魔芋葡甘露聚糖对高热能膳食诱导小鼠认知功能障碍及脑部氧化应激状态的影响

刘 茜，李若雨，刘思宁，陈盼盼，方 洁，汪浪红，龚桂萍，王仲孚，黄琳娟

（西北大学食品科学与工程学院，陕西省天然多糖资源利用工程研究中心，西安市糖生物学与糖工程重点实验室，陕西 西安 710069）

随着生活水平的不断提高，居民膳食结构发生了巨大变化。快餐文化逐渐成为一种饮食潮流，外卖、西餐及高含糖量饮料等使机体摄入的脂肪和糖超标。膳食营养相关的脑功能性研究已成为热点。研究发现，这些高热能膳食会引发机体产生氧化应激、胰岛素抵抗、炎症反应，导致认知功能障碍。14 周高脂膳食及高糖饮水能够显着改变小鼠食物摄取行为及能量消耗，促进体质量增加。小鼠脑部胰岛素受体酪氨酸残基磷酸化程度显着降低，胰岛素受体底物丝氨酸残基磷酸化程度显着增加，引发胰岛素抵抗。此外，高脂高糖膳食能够显着促进小鼠脑部淀粉样蛋白沉积及神经原纤维缠结，降低突触可塑性。另有研究发现，高脂膳食能够显着下调氧化应激中枢调控者核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的表达，抑制血红素氧合酶1（heme oxygenase 1，HO-1）及NAD(D)P:醌氧化还原酶1（NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1，NQO-1）的表达。且高脂膳食能够显着增加小鼠脑部脂质过氧化程度，减少神经前体细胞增殖及海马神经发生。因此，针对膳食与健康的核心问题，发掘具有地方特色且来源于食品原料的功能组分，揭示其对高热能膳食诱导的脑内营养健康状态的调控作用与机制具有重要的现实意义。

魔芋（K. Koch）为天南星科魔芋属多年生草本植物，主要分布于我国四川、陕西、湖北等地，其有效成分是由-1,4-糖苷键连接而成的魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）。魔芋提取粉常用于制作面条、豆腐等食品。KGM分子质量为200～2 000 kDa，具有优良的亲水性、凝胶性、成膜作用和增稠作用，可以吸收相当于其自身80～100 倍的水。大分子质量虽然赋予了KGM优良的黏结性，但也使得其流动性较差，极大限制了KGM作为食品添加剂或功能性物质的应用。而经各种方法降解后，KGM的黏度降低、流动性变佳，不仅改善了消费者的口感体验，增加了其在液体食品基质中的应用，还符合产业化生产要求，提高了生产效率。魔芋被联合国卫生组织确定为十大保健食品之一。近年来大量研究表明KGM可延长胃排空时间，从而增加饱腹感，并调节肠道菌群稳态，减轻体质量，减少餐后血糖升高，抑制肝脏胆固醇合成，在抗肥胖、控制血糖和降低胆固醇等方面起着重要作用。然而，KGM能否干预高热能膳食诱导的认知功能障碍，不同分子质量KGM是否具有相似的功能活性以及存在何种构效关系鲜有报道。

因此，本研究以高脂高果糖饮食（high fat and high fructose diet，HFFD）模型模拟高热能膳食，旨在比较实验室前期通过可控性降解法得到的低、中、高分子质量可溶性KGM对高热能膳食诱导小鼠认知障碍的干预作用，寻找KGM脑营养功能效应组分，分析其构效关系，以期为指导居民合理饮食结构、解决营养过剩问题提供参考，为魔芋资源的深度开发利用提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 动物、材料与试剂

90 只7 周龄C57BL/6J SPF级雄性小鼠购自于西安交通大学实验动物中心（动物生产许可证号：SCXK 2018-001）。标准饲料（AIN-93M，能量为15.07 kJ/g）与45%高脂饲料（TP230100，能量为18.84 kJ/g）均购于南通特洛菲饲料科技有限公司。

