抗性淀粉对动物脂质代谢的影响及其机制研究

■罗 斌 陈代文 余 冰

（四川农业大学动物营养研究所动物抗病营养教育部重点实验室，四川雅安625014）

脂质参与能量代谢、脂溶性物质的运输以及细胞膜的构成等生命活动。正常的脂质代谢对维持机体内稳态具有重要作用，而脂质代谢紊乱与许多疾病的发生息息相关，如高脂血症、Ⅱ型糖尿病、心血管疾病、脂肪肝和肥胖等。在畜禽生产中，脂肪的过度沉积，不仅浪费有限的饲料资源，增加养殖成本，而且直接影响动物机体的健康，导致肉品质降低。抗性淀粉作为膳食纤维的一类，以多种方式参与调控机体脂质的吸收和排泄、胆固醇合成和分解、脂肪酸的摄入和氧化等生理过程，在维持或改善脂质代谢平衡，防止脂肪过度沉积中发挥着重要的作用。因此，本文旨在通过总结近年来国内外关于抗性淀粉调节动物的脂肪代谢及其作用机制，为抗性淀粉的深入研究与抗性淀粉在临床（如控制代谢病）和畜牧业生产（如调控肉质）上的科学利用提供参考。

1 抗性淀粉定义、分类及生理功能

1.1 定义

1982年，Englyst 等[1]在膳食纤维的定量分析的过程中，首次发现有一小部分淀粉在体外试验中可以抵抗α-淀粉酶和支链淀粉酶的水解，并将这一小部分淀粉定义为抗性淀粉（Resistant Starch，RS）。1992 年，世界粮农组织FAO将其定义为：在健康人体小肠中不被消化吸收的淀粉及其降解产物的总称。尹富贵[2]提出RS 的新概念，即测定日粮中RS 的含量时的体外孵育时间应根据食糜在试验对象的上消化道（从口腔到回肠末端）的流通时间来决定，从而使RS的定义更具有现实意义。

1.2 分类

抗性淀粉由于其来源以及加工方法的不同，抗消化的能力会有很大的区别，一般现将抗性淀粉分为以下5 类[3]：物 理 包 埋 淀 粉(Physically Trapped Starch，RS1)，指那些因细胞壁的屏障作用或蛋白质的隔离作用而不能被淀粉酶接近的淀粉，一般存在于完整的或部分研磨的豆类、谷物种子中；天然淀粉颗粒(Resistant Starch Granules，RS2)，指具有一定抗酶解能力的部分结晶结构的生淀粉粒，主要包括生马铃薯、未成熟的香蕉以及玉米高直链淀粉等；老化淀粉(Retrograded Starch，RS3)，直链淀粉在回生过程中分子重新聚集成的有序结晶结构，主要包括煮熟后迅速冷却土豆、大米长期或反复湿热处理的食物等；化学改性淀粉(Chemically Modified Starch，RS4)，是普通可消化淀粉经过化学变性处理(如酯化作用、醚化作用、交联作用等引入了一定的化学官能团)产生的抗性淀粉；以及淀粉脂类复合物（Amylose-lipid Starch，RS5）。其中，RS5是Jovin等[4]在2010年通过加工含游离脂肪酸的高直链玉米淀粉而开发出来的一种新型的抗性淀粉。

1.3 生理功能

抗性淀粉一般不在小肠消化，而在大肠被微生物发酵利用，属于植物性多糖，但是从功能上也可以被看作膳食纤维，对动物机体的作用更加广泛。

1.3.1 糖代谢

大量研究发现抗性淀粉可减缓血糖水平的变化，促进胰岛素分泌，对控制体重和预防糖尿病有一定的作用[5-6]。Raben等[7]和Reader等[8]发现当人进食5～7 h后，由于RS的代谢，餐后血糖和胰岛素含量减少。通过动物实验发现，抗性淀粉能够预防高糖饲料诱发的大鼠葡萄糖耐量异常、并改善高脂饲料诱导的糖尿病大鼠的血糖状况[9]。Qu 等[10]研究指出RS 影响餐后血糖水平的三种机制，一是通过抑制α-淀粉酶消化淀粉释放葡萄糖，二是增加小肠食糜的黏度，减慢葡萄糖的摄取速度；三是结合葡萄糖，防止其扩散到黏膜细胞中。

