特色杂粮对糖尿病的保健功效及机制研究进展

宋向飞1,雷雅坤1,刘 宁1,胡景辉1,孙丽敏1,李树仁2

(1.河北省农林科学院 农业信息与经济研究所,河北 石家庄 050051;2.河北省人民医院,河北 石家庄 050000)

摘要:饮食护理是治疗糖尿病的重要基础之一,其降血糖及防治糖尿病作用越来越受重视。特色杂粮作为我国主要粮食作物,富含多种生物活性成分,且不同成分及其相互作用能够发挥不同功能,其降血糖功效是近年来研究热点。本研究筛选苦荞、燕麦、薏苡仁、大枣及大豆5种特色杂粮,对其生物活性物质降血糖功效研究进展进行综述,以期为特色杂粮产品开发及糖尿病患者饮食提供理论依据。

关键词:特色杂粮;糖尿病;活性成分;降血糖;保健功效;健康饮食

杂粮是我国主要粮食作物之一,其中含有丰富的植物化学物质,包括膳食纤维、黄酮类、多酚类、植物甾醇和 β-葡聚糖等。随着代谢组学、基因组学及蛋白组学等技术的应用,粮食作物中有效成分的作用及分子机制逐渐被揭示,其中苦荞麦中黄酮类物质研究较多,其具有多种生理和药理作用[1]。燕麦功效主要来自 β-葡聚糖酚类、多肽等多种功能成分共同作用。多项研究表明,特色杂粮对代谢性疾病、心血管慢性炎症性疾病等具有一定保护作用[2-5],尤其在防治糖尿病方面受到糖尿病患者和临床重视。

糖尿病(特别是T2DM)作为近年来患病人数急剧增加的一种代谢性疾病,已逐渐发展为严重危害人民身心健康的重大公共卫生问题。最近一种由严重急性呼吸系统综合征冠状病毒-2(SARS-CoV-2)引起的COVID-19席卷全球,给世界各国人民带来了严重的生命和财产损失。特别是糖尿病患者更易感染SARS-CoV-2,而感染SARS-CoV-2的糖尿病患者普遍预后更差,死亡风险更高[6-7]。相应地,良好的血糖控制有利于改善感染SARS-CoV-2的糖尿病患者的预后[8]。近年来,食疗对预防和治疗糖尿病的价值越来越受到重视。已有研究证明,食用杂粮能够有效地控制血糖[9]。因此,杂粮可能是预防糖尿病的食品。不同杂粮在糖尿病治疗中作用存在差异,寻找针对不同代谢紊乱及糖尿病并发症的杂粮食品的依据,将为糖尿病的个体化治疗提供帮助。现就苦荞麦、燕麦、薏苡仁、大枣及大豆对糖尿病治疗作用及机制的研究进展予以综述。

