王紅偉 楊月欣(中國疾病預防控制中心營(yíng)養與食品安全所,北京 100050) 摘 要:血糖生成指數是反映碳水化合物餐后血糖應答水平的特征性指數。測定各類(lèi)碳水化合物的血糖生成指數,對于指導人們的日常膳食,改善糖尿病人、心腦血管病病人和肥胖者等的健康狀況,具有重要的意義。現有的證據表明,影響食物血糖應答的因素很多,包括食物本身所具有的各種特征和機體自身的狀態(tài)等。對這些因素的認識,有助于更有效地推廣和應用血糖生成指數來(lái)指導人們的膳食,維護和改善人們,尤其是糖尿病和肥胖等慢性疾病患者的健康。本文綜述了碳水化合物的消化吸收和利用過(guò)程中影響血糖應答的因素及其機制。 關(guān)鍵詞:碳水化合物;血糖生成指數;血糖應答
碳水化合物在人類(lèi)的膳食中占有很大比重。碳水化合物的共同特征是它們能被人體消化吸收和轉變?yōu)槠咸烟恰R虼耍妓衔锸秤煤髮ι眢w所產(chǎn)生的直接影響是血糖的變化。但是,各種碳水化合物的生理學(xué)效應差別很大。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的研究和探索,20多年前,Jenkins等1提出了血糖生成指數(GI)這一概念,根據碳水化合物的血糖應答情況來(lái)對碳水化合物進(jìn)行系統的分類(lèi)。自從這一概念提出后,碳水化合物的血糖生成指數受到越來(lái)越多的關(guān)注,相關(guān)的研究也越來(lái)越深入。 現有的研究發(fā)現2,3,GI在預防和控制某些慢性病方面具有很大的應用價(jià)值和很強的可操作性。長(cháng)期攝入高GI的食物與肥胖、糖尿病、心腦血管疾病的發(fā)生有關(guān)。降低人們的膳食GI則可相應地降低肥胖、糖尿病和心腦血管疾病的發(fā)生危險性。目前,也有許多關(guān)于GI的不同意見(jiàn)4。這些異議的存在,其原因主要是世界各地人們的生活方式和飲食習慣多樣,同時(shí),人體對碳水化合物的血糖應答受很多因素的影響。因此,研究影響血糖應答的因素,有助于進(jìn)一步闡明GI的機制,更有效地應用GI來(lái)改善和促進(jìn)人類(lèi)健康。 影響食物血糖應答的因素很多,包括碳水化合物的性質(zhì)(如,葡萄糖、半乳糖、果糖、直鏈淀粉和支鏈淀粉等)、蛋白質(zhì)與淀粉的相互作用、食物的形式、食物的成熟度、食物的加工過(guò)程和儲存方式、脂肪與蛋白質(zhì)的含量、膳食纖維的類(lèi)型和含量、抗營(yíng)養素(如,植物凝血素、植酸、皂角苷和酶抑制劑等)的含量等5~11。本文主要從食物的消化、吸收、吸收后的利用過(guò)程等方面出發(fā),綜述了影響碳水化合物血糖應答的因素及相關(guān)的調控機制。
1 消化過(guò)程對食物血糖應答的影響 1.1 食物結構的影響 在高等植物中,淀粉是主要的多糖形式。淀粉是由葡萄糖分子聚合成的α葡聚糖,主要以?xún)煞N形式存在:其一為直鏈淀粉,占淀粉總量的20%~30%;其二為支鏈淀粉,占70%~80%。支鏈淀粉是由10,000以上的葡萄糖分子通過(guò)α1,4和α1,6糖苷鍵連接構成的樹(shù)狀大分子。而直鏈淀粉僅以α1,4糖苷鍵連接,聚合度在100~10,000之間。淀粉在植物中是以不完全結晶的顆粒形式存在的。在X光衍射下,這種不完全結晶體有不同的立體結構形式,主要為A、B和C 3種:A型主要存在于谷物淀粉,其熱力學(xué)性質(zhì)最穩定;B型主要存在于香蕉、土豆和其它薯類(lèi)中;C型則見(jiàn)于豆科類(lèi)植物中12。淀粉的結構與存在形式?jīng)Q定了它們對胰腺酶類(lèi)的敏感性,例如B型和C型可能比A型更不易消化12。