富硒小球藻提取物对高脂饮食大鼠体重及血糖的影响

杨欣宇,袁佳佳,朱于鹏,傅 琴,莫开菊*

(1.湖北民族大学 生物与食品工程学院,湖北 恩施 445000;2.恩施硒圣植物科技有限公司,湖北 恩施 445000)

近几十年来,受西方国家饮食和生活方式的影响,全球范围内尤其是西方国家中饮食性肥胖的人数逐步攀升[1]。其中由不健康饮食(如高脂、高糖、低纤维)导致的肥胖尤其值得重视,高脂饮食不仅会导致体重超重,更可能会引起机体脂质代谢紊乱,从而引发高脂血症和糖尿病,对躯体健康造成巨大影响[2]。

硒是一种重要的微量营养素,对于人体健康和生存至关重要。研究表明,硒在预防肥胖[3]和调节血糖[4-5]方面起重要作用,硒蛋白可能是治疗2型糖尿病以及动脉粥样硬化的新靶点[6-7]。富硒小球藻是一种单细胞绿藻,营养丰富,具有热量低、蛋白高等特点,且培养不需要占用大片耕地,因此在开发绿色添加剂、功能性食品、保健食品等方面具有较大的潜力[8]。Gómez-Jacinto等[9]利用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪(high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry,HPLC-ICP-MS)对富硒小球藻体内外的硒代谢物和硒蛋白形态进行研究。结果表明,添加富硒小球藻做饲料的小白鼠比单纯喂养基础饲料的小白鼠血清中的硒含量和硒蛋白含量均有升高。李茜等[10]针对现代人多吃少动、高血脂患者日益增多的情况,对富硒螺旋藻的作用进行验证,结果表明使用富硒螺旋藻喂养的小鼠血脂水平下降,同时免疫力和抗癌能力均有提高。因此,富硒小球藻兼具硒与小球藻的营养保健功能,是值得推广的富硒原料。

一些学者已经对硒剂量与肥胖、糖尿病之间的关系进行了研究。Li等[3]给小鼠分别喂100、200、400mg/kg的富硒绿茶多糖,发现显著减轻了高脂饮食引起的小鼠肥胖和相关代谢紊乱。Zhang等[11]用硒含量为0.83μg/kg的低剂量亚硒酸钠与硒含量为8.33μg/kg的高剂量亚硒酸钠给高脂血症大鼠灌胃,发现大鼠体重并无明显变化,但肝重与肝脏系数均显著降低了。Gao等[12]发现富硒红茶在减轻高脂饮食喂养的SD(Sprague-Dawley)大鼠的高血糖和胰岛素抵抗方面比缺硒红茶的疗效更好,但未能更好地消除脂肪堆积。姚雪琼[13]通过建立妊娠期糖尿病模型,在实验组用20μg/kg硒溶液灌胃,发现实验组大鼠的孕期增重与对照组相比无明显差异,且血糖显著降低。翟盼盼[14]通过饲喂高糖高脂饲料建立小鼠糖尿病模型,实验组用剂量为200、400、600mg/kg的硒多糖(硒含量为0.84mg/kg)给糖尿病小鼠灌胃,发现与对照组相比各浓度剂量组均可缓解糖尿病小鼠的胰岛素抵抗症状,同时降低血糖,并存在量效关系。然而关于硒对血糖的影响研究结果并不完全相同,如Steinbrenner等[15]和Vinceti等[16]都曾发现高剂量摄入硒时,反而会导致糖尿病的发生。

硒的摄入应该适量,过量会导致硒中毒[17],过少则达不到理想效果。在以往研究中发现硒抑制高脂饮食所致超重和血糖升高的效果并不明确,主要是有效剂量和剂量依赖性方面研究较少。因此,就不同剂量富硒小球藻提取物对高脂饮食大鼠体重及血糖的不同影响展开研究,拟为膳食预防或控制肥胖、糖尿病以及富硒小球藻的推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物

健康雄性SD大鼠60只,鼠龄为8周,体质量为200±20g,购于辽宁长生生物技术股份有限公司,实验动物生产许可证号为SCXK(辽)2020-0001,清洁级证书编号为210726220101596013。室温饲养,相对湿度为45%～60%,12h/12h昼夜光照循环,所有大鼠均自由摄食及饮水[18]。