1 苦荞麦的糖尿病治疗机制

1.1 苦荞麦黄酮降血糖机制

苦荞麦即苦荞,其中富含黄酮类、糖醇类及其他酚类活性物质。黄酮类化合物包括芦丁、荭草苷、牡荆碱、榭皮素、异牡荆碱和异荭草苷。其中芦丁含量最高,占总黄酮的70%-85%,且苦荞中芦丁含量是普通荞麦的5倍[10]。芦丁及其水解产物(榭皮素和异榭皮素)均具有降血糖、降血脂、清除氧自由基、抗氧化、抗肿瘤及抗动脉粥样硬化等多种保护作用[2,11-12]。最近研究发现,苦荞黄酮能够通过肝脏PPARγ,PI3K蛋白表达及Akt磷酸化水平,减弱肝脏糖异生功能并促进肝糖原合成,从而改善T2DM糖代谢水平[13]。苦荞提取物(芦丁、榭皮素或异榭皮素)均能较大幅度的改变 α-葡萄糖苷酶二级结构含量,尤其是 α-螺旋、β-折叠、Loop,并呈时间依赖性。体外及动物试验表明,苦荞黄酮能够通过抑制 α-淀粉酶、葡萄糖苷酶及脂肪酶的活性来减少葡萄糖的释放量及速率[14]。其中榭皮素对淀粉水解酶抑制作用优于芦丁,而在抑制胰脂肪酶活性方面芦丁作用更好[15]。此外,榭皮素对葡萄糖苷酶抑制作用优于阿卡波糖[16],这与周凤超的研究结果一致[17]。这些研究表明苦荞黄酮能够通过调节相关双糖酶活性减少糖类外源摄入,从而达到降血糖目的。还有研究发现,荞麦壳中提取的黄酮类化合物能够改善胰岛素抵抗和胰岛素分泌促进葡萄糖的转运和利用[18]。Li P C[19]研究荞麦壳类黄酮(BHFs)对T2DM小鼠db/db的治疗作用。结果表明,BHFs治疗后胰岛素抵抗明显降低。BHFs可降低db/db小鼠血清TG、TC、vLDL-c、FFA及肝脏TG、TC水平,增强胰岛素抵抗相关PI3k/AKT2信号通路,下调肝脏组织SREBP-1c、FAS、ACC1 mRNA表达。BHFs能明显缓解肝脏结构紊乱。BHFs对T2DM的保护作用可能是通过促进PI3k/AKT信号通路,下调SREBP-1c、FAS和macc1 mRNA表达,从而降低脂质合成。关于胰岛素信号通路十分复杂,很多胰岛素抵抗分子均能够参与IR信号通路的传导。最近越来越多的证据表明,T2DM发生与肠道菌群密切相关,SCFA-GPR43信号参与脂肪组织、肠道及肝脏中脂肪酸和葡萄糖稳态的调节,在治疗T2DM及胰岛素抵抗方面具有重要作用[5,20-22]。但IRS/PI3K/AKt、AMPK、SCFA-GPR43/p-AMPK 3条胰岛素抵抗信号转导通路相互关系尚不清楚,这方面值得进一步深入探讨。

苦荞中糖醇类化合物主要为D-手性肌醇(DCI)。DCI是胰岛素信号传递过程中重要物质,能够促进胰岛素与其受体结合,通过增敏胰岛素降低血糖[23],调节糖代谢异常人群的血糖水平;还能够激活丙酮酸脱氢酶以促进葡萄糖有氧氧化[24]。DCI提取物还原性较好,能够清除自由基,且DCI纯化产物的抗氧化活性优于其粗提物[25]。Hu Y等[26]通过用苦荞提取物喂养高果糖诱导的高血糖症和肝损伤的小鼠,结果发现,苦荞提取物能够降低小鼠血糖、甘油三酯、胰岛素、低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipopro-tein,LDL)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、丙二醛(MDA)及C-反应蛋白水平,同时超氧化物歧化酶与谷胱甘肽过氧化物酶活性升高。这表明富含DIC的苦荞麦可用于治疗高血糖症及肝脏氧化应激损伤。

1.2 苦荞麦黄酮降血脂机制

在血脂代谢方面,苦荞也有一些最新的研究进展。一项纳入109例糖尿病伴超重或肥胖患者比较接受营养指导和健康指训与主食干预后降血糖及血脂效果的随即临床试验发现,与仅接受营养指导和健康培训的患者相比,超重患者和肥胖患者食用苦荞后,膳食结构中蛋白质和膳食纤维含量显著升高。同时,TC 和 LDL-C显著降低,且呈现显著的组间差异[27]。此外,胰岛素抵抗是T2DM的重要因素,大多数T2DM与肥胖和高血脂相关,可导致脂代谢紊乱[28],这表明脂代谢改变可能导致胰岛素抵抗[29]。IRS-1/PI3k/AKT通路在胰岛素受体信号转导中起关键作用[30]。因此,T2DM改善可能与IRS-1/PI3k/AKT信号通路和脂肪代谢相关基因表达有关,如甾醇调节元件结合蛋白-1c(SREBP-1c)和脂肪酸合酶(FAS)降低肝胰岛素抵抗有关。