直鏈淀粉分子酶作用位點(diǎn)少,消化吸收慢而不完全;而支鏈淀粉則相反,消化吸收迅速,血糖應答明顯,GI高10。 不僅淀粉本身的特性影響其GI,當淀粉結構被某些處理或加工手段改變時(shí),可改變其消化反應。例如,減小淀粉顆粒體積和增加淀粉表面積,可以增加淀粉和水解酶的接觸,從而使GI增加13~15。淀粉糊化可使淀粉易于消化,而重結晶或復性則使淀粉難于消化。咀嚼可使淀粉顆粒變小,而顆粒小的淀粉通過(guò)小腸的時(shí)間短,這樣就使更多淀粉不能被消化而直接到達大腸,從而降低血糖應答,減小GI16,17。在對淀粉消化吸收的研究中,隨著(zhù)認識的不斷深入,發(fā)現有些淀粉不能在人類(lèi)小腸中消化吸收,從而提出了抗性淀粉的概念;而對影響淀粉消化的因素的認識,則是促使人們將抗性淀粉分為4類(lèi)的原因和依據18。 蛋白質(zhì)與淀粉的相互作用也有影響。小麥淀粉是由細小顆粒組成,這些顆粒是由蛋白質(zhì)網(wǎng)狀物包裹著(zhù)一個(gè)淀粉核形成的。這種蛋白質(zhì)外殼可妨礙淀粉在小腸內水解。破壞這種結構,GI增加;而在淀粉中簡(jiǎn)單地加入谷蛋白則不能產(chǎn)生這種效果7。直鏈淀粉與脂類(lèi)的相互作用也影響淀粉的消化11。總的說(shuō)來(lái),所有影響淀粉分解的因素均可使血糖應答降低19。 1.2 食物成分 食物中存在的蛋白質(zhì)和脂肪都與血糖應答有關(guān)。當在碳水化合物中加入蛋白質(zhì)時(shí),血糖應答下降,這種下降與胰島素反應增強有關(guān)20~22。蛋白質(zhì)與碳水化合物一起食用,可刺激胰島素的分泌23~26。在食物中加入脂肪,也可增加胰島素的分泌,而血糖水平有所下降27~29。食物中的蛋白質(zhì)和脂肪對血糖應答雖然有影響,但這種影響可能不是很大,尤其是對正常人來(lái)說(shuō)。因為用蛋白質(zhì)和脂肪含量不同、GI也不同的混合膳食進(jìn)行的研究發(fā)現,餐后胰島素水平的變化有90%是由食物GI的差異引起的30。 除了與碳水化合物同時(shí)存在的蛋白質(zhì)和脂肪,碳水化合物的某些成分如抗營(yíng)養素和膳食纖維也影響碳水化合物的GI。抗營(yíng)養素,如植物凝血素、植酸和多酚(鞣酸)在豆科植物中含量很高。植酸和植物凝血素的攝入與血糖應答呈負相關(guān)8,10。其機制可能是這些成分與淀粉酶結合降低了酶活性;同時(shí),它們與Ca2+的結合,使Ca2+對淀粉酶的催化作用降低,從而影響淀粉的消化。研究表明8,無(wú)論在健康個(gè)體還是在糖尿病患者中,GI都與食物中多酚的濃度和總攝入量呈負相關(guān),其中總攝入量與GI的相關(guān)性更強。淀粉與多酚間的直接作用與這種效應的產(chǎn)生有關(guān)。在不同的豆科類(lèi)淀粉、土豆、直鏈淀粉和支鏈淀粉中都發(fā)現有鞣酸的結合,如兒茶酸和鞣酸,這種結合使淀粉的體外消化率下降31。同時(shí),蛋白質(zhì)與鞣酸類(lèi)物質(zhì)形成復合物也可抑制胰蛋白酶等蛋白水解酶,降低蛋白質(zhì)的消化率32。而蛋白質(zhì)的消化率的下降又可影響淀粉的消化7。在正常飲食可達到的攝入量之下,精氨酸與葡萄糖同時(shí)攝入,在食用后的2h中觀(guān)察到,精氨酸使餐后血糖的峰值減小60%,曲線(xiàn)下面積(AUC)也比單純食用葡萄糖時(shí)下降。這種作用并非因為胃排空時(shí)間延長(cháng),也沒(méi)有引起胰島素的分泌增加,但觀(guān)察到胰高血糖素的分泌增加,其機制還不清楚33。咖啡中含有綠原酸(CGA)和咖啡因,它們對健康志愿者的葡萄糖吸收有不同的影響34。CGA使小腸對葡萄糖的吸收延遲,這種作用有可能與葡萄糖的轉運受到抑制有關(guān)34。