1.2 饲料

普通大鼠维持饲料、高脂饲料(在普通维持饲料中添加20.0%蔗糖、15.0%猪油、1.2%胆固醇、0.2%胆酸钠,适量的酪蛋白、磷酸氢钙、石粉)[19],饲料均购于武汉剑悦生物科技有限公司。饲料的能值和主要成分如表1所示。由表1可知,普通大鼠维持饲料与高脂饲料的硒含量相同,后者的能量值、脂肪含量高于前者,蛋白质、碳水化合物含量则低于前者。

表1 普通大鼠维持饲料与高脂饲料能值和主要成分Tab.1 Energy values and main components of maintenance feed and high-fat feed for common rats

1.3 主要材料

富硒小球藻提取物(硒含量为3069mg/kg)、无硒小球藻提取物(硒含量为10mg/kg)。材料使用酶解提取法,过程如下:将小球藻干物质与20%～30%的水混合,浸泡30min后用30%的磷酸溶液调节pH值为4.0±0.2,加入纤维素酶、果胶酶、蛋白酶,酶解时间为2h,升温至70℃暂停30～60min并提高搅拌转速,继续升温至90～100℃并保持2h,同时全力开启搅拌乳化泵,将灭活液装入管式离心机以10000r/min转速进行固液分离,离心至少30min,固体残渣按照1∶1的体积比加水,在120℃条件下蒸煮40min,重复离心,将离心液混合后进行冷冻干燥,得到小球藻提取物。

1.4 仪器

电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司,BSA124S);超净工作台(上海博讯医疗生物仪器股份有限公司,SW-CJ-2FD)。

1.5 方法

1.5.1 分组 实验大鼠购回后以普通饲料喂养1周,空腹称重后随机分为6组,每组10只,分别为空白对照(control diet,CD)组、模型对照(high fat-diet,HFD)组、低剂量富硒小球藻提取物(low-dose selenium diet,LSD)组、中剂量富硒小球藻提取物(middle-dose selenium supplement diet,MSD)组、高剂量富硒小球藻提取物(high-dose selenium diet,HSD)组、无硒小球藻提取物(selenium-free chlorella diet,SFCD)组,同组一笼饲养。其具体分组及处理情况如表2所示[20]。由表2可知,除CD组为普通大鼠维持饲料饲喂外,其余5组均为高脂饲料饲喂。CD、HFD组灌胃方式相同,其他4组灌胃方式不同。

表2 大鼠分组及处理Tab.2 Rats grouping and handling

1.5.2 实验过程 实验期间,每隔2d更换1次垫料,保证笼内清洁。大鼠自由饮水与进食,每天同一时间段进行灌胃,每日记录大鼠的摄食量,每3日记录大鼠体重。在灌胃60d后,次日处理(禁食不禁水,过夜)大鼠,采用吸入乙醚麻醉的方法进行麻醉,对大鼠称重,眼球取血后脱臼处死,用血糖试纸检测空腹血糖(fasting blood glucose,GLU),肝脏和附睾脂肪分别称重记录[21]。

1.5.3 脏器指数及附睾脂肪系数 脏器指数及附睾脂肪系数计算公式如下:

A=(B/W)×100%,

C=(D/W)×100%,

其中,W为体重,单位为g;A为脏器系数;B为脏器湿重,单位为g;C为附睾脂肪系数;D为附睾脂肪湿重,单位为g。

1.5.4 统计学方法 所有数据结果以均值±标准差(x±s)表示,使用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析,采用单因素方差分析方法进行组间均值比较,P<0.05为差异有统计学意义,使用Origin 2018作图。

2 实验结果

2.1 大鼠生长情况

整个实验过程中,动物房环境控制良好、干净整洁,温度、湿度均处于正常范围。各组大鼠生活和精神状况良好,正常进食进水,活动自如,对外界刺激反应迅速,无腹泻。各组大鼠粪便的颜色为黑褐色,形状为长颗粒状,尿液正常,均无死亡现象。

2.1.1 每日摄食量、能量摄入、硒摄入量 不同组别平均每只大鼠实验过程中摄食量的变化如图1所示。由图1可知,实验过程中各组大鼠的摄食量均随着饲养时间的加长而呈现增加趋势,CD组大鼠的摄食量显著高于所有高脂组(P<0.05),这是由于高脂饲料中提供的能量高于普通饲料。高脂饮食的5组大鼠中,HFD、LSD、SFCD组大部分时间摄食量高于MSD、HSD组,表明富硒小球藻提取物对大鼠的摄食量及食欲有一定影响。