苦荞蛋白能够通过吸附胆酸和胆固醇,加速其排出体外来改善脂质代谢。Tao T等[31]在单因素试验基础上,优化苦荞蛋白水解粗提物最佳条件:酶量40.61 U/g,温度46.16℃,时间20.80 min。在此条件下,苦荞蛋白的实际水解度可达57.71%,与预测值(57.69%)很好地吻合,抑制率为78.69%。这表明苦荞蛋白降血糖效果较好。王宏[32]利用血脂代谢紊乱小鼠研究苦荞蛋白调控脂代谢作用效果。结果发现,苦荞蛋白能够调节血脂代谢紊乱,缓解脂肪肝。这表明苦荞蛋白可吸附胆酸与胆固醇促进其排泄,在改善血脂代谢的同时又调节肠道菌群平衡。因此,苦荞蛋白对血脂代谢调节作用可能与其促进胆酸排泄、调节肠道菌群平衡、改善氧化应激等作用相关。费烨等[33]发现苦荞清蛋白酶解物((Tartary buckwheat albumin hydrolysate,TBH)能够降低T2DM小鼠血糖浓度、改善脂代谢紊乱、减轻炎症损伤、保护肝脏脂质堆积和减轻肾脏损伤的作用。这些作用可能与TBH抗氧化性有关,但其具体降血糖作用机制有待进一步研究。综上所述,苦荞降脂机制主要是调节肠道菌群、清除自由基、抗氧化、调节代谢等,但仍有许多机制尚未明确。

除降血脂外,苦荞黄酮还具有其他优势。苦荞麦芽能够减轻氧化应激反应,减少MDA生成,改善模型小鼠的DNA损伤,且具有DNA修复作用[34]。苦荞黄酮经胃肠道消化后,能够抑制细胞内氧自由基的激增,改善肝脏氧化能力,同时降低肝组织(TC、TG、MDA)及转氨酶水平[35]

2 燕麦的糖尿病治疗机制

燕麦作为一种全谷物,能够降低血糖、血脂、改善糖耐量[36-37]。燕麦制品包括燕麦麸皮、燕麦面粉和燕麦卷均富含可溶性纤维素-葡聚糖。此外,燕麦制品GI值较低[38],有助于维持T2DM血糖代谢的稳态。燕麦制品具有降血糖作用[39],这可能是调节葡萄糖和脂肪代谢,刺激激素分泌,激活核受体,保护器官功能。此外,燕麦 β-葡聚糖能够改善T2DM大鼠肠黏膜机械屏障和生物屏障的损伤,起到保护肠黏膜屏障的作用[40]。任锦丽等[41]采用链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)一次性腹腔注射与单侧肾切除方式构建糖尿病肾病大鼠模型,探究燕麦β-葡聚糖对糖尿病大鼠肾病干预作用。结果与模型大鼠比较,发现燕麦 β-葡聚糖组大鼠肾脏组织结构损伤明显减轻。这表明燕麦 β-葡聚糖可有效改善糖尿病肾病大鼠肾功能,延缓肾脏组织结构损伤,其机制可能与下调炎症相关因子表达水平,改善机体炎症状态有密切关系。为进一步研究延缓糖尿病肾病的机制,通过研究了燕麦 β-葡聚糖对糖尿病大鼠肾功能及其肠道菌群的影响。结果发现,燕麦 β-葡聚糖能够改善糖尿病大鼠肾功能,增加肠道菌群丰度、多样性及升高厚壁菌门/拟杆菌门比值[42]

以燕麦为基础的饮食还有其他健康益处,尤其是对脂质和氧化应激水平、炎症和抗氧化能力[43]。McGeoch S C等[44]在一项为期16周的随机交叉设计中,观察27名T2DM志愿者在食用燕麦或强化标准饮食建议后,发现富含燕麦的饮食对降脂有一定影响,但对氧化应激或炎症没有影响。Wang J B等[45]研究发现燕麦寡肽(OOPs)对高热量饮食/STZ诱导的糖尿病大鼠有降糖作用。燕麦多肽灌胃ICR糖尿病模型小鼠降血糖功效。研究发现,燕麦多肽可增加糖尿病小鼠体重,改善其多饮多食的症状[46]