類(lèi)黃酮和石炭酸是兩種主要的CGA。動(dòng)物實(shí)驗中發(fā)現,石炭酸使小腸紋狀緣對D葡萄糖的吸收減少35;類(lèi)黃酮抑制小腸葡萄糖轉運載體2(GLUT2)36。咖啡因對磷酸二酯酶有抑制作用,這種酶與cAMP的環(huán)化反應有關(guān),cAMP的增加使糖原溶解增加,從而使血糖升高34。咖啡因也是一種腺苷受體拮抗劑37,因而可抑制肌肉對葡萄糖的攝取38。另外,腸道細胞在增加的cAMP的作用下,紋狀緣和基底膜對葡萄糖的轉運增加39。 含有粘性多糖的膳食可降低血糖和胰島素反應。對這種現象的解釋已經(jīng)形成了一些假說(shuō)40:一是延緩胃排空;二是改變小腸的活動(dòng);三是增加靜水層的厚度,從而減慢腸細胞吸收葡萄糖的速度;四是由于胃腸內容物的粘滯性增加,減少了α淀粉酶與其作用底物的接觸。關(guān)于膳食纖維與GI的關(guān)系,也并非沒(méi)有爭論。Wolever6分析了25種食物的GI與膳食纖維含量的關(guān)系,發(fā)現總膳食纖維與GI顯著(zhù)相關(guān)(r=0.461,P<0.05),但可溶性纖維的含量與GI之間的關(guān)聯(lián)沒(méi)有統計學(xué)意義。而另一項實(shí)驗發(fā)現41,可溶性纖維對餐后血糖濃度有影響。存在這些爭論,可能是因為影響食物GI的因素很多,膳食纖維并非在所有食物中都是主要的影響因素,如在Wolever6的研究中發(fā)現,膳食纖維只能解釋?zhuān)担埃サ难亲兓?BR> 單糖和雙糖也與食物的GI有關(guān)42,43。糖的性質(zhì)不同,GI也不同。葡萄糖的GI為97,果糖和乳糖的GI分別為23和46,蔗糖為61,麥芽糖為105。因為果糖與葡萄糖的轉運載體不同,被吸收后經(jīng)肝臟代謝轉變?yōu)槠咸烟腔蛉樗幔夜菍Ω闻K葡萄糖代謝有明顯的影響56。乳糖的GI較低,可能是由于它水解為單糖的速度較慢,半乳糖吸收入血的速度也比較慢,因為它與葡萄糖轉運載體相同,從而存在競爭性。 1.3 其他 食物的酸堿度也影響GI44。當在食物中加入發(fā)酵后的酸面粉制作的面包后,根據有機酸含量的不同,食物GI受影響的程度各異,有可能是胃排空時(shí)間的不同導致了這種結果。食物在成熟過(guò)程中,成熟度不同,各種糖類(lèi)的含量就不同,因此其GI也不同,香蕉就是一個(gè)很好的例子45。 食物形式也是一個(gè)影響因素。當食物的顆粒大小發(fā)生變化時(shí),其GI也受到影響46,如一立方英寸的土豆,如果是粉碎后食用,其GI值可增加25%47。同樣,完整的蘋(píng)果濃湯和蘋(píng)果汁所產(chǎn)生的血糖應答也不相同48。 進(jìn)食體積也會(huì )影響血糖應答49。無(wú)論是25g葡萄糖還是蔗糖或果糖,溶于200ml或600ml水中,其餐后血糖應答顯著(zhù)不同。
2 吸收過(guò)程對血糖應答的影響 碳水化合物的內在特性(即淀粉的糊化程度、直鏈淀粉與支鏈淀粉含量之比等)和纖維以及脂肪含量影響食物的消化,從而影響葡萄糖的吸收量50~52。葡萄糖吸收器官和組織的特性以及調控機制則對吸收過(guò)程產(chǎn)生影響。 經(jīng)過(guò)消化道的機械運動(dòng)和化學(xué)作用,碳水化合物被降解為單糖然后被吸收。葡萄糖在小腸的吸收與轉運過(guò)程受到嚴格的調控53~55。葡萄糖、半乳糖和果糖主要由小腸纖毛上部的腸細胞吸收。葡萄糖和半乳糖是由Na+葡萄糖協(xié)同轉運載體SGLT1通過(guò)主動(dòng)轉運方式進(jìn)入腸細胞,然后再由腸細胞基底膜的葡萄糖易化轉運載體GLUT2轉運進(jìn)入血循環(huán);果糖是由GLUT5轉運的,GLUT5的活性不依賴(lài)Na+;細胞間的緊密連接也是葡萄糖由腸腔進(jìn)入血循環(huán)的一個(gè)途徑,這種轉運可能是由一種被動(dòng)性的轉運機制介導的。