不同组别平均每只大鼠实验过程中能量摄入情况的变化如图2所示。由图2可知,各组大鼠的能量摄入水平均随着饲养时间的加长而呈现增加趋势,HFD与LSD组的能量摄入水平略高于其余各组,SFCD组与MSD、HSD组能量摄入水平相同。在整个实验过程中,各组之间能量摄入水平相差不大,表明虽然各组大鼠摄食量不同,但日均摄入能量水平相近,不同剂量的富硒小球藻提取物不会影响大鼠的能量摄入水平。

不同组别大鼠日均硒摄入量如图3所示。由图3可知,CD、HFD、SFCD组大鼠硒摄入来源主要为饲料,故以上3组硒摄入量较低,日均硒摄入量在20μg/kg以下;LSD、MSD、HSD组大鼠硒摄入来源为饲料和富硒小球藻提取物,日均硒摄入量在60～220μg/kg之间。各组大鼠从饲料中获取硒的量基本相同,所以不同实验组与对照组硒摄入量差别主要来源于富硒小球藻提取物。

2.1.2 体重 不同组别平均每只大鼠体重变化如图4所示。由图4可知,在整个实验周期内,前30d各组大鼠的体重增长趋势基本相同,36d以后CD组大鼠的体重增长较缓慢,HFD、SFCD组大鼠体重依旧增长较快,LSD、MSD、HSD组增长速度介于CD组与HFD组之间。说明不同硒剂量的富硒小球藻提取物能够在不同程度上抑制高脂饮食大鼠体重的增长速度。

图3 不同组别大鼠日均硒摄入量

不同组别平均每只大鼠体重变化数据如表3所示。由表3可知,实验结束时,HFD、SFCD组大鼠体重显著高于CD组(P<0.05);LSD、MSD、HSD组大鼠体重低于HFD、SFCD组但高于CD组,其中HSD组体重最低。与HFD组相比,LSD、MSD、HSD、SFCD组大鼠体重分别降低了1.06%、5.33%、6.37%、0.46%。结果表明富硒小球藻提取物对高脂饮食造成的体重增加具有抑制作用,而无硒小球藻提取物则效果不明显。

表3 不同组别平均每只大鼠体重变化数据Tab.3 Values of average weight change per rat in different groups

2.2 血糖指数与脏器指数

各组大鼠脏器湿重及脏器指数如图5所示。由图5可知,CD组的大鼠肝重、附睾脂肪重、肝脏指数、附睾脂肪系数均低于其他各组。与HFD组相比,SFCD组大鼠肝重降低了6.87%,附睾脂肪重降低了13.71%;LSD、MSD、HSD组大鼠肝重分别降低了7.03%、8.17%、13.19%,附睾脂肪重分别降低了20.10%、26.67%、27.71%;表明无硒小球藻提取物与富硒小球藻提取物均能控制大鼠的肝重及附睾脂肪重,但富硒小球藻的效果更佳。在所有高脂组中,SFCD组大鼠的肝脏指数最低,附睾脂肪系数介于LSD与HFD之间,可能是因为无硒小球藻提取物能够控制大鼠肝重与附睾脂肪重,但不能控制大鼠体重。在所有富硒小球藻提取物组中,随着硒剂量的增加,大鼠肝重、肝脏指数呈现一定的下降趋势,HSD组大鼠附睾脂肪重和附睾脂肪系数最低,与CD组相近。表明高脂饮食使脏器指数与附睾脂肪系数增加,富硒小球藻提取物能够控制肝脏指数和附睾脂肪系数,HSD组效果较明显。

图5 各组大鼠脏器湿重及脏器指数

各组大鼠血糖指数如图6所示。由图6可知,CD组大鼠的血糖指数低于所有高脂饮食组大鼠;SFCD组大鼠血糖指数比MSD组高,比HFD组低,说明无硒小球藻提取物有降低血糖效果,但效果不如同等剂量的富硒小球藻提取物。在富硒小球藻提取物组的大鼠中,随着硒剂量的增加,血糖指数呈现下降趋势,HFD组血糖指数高于其余各组;LSD、MSD、HSD组大鼠血糖指数处于同一水平。与HFD组相比,LSD、MSD、HSD组大鼠血糖指数分别降低了18.06%、21.34%、28.30%。结果表明富硒小球藻提取物有降低血糖的效果,且具有剂量依赖性,但血糖与其剂量的关系值得进一步探究。

