糙米和全麦对高脂饮食大鼠肠道菌群及脂代谢的影响.pdf
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1、品质营养 第 31 卷 2023 年 第 5 期 粮食品质提升与营养改善 创刊 30 周年专刊 133 李爱科、綦文涛研究员主持“粮食品质提升与营养改善”专栏文章之三 DOI:10.16210/ki.1007-7561.2023.05.016 王勇,宋歌,庞邵杰,等.糙米和全麦对高脂饮食大鼠肠道菌群及脂代谢的影响J.粮油食品科技,2023,31(5):133-141.WANG Y,SONG G,PANG S J,et al.Effect of brown rice and whole wheat on gut microbiota and lipid metabolism in high-fa
2、t diet fed ratsJ.Science and Technology of Cereals,Oils and Foods,2023,31(5):133-141.糙米和全麦对高脂饮食大鼠肠道 菌群及脂代谢的影响 王 勇,宋 歌,庞邵杰,綦文涛(国家粮食和物资储备局科学研究院 粮食品质营养研究所,北京 100037)摘 要:为评价糙米和全麦对肠道菌群及脂代谢的调节作用,以 SPF 级 SD 大鼠为研究对象,随机分为 6 组,每组 12 只,包括空白对照组、糙米组、全麦组、高脂模型组、糙米高脂组、全麦高脂组,实验周期为 12 周。实验结束后对大鼠血清生化指标、肝脏和结肠组织病理学指标及结肠
3、微生物多样性进行检测分析。结果表明,糙米可降低高脂饮食诱导的大鼠体质量增加,并降低血清总胆固醇(Total cholesterol,TC)和低密度脂蛋白胆固醇(Low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)水平,缓解结肠组织炎细胞浸润(P0.05)。全麦降低大鼠血清游离脂肪酸(Free fatty acid,FFA)水平并抑制肝脏脂质蓄积(P0.05)。在正常饮食组中,糙米可降低结肠内厚壁菌门/拟杆菌门比值,并增加布劳特氏菌属(Blautia)和乳杆菌属(Lactobacillus)相对丰度(P0.05),全麦增加布劳特氏菌属和罗姆布茨菌属(Rombout
4、sia)相对丰度(P0.05)。在高脂饮食组中,糙米和全麦降低结肠中有害菌土孢杆菌属(Terrisporobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、嗜冷杆菌属(Psychrobacter)和Lachnoclostridium 相对丰度,糙米增加拟杆菌属相对丰度(P0.05)。综上,增加糙米和全麦的摄入具有调控肠道稳态的健康作用,研究结果可为制定科学合理的全谷物膳食指导及开发全谷物健康食品提供理论基础。关键词:糙米;全麦;全谷物;肥胖;肠道菌群;降脂作用 中图分类号:TS201.4;S-3 文献标识码:A 文章编号:1007-7561(2023)05-0133-09 网络首发时间:2
5、023-09-11 10:26:28 网络首发地址:https:/ 收稿日期:2023-05-16 基金项目:中国科协第五届(2019-2021 年度)青年人才托举工程项目(2019QNRC001);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(ZX1908)Supported by:The Young Elite Scientists Sponsorship Program by the China Association for Science and Technology(No.2019QNRC001);Fundamental Research Funds of the Central Res
6、earch Institutes(No.ZX1908)作者简介:王勇,男,1987 年出生,博士,副研究员,研究方向为粮油营养与健康。E-mail: 通讯作者:綦文涛,男,1977 年出生,博士,研究员,副所长,研究方向为粮油营养与健康。E-mail:。作者详细介绍见 PC26。第 31 卷 2023 年 第 5 期 品质营养 创刊 30 周年专刊 粮食品质提升与营养改善 134 Effect of Brown Rice and Whole Wheat on Gut Microbiota and Lipid Metabolism in High-Fat Diet Fed Rats WANG Y
7、ong,SONG Ge,PANG Shao-jie,QI Wen-tao(Institure of Grain Quality and Nutrition Research,Academy of National Food and Strategic Reserves Administration,Beijing 100037,China)Abstract:The purpose of this study was to investigate the effect of brown rice and whole wheat on gut microbiota and lipid metabo
8、lism.Specific pathogen-free Sprague Dawley(SPF SD)rats were selected and randomly divided into six groups(n=12 per group):control group,brown rice group,whole wheat group,HFD model group,brown rice+HFD group,and whole wheat+HFD group.After 12 weeks of feeding,the serum biochemical indicators of the
9、rats were measured.The liver and colon tissues were examined pathologically,and the microbial community diversity in the colon was analyzed.The results showed that brown rice significantly inhibited the increase of body weight and lowered serum total cholesterol(TC)and low-density lipoprotein choles
10、terol(LDL-C)levels.Brown rice also significantly alleviated inflammatory cell infiltration in colon tissue(P 0.05).Whole wheat reduced serum free fatty acid(FFA)levels and inhibited hepatic lipid accumulation in rats(P 0.05).In the normal maintenance diet groups,brown rice decreased the Firmicutes/B
