低碳水化合物饮食对正常和肥胖大鼠体质量和糖脂代谢的影响

彭 容，杨丽君，邓茂林

1. 成都大学附属医院营养科，成都 610081；2. 成都大学附属医院全科医学科，成都610081

肥胖是指体内脂肪堆积过多和（或）分布异常，是一种多因素的慢性代谢异常状态；肥胖问题正以惊人的速度加速流行[1-3]。肥胖的流行与2型糖尿病以及心血管疾病和某些癌症（如乳腺癌、结肠癌）的发病风险急剧增加密切相关[4-7]，肥胖还与死亡风险增加有关[3]。肥胖已成为全世界范围内严重影响人类健康和生活满意度的危险因素。我国是超重和肥胖增速较快的国家之一。中国健康营养调查（China Health and Nutrition Survey，CHNS）的数据显示，1991—2011年我国居民年龄调整后的总体肥胖率[以体质量指数（body mass index，BMI）≥28.0 kg/m2为肥胖标准]由3.75%上升至11.3%，20年间上升了近2倍[7]。肥胖及其并发症给我国医疗卫生保健系统已带来了沉重负担，而且将会继续加重[8]。

随着对肥胖的深入研究，已证实饮食结构和营养成分的改变会引起体成分组成和代谢的改变，甚至影响某些易感基因的表达[9-10]。Müller等[11]指出饮食可以独立于体质量影响能量消耗，这一现象可能是膳食治疗肥胖的关键。因此，膳食干预成为维持健康的一个重要方面。最近一项meta分析[12]发现，全球超过40%的人正在试图减肥，而且主要通过饮食减肥。

参考Adam-Perrot等[13]和Feinman等[14]关于低碳水化合物饮食（low-carbohydrate diet，LCD）的定义，并结合《中国居民膳食营养素参考摄入量》2013修订版[15]关于我国居民成年人碳水化合物的平均需要量（120 g/d）及推荐供能比（50%～65%），本研究的LCD定义为限制碳水化合物的摄入，并以脂肪取代部分碳水化合物提供的能量，即每日碳水化合物在饮食总能量摄入中的供能比控制在50%以下的饮食结构。越来越多的研究[16-17]表明，LCD对减重有效，并且能改善心血管疾病风险。值得注意的是，先前的一些研究表明，干预对象的特征（年龄、性别、肥胖程度、空腹血糖水平）[18-19]、干预时间长短[20]、LCD中三大供能物质的供能比[21-23]、LCD食物营养成分来源[24]不同，LCD的减重效果会不一样。因此，本研究主要探讨LCD对正常大鼠体质量和肥胖大鼠体质量的影响，以期为个性化膳食指导提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物

雄性 Sprague-Dawley（SD）大鼠 80只，清洁级，8周龄，体质量240～260 g。大鼠均购自成都达硕实验动物有限公司，生产许可证号为SCXK（川）2015-030，使用许可证号为SYXK（川）2014-189。适应性饲养7 d后，将所有实验大鼠随机分为3组：正常对照组（control diet group，CD组，n=10）、正常体质量LCD干预组（LCD组，n=10）和传统高脂饮食干预组（high-fat diet group，HFD组，n=60）。每周测量各组大鼠体质量。

肥胖大鼠入选标准：在HFD组内，按干预8周后体质量增长量从高到低排序，排序在前1/2的30只大鼠与CD组比较，平均体质量增加20%以上认为肥胖大鼠模型建立成功[25-26]。HFD组内体质量排序后1/2的30只大鼠从本研究中剔除。然后，将入选的30只HFD诱导的肥胖大鼠再随机分为3组：一组继续接受HFD（HFD组，n=10），另一组从HFD改为LCD（HFD-LCD组，n=10），余下的一组从HFD改为CD（HFD-CD组，n=10）。各组大鼠再继续喂养8周，于实验的第16周末全部处死。

所有实验动物均饲养于标准塑料笼（475 mm×350 mm×200 mm）中，温度为（22±2） ℃，相对湿度为（55±5） %，光/暗循环为12 h/12 h。每笼5只，所有大鼠都可以自由进食和饮水。在饲养期间，每日对动物进行2次健康状况观测。本实验由成都大学伦理委员会批准，按照《动物福利伦理审查实验室动物指南》（GB/T 35892—2018）执行。

