膳食中碳水化合物與代謝綜合征的研究進展

李 露，張賢益，湯小芳，吳文英，李文娟*

（南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

代謝綜合征是由胰島素抵抗（insulin resistance，IR）引起的一系列生理代謝紊亂，表現為多種營養物質代謝紊亂的病理狀態，包括高血糖、血脂異常、中心肥胖和高血壓等。Mottillo等[1]研究發現代謝綜合征患者罹患心腦血管疾病發病率高于健康人群，其相對危險度為2.35，2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的相對危險度為6.92。國際糖尿病聯盟的數據估計全球大約有1/4的人患有代謝綜合征，我國代謝綜合征的患病率在成人中為18.1%，在兒童青少年中為3.8%[2]。代謝綜合征是心腦血管病、T2DM發病及致死的重要誘因和共同的病理基礎，目前已成為世界性公共衛生問題[3]。

近年來隨著我國城市化、工業化和農業化的集約發展，亞洲飲食結構逐漸向西方飲食靠攏，精細加工的碳水化合物攝入增加并逐漸替代傳統全谷物、薯類為主的碳水化合物[4]，導致在攝入等熱量的碳水化合物時，機體對于血糖的應答不同，前者引起的血糖峰值高于后者，這對于代謝綜合征的發生和發展起到關鍵性的促進作用。同時，隨著科技的普及與現代化，人類的工作方式逐漸趨于長期靜坐的低耗能狀態[5]。因此，膳食與生活模式兩方面共同的作用使得人群能量代謝易處于且長期處于過剩狀態，從而造成脂肪堆積和體質量增加，最終導致代謝綜合征的患病率不斷上升。

近幾十年，大量研究主要集中揭示脂肪的數量和質量在代謝綜合征進程中的作用，而對碳水化合物在代謝綜合征中的作用關注較少。Buettner等[6]提出持續性的高脂飲食會促進小鼠的肥胖、IR，導致代謝紊亂，增加大鼠罹患代謝綜合征及糖尿病的概率。最近，有研究發現碳水化合物攝入與代謝綜合征的發生與發展關系密切，并且在等熱量條件下，與高脂肪攝入引起的健康危害相比較，過量精細碳水化合物攝入對健康危害更嚴重[7]。Jürgens等[8]將新西蘭肥胖大鼠分為3 組，第1組大鼠喂食含有51%碳水化合物的標準飲食飼料，第2組大鼠喂食含有47%碳水化合物的高脂肪飲食飼料，第3組大鼠喂食含有20%碳水化合物的高脂肪飲食飼料，各組中可消化吸收碳水化合物提供的能量分別為：63%、48%和0%（無可消化吸收的碳水化合物），喂養22 周之后，通過葡萄糖耐受量測試和正常血糖高胰島素鉗夾來檢測胰島素敏感性，結果發現前兩組大鼠體內的胰腺B細胞被破壞，引起了嚴重的糖尿病。第3組大鼠雖然存在IR和脂肪組織中巨噬細胞大量累積的病理肥胖，但大鼠體內的血糖水平保持正常并未發生糖尿病。實驗數據提示飲食中可消化吸收碳水化合物是代謝綜合征和T2DM發生的基礎因素[9]。大量研究已證實，膳食中可消化吸收碳水化合物是影響胰島素分泌和餐后血糖升高的主要因素，與葡萄糖的代謝密切相關[10]。

值得關注的是，作為人類的主要食物，淀粉類碳水化合物可被機體消化吸收引起血糖濃度上升，然而膳食纖維是由多種不可消化碳水化合物組成的復雜碳水化合物，不可被人體直接消化利用，具有控制血糖和降血糖的作用。大量研究證明，膳食纖維攝入可以有效控制代謝綜合征和糖尿病的發生與發展[11]。流行病學與實驗研究發現，飲食習慣是介導代謝綜合征的基礎，也是可防治其發生的最易接受的調控因素。Volek等[12]對低碳水化合物飲食和低脂肪飲食在代謝綜合征干預治療上進行了比較，結果發現低碳水化合物飲食和低脂肪飲食均可在降低血糖濃度、提高胰島敏感性、減輕體質量和脂肪分布等健康指標上達到較好的效果。研究結果還進一步表明只有低碳水化合物可以顯著降低血清視黃醇結合蛋白質4（retinol binding protein 4，RBP4），RBP4是最新發現的一種脂肪因子，其與IR密切相關。因此，簡單、經濟有效的飲食預防和管理策略的確定是一個緊迫的問題，故本文就飲食中碳水化合物攝入與代謝綜合征之間的關系展開綜述。

