基于核磁共振氢谱代谢组学研究阿拉伯木聚糖及其复合多糖对高脂饮食诱导肥胖小鼠粪便代谢物的影响.pdf
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1、140 2023,Vol.44,No.19 食品科学 营养卫生基于核磁共振氢谱代谢组学研究阿拉伯木聚糖及其复合多糖对高脂饮食诱导肥胖小鼠粪便 代谢物的影响张 茜1,赵 鑫1,成锦华2,唐俊妮1,朱成林1,*,陈 洪2,*(1.西南民族大学食品科学与技术学院,四川 成都 610041;2.四川农业大学食品学院,四川 雅安 625014)摘 要:为探究阿拉伯木聚糖及其复合多糖对高脂饮食诱导肥胖小鼠粪便代谢产物的影响,将16 只雄性ICR/KM小鼠随机分为4 组,包括正常饮食组、高脂饮食组、添加阿拉伯木聚糖的高脂饮食组和添加阿拉伯木聚糖-葡聚糖的高脂饮食组,通过核磁共振氢谱代谢组学技术研究粪便代谢物
2、的组成及含量。结果表明:4 组粪便代谢物中共定性出67 种小分子化合物,包括氨基酸、肽、有机酸、碳水化合物、核苷、核苷酸及其衍生物等。与正常饮食组相比,高脂饮食组小鼠粪便代谢物中胆酸盐、黄嘌呤和焦谷氨酸的含量显著升高(P0.05);缬氨酸、3-氧丁酸、4-羟基苯乙酸甲酯、3,4-二羟基苯乙酸、乙酸苯酯、谷氨酰胺、异亮氨酸和天冬氨酸的含量显著降低(P0.05)。与高脂饮食组相比,补充阿拉伯木聚糖组小鼠粪便代谢物中谷氨酰胺、乙酸盐、4-羟基苯乙酸甲酯、葡萄糖、天冬酰胺、异丁酸和苏氨酸的含量显著升高(P0.05);烟酸、焦谷氨酸和胆酸盐的含量显著降低(P0.05)。其中,与添加阿拉伯木聚糖的高脂饮食
3、组相比,补充阿拉伯木聚糖-葡聚糖的高脂饮食组小鼠粪便代谢物中焦谷氨酸的含量显著升高(P0.05);乙酸盐、丁酸盐、葡萄糖、谷氨酰胺、异丁酸和丙酸的含量显著降低(P0.05)。代谢通路和富集分析结果表明主要的作用途径包括酮体的合成和分解,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成,酪氨酸代谢,丁酸盐代谢,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代谢。综上,补充阿拉伯木聚糖及其复合多糖能改善高脂饮食诱导肥胖小鼠的粪便代谢组学特征。关键词:阿拉伯木聚糖及其复合多糖;高脂饮食;肥胖;代谢组学;核磁共振氢谱Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy(1H-NMR)-Based
4、 Metabolomic Analysis Effects of Arabinoxylan and Its Mixture with-Glucan on Fecal Metabolites in High-Fat Diet-Induced Obese Mice ZHANG Qian1,ZHAO Xin1,CHENG Jinhua2,TANG Junni1,ZHU Chenglin1,*,CHEN Hong2,*(1.College of Food Sciences and Technology,Southwest Minzu University,Chengdu 610041,China;2.
5、College of Food Science,Sichuan Agricultural University,Ya an 625014,China)Abstract:The aim of this study was to investigate the effects of arabinoxylan and its blend with-glucan on fecal metabolites in mice with high-fat diet-induced obesity.Sixteen male ICR/KM mice were randomly divided into four
6、groups:normal diet(CON),high-fat diet(HFD),high-fat diet supplemented with arabinoxylan(HFAX)and high-fat diet supplemented with arabinoxylan+-glucan(HFA).The composition and content of fecal metabolites in each group of mice were investigated by 1H-NMR-based metabolomics.The results showed that a t
7、otal of 67 small molecule metabolites,including amino acids,peptides,organic acids,carbohydrates,nucleosides,nucleotides and their derivatives,were identified.Compared with the normal diet group,the HFD group had significantly higher levels of fecal cholate,xanthine and pyroglutamate(P 0.05)收稿日期:202
8、2-12-27 基金项目:四川省自然科学基金青年科学基金项目(2022NSFSC1652);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2023NYXXS073)第一作者简介:张茜(2000)(ORCID:0000-0002-5616-0981),女,硕士研究生,研究方向为食品加工与安全。E-mail:Z*通信作者简介:朱成林(1991)(ORCID:0000-0003-3486-1936),男,讲师,博士,研究方向为食品科学。E-mail:陈洪(1982)(ORCID:0000-0003-3605-6551),男,教授,博士,研究方向为食品科学。E-mail:营养卫生 食品科学 2023,Vol.4