1.2 盲法和随机化分组

实验人员在动物饲养、处理数据和作出排除决定时，对各种饲料种类未预先告知。含有饲料的编码小瓶由不参与实验的第3人制备。整个实验期间由不同的人完成实验分组、喂养和数据分析。80只大鼠从1到80进行编号，并对每个编号使用Microsoft Excel随机化函数RAND创建随机数字，然后对随机数字按数值从大到小进行排序，随机数字最大的前10个数字对应编号的大鼠被分至第1组（CD组），随机数字第11～20位对应编号的大鼠被分至第2组（LCD组），剩下的60只大鼠为第0组（HFD组）。8周后，根据第0组内（n=60）的体质量水平，剔除30只大鼠，再用同样的方法分为3组，分别为第3组（HFD组，n=10）、第4组（HFD-LCD组，n=10）和第5组（HFD-CD组，n=10）。

1.3 饲料

CD组正常对照饲料由成都达硕实验动物有限公司提供。主要成分包括优质玉米、优质小麦、豆粕、苜蓿粉、氯化胆碱、复合酶、植酸酶、赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、氯化钠、磷酸氢钙以及各种矿物质和维生素等。正常对照饲料每100 g提供的能量为1 402 kJ，其中三大供能物质供能比分别为脂肪15%、碳水化合物60%、蛋白质25%。

根据人群研究[27]，长期LCD的脂肪供能比最高可达60%；另有一些研究[21]发现LCD的蛋白质供能比和脂肪供能比分别维持在25%～30%和55%～60%，可能对体成分的改善有益。此外，为了排除蛋白质供能比的影响，本研究中的LCD蛋白质供能比与正常对照饲料保持一致。因此，本研究中LCD每100 g提供的能量为1 904 kJ，其中三大供能物质的供能比分别为脂肪60%、碳水化合物15%、蛋白质25%，主要成分包括大豆、菜籽油、鸡蛋、魔芋粉、维生素和矿物质等。

本研究中的HFD主要用于建立肥胖大鼠模型。之前的研究[28-30]发现，高脂饲料的配方中脂类含量越高，特别是猪油的比例越高，造模所需时间越短。因此，在保持蛋白质供能比不变的情况下，本研究使用的HFD每100 g提供的能量为1 954 kJ，其中三大供能物质的供能比分别为脂肪70%、碳水化合物5%、蛋白质25%，配方是在正常对照饲料的基础上添加猪油、鸡蛋、菜籽油、乳清蛋白粉、大豆、糖、维生素和矿物质等。

1.4 能量摄入水平和食物效率的计算

每天记录各笼饲料投放量和饲料剩余量，计算大鼠平均每日能量摄入量（kJ/d） =大鼠每日饲料摄入量×饲料单位质量所提供的能量。食物效率（g/kJ）=1周大鼠体质量增加量 /大鼠1周摄入能量。

1.5 血生化检测

在实验第8周末和第16周末，所有大鼠禁食8 h，用便携式全血酮体分析仪（北京宜城生物电子技术有限公司）测定大鼠尾全血β- 羟基丁酸酯（β-hydroxybutyrate，β-HB）浓度，评估营养性酮症的状态。

第16周末，大鼠处死后，剖开腹部，暴露后腔静脉；然后用5 mL注射器缓慢地从静脉中抽取5 mL血液。其中2 mL血液样品送成都大学附属医院实验室采用Beckman Coulter AU5821全自动生化分析仪（美国）检测空腹血糖（fasting plasma glucose，FPG）、三酰甘油（triacylglycerol，TAG）、总胆固醇（total cholesterol，TC）、高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-C）和低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）。剩余血液样品分离血清后，-20 ℃保存。

1.6 内脏脂肪称重

第16周末，测量大鼠体质量（body weight，BW）；待处死后，分离腹部皮下脂肪（abdominal subcutaneous fat，ASF）、肾周脂肪（perirenal fat，PF）和附睾脂肪（epididymal fat，EF），并称重。内脏脂肪总量（total visceral fat，TVF） 为 ASF、PF、EF三 者 之 和， 计 算 TVF/BW的值。

1.7 统计学分析

2 结果

2.1 各组大鼠的体质量、能量摄入和食物效率

第6周，LCD组实验鼠体质量显著低于HFD组（P=0.000），但LCD组与CD组实验鼠体质量间差异无统计学意义（P=0.085）。第8～16周，HFD-LCD组大鼠体质量增长速度显著减缓，甚至缓于HFD-CD组；第16周末，HFD-LCD组大鼠体质量显著低于HFD-CD组和HFD组（均P＜0.05），与CD组和LCD组间差异均无统计学意义（均P＞0.05）（图1A）。

从能量摄入情况看，实验16周期间，LCD组能量摄入均低于HFD组。第8周末LCD组与CD组能量摄入量差异无统计学意义（P=0.067）；第16周末，LCD组能量摄入量较CD组高（P=0.000）；第8～16周，HFD-LCD组能量摄入均显著高于CD组和LCD组（均P＜0.05），与HFD组能量摄入间差异无统计学意义（均P＞0.05）（图1B）。

