Impact of Plant-Based Dietary Fibers on Metabolic Homeostasis in High-Fat Diet Mice via Alterations in the Gut Microbiota and Metabolites (2024)

https://doi.org/10.1016/j.tjnut.2024.05.003

 

해당 논문은 식물성 식이섬유가 장내 미생물과 대사 산물을 변화시켜 대사 항상성에 어떤 영향을 미치는지를 분석한 연구이다. 펙틴, 베타글루칸, 밀 덱스트린, 저항성 전분과 같은 서로 다른 식이섬유가 고지방 식이(HFD)를 섭취한 쥐의 체중, 지방 축적, 포도당 대사, 장내 미생물 군집 및 대사 산물에 미치는 영향을 비교하였다.

 

연구 방법

1. 실험군 구성

• 고지방 식단(HFD) 기반으로 식이섬유를 10%(wt/wt) 첨가하여 18주간 급여
• 총 5개 그룹(각 그룹당 n=12)
  • HFD-셀룰로오스(대조군): 식이섬유 효과 없는 기준 그룹
  • HFD-펙틴: 과일 및 채소에서 유래한 수용성 식이섬유
  • HFD-β-글루칸: 귀리, 보리에서 유래한 점성이 높은 수용성 식이섬유
  • HFD-밀 덱스트린: 낮은 점도의 수용성 식이섬유
  • HFD-저항성 전분: 일부 소화되지 않고 장내에서 발효되는 불용성 식이섬유

2. 연구 진행 과정

• 실험 전 생쥐 환경 조성

  • 10주령 C57BL/6J 수컷 생쥐 사용 (체중 25.7 ± 1.3g)
  • 2주간 적응 기간 후 실험 진행
  • 12시간 명암주기(light/dark cycle) 유지
  • 실험 전 균일한 식단으로 사육 후 5개 그룹으로 무작위 배정

• 18주간 식이 조절 및 생체 지표 측정

  • 매주 체중 측정
  • 2주마다 체지방(Adiposity) 측정 (EchoMRI-1100 기기 사용)
  • 10주차에 대사 케이지(Metabolic cage) 분석 진행 → 에너지 소비량, 활동량, 음식 섭취량 측정
  • 포도당 내성 검사(OGTT) 및 인슐린 내성 검사(ITT) 진행
  • 장내 미생물 조성 및 대사산물 분석을 위해 실험 종료 후 샘플 채취

 

연구 결과

1. 체중 및 지방량 변화

• β-글루칸 보충 그룹에서만 체중 증가 억제 효과 확인

  • 다른 식이섬유 그룹(펙틴, 밀 덱스트린, 저항성 전분)에서는 체중 변화 없음
• 지방량 감소 효과
  • β-글루칸 보충 그룹에서만 체지방 감소 및 근육량 유지 효과 관찰됨
  • 다른 식이섬유 그룹에서는 지방량 감소 효과 없음

2. 에너지 소비량 변화

• β-글루칸 보충 그룹에서만 유의미한 에너지 소비 증가
  • 특히 야간(활동량이 높은 시기) 동안의 에너지 소비가 증가
  • 음식 섭취량은 동일했으나, 대사율과 활동량 증가가 원인으로 분석됨
• 다른 식이섬유(펙틴, 밀 덱스트린, 저항성 전분)는 에너지 소비량에 영향 없음

3. 혈당 조절 및 인슐린 감수성 변화

• β-글루칸 보충 그룹에서만 포도당 내성(OGTT) 및 인슐린 감수성(ITT) 개선
  • 식후 혈당이 유의하게 낮아졌으며, 인슐린 농도 감소
• 다른 식이섬유 그룹에서는 혈당 조절 효과 없음

4. 장내 미생물 조성 변화

• 모든 식이섬유가 장내 미생물 조성을 변화시켰지만, β-글루칸의 효과가 가장 강력함
• β-글루칸 그룹에서 증가한 장내 미생물
  • Ileibacterium 증가 → 체중 감소 및 에너지 소비 증가와 연관됨
  • Parasutterella 증가 → 체중 감소 및 담즙산 대사 변화와 연관됨
• 밀 덱스트린 그룹에서 Akkermansia 증가 → 혈당 조절과 연관성 있음
• 펙틴 및 저항성 전분 그룹에서 Bifidobacterium 증가 → 소화 및 장 건강 개선과 관련 있음

5. 단쇄 지방산(SCFA) 생성 변화

• β-글루칸 그룹에서만 부티르산(Butyrate) 농도 증가
  • 부티르산은 지방 연소, 체내 에너지 소비 증가, 대사 건강 개선과 관련됨
• 펙틴 및 저항성 전분 그룹에서는 아세트산(Acetate) 증가
  • 아세트산은 대사 건강에 미치는 영향이 명확하지 않으며, 일부 연구에서는 지방 합성과 연관될 가능성이 있음

6. 담즙산 대사 변화

• β-글루칸과 밀 덱스트린 그룹에서 담즙산 조성이 변화
  • UDCA(우르소데옥시콜산) 증가 → 에너지 대사 및 지방 분해 촉진
  • TCDCA(타우로코올산) 감소 → 혈당 조절 개선과 관련 있음
  • β-글루칸 그룹에서 장내 담즙산 탈결합(BSH) 활성 증가 → 담즙산 조절을 통한 대사 건강 개선 가능성

 

 

β-글루칸이 체중 증가와 지방 축적을 억제하는 효과

1. (A) 실험 디자인 개요

   • 실험이 진행된 18주 동안의 실험 일정을 도식화하였다.
   • 초기 적응 기간(2주) 후, 5개의 실험군(HFD-셀룰로오스, HFD-펙틴, HFD-β-글루칸, HFD-밀 덱스트린, HFD-저항성 전분)으로 나누어 식이 보충 진행

2. (B) 체중 변화 그래프

   • HFD-β-글루칸 그룹에서만 체중 증가 억제 효과가 나타남
   • 다른 식이섬유(펙틴, 밀 덱스트린, 저항성 전분) 그룹은 대조군(HFD-셀룰로오스)과 비슷한 체중 증가 패턴을 보임
   • β-글루칸이 체중 증가를 막는 주요 식이섬유라는 점을 확인할 수 있음

3. (C) 체지방량 변화

   • FD-β-글루칸 그룹에서만 지방량이 유의미하게 감소
   • 다른 식이섬유 그룹은 지방량 감소 효과가 거의 없거나 미미함

4. (D) 근육량 변화

   • FD-β-글루칸 그룹에서 체중 감소가 있었음에도 근육량은 유지됨
   • 단순한 체중 감량이 아니라 지방 감소 위주의 체중 감소 효과가 나타났음을 보여줌
   • 근육량 감소 없이 지방만 감소했다는 점에서 β-글루칸의 대사 개선 효과가 두드러짐

 

연구 결론

식이섬유는 단순히 장 건강을 개선하는 것을 넘어, 체중 관리 및 대사 건강에도 중요한 역할을 할 수 있다. 특히 베타글루칸은 체중 감소, 인슐린 감수성 개선, 에너지 소비 증가 효과가 확인된 강력한 대사 조절 인자로 보이며, 이러한 효과는 장내 미생물 및 대사 산물 변화와 밀접한 관련이 있을 가능성이 크다. 반면, 밀 덱스트린, 저항성 전분, 펙틴 등의 식이섬유는 장내 미생물 조성을 변화시키지만 체중 조절 효과는 제한적이었다. 식이섬유 선택 시 각 성분의 대사적 효과를 고려하여 섭취하는 것이 바람직하다.

 

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