上述與葡萄糖吸收和轉運有關(guān)的各種結構和通道,都是葡萄糖吸收和轉運的調控點(diǎn)。包括受體的數量、親和力、受體密度的變化等,直接影響葡萄糖的吸收和利用,從而影響血糖。單糖在小腸的轉運和吸收的調節是通過(guò)兩種機制來(lái)實(shí)現的:即非特異性機制和特異性機制。非特異性機制包括腸道表面積的變化,腸道細胞的數量和體積的改變可產(chǎn)生這種變化;其次是Na+電化學(xué)梯度的改變,這也是胰高血糖素調節葡萄糖轉運的機制之一;第3是腸細胞質(zhì)膜脂質(zhì)成分的改變,由膳食等因素引起的這種改變可影響膜的通透性和載體的活性;第4是轉運細胞與非轉運細胞的比值,腸黏膜上不同成熟階段的腸細胞轉運能力不同,在生長(cháng)的不同階段和病理狀況(如糖尿病)下,這些細胞的轉運能力也會(huì )有所差異;另外,還有其它一些非特異性的調節機制,如Na+之外的其它離子的跨膜電化學(xué)梯度的改變引起的跨膜電位變化,以及細胞間連接的通透性改變等。特異的調節機制包括:1)載體對底物的轉運速度;2)載體的親和力;3)載體密度等。轉運載體能夠根據機體適應不同代謝狀況的需要作出適應性的變化,這些變化包括長(cháng)期慢性的改變(1天以上)和短期急性的適應性改變。機體進(jìn)食后數分鐘內就可以觀(guān)察到轉運系統的相應調節變化。長(cháng)期變化使機體對食用的碳水化合物的反應能力不同,而急性的改變決定了碳水化合物進(jìn)食后的具體反應。
3 葡萄糖利用過(guò)程對血糖應答的影響 在人體,一方面是碳水化合物經(jīng)過(guò)消化吸收后不斷進(jìn)入血液循環(huán),另一方面,血液中的葡萄糖也在不斷地被機體處理和利用。血糖應答的高低是這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程度的凈結果。 在進(jìn)食之前肝臟葡萄糖表現為凈輸出。輸出的葡萄糖或者來(lái)自糖原分解,或者來(lái)自糖異生。開(kāi)始進(jìn)食碳水化合物后,肝臟葡萄糖凈輸出終止,轉而表現為葡萄糖的凈攝取。在進(jìn)食后的一段時(shí)間(餐后2~3h),體內葡萄糖的分解和利用遵循一定的模式,近13被大腦利用,在利用過(guò)程中被完全氧化為二氧化碳和水;另13被骨骼肌攝取,根據肌肉的活動(dòng)情況,攝取的葡萄糖或者被轉變?yōu)樘窃瓋Υ妫蛘弑淮x生成二氧化碳和水或乳酸;剩下的13大部分為肝臟攝取,轉變?yōu)樘窃瓋Υ妫〔糠譃楸仨氁蕾?lài)葡萄糖酵解供能的組織(紅細胞、視網(wǎng)膜和腎髓質(zhì))和脂肪組織利用56。 因此,食物的GI就不僅與食物在消化道內的消化有關(guān),還與吸收后葡萄糖的去路有關(guān)。低的GI,可以是食物在腸道消化吸收較慢的結果1,47,57~60,也可以是系統循環(huán)中葡萄糖處理和利用較早和較快的結果61。 膳食中某些成分對葡萄糖的利用有著(zhù)明顯的影響56。小量的果糖注入十二指腸,就可使肝臟對葡萄糖的攝取和糖原儲存明顯增加,從而降低餐后血糖應答。肝臟中的葡萄糖激酶與一種調節蛋白以及6磷酸果糖形成復合體存在于胞核中,以復合體形式存在的葡萄糖激酶的活性受到抑制。小量的果糖到達肝臟,其生成的1磷酸果糖就可取代6磷酸果糖,并使調節蛋白從葡萄糖激酶上解離,解離后的葡萄糖激酶以活性形式轉移到胞漿,從而促進(jìn)肝臟對葡萄糖的吸收。 激素對葡萄糖的吸收和利用有重要的影響。與血糖調節有關(guān)的激素主要是胰島素、胰高血糖素、GIP和GLP1等。