1.3.2 肠道健康

抗性淀粉被认为是一种益生元，能够促进肠道有益菌的生长和繁殖。动物实验表明，抗性淀粉能够促进结肠益生菌如乳酸杆菌（Lactobacillus）、双歧杆菌（Bifidobacterium）增加，而使致病性大肠杆菌（Escherichia coli）降低[11]。抗性淀粉的酶抗性使得它在小肠中只有很少的一部分能被小肠消化吸收，大部分进入大肠发酵产生短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA），并产生CO2、CH4和H2[12]。而丁酸是SCFA中对大肠健康影响最为突出的SCFA，它作为结肠黏膜细胞的主要能量来源，有利于机体的健康[13]。同时，SCFA的产生能够降低肠腔内pH 值，结肠中一些腐生菌在较高的pH值环境下异常活跃，易产生致癌物质，肠道pH值降低有利于抑制腐生菌的生长。

1.3.3 矿物质吸收

Schulz 等[14]研究发现饮食中天然抗性淀粉（RS2）能于回肠中经肠内菌发酵而降低pH值，促进镁、钙变成可溶性而易通过上皮细胞为人体所吸收。Lopez等[15]研究发现生土豆和高直链淀粉中的抗性淀粉（RS2）能提高大鼠钙、镁、锌、铁和铜的表观吸收率。而抗性淀粉能够促进矿物质的吸收的原因可能有两方面：一方面是由于SCFA的产生降低肠道pH值，提高无机盐在肠道的溶解性，形成可溶性物质易通过扩散与主动吸收从上皮细胞吸收；另一方面SCFA 促进后肠壁面积增加，使得无机盐吸收的表面积增大[16]。

1.3.4 饱腹感和降低能量摄入

研究发现，含抗性淀粉食物能够使机体产生餐后的饱腹感。而大部分学者认为抗性淀粉影响餐后饱腹感的机制，与影响食欲的胃肠激素变化有密切关系[17]。其中高血糖素样肽(GLP-1)是经食物刺激后由肠道L细胞分泌的一种肠肽类激素；肽YY（PYY）具有抑制食欲产生饱腹感的生理作用。而将含有抗性淀粉的饲料饲喂大鼠，能够显著的提高大鼠餐后血液中GLP-1 和PYY 的浓度，发挥调节食欲，增强饱腹感的作用[18-19]。

1.3.5 脂质代谢

近年来国内外关于抗性淀粉对血清和肝脏胆固醇和甘油三酯水平的影响报道很多。而正常的脂质代谢对于维持机体内稳态具有重要作用，对于机体的健康密切相关。因此，本文重点综述了抗性淀粉对动物脂质代谢的影响及其机理。

2 抗性淀粉对动物脂质代谢的影响

2.1 对血液及肝脏脂质代谢相关指标的影响

大量的试验研究表明，抗性淀粉对试验动物的血清甘油三酯（Total glyceride，TG）、总胆固醇(Total cholesterol，T-CHO)、高密度脂蛋白（High density lipoprotein cholesterol，HDL-C）、低密度脂蛋白（Low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）等血脂代谢指标有逆转效果，具有良好的降血脂活性。Yang等[20]研究发现高直链淀粉日粮显著降低育肥猪血清中TG和T-CHO的含量。而直链淀粉含量对抗性淀粉的形成有显著影响，且与抗性淀粉产率呈显著正相关[21]。Sun 等[22]长时间饲喂70日龄阉公猪玉米淀粉和生土豆淀粉日粮，发现生土豆淀粉日粮能显著降低血清中T-CHO、TG 和HDL-C 的含量，其原因可能是生土豆淀粉富含抗性淀粉（RS2）并增加到达后肠可发酵淀粉的数量[23]。Zhou等[24]发现RS能够缓解Ⅱ型糖尿病小鼠血液脂质代谢紊乱，其中血液中TG 和T-CHO 含量显著降低，HDL-C含量显著增加。Si等[25]报道，在小鼠高脂日粮中添加2 g/d 高直链淀粉（RS2）和酯化高直链淀粉（RS4），均能显著降低血清中TG和T-CHO的含量，并且能显著降低肝脏谷丙转氨酶（Alanineaminotransferase，ALT）、谷草转氨酶（Aspartate aminotransferase，AST）和碱性磷酸酶（AlkalinePhosphatase，AKP）活性，有效改善模型鼠的肝功能，促进小鼠肝脏损伤修复，且RS4在降低血糖、降低血脂水平和增强肝脏功能方面优于RS2。RS 对畜禽肝脏脂质代谢的影响得到了类似的结论。Xie 等[26]通过饲喂育肥猪纯糯玉米淀粉、非糯玉米淀粉和豌豆淀粉日粮，其中直链淀粉与支链淀粉的比值分别为0.07、0.19和0.28，研究发现豌豆淀粉日粮显著降低育肥猪肝脏中TG 和T-CHO 的含量。Choi等[27]用玉米淀粉和老化大米（RS3）分别作为主要碳水化合物来源，对饲喂高脂/高胆固醇饲粮的小鼠干预8周，考察老化大米对小鼠脂质代谢的影响。结果表明，老化大米日粮能显著降低肝脏TG、TCHO和LDL-C 含量，且载脂蛋白A的含量显著增加，载脂蛋白B 的含量显著降低。He 等[28]分别饲喂断奶仔猪木薯淀粉(80%支链淀粉和20%直链淀粉)和玉米淀粉(70%支链淀粉和30%直链淀粉)日粮。研究发现，玉米淀粉日粮相对于木薯淀粉日粮显著降低肝脏TG 和T-CHO 的含量，且能缓解木薯淀粉组观察到的中度脂肪肝。以上研究均表明，抗性淀粉具有良好的降血脂和改善肝脏脂质代谢紊乱的作用。