11、acteroidetes ratio and increased the relative abundance of Blautia and Lactobacillus in the colon,while whole wheat increased the relative abundance of Blautia and Romboutsia(P 0.05).In the HFD groups,the relative abundance of harmful bacteria such as Terrisporobacter,Pseudomonas,Psychrobacter,and L
12、achnoclostridium were reduced by brown rice and whole wheat,while brown rice increased the relative abundance of Bacteroides in the colon(P 0.05).Taken together,the intake of brown rice and whole wheat had a healthy effect on regulating intestinal homeostasis.The results of this study can provide a
13、scientific basis for formulating reasonable whole-grain cereals-related dietary guidelines and developing whole-grain-based healthy products.Key words:brown rice;whole wheat;whole grain;obesity;gut microbiota;hypolipidemic effect 中国居民膳食指南(2022)推荐成年人每日全谷物和杂豆类的摄入量为 50150 g,然而有80.3%的成年人摄入量低于 50 g/d,人群研
14、究表明,全谷物和杂粮摄入不足与肥胖、血脂异常等慢性疾病的发生密切相关1,增加全谷物的摄入可降低全因死亡风险,降低 2 型糖尿病、心血管疾病、结直肠癌等疾病的发病风险,还有助于维持正常体重2。近年来,相关研究发现全谷物还具有维持肠道健康、调节糖脂代谢、缓解炎症、延缓衰老过程中认知能力下降等功能3。一方面,全谷物中富含的多酚类物质可以通过调节机体脂质代谢降低血脂,从而有效预防心血管疾病的发生4-5。另一方面,全谷物中膳食纤维的摄入有助于改善肠道菌群的构成,在促进产短链脂肪酸菌群富集、维持肠道稳态、改善 2 型糖尿病症等方面均有重要作用6。糙米中富含多酚(234.72276.03 mg/100 g)
15、、-谷维素(16.5621.48 mg/100 g)和-氨基丁酸(5.4113.99 mg/100 g)等功能活性物质7-9,具有抗氧化、降血糖、降血脂等健康功效,可降低食用人群患肥胖、心血管疾病和 2 型糖尿病的风险。全麦粉含有丰富的植物化学素和膳食纤维,有助于改善肠道健康,具有减重、缓解肝脏脂质蓄积、预防心血管疾病等作用10。前期研究通过比较全谷物(糙米粉和全麦粉)和精制谷物(精制米粉和精制面粉)对健康状态下大鼠肠道稳态的影响,发现全谷物可通过提高短链脂肪酸含量和调节肠道菌群维持肠道健康11。糙米和全麦作为主粮是全谷物的重要膳食来源,研究两者对肠道健康的促进作用具有重要意品质营养 第 31
16、 卷 2023 年 第 5 期 粮食品质提升与营养改善 创刊 30 周年专刊 135 义。本研究将熟化后的糙米和全麦作为研究对象,基于不同健康状态动物模型,并采用肠道微生物16S rRNA 高通量测序及病理学检测分析等手段,评价其对健康及肥胖两种生理状态下大鼠肠道菌群及脂代谢的作用效果,以期揭示两种重要全谷物对肠道稳态的健康调控作用,为制定科学合理的全谷物膳食指导提供基础数据及科学依据。1 材料和方法 1.1 动物、饲料与试剂 SPF 级雄性 SD 大鼠,体质量 180200 g:北京维通利华实验动物技术有限公司,许可证号:SCXK(京)2016-0006。糙米(龙粳 31 号):黑龙江省佳木
17、斯市;全麦(济麦 23 号):山东省济南市;AIN-93M 标准维持饲料:北京科澳协力饲料有限公司;含糙米和全麦饲料:南通特洛菲饲料科技有限公司。糙米和全麦经蒸煮、低温烘干及粉粹后添加至饲料,饲料配方和热量密度如表 1 所示,糙米和全麦在饲料中占比约为 22%。表 1 饲料配方和热量密度 Table 1 Composition and energy density of the diets 维持饲料 糙米 饲料 全麦饲料 高脂饲料 糙米高脂饲料全麦高脂饲料糙米 0 22 0 0 22 0 全麦 0 0 22 0 0 22 酪蛋白 19 16.9 15.2 24.2 22.120.4玉米淀粉 5
18、0.4 31.1 32.8 19.3 0 1.7糊精 8.1 8.1 8.1 10.3 10.310.3蔗糖 9.5 9.5 9.5 12.1 12.112.1豆油 2.4 2.4 2.4 3 3 3 猪油 1.6 1 1.1 19.5 18.919.1纤维素 4.8 4.3 4.1 6.1 5.65.4矿物质 2.7 2.7 2.7 3.6 3.53.5维生素 1 1 1 1.2 1.21.2L-胱氨酸 0.3 0.3 0.3 0.4 0.40.4氯化胆碱 0.2 0.2 0.2 0.3 0.30.3叔丁基对苯二酚 0.000 8 0.000 8 0.000 8 0.004 5 0.004
19、5 0.004 5合计 100 99.5 99.4 100 99.499.4蛋白质 19 19 19 19 19 19 碳水化合物 71 71 71 36 36 36 脂肪 10 10 10 45 45 45 热量密度/(kJ/g)14.7 15.1 15.1 18.8 19.318.8 甘油三酯(Triglyceride,TG)、总胆固醇(Total cholesterol,TC)、高密度脂蛋白胆固醇(High-density lipoprotein cholesterol,HDL-C)、低密度脂蛋白胆固醇(Low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)
20、和游离脂肪酸(Free fatty acid,FFA)试剂盒:南京建成生物工程研究所;PCR 产物纯化试剂盒 GeneJET:美国赛默飞公司;基因提取试剂盒 NEB:纽英伦生物技术(北京)有限公司。1.2 仪器设备 DW-86L338 立式超低温保存箱:青岛海尔集团;FM50 制冰机:北京长流科学仪器有限公司;5430R 低温冷冻离心机、移液枪:德国 Eppendorf公司;倒置显微镜:日本 Nikon 公司;BS-420 全自动生化仪:中国迈瑞公司;电子分析天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;EnSpire 2300多功能酶标仪:美国 PerkinElmer 公司。1.3 实验方法 1.