特级KJ30魔芋粉（黏度为30 100 mPa·s）湖北强森魔芋有限公司；-果糖（纯度99%） 美国Sigma-Aldrich公司；苏木精-伊红（hematoxylin-eosin，HE）染色液 南昌雨露实验器材有限公司；谷胱甘肽（glutathione，GSH）测试盒、过氧化氢酶（catalase，CAT）测试盒 南京建成生物工程研究所；其他常用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

莫里斯水迷宫（XR-XM101）、Y迷宫、视频监控系统以及Super Maze动物行为轨迹分析系统 上海欣软信息科技有限公司；RM2355型切片机 德国LEICA公司；全波长酶标仪 美国Bio-Tek公司；ECLIPSE Ti2-A倒置荧光显微镜 日本尼康公司。

1.3 方法

1.3.1 不同分子质量KGM的制备

按照本实验室前期方法可控性降解KGM制备1、5、90 kDa KGM样品。

1.3.2 动物实验设计与分组

动物实验方案经西北大学实验动物中心动物伦理委员会批准，按照中华人民共和国国家科学技术委员会《实验动物管理条例》进行。小鼠在标准条件下（温度（25±2）℃、相对湿度（40±10）%、光暗周期12/12 h，清洁垫料，自由饮水和摄食）饲养。小鼠适应性饲喂约1 周后，随机分为9 组，每组10 只，每5 只小鼠1 个笼子。正常饮食组（ND）饲喂标准饲料和蒸馏水；HFFD模型组饲喂高脂饲料和含10%（质量分数，下同）果糖的蒸馏水；3 组阴性对照组（ND+1 kDa KGM、ND+5 kDa KGM、ND+90 kDa KGM）分别饲喂含有16% 1、5、90 kDa KGM的标准饲料和蒸馏水；干预组（HFFD+1 kDa KGM、HFFD+5 kDa KGM、HFFD+90 kDa KGM）分别饲喂含16% 1、5、90 kDa KGM的高脂饲料和含10%果糖的蒸馏水；阳性对照组（HFFD+KGM）饲喂含16%魔芋精粉的高脂饲料和含10%果糖的蒸馏水。选择周一为膳食干预的第1天，第1、3、5、7、9、11、13周周一的同一时间段测定各组小鼠体质量；每日给予各笼小鼠一定质量的新鲜饲料，小鼠自由取食，第2天同一时间收集剩余的饲料后称质量，并给予一定质量的新鲜饲料，计算各组小鼠每日摄食量/g（新鲜饲料与第2天剩余饲料的质量差值），累计叠加计算各组小鼠小鼠第1、3、5、7、9、11、13周的总摄食量/g。按式（1）计算各组小鼠摄食量/（g/d）。通过旷场、Y迷宫、水迷宫等行为学实验评估小鼠认知能力。干预第13周测定小鼠体质量后，进行旷场试验，周二进行Y迷宫实验；周三不进行实验；周四进行水迷宫定位巡航实验训练；周五至第14周周二每天进行水迷宫定位巡航实验；干预第14周周三进行水迷宫实验空间探索；干预第14周周四处死小鼠，收集小鼠脑组织样品。

1.3.2.1 旷场试验

旷场试验箱（25 cm×25 cm×38 cm）箱顶中央放置摄像头，箱内中空，将小鼠放置在试验箱中央，让其自由活动5 min，记录小鼠在规定时间内移动的总路程，该指标反映了小鼠的自发活动能力。

1.3.2.2 Y迷宫实验

Y迷宫实验主要应用于评估啮齿动物的空间工作记忆能力。本实验所采用的Y迷宫由3 个彼此成120°夹角的臂组成（35 cm×5 cm×15 cm），放置在无噪音的房间内，将小鼠放在Y迷宫3 个臂的交叉点处，让其在8 min内自由探索，记录小鼠在8 min内进入3 个臂的总次数（即为总进臂次数）和连续进入3 个不同臂的次数，并按式（2）计算交替比例。

