乳制品的营养素对人体血糖代谢的影响

赵国婧,孙 旭,谌 昀

(1. 南昌市青云谱区市场监督管理局,南昌市青云谱区市场监管保障中心,330001,南昌;2. 江西省科学院应用物理研究所,330096,南昌)

0 引言

餐后血糖控制失控或餐后高血糖是糖尿病前期和2型糖尿病的主要危险因素[1],发生在糖尿病恶化后空腹血糖水平恶化之前。其还与心血管疾病和肝纤维化的发展有关,并增加了2型糖尿病患者的全因死亡率和癌症死亡率[2]。因此,良好的餐后血糖控制对于预防和控制代谢综合征至关重要。

在本研究中,设计了7种乳化营养奶昔,以达到相同的食品形态和微观结构,这在很大程度上最小化了食物结构差异对健康结果的影响。营养奶昔之间的差异仅限于改变蛋白质(如乳清蛋白、大豆蛋白或酪蛋白酸钠)、油(如长链甘油三酯(LCT)或中链甘油三酯(MCT))、可用碳水化合物(如麦芽糊精或玉米糖浆)或纤维(如燕麦纤维、低聚果糖(FOS)或非纤维)的来源[3]。因此,可精确地评估营养奶昔中宏量营养素的来源如何影响餐后血糖和胰岛素血症。由于肥胖是参与2型糖尿病及其并发症发生的重要环境因素,还研究了常量营养素来源对主观食欲和短期食物摄入的影响[4]。此外,还对营养奶昔的体外消化与体内消化进行了对比研究,以准确测定葡萄糖浓度,有望促进对营养奶昔中常量营养素组成或常量营养素来源如何影响餐后血糖的理解。

1 材料和方法

1.1 材料

所有食品原料均由雅培营养公司提供,其中NaCl(≥98%)、CaCl2(≥99%)、α-淀粉酶(10080)、胃蛋白酶(P7000)、胰蛋白酶(P7545)、胆盐购自Sigma公司。淀粉葡糖苷酶,购自Megazyme公司。其他试剂均购自Macklin Chemical公司,成分均为分析级试剂[5]。

1.2 研究方法

采用受试者内随机交叉和重复测量设计来确定营养奶昔中的宏量营养素如何影响血糖反应、食欲和食物摄入。

参与者接受8种物质(7种营养奶昔和水)。食用顺序使用计算机生成的顺序随机化,这些食用顺序被随机分配给每个参与者。测试食物的识别对参与者是保密的。每次食用后均有5天的洗脱期。在饮食前一天,参与者被要求坚持他们正常的体育活动,吃类似的晚餐,不要喝酒。会议当天,参与者被要求禁食12 h,并在20 min内食用250 mL脱脂牛奶和面包吐司作为早餐。到达后(早餐后1.5—2 h),检查基线血糖水平。如果基线血糖水平>5.5 mmol/L,或如果参与者未能通过前24 h睡眠数量和质量、身体活动、压力和饮食依从性的基线问卷,则重新安排会议。为了测量基线主观食欲,还进行了视觉模拟量表问卷调查。根据这些基线测量,参与者在5 min内被分配到8种治疗中的1种。血糖水平由连续血糖监测系统记录,并在0、15、30、45、60、90和120 min用无菌手指棒在血清管中收集10滴血液用于胰岛素测定[6]。在同一时间点进行主观食欲VAS问卷调查。在120 min的测量之后,参与者被提供了一份随意的饺子和一瓶500 mL的水,并被指示在30 min内吃到舒适的饱腹。参与者标准:年龄在18—30岁之间,体重指数在18.5～25.4 kg/m2之间[7],空腹血糖≤5.5 mmol/L[8],体重稳定至少3个月。

血糖水平测定:使用连续血糖监测系统监测血糖水平。该系统佩戴在参与者的上臂背部,并覆盖有防水聚氨酯薄膜。血胰岛素水平测定:血液在4 ℃和10 000转/分钟离心5 min,随后保存在-80 ℃冷冻库中进一步测定[9],使用人胰岛素酶联免疫吸附测定试剂盒[10]。

2 实验结果

2.1 营养奶昔的结构特性

共焦图像中的红色和绿色分别代表油相和连续相。奶昔S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7的成分为乳清蛋白+长链甘油三酯+糖浆+低聚果糖、酪蛋白酸钠+长链甘油三酯+糖浆+低聚果糖、大豆蛋白+长链甘油三酯+糖浆+低聚果糖、乳清蛋白+中链甘油三酯+糖浆+低聚果糖、乳清蛋白+长链甘油三酯+麦芽糊精+低聚果糖、乳清蛋白+长链甘油三酯+糖浆+燕麦纤维和乳清蛋白+长链甘油三酯+糖浆。具有不同上标字母的柱状图在P<0.05时显著不同。

