FSHW | 3型抗性淀粉对高脂饮食小鼠模型的血脂水平和肠道微菌群的影响

Introduction

近年来，随着生活方式和饮食结构的改变，肥胖伴有高脂血症的发病率几乎在所有年龄段和社会经济群体中都有所上升。长期摄入高脂肪和高能量的饮食会导致脂肪堆积和体内的高血脂水平。特别是，高脂血症是糖尿病、动脉硬化和心血管疾病等慢性代谢性疾病的主要风险因素。为了应对这一流行病，控制和降低血清脂质水平是预防和治疗这些疾病的重要措施。一些已发表的研究证明，饮食干预措施，包括淀粉衍生的功能成分，可以安全、方便且以低成本的方式控制和改善肥胖。抗性淀粉（Resistant starch，RS）因其对高脂血症和相关代谢综合征的健康益处而受到相当大的关注。

3型抗性淀粉（RS3），也称为回生淀粉，是在食品生产和加工过程中形成的，且是人类饮食中抗性淀粉的主要成分。RS3是淀粉回生产生的，即淀粉链的再结晶，它发生在产品没有立即干燥时的糊化之后，淀粉结构从单链形成双螺旋。因此，RS3其在加热处理后仍能保持良好的抗酶稳定性。RS3可以作为一种低热量、高营养的功能性食品被广泛使用，具有很大的商业应用潜力。

西南大学食品科学学院陈湑慧博士、西南大学食品科学学院阚建全教授 在本文以RS3（Novelose 330）为研究对象，测定了昆明雄性小鼠的血清脂质状况、肠道环境、肠道微生物群的变化以及RS3的结构特征与体内生理功能之间的关系。为Novelose 330调节血清脂质水平和脂质代谢提供了新的认知。

Results

RS3的形态学分析

RS3样品的结晶学结构如图1A。在RS3的衍射图中，在2θ处21.8°观察到一个强峰，在5.423°、14.951°、16.776°、19.726°、21.837°、22.104°和23.887°观察到弱峰，呈现B型晶体结构，表明RS3的结晶度很高。如图1B所示，RS3颗粒具有光滑的表面和不均匀的褶皱结构。

图1 RS3的X射线衍射图（A）和扫描电子显微镜图（B）

血清脂质和肝脏脂质水平

不同饲料类型对小鼠血清脂质水平的影响如图2。BC组的TC、TG和LDL-C的血清水平明显高于NC组（P<0.05）。与BC组相比，RS3组的小鼠的TC和TG水平明显较低（P<0.05），但HDL-C水平较高（P<0.05）。动脉硬化和冠心病的风险由AI值反映。RS3组的AI值比BC组低（P<0.05）（表2）。相反，RS3组的AAI值明显高于BC组（P<0.05），与NC组相比没有明显差异。如表1所示，BC组小鼠的肝脏总重量、肝脏指数和肝脏脂肪含量都明显高于NC组（P<0.05）。与BC组相比，RS3组的肝脏总重量和肝脏脂肪含量明显下降（P<0.05），而肝脏指数没有明显的下降。

图2 不同饲料类型对小鼠血清脂质的影响

表1 不同饲料类型对小鼠动脉粥样硬化指数和肝脏脂肪的影响

不同组别小鼠的肝脏组织病理学分析

如图3所示，肝组织的组织病理学分析显示，NC组的细胞排列整齐，细胞核圆形明显（图3A）。然而，BC组小鼠的肝脏形态表现出无序的细胞结构，细胞质空泡化和脂滴堆积（图4B中的箭头所指）。相较而言，RS3组的肝脏脂滴堆积相对较少，说明RS3有效缓解了因高脂饮食引发的肝脏损伤。

图3 不同组别小鼠的肝脏组织病理学分析

不同组别小鼠的肝脏组织病理学分析

肠道被认为是一个“超级有机体”，含有丰富的肠道微生物，形成了一个动态和多样化的微生物群落。如图4A所示，BC组的肠道微生物群的α-多样性指数，包括观察到的物种、Chao1、Ace和Shannon指数，都明显低于NC和RS3组（P<0.05），表明小鼠肠道菌群的生物多样性因高脂饮食而减少。然而，三组中的辛普森指数没有显示出明显的差异。

在结肠内容物样品中鉴定了前五个菌群门类（图5B）。几乎所有的序列（占读数的95%以上）都属于以下五个门类。拟杆菌门、厚壁菌门、疣微菌门、变形菌门和放线菌门。其中，拟杆菌门、厚壁菌门在肠道菌群中占主要比例，但拟杆菌门和厚壁菌门的比例（B/F）随着不同的饮食干预而变化。在NC组，拟杆菌门的相对丰度（45.68%）高于厚壁菌门（33.53%）。然而，BC组中拟杆菌门的相对丰度为40.93%，低于厚壁菌门（43.28%）。RS3干预改变了拟杆菌门（46.13%）和厚壁菌门（40.44%）的比例。如图4C所示，在正常饮食、高脂饮食和RS3干预饮食的昆明小鼠中，B/F的比例分别为1.36、0.95和1.14。