1.3.2.3 水迷宫定位巡航实验

采用水迷宫实验检测小鼠学习与记忆能力。圆形池被划分为4 个象限，水温保持23～25 ℃。经适应性训练后进行定位巡航实验，每天4 次，共进行5 d，仅记录第1、3、5天的定位巡航实验结果。定位巡航实验：将小鼠面向池壁从4 个随机不同的入水点分别放入水池，采用Super Maze动物行为轨迹分析系统自动记录小鼠运动总路程及从进入水中到找到水下隐蔽的平台并站立于其上所需时间，即逃避潜伏期。若入水后60 s小鼠未能找到隐藏的平台，则将用长棍将其轻轻引导至平台，并让其在平台上站立30 s，逃避潜伏期记为60 s。定位巡航实验结束后第2天，移除平台，进行空间探索实验，记录60 s内小鼠穿越原平台的次数、总路程及小鼠在目标象限运动路程，计算小鼠在目标象限运动路程占总路程的比例。

1.3.3 小鼠脑组织样品采集

小鼠在行为学实验结束24 h后，禁食不禁水12 h，称体质量并麻醉后，采用颈椎脱臼法处死小鼠，0.1 mol/L pH 7.4 磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline，PBS）心尖灌注后，摘取小鼠脑组织，生理盐水洗涤后置于4%多聚甲醛固定液中进行固定，或于-80 ℃冰箱中贮存待测。

1.3.4 小鼠脑组织病理学观察

各组小鼠脑组织经4%多聚甲醛固定24 h后，经石蜡包埋切片、HE染色后，采用ECLIPSE Ti2-A倒置荧光显微镜对其海马区（齿状回（dentate gyrus，DG）、CA1、CA2、CA3区）和皮层区进行病理学观察。

1.3.5 小鼠脑组织氧化还原状态的测定

参考GSH、CAT测试盒说明书，将小鼠脑组织按照1∶9（/）加入生理盐水，冰水浴条件下制备组织匀浆，测定GSH含量和CAT活力，并以ND组为参照，计算各组小鼠脑组织中GSH相对含量及CAT相对活力。

1.4 数据统计分析

所有实验均重复6 次以上，结果表示为平均值±标准差。采用GraphPad Prism 8软件进行单因素方差分析及图像处理，采用Tukey’s检验进行显着性分析，＜0.05表示显着性差异。

2 结果与分析

2.1 不同分子质量KGM对小鼠摄食量和体质量的影响

不同膳食干预后，小鼠体质量变化如表1所示。从第7周开始，HFFD模型组较正常饮食ND组小鼠体质量显着增加（＜0.05），整个饲养期间阴性对照组与ND组相比均无显着性差异（＞0.05）。饲养第13周HFFD小鼠体质量比第1周增加了79.13%，而ND组小鼠饲养第13周体质量比第1周体质量增加了47.16%。由表2可知，HFFD模型组小鼠摄食量比ND组相比显着减少（＜0.05）。与HFFD模型组小鼠相比较，尽管HFFD+1 kDa KGM、HFFD+5 kDa KGM、HFFD+90 kDa KGM组小鼠摄食量明显增加，但HFFD+90 kDa KGM组和阳性对照组小鼠最终体质量显着低于HFFD组（＜0.05），说明90 kDa KGM和魔芋精粉能显着抑制HFFD诱导的小鼠体质量的增加（＜0.05），而中、低分子质量（1、5 kDa）KGM对小鼠终体质量无显着性影响（＞0.05）（表1）。

表1 不同分子质量KGM对小鼠体质量的影响（n＝10）Table 1 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on body mass of mice (n = 10)g

表2 不同分子质量KGM对小鼠摄食量的影响（n＝10）Table 2 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on food intake of mice (n = 10)g/d

2.2 不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠自主行为活动的影响

旷场试验结果如图1所示，HFFD模型组小鼠旷场试验总路程显着低于ND组（＜0.05），而阴性对照组小鼠总路程与ND组相比均无显着性差异（＞0.05）。与HFFD模型组相比较，膳食补充90 kDa KGM能够显着增加小鼠旷场试验总路程（＜0.05），而1、5 kDa KGM干预组和阳性对照组小鼠旷场试验总路程无显着差异。说明分子质量为90 kDa的KGM能显着改善由HFFD引起的小鼠自主行为活动减少的现象。

