FSHW | 全麦青稞改善高脂饮食中年小鼠糖代谢与低蛋氨酸水平有关

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Abstract

限食蛋氨酸是调节机体能量代谢、减轻氧化应激和炎症反应的有效饮食策略，尤其适用于中老年人群。然而，肉制品中高蛋氨酸含量使得这种饮食策略不可能与蛋白质补充剂联合收割机相结合，而高地大麦（HB），一种低蛋氨酸谷物，不仅为身体提供蛋白质，而且还具有改善葡萄糖代谢和抗氧化及抗炎特性。因此，本研究评估HB作为蛋氨酸限制性膳食蛋白质来源的可行性及其潜在机制。中年C57BL/6J小鼠喂食对照饮食（CON）、高脂饮食（HFD）、全谷物HB高脂饮食（HBHF）或HBHF+蛋氨酸饮食（HBHFmet）25周。结果表明，HBHF可使HFD小鼠体质量、空腹血糖、胰岛素、胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）、血脂、炎症反应、氧化应激等指标保持在正常水平。与HFD组相比，HBHF可抑制胰腺细胞凋亡，促进胰岛素分泌，改善肝脏和骨骼肌葡萄糖代谢。然而，这些功效在HBHFmet组小鼠中减弱。这些结果表明，HBHF有一个甲硫氨酸限制策略。

Introduction

早期研究发现，将饲料中必需氨基酸L-蛋氨酸的浓度从0.86%降低至0.17%，可延长雄性Fischer 344大鼠的寿命。到目前为止，蛋氨酸限制（MR）饮食仍然是一个热门的研究课题。许多研究表明，MR具有降低氧化应激和炎症、改善胰岛素敏感性、抗肥胖、高血糖、高脂血症等代谢性疾病的作用。蛋氨酸摄入量低的饮食模式包括纯素饮食和地中海饮食。虽然纯素饮食与MR策略相似，但纯素饮食可能会导致老年人总体蛋白质摄入量和优质蛋白质摄入量减少，这可能会对肌肉健康产生负面影响。研究表明，传统地中海饮食中蛋氨酸的平均摄入量比正常需求量低40%。因此，地中海饮食可能是一种MR策略，强调谷物和豆类作为主要蛋白质来源，适量的白色肉类，如鱼和虾提供补充。地中海饮食的好处是可以降低患心血管疾病、某些癌症和其他代谢疾病的风险。然而，这些益处是通过减少饱和脂肪酸的摄入，减少氨基酸，蛋白质和卡路里的摄入，增加植物化学物质和微生物衍生代谢物的摄入来实现的。MR策略的重点是根据蛋氨酸含量选择优质蛋白质的食物，并在不限制热量摄入的情况下仅限制蛋氨酸，以实现更健康、更能被人群接受的饮食模式。

从《中国食物成分表标准版第6版》中可以观察到，谷物、蔬菜、坚果、豆类中蛋氨酸和含硫氨基酸（SAA）的含量普遍低于肉类，其中青稞（HB）的SAA含量在谷物中最低。HB属于植物学中禾本科的大麦家族，在许多东方国家用于食品，包括巴基斯坦，阿富汗，日本，尼泊尔和中国。HB是许多生物活性成分的潜在来源，如β-葡聚糖，多酚，膳食纤维，γ-氨基丁酸（GABA），类黄酮等，赋予其多种生物功效。例如，摄入HB可以改善高血糖和胰岛素抵抗，提高胰岛素敏感性。HB可通过阻断胆固醇生成、防止胆固醇在外周组织中存款、减少胆汁酸重吸收、刺激胆汁酸形成来降低胆固醇，从而具有降脂作用。HB饮食可通过降低血浆丙二醛（MDA）和活性氧（ROS）水平，提高超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性，改善D-半乳糖处理小鼠的氧化应激和抗氧化活性。从HB治疗中分离的β-葡聚糖还可降低白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子α（TNF-α）的水平，并增加前列腺素E2（PGE 2）和一氧化氮（NO）的水平，从而减轻炎症反应。此外，HB还具有抗疲劳、抗衰老、促进肠道健康的功效。因此，摄入HB可以帮助降低一些慢性和代谢性疾病的风险，如2型糖尿病，肥胖等。

然而，β-葡聚糖、多酚和类黄酮可能在加工、储存和胃肠道消化过程中损失。如GABA和阿魏酸存在于麸皮中，可能在加工过程中被去除，导致低于实验剂量的水平。热敏性酚类物质（阿魏酸、咖啡酸、儿茶素花青素）和类黄酮在热加工（如蒸煮）过程中可能被降解和氧化，导致抗氧化能力降低。此外，热处理（例如，烘焙）可导致高分子β-葡聚糖降解。GABA含量随着烹饪压力的增加而减少。酚类在胃肠道的消化环境中降解，导致消化后酚类含量较低。由于pH值的影响，β-葡聚糖在肠道消化过程中倾向于形成聚集体，从而降低其溶解度。柚皮苷和儿茶素的肠道吸收较低，是否在靶器官达到有效剂量值得进一步研究。除了含有多种生物活性成分外，HB的特点是蛋氨酸含量低。HB的有益效果也可能与其氨基酸组成有关，除了其生物活性成分。因此，作为低蛋氨酸水平的蛋白质来源，本研究思考HB的功能是否与MR有关。