从食物效率情况看，第2～8周，LCD组的食物效率低于HFD组和CD组，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；第8～16周，肥胖大鼠的3个亚组中HFDLCD组的食物效率显著低于其他2组（均P＜0.05）（图1C）。

图1 各组大鼠的体质量、能量摄入水平和食物效率Fig 1 Body weight, energy intake and food efficiency of each group

2.2 内脏脂肪水平

第16周末，在正常体质量大鼠中，LCD组和CD组内脏脂肪ASF、EF、PF和TVF/BW间的差异均无统计学意义（均P＞0.05）；在肥胖大鼠中，HFD-LCD组EF显著低于HFD组和HFD-CD组（均P＜0.05），但ASF、PF和TVF/BW在这3组间差异均无统计意义（均P＞0.05）（表1）。

表1 膳食干预对正常体质量和肥胖大鼠内脏脂肪的影响Tab 1 Effect of dietary intervention on visceral fat in normal weight rats and obese rats

2.3 血生化指标的变化

第8周末和第16周末，LCD组的β-HB水平均显著高于CD组（均P＜0.05），与HFD组间差异均无统计学意义（均P＞0.05）。第16周末，肥胖大鼠中HFD组的β-HB水平最高，HFD-LCD组次之，HFD-CD最低，3组间差异均有统计学意义（均P＜0.05）（表2）。

第16周末，LCD组TC显著高于CD组（P=0.001），HDL-C显著低于CD组（P=0.021），但与HFD组间差异均无统计学意义（均P＞0.05）；LCD组的FPG、TAG和LDL-C水平与CD组间差异均无统计学意义（均P＞0.05），但2组均显著低于HFD组（均P＜0.05）。在肥胖大鼠中，HFD-LCD组TAG显著低于其他2组（均P＜0.05），HDL-C显著高于其他2组（均P＜0.05）；FPG、TC显著低于HFD组（均P＜0.05），但与HFD-CD组间差异均无统计学意义（均P＞0.05）；3组的LDL-C水平间差异无统计学意义（P＞0.05）（表2）。

表2 膳食对正常体质量和肥胖大鼠β-HB水平和糖脂代谢指标的影响Tab 2 Effects of diet on β-HB level and glycolipid metabolism in normal weight rats and obese rats

2.4 多元线性回归分析

运用多元线性回归分析大鼠体质量与膳食结构及β-HB水平的关系。将CD组、LCD组、HFD组作为一类（正常体质量大鼠），HFD-CD组、HFD-LCD组、HFD组作为一类（肥胖大鼠）分别进行多元线性回归。分别以CD组、HFD-CD组β-HB水平为参照，将2类大鼠分为CD组的0～1倍、1～2倍、＞2倍3个亚组，以及HFD-CD组的0～1倍、1～2倍、＞2倍3个亚组。

在正常体质量大鼠中，HFD组、LCD组与CD组相比， 其β（95%CI） 值 分 别 为 43.49（5.67～ 81.31）、-7.86（-46.67～30.94），表示HFD组的体质量平均高于CD组43.49 g，且有统计学意义，而LCD组与CD组体质量间差异无统计学意义。将β-HB水平作为连续变量，发现其对体质量的影响无统计学意义（β=4.93，P=0.870）；以β-HB水平为CD组的0～1倍作为对照组，β-HB水平为CD组的1～2倍和＞2倍时，其对体质量的作用均无统计学意义（均P＞0.05）（表3）。

表3 第8周正常体质量大鼠体质量与膳食结构、β-HB水平关系的多元线性回归Tab 3 Multiple linear regression of the relationship between body weight and dietary structure or β-HB level in normal body weight rats in the 8th week

在肥胖大鼠中，以HFD组为对照，HFD-LCD和HFD-CD饮食干预均可显著降低大鼠体质量（均P＜0.05），HFD-LCD组下降更明显（β=-88.56）。与β-HB水平为HFD-CD组的0～1倍比较，β-HB水平为HFD-CD组的1～2倍时大鼠体质量显著降低（β=-34.92，P=0.006），而β-HB水平为HFD-CD组的＞2倍时体质量无明显变化（P=0.430）（表 4）。

表4 第16周肥胖大鼠体质量与膳食结构、β-HB水平关系的多元线性回归Tab 4 Multiple linear regression of the relationship between body weight and dietary structure or β-HB level in obese rats in the 16th week