3 薏苡仁的糖尿病治疗机制

经研究表明,薏苡仁中降血糖主要活性成分是薏苡仁多糖和薏苡仁蛋白。对薏苡仁多糖降糖机制进行初步探讨。薏仁多糖剂量在50 mg/kg和100 mg/kg时,对患有肾上腺素型高血糖小鼠和患有四氧嘧啶型糖尿病小鼠均有明显的降血糖功效,且降血糖作用呈现一定量效关系[47]。推测这可能是薏苡仁多糖抑制肌糖原酵解和肝糖原分解,同时抑制糖异生而发挥作用。为进一步研究薏苡仁多糖的降糖机制,以T2DM并发脉粥样硬化大鼠模型为研究对象,应用RTPCR半定量分析大鼠主动脉内皮素1mRNA 表达变化。结果与正常组0.39±0.01相比,模型组大鼠主动脉内皮素1mRNA 表达量高达0.72±0.10。给药处理6个月后,与模型组表达量比较,各给药组大鼠主动脉内皮素1mRNA 有不同程度下调,其中薏苡仁多糖注射组的表达量0.49±0.12与模型对照组比较差异性显著[48],由此推论糖尿病血管并发症的发生可能与内皮素1mRNA 表达上调有关。喂饲STZ糖尿病大鼠掺有薏苡仁的高胆固醇饲料,发现薏苡仁具有降脂和降低血糖双重功效[49]。刘伟杰等[50]研究发现薏苡仁多糖能降低大鼠血清中瘦素的含量,同时升高血清中脂联素含量,使得薏苡仁多糖对氯氮平诱导的大鼠糖脂代谢紊乱模型能明显的减轻体质量、改善体征、降低空腹血糖和餐后2h血糖水平。此外,动物实验表明,薏苡仁蛋白能够显著降低血清胰岛素水平和抵抗指数,并且能有效提高胰岛素敏感性[51]。 这与GLUT4表达增强及FOXO1降低及PI3K/AKT通路的激活有关,从而改善T2DM小鼠胰岛素抵抗水平。

4 红枣的糖尿病治疗机制

红枣色素是从红枣果汁果渣中提取的水溶性红色素,包括多酚、花色苷和黄酮等活性成分[52],具有较好的体外抗氧化活性,且能够保护H2O2对血管内皮细胞损伤。最近有研究以四氧嘧啶性糖尿病小鼠为模型,观察红枣色素降血糖作用,结果表明红枣色素对四氧嘧啶小鼠具有一定降血糖功效。其中,红枣色素中黄酮类物质有效清除自由基增强机体氧化应激防护能力与阳性组抗氧化能力有关[53]。还有学者发现红枣色素和红枣可溶性膳食纤维具有协同降血糖作用[54]。推测可能是红枣色素和红枣膳食纤维抑制葡萄糖扩散、淀粉消化以及减弱对胰腺 β 细胞损伤或改善受损胰腺 β 细胞的作用,刺激胰岛素释放促进血糖转化过程,修复机体氧化性损伤,以此达到辅助降血糖作用。目前关于红枣色素降血糖研究相对较少,若将红枣色素应用于降血糖功效的食品,仍需要进一步研究红枣色素降血糖机制及其代谢途径。冯鑫欢等[55]利用STZ糖尿病小鼠研究红枣水提物降血糖效果。发现红枣水提物能显著降低糖尿病小鼠血糖、促进血清胰岛素分泌、提高糖尿病小鼠抗氧化能力。这表明红枣水提物具有较好降血糖活性,且呈现一定剂量依赖性。此外研究证明,红枣多糖对血糖调节具有一定积极作用。对红枣多糖的降糖效果及降糖机制进一步探究。发现红枣多糖可以降低糖尿病小鼠血糖、血脂,促进血清胰岛素分泌,提高抗氧化水平,对肝脏、胰腺等组织结构具有一定保护作用[56]