9、4,No.19 141and significantly lower levels of valine,acetoacetate,4-hydroxyphenylacetate,3,4-dihydroxybenzeneacetate,phenylacetate,glutamine,isoleucine and asparagine(P 0.05).Compared with the HFD group,the concentrations of glutamine,acetate,4-hydroxyphenylacetate,glucose,asparagine,isobutyrate and
10、threonine increased significantly in the arabinoxylan supplement group(P 0.05),while the concentrations of nicotinate,pyroglutamate and cholate decreased significantly (P 0.05).In particular,compared with the HFAX group,the amount of pyroglutamate increased significantly(P 0.05),while the levels of
11、acetate,butyrate,glucose,glutamine,isobutyrate and propionate decreased significantly in the HFA group(P 0.05).The metabolic pathway and enrichment analysis revealed that the major pathways included the synthesis and degradation of ketone bodies,phenylalanine,tyrosine and tryptophan biosynthesis,tyr
12、osine metabolism,butanoate metabolism,and alanine,aspartate and glutamate metabolism.In conclusion,arabinoxylan and its mixture with-glucan supplementation could improve fecal metabolomic profiles in mice with high-fat diet-induced obesity.Keywords:arabinoxylan and its mixture with-glucan;high-fat d
13、iet;obesity;metabolomics;proton nuclear magnetic resonance spectroscopy(1H-NMR)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221227-259中图分类号:TS201.4 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2023)19-0140-08引文格式:张茜,赵鑫,成锦华,等.基于核磁共振氢谱代谢组学研究阿拉伯木聚糖及其复合多糖对高脂饮食诱导肥胖小鼠粪便代谢物的影响J.食品科学,2023,44(19):140-147.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221227-259.htt
14、p:/ZHANG Qian,ZHAO Xin,CHENG Jinhua,et al.Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy(1H-NMR)-based metabolomic analysis effects of arabinoxylan and its mixture with-glucan on fecal metabolites in high-fat diet-induced obese miceJ.Food Science,2023,44(19):140-147.(in Chinese with English abstract
15、)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221227-259.http:/肥胖是由于机体能量摄入高于能量消耗,导致脂肪过度堆积而引发的一种营养代谢综合征,会诱发脂肪肝相关的代谢功能障碍(metabolic associated fatty liver disease,MAFLD)、胰岛素抵抗、2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)和癌症等疾病1。据世界卫生组织(World Health Organization,WHO)的调查数据显示,全球有超过19亿成年人存在超重或肥胖,患病率达38.9%,肥胖已成为全球关注的重大公共卫生问题2。据报道,高
16、脂饮食是造成现代人脂肪堆积及肥胖的重要诱因之一3。因此,合理调整膳食结构和有效控制能量摄入对预防和治疗肥胖及其并发症非常重要。益生元是指一些不被宿主胃肠道消化吸收却能有选择性地促进其体内肠道有益菌代谢和增殖的非淀粉多糖4,具有阻碍食物消化和吸收的作用5,因此益生元在降低脂肪积累方面具有潜在效应。有研究表明,益生元能显著降低成年超重或肥胖患者的身体质量指数(body mass index,BMI)和体质量,是预防和治疗超重或肥胖的有效手段6。阿拉伯木聚糖7和-葡聚糖8 为新型的益生元,目前对两者改善肥胖的作用机制研究大多数集中于其对肠道菌群的调节。Sarma等9发现阿拉伯木聚糖能改善高脂饮食导致
17、的盲肠细菌丰度增加,并增加肠道拟杆菌属(Bacteroidetes)丰度,从而改善肥胖。Nie Qixing等10研究表明,阿拉伯木聚糖能显著增加肠道内有益菌的丰度,同时降低有害菌丰度。Miyamoto等11研究了-葡聚糖对高脂饮食喂养小鼠肠道微生物的影响,结果表明-葡聚糖能促进肠道激素肽YY(peptide tyrosine-tyrosine,PYY)和胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的分泌,从而增加肠道菌群丰度和多样性,调节厚壁菌门(Firmicutes)/拟杆菌门(Bacteroidetes)的比值,同时增加肠道短链脂肪酸(short-ch
