魔芋葡甘露聚糖對高熱能膳食誘導小鼠認知功能障礙及腦部氧化應激狀態(tài)的影響

劉 茜，李若雨，劉思寧，陳盼盼，方 潔，汪浪紅，龔桂萍，王仲孚，黃琳娟

（西北大學食品科學與工程學院，陜西省天然多糖資源利用工程研究中心，西安市糖生物學與糖工程重點實驗室，陜西 西安 710069）

隨著生活水平的不斷提高，居民膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化?？觳臀幕饾u成為一種飲食潮流，外賣、西餐及高含糖量飲料等使機體攝入的脂肪和糖超標。膳食營養(yǎng)相關的腦功能性研究已成為熱點。研究發(fā)現(xiàn)，這些高熱能膳食會引發(fā)機體產(chǎn)生氧化應激、胰島素抵抗、炎癥反應，導致認知功能障礙。14 周高脂膳食及高糖飲水能夠顯著改變小鼠食物攝取行為及能量消耗，促進體質(zhì)量增加。小鼠腦部胰島素受體酪氨酸殘基磷酸化程度顯著降低，胰島素受體底物絲氨酸殘基磷酸化程度顯著增加，引發(fā)胰島素抵抗。此外，高脂高糖膳食能夠顯著促進小鼠腦部淀粉樣蛋白沉積及神經(jīng)原纖維纏結(jié)，降低突觸可塑性。另有研究發(fā)現(xiàn)，高脂膳食能夠顯著下調(diào)氧化應激中樞調(diào)控者核因子E2相關因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的表達，抑制血紅素氧合酶1（heme oxygenase 1，HO-1）及NAD(D)P:醌氧化還原酶1（NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1，NQO-1）的表達。且高脂膳食能夠顯著增加小鼠腦部脂質(zhì)過氧化程度，減少神經(jīng)前體細胞增殖及海馬神經(jīng)發(fā)生。因此，針對膳食與健康的核心問題，發(fā)掘具有地方特色且來源于食品原料的功能組分，揭示其對高熱能膳食誘導的腦內(nèi)營養(yǎng)健康狀態(tài)的調(diào)控作用與機制具有重要的現(xiàn)實意義。

魔芋（K. Koch）為天南星科魔芋屬多年生草本植物，主要分布于我國四川、陜西、湖北等地，其有效成分是由-1,4-糖苷鍵連接而成的魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）。魔芋提取粉常用于制作面條、豆腐等食品。KGM分子質(zhì)量為200～2 000 kDa，具有優(yōu)良的親水性、凝膠性、成膜作用和增稠作用，可以吸收相當于其自身80～100 倍的水。大分子質(zhì)量雖然賦予了KGM優(yōu)良的黏結(jié)性，但也使得其流動性較差，極大限制了KGM作為食品添加劑或功能性物質(zhì)的應用。而經(jīng)各種方法降解后，KGM的黏度降低、流動性變佳，不僅改善了消費者的口感體驗，增加了其在液體食品基質(zhì)中的應用，還符合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求，提高了生產(chǎn)效率。魔芋被聯(lián)合國衛(wèi)生組織確定為十大保健食品之一。近年來大量研究表明KGM可延長胃排空時間，從而增加飽腹感，并調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)，減輕體質(zhì)量，減少餐后血糖升高，抑制肝臟膽固醇合成，在抗肥胖、控制血糖和降低膽固醇等方面起著重要作用。然而，KGM能否干預高熱能膳食誘導的認知功能障礙，不同分子質(zhì)量KGM是否具有相似的功能活性以及存在何種構(gòu)效關系鮮有報道。

因此，本研究以高脂高果糖飲食（high fat and high fructose diet，HFFD）模型模擬高熱能膳食，旨在比較實驗室前期通過可控性降解法得到的低、中、高分子質(zhì)量可溶性KGM對高熱能膳食誘導小鼠認知障礙的干預作用，尋找KGM腦營養(yǎng)功能效應組分，分析其構(gòu)效關系，以期為指導居民合理飲食結(jié)構(gòu)、解決營養(yǎng)過剩問題提供參考，為魔芋資源的深度開發(fā)利用提供科學依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 動物、材料與試劑