2.3 相关性分析

进一步探究硒摄入量与大鼠摄食量、体重、脏器指数及血糖情况的关联,对其进行皮尔逊相关性分析。为保证饲料类型一致,选取HFD、LSD、MSD、HSD组进行相关性分析。

硒摄入量与摄食量、能量摄入均有负面影响,皮尔逊相关系数均为-0.1673,但无相关性(P>0.05)。硒摄入量与体重的皮尔逊相关系数为-0.3325,且检验值P小于0.05,说明硒摄入量的增加对减轻高脂饮食大鼠体重具有显著抑制作用,在实验剂量范围内,硒摄入量越高,高脂饮食大鼠的体重增长越缓慢。实验期间虽然每组实验大鼠体重均呈增长趋势,但相比之下,HFD组体重增长最大,HSD组体重增长最小,且体重增长与硒摄入量具有量效关系。肝重、肝脏指数与硒摄入量呈极显著负相关(P<0.01),皮尔逊相关系数分别为-0.4891、-0.4092;同理附睾脂肪重、附睾脂肪系数与硒摄入量呈显著负相关(P<0.05),皮尔逊相关系数分别为-0.4073、-0.3842。说明硒对肝重及附睾脂肪均有明显的抑制作用,硒可通过抑制大鼠肝重与体内脂肪堆积减轻高脂饮食大鼠体重,且均存在量效关系。硒摄入量与血糖指数的皮尔逊相关系数为-0.4201,检验值P小于0.01,说明硒摄入量对血糖升高存在极显著抑制作用,在实验所用硒剂量范围内,血糖指数随着硒摄入量的增加而降低。

3 讨论与结论

实验以富硒小球藻提取物为原料,其低、中、高组硒剂量为50、100、200μg/kg,CD、HFD、LSD、MSD、HSD组的实际硒摄入量分别为12.99、10.95、60.99、110.66、210.81μg/kg。研究发现接受高脂饮食与无硒小球藻提取物的大鼠体重明显增加,而接受高脂饮食与富硒小球藻提取物的大鼠体重增加幅度较小,与HFD组相比,LSD、MSD、HSD组大鼠体重分别降低了1.06%、5.33%、6.37%,肝重分别降低了7.03%、8.17%、13.19%,有研究表明硒的摄入会促进氧化与糖代谢,导致大鼠体重及肝重下降[22]。进一步分析发现,接受富硒小球藻提取物的大鼠附睾脂肪组织含量较低,与HFD组相比,LSD、MSD、HSD组大鼠附睾脂肪重分别降低了20.10%、26.67%、27.71%,而SFCD组仅降低了13.71%。Nido[23]的研究表明富硒益生菌的摄入可以显著改善高脂饮食诱导肥胖老鼠的脂质分布和氧化状态,这是由于硒下调了参与脂质代谢的基因表达水平。此外,研究还发现接受高脂饮食的大鼠血糖水平明显升高,而接受硒补充的大鼠血糖水平升高幅度较小,与HFD组相比,LSD、MSD、HSD组大鼠血糖指数分别降低了18.06%、21.34%、28.30%。姚雪琼[13]研究发现接受硒补充的大鼠胰岛素敏感性较高,胰岛素的分泌和利用效率也较高,说明硒可能通过调节胰岛素信号通路减轻了高脂饮食对血糖的影响。最后,相关性分析结果表明硒摄入量与大鼠体重、血糖呈显著、极显著负相关,与摄食量无显著相关性,说明硒剂量与抑制高脂饮食所致的肥胖与血糖升高效果存在明显量效关系,硒剂量越高效果越好且不通过抑制摄食量实现。因此,富硒小球藻提取物可能通过调节脂肪代谢和脂肪、血糖代谢合成的方式减轻了高脂饮食对体重的影响[24-25]。

总之,无硒小球藻提取物与硒剂量为50～200μg/kg的富硒小球藻提取物均能使高脂饮食大鼠的生理指标发生有益变化,影响效果与硒剂量有关,硒剂量为200μg/kg的效果最好。这些研究结果表明硒的摄入可以降低高脂饮食所带来的肥胖和高血糖风险,为进一步探索硒调节高脂饮食所致的肥胖和高血糖的作用机理提供了理论基础。