图1 不同分子质量KGM对小鼠旷场试验总路程的影响（n＝8）Fig. 1 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on total distance in open-field test (n = 8)

2.3 不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠空间工作记忆能力的影响

动物对新异环境具有探索的天性，因此利用Y迷宫能够有效地测定实验动物的空间工作能力。如图2A所示，各组小鼠总进臂次数无显着差异（＞0.05），即各处理未对小鼠行为能力产生显着影响。如图2B所示，与ND组相比较，HFFD模型组小鼠的交替比例显着降低（＜0.05），即连续进入3 个不同臂次数的比例显着降低，表明小鼠空间记忆能力明显下降。与HFFD模型组小鼠相比，1、5、90 kDa KGM干预组及阳性对照组小鼠连续进入3 个不同臂次数的交替比例均显着增加（＜0.05），各干预组之间无显着性差异（＞0.05）。说明1、5、90 kDa KGM均能够显着改善高热能膳食诱导小鼠的空间工作记忆能力。

图2 不同分子质量KGM对小鼠Y迷宫实验结果的影响（n＝8）Fig. 2 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of Y maze test (n = 8)

2.4 不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠学习与认知能力的影响

水迷宫实验是一种让实验动物学习在水中寻找隐藏平台，并通过分析其寻找平台所用时间和所走路径判断其空间学习记忆能力的经典实验方法。为进一步研究不同分子质量KGM对模型小鼠学习与认知能力障碍的干预作用，进行了水迷宫实验。图3A表明各组小鼠之间的运动总路程存在一定的差异。与ND组相比较，HFFD模型组小鼠的总路程显着降低（＜0.05），与旷场试验结果相似。5、90 kDa KGM干预能够显着增加HFFD小鼠水迷宫实验的运动总路程（＜0.05），而1 kDa KGM和市售特级KJ30魔芋粉对HFFD小鼠水迷宫实验运动总路程总体上无显着性影响（＞0.05）。逃避潜伏期结果如图3B所示，相较于ND组，HFFD模型组小鼠的逃避潜伏期显着延长（＜0.05），而KGM干预不同程度地改善了这一现象，缩短了找到平台的时间。其中1 kDa KGM干预组显着缩短了小鼠的逃避潜伏期（＜0.05）；而5 kDa KGM和90 kDa KGM干预组及阳性对照组并未能显着改善这一情况（＞0.05）。之后，移掉平台进行空间探索实验，结果如图4所示，与ND组相比，HFFD模型组小鼠穿越原平台次数以及目标象限运动路程占总路程的比例显着降低（＜0.05），而1 kDa KGM干预能显着改善这一现象，5、90 kDa KGM干预组以及阳性对照组与HFFD模型组无显着性差异（＞0.05），结果与定位巡航实验一致。以上结果表明，膳食补充90 kDa KGM能够有效地改善由高热能膳食引起的小鼠活动量降低的现象，而1 kDa KGM显着改善了HFFD小鼠的学习与认知能力。

图3 不同分子质量KGM对小鼠水迷宫定位巡航实验结果的影响（n＝8）Fig. 3 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of water maze positioning navigation test (n = 8)

图4 不同分子质量KGM对小鼠水迷宫空间探索实验结果的影响（n＝8）Fig. 4 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on results of water maze spatial probe trial (n = 8)

2.5 不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠脑组织病理学的影响

为了探究饮食补充不同分子质量KGM对HFFD诱导的小鼠脑组织神经元损伤的影响，采用HE染色法观察小鼠海马和皮层区神经元细胞的形态与分布。如图5所示，ND组神经细胞排列紧密，层次清楚，细胞结构完整、细胞核清晰。3 组阴性对照组小鼠脑组织细胞形态与ND组相比无明显变化。HFFD模型组小鼠脑部神经元细胞排列松散紊乱，神经元消失或发生核固缩形态改变，部分神经细胞出现坏死，细胞间隔变大。相较于HFFD模型组，阳性对照组、不同分子质量KGM干预组，尤其是HFFD+1 kDa KGM组和HFFD+90 kDa KGM组有小部分神经细胞出现固缩变性坏死情况，大部分神经细胞结构完整、细胞核可辨，说明这些分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠海马区神经元的形态异常具有明显的干预作用。

