉中的黄酮类物质进行检测,结果如图11所示。
图11 L.paracasei TK1501发酵大豆粉前后大豆异黄酮含量变化
Fig.11 Changes of soybean isoflavone content before and after fermentation of L.paracasei TK1501 soybean meal
在利用L.paracasei TK1501发酵大豆粉前,大豆苷、黄豆黄苷、染料木苷的含量较高,发酵后大豆苷元、黄豆黄素、染料木素的含量分别提高了7.50、5.96、3.49 mg/100 g,表明L.paracasei TK1501可以利用糖苷型黄酮,并将其转化为易于人体吸收的苷元型黄酮,更有利于糖尿病患者食用。
糖尿病为慢性代谢性疾病之一,Ⅱ型糖尿病患者占糖尿病患者总数的90%以上,由于生活方式、环境、人口老化等多方面的因素导致其发病率逐年上升,尤其是Ⅱ型糖尿病的发生呈现越来越年轻化,35岁以上人群为高发人群,越来越多的人受到该疾病的困扰[24-25]。目前,Ⅱ型糖尿病的发病趋势不容乐观,是全球范围内发病率增长最快的疾病之一,糖尿病已成为全球性疾病,可能会使成年患者致死、致残[26]。糖尿病作为一种不可治愈的疾病,需终身服药,而药物的毒副作用会使患者损伤。因此,开发一款保健且副作用极小的保健食品迫在眉睫。
大豆及其制品在发酵后产生独特的香气,部分糖苷型黄酮被转化为苷元型黄酮,更容易被人体消化吸收。Otieno等[27]的研究结果表明,乳酸菌发酵大豆制品产生的异黄酮能降低血脂和血糖,具有预防心脑血管疾病等功能。Chen等[28]发现,在植物乳杆菌和副干酪乳杆菌混合厌氧固态发酵扁豆时表现出优异的DPPH自由基清除能力和氧化自由基吸收能力以及较低的α-葡萄糖苷酶活性,同时,抗氧化活性增强,相应的产品对Ⅱ型糖尿病患者有益。Khosravi等[29]的研究发现,发酵类黄豆制品在发酵过程中产生的金雀异黄素和大豆苷元,以剂量依赖的方式,增加胰岛素刺激细胞对葡萄糖的摄取,从而达到降低血糖的目的;同时发酵后的糖苷多酚通过β-葡萄糖苷酶的作用转化为苷元形式,这些转化能提高酚类化合物在人体肠道中的利用能力,从而产生更高的有益治疗效果,如抗癌、抗肥胖、神经保护和抗糖尿病等。因此,乳酸菌发酵大豆制品在糖尿病领域的应用和研究受到越来越多的科研人员的关注,已经成为热点。
本实验通过以L.paracasei TK1501发酵大豆粉对Ⅱ型糖尿病小鼠干预后发现,L.paracasei TK1501发酵大豆粉能够有效改善患病小鼠体重、血糖、糖耐量、肝糖原、胆固醇和甘油三酯等各项指标。数据显示,小鼠对葡萄糖的耐受能力显著提高,肝脏中肝糖原含量显著上升,同时,小鼠的各项血脂指标均得到显著改善。组织病理学分析结果显示,L.paracasei TK1501发酵大豆粉对患病小鼠的胰岛、肝脏和肾脏的损伤具有明显的改善效果,能够减轻病理学改变,尤其是肝脏脂肪、胰腺和肾脏炎性细胞明显减少。这些结果表明,L.paracasei TK1501发酵大豆粉对患病小鼠的脏器受损有改善作用。
综上所述,L.paracasei TK1501发酵大豆粉通过利用糖苷型黄酮转化为易于人体吸收的苷元型黄酮,辅助降血糖作用效果显著,是一款适合糖尿病患者食用且有益于辅助降血糖的食品。未来需进行进一步的研究,以确定L.paracasei TK1501发酵大豆粉对缓解Ⅱ型糖尿病发生和发展的其它活性物质和作用机制,为开发具有辅助降血糖功能的保健食品提供更广泛的思路。
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