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FMH丨中国药科大学陈贵堂教授课题组:从藜麦种子中筛选潜在的α-葡萄糖苷酶抑制剂并优化提取工艺

已有 546 次阅读 2024-6-17 16:48 |个人分类:药食同源(英文)|系统分类:论文交流

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Introduction

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)是一年生藜科藜属草本植物。藜麦被国家研究理事会和国家航空航天局(NASA)评价为具有优良营养特性的“超级食物”,是一种高蛋白、低热量、活性物质丰富的碱性食品。藜麦作为一种“天然功能性食品”,富含许多促进健康的物质,可以帮助预防癌症、炎症、高血糖和高血脂等疾病的发生,并具有减肥、助消化、抗衰老等功效。藜麦中含有丰富的生物活性成分,其中多酚类物质较多,大量研究表明多酚可抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性。

中国药科大学工学院陈贵堂教授课题组对三种颜色(黑、红、白)藜麦天然产物进行充分挖掘,寻找其具有降血糖作用的生物活性成分,通过相关性分析,主成分分析以及聚类分析得知黑藜麦粗多酚(BQCP)是发挥主要降血糖作用的生物活性成分,随后进行了单因素实验和正交实验对提取工艺进行优化。并对大量提取的BQCP进行富集纯化得黑藜麦多酚(BQP),通过酶动力学抑制实验测定了BQP对α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的半抑制率证实了BQP对高血糖的潜在治疗能力。该研究结果为不同种藜麦中生物活性成分的提取利用和功能研究奠定了研究基础,为开发藜麦作为功能性食品和营养补充剂提供参考,帮助人们控制餐后血糖水平,预防糖尿病的发生。

Result and Discussion

1.藜麦不同溶剂提取物中活性成分含量测定

将黑藜麦粉(BQ)、红藜麦粉(RQ)和白藜麦粉(WQ)分别与不同溶剂混合,得到各溶剂提取物:甲醇提取物(ME)、乙醇提取物(EE)、丙酮提取物(AE)、水提取物(WE)、乙酸乙酯提取物(EAE)、氯仿提取物(CE)、乙醚提取物(EtE)、70%甲醇提取物(70%ME)、70%乙醇提取物(70%EE)、70%丙酮提取物(70%AE),并测定其活性成分含量,结果如图1A-D所示。从溶剂的角度来看,水和70%丙酮作为提取溶剂时,对于藜麦多酚的提取效果较好。由于多糖仅溶于水,因此本实验中仅用水对3种藜麦进行提取,测得藜麦提取物中的总多糖含量(TPSC)如图1E所示。

2.各溶剂提取物对α-葡萄糖苷酶的抑制率

如图1F所示,BQ提取物中,WE和70%AE对α-葡萄糖苷酶的抑制作用最强,其次是ME和70%ME。RQ提取物中是70%AE对α-葡萄糖苷酶的抑制效果最好,其次是WE。对于白藜麦而言,ME、EE和70%AE对α-葡萄糖苷酶的抑制作用较强,且3种提取物之间无显著性差异。

从图1F可以看出,三种藜麦的每种提取物都表现出不同程度的α-葡萄糖苷酶抑制。BQ、RQ和WQ的WE、70%ME、70%EE、70%AE、ME、EE和AE的α-葡萄糖苷酶抑制能力均显著强于CE、EtE和EAE,说明由强极性溶剂提取得到的藜麦提取物对α-葡萄糖苷酶的抑制作用贡献更大。甲醇和水作为强极性溶剂,对于多酚和黄酮类等活性成分的提取通常更有效。本研究中,藜麦WE中的TPC最高,但藜麦多酚含量与其α-葡萄糖苷酶抑制活性的相关性有待进一步分析。

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图1三种藜麦溶剂提取物中总多酚(A)、黄酮(B)、皂苷(C)、生物碱(D)和多糖(E)的含量以及对α-葡萄糖苷酶的抑制率(F)。均数±标准差,n = 3。不同字母表示(P <0.05)样品间含量的差异。(BQ:黑藜麦;WQ:白藜麦;RQ:红藜麦;ME:甲醇提取物;EE:乙醇提取物;AE:丙酮提取物;WE:水提取物;EAE:乙酸乙酯提取物;CE:氯仿提取物;EtE:乙醚提取物)

3.相关性分析

在图2A-C中,发现BQ的α-葡萄糖苷酶活性抑制能力相关性最强的活性成分是多酚(=0.91,P <0.001),其次是黄酮(r =0.84,P <0.001)。多酚同时也是RQ中发挥主要α-葡萄糖苷酶抑制能力的活性成分(r =0.86,P <0.001),其次是黄酮(=0.68,P <0.05)。不同于BQ和RQ,多酚与WQ的α-葡萄糖苷酶抑制能力没有显著的相关性(<0.05)。虽然WQ的多酚高于BQ和RQ,但其α-葡萄糖苷酶抑制能力与其多酚无关。