2.6 不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠脑组织氧化应激状态的影响

长期高热能膳食会导致机体产生过多的自由基，造成机体氧化应激稳态失调。CAT是一种普遍存在于几乎所有生物体内的一种抗氧化酶，能够催化HO分解为水和氧气，从而使细胞免于HO损害。另外，GSH中含有1 个活泼的巯基（—SH），易被氧化脱氢，故GSH是体内主要的自由基清除剂，具有广谱解毒、延缓衰老、增强免疫力等多方面的生理功能。

为了探究不同分子质量KGM对高热能膳食诱导小鼠认知功能的影响是否与脑部氧化应激稳态相关，对小鼠脑组织中的CAT活力及GSH含量进行了检测。如图6所示，与ND组相比，HFFD模型组小鼠脑组织中GSH相对含量及CAT相对活力显着降低（＜0.05），分别为ND组的48.69%、52.94%，即HFFD明显造成了小鼠脑组织氧化应激状态紊乱。由图6A可知，与HFFD模型组小鼠相比，膳食补充1、90 kDa KGM及市售特级KJ30魔芋粉均能够显着提高HFFD小鼠脑组织中CAT相对活力（＜0.05），分别为139.8%、134.5%、133.9%，而补充5 kDa KGM的小鼠脑组织CAT活力与HFFD模型组不具有统计学意义（＞0.05）。不同分子质量KGM干预组及阳性对照组的CAT相对活力不具有显着性差异（＞0.05）。图6B结果显示，与HFFD模型组小鼠相比，90 kDa KGM干预组小鼠脑组织中GSH相对含量显着升高（＜0.05），而1、5 kDa KGM干预组以及阳性对照组小鼠脑组织中GSH相对含量均未见显着性变化（＞0.05）。

图5 各组小鼠脑组织病理学切片染色结果（200×）Fig. 5 Histomorphological images of brain tissues of mice in each group (200 ×)

图6 不同分子质量KGM对HFFD诱导小鼠脑组织氧化应激状态的影响（n＝8）Fig. 6 Effect of konjac glucomannan with different molecular masses on the oxidative stress state in the brain of mice induced by HFFD (n = 8)

3 讨 论

《“健康中国2030”规划纲要》中关于“引导合理膳食”部分，明确提出“重点解决微量营养素缺乏、部分人群高热能食物（油脂等）摄入过多等问题，逐步解决居民营养不足与过剩并存的问题”。过量膳食脂肪和精制糖的摄入被认为是代谢紊乱和认知功能障碍的一个重要危险因素。高脂高糖饮食导致的肥胖与学习、记忆表现障碍包括空间参考记忆、工作记忆、识别记忆和背景记忆下降等之间存在显着相关性，尤其是依赖于海马体和前额皮质的学习和记忆过程。研究发现，10～12 周高脂高糖膳食能够显着延长水迷宫实验中小鼠逃避潜伏期（＜0.05），减少穿越原平台的次数以及在原平台所在象限停留的时间及运动距离，表现出明显的学习记忆障碍。Arnold等发现小鼠经高脂膳食饲喂17 d后，脑部产生胰岛素抵抗现象，小鼠空间学习记忆能力明显受损。Calvo-Ochoa等发现高脂高糖膳食饲喂7 d就能够干扰大鼠脑内胰岛素信号通路，导致海马CA1区树突分支减少、树突棘数目降低，反应性星形胶质细胞数量增加。本研究结果表明，HFFD小鼠自发活动能力及学习记忆能力显着下降，脑部海马区神经细胞发生变性坏死，与文献报道一致。

