Effect of Corn Gluten, Wheat Gluten, Isolated Soybean Protein and their Hyrdrolysates on Weight Reduction in Diet-Induced Obese Rats

Abstract

This study was designed to examine the effects of consumption of corn gluten (CG), wheat gluten (WG), isolated soybean protein (ISP) and their hydrolysates on weight reduction in diet-induced obese adult rats. To induce obesity, eight-month-old male Sprague Dawley rats (n=80) were fed a high fat diet (40% of energy as fat) for four weeks. The rats were then blocked into eight groups and fed isocaloric AIN-93M diets with different protein sources (10% of energy as fat and 13% as protein) for eight weeks. The protein sources were casein (control group), intact WG (WG group), WG hydrolysate (WGH group, 83% of protein as peptides and 17% as free amino acids), ISP (ISP group), ISP hydrolysate (ISPH group, 95% of protein as peptides and 5% as free amino acids), intact CG (CG group), CG hydrolysate A (CGHA group, 30% of protein as peptides and 70% as free amino acids) and CG hydrolysate P (CGHP group, 93% of protein as peptides and 7% as free amino acids). The contents of protein, lipid, carbohydrate, dietary fiber and moisture, and the compositions of total and free amino acids in dietary protein sources were measured to identify the ingredients. Body weight and food intake were measured during the experimental period. Perirenal and epididymal fat pads and brown adipose tissues were weighed. To investigate the effect of the diets on protein metabolism, apparent digestibility of protein, total and free amino acids excretions in the feces, nitrogen balance and urinary creatinine excretion as an index of muscle mass were measured. To investigate the effects of the diets on lipid metabolism, apparent digestibility of lipid was measured, the concentrations of total lipid, triglyceride and total cholesterol were measured in plasma, liver and feces, and high-density lipoprotein (HDL)-cholesterol concentration was measured in plasma. The hepatic activities of carnitine palmitoyl transferase (CPT), fatty acid synthase (FAS), malic enzyme (ME) and glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) were also measured. And the apparent digestibility of energy was measured. Except for tryptophan, which was not analyzed in this study, the contents of most indispensable amino acids were greater in all experimental diets than the requirement for maintenance in adult rats. But, the methionine contents in the soybean diets (ISP and ISPH diets) and the lysine contents in the corn hydrolysate diets (CGHA and CGHP diets) did not meet the requirements. The content of branched chain amino acids (BCAA), especially leucine, was highest in the CGHA diet, and most BCAA existed in the free amino acid form. Weight reduction occurred only in the CGHA group, and this reduction was significant compared with other groups, which gained weight. ISPH group also tended to gain less weight than the control group. In comparison among the intact protein groups, rats fed the WG diet tended to have most weight. Rats fed the hydrolysate diets (WGH, ISPH, CGHP and CGHA groups) tended to gain less weight than rats fed the paired intact protein diets (WG, ISP and CG groups). Food intake was lowest in the CGHA group, which lost the body weight, and was significantly lower than in the CGHP group, whose food intake was the highest of all groups. Perirenal and epididymal fat pads were smallest in the CGHA group. The perirenal fat pads