The effect of agar-pectin gels on the eating behaviour of fasted and fed mice

• Nikita M. Paderin
• Pavel A. Markov
• Sergey V. Popov

Abstract

A diet rich in non-digestible plant polysaccharides (dietary fibers) leads to effective appetite suppression and reduces food intake. The mechanical properties of food contribute to the satiating effect of food. It is known that solid food satiates to a greater extent than liquid, as the duration of food processing in the oral cavity increases.

The aim of the study was to assess the effect of mechanical properties of agar-pectin gels on the feeding behaviour of mice.

Material and methods. The gels were prepared by dissolving the corresponding weights of agar, pectin and sucrose in 100 ml of water: gel 1 contained 6 g of agar, 3 g of pectin, gel 2 - 20 g of agar, 1 g of pectin and 0.03 M CaCl₂, gel 3-20 g of agar, 1 g of pectin (without the addition of calcium ions). All gels contained an equal amount of sucrose (15 g per 100 ml of water). The mechanical properties of the gels (strength, Young’s modulus and elasticity) were determined on a texture analyzer. Mice with an initial body weight of 32.9±0.5 g (n=8 in each group) received gels once a day for four days. Each day, animals were individually placed in experimental cages for 60 minutes: in the first 30 min, they were given test gels and for the next 30 min standard rodent food. The first two days were training. Before the third gel presentation, the animals were previously completely restricted in food for 14 hr (fasted mice), and before the fourth gel presentation, the mice received food ad libitum (fed mice). The eating behaviour of the mice, the amount of gel eaten and standard feed eaten were determined. Mice that were not exposed to gels were used as control.

Results and discussion. Gel 3 was the hardest (251±3 kPa) in comparison with gel 1 (44±1 kPa) and 2 (141±3 kPa). Fasted mice that received gel 3 ate 36% less food (p<0.05), and the total energy intake was 19% lower (p<0.05) compared to the control. Fasted mice that received gels 1 and 2 ate the same amount of food as the control animals. Gel 3 significantly reduced feeding time by 19% (p<0.05) in fasted mice. Gels 1 and 2 did not alter the eating behaviour of fasted mice. Fed mice that received gels ate as much food as in the control. Gels failed to affect the eating behaviour of fed mice.

Conclusion. Overall, solid gel 3 reduced food intake and time spent on feeding after 14 h of complete food restriction. The effect of the gel on the feeding behaviour of animals and the amount of food eaten is determined by the hardness of the gel and does not depend on the ratio of the components of the gel and its resistance to in vitro simulated gastric and intestinal fluids.

Keywords:agar-pectin gels, eating behaviour, mice

Растительные полисахариды, устойчивые к перевариванию пищеварительными ферментами человека (пищевые волокна), снижают аппетит [1]. Добавление пищевых волокон, в том числе пектинов и агара, в пищевые продукты приводит к эффективному подавлению аппетита и снижению потребления пищи [2-5]. Присутствие в рационе питания продуктов, богатых пищевыми волокнами, обеспечивает снижение избыточной массы тела и тем самым уменьшает риск возникновения заболеваний, ассоциированных с ожирением [6-8].

В связи с этим все большую актуальность приобретают исследования механизма регуляции аппетита продуктами, богатыми пищевыми волокнами. К числу факторов, влияющих на регуляцию аппетита, прежде всего относятся растяжение стенок желудка и изменение биохимического состава крови [9]. Насыщающий эффект пищи определяется также ее механическими характеристиками: так, показано, что твердая пища насыщает в большей степени, чем жидкая [10]. Продукты с высокими упругопластическими и прочностными характеристиками требуют больше времени и усилий для пережевывания, что увеличивает длительность обработки пищи в ротовой полости и способствует более быстрому наступлению насыщения [1, 11-13]. Показано, что даже незначительные изменения механических характеристик продуктов достаточны для изменения продолжительности пребывания пищи в ротовой полости и количества съеденной пищи [14]. Известно, что растворимые пищевые волокна способны желироваться [3-5]. Таким образом, можно сформулировать гипотезу: способность агар-пектиновых гелей изменять пищевое поведение мышей будет зависеть от их механических характеристик.

Цель работы - определить влияние механических свойств агар-пектиновых гелей на пищевое поведение мышей.

Материал и методы

В исследовании были использованы 40 белых беспородных мышей с исходной массой тела 32,9±0,5 г, которые содержались в пластиковых клетках по 8 особей и имели свободный доступ к пище (14,6% белка, 2,8% жира, 59,0% углеводов и 5,0% пищевых волокон, 3,3 ккал/г) и питьевой воде. Животные были получены из питомника экспериментальных животных ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Животных включали в исследование после 14-дневного карантина. В комнате содержания поддерживали постоянную температуру 25±2 °С и влажность (55%) при 12часовом световом периоде (8:00-20:00). Исследование было одобрено комитетом по биоэтике при ИФ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Все экспериментальные процедуры проводили с 9:00 до 13:00.