5 大豆的糖尿病治疗机制

大豆作为我国重要的粮食作物,其富含大豆膳食纤维、大豆蛋白、大豆异黄酮及大豆低聚糖等多种天然功能活性成分[57]。大量临床研究结果证实,膳食纤维具有显著降血糖、调节糖代谢紊乱及改善某些慢性病发病风险的作用[58]。最近在膳食纤维方面大豆也有一些最新研究进展。一项用腹腔注射STZ糖尿病大鼠连续灌胃大豆膳食纤维42d,结果发现,中、高剂量大豆膳食纤维组大鼠与模型组相比,空腹血糖值显著下降,这表明大豆膳食纤维能够有效控制T2DM大鼠空腹血糖,这可能是由于膳食纤维进入机体后吸水膨胀,增加胃内容物黏度,延缓胃排空,葡萄糖进入小肠上皮细胞速度被延缓,从而抑制葡萄糖吸收速率,由此避免血糖骤升。此外,提高血清中INS、Glycogen含量及降低血清中GSP效果显著,且与灌胃剂量呈良好的剂量关系,这进一步表明大豆膳食纤维具有促进糖尿病患者体内肝糖原的合成,从而降低血糖水平的能力[59]。另外有研究发现大豆蛋白具有降血糖功效[60],这可能是由于蛋白水解产生的多肽与小肠绒毛细胞表面的 α-葡萄糖苷酶活性部位结合,能够抑制双糖水解,降低餐后血糖,从而发挥降血糖作用。李飞[61]通过研究豆渣蛋白对糖尿病的干预作用,结果发现豆渣蛋白中大豆 β 伴球蛋白可以明显提高胰岛素敏感性。

6 总结与展望

特色杂粮除了满足人们的生活需求外,还能够改善机体代谢紊乱,但相关研究受地域及人群饮食习惯的限制,全国性多中心前瞻性列队研究有限。苦荞富含黄酮类化合物,目前在糖尿病的防治方面研究较多,具有改善糖脂代谢功效;薏苡仁、燕麦、红枣及大豆亦具有调节糖脂代谢作用,但目前研究处于动物模型试验阶段,仍需人群广泛验证,降血糖效果尚无定论。对不同杂粮的比较研究有助于明确不同杂粮的作用机制,以期为糖尿病患者的针对性治疗提供参考。

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Advances on Health Care Effect and Mechanism of Characteristic Coarse Cereals on Diabetes

SONG Xiangfei1,LEI Yakun1,LIU Ning1,HU Jinghui1,SUN Limin1,LI Shuren2

(1.Institute of Agricultural Information and Economy,Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Shijiazhuang 050051,China;2.Hebei General Hospital,Shijiazhuang 050000,China)

Abstract Diet care is an important basis for the treatment of diabetes,and its hypoglycemic and antidiabetes focus more attention.Special grain is the main grain crop in China,which is rich in many kinds of bioactive ingredients.In addition,there are different functions in different bioactive components and their interactions,and its hypoglycemic effect has become a research hotspot in recent years.In this paper,five kinds of characteristic coarse cereals were screened,namely Tartary buckwheat,oat,coix seed,jujube and soybean,and the hypoglycemic effects of bioactive substances in them were reviewed in order to provide theoretical basis for exploitation of characteristic coarse cereals and diet of diabetic patients.

Key words: Characteristic coarse cereals;Diabetes;Active ingredients;Hypoglycemia;Health-promoting effects;Healthy diet

中图分类号:S51;R25

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2020)增刊-0441-07

doi:10.7668/hbnxb.201920001

收稿日期:2020-11-06

基金项目:河北省现代农业科技创新工程项目(F18R02;2019-2-5-1)

作者简介:宋向飞(1993-),女,河北邯郸人,助理研究员,硕士,主要从事植物生理与药食同源研究。

通讯作者:胡景辉(1973-),男,河北清苑人,副研究员,硕士,主要从事农业经济与药食同源研究。李树仁(1964-),男,河北隆尧人,教授,博士,主要从事心血管疾病诊疗和预防研究。