Introduction

如今，肥胖已成为世界各地日益严重的公共卫生问题，许多研究证实，肥胖与肠道微生物群的组成和功能变化有关。作为一种典型的可溶性膳食纤维，果胶可被各种肠道微生物群产生的不同的果胶溶解酶降解，产生短链脂肪酸（SCFA），包括乙酸，丙酸和丁酸等。

近年来，一些研究人员专注于研究果胶对肥胖相关的生理变化的影响。许多研究发现，苹果果胶有助于减少体质量增加，改善肠道微生物群，保护肠道屏障，改善肝脏代谢紊乱和减少氧化应激，从而减轻肥胖。然而，果胶对血脂水平、脂肪堆积、肝脏及肠黏膜的组织学和形态学的剂量依赖性调节以及这些指标在中断果胶补充剂后是否持久，以及果胶抗肥胖作用的有效阈值仍未得到充分研究。

中国农业科学院农产品加工研究所毕金峰研究员和易建勇副研究员以苹果果胶为研究对象，探究了不同剂量果胶添加对高脂饮食诱导的肥胖的调控作用，比较了果胶摄入后肥胖相关肠道微生物区系及短链脂肪酸变化，研究了当小鼠恢复标准饮食时，果胶对缓解肥胖的持久作用。其研究结果为开发含果胶的功能性食品和肥胖药物提供理论依据。

Results and discussion

食物摄入量与体质量变化及脂肪量和组织学分析

受个体饮食影响的体质量、食物摄入量和饲料转化率的变化如图1所示。在饲喂10周期间，HF组（高脂日粮组）小鼠体质量增加最多，高脂日粮添加1%、3%、8%、12%（m/m）果胶（HF-P）包括1P、3P、5P、8P、12P，其中3P（23.58 g）、5P（21.38 g）、8P（19.80 g）、12P（16.63 g）均显著低于HF组小鼠，表明果胶用量与体质量之间存在剂量依赖关系。所有小鼠的食物摄入量在前2周增加，然后降低到稳定水平，HF小鼠的食物摄入量在第4周至第8周高于Chow组（标准日粮组）小鼠。连续喂食2周后，HF组和HF-P组小鼠食物摄入水平和体质量增加均有所下降，HF组体质量增加幅度最大，其他组间无显著差异（图1A2)。HF-P小鼠的摄食量低于Chow小鼠，显示了果胶对小鼠食欲的抑制作用。

皮下脂肪染色切片显示果胶以剂量依赖方式改善脂肪组织肥大。与HF小鼠相比，随着果胶比例的增加，HF-P组小鼠脂肪细胞的平均面积减少，细胞边界清晰。

果胶摄入抑制了HF诱导的体质量增加和脂肪组织发育，并随果胶添加量的增加而表现出剂量依赖，在体质量增加、典型脂肪质量和血脂水平方面，8%和12%剂量的果胶可以抵消HF饮食的有害影响。

图1 摄入量与体质量变化及脂肪肿块和组织学图像

血糖，血脂和胰岛素浓度水平

血糖（BG）、总甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）和胰岛素浓度的水平如图2所示。果胶消耗达到了降血脂和降血糖功能。在所有组中，高密度脂蛋白胆固醇和胰岛素浓度最低，BG、TG、LDL-C和TC水平最高。HF饮食导致了Chow小鼠TC水平的增加和HDL-C和胰岛素的降低。与HF小鼠相比，HF-P小鼠的BG（图2A）和TG（图2B）水平随着果胶消耗量增加而降低，同时果胶在8P和12P小鼠中分别降低了49.24%和55.65%（图2E），胰岛素水平分别升高了44.01%和47.74%（图2F）。在用HF和HF-P饮食代替Chow饮食后，HF和HF-P小鼠的所有水平的血糖，血脂和胰岛素浓度在10周群体中降低。

图2 小鼠血液化学测量结果

肝脂肪堆积和肝脏组织学分析

不同组的肝脏重量和组织学图像如图3所示。HF组小鼠的肝脏重量高于Chow组，而HF-P组小鼠的肝脏重量显著低于Chow组（图3A）。HF组小鼠肝脏脂肪变性程度最高，表现为明显的脂肪堆积和浸润。但随着果胶消耗量的增加，上述现象逐渐减轻，8P和12P小鼠的肝脏照片显示细胞边界相对完整，细胞质保存完好，细胞核可见。尤其当饲料中添加超过5%果胶时，HF-P组中小鼠的肝脏脂肪堆积和浸润程度显著低于HF组（图3D）。果胶以剂量依赖性方式改善脂肪组织肥大。

图3 肝脏重量及代表性组织学图像

肠道形态学、组织学分析

盲肠和结肠的组织质量以及结肠黏膜的组织学分析如图4所示。HF降低了盲肠消化和结肠消化的质量，与HF组小鼠相比，补充果胶增加了盲肠消化物质量，并进一步降低了结肠消化物质量。HF-P组小鼠中8P和12P小鼠没有发现明显的肠系膜脂肪和粪便堆积，直肠系膜脂肪大小和粪便沉淀量与果胶剂量呈负相关。同时HF-P小鼠盲肠壁质量（图4C1）和盲肠大小（图4E1）增加，这意味着更大的吸收面积。此外，在HF小鼠的组织学图像中观察到固有层浸润、黏膜受损和纤细的黏膜细胞（图4F1)。表明果胶具有抑制脂肪发育和促进排便的作用，可减轻HF饮食引起的排便和结肠损伤。