1 碳水化合物種類及其新陳代謝

碳水化合物亦被稱為糖類化合物，是含有C、H和O 3 種元素的一大類有機化合物，經驗化學式為(CH2O)n，根據其在胃腸道的可消化性分為兩組：第一組為可消化吸收碳水化合物，如淀粉、果聚糖、單糖，容易被酶促反應水解，并在小腸中吸收進入血液，引起血糖水平的上升。研究發現機體攝入同類食物時，機體的血糖反應是不同的，因此研究者提出血糖指數（glycemic index，GI）概念來解釋此現象。GI是指含50 g有價值的碳水化合物的食物引起的血糖反應曲線下面積與含等量參照物（葡萄糖或白面包）食物血糖反應之比，以百分比表示，用來評價某食物與標準食物相比升高血糖的速度和能力。高GI食物進入胃腸道后消化快、吸收率高，快速引起血糖應答，進而影響胰島素的水平，是增加代謝綜合征發生的主要危險因素；低GI食物則相反[13-15]。第二組為不可消化吸收碳水化合物，如棉籽糖、水蘇糖、纖維素、半纖維素和果膠，人體腸道中不含其水解酶，不能被消化成小分子物質，因而其不能被吸收[16-17]。

碳水化合物作為人體的主要膳食組成，為機體提供50%～60%的能量。機體攝入碳水化合物后，通過吸收、分布、把可利用的物質轉化、合成自身的物質，把食物轉化過程中釋放出的能量儲存起來，以維持生命活動需求。膳食中碳水化合物普遍以復合形式進入人體，如淀粉、糖原、膳食纖維。研究發現，機體攝入的可消化碳水化合物，經過口腔、胃、腸道的物理、化學消化，主要降解成葡萄糖及少量的果糖和半乳糖，在腸道以單糖形式被吸收[18-19]。周瑞宇等[19]的研究中指出腸道對葡萄糖的吸收途徑包括了腸黏膜上SGLT-1的主動轉運吸收、順濃度梯度的被動吸收，以及葡萄糖高濃度時的細胞旁滲透作用吸收。果糖則是通過葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter，GLUT）5轉運入小腸上皮細胞，然后通過GLUT2擴散入血[20]。半乳糖主要通過主動轉運吸收進入血液。在正常生理情況下，機體吸收的葡萄糖進入血液循環，一部分氧化生成高能磷酸化合物來作為能量來源，一部分合成糖原貯存在肝臟及肌肉中，多余的葡萄糖轉變為儲能物質脂肪[21]。當大量攝取碳水化合物時，葡萄糖氧化釋放的能量占絕大部分，整個過程由胰島素控制。然而，膳食纖維攝入機體后，并不能被機體直接消化吸收利用，而是被大腸內的某些微生物部分或全部發酵。近年來，隨著大量學者對膳食纖維研究的逐漸深入，膳食纖維對人體健康的重要功能也逐漸被人們所熟知，膳食纖維除了改善腸道菌群和維護胃腸道健康之外，還可預防和改善代謝綜合征、冠心病和T2DM等疾病的發生與發展，其作用機制可能與降低血糖水平和降低IR有關[22-23]。

2 碳水化合物與胰島素抵抗

研究證明IR是代謝綜合征的中心環節[24]，而過量的可消化碳水化合物飲食攝入機體后，導致血糖濃度過高，易引起葡萄糖耐受量受損和IR（圖1）。眾所周知，胰島素在維持血糖穩態和機體正常能量代謝中扮演十分重要的角色，同時血中葡萄糖是胰島素合成和分泌的重要調節因子。餐后血糖濃度上升，直接刺激胰島β細胞分泌胰島素來維持正常血糖濃度[25]。Itoh等[26]發現葡萄糖進入胰島β細胞后，通過糖酵解使胞質內ATP/ADP比率升高，導致細胞膜上ATP敏感的K+通道關閉，細胞膜發生去極化使Ca2+通道開放，Ca2+內流增加，觸發β細胞內的胰島素釋放[27]。機體抑制餐后血糖濃度升高，控制并維持血糖濃度處于正常水平，與胰島素合成、分泌以及其對胰島素的敏感性密切相關。當早期胰島素合成和分泌反應與外周組織的胰島素敏感性發生變化時會引起餐后血糖濃度升高、糖耐量受損[28]。Boden等[29]研究表明，在高胰島素血癥中，脂質可通過干擾肌糖原形成來抑制葡萄糖攝取與利用，最終替代碳水化合物作為體內主要供能來源。在Matsumoto等[30]的研究中，實驗對象為來自日本的756 名參與者（530 名非肥胖者、226 名肥胖者），通過口服葡萄糖耐量實驗來檢測3 組（正常組、糖耐量受損組、糖尿病組）中總胰島素分泌量和穩態模型評估IR程度，結果表明隨著疾病加重，胰島素分泌量顯著降低，IR程度明顯增加。