乳化剂营养奶昔根据其常量营养素的来源可分为蛋白质(S1、S2、S3)、油脂(S1、S4)、有效碳水化合物(S1、S5)和纤维(S1、S6、S7)4类。奶昔S8只含水。与奶昔S1相比,奶昔S2(酪蛋白酸钠与乳清蛋白)、S3(大豆蛋白与乳清蛋白)、S4(MCT与LCT)、S5(麦芽糊精与玉米糖浆)、S6(燕麦纤维与果寡糖)和S7(非纤维与果寡糖)中大量营养素的来源被另一种营养素取代。震波S1～S7的主要结构特征如图1所示。营养奶昔(S1～S7)的平均油滴尺寸(D4,3)变化范围为15～20 μm,但奶昔S3和S4的油滴尺寸分布跨度较大(图1(a)和S2),且差异不显著。在所有摇动中均观察到剪切变薄行为(图1(b))。在低剪切速率下(<0.01s-1),奶昔S3和S6的粘度显著高于其他奶昔(可能是由于大豆分离蛋白或燕麦纤维中的油滴和小颗粒之间的相互作用)。然而,在胃肠道剪切速率范围内,在较高剪切速率下(0.1～100 s-1)的所有奶昔的粘度是相似的,因为这些颗粒间的相互作用很容易被破坏,粘度主要由连续食物基质的性质决定。振动的微观结构如图1(c)所示。油滴(红色)分散在水相(绿色)中。连续期蛋白质分布均匀。大多数油滴的直径在10～20 μm之间,与D4,3的结果一致。

图1 (a)油滴大小(D4,3);(b)表观粘度;(c)基于乳液的营养奶昔数据的共聚焦激光扫描显微图像显示为平均值±平均值的标准偏差

2.2 餐后血糖反应

不同处理(S1～S8)后的2 h葡萄糖反应如图2(a)所示。仅震动S4 15 min时血糖水平不高于震动S8(P=0.054 2)。震动S4 30 min峰值低于震动S1 (P<0.000 1)、震动S2 (P<0.000 1)、震动S6(P=0.000 5)、震动S7(P<0.000 1)。震动S5 30 min的峰值低于震动S1(P=0.005 8)、震动S2(P<0.000 1)和震动S7(P=0.001 1)。震动S3在30 min时的峰值低于震动S2(P=0.000 3)。震动S4 45 min时血糖水平低于震动S1(P=0.000 8)、震动S2 (P<0.000 1)、震动S3(P=0.009 1)和震动S7(P<0.000 1)。震动S5 45 min时血糖水平低于震动S2(P<0.000 1)。震动S1～S7 30、45、60 min的血糖水平均高于震动S8(P<0.000 1)。奶昔S4的2 h葡萄糖曲线下增量面积低于奶昔S1(P=0.026 8),奶昔S2(P=0.006 3),和S7(P=0.006 3);奶昔S8的2 h葡萄糖曲线下增量面积低于奶昔S1～S7(P<0.000 1)(图2(b))。

图2 (a)2小时血糖反应、相对于基线的变化、食用基于乳液的营养奶昔(S1-S7)和水(S8)治疗后以及(b)曲线下增量面积

2.3 餐后胰岛素反应

不同处理后的2 h胰岛素反应如图3(a)所示。在15、30、45、60、90、120 min时,两组胰岛素反应无显著性差异(P>0.05)。然而,S1～S7的胰岛素反应表现出明显的趋势。S4变化的胰岛素反应在15 min时达到峰值,在90 min时显著下降(P=0.004 2)。S1、S2、S3、S5、S6、S7组胰岛素反应在30 min达到峰值,在60 min显著下降(P=0.001 3,<0.000 1,=0.000 1,=0.001 4,=0.002 2,=0.012 5)。S1～S7在15、30 min及S1、S3、S5、S6、S7在45 min的胰岛素反应均高于S8(P<0.001)。营养奶昔S1～S7的2 h胰岛素曲线下增量面积差异无统计学意义(P>0.05),且显著高于奶昔S8(P<0.05)(图3(b))。