90 只7 周齡C57BL/6J SPF級雄性小鼠購自于西安交通大學實驗動物中心（動物生產(chǎn)許可證號：SCXK 2018-001）。標準飼料（AIN-93M，能量為15.07 kJ/g）與45%高脂飼料（TP230100，能量為18.84 kJ/g）均購于南通特洛菲飼料科技有限公司。

特級KJ30魔芋粉（黏度為30 100 mPa·s）湖北強森魔芋有限公司；-果糖（純度99%） 美國Sigma-Aldrich公司；蘇木精-伊紅（hematoxylin-eosin，HE）染色液 南昌雨露實驗器材有限公司；谷胱甘肽（glutathione，GSH）測試盒、過氧化氫酶（catalase，CAT）測試盒 南京建成生物工程研究所；其他常用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

莫里斯水迷宮（XR-XM101）、Y迷宮、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及Super Maze動物行為軌跡分析系統(tǒng) 上海欣軟信息科技有限公司；RM2355型切片機 德國LEICA公司；全波長酶標儀 美國Bio-Tek公司；ECLIPSE Ti2-A倒置熒光顯微鏡 日本尼康公司。

1.3 方法

1.3.1 不同分子質(zhì)量KGM的制備

按照本實驗室前期方法可控性降解KGM制備1、5、90 kDa KGM樣品。

1.3.2 動物實驗設計與分組

動物實驗方案經(jīng)西北大學實驗動物中心動物倫理委員會批準，按照中華人民共和國國家科學技術委員會《實驗動物管理條例》進行。小鼠在標準條件下（溫度（25±2）℃、相對濕度（40±10）%、光暗周期12/12 h，清潔墊料，自由飲水和攝食）飼養(yǎng)。小鼠適應性飼喂約1 周后，隨機分為9 組，每組10 只，每5 只小鼠1 個籠子。正常飲食組（ND）飼喂標準飼料和蒸餾水；HFFD模型組飼喂高脂飼料和含10%（質(zhì)量分數(shù)，下同）果糖的蒸餾水；3 組陰性對照組（ND+1 kDa KGM、ND+5 kDa KGM、ND+90 kDa KGM）分別飼喂含有16% 1、5、90 kDa KGM的標準飼料和蒸餾水；干預組（HFFD+1 kDa KGM、HFFD+5 kDa KGM、HFFD+90 kDa KGM）分別飼喂含16% 1、5、90 kDa KGM的高脂飼料和含10%果糖的蒸餾水；陽性對照組（HFFD+KGM）飼喂含16%魔芋精粉的高脂飼料和含10%果糖的蒸餾水。選擇周一為膳食干預的第1天，第1、3、5、7、9、11、13周周一的同一時間段測定各組小鼠體質(zhì)量；每日給予各籠小鼠一定質(zhì)量的新鮮飼料，小鼠自由取食，第2天同一時間收集剩余的飼料后稱質(zhì)量，并給予一定質(zhì)量的新鮮飼料，計算各組小鼠每日攝食量/g（新鮮飼料與第2天剩余飼料的質(zhì)量差值），累計疊加計算各組小鼠小鼠第1、3、5、7、9、11、13周的總攝食量/g。按式（1）計算各組小鼠攝食量/（g/d）。通過曠場、Y迷宮、水迷宮等行為學實驗評估小鼠認知能力。干預第13周測定小鼠體質(zhì)量后，進行曠場試驗，周二進行Y迷宮實驗；周三不進行實驗；周四進行水迷宮定位巡航實驗訓練；周五至第14周周二每天進行水迷宮定位巡航實驗；干預第14周周三進行水迷宮實驗空間探索；干預第14周周四處死小鼠，收集小鼠腦組織樣品。

1.3.2.1 曠場試驗

曠場試驗箱（25 cm×25 cm×38 cm）箱頂中央放置攝像頭，箱內(nèi)中空，將小鼠放置在試驗箱中央，讓其自由活動5 min，記錄小鼠在規(guī)定時間內(nèi)移動的總路程，該指標反映了小鼠的自發(fā)活動能力。