近年来大量研究发现秋葵多糖、黄芪多糖、-葡聚糖等天然多糖可以显着改善高热能饮食诱导的小鼠体质量增加、炎症反应及认知功能障碍。魔芋是富含-葡甘露聚糖的优质膳食纤维，KGM由于具有较好的增稠作用、凝胶性和成膜作用广泛被添加于各类食品中。有研究表明KGM在抗肥胖、控制血糖和降低胆固醇等方面起着重要的作用，是一种治疗肥胖的潜在辅助剂。Arvill等通过对63 名健康男性进行双盲实验，发现每日摄入3.9 g KGM，4 周后血清总胆固醇水平降低10%，低密度脂蛋白水平降低7.2%，甘油三酯水平降低23%。Chen Haihong等通过高脂饮食和链脲佐菌素联合诱导建立2型糖尿病大鼠模型，发现80 mg/kg KGM可显着降低空腹血糖、血清胰岛素、胰高血糖素样肽1和血清糖化蛋白水平；KGM干预可显着降低大鼠血清总胆固醇、三酰基甘油、低密度脂蛋白胆固醇和非酯化脂肪酸的水平；此外，KGM对2型糖尿病大鼠的抗氧化能力、胰腺损伤和脂肪细胞肥大均有较明显的改善作用。本研究发现，不同分子质量的KGM能够改善HFFD小鼠自发活动能力及学习记忆能力。

活性物质的结构是其发挥功能特性的基础。天然多糖由于其高分子质量、高表观黏度、低水溶性、结构复杂等特点，很难通过组织屏障与细胞内部的受体结合，生物利用率低、构效关系不明确。通过降解而制备不同结构多糖的方法较为常见，主要包括酶降解法、物理降解法、化学降解法等。目前，降低KGM黏度的方法主要有酸法、碱法、酶法、超声法、辐射法等。Yin Junyi等采用内切-1,4-甘露聚糖酶将分子质量为823.4 kDa的KGM降解为147.2 kDa KGM和21.5 kDa KGM，通过比较发现，摄入21.5、147.2 kDa KGM可显着提高小鼠结肠内容物中SCFAs总浓度，而823.4 kDa KGM则能够显着增加盲肠内容物中SCFAs总浓度，这是由于具有更高分子质量的天然KGM黏度较高，在肠道中的移动较慢，可能对盲肠产生更显着的影响，而具有较低分子质量和较低黏度的147.2 kDa KGM和21.5 kDa KGM可以快速通过盲肠到达结肠，在结肠中发酵。本课题组前期对魔芋多糖的提取、纯化、结构鉴定及功能活性亦进行了大量有益探索，通过可控性降解制备大量低、中、高分子质量（1、5、90 kDa）可溶性KGM，并通过比较发现，90 kDa KGM能够显着降低小鼠体质量、附睾脂肪、皮下脂肪质量，下调低密度脂蛋白、甘油三酯、总胆固醇、瘦素和抵抗素水平，显着改善胰岛素抵抗，而5 kDa和1 kDa KGM对肥胖相关指数无统计学显着影响。本研究采用HFFD造模，旷场、Y迷宫、水迷宫等行为学实验结果表明不同分子质量KGM均能够显着改善高热能膳食诱导的小鼠工作记忆能力下降，且高分子质量（90 kDa）KGM可以有效地提高小鼠自发活动能力，而低分子质量（1 kDa）KGM可以有效地改善高热能膳食小鼠的学习记忆能力。由于血脑屏障的存在，脑组织内环境保持基本稳定。尤其是，由于脂蛋白介导的外周胆固醇向脑部的传输会被血脑屏障阻断，因此脑胆固醇只能够原位合成，且具有不同于外周组织的胆固醇调节机制。因此，不同分子质量KGM对认知功能的调节作用与脑部糖脂代谢稳态存在何种关系，需要进一步采用组学技术等进行深入分析研究。