Получение и определение механических характеристик гелей

Гели изготавливали, растворяя соответствующие навески агара, пектина и сахарозы в присутствии или в отсутствие ионов кальция. Состав гелей показан в табл. 1. Для получения гелей использовали яблочный пектин AU701 (Herbstreith & Fox, Германия) и пищевой агар (Kotanyi, Австрия). Навески агара, пектина и сахарозы растворяли в дистиллированной воде при 100 °С. Хлорид кальция добавляли после полного растворения агара, пектина и сахарозы при температуре 100 °С для предотвращения преждевременного образования пектата кальция. Полученный таким образом горячий раствор заливали в мягкие пластиковые формы для льда по 5 мл. Гели оставляли желироваться на 1 сут при комнатной температуре.

Прочность, модуль Юнга и эластичность гелей определяли на анализаторе текстуры "TA.XT-plus texture analyser" (Stable Micro Systems, Великобритания), оснащенном цилиндрическим зондом (P/5, диаметр 5 мм). Скорость движения зонда в образцах - 10 мм/мин, глубина проникновения - 5 мм. Расчеты механических кривых зависимости силы от расстояния погружения зонда выполнены с использованием программного обеспечения "Texture Exponent 6.1.4.0" (Stable Micro Systems, Великобритания). Определяли прочность образца (отношение максимальной приложенной нагрузки к площади зонда, кПа), модуль Юнга (отношение максимальной силы в области упругой деформации к площади зонда и относительному сжатию образца, кПа) и эластичность (расстояние, пройденное зондом до разрушения образца, мм).

Исследовали влияние искусственной гастроэнтеральной среды на механические свойства гелей. Для этого гели разрезали на фрагменты сопоставимых размеров, средняя масса фрагментов составила 660±50 мг. Образцы помещали в лунки 12 луночных планшетов. В каждую лунку помещали по 7 образцов и приливали 5 см³ солевого раствора, имитирующего среду желудка (SGF: pH 1,09, 0,08M HCl и 0,03M NaCl) [15]. Планшеты инкубировали при температуре 37 °С и при постоянном перемешивании. Через 30 и 60 мин инкубации гели извлекали, взвешивали и оценивали их механические свойства. В лунках с оставшимися образцами заменяли среду SGF на солевой раствор, имитирующий среду тонкой кишки (SIF: pH 6,80, 0,05M KH₂PO₄ и 0,05M NaOH) [15], после чего инкубировали 60 мин и оценивали механические свойства гелей.

Дизайн исследования

Эксперимент проводили в течение 4 дней. Схема эксперимента показана на рис. 1.

Мыши получали гели 1 раз в день в течение 4 дней. Каждый день животные по одному на 60 мин помещались в экспериментальные клетки: в первые 30 мин мышам давали исследуемые гели, а на следующие 30 мин - стандартный корм для грызунов. Затем животных возвращали в клетки для содержания. Первые 2 дня были тренировочными. Перед 3-м получением гелей животных предварительно полностью ограничивали в пище на 14 ч (голодные мыши), а перед 4-м мышам давали корм без ограничений (сытые мыши). Регистрировали пищевое поведение мышей во время предъявления корма при помощи цифровой видеосистемы "VS1304-P" (ООО "НПК Открытая Наука", Россия). Также определяли количество съеденного геля и количество съеденного затем стандартного корма. В качестве контроля использовали мышей, которым не давали гели. Критерием исключения животных из эксперимента было отсутствие следов потребления гелей.

Пищевое поведение определяли при помощи теста "Поведенческая последовательность сытости" (от англ. Behavioural satiety sequence). Обработку полученных видеозаписей производили при помощи программного обеспечения "RealTimer 1.2" (ООО "НПК Открытая Наука", Россия). Поведение животных классифицировали на 5 типов: питание (животное ест или держит корм в лапах), питье (животное пьет), груминг (животное вылизывает или вычесывает себя), активность (передвижение, обнюхивание, стойки на задних лапах) и пассивность (животное не двигается, спит) [16, 17].

Статистическую обработку результатов проводили при помощи U-критерия Манна-Уитни и парного T-критерия Вилкоксона, также рассчитывали коэффициент корреляции Спирмена, данные выражали как среднее арифметическое ± стандартная ошибка среднего.