1.3.2.2 Y迷宮實驗

Y迷宮實驗主要應用于評估嚙齒動物的空間工作記憶能力。本實驗所采用的Y迷宮由3 個彼此成120°夾角的臂組成（35 cm×5 cm×15 cm），放置在無噪音的房間內(nèi)，將小鼠放在Y迷宮3 個臂的交叉點處，讓其在8 min內(nèi)自由探索，記錄小鼠在8 min內(nèi)進入3 個臂的總次數(shù)（即為總進臂次數(shù)）和連續(xù)進入3 個不同臂的次數(shù)，并按式（2）計算交替比例。

1.3.2.3 水迷宮定位巡航實驗

采用水迷宮實驗檢測小鼠學習與記憶能力。圓形池被劃分為4 個象限，水溫保持23～25 ℃。經(jīng)適應性訓練后進行定位巡航實驗，每天4 次，共進行5 d，僅記錄第1、3、5天的定位巡航實驗結(jié)果。定位巡航實驗：將小鼠面向池壁從4 個隨機不同的入水點分別放入水池，采用Super Maze動物行為軌跡分析系統(tǒng)自動記錄小鼠運動總路程及從進入水中到找到水下隱蔽的平臺并站立于其上所需時間，即逃避潛伏期。若入水后60 s小鼠未能找到隱藏的平臺，則將用長棍將其輕輕引導至平臺，并讓其在平臺上站立30 s，逃避潛伏期記為60 s。定位巡航實驗結(jié)束后第2天，移除平臺，進行空間探索實驗，記錄60 s內(nèi)小鼠穿越原平臺的次數(shù)、總路程及小鼠在目標象限運動路程，計算小鼠在目標象限運動路程占總路程的比例。

1.3.3 小鼠腦組織樣品采集

小鼠在行為學實驗結(jié)束24 h后，禁食不禁水12 h，稱體質(zhì)量并麻醉后，采用頸椎脫臼法處死小鼠，0.1 mol/L pH 7.4 磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）心尖灌注后，摘取小鼠腦組織，生理鹽水洗滌后置于4%多聚甲醛固定液中進行固定，或于-80 ℃冰箱中貯存待測。

1.3.4 小鼠腦組織病理學觀察

各組小鼠腦組織經(jīng)4%多聚甲醛固定24 h后，經(jīng)石蠟包埋切片、HE染色后，采用ECLIPSE Ti2-A倒置熒光顯微鏡對其海馬區(qū)（齒狀回（dentate gyrus，DG）、CA1、CA2、CA3區(qū)）和皮層區(qū)進行病理學觀察。

1.3.5 小鼠腦組織氧化還原狀態(tài)的測定

參考GSH、CAT測試盒說明書，將小鼠腦組織按照1∶9（/）加入生理鹽水，冰水浴條件下制備組織勻漿，測定GSH含量和CAT活力，并以ND組為參照，計算各組小鼠腦組織中GSH相對含量及CAT相對活力。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有實驗均重復6 次以上，結(jié)果表示為平均值±標準差。采用GraphPad Prism 8軟件進行單因素方差分析及圖像處理，采用Tukey’s檢驗進行顯著性分析，＜0.05表示顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠攝食量和體質(zhì)量的影響

不同膳食干預后，小鼠體質(zhì)量變化如表1所示。從第7周開始，HFFD模型組較正常飲食ND組小鼠體質(zhì)量顯著增加（＜0.05），整個飼養(yǎng)期間陰性對照組與ND組相比均無顯著性差異（＞0.05）。飼養(yǎng)第13周HFFD小鼠體質(zhì)量比第1周增加了79.13%，而ND組小鼠飼養(yǎng)第13周體質(zhì)量比第1周體質(zhì)量增加了47.16%。由表2可知，HFFD模型組小鼠攝食量比ND組相比顯著減少（＜0.05）。與HFFD模型組小鼠相比較，盡管HFFD+1 kDa KGM、HFFD+5 kDa KGM、HFFD+90 kDa KGM組小鼠攝食量明顯增加，但HFFD+90 kDa KGM組和陽性對照組小鼠最終體質(zhì)量顯著低于HFFD組（＜0.05），說明90 kDa KGM和魔芋精粉能顯著抑制HFFD誘導的小鼠體質(zhì)量的增加（＜0.05），而中、低分子質(zhì)量（1、5 kDa）KGM對小鼠終體質(zhì)量無顯著性影響（＞0.05）（表1）。