4.主成分分析及聚类分析

对30种样品的TPC、TFC、TSC、TAC、TPSC与它们的α-葡萄糖苷酶活性抑制能力进行了PCA和聚类分析,如图2D-E。结合前面的相关性分析结果来看,黑藜麦多酚组分与α-葡萄糖苷酶的活性抑制能力相关性最强,PCA和聚类分析结果对此进行了验证。此外在将10种溶剂提取物的结果进行对比分析后发现,水溶液是黑藜麦多酚的最佳提取溶剂。

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图2黑藜麦(A)、红藜麦(B)和白藜麦(C)中多酚(TPC)、类黄酮(TFC)、皂苷(TSC)、生物碱(TAC)、多糖(TPSC)的总含量与α-葡萄糖苷酶抑制能力(α-glu)之间的相关性分析。主成分(D)和聚类分析结果(E)。(1:甲醇提取物,2:乙醇提取物,3:丙酮提取物,4:70%甲醇提取物,5:70%乙醇提取物,6:70%丙酮提取物,7:乙酸乙酯提取物,8:氯仿提取物,9:水提取物,10:乙醚提取物)

5.BQ多酚超声萃取工艺优化

根据单因素影响实验的结果(如图3A-D),选取料液比、超声温度、超声时间和超声功率4个影响因素,对4个因素的最佳3水平(表1),进行了后续的多酚提取正交优化实验。数据分析可知(表2和表3),料液比是影响BQCP提取量的最主要因素,提取温度对BQCP的提取量影响最小。各因素影响力的强弱为A(料液比)> C(超声时间)> D(超声功率)> B(超声温度)。从直观分析结果可知,多酚的最佳提取工艺为A3B1C2D2,即固体/溶剂比为1:70 g/mL,提取温度为45 ℃,超声时间为30 min,超声功率为500 W。按照最佳提取工艺条件,重复实验,测得其最高提取量为(5.148 ± 0.066)mg/g,与正交试验结果相近。此外测得,粗提物得率为(21.07 ± 0.71)%。

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图3多酚提取的单因素实验结果

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6.大孔树脂对藜麦粗多酚的纯化富集

通过纯化富集得到的藜麦多酚纯度为132.98 mg/g,相比于与上柱前的样品(17.06 mg/g),纯度大大提高,此外测得粗多酚经纯化后的得率为(10.34 ± 0.24)%。

7.BQP对α-葡萄糖苷酶及α-淀粉酶的抑制作用

为了进一步证明黑藜麦多酚的降糖作用,测定了经纯化富集后得到的BQP对于α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性抑制作用,并与BQCP、阿卡波糖做了对比研究。由结果来看(表4),BQP对于α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性抑制作用均呈剂量依赖型。由表4可知,BQP对α-葡萄糖苷酶的抑制作用的IC50值为0.94 mg/mL,与阿卡波糖(IC50=0.8 mg/mL)相比,无显著性差异(P >0.05)。BQP对于α-葡萄糖苷酶的活性抑制能力相较于粗提物(IC50=12.92 mg/mL),抑制能力大大提升(P <0.01)。BQP对α-淀粉酶的抑制作用的IC50值为3.48 mg/mL,与粗提取(IC50=17.76 mg/mL)相比,抑制能力明显增强(P <0.01),与药物阿卡波糖(IC50=1.14 mg/mL)相比抑制能力会较弱一点。但由于阿卡波糖具有一定的副作用,因此作为天然产物的藜麦可能更具有优势。

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Conclusion

本研究表明,藜麦是α-葡萄糖苷酶抑制剂的潜在天然来源,其多酚和类黄酮对α-葡萄糖苷酶活性具有一定的抑制作用。本研究对比分析表明,黑藜麦水提物中的多酚是抑制α-葡萄糖苷酶活性的主要贡献组分,黑藜麦水提物中的多酚对α-淀粉酶活性也有一定的抑制作用。本研究结果可为开发藜麦作为功能性食品和营养补充剂提供参考,帮助人们控制餐后血糖水平,预防糖尿病的发生。作为一种天然产品,藜麦副作用少,安全性更高,比阿卡波糖等合成药物更具优势。

About the Author

第一作者:

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郑瑞丽,女,汉族,中国药科大学工学院制药工程学在读硕士,主要研究方向为食品营养以及药食同源中活性物质的相关研究。

共一作者:

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王洁,女,汉族,中国药科大学工学院生物与医药专业硕士研究生,主要研究方向为食品与营养学。

通讯作者:

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陈贵堂,男,中国药科大学食品营养与安全系/国家中药材加工技术研发专业中心教授,博士生导师。毕业于中国农业大学食品科学与营养工程学院,工学博士学位,美国罗格斯大学访问学者,入选江苏省“双创计划”科技副总。担任中国健康管理协会植物营养与健康分会理事,Food Science and Human Wellness编委。主要研究食品及药食同源品材料中生物活性物质的药理活性与保健作用机理,尤其是功能成分与人类慢性疾病的关系,采用先进的物理、化学和生物学技术,研究功能性成分的高效分离和富集、活性保持和增效,为医药、特医食品开发提供各种功能因子。在国内外期刊上发表科研论文100多篇,获授权专利10余项。



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