2.2 对机体脂肪沉积的影响

体脂是动物储存能量的主要方式，通常包括腹脂率、皮下脂肪厚等指标。高体脂不仅造成了饲料浪费，畜禽产品品质变差，也降低了消费者的购买意愿。因此，开发能够降低或调控畜禽机体脂代谢的饲料添加剂一直是研究人员关注的重点。研究发现，日粮添加抗性淀粉能减少脂肪在动物体内的沉积。Li等[29]发现相对于糯玉米和非糯玉米淀粉日粮，豌豆淀粉日粮能显著降低育肥猪背膘厚，增加眼肌面积。而豌豆淀粉引起的葡萄糖的持续释放和吸收，使得更多的瘦肉沉积，从而使饲喂豌豆淀粉日粮的猪得到更佳的日增重和料肉比。这与Yang 等[20]研究高直链淀粉日粮能显著降低育肥猪背膘厚和肝脏脂肪的含量的结果一致。另外，戴求仲等[30]发现高直/支链淀粉比（0.47）能显著降低黄羽肉鸡的腹脂率；He等[28]发现高直链淀粉日粮显著降低断奶仔猪肝脏总脂肪含量。Si 等[31]发现日粮添加抗性淀粉能显著逆转高脂日粮引起的小鼠肝脏重量增加和内脏脂肪的过度沉积。Fang等[32]研究发现，饲喂生土豆淀粉相对于玉米日粮显著降低了胸腰和6～7肋背膘厚度，但对背最长肌脂肪含量没有影响。这与Doti 等[33]研究豌豆淀粉日粮有降低育肥猪背膘厚的趋势，但并不影响肌内脂肪的含量结果一致。但与Yang 等[20]研究发现高直链淀粉日粮显著降低肌内脂肪的结果不太一致。以上研究表明，抗性淀粉具有降低机体皮下脂肪和内脏脂肪沉积的作用，但对肌内脂肪沉积的影响还存在分歧，需进一步研究。

3 抗性淀粉对动物脂质代谢的分子机制研究

抗性淀粉通过调节与脂质合成和分解代谢的酶活性及其基因的表达参与动物体内的脂质代谢过程。Wang 等[34]通过对胰腺组织的数字基因表达谱技术和基因本体分析，通过饲喂小鼠高脂饮食日粮和注射链脲佐菌素引起Ⅱ型糖尿病，研究表明添加莲子抗性淀粉引起511 个基因的表达存在差异，其中有277 个基因上调，而234个基因下调；抗性淀粉对信号通路的影响主要富集在FoxO 信号通路、胰岛素信号通路、胰腺分泌通路、MAPK信号通路、PI3K-Akt信号通路和p53 信号通路。He 等[35]利用基因芯片技术对断奶仔猪肝脏转录组学分析后得出，不同直/支链淀粉比例日粮鉴定出648个差异表达基因，其中许多基因参与了脂质和碳水化合物的代谢；信号通路分析表明日粮直/支链淀粉比例对胰岛素和过氧化物酶增值激活受体（Peroxisome proliferator activatedreceptors，PPARs）信号通路均有明显影响。