表1 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠體質(zhì)量的影響（n＝10）Table 1 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on body mass of mice (n = 10)g

表2 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠攝食量的影響（n＝10）Table 2 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on food intake of mice (n = 10)g/d

2.2 不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠自主行為活動的影響

曠場試驗結(jié)果如圖1所示，HFFD模型組小鼠曠場試驗總路程顯著低于ND組（＜0.05），而陰性對照組小鼠總路程與ND組相比均無顯著性差異（＞0.05）。與HFFD模型組相比較，膳食補充90 kDa KGM能夠顯著增加小鼠曠場試驗總路程（＜0.05），而1、5 kDa KGM干預組和陽性對照組小鼠曠場試驗總路程無顯著差異。說明分子質(zhì)量為90 kDa的KGM能顯著改善由HFFD引起的小鼠自主行為活動減少的現(xiàn)象。

圖1 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠曠場試驗總路程的影響（n＝8）Fig. 1 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on total distance in open-field test (n = 8)

2.3 不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠空間工作記憶能力的影響

動物對新異環(huán)境具有探索的天性，因此利用Y迷宮能夠有效地測定實驗動物的空間工作能力。如圖2A所示，各組小鼠總進臂次數(shù)無顯著差異（＞0.05），即各處理未對小鼠行為能力產(chǎn)生顯著影響。如圖2B所示，與ND組相比較，HFFD模型組小鼠的交替比例顯著降低（＜0.05），即連續(xù)進入3 個不同臂次數(shù)的比例顯著降低，表明小鼠空間記憶能力明顯下降。與HFFD模型組小鼠相比，1、5、90 kDa KGM干預組及陽性對照組小鼠連續(xù)進入3 個不同臂次數(shù)的交替比例均顯著增加（＜0.05），各干預組之間無顯著性差異（＞0.05）。說明1、5、90 kDa KGM均能夠顯著改善高熱能膳食誘導小鼠的空間工作記憶能力。

圖2 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠Y迷宮實驗結(jié)果的影響（n＝8）Fig. 2 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of Y maze test (n = 8)

2.4 不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠學習與認知能力的影響

水迷宮實驗是一種讓實驗動物學習在水中尋找隱藏平臺，并通過分析其尋找平臺所用時間和所走路徑判斷其空間學習記憶能力的經(jīng)典實驗方法。為進一步研究不同分子質(zhì)量KGM對模型小鼠學習與認知能力障礙的干預作用，進行了水迷宮實驗。圖3A表明各組小鼠之間的運動總路程存在一定的差異。與ND組相比較，HFFD模型組小鼠的總路程顯著降低（＜0.05），與曠場試驗結(jié)果相似。5、90 kDa KGM干預能夠顯著增加HFFD小鼠水迷宮實驗的運動總路程（＜0.05），而1 kDa KGM和市售特級KJ30魔芋粉對HFFD小鼠水迷宮實驗運動總路程總體上無顯著性影響（＞0.05）。逃避潛伏期結(jié)果如圖3B所示，相較于ND組，HFFD模型組小鼠的逃避潛伏期顯著延長（＜0.05），而KGM干預不同程度地改善了這一現(xiàn)象，縮短了找到平臺的時間。其中1 kDa KGM干預組顯著縮短了小鼠的逃避潛伏期（＜0.05）；而5 kDa KGM和90 kDa KGM干預組及陽性對照組并未能顯著改善這一情況（＞0.05）。之后，移掉平臺進行空間探索實驗，結(jié)果如圖4所示，與ND組相比，HFFD模型組小鼠穿越原平臺次數(shù)以及目標象限運動路程占總路程的比例顯著降低（＜0.05），而1 kDa KGM干預能顯著改善這一現(xiàn)象，5、90 kDa KGM干預組以及陽性對照組與HFFD模型組無顯著性差異（＞0.05），結(jié)果與定位巡航實驗一致。以上結(jié)果表明，膳食補充90 kDa KGM能夠有效地改善由高熱能膳食引起的小鼠活動量降低的現(xiàn)象，而1 kDa KGM顯著改善了HFFD小鼠的學習與認知能力。