differed significantly between the CGHA and CG groups, and the epididymal fat pads differed significantly between the CGHA group and the control, WG, WGH, CG and CGHP groups. Protein digestibility was lowest in the CGHA group which was significantly different from the protein digestibility of the control and other corn groups (CG and CGHP groups). Both total and free amino acid excretions in feces showed that more than 20% of fecal protein was in the free amino acid form in the CGHA group, which had the highest fecal protein excretion. CGHA group which had significant body weight reduction showed the negative nitrogen balance. Urinary nitrogen excretion was significantly higher in all hydrolysate groups than in their paired intact protein groups. Fecal nitrogen excretion did not differ significantly between each intact protein group and its paired hydrolysate group. As a result, all hydrolysate groups except the CGHP group had a significantly lower nitrogen retention than the paired intact protein groups. Urinary creatinine excretion as an index of muscle mass tended to be higher in all hydrolysate groups than in the paired intact protein groups. Plasma total lipid, triglyceride and total cholesterol concentrations were lower in all experimental groups than in the control group. Plasma total lipid and triglyceride concentrations were lowest in the CGHA group and the difference between the control and CGHA groups were significant. Plasma total lipid and triglyceride concentrations tended to be lower in the wheat and corn hydrolysate groups than in their paired intact protein groups. Plasma total cholesterol concentration was lower in the ISP and ISPH groups than in other groups and the difference was significant compared with that in the control group. The hepatic total lipid concentration tended to be lower in the soybean and corn groups than in the control group and in all hydrolysate groups than in the paired intact protein groups. Fecal total lipid and total cholesterol excretions tended to be higher in all experimental groups than in the control group. Of the hepatic enzymes, CPT activity, which is related to fatty acid oxidation, was highest in the CGHA group and tended to be higher in all hydrolysate groups than in their paired intact protein groups. The activities of the lipogenic enzymes, FAS, ME and G6PDH, were highest in the control group. In the CGHA group, the activity of FAS was significantly lower than in other groups, and the activities of ME and G6PDH were significantly lower than in the control and other corn groups (CG and CGHP groups). The digestibility of energy was significantly lower in the corn groups (CG, CGHA and CGHP groups) than in other groups. In conclusion, ingestions of plant proteins as a protein source did not have a weight loss effect in diet-induced obese adult rats. But, the ingestion of a corn gluten hydrolysate diet, which has relatively high amounts of free amino acids, caused weight loss. This effect may be related with the high content of BCAA, especially leucine, in the corn diets, with the ingestion of free amino acid form which might increase the rate of protein metabolism, and with the changes in the activities of hepatic enzymes regulating lipid metabolism. This effect of weight reduction by the ingestion of corn gluten hydrolysate suggests that the plant protein hydrolysate can be available as an antiobesity functional food.;본 연구에서는 옥수수글루텐, 소맥글루텐, 분리대두단백 및 이들의 가수분해물들이 비만을 유도한 흰쥐의 체중감소에 미치는 영향을 알아보았다. 