在属水平上，对前10种最丰富的菌属进行了排序，以直观呈现肠道微生物群的相对丰度（图4D）。结果显示，一些优势菌属发生了巨大的变化，在喂养不同饮食的每组小鼠中显示出明显的差异。在属的层面上最明显的变化是在三个组中观察到的，包括拟杆菌属（NC、BC和RS3组的相对丰度分别为（10.94±1.30）%、（7.95±0.82）%和（8.53±1.12）%，瘤胃球菌属（相对丰度为分别为（0.55±0.05）%、（0.48±0.60）%和（4.61±0.20）%），乳酸菌属（相对丰度为（1.55±0.20）%、（6.85±0.50）%，和（6.57±0.34）%），双歧杆菌（NC、BC和RS3组的相对丰度分别为（1.09±0.20）%、（3.32±0.25）%和（4.61±0.32）%）。

此外，该研究重点关注短链脂肪酸生产者的肠道细菌属（图5），主要包括Lachnospiraceae_NK4A136_group、Blautia、Bifidobacterium、Ruminococcus_2、Ruminofilibacter和Roseburia，其中，Lachnospiraceae、Roseburia和Bifidobacterium是主要的丁酸盐生产菌。有趣的是，结果显示，所有这些细菌的丰度在RS3干预下都有明显的增加（P<0.05）。综上所述，与高脂饮食相比，RS3干预饮食可以显著促进SCFA生产者的生长和繁殖。

（A）肠道微生物群的α-多样性指数；（B）各组在门分类水平的菌群相对丰度；（C）拟杆菌门/厚壁菌门的相对丰度比（B/F）；（D）各组在属分类水平的菌群相对丰度。

图4 不同组别小鼠的肠道微生物群组成。

（A）Lachnospiraceae,（B）Blautia,（C）Bifidobacterium,（D）Ruminococcus_2,（E）Ruminofilibacter,（F）Roseburia。

图5 主要短链脂肪酸生产者的相对丰度。

综上所述，本文证明了RS3的降血脂作用，并表明RS3可以通过短期（4周）的RS3饮食补充来促进肠道健康。将肠道微生物群的变化与血清脂质水平以及短链脂肪酸的产生联系起来，进一步解释了RS3的有益作用。

第一作者

陈湑慧，女，现为西南大学食品科学学院的工学博士生，主要研究方向为抗性淀粉类碳水化合物的功效活性与应用；天然植物多糖的结构鉴定以及和功能活性之间的构效关系。在国内外期刊公开发表学术论文10余篇，第一作者论文6篇。

通信作者

阚建全，男，1965年生，博士，西南大学食品科学学院二级教授，博士和硕士研究生导师，现为农业农村部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室（重庆）主任，西南大学“食品科学与工程”一级学科博士学位授权点、重庆市重点一级学科“食品科学与工程”和重庆市“食品科学与安全优秀教学团队”的带头人；重庆市第二届学术技术带头人，重庆市 “322工程人才”第二层次人选，科学中国人（2015）年度人物，重庆市高层次人才“第三类”人选，重庆北碚区第二批“缙云英才”支持计划人选；四川省高层次人才计划特聘专家；重庆市政府的科技顾问，重庆市现代山地特色高效农业调味品产业技术体系创新团队带头人（首席专家）。中国热带作物学会香料饮料作物专业委员会，中国经济林协会加工利用分会副会长、中国农学会农产品加工及贮藏分会理事、重庆市营养学会副理事长。主编《Essentials of Food Chemistry》、《食品化学》等教材等6部，获教育部技术发明一等奖1项、中国食品技术学会技术发明一等奖1项、重庆市科技进步二等奖2项和三等奖4项，西藏自治区科学技术二等奖1项。主要研究食物资源的化学、营养、安全方面的研究，重点集中在（1）食品在加工贮藏运销过程中品质劣变的机制及其控制技术；（2）食品中大分子物质的结构及其食品工艺学功能特性；（3）食物资源的综合高值化利用，包括功能因子的化学工程制备与改性、结构表征、生物活性评价；（4）食品基础原料淀粉、蛋白质和油脂的改性与产品开发；（5）食品质量安全的风险评估技术等方面的研究。

Effects of resistant starch III on the serum lipid levels and gut microbiota of Kunming mice under high-fat diet

Xuhui Chena,b, Zhirong Wanga,b, Di Wanga,b, Jianquan Kana,b,*

a College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China

b Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Agro-products on Storage and Preservation (Chongqing), Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People’s Republic of China, Chongqing 400715, China

*Corresponding author.

Abstract

Resistant starch III (RS3), as a prebiotic, provides health benefits. This study aimed to investigate the role of RS3 in lowering serum lipids and regulating gut microbiota by administering Novelose 330 to Kunming (KM) mice. The results demonstrated that RS3 intervention significantly decreased body weight, food intake, levels of serum total cholesterol (TC), triglyceride (TG), low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C), and liver fat. RS3 could remarkably improve the quality of the entire cecum, quality of the cecal wall, and wall surface area of mice; enhance the moisture content; and reduce the pH value. Moreover, the decrease in the liver TC content and the increase in the fecal TC content were related to RS3 intervention. The concentrations of total short-chain fatty acids (SCFAs) in the colon and individual levels of acetate, propionate, and butyrate increased with RS3 supplementation. An Illumina-based sequencing approach showed that RS3 notably increased the Bacteroides/Firmicutes ratio in the mice fed a high-fat diet. At the genus level, the relative abundance of Bacteroides, Ruminococcus, and Bifidobacterium and the number of main SCFA producers increased in the mice fed an RS3 diet. These findings provided insights into specific gut microbiota shifts to the hypolipidemic effect of RS3.

Reference:

CHEN X H, WANG Z R, WANG D, et al. Effects of resistant starch III on the serum lipid levels and gut microbiota of Kunming mice under high-fat diet[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 575-583. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.060.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。

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