圖3 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠水迷宮定位巡航實驗結(jié)果的影響（n＝8）Fig. 3 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of water maze positioning navigation test (n = 8)

圖4 不同分子質(zhì)量KGM對小鼠水迷宮空間探索實驗結(jié)果的影響（n＝8）Fig. 4 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of water maze spatial probe trial (n = 8)

2.5 不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠腦組織病理學的影響

為了探究飲食補充不同分子質(zhì)量KGM對HFFD誘導的小鼠腦組織神經(jīng)元損傷的影響，采用HE染色法觀察小鼠海馬和皮層區(qū)神經(jīng)元細胞的形態(tài)與分布。如圖5所示，ND組神經(jīng)細胞排列緊密，層次清楚，細胞結(jié)構(gòu)完整、細胞核清晰。3 組陰性對照組小鼠腦組織細胞形態(tài)與ND組相比無明顯變化。HFFD模型組小鼠腦部神經(jīng)元細胞排列松散紊亂，神經(jīng)元消失或發(fā)生核固縮形態(tài)改變，部分神經(jīng)細胞出現(xiàn)壞死，細胞間隔變大。相較于HFFD模型組，陽性對照組、不同分子質(zhì)量KGM干預組，尤其是HFFD+1 kDa KGM組和HFFD+90 kDa KGM組有小部分神經(jīng)細胞出現(xiàn)固縮變性壞死情況，大部分神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)完整、細胞核可辨，說明這些分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠海馬區(qū)神經(jīng)元的形態(tài)異常具有明顯的干預作用。

2.6 不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠腦組織氧化應激狀態(tài)的影響

長期高熱能膳食會導致機體產(chǎn)生過多的自由基，造成機體氧化應激穩(wěn)態(tài)失調(diào)。CAT是一種普遍存在于幾乎所有生物體內(nèi)的一種抗氧化酶，能夠催化HO分解為水和氧氣，從而使細胞免于HO損害。另外，GSH中含有1 個活潑的巰基（—SH），易被氧化脫氫，故GSH是體內(nèi)主要的自由基清除劑，具有廣譜解毒、延緩衰老、增強免疫力等多方面的生理功能。

為了探究不同分子質(zhì)量KGM對高熱能膳食誘導小鼠認知功能的影響是否與腦部氧化應激穩(wěn)態(tài)相關，對小鼠腦組織中的CAT活力及GSH含量進行了檢測。如圖6所示，與ND組相比，HFFD模型組小鼠腦組織中GSH相對含量及CAT相對活力顯著降低（＜0.05），分別為ND組的48.69%、52.94%，即HFFD明顯造成了小鼠腦組織氧化應激狀態(tài)紊亂。由圖6A可知，與HFFD模型組小鼠相比，膳食補充1、90 kDa KGM及市售特級KJ30魔芋粉均能夠顯著提高HFFD小鼠腦組織中CAT相對活力（＜0.05），分別為139.8%、134.5%、133.9%，而補充5 kDa KGM的小鼠腦組織CAT活力與HFFD模型組不具有統(tǒng)計學意義（＞0.05）。不同分子質(zhì)量KGM干預組及陽性對照組的CAT相對活力不具有顯著性差異（＞0.05）。圖6B結(jié)果顯示，與HFFD模型組小鼠相比，90 kDa KGM干預組小鼠腦組織中GSH相對含量顯著升高（＜0.05），而1、5 kDa KGM干預組以及陽性對照組小鼠腦組織中GSH相對含量均未見顯著性變化（＞0.05）。