图3 (a)2 h胰岛素反应、相对于基线的变化、使用基于乳液的营养奶昔(S1-S7)和水(S8)治疗后以及(b)曲线下增量面积

2.4 主观食欲与食物摄入

主观食欲在几乎所有时间点的奶昔S1～S8无显著差异(P>0.05);只有摇晃S2和S5 60 min时的主观食欲低于摇晃S8(P<0.05)(图4(a))。

图4 (a)平均食欲评分,相对于基线的变化,在食用基于乳液的营养奶昔(S1～S7)和水(S8)处理后通过视觉模拟量表测量;(b)曲线下的净面积;(c)每次治疗后2 h的短期食物摄入

奶昔S1(P=0.0363)、S2(P=0.0091)、S3(P=0.0242)、S5(P=0.0091)、S7(P=0.0094)的食欲曲线下面积均显著低于奶昔S8(图4(b))。

奶昔S4(P<0.0001)、奶昔S5(P<0.0001)、奶昔S6(P=0.027)的摄食量显著低于奶昔S2,奶昔S4(P<0.0001)、奶昔S5(P<0.0001)、奶昔S6(P=0.0018)的摄食量低于奶昔S8(图4(c))。

2.5 体外葡萄糖释放

通过测定奶昔S1～S8的体外葡萄糖释放量来证实血糖反应的结果(图5)。在肠道消化0 min时,奶昔S5的葡萄糖浓度明显低于奶昔S1、S2、S3、S4、S6和S7(P<0.05),这是由于玉米糖浆的水解程度高于麦芽糊精。在肠道消化15 min及之后的时间点,奶昔S1～S7的葡萄糖浓度无显著差异,这表明营养奶昔中的麦芽糊精和玉米糖浆在体外消化过程中都可快速水解成葡萄糖。

图5 体外肠道消化过程中的葡萄糖释放

3 讨论

大量营养素通常以天然食物的形式食用。食物的结构不可避免地会影响大量营养素的可用性和利用。在本研究中,以乳化剂为基础的营养奶昔含有均衡和完整的宏量营养素,并被设计成具有相同的结构特征和匹配的宏量营养素水平。不同营养奶昔的主要区别在于不同的宏量营养素来源,这提供了一个比较宏量营养素组成对餐后血糖、食欲和食物摄入的影响的机会。各组内或组间营养奶昔对比结果(即蛋白质组:S1-乳清蛋白,S2-酪蛋白酸钠,S3-大豆蛋白;油组:S1 LCT、S4-MCT;可用碳水化合物组:S1-玉米糖浆,S5-麦芽糊精;纤维组:S1-FOS,S6-燕麦纤维,S7-非纤维)表明大量营养素摄入模式对餐后血糖反应和食物摄入有显著影响。

酪蛋白酸钠稳定的奶昔S2的峰值血糖水平高于大豆蛋白稳定的奶昔S3,这可能与大豆蛋白对胃排空或胰岛素分泌的不同影响有关。胃排空是餐后血糖反应的主要决定因素,影响大量营养素的消化和吸收,胃排空越快,餐后血糖水平越高。

酪氨酸钠稳定乳剂在胃消化过程中不稳定,在胃消化早期,与酸稳定乳剂(如球状蛋白稳定乳剂或聚山梨酸80稳定乳剂)相比,胃内容物排空更快,可能会导致更高的峰值葡萄糖水平。此外,有报道称同时食用豆浆和白面包降低了餐后血糖反应,增加了胰岛素反应;口服糖耐量试验前预负荷大豆分离蛋白可改善胰岛素反应过度的健康年轻受试者的血糖控制。因此,大豆蛋白对胰岛素分泌的促进作用可能导致了摇S2和摇S3在血糖峰值水平上的显著差异。

同时MCT比LCT更强的降血糖作用可能是由其他因素引起的,如胃排空。MCT早餐比LCT早餐延迟胃排空的程度更大。胃排空延迟与血糖反应降低有关。

麦芽糊精需要在胃肠道中被水解成葡萄糖才能被吸收,而玉米糖浆已经有较好吸收的游离葡萄糖(图5);这导致与使用玉米糖浆制备的S1变化相比,S5变化中的血糖反应峰值更低。与没有添加任何形式的纤维相比,添加低剂量的可溶性和不溶性燕麦纤维(2.5 g/250 g)对奶昔S1和S6的餐后血糖反应没有显著影响,这可以归因于它们对营养奶昔的消化行为的有限影响。体外消化结果表明,用相同剂量的玉米糖浆制成的奶昔在肠道消化15 min后各时间点的葡萄糖浓度相似,这与临床试验的结果不一致。这表明营养素和胃肠道之间的相互作用可以显著影响胃肠道处理、运输和利用可用碳水化合物的方式。例如,通过肠内分泌细胞上的受体或营养物质的吸收,胃肠道中的营养感知通过肠道-脑轴影响葡萄糖的动态平衡或促进胃肠激素的分泌。因此,在使用体外消化方法预测食物的血糖指数或血糖反应时,应考虑营养物质和胃肠道之间的相互作用的影响。