Результаты

Механические свойства агар-пектиновых гелей

Текстурная характеристика гелей и динамика ее изменения при инкубировании гелей в средах, имитирующих среды желудка и тонкой кишки, показаны в табл. 2. Увеличение содержания пектина в агар-пектиновых гелях приводило к уменьшению прочности и модуля Юнга и не сказывалось на эластичности гелей. Самым прочным оказался гель № 3. При последовательной инкубации в солевых растворах, имитирующих среды желудка (SGF) и тонкой кишки (SIF), у гелей значительно снижались прочность и эластичность. Различия в твердости между гелями № 2 и 3 исчезали к 60-й минуте инкубации в среде, имитирующей среду желудка. Выявлено, что значение модуля Юнга увеличивалось при последовательной инкубации в средах, имитирующих среды желудка и тонкой кишки, при сравнении с первоначальными значениями.

Пищевое поведение мышей

Голодные мыши (14 ч полного ограничения в пище) съедали более чем в 1,5 раза больше (p<0,05) стандартного корма, нежели при неограниченном доступе к пище (рис. 2). Установлено, что после 14 ч полного ограничения в пище мыши, получившие гель № 3, съедали на 36% меньше корма (p<0,05), а общая энергетическая ценность съеденной пищи была на 19% меньше (p<0,05) по сравнению с мышами, которым не предоставляли гели. Выявлено, что гели № 1 и 2 не изменили количество корма, который съели мыши после периода голодания. Сытые мыши (неограниченный доступ к пище), получавшие гели, съедали столько пищи, как и животные, которые не получали гели.

Необходимо отметить, что мыши, получавшие гель № 3, в голодном и в сытом состоянии съедали одинаковое количество стандартного корма. В то время как животные, получавшие агар-пектиновые гели № 1 и 2, после полного ограничения в питании съедали соответственно на 56 и 27% (p<0,05) больше корма, чем при неограниченном доступе к пище (см. рис. 2).

Количество полисахаридов, полученных мышами с гелями, зависело от типа геля и сытости животных. Так, голодные мыши в сравнении с сытыми мышами съедали более чем в 3 раза больше агар-пектинового геля, соответственно, получали более чем в 3 раза большее количество агара и пектина (табл. 3). При потреблении геля № 3 мыши получали в 2,5 раза меньше пектина (p<0,05) и в 4 раза больше агара (p<0,05) в сравнении с мышами, получившими гель № 1, независимо от степени сытости мышей. Количество съеденных как голодными, так и сытыми мышами пектина и агара при потреблении гелей № 2 и 3 не различалось. Обнаружена заметная прямая корреляционная связь (r_s=0,53, p<0,05) между количеством съеденного в составе геля пектина (независимо от вида потребляемого геля) и последующим потреблением корма у голодных мышей. У сытых животных подобной корреляции не выявлено. Также отсутствует взаимосвязь между количеством съеденного в составе геля агара (независимо от вида потребляемого геля) и следующим потреблением корма как у голодных, так и у сытых мышей.

Изменение количества съеденного корма соответствует уменьшению времени, затрачиваемого мышами на потребление пищи. Мыши контрольной группы, не получавшие гелей, проводили в среднем в 1,5 раза больше времени за приемом пищи после периода голодания, чем при неограниченном доступе к пище (табл. 4). После потребления агар-пектинового геля № 3 мыши на 19% меньше времени (p<0,05) проводили за приемом пищи в сравнении с контролем сразу после 14 ч полного ограничения в пище. Гели № 1 и 2 не изменили пищевое поведение голодных мышей. У сытых мышей, получивших гели, пищевое поведение не изменялось.

Обсуждение

Изменение концентрации агара вносит главный вклад в механические свойства агар-пектиновых гелей. Формирование геля из агарозы происходит за счет образования межмолекулярных водородных связей, а для образования геля на основе пектина необходимо присутствие ионов поливалентных металлов или высокое содержание сухих веществ в растворе. Увеличение концентрации агара с 6 до 20 г на 100 мл воды приводило к увеличению прочности гелей. Однако при добавлении ионов кальция происходит образование геля из пектата кальция, что, по-видимому, приводит к дефектам в геле, в основном состоящем из агара. Образование данных дефектов приводило к уменьшению эластичности агарпектинового геля. Гели № 2 и 3 идентичны по количественному составу агарозы, пектина, сахарозы и воды, но присутствие ионов кальция приводило к значимому (p<0,05) уменьшению эластичности (см. табл. 2). Основным разрушающим фактором при последовательной инкубации гелей в солевых растворах, имитирующих среды желудка и тонкой кишки, является кислотность. Известно, что низкая кислотность раствора препятствует формированию водородных связей, необходимых для образования агарового геля, а соляная кислота, обладающая более сильными кислотными свойствами по сравнению с раствором пектина, будет разрушать пектат кальция. Основные изменения механических свойств агар-пектиновых гелей происходили в солевом растворе, имитирующем среду желудка (см. табл. 2). Выявление действия на деградацию агар-пектиновых гелей таких факторов, как желчь, ферменты и т.п., в настоящей работе не рассматривалось и требует дальнейших исследований.