圖5 各組小鼠腦組織病理學切片染色結(jié)果（200×）Fig. 5 Histomorphological images of brain tissues of mice in each group (200 ×)

圖6 不同分子質(zhì)量KGM對HFFD誘導小鼠腦組織氧化應激狀態(tài)的影響（n＝8）Fig. 6 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on the oxidative stress state in the brain of mice induced by HFFD (n = 8)

3 討 論

《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》中關于“引導合理膳食”部分，明確提出“重點解決微量營養(yǎng)素缺乏、部分人群高熱能食物（油脂等）攝入過多等問題，逐步解決居民營養(yǎng)不足與過剩并存的問題”。過量膳食脂肪和精制糖的攝入被認為是代謝紊亂和認知功能障礙的一個重要危險因素。高脂高糖飲食導致的肥胖與學習、記憶表現(xiàn)障礙包括空間參考記憶、工作記憶、識別記憶和背景記憶下降等之間存在顯著相關性，尤其是依賴于海馬體和前額皮質(zhì)的學習和記憶過程。研究發(fā)現(xiàn)，10～12 周高脂高糖膳食能夠顯著延長水迷宮實驗中小鼠逃避潛伏期（＜0.05），減少穿越原平臺的次數(shù)以及在原平臺所在象限停留的時間及運動距離，表現(xiàn)出明顯的學習記憶障礙。Arnold等發(fā)現(xiàn)小鼠經(jīng)高脂膳食飼喂17 d后，腦部產(chǎn)生胰島素抵抗現(xiàn)象，小鼠空間學習記憶能力明顯受損。Calvo-Ochoa等發(fā)現(xiàn)高脂高糖膳食飼喂7 d就能夠干擾大鼠腦內(nèi)胰島素信號通路，導致海馬CA1區(qū)樹突分支減少、樹突棘數(shù)目降低，反應性星形膠質(zhì)細胞數(shù)量增加。本研究結(jié)果表明，HFFD小鼠自發(fā)活動能力及學習記憶能力顯著下降，腦部海馬區(qū)神經(jīng)細胞發(fā)生變性壞死，與文獻報道一致。

近年來大量研究發(fā)現(xiàn)秋葵多糖、黃芪多糖、-葡聚糖等天然多糖可以顯著改善高熱能飲食誘導的小鼠體質(zhì)量增加、炎癥反應及認知功能障礙。魔芋是富含-葡甘露聚糖的優(yōu)質(zhì)膳食纖維，KGM由于具有較好的增稠作用、凝膠性和成膜作用廣泛被添加于各類食品中。有研究表明KGM在抗肥胖、控制血糖和降低膽固醇等方面起著重要的作用，是一種治療肥胖的潛在輔助劑。Arvill等通過對63 名健康男性進行雙盲實驗，發(fā)現(xiàn)每日攝入3.9 g KGM，4 周后血清總膽固醇水平降低10%，低密度脂蛋白水平降低7.2%，甘油三酯水平降低23%。Chen Haihong等通過高脂飲食和鏈脲佐菌素聯(lián)合誘導建立2型糖尿病大鼠模型，發(fā)現(xiàn)80 mg/kg KGM可顯著降低空腹血糖、血清胰島素、胰高血糖素樣肽1和血清糖化蛋白水平；KGM干預可顯著降低大鼠血清總膽固醇、三?；视汀⒌兔芏戎鞍啄懝檀己头酋セ舅岬乃?；此外，KGM對2型糖尿病大鼠的抗氧化能力、胰腺損傷和脂肪細胞肥大均有較明顯的改善作用。本研究發(fā)現(xiàn)，不同分子質(zhì)量的KGM能夠改善HFFD小鼠自發(fā)活動能力及學習記憶能力。