3 讨论

LCD在减重方面有很好的应用前景，但是在个体化应用过程中，先前的一些研究的结果并不一致；其可能的原因是体质量状态不同对饮食结构的反应也不同。

3.1 膳食结构

Frommelt等[21]证明，LCD中蛋白质和脂肪供能比例不同可能导致实验大鼠体内的营养性酮症状态以及体质量和代谢相关指标发生不同改变；因此，本研究中的3种膳食结构均保持蛋白质功能比不变。Morens等[31]证明，尽管正常体质量大鼠与肥胖大鼠在LCD干预下，体质量增长相似，但当校正体质量后，正常体质量大鼠较肥胖大鼠腹膜后的脂肪量更高。我们的研究结果同样证明，不同体质量状态的大鼠对膳食结构的反应是不一致的。在正常体质量大鼠中，LCD饮食不会影响体质量，但会升高部分血脂代谢指标；相反，LCD饮食干预肥胖大鼠（即HFDLCD组）可以减缓肥胖大鼠体质量增加和降低局部体脂积累，同时有利于降低肥胖大鼠的血糖和血脂。但HFDLCD组与CD组比较，HFD-LCD组内脏脂肪含量和FPG仍偏高，血脂水平（TC、TAG、HDL-C和LDL-C）差异无统计学意义。由此可见，肥胖大鼠能从HFD饲料转变为LCD饲料干预中获益（包括体质量、内脏脂肪含量和糖脂代谢指标），但与正常大鼠比较时，内脏脂肪和糖代谢指标仍然没有达到正常水平。本研究结果中，糖脂代谢参数的改善可能更直接地与内脏脂肪的损失有关。Lara-Castro等[27]的研究表明，肥胖与胰岛素抵抗有关；然而，个体胰岛素敏感性差异只有8%可以用BMI的差异来解释。胰岛素敏感性的个体差异很大程度上可能独立于全身性肥胖的程度[32-33]。胰岛素抵抗的可能原因为腹部脂肪组织的增加可以促进游离脂肪酸和脂肪细胞衍生蛋白（如纤溶酶原激活物抑制剂-1、肿瘤坏死因子α、瘦素、脂联素等）的分泌，从而引起胰岛素抵抗综合征。

3.2 营养性酮症

Bielohuby等[34]已经证明，极低碳水化合物和低蛋白质饮食（碳水化合物供能比15%、蛋白质供能比10%、脂肪供能比75%）显著增加大鼠血清β-HB水平（＞5倍），而极低碳水化合物和中等蛋白质饮食（碳水化合物供能比15%、蛋白质供能比20%、脂肪供能比65%）引起轻度β-HB水平升高（2倍）。本研究结果基本与Bielohuby等人的一致：LCD组和HFD组的β-HB水平分别是CD组的1.81倍和1.88倍（第8周末）；在肥胖大鼠中，HFD-LCD组和HFD组分别是HFD-CD组的2.03倍和3.04倍。

最新的研究[35-38]已经证实LCD具有减重作用。但不同配方在减重效果方面也可能不同[21]。研究表明，LCD的不同作用可能在于碳水化合物、脂肪和蛋白质的能量供能比不一致。低碳水化合物饮食中蛋白质/脂肪供能比更低的膳食结构可能更不利于减重和导致糖脂代谢紊乱，而蛋白质供能比25%～30%和脂肪供能比55%～60%的LCD可能更有助于减重和减少脂肪积累[21]。因此，评估营养性酮症状态可能是评价膳食减重作用的一个关键指标。

3.3 多元线性回归

我们运用多元线性回归进一步分析正常体质量大鼠和肥胖大鼠的体质量分别与膳食结构和营养性酮症状态的关系，结果发现，膳食结构和营养性酮症状态在正常体质量大鼠和肥胖大鼠中的作用是不一致的。在正常体质量大鼠中，HFD引起大鼠体质量增加，LCD对体质量的影响无统计学意义，结合之前的研究结果——LCD干预正常体质量大鼠使得内脏脂肪反而增加，提示LCD可能不适用于正常体质量个体减重或维持较低体质量，甚至可能有增加内脏脂肪的危险。在肥胖大鼠中，LCD使大鼠体质量下降。由此推测，不同基础体质量的干预对象对饮食干预有不同的反应。

另外，我们发现LCD诱导的营养性酮症状态（β-HB水平）可能是肥胖大鼠体质量的影响因素。β-HB水平对体质量的影响可能仅在一定范围内，即β-HB水平维持在喂食正常对照饲料的肥胖大鼠（HFD-CD组）的1～2倍可能是有益的。

综上所述，不同宏量营养物质对机体体质量可能有不同的作用，不同体质量状态对膳食的反应也可能不一致。因此，在运用LCD作为减重饮食时，要注意脂肪和蛋白质的供能比需在适宜的范围，并定期检测营养性酮症的状态。另本研究仅为动物实验，在人群中是否会得到相同结论，还需在人群中进行干预性或观察性试验加以验证，进一步探讨不同LCD营养成分对不同体质量状态人群的体质量和代谢的作用，为个性化膳食指导提供依据。