18、ain fatty acids,SCFAs)含量以减少摄食量。这与Wang Ruoyu等12的研究结果一致。然而,探究肠道菌群的代谢及其对饮食干预的反应需要一个整体的视角13。代谢组学以分子质量低于1 000 Da的内源性代谢物为研究对象,通过考察生物体系受到刺激或干扰前后内源性代谢物含量的变化来研究代谢途径14。作为基因组学和蛋白质组学的继承者,代谢组学将关注点从基因转移到小分子代谢物,将细胞、组织和生物体有机地联系起来15。代谢组学能够破译人类与微生物之间错综复杂的联系16,更好地展示多糖干预肠道菌群时机体的整体变化。近年来,代谢组学在食品、营养科学和中医药领域的应用越来越广泛,是多糖调控
19、饮食诱导肥胖作用机制及理论研究强有力的现代化研究手段。本研究采用正常饮食和高脂饮食喂养ICR/KM小鼠,同时对高脂饮食喂养的小鼠补充阿拉伯木聚糖和阿拉伯木聚糖-葡聚糖。基于核磁共振氢谱(proton nuclear magnetic resonance spectroscopy,1H-NMR)技术系统研究多糖干预后高脂饮食诱导肥胖小鼠粪便代谢谱的变化,为进一步研究多糖对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群及其代谢产物的调控机制提供理论依据。142 2023,Vol.44,No.19 食品科学 营养卫生1 材料与方法1.1 动物、材料与试剂6 周龄SPF级雄性ICR/KM小鼠购自成都达硕生物科技有限公司
20、,生产许可证号:SCXK(川)2020-030。阿拉伯木聚糖、-葡聚糖 上海瑞安生物工程有限公司;磷酸盐缓冲液、叠氮化钠(NaN3)(均为分析纯)西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;2,2,3,3-d(4)-3-(三甲基硅基)丙酸钠盐(sodium phosphate tribasic dodecahydrate,TSP)、重水(D2O)美国Cambridge Isotope Laboratories公司。1.2 仪器与设备600.13 MHz AVANCE III型NMR波谱仪 德国Bruker公司;高速冷冻离心机 天美(中国)科学仪器有限公司。1.3 方法1.3.1 动物实验设计将16 只
21、6 周龄雄性ICR/KM小鼠分笼饲养。在适应性喂养1 周后,将小鼠随机分为4 组:正常饮食组(CON)、高脂饮食组(HFD)、添加阿拉伯木聚糖的高脂饮食组(HFAX)和添加阿拉伯木聚糖-葡聚糖的高脂饮食组(HFA)。CON组饲喂普通饲料,HFD组饲喂高脂饲料(猪油15%(质量分数,下同)、蔗糖15%、普通饲料70%),HFAX组饲喂补充10%阿拉伯木聚糖的高脂饲料,HFA组饲喂补充5%阿拉伯木聚糖5%-葡聚糖的高脂饲料。1.3.2 样本采集和保存8 周后收集小鼠粪便,装入2 mL无菌冻存管后迅速放入液氮中,于80 冰箱中保存。1.3.3 1H-NMR分析称取0.08 g粪便样本于2 mL EP
22、管中,加入1 mL去离子水,涡漩混合5 min,4 下静置2 h以更好地提取小分子代谢物。样本在4 下以18 630g离心15 min,取0.5 mL上清液,添加10 mmol/L的TSP重水溶液0.2 mL,用作NMR化学位移参考和内标。用磷酸盐缓冲液调整溶液的pH值为7.000.02,并添加10 L 2 mmol/L NaN3以避免微生物繁殖。最后,每个样品在上述条件下再次离心。参考叶婷婷等17的方法并适当优化。确定1H-NMR测定条件:载波频率为600.13 MHz,检测温度298 K,谱宽化学位移()为10,弛豫时间5 s,获取数据点 32 000 个。扫描次数为32,同时通过预饱和C
23、PMG序列抑制水信号。采用Topspin 3.5和Chenomx 8.4软件进行NMR图谱处理。在Topspin软件中手动进行NMR图谱基线调整,并转换成ASCII文件,导入R语言软件。随后,利用本实验室编写的R语言代码脚本进行后续波谱处理。处理过程 分为以下3 步:1)以TSP的化学位移(0)为标准对谱图进行定标校正,排除重叠信号干扰;2)去除值为4.674.90区域的水峰,消除残余水峰的影响;3)去除残留水信号后,利用R语言基础数据包中“rollingball”函数,通过峰检测对1H-NMR图谱再次进行基线校正。定性分析依据化合物的化学位移、多重峰、峰型等数据与Chenomx软件中化合物标
24、准峰数据库进行比较。在计算各化合物峰值时采用全局光谱去卷积算法对重叠区域进行反卷积,从而对在拥挤光谱区域出现共振的化合物进行绝对定量。在1H-NMR图谱中信号面积与样品中存在的质子数成正比,分别对1H-NMR图谱中单个信号进行积分,并通过与内标信号比较,计算极性和非极性 组分含量。1.4 数据统计与分析使用R 语言软件进行独立样本t检验、方 差 分析(ANOVA)和主成分分析(principal component analysis,PCA),所有数据表示为平均值标准差,以P0.05表示差异显著。利用Metabo Analyst 5.0在线数据分析平台对差异代谢物进行聚类分析、通路分析和富集分
25、析。2 结果与分析2.1 粪便代谢组的特征分析采用600.13 MHz 1H-NMR对CON、HFD、HFAX和HFA组小鼠粪便中的小分子代谢产物进行测定,得到样品的1H-NMR图谱及每个代谢物对应的值,如图1所示。3.20 3.15 3.10 3.002.90 2.852.75 2.652.60 2.552.45 2.40 2.352.252.201.901.45 1.351.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95 0.900.7039A3338373635343231302928272625 2423222120191817161514131211109876 54 231
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