活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮功能特性的基礎。天然多糖由于其高分子質(zhì)量、高表觀黏度、低水溶性、結(jié)構(gòu)復雜等特點，很難通過組織屏障與細胞內(nèi)部的受體結(jié)合，生物利用率低、構(gòu)效關系不明確。通過降解而制備不同結(jié)構(gòu)多糖的方法較為常見，主要包括酶降解法、物理降解法、化學降解法等。目前，降低KGM黏度的方法主要有酸法、堿法、酶法、超聲法、輻射法等。Yin Junyi等采用內(nèi)切-1,4-甘露聚糖酶將分子質(zhì)量為823.4 kDa的KGM降解為147.2 kDa KGM和21.5 kDa KGM，通過比較發(fā)現(xiàn)，攝入21.5、147.2 kDa KGM可顯著提高小鼠結(jié)腸內(nèi)容物中SCFAs總濃度，而823.4 kDa KGM則能夠顯著增加盲腸內(nèi)容物中SCFAs總濃度，這是由于具有更高分子質(zhì)量的天然KGM黏度較高，在腸道中的移動較慢，可能對盲腸產(chǎn)生更顯著的影響，而具有較低分子質(zhì)量和較低黏度的147.2 kDa KGM和21.5 kDa KGM可以快速通過盲腸到達結(jié)腸，在結(jié)腸中發(fā)酵。本課題組前期對魔芋多糖的提取、純化、結(jié)構(gòu)鑒定及功能活性亦進行了大量有益探索，通過可控性降解制備大量低、中、高分子質(zhì)量（1、5、90 kDa）可溶性KGM，并通過比較發(fā)現(xiàn)，90 kDa KGM能夠顯著降低小鼠體質(zhì)量、附睪脂肪、皮下脂肪質(zhì)量，下調(diào)低密度脂蛋白、甘油三酯、總膽固醇、瘦素和抵抗素水平，顯著改善胰島素抵抗，而5 kDa和1 kDa KGM對肥胖相關指數(shù)無統(tǒng)計學顯著影響。本研究采用HFFD造模，曠場、Y迷宮、水迷宮等行為學實驗結(jié)果表明不同分子質(zhì)量KGM均能夠顯著改善高熱能膳食誘導的小鼠工作記憶能力下降，且高分子質(zhì)量（90 kDa）KGM可以有效地提高小鼠自發(fā)活動能力，而低分子質(zhì)量（1 kDa）KGM可以有效地改善高熱能膳食小鼠的學習記憶能力。由于血腦屏障的存在，腦組織內(nèi)環(huán)境保持基本穩(wěn)定。尤其是，由于脂蛋白介導的外周膽固醇向腦部的傳輸會被血腦屏障阻斷，因此腦膽固醇只能夠原位合成，且具有不同于外周組織的膽固醇調(diào)節(jié)機制。因此，不同分子質(zhì)量KGM對認知功能的調(diào)節(jié)作用與腦部糖脂代謝穩(wěn)態(tài)存在何種關系，需要進一步采用組學技術等進行深入分析研究。

氧化應激是機體正常氧化/還原動態(tài)平衡被打破，過多的自由基攻擊蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA等生物大分子，導致細胞、組織以及器官功能紊亂，干擾正常生命活動的應激狀態(tài)。另外，通過線粒體生物能和氧化代謝在體內(nèi)不斷產(chǎn)生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）作為第二信使，激活核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB），與許多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。由于存在大量不飽和脂肪酸和氧氣，大腦組織高度敏感且容易受到氧化損傷。飼喂4 周高脂飲食后，小鼠海馬區(qū)出現(xiàn)明顯的氧化應激失調(diào)，并隨暴露時間延長而加重；短期高脂飲食通過增強小鼠海馬和皮層區(qū)的氧化應激，從而導致突觸可塑性的改變，最終導致長期記憶損害。近年來大量體內(nèi)外研究表明，枸杞、靈芝、黃芪等天然多糖能夠通過促進神經(jīng)突生長，調(diào)節(jié)NF-κB、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B、絲裂原活化蛋白激酶、Nrf2/HO-1信號通路等途徑發(fā)揮腦部營養(yǎng)功能。Huang Hualiang等通過體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，苦瓜多糖能夠顯著提高小鼠血清、肝臟和腦中抗氧化酶超氧化物歧化酶和CAT活力，并在一定程度上降低血清、肝臟和腦中脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛含量。Han Yanqiu等研究發(fā)現(xiàn)樺褐孔菌胞內(nèi)多糖補充8 周后，APP/PS1小鼠腦中抗氧化應激中樞調(diào)控因子Nrf2及其下游抗氧化蛋白HO-1和超氧化物歧化酶-1的表達顯著上調(diào)，且β-淀粉樣蛋白沉積和Tau蛋白過度磷酸化導致的神經(jīng)原纖維纏結(jié)明顯減少。本研究發(fā)現(xiàn)高分子質(zhì)量（90 kDa）KGM能顯著地提高小鼠腦組織中GSH含量，低分子質(zhì)量（1 kDa）KGM能顯著地提高CAT活力，證明了腦部氧化應激穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)可能是不同分子質(zhì)量KGM發(fā)揮腦部營養(yǎng)功能的作用機制之一，其作用靶點、上下游信號通路及差異化分子機制有待進一步深入探究。