氧化应激是机体正常氧化/还原动态平衡被打破，过多的自由基攻击蛋白质、脂质、DNA等生物大分子，导致细胞、组织以及器官功能紊乱，干扰正常生命活动的应激状态。另外，通过线粒体生物能和氧化代谢在体内不断产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）作为第二信使，激活核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB），与许多疾病的发生发展密切相关。由于存在大量不饱和脂肪酸和氧气，大脑组织高度敏感且容易受到氧化损伤。饲喂4 周高脂饮食后，小鼠海马区出现明显的氧化应激失调，并随暴露时间延长而加重；短期高脂饮食通过增强小鼠海马和皮层区的氧化应激，从而导致突触可塑性的改变，最终导致长期记忆损害。近年来大量体内外研究表明，枸杞、灵芝、黄芪等天然多糖能够通过促进神经突生长，调节NF-κB、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B、丝裂原活化蛋白激酶、Nrf2/HO-1信号通路等途径发挥脑部营养功能。Huang Hualiang等通过体内实验发现，苦瓜多糖能够显着提高小鼠血清、肝脏和脑中抗氧化酶超氧化物歧化酶和CAT活力，并在一定程度上降低血清、肝脏和脑中脂质过氧化产物丙二醛含量。Han Yanqiu等研究发现桦褐孔菌胞内多糖补充8 周后，APP/PS1小鼠脑中抗氧化应激中枢调控因子Nrf2及其下游抗氧化蛋白HO-1和超氧化物歧化酶-1的表达显着上调，且β-淀粉样蛋白沉积和Tau蛋白过度磷酸化导致的神经原纤维缠结明显减少。本研究发现高分子质量（90 kDa）KGM能显着地提高小鼠脑组织中GSH含量，低分子质量（1 kDa）KGM能显着地提高CAT活力，证明了脑部氧化应激稳态调节可能是不同分子质量KGM发挥脑部营养功能的作用机制之一，其作用靶点、上下游信号通路及差异化分子机制有待进一步深入探究。

之前的研究发现一些低分子质量（1 300～2 200 Da）的低聚糖可以进入中枢神经系统。低聚糖能否通过血脑屏障取决于其分子质量大小，其转运过程与葡萄糖转运体1相关。Hiroki等将生物利用率较低的姜黄素进行糖基化修饰，发现姜黄素寡糖能够顺利穿过小鼠血脑屏障进入脑组织。由相同的双糖单位组成、带相似电荷但相对分子质量更小的低分子肝素衍生物已被用于临床治疗阿尔茨海默病等神经障碍性疾病。其中分子质量为（2 000±200）Da的肝素衍生低聚糖C3可能穿透血脑屏障而分布于脑及脑脊液中。Xu Ting等发现水溶性人参寡糖（分子质量为365～2 310 Da）可通过降低海马区白细胞介素-1β、白细胞介素-6的表达和星形胶质细胞的活化而对东莨菪碱诱导的认知障碍有保护作用。1 kDa KGM可能能够穿过血脑屏障，改善脑部氧化应激状态，从而改善高热能膳食小鼠的学习记忆能力；而90 kDa KGM由于分子质量过大，无法穿过血脑屏障，其对小鼠自发活动能力的影响可能与其体质量调节作用有关，其具体机制亟待进一步研究与验证。

普遍认为，由于机体缺乏多糖水解酶，经口服给予的多糖大多数均无法被人体直接消化吸收，而在大肠定植的肠道菌群的作用下，这些多糖被降解为寡糖，直至最终被代谢为短链脂肪酸；于此同时，多糖能够提高肠道菌群的多样性，增加有益菌的丰度，降低有害菌的丰度，从而改善机体健康状态。方洁通过16S rRNA分析发现膳食补充不同分子质量KGM后小鼠肠道菌群组成和结构存在差异：1 kDa KGM和90 kDa KGM干预后肥胖小鼠肠道内紫单胞菌科（Porphyromonadaceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、疣微菌科（Verrucomicrobiaceae）、普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、螺杆菌科（Helicobacteraceae）丰度增加；而5 kDa KGM干预后小鼠肠道菌群丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、螺杆菌科（Helicobacteraceae）、双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）丰度明显增加。不同分子质量的KGM对认知功能的差异化干预作用是否依赖于其对肠道菌群的调节，不同种类和比例的代谢终产物SCFAs是否介导KGM对认知及脑功能的干预，以及KGM基于脑-肠轴的脑部营养作用机制均有待进一步深入研究。