在進(jìn)食過(guò)程中,來(lái)自腸道的營(yíng)養、神經(jīng)和激素信號刺激胰島β細胞釋放胰島素,即所謂的“腸道胰島軸”作用,這些胃腸信號引起的胰島素分泌占餐后胰島素分泌的50%,其中兩個(gè)主要的腸促胰島素為GLP1和GIP62,64。GIP由分布于十二指腸和上段空腸的K細胞分泌,小腸中葡萄糖和脂肪的吸收與GIP分泌有關(guān);GLP1由分布于遠端小腸和結腸的L細胞分泌,其分泌過(guò)程比較復雜64。碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)都能刺激GLP1的分泌,營(yíng)養素與L細胞的直接接觸和間接作用可能都與GLP1的分泌有關(guān);另外,GIP通過(guò)神經(jīng)系統(腸肌層或者是迷走神經(jīng))的介導,間接刺激GLP1的分泌68。GIP和GLP1都具有依賴(lài)葡萄糖的促胰島素分泌作用。它們都能刺激胰島素分泌和β細胞增殖,刺激脂肪生成;GLP1的作用有:抑制胰高血糖素分泌和胃酸分泌,抑制胃排空,增加飽腹感和降低體重;GIP的作用包括:降低血中胰島素的清除速度,可能有加速胃排空的作用63。另外,GIP增加小腸對葡萄糖的吸收64。在進(jìn)食后,GIP和GLP1可很快釋放進(jìn)入血循環(huán)中65~68。釋放的GLP1主要是GLP1(736酰胺)。單獨進(jìn)食葡萄糖即可引起人的GLP1釋放;進(jìn)食脂肪也可以引起GLP1釋放67,69。脂肪酸的鏈長(cháng)和飽和度都可影響GLP1的分泌。混合膳食中蛋白質(zhì)也具有促GLP1分泌的作用,但蛋白質(zhì)或氨基酸單獨不能引起GLP1的分泌。混合膳食中的蛋白質(zhì)可能是通過(guò)生成蛋白胨(蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物)直接與空腸L細胞接觸引起GLP1的合成與分泌。劑量反應關(guān)系研究發(fā)現,GLP1刺激胰島素分泌增加所需要的量比GIP要少,特別是在血糖濃度升高時(shí)67,70。雖然 GLP1的作用似乎比GIP要強,但口服同量葡萄糖后,血中GIP水平比GLP1要高67,71。有研究認為,GLP1的作用可能主要是抑制上段胃腸道的運動(dòng)和消化功能而非介導進(jìn)餐引起的胰島素分泌72。 在進(jìn)食后,血GLP1很快即可升高,其釋放表現為“兩階段機制”:在激素和神經(jīng)介導下的早期GLP1釋放(15~30min);營(yíng)養物質(zhì)直接與L細胞接觸引起的中后期GLP1釋放(30~60min)68。GLP1受體分布于腦、肺、胰島、胃、丘腦下部、心臟、小腸和腎,在脂肪、肝臟和肌肉的分布則存在爭論68。GLP1不僅能刺激胰島素分泌,還能刺激胰島素原基因轉錄和促進(jìn)胰島素的生物合成67。研究表明,GLP1還有非胰島素依賴(lài)的降血糖作用,但這種作用可能主要是由胰島素與胰高血糖素的比值介導的73,74。除了葡萄糖依賴(lài)的降血糖作用,GLP1也對空腹血糖和非腸道途徑增加的血糖的清除有重要作用75。 另外,飲食中含有的不消化的碳水化合物也與血糖有關(guān)。這些在小腸中不能消化吸收的碳水化合物到達結腸并在結腸中發(fā)酵后,生成大量短鏈脂肪酸,包括乙酸、丙酸和丁酸等,它們被結腸吸收后可影響系統葡萄糖和脂類(lèi)的代謝。如,結腸吸收的丙酸可作為糖異生的反應底物,使血糖升高76。在大鼠中發(fā)現,膳食纖維通過(guò)結腸發(fā)酵生成短鏈脂肪酸影響GLP177。
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