图4 小鼠组织质量及肠道环境图像

SCFA含量

不同饮食对直肠粪便中SCFA浓度的影响如表1所示。在8周的队列中，HF组小鼠的乙酸、丙酸和丁酸的含量显著低于Chow组小鼠。与HF小鼠相比，3P到12P小鼠体内乙酸、丙酸和丁酸含量显著增加。此外，5P、8P和12P组小鼠个体SCFA水平均高于Chow组小鼠。经标准饲料替代2周后，1P、3P和Chow小鼠SCFA含量显著升高（P<0.05），5P、8P和12P小鼠SCFA含量显著降低（P<0.05）。

表1 饮食中加入不同剂量的果胶的小鼠的SCFA含量

肠道微生物组组成细菌多样性

根据16S rRNA基因序列鉴定了1 界、10 门、16 纲、22 目、44 科、111 个属、191 个种和474 个OTU。如图5A所示，Chow组（93）属水平的物种数量最高，而HF，3P和12P的物种数量在10周队列中分别增加到81，93和74。此外，除3P小鼠外，HF-P组中的物种数量没有观察到差异。

不同饮食组间的物种差异 图5B显示了来自PCoA分析的整体细菌群落结构，与HF小鼠相比，HF-P小鼠的微生物种类（图5 A）和β-多样性（图5B）的数量得到改善。门水平微生物剖面的热图（图5C）显示，在8周的队列中，HF组小鼠的放线菌、除铁菌、糖化菌和蓝藻的相对丰度低于Chow组，而疣微菌和软壁菌门的相对丰度则高于Chow组，而补充果胶则抵消了HF饮食所致的这些影响。疣状结肠炎的丰度从1P下降到12P，这与分级果胶消耗表现出剂量依赖的方式。在属水平（图5D）上，粪杆菌、腔孢杆菌科和瘤胃球菌的丰度增加，表现出剂量依赖性。

冗余分析 图5E显示肝脏重量、盲肠壁质量、血糖和血清学指标与体质量增加高度相关，此外，消化链球菌科、白刺菌科和乳酸菌与血清学指标呈正相关，血糖和甘油三酯的剂量依赖性变化可能有助于乳杆菌和瘤胃球菌丰度的增加。芽孢杆菌属、乳杆菌属、阿克曼属、粪便杆菌属，与SCFA含量呈正相关，与增重呈负相关。此外，5P、8P和12P小鼠的优势菌为粪便杆菌和双歧杆菌，HF小鼠的优势菌为消化链球菌属和白斑毛菌科。

图5 小鼠微生物群落分析

Conclusion

本研究表明肥胖引起的体质量增加、皮下脂肪堆积和血清甘油三酯升高与特定微生物种群和SCFA产生的剂量依赖性反应高度相关。8%和12%剂量的果胶对HF饲料的不良影响有一定的拮抗作用，停用果胶后可恢复到正常水平。果胶能够抑制脂肪堆积，增加肠壁质量，减轻结肠损伤和停用果胶后的肝脏脂肪变性。因此，说明了果胶能够剂量依赖地减轻高脂饮食诱导的肥胖且存在长期影响。

Dose-dependent effects of apple pectin on alleviating high fat-induced obesity modulated by gut microbiota and SCFAs

Yuanyuan Zhaoa, Jinfeng Bia,*, Jianyong Yia,*, Jian Penga,b, Qiancheng Maa,c

a Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS)/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China

b Sericultural and Agri-Food Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing, Guangzhou 510610, China

c School of Food Science and Technology, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

*Corresponding author.

E-mail address: bjfcaas@126.com; yijianyong515@126.com

Abstract

Recently, pectin has been used as an alternative for commercial prebiotic products to modulate gut microbiota. In this study, the standard diet (Chow group) and high fat diet containing 0% (HF group), 1%, 3%, 5%, 8% or 12% (m/m) apple pectin (HF-P group) were offered ad libitum for 8 weeks to 4-week C57BL/6J mice (n = 10/group). Results showed that body weight gain (R2 = –0.990), subcutaneous adipose accumulation (R2 = –0.930), serum triglyceride elevation (R2 = –0.879), acetate (R2 = 0.955) and propionate concentration reduction (R2 = 0.985) were suppressed by pectin from 1% to 12%, indicating dose response to pectin consumption. Moreover, abundance of obesity-related bacteria Coriobacteriaceae, and pectin-degradating bacteria, Faecalibaculum, Ruminococcus were significantly increased with pectin dosage increased, and the R2 were 0.936, 0.963 and 0.937, respectively. Besides, attenuations for colonic injury and liver steatosis were observed after adding 5% and 8% pectin, respectively. This study confirmed the dose-sensitive manner of pectin to alleviate HF-induced obesity by modulating gut microbiota and enhancing short-chain fatty acids production.

Reference:

ZHAO Y Y, BI J F, YI J Y, et al. Dose-dependent effects of apple pectin on alleviating high fat-induced obesity modulated by gut microbiota and SCFAs[J]. Food Science and Human Wellness, 2022, 11(1): 143-154. DOI:10.1016/j.fshw.2021.07.015.

编辑：王佳红；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。