血红蛋白的营养功能优于普通谷物。它是一种优质的植物蛋白资源，含有18种不同类型的氨基酸，包括丰富的赖氨酸，这是谷物中经常缺乏的，但蛋氨酸含量较低。因此，在蛋氨酸限制饮食策略中，血红蛋白可能是一种高质量的蛋白质来源，可以平衡蛋白质摄入和蛋氨酸水平。本研究评估了摄入HB对饲喂HFD的小鼠葡萄糖代谢的影响，并比较了补充蛋氨酸后效果的变化。

Results

HB氨基酸含量

本研究采用高效液相色谱法对不同品种HB及小麦粉中氨基酸含量进行了测定。液相色谱图见图1A。表1和图1B显示，4种HB的蛋氨酸含量和cys-s含量均低于小麦粉。HB3的蛋氨酸和cys-s含量最低，与HB1、HB2和HB4相比。4种HB的蛋氨酸含量不同，可能是由于它们的生长区域和气候环境不同所致。此外，4种HB的赖氨酸含量均高于小麦粉（图1B）。本研究选择HB3作为后续实验原料。

表1 HB的氨基酸含量（mg/100 g）

HB改善HFD中年小鼠的体质量、空腹血糖、空腹血浆胰岛素和胰岛素抵抗

图2A、B结果显示，HFD组小鼠的体质量和增重显著高于CON组（P＜0.05），而HBHF组小鼠的体质量和增重在1～25周显著低于HFD组（P＜0.05）。但4周后，HBHFmet组小鼠体质量显著高于HBHF组（P＜0.05）。尽管喂食了HFD，但HBHF饮食小鼠的空腹血糖（图2C）、空腹血浆胰岛素（图2D）和胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）（图2E）显著低于HFD小鼠（P＜0.05）。HBHFmet可显著逆转上述结果（P＜0.05）。

HB促进HFD中年小鼠的EE和代谢灵活性

图3A结果显示，HBHF组小鼠的采食量略高于CON、HFD和HBHFmet组，但组间差异无统计学意义（P＞0.05）。HFD组小鼠能量摄入显著高于CON组（P＜0.05，图3D）。HBHF组小鼠的能量摄入略高于HFD和HBHFmet组，但差异不显著。用CLAMS检测小鼠的EE和RER。与HFD和HBHFmet组相比，HBHF组小鼠的RER较低，EE较高（P＜0.05，图3B、C、E、F）。

HB改善HFD中年小鼠血脂、T-AOC及炎症状态

尽管喂食HFD，但与HFD小鼠相比，HBHF饮食小鼠的血脂（TG、TC和LDL-C）和炎症因子（IL-1β和TNF-α）显著降低，而HBHF饮食小鼠的HDL-C、IL-10和T-AOC水平显著升高（P＜0.05，图4）。然而，与HBHF饮食小鼠相比，HBHFmet小鼠中的TG、TC、LDL-C、IL-1β和TNF-α水平显著增加（P＜0.05），但IL-10、HDL-C和T-AOC水平显著降低（P＜0.05，图4）。

图4 HB对HFD中年小鼠血脂、T-AOC及炎症状态的影响

HB抑制HFD中年小鼠胰腺细胞凋亡及促进胰腺发育

结果显示，与CON小鼠相比，HFD显著降低了胰岛细胞的数量，但与HFD小鼠相比，HBHF饮食显著增加了胰岛细胞的数量，而正常蛋氨酸水平下的HBHFmet饮食与HBHF饮食小鼠相比，显著降低了胰岛细胞的数量（P＜0.05，图5A，B）。检测与胰腺胰岛素分泌和细胞凋亡相关的mRNA或蛋白。在胰腺胰岛素分泌方面，HBHF饮食小鼠中V-maf肌肉肌腱神经性纤维肉瘤癌基因同源物A（MafA）和胰十二指肠同源盒-1（Pdx-1）mRNA表达量高于HFD和HBHFmet饮食小鼠（图5C）。此外，本研究检测了胰腺凋亡调控基因和蛋白。图5D-G显示，HBHF饮食显著提高了小鼠Bcl-2的表达，降低了Bax和caspase-3的表达。然而，与HBHF饲粮相比，HBHFmet饲粮显著降低了Bcl-2表达，提高了Bax表达，增加了caspase-3基因和cleaved caspase-3蛋白表达（P＜0.05）。