在持續性高血糖刺激下，胰島β細胞代償的胰島素分泌量已經達到最高水平，卻仍然不能維持血糖的正常濃度，引起糖耐量受損，胰島β細胞失代償，導致代謝綜合征甚至是T2DM[31]。Weir等[32]在研究中發現T2DM中β細胞功能從代償期到失代償期，直至衰竭的過程，總共分為4 個時期（表1），同時高血糖對β細胞會產生糖毒性，引起胰島β細胞功能和結構損傷并加重IR，造成糖代謝紊亂，最終導致代謝綜合征[33]。IR傾向于發生在對胰島素敏感的靶器官如肝臟、肌肉及脂肪[34]。肝臟IR和肌肉IR可導致葡萄糖的攝取利用減少，且胰島素對糖異生和糖原分解的抑制作用減弱，增加葡萄糖輸出。脂肪IR可導致胰島素的抗脂作用減弱，一方面使脂解作用增強，游離脂肪酸（free fatty acids，FFAs）向血液中的釋放增加；另一方面餐后反調節激素介導的低血糖效應促進FFAs產生，最終導致FFAs濃度升高。高濃度的FFAs對β細胞產生脂毒性，進一步介導胰島β細胞損傷。同時，FFAs會抑制外周組織對葡萄糖攝取和利用，降低肝細胞胰島素受體對胰島素的結合并加速受體介導的胰島素降解，減少肝糖利用，導致外周高胰島素血癥和IR[35]。總之，在IR的進程中伴隨并加重糖代謝紊亂。因此，過量可消化碳水化合物飲食的攝入會引起血糖濃度的上升，促進IR發生，反過來IR又會影響葡萄糖代謝，兩者相互影響，形成惡性循環，導致代謝綜合征的發生。

圖1 高GI碳水化合物促進代謝綜合征發生機制[23]Fig. 1 Mechanism by which high glycemic index carbohydrates promote metabolic syndrome[23]

表1 糖尿病個體中胰島β細胞失代償階段Table 1 Pathological characteristics of diabetic individuals at various stages of β-cell decompensation

3 碳水化合物和代謝綜合征的關系

飲食中碳水化合物和脂肪在機體內代謝是相互影響的，糖代謝異常經常合并脂代謝異常。機體持續性攝入過量的可消化碳水化合物，引起血糖濃度過高和FFAs水平升高，兩者均會誘導IR和糖代謝異常的產生，兩者之間不斷惡性循環，導致繼發性的脂代謝紊亂[36]。有研究揭示FFAs是糖、脂代謝異常之間的橋梁。機體內FFAs的代謝方式主要取決于葡萄糖濃度。生理狀態下，FFAs主要是進入組織中線粒體進行β氧化來供能，但是在高血糖濃度條件下，FFAs則優先進入非氧化代謝途徑，合成大量的甘油三酯（triglyceride，TG）和甘油二酯等，引起脂代謝異常，同時FFAs還可以通過抑制葡萄糖轉運或磷酸化來抑制葡萄糖的利用和糖原合成，抑制胰島素與受體的結合等途徑來導致IR，長期高FFAs水平易對β細胞產生脂毒性，使胰島素分泌功能受損，進而引起機體內糖代謝異常[37]。Defronzo等[38]使用擴展高胰島素正葡萄糖鉗夾技術進行研究，結果發現，與正常體質量的個體相比，肥胖個體中的葡萄糖攝取、氧化及非氧化過程明顯減少，同時對脂氧化及產生FFAs的抑制作用減弱，FFAs水平上升，導致脂代謝異常。脂代謝紊亂又會加重IR和糖代謝異常，形成惡性循環，導致代謝綜合征甚至是T2DM及其并發癥。最新一項前瞻性隊列研究隨機納入來自18 個國家135 335 例2003—2013年間35～70 歲的社區居民，平均隨訪7.4 年，將碳水化合物、脂肪攝入量所占能量比例分為5 個等級，評估這5 組人群中碳水化合物、脂肪及脂肪種類消耗量與總致死率之間的關系，從數據中發現，與高脂肪攝入的人群相比較，碳水化合物攝入量高的人群中總致死率的危險因素更高，尤其是在4 個低收入和11 個中等收入的國家，其碳水化合物的來源主要是精制大米和白面包[39]。同時也有許多研究證實膳食中脂肪與心血管疾病增加無關[40]。有研究還證實了低脂高碳水化合物飲食能夠引起自身的IR狀況并且增加相關疾病發病風險，該研究各組中膳食纖維總含量最大為25 g/d，未超過美國心臟病協會推薦的膳食纖維攝入量（25～30 g/d）[41]。