После 14 ч полного ограничения в пище мыши, получившие гель № 3, съедали меньше пищи и меньше времени проводили за ее приемом, чем контрольные животные. Однако данный эффект проявлялся только после периода голодания у мышей, а после неограниченного доступа к пище влияние геля № 3 отсутствовало. Гели № 1 и 2 не изменяли пищевое поведение мышей ни после 14 ч полного ограничения в пище, ни после неограниченного доступа к еде. При потреблении гелей наибольшее количество пектина мыши получали из геля № 1, а при потреблении гелей № 2 и 3 - в равной степени меньшее количество. В равной степени высоким было количество

съеденного в составе гелей агара у мышей, получавших гели № 2 и 3, наименьшее количество агара съедали мыши, получавшие гель № 1. Полученные результаты согласуются с данными литературы. Ранее было показано, что, несмотря на задержку опорожнения желудка и снижение концентрации глюкозы в крови после приема пищи, потребление пектинов не изменяет последующее количество съеденной пищи [18]. Известно, что потребление агара задерживает опорожнение желудка и снижает субъективное чувство голода, но при этом не изменяет концентрацию глюкозы в крови после приема пищи и не оказывает влияния на пищевой термогенез [19, 20]. Таким образом, количество полученного пектина или агара при потреблении гелей не влияет на пищевое поведение. Необходимо уточнить, что прямая корреляционная связь между количеством съеденного в составе гелей пектина (независимо от вида потребляемого геля) и последующим потреблением корма у голодных мышей наблюдалось только у животных, получавших гели. При сравнении с контрольными мышами, не получавшими гелей, у животных, потреблявших гели, не происходило увеличение количества съеденного корма. Более того, увеличение абсолютного и относительного содержания пектина в агар-пектиновых гелях приводило к уменьшению прочности, а, как показано в исследовании, мягкие гели № 1 и 2 не изменяли пищевое поведение мышей. Гель № 3 способствовал снижению количества пищи, потребляемой животными, что, по-видимому, обусловлено тем, что он является наиболее прочным среди использованных в исследовании гелей. Известно, что потребление твердой пищи насыщает быстрее, чем прием жидкой пищи [10, 21]. Также известно, что для достижения равного уровня насыщения твердой пищи требуется значительно меньше, чем жидкой, что связано с большими усилиями по обработке пищи во рту [22]. Показано, что использование жевательной резинки (без вкуса и запаха) приводит к снижению аппетита и субъективного желания есть [23]. Дизайн исследования предполагал свободное, не принудительное потребление гелей мышами, что и привело к тому, что после 14 ч ограничения в пище мыши съели в 3 раза больше прочного геля № 3, чем после неограниченного питания перед потреблением геля. Таким образом, решающим фактором уменьшения потребления пищи мышами, по-видимому, является количество съеденного прочного геля.

Заключение

Прочный агар-пектиновый гель (251±3 кПа) уменьшал потребление мышами пищи и сокращал время, затрачиваемое на питание после 14 ч полного ограничения в пище. Более мягкие гели (44±1 и 141±3 кПа) не изменяли пищевое поведение мышей. Прочность геля не влияла на пищевое поведение сытых животных.

References

1. Burton-Freeman B. Dietary fiber and energy regulation. J Nutr. 2000; 130 (suppl 2): 272S-5S. doi: 10.1093/jn/130.2.272S

2. Perrigue M.M., Monsivais P., Drewnowski A. Added soluble fiber enhances the satiating power of low-energy-density liquid yogurts. J Am Diet Assoc. 2009; 109: 1862-8. doi: 10.1016/j.jada.2009.08.018

3. Slavin J., Green H. Dietary fibre and satiety. Nutr Bull. 2007; 32 (suppl 1): 32-42. doi: 10.1111/j.1467-3010.2007.00603.x

4. Rajapakse N., Kim S.-K. Nutritional and digestive health benefits of seaweed. Adv Food Nutr Res. 2011; 64: 17-28. doi: 10.1016/ b978-0-12-387669-0.00002-8