21、3.1 分组及饲养 72 只 SPF 级雄性 SD 大鼠,以 AIN-93M 标准维持饲料预饲 1 周后,按体质量随机分为 6 组,每组 12 只:空白对照组(Ctrl,饲喂维持饲料)、糙米组(饲喂含 22%糙米的维持饲料)、全麦组(饲喂含 22%全麦的维持饲料)、高脂模型组(HFD,饲喂高脂饲料)、糙米高脂组(饲喂含 22%糙米的高脂饲料)、全麦高脂组(饲喂含 22%全麦的高脂饲料)。大鼠饲养于国家粮食和物资储备局科学研究院昌平实验基地 SPF 级动物试验中心,试验周期为 12 周,饲养期间自由采食和饮水,维持室内温度(232)、相对湿度 50%60%、12 h 昼夜循环采光。每周称量并记录
22、体质量,每两天记录采食量。1.3.2 标本采集及处理 饲养 12 周后,CO2麻醉大鼠,心脏取血。断颈处死大鼠,将大鼠转移至超净工作台内,使用体积分数 75%的乙醇溶液擦拭大鼠腹部,使用消毒后的手术剪打开大鼠腹腔,迅速将肝脏、肠道完整分离出来,取部分肝脏和结肠组织用于病理检测,其余部分保存于80 待测。结肠内容物保存于无菌离心管中,液氮速冻后在80 冰箱中保存,用于提取肠道菌群 DNA。第 31 卷 2023 年 第 5 期 品质营养 创刊 30 周年专刊 粮食品质提升与营养改善 136 1.3.3 生化指标检测 利用全自动生化分析仪检测血清 TC、TG、HDL-C 和 LDL-C 含量,按照
23、试剂盒说明书检测血清 FFA 含量。1.3.4 肝脏和结肠组织病理学检测 苏木精伊红(Hematoxylin-eosin,HE)染色:分离 1 cm1 cm 肝脏右叶及部分结肠组织浸泡于体积分数 10%甲醛溶液中,石蜡包埋后进行组织切片制备和 HE 染色。光学显微镜下观察肝脏及结肠组织形态。1.3.5 大鼠肠道菌群分析 1.3.5.1 大鼠结肠内容物高通量测序分析 大鼠结肠内容物样品(每组随机取 8 个)从80 冰箱取出后立刻放入干冰,送至北京诺禾致源生物信息科技有限公司,采用 Illumina NovaSeq 6000测序平台,通过扩增细菌 16S rRNA 基因的 V4 区域基因序列分析大
24、鼠结肠菌群多样性。1.3.5.2 生物学信息分析 基于有效数据进行OTU 聚类和物种分类分析,根据 OTUs 聚类结果,对每个 OTU 的代表序列做物种注释,得到对应的物种信息和丰度分布情况,并通过群落柱状图与群落热图分析各组在门、属水平上的群落结构组成情况。1.4 数据统计与分析 使用 Graphpad Prism 5.0 软件进行统计分析,正态性检验采用 Shapiro-Wilk 检验,符合正态的计量资料采用(XSD)表示,多组均数间比较采用方差分析,方差分析有统计学意义的事后两两比较采用 Duncans test 法。统计分析取双侧检验,显著性检验水准取=0.05。2 结果与讨论 2.1
25、 糙米和全麦对大鼠体质量、摄食量和能量摄入的影响 如图 1 所示,各组大鼠初始体质量基本相同(图 1A,P0.05)。处死前第 12 周时,高脂模型组大鼠的体质量升高,与空白对照组相比具有统计学差异(图 1B,P0.05),但糙米高脂组与高脂模型组相比大鼠体脂量降低(P0.05)。Zhao等12研究未发现糙米降低高脂饮食诱导的小鼠体质量,原因可能为该高脂饲料中脂肪热量占比为 60%,而本试验使用的饲料脂肪热量占比为45%。第 12 周时各组间大鼠摄食量无统计学差异(图 1C,P0.05),高脂模型组与空白组相比能量摄入提高(图 1D,P0.05),高脂组间能量摄入无统计学差异(P0.05)。注
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