4 低碳水化合物攝入與代謝綜合征

目前在代謝綜合征和T2DM中主要提倡的是減少高脂肪食物的攝入，但是這種飲食方案作用是非常有限的，更多的是依賴于藥物治療。有學者提出重新評估低碳水化合物飲食在代謝綜合征和T2DM中的防治作用，可能會找到一個更加優越的飲食方案[42]。低碳水化合物攝入可以有效改善血糖控制，并靶向減少胰島素波動。多項研究表明，與低脂飲食比較，低碳水化合物飲食在改善代謝綜合征的病理特征方面與低脂飲食具有同樣的效果，但是低脂飲食中的碳水化合物（不包括膳食纖維）組成部分通常會促進心血管疾病的風險因素[43]。Forsythe等[44]的研究中發現與低脂飲食組相比，低碳水化合物組體質量減少和動脈粥樣硬化性血脂異常標志物改善更加明顯，如高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）和低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）直徑增加、TG減少和載脂蛋白-B/載脂蛋白-A1比例降低，表明低碳水化合物飲食對肥胖及代謝綜合征有較好的干預效果。研究證實低碳水化合物飲食對于T2DM患者來講，主要通過減少食物中碳水化合物的攝入，直接降低空腹血糖和餐后血糖水平，減少葡萄糖介導的胰島素分泌，有利于胰島β細胞功能的恢復[45]。同時在低碳水化合物飲食條件下，機體主要利用脂肪酸或者酮體來作為能量來源而不是碳水化合物，從而使體內能量達到平衡，胰島素信號通路得到恢復，胰島素水平正常化，改善體內的IR。此外，血糖穩態負反饋途徑對胰島素和胰高血糖素的信號調節也得到了一定的恢復，進而引起HgA1c、體脂肪量、體質量、TG和體質量指數顯著下降[46]。同時有研究報道，低碳水化合物飲食在降低糖尿病患者體質量方面的有效性較明確[47]。

5 膳食纖維與代謝綜合征

膳食纖維是一種特殊的碳水化合物，主要包括了不消化的非淀粉多糖、纖維素、半纖維素、低聚糖、果膠和木質素等，根據水溶性可分為水溶性膳食纖維和非水溶性膳食纖維[48]。近年來，多項研究揭示飲食中高膳食纖維攝入在人體健康維護及代謝綜合征、T2DM等非傳染慢性疾病防治中扮演了重要角色，并成為醫療與營養策略的重要組成成分，尤其是可溶性膳食纖維的作用更加明顯[49]。Esmaillzadeh等[50]對18～74 歲的827 例德黑蘭人進行研究，結果揭示，全谷物纖維攝入可改善IR，降低餐后血糖水平，降低高血壓、高甘油三酯血癥，降低代謝綜合癥發病率。同時多項研究證實膳食纖維的攝入與體質量和體脂呈負相關。膳食纖維可有效控制餐后血糖濃度上升幅度及改善葡萄糖耐量，并可控制脂類代謝紊亂[51]。膳食纖維的種類不同，其改善代謝綜合征機理也不相同，但最終都會降低血糖水平。Leclere等[52]研究中發現高膳食纖維的攝入可以促進骨骼肌對葡萄糖的攝入，通過增加胃內容物的黏度，減緩葡萄糖的吸收速率進而降低血糖濃度，改善IR，阻止碳水化合物的消化和宏量營養素的吸收。Park等[53]的研究中發現膳食纖維攝入可增加骨骼肌質膜上胰島素應答的GLUT-4含量，改善IR；有研究指出該效應與膳食纖維在腸道發酵產生如丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸有關[54]，短鏈脂肪酸可刺激過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferatoractivated receptors，PPAR）γ，其可增加肌肉或脂肪細胞中GLUT-4含量[55]。代謝綜合征往往伴隨著血脂異常，多項臨床和動物研究也證實了膳食纖維對血脂異常具有一定改善作用[56]。一項研究在肥胖Zucker大鼠的日糧中添加了3.5%的車前子葉殼（富含纖維素），經過25 周飼養，結果發現TG水平顯著降低，高甘油三酯血癥得到改善[57]。在Chandalia等[58]研究中發現高膳食纖維攝入降低血糖濃度和改善IR，此外還顯著降低了血漿中總膽固醇含量、TG濃度和極低密度脂蛋白膽固醇濃度，這可能與膳食纖維促進膽固醇合成膽汁酸及膽汁酸流失，減少乳糜微粒膽固醇在肝臟的吸收等有關[59]。

6 結 語

飲食習慣是介導代謝綜合征的基礎，也是可防治其發生的最易接受的調控因素。低碳水化合物飲食可有效減輕患者體質量，改善血糖控制、IR和脂代謝異常等，從而防治代謝綜合征，增加膳食纖維攝入也可達到相同效果。碳水化合物飲食與代謝綜合征之間關系十分復雜，目前暫未得到統一的結論，需要進一步的研究。在日常飲食中嚴格控制精細碳水化合物攝入量和適當增加膳食纖維的攝入量對于代謝綜合征的預防和治療有明顯的效果，這可能是一個優于低脂飲食的方案。