평균체중이 558.12±4.65g인 생후 8개월 령의 Sprague-Dawley 종 수컷 흰쥐 80마리에게 고지방식이(40% of energy as fat)를 1개월간 공급하여 비만을 유도하였다. 비만 유도 후 평균체중이 628.37±4.46g인 쥐들을 각 군당 열 마리씩 여덟 군으로 나누어 AIN-93M 식이(10% of energy as fat and 13% as protein)를 기본으로 단백질 급원을 달리하는 식이를 공급하여 2개월간 사육하였다. 대조군의 단백질 급원으로는 casein을, 실험군의 단백질 급원으로는 소맥글루텐(WG), 소맥글루텐의 가수분해물(WGH, 단백질 중 펩타이드 함량 83%, 유리아미노산 함량 17%), 분리대두단백(ISP), 분리대두단백의 가수분해물(ISPH, 단백질 중 펩타이드 함량 95%, 유리아미노산 함량 5%), 옥수수글루텐(CG), 옥수수글루텐의 가수분해물 A(CGHA, 단백질 중 펩타이드 함량 30%, 유리아미노산 함량 70%) 및 옥수수글루텐의 가수분해물 P(CGHP, 단백질 중 펩타이드 함량 93%, 유리아미노산 함량 7%)를 공급하였다. 단백질의 급원이 되는 실험시료의 성분 분석을 위하여 실험시료의 단백질, 지질, 탄수화물, 식이섬유 및 수분함량을 측정하였고, 분자량 분포를 측정하였으며 총 아미노산 및 유리아미노산의 구성을 분석하였다. 실험동물의 사육기간 중 체중, 식이섭취량을 측정하였고, 희생 후 부고환지방, 신장주변지방 및 갈색지방조직의 무게를 측정하였다. 실험식이가 단백질 대사에 미치는 영향을 알아보기 위하여 단백질의 외관상 소화율 및 질소평형을 측정하였고, 변으로 배설되는 총아미노산과 유리아미노산의 구성을 분석하였으며 근육량 측정을 위하여 뇨로의 creatinine 배설량을 측정하였다. 실험식이가 지질대사에 미치는 영향을 알아보기 위하여 지방의 외관상 소화율을 측정하였고, 혈중 총지질, 중성지방, 총콜레스테롤 및 HDL-콜레스테롤과 간과 변 내의 총지질, 중성지방 및 콜레스테롤 농도를 측정하였다. 실험식이가 간의 지질대사 관련효소의 활성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 carnitine palmitoyl transferase(CPT), fatty acid synthase(FAS), malic enzyme(ME) 및 glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH)의 활성을 측정하였다. 또한 열량의 외관상 소화율을 측정하였다. 실험식이 내 필수아미노산의 함량은 분석이 불가능하였던 tryptophan을 제외하고는 대부분 성인 쥐를 위한 권장량을 상회하였으나 분리대두단백 및 분리대두단백 가수분해물(ISP 및 ISPH)의 methionine 함량 및 옥수수글루텐 가수분해물(CGHA 및 CGHP)의 lysine 함량은 권장량을 충족시키지 못하였다. 실험식이 내 BCAA의 함량, 특히 leucine의 함량은 CGHA 식이에서 가장 높았고, 이들 대부분은 유리아미노산의 형태로 존재하였다. 실험동물의 체중은 CGHA 군 만이 감소하여 체중이 증가한 다른 군들과 비교하여 유의적인 차이를 보였다. 대조군과의 비교에서는 분리대두단백의 가수분해물을 섭취한 군(ISPH군) 또한 체중 증가가 낮은 경향을 보였다. 원료단백질을 섭취한 군들간의 비교에서는 소맥글루텐을 섭취한 군의 체중 증가가 가장 높은 경향을 보였다. 가수분해물들의 소재별로 비교하여 보았을 때에는 원료단백질 (옥수수글루텐, 소맥글루텐 및 분리대두단백)을 섭취한 군들보다 각각의 가수분해물을 섭취한 군들의 체중 증가가 낮은 경향을 보였다. 체중이 감소한 CGHA 군의 경우 식이섭취량 또한 가장 낮아 가장 높은 식이섭취량을 보인 CGHP 군과 유의적인 차이를 보였다. CGHA 군의 경우 신장주변지방 및 부고환지방의 무게가 모든 실험군들 중 가장 낮아 신장주변지방의 경우 CG 군과, 부고환지방의 경우 대조군, 옥수수군(CG 및 CGHP 군) 및 소맥군(WG 및 WGH 군)과 유의적인 차이를 보였다. 단백질의 외관상 소화율을 보면, CGHA 군이 모든 실험군들 중 가장 낮아 대조군 및 다른 옥수수군(CG 및 CGHP 군)과 유의적인 차이를 보였다. 변으로 배설된 아미노산의 구성을 보면, 변으로의 단백질 배설량이 가장 높았던 CGHA군에서는 배설된 총단백질의 20% 이상이 유리아미노산 형태였다. 질소평형의 경우, 각각의 원료단백질을 섭취한 군들보다 가수분해물을 섭취한 군들에서 소변으로의 질소 배설이 유의적으로 높았고, 결과적으로 CGHP 군을 제외한 모든 가수분해물 섭취군들이 각각의 원료단백질 섭취군들보다 유의적으로 낮은 질소보유상태를 보였다. 체중이 감소한 CGHA군에서는 음의 질소평형이 보여졌다. 또 소변으로 배설되는 크레아티닌 농도의 경우, 모든 가수분해물 섭취군들이 각각의 원료단백질 섭취군들보다 높은 경향을 보였다. 혈장 지질의 경우 대조군의 총지질, 중성지방 및 총콜레스테롤 수준이 가장 높았고, CGHA군의 총지질과 중성지방수준이 가장 낮아 두 군간에 유의적인 차이를 보였다. 혈장 총지질과 중성지방의 경우 옥수수와 소맥군에서 원료 단백질보다 가수분해물을 섭취한 군들의 수준이 낮은 경향을 보였다. 혈장 총 콜레스테롤의 경우 ISP와 ISPH 군에서 가장 낮은 결과를 보여 대조군과 유의적인 차이를 보였다. 간 지질의 경우 총지질 수준은 모든 대두단백군(ISP 및 ISPH 군)과 옥수수군(CG, CGHA 및 CGHP 군)에서 대조군보다 낮은 경향을 보였고 가수분해물 섭취군들이 원료단백질 섭취군들보다 낮은 경향을 보였다. 변으로의 총지질과 총콜레스테롤 배설은 대조군에 비하여 모든 실험군들에서 많은 경향을 보였다. 간에서의 지질 관련효소의 활성을 보면, 지방산의 산화를 조절하는 CPT의 경우 CGHA 군에서 가장 높은 활성을 보여 모든 원료단백질 군들 및 ISPH군과 유의적인 차이를 보였고, 가수분해물 섭취군들의 활성이 원료단백질 섭취군들의 활성에 비하여 높은 경향을 보였다. 지방산 합성을 유도하는 FAS, ME 및 G6PDH의 경우 대조군에서 가장 높은 활성을 보였다. CGHA 군의 경우 FAS의 활성은 다른 모든 군들보다, ME와 G6PDH의 활성은 대조군 및 다른 옥수수군들(CG 및 CGHP 군)보다 유의적으로 낮은 결과를 보였다. 결론적으로 단백질 급원으로 식물성 단백질(소맥글루텐, 분리대두단백 및 옥수수글루텐)을 섭취하는 것은 비만한 성인쥐의 체중을 감소시키는 효과를 가져오지 못하였으나, 옥수수글루텐의 가수분해물 중 상대적으로 유리아미노산 함량이 높았던 시료를 섭취하는 것은 비만한 성인쥐의 체중을 감소시키는 효과를 보였다. 이러한 효과는 옥수수글루텐에 함유된 BCAA, 특히 leucine의 높은 함량과 가수분해 결과 생성된 유리 아미노산 형태로의 단백질 섭취가 가져오는 단백질 대사율 증가 및 간에서의 지질대사 관련효소 활성의 변화 등에 주로 기인하는 것으로 보인다. 이러한 옥수수글루텐 가수분해물 섭취에 의한 체중저하 효과는 식물성 단백질을 이용한 가수분해물의 항비만 소재로서의 가능성을 보여주었다.