之前的研究發(fā)現(xiàn)一些低分子質(zhì)量（1 300～2 200 Da）的低聚糖可以進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。低聚糖能否通過血腦屏障取決于其分子質(zhì)量大小，其轉(zhuǎn)運過程與葡萄糖轉(zhuǎn)運體1相關。Hiroki等將生物利用率較低的姜黃素進行糖基化修飾，發(fā)現(xiàn)姜黃素寡糖能夠順利穿過小鼠血腦屏障進入腦組織。由相同的雙糖單位組成、帶相似電荷但相對分子質(zhì)量更小的低分子肝素衍生物已被用于臨床治療阿爾茨海默病等神經(jīng)障礙性疾病。其中分子質(zhì)量為（2 000±200）Da的肝素衍生低聚糖C3可能穿透血腦屏障而分布于腦及腦脊液中。Xu Ting等發(fā)現(xiàn)水溶性人參寡糖（分子質(zhì)量為365～2 310 Da）可通過降低海馬區(qū)白細胞介素-1β、白細胞介素-6的表達和星形膠質(zhì)細胞的活化而對東莨菪堿誘導的認知障礙有保護作用。1 kDa KGM可能能夠穿過血腦屏障，改善腦部氧化應激狀態(tài)，從而改善高熱能膳食小鼠的學習記憶能力；而90 kDa KGM由于分子質(zhì)量過大，無法穿過血腦屏障，其對小鼠自發(fā)活動能力的影響可能與其體質(zhì)量調(diào)節(jié)作用有關，其具體機制亟待進一步研究與驗證。

普遍認為，由于機體缺乏多糖水解酶，經(jīng)口服給予的多糖大多數(shù)均無法被人體直接消化吸收，而在大腸定植的腸道菌群的作用下，這些多糖被降解為寡糖，直至最終被代謝為短鏈脂肪酸；于此同時，多糖能夠提高腸道菌群的多樣性，增加有益菌的豐度，降低有害菌的豐度，從而改善機體健康狀態(tài)。方潔通過16S rRNA分析發(fā)現(xiàn)膳食補充不同分子質(zhì)量KGM后小鼠腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)存在差異：1 kDa KGM和90 kDa KGM干預后肥胖小鼠腸道內(nèi)紫單胞菌科（Porphyromonadaceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、疣微菌科（Verrucomicrobiaceae）、普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、螺桿菌科（Helicobacteraceae）豐度增加；而5 kDa KGM干預后小鼠腸道菌群丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、螺桿菌科（Helicobacteraceae）、雙歧桿菌科（Bifidobacteriaceae）豐度明顯增加。不同分子質(zhì)量的KGM對認知功能的差異化干預作用是否依賴于其對腸道菌群的調(diào)節(jié)，不同種類和比例的代謝終產(chǎn)物SCFAs是否介導KGM對認知及腦功能的干預，以及KGM基于腦-腸軸的腦部營養(yǎng)作用機制均有待進一步深入研究。