3.1 胰岛素（Insulin）

激素是调节脂质代谢的重要介质。通过自身的受体介导或干扰其他激素信号传导通路的方式，从分子水平或蛋白质水平调节脂质代谢相关基因的表达或关键酶的磷酸化，调控脂代谢酶的活性。较多的体内和体外研究表明，葡萄糖和胰岛素含量的波动势必会影响脂肪酶的活性和脂肪动态平衡的维持[36]。动物机体摄入碳水化合物会导致血糖升高，从而迅速触发内分泌胰腺β细胞分泌胰岛素，而胰岛素的分泌会诱导肝脏中脂肪合成酶的转录。Yin 等[37]研究发现，不同消化率淀粉对断奶仔猪血糖和胰岛素含量影响显著，消化率越低的淀粉其抗性淀粉含量越高，能显著降低断奶仔猪进食后血糖和胰岛素反应。Si 等[38]在小鼠上也得到了同样的结果，在高脂日粮中分别添加高直链淀粉（RS2）和酯化高直链淀粉（RS4），小鼠血糖水平和胰岛素水平显著降低，胰岛素抵抗指数同样显著降低。Foufelle等[39]将19日龄哺乳仔鼠的脂肪组织取出，并培养在无血浆的培养基中6～24 h，之后在培养基中添加胰岛素和葡萄糖，发现脂肪组织中与脂肪合成相关的酶类mRNA含量显著增加，这意味着胰岛素能够有一条甚至多条信号通路可以调控脂肪的合成。Xie 等[26]研究表明，高抗性淀粉日粮显著降低胰岛素受体（Insulin receptor，INR）、固醇调节元件结合蛋白-1c（Sterol regulatory element-bingding proteins，SREBP-1c）mRNA表达量，直链淀粉含量较高的日粮通过降低胰岛素与其受体（INR）结合使之磷酸化，从而通过抑制胰岛素-PI3K 途径增加SREBP-1c的转录，下调脂肪合成酶，降低肝脏脂质含量[40]。而胰岛素也能直接通过诱导胰岛素诱导基因1（Insulininduce gene 1，Insig-1）和胰岛素诱导基因2（Insulininduce gene 2，Insig-2）基因表达来调节SREBPs 介导的脂肪合成，在调节细胞内胆固醇和脂肪代谢中起着重要的作用[41]。肝脏中Insig-1和Insig-2的过表达会抑制肝脏中SREBP-1c的表达[42]。Zhou等[24]研究表明RS 显著增强糖尿病大鼠肝脏中Insig-1 和Insig-2 的表达，从而改善糖尿病大鼠葡萄糖稳态，进而使得肝脏脂肪内源合成降低。Shang 等[43]研究表明，日粮添加抗性淀粉显著增强Insig-1 mRNA 和蛋白的表达，从而抑制脂质的积累和游离脂肪酸的合成[44]。

3.2 腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）

AMPK作为能量代谢开关，在调控脂质代谢中发挥了重要的作用[45]。当细胞内能量供应不足时，细胞内ATP 水平下降，AMP 水平上升，AMPK 激活。胞内分解代谢（如脂肪酸氧化）加强，合成代谢受到抑制（如糖原、脂肪和胆固醇的合成），从而肝脏减少ATP的消耗，促进ATP 的产生[46-47]。RS 在小肠中不吸收，使得日粮直接提供的能量减少，而在结肠和盲肠处能够被微生物发酵产生有益短链脂肪酸。短链脂肪酸，如乙酸被吸收后，在肝脏和外周组织经过三羧酸循环的乙酰CoA 而代谢，同时产生AMP：乙酸+CoA+ATP→乙酰-CoA+AMP+焦磷酸，所以肝细胞中的乙酸可以激活AMP-激活蛋白激酶[48]。研究报道，在小鼠高脂日粮中添加丁酸可改善胰岛素抵抗，其可能机制是通过增加AMPK 和p38 的磷酸化和活性，从而维持线粒体活性和能量消耗[13]。日粮添加RS 能不同程度增加后肠总SCFA、乙酸、丙酸和丁酸的含量[32,49]。而肝脏细胞中AMPK的激活可以抑制SREBP-1的活性，减少脂肪的产生，进而参与脂质调节[50-51]。而SREBPs的靶基因众多，它们参与胆固醇合成，脂肪酸合成和去饱和，甘油三酯合成等重要生理过程[52]。SREBP-1对脂肪酸的调控主要是通过脂肪酸合成酶（Fatty acid synthetase，FAS）、硬脂酰辅酶A 去饱和酶1（Acyl-CoA desaturase 1，SCD1）和乙酰辅酶A 羧化酶（Acetyl coenzyme A carboxylase，ACC）等的表达。而FAS是脂肪酸合成中的限速酶[53]，ACC提供脂肪酸生物合成的丙二酰辅酶A底物[54]，SCD1一种主要的Δ9去饱和酶，为细胞内单不饱和脂肪酸合成的限速酶[55]。而肝脏SREBP-l 被抑制可以降低胆固醇合成相关酶的表达。一方面，ATP 柠檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase，ATP-CL)对提供乙酰CoA 到胆固醇合成起重要作用。另一方面，3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A 还原酶（3-Hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase，HMG-CoAR）的转录受SREBPs 调控，HMG-CoA 是胆固醇内源合成的限速酶[56]，SREBP-1 mRNA 水平的降低会抑制肝细胞脂肪酸和胆固醇合成酶mRNA水平，从而减少肝脏脂肪酸和胆固醇的内源合成。Yin 等[37]研究表明低消化率淀粉日粮组断奶仔猪FAS、ACC、ATP-CL 在心肌、肝脏、腹脂和前肩脂中的活性均显著低于中消化和高消化率淀粉日粮组。Si 等[25]发现RS 和RSA（乙酰化抗性淀粉）均能不同程度降低SREBP-1、HMG-CoAR、ACC 的mRNA表达量。