HB改善HFD中年小鼠肝脏PI3K/Akt途径

HBHF饮食小鼠的肝脏指数明显低于HFD和HBHFmet小鼠（P＜0.05，图6C），可能与脂肪含量较低有关（图6A，B）。PI3K和Akt是肝脏糖代谢的重要组成部分。本研究中，HBHF饮食小鼠肝脏中PI3K和蛋白激酶B（Akt）的磷酸化水平显著高于HFD和HBHFmet小鼠（P＜0.05，图6E-G）。与HBHF日粮小鼠相比，HBHF日粮小鼠成纤维细胞生长因子21（FGF21）和激活转录因子4（ATF4）mRNA表达量显著降低（P＜0.05）。此外，磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）mRNA在HBHF组的表达量显著低于HFD组（P＜0.05），而HBHF与HBHFmet之间无显著差异。同时，与HFD小鼠相比，HBHF显著抑制葡萄糖-6-磷酸酶（G6pase）mRNA表达。但与HBHF小鼠相比，HBHFmet显著促进G6pase mRNA的表达（P＜0.05）。

HB改善HFD中年小鼠骨骼肌糖代谢

HBHF饮食小鼠的肌糖原含量高于HFD小鼠，而HBHFmet饮食小鼠的肌糖原含量较HBHF饮食小鼠显著降低（P＜0.05，图7A，B）。基因表达方面，HBHF饮食小鼠的丙酮酸激酶（PKM）、己糖激酶2（HK2）、磷酸果糖激酶（PFK）的表达较HFD和HBHFmet饮食小鼠显著升高（P＜0.05，图7C）。蛋白表达方面，与HFD和HBHFmet组相比，HBHF组Akt磷酸化水平、糖原合成酶激酶3β（GSK3β）磷酸化水平和HK2蛋白表达水平显著升高（P＜0.05，图7D-F）。

通过雷达图像分析了HBHF的MR策略

为了直观观察HBHF对小鼠的影响是否与蛋氨酸有关，本研究制作了雷达图，比较各组间指标的变化。从雷达图像（图8）中可以看出，HBHF组的生理生化指标、蛋白质和基因表达更接近CON组，而HBHFmet组则偏离CON和HBHF组，接近HFD组。蛋氨酸的加入改变了HBHF对机体的保护作用。这表明HBHF可能具有MR效应。

图8 通过雷达图像分析HBHF的MR策略。所有数据均标准化至CON组

Conclusion

综上所述，HBHF抑制胰腺细胞凋亡，增加胰岛细胞，改善胰腺胰岛素分泌功能，改善PI3K/Akt途径和肝脏及骨骼肌组织的葡萄糖代谢（糖原合成、糖酵解和糖异生），从而缓解胰岛素抵抗，抑制血糖升高。HBHF的这些作用与低蛋氨酸水平有关。本研究提示HB是一种优质蛋白源，蛋氨酸水平较低，HBHF日粮可能是一种MR策略，为MR日粮的推广提供了新的思路和依据。

Improvement of glucose metabolism in middle-aged mice on a high-fat diet by whole-grain highland barley is related to low methionine levels

Chuanxing Fenga,b, Yueting Gec, Bowen Lib, Xiangrong Chenga, Xue Tanga, Jianjin Zhua, Yuge Jiangd,*, Yonghui Shia,b, Guowei Lea,b,*

a Center for Food Nutrition and Functional Food Engineering, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

b State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

c College of Life Science, xinyang Normal University, xinyang 464000, China

d Key Laboratory of xin'an Medicine, Ministry of Education, Anhui Province Key Laboratory of R&D of Chinese Medicine, Anhui University of Chinese Medicine, Hefei 230038, China

*Corresponding author.

Abstract

Methionine restriction (MR) is an effective dietary strategy to regulate energy metabolism and alleviate oxidative stress and inflammation in the body, especially in the middle-aged and elderly population. However, the high methionine content of meat products makes this dietary strategy impossible to combine with protein supplementation and MR. Highland barley (HB), a low-methionine cereal, not only provides the body with protein but also has improved glucose metabolism and antioxidant and anti-inflammatory properties. Therefore, this study evaluated the feasibility of HB as a source of methionine-restricted dietary protein and the potential mechanisms. Middle-aged C57BL/6J mice were fed a control diet (CON), a high-fat diet (HFD), a whole-grain HB high-fat diet (HBHF), or a HBHF + methionine diet (HBHFmet) for 25 weeks. The results showed that the HBHF could keep the body weight, fasting glucose, insulin, homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMA-IR), blood lipids, inflammation, and oxidative stress of HFD mice at normal levels. Compared with the HFD groups, HBHF inhibited pancreatic cell apoptosis and improved insulin secretion while improving hepatic and skeletal muscle glucose metabolism. However, these efficacies were attenuated in HBHFmet group mice. These findings suggest that HBHF has an MR strategy.

Reference:

FENG C X, GE Y T, LI B W, et al. Improvement of glucose metabolism in middle-aged mice on a high-fat diet by whole-grain highland barley is related to low methionine levels[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2906-2916. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250235.

翻译：农梦琪（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意

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