5. Lunn J., Buttriss J. L. Carbohydrates and dietary fibre. Nutr Bull. 2007; 32 (1): 21-64. doi: 10.1111/j.1467-3010.2007.00616.x

6. Tucker L.A., Thomas K.S. Increasing total fiber intake reduces risk of weight and fat gains in women. J Nutr. 2009; 139: 576-81. doi: 10.3945/jn.108.096685

7. Du H.D., van der A D.L., Boshuizen H.C., et al. Dietary fiber and subsequent changes in body weight and waist circumference in European men and women. Am J Clin Nutr. 2010; 91: 329-36. doi: 10.3945/ajcn.2009.28191

8. Wanders A.J, van den Borne J.J., de Graaf C., et al. Effects of dietary fibre on subjective appetite, energy intake and body weight: a systematic review of randomized controlled trials. Obes Rev. 2011; 12: 724-39. doi: 10.1111/j.1467-789X.2011.00895.x

9. Clark M.J., Slavin J.L. The effect of fiber on satiety and food intake: a systematic review. J Am Coll Nutr. 2013; 32: 200-11. doi: 10.1080/07315724.2013.791194

10. Flood-Obbagy J.E., Rolls B.J. The effect of fruit in different forms of energy intake and satiety at a meal. Appetite. 2009; 52: 416-22. doi: 10.1016/j.appet.2008.12.001

11. Hellstrom P.M., Naslund E. Interactions between gastric emptying and satiety, with special reference to glucagon-like peptide-1. Physiol Behav. 2001; 74: 735-41. doi: 10.1016/s0031-9384(01)00618-7

12. Krop E.M., Hetherington M.M., Nekitsing C., et al. Influence of oral processing on appetite and food intake - a systematic review and metaanalysis. Appetite. 2018; 125: 253-69. doi: 10.1016/j.appet.2018.01.018

13. Hollis J.H. The effect of mastication on food intake, satiety and body weight. Physiol Behav. 2018; 193: 242-5. doi: 10.1016/j.phys-beh.2018.04.027

14. Mosca A.C., Torres A.P., Slob E., et al. Small food texture modifications can be used to change oral processing behaviour and to control ad libitum food intake. Appetite. 2019; 142: Article 104375. doi: 10.1016/j.appet.2019.104375

15. Paderin N.M., Vityazev F.V., Saveliev N.Yu., et al., Effect of pectin of tansy, Tanacetum vulgare L., on feeding behaviour and food intake in mice. J Func Foods. 2018; 47: 66-71. doi: 10.1016/ j.jff.2018.05.040

16. Lawrence C.B., Ellacott K.L.J., Luckman S.M. PRL-releasing peptide reduces food intake and may mediate satiety signaling. Endocrinology. 2002; 143 (2): 360-7. doi: 10.1210/endo.143.2. 8609

17. Adebakin A., Bradley J., Gumusgoz S., et al. Impaired satiation and increased feeding behaviour in the triple-transgenic

Alzheimer’s disease mouse model. PLoS ONE. 2012; 7 (10): e45179. doi:10.1371/journal.pone.0045179

18. Khramova D.S., Vityazev F.V., Saveliev N.Y., et al. Pectin gelling in acidic gastric condition increases rheological properties of gastric digesta and reduces glycaemic response in mice. Car-bohydr Polym. 2019; 205: 456-64. doi: 10.1016/j.carbpol.2018. 10.053

19. Clegg M.E., Shafat A. The effect of agar jelly on energy expenditure, appetite, gastric emptying and glycaemic response. Eur J Nutr. 2014; 53: 533-9. doi: 10.1007/s00394-013-0559-x

20. Sanaka M., Yamamoto T., Anjiki H., et al. Effects of agar and pectin on gastric emptying and post-prandial glycaemic profiles in healthy human volunteers. Clin Exp Pharmacol Physiol. 2007; 34: 1151-5. doi: 10.1111/j.1440-1681.2007.04706.x

21. Cassady B.A., Considine R.V., Mattes R.D. Beverage consumption, appetite, and energy intake: what did you expect? Am J Clin Nutr. 2012; 95 (3): 587-93. doi: 10.3945/ajcn.111.025437

22. de Wijk R.A., Zijlstra N., Mars M., et al. The effects of food viscosity on bite size, bite effort and food intake. Physiol Behav. 2008; 95 (3): 527-32. doi: 10.1016/j.physbeh.2008.07.026

23. Ikeda A., Miyamoto J.J., Usui N., et al. Chewing stimulation reduces appetite ratings and attentional bias toward visual food stimuli in healthy-weight individuals. Front. Psychol. 2018; 9: Article 99. doi: 10.3389/fpsyg.2018.00099

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.