3.3 过氧化物酶增值激活受体（Peroxisome proliferator activated receptors，PPARs）

PPARs是一类由配体激活的核转录因子，根据其结构和功能可分为PPARα、PPARβ及PPARγ三种亚型。目前研究最多的是PPARα亚型，其在脂肪酸分解代谢率高的组织中表达，直接控制脂肪酸氧化关键酶的表达，调节线粒体内和过氧化物酶体内的脂肪酸氧化[57]。Shang 等[43]研究抗性淀粉改善小鼠脂质代谢紊乱的分子机制发现，抗性淀粉诱导AMPK 磷酸化，活化的AMPK 促进PPARα表达，从而促进脂肪酸的β氧化。而脂肪酸β氧化升高导致动物血清甘油三酯浓度降低[58]。Choi 等[27]研究发现老化大米（RS3）日粮显著增加PPARα及下游基因肉碱棕榈基转移酶-1（Carnitine palmitoyltransferase-1，CPT-1）和过氧化物酶体酰基辅酶A 氧化酶（Peroxisomal acyl-coenzyme A oxidase，ACOX）mRNA表达量，促进了脂肪酸β氧化。肝型脂肪酸结合蛋白（Liver fatty acid binding protein,LFABP）和肠型脂肪酸结合蛋白（Intestinal fatty acid binding protein,I-FABP）同样受PPARα调控。前人研究表明，L-FABP 基因减弱可抑制长链脂肪酸（longchain fatty acids,LCFA）的氧化，并促进高脂肪喂养小鼠的体重增加，此外，高水平的FABP能够结合LCFA，降低难溶性脂质的毒性作用，促进LCFA 在胞内的转运和扩散[59]。Sun等[22]通过对猪肝脏的基因表达组学和代谢组学分析发现，生土豆淀粉显著增加PPARα和FABP 的表达，表明高抗性淀粉日粮能通过促进肝脏中脂肪酸的氧化和降低脂肪酸的摄取，来调节肝脏脂质代谢，从而避免脂肪肝综合征的发生。再者，RS可以促进逆转运回肝脏的胆固醇和肝脏一些游离的胆固醇转化成胆汁酸。胆固醇7α羟化酶（Cholesterol 7α hydroxylase，CYP7A1）是胆固醇转化成胆汁酸的经典合成途径限速酶[60]，Sinal等[61]给小鼠应用含PPARα激活剂WY-14，643的食物后，肝脏CYP7A1 mRNA表达增加了2～3 倍，表明PPARα能促进CYP7A1 的表达及胆汁酸的合成。RS 可以提高CYP7A1 mRNA 的水平和活性，并且随着CYP7A1 活性和mRNA 水平的升高，粪胆汁酸的排泄量增加，从而促进肝脏胆固醇转化成胆汁酸，使血清胆固醇得以清除[25,27]。

综上所述，抗性淀粉通过Insulin、AMPK、PPARα调节核受体和SREBPs等关键转录因子及其下游脂质代谢（合成、转运、分解和氧化）相关酶的基因表达，调控动物体内脂质合成和分解代谢，降低血脂含量和脂肪沉积，有效的缓解脂质代谢紊乱。其调控机制如图1所示。

图1 抗性淀粉对动物脂质代谢的调控机制

4 总结

近年来，关于抗性淀粉影响动物脂质代谢的内在机制虽有一些报道，但并不完全清楚，有待进一步研究。抗性淀粉作为抗营养因子，日粮中含量过多会影响畜禽正常的生长，因此，不同动物日粮中抗性淀粉的适宜添加量有待进一步研究。有研究发现RS4 在改善脂质代谢紊乱方面其功能优于RS2，且不同类型的RS 对动物脂质代谢的影响研究较少，亟待我们不断的去探索。