如上所述,MCT与LCT相比,大豆蛋白与酪蛋白钠在营养奶昔中显示出调节餐后血糖反应的能力,而大量营养素本身在血糖调节中起着关键作用。当比较扩展到两组之间的抖动时,涉及到两种常量营养素的变化。S4变化(乳清蛋白+MCT+玉米糖浆)和S5(乳清蛋白+LCT+麦芽糊精)的峰值血糖反应低于S2变化(酪蛋白钠+LCT+玉米糖浆),S4变化(MCT+FOS)的峰值血糖反应低于S6(LCT+燕麦纤维)和S7(LCT+非纤维),S5变化(麦芽糊精+FOS)的峰值血糖反应低于S7(玉米糖浆+非纤维)。这表明,两种常量营养素的联合作用也可以有效地影响餐后血糖反应。

饮食蛋白质摄取与非糖尿病和糖尿病患者的饱腹感增强有关。发现含有不同蛋白质来源(即乳清蛋白、酪蛋白酸钠和大豆蛋白)的奶昔S1～S3在主观食欲和食物摄入量方面没有显著差异,这可能是由于蛋白质分散在相同的结构基质中造成的。例如,Pal和Ellis(2010)报告称,与金枪鱼、火鸡和蛋清蛋白膳食相比,乳清蛋白膳食对食欲和食物摄入量的影响更大。在他们的研究中,这些蛋白质分别来自排水和罐头金枪鱼、预煮和切片的火鸡、乳清分离蛋白或液体蛋清蛋白。然而,含有金枪鱼、火鸡或液体蛋清蛋白的食物的复杂食物基质可能会削弱这些蛋白质的饱腹感。

S1变化(乳清蛋白)和S2(酪蛋白酸钠)与S1(LCT)和S4(MCT)的摄食量没有差异。相比之下,S4变化(MCT+乳清蛋白)与S2变化(LCT+酪氨酸钠)相比显著抑制短期摄食量,这表明两种常量营养素的联合作用影响了摄食量。MCT和LCT在人体内有不同的代谢途径。在MCT代谢过程中,更快的同化(MCT比LCT)提高了β氧化为乙酰辅酶A的生物利用度,后者可以进入线粒体中的三羧酸循环,可以提供丰富的三磷酸腺苷或能量,并可减少饥饿信号。据报道,较低的血糖反应可能会减少短期食物摄入量。结果表明,MCT和乳清蛋白的联合作用与LCT和酪氨酸钠在S2变化中的作用相比,可能是MCT和乳清蛋白联合作用的结果。目前,MCT对主观胃口评分有任何影响的证据有限。

据报道,预先摄入可用碳水化合物可以减少短期食物摄入量。发现S5变化(麦芽糊精+乳清蛋白)的峰值血糖反应低于S1变化(玉米糖浆+乳清蛋白)和S2(玉米糖浆+酪蛋白酸钠)。然而,只有奶昔S5和S2之间的食物摄入量差异显著,支持由两种微量营养素联合引起的较低的血糖反应可以抑制短期食物摄入量(血糖峰值顺序:S5

4 结论

在本研究中,营养奶昔的设计具有相同的结构特征和匹配的常量营养素水平,但常量营养素的来源不同,分为蛋白质(乳清蛋白-S1、酪氨酸钠-S2或大豆蛋白-S3)、油(LCT-S1或MCT-S4)、有效碳水化合物(玉米糖浆-S1或麦芽糊精-S5)或纤维(FOS-S1、燕麦纤维-S6或非纤维-S7)组,以取代奶昔S2～S7与S1中常量营养素的来源。研究了营养奶昔中大量营养素对餐后血糖反应、食欲和短期食物摄入量的影响。大豆蛋白、MCT和麦芽糊精分别与酪氨酸钠、LCT和玉米糖浆在同一组中能有效地降低血糖峰值。两组比较表明,两种微量营养素的联合作用降低了峰值血糖水平,例如MCT+乳清蛋白