上海应用技术大学周一鸣教授等:苦荞中芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的抑制能力

2022-12-12作者:来源:食品科学杂志责任编辑:食品界 字体A+AA-


随着人们生活质量的改善和医疗水平的提高,全球平均健康预期寿命稳定增长。然而,糖尿病等代谢类疾病发生率出现惊人的增长,已成为许多国家的重大公共卫生问题。苦荞因其高营养和药用价值已显示出良好的市场潜力。研究发现,苦荞富含淀粉,尤其是抗性淀粉,可以作为糖尿病患者的理想食物。同时,苦荞中含有较丰富的黄酮类化合物,包括芦丁、槲皮素、山柰酚等成分,是降血糖的主要功能因子,其中芦丁是苦荞黄酮的主要成分,占黄酮类化合物的70%以上。

苦荞中黄酮对淀粉消化酶抑制作用的研究往往局限于单独抑制,而缺乏对联合抑制作用的探讨,因此上海应用技术大学香料香精技术与工程学院的周一鸣、马思佳、周小理*等通过模拟苦荞淀粉体外消化体系,探讨苦荞中的主要黄酮(芦丁和槲皮素)对淀粉消化酶的单独抑制效果和机制,以及同时存在时对淀粉消化酶活性的抑制作用,为苦荞产品的深加工提供一定理论基础,以期为调控苦荞的功能性,最大化苦荞的降血糖效果指引方向。


1、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的单独抑制能力

由图1A可知,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶的IC50值分别为0.36 mg/mL和0.22 mg/mL;由图1B可知,芦丁和槲皮素对α-葡萄糖苷酶的IC50值分别为1.3 mg/mL和0.362 mg/mL。槲皮素比芦丁具有更强的抑制能力,是由于槲皮素C环上的羟基被一个糖基取代变为芦丁,羟自由基转变为糖基可能会发生空间位阻,削弱芦丁与酶的结合作用,从而降低芦丁的抑制能力。


2、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的抑制动力学分析


由图2可知,不同质量浓度的芦丁和槲皮素都能得到一条通过原点的直线,且斜率随着质量浓度的增加而减小。由此可知,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶都属于可逆性抑制作用。


如图3A和C所示,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶抑制的双倒数曲线,所有直线与纵轴相交,随着芦丁和槲皮素质量浓度的增加,Km值不断增加而v最大值保持不变。因此芦丁和槲皮素对α-淀粉酶属于竞争性抑制,通过与α-淀粉酶的活性中心结合,占据底物的结合位点,从而抑制底物的水解。根据竞争性抑制公式可以计算出芦丁和槲皮素对α-淀粉酶的Ki值分别为806.29、793.92 μg/mL,说明槲皮素与α-淀粉酶的结合更牢固,具有更强的抑制效果,与2.1节中槲皮素对α-淀粉酶的抑制能力强于芦丁的实验结果一致。

如图3B所示,所有直线都相交于第3象限,Km值和v最大同时减小,表明芦丁对α-葡萄糖苷酶属于非竞争性和反竞争性的混合型抑制,其中,Ki值为9.61 μmol/L,Kis值为3.38 μmol/L,说明芦丁更倾向于与酶-底物复合物结合。如图3D所示,所有直线都相交于第2象限,Km值逐渐升高,同时v最大逐渐降低,表明槲皮素对α-葡萄糖苷酶为竞争性和非竞争性的混合型抑制,Ki值为3.72 μmol/L,Kis值为9.74 μmol/L,说明槲皮素更倾向于与游离的α-葡萄糖苷酶结合。


3、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的荧光光谱分析


如图4A和B所示,随着芦丁浓度的增加,α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的λmax分别从340 nm移动到335 nm和332 nm;如图4C和D所示,随着槲皮素浓度的增加,α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的λmax分别从342 nm和340 nm移动至338 nm。这种现象表明芦丁和槲皮素与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶之间存在相互作用,导致氨基酸残基逐渐暴露在水溶液中,所处环境极性降低。

4、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的结合性质分析


由图5可知,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的Stern-Volmer曲线均具有良好的线性关系。由表1可知,随着温度的升高,芦丁对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的Ksv值分别降低了2.58×104 L/mol和1.97×104 L/mol,槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的Ksv值分别降低了1.60×104 L/mol和2.12×104 L/mol;Ksv值均随着温度的升高而降低,且Kq值为1013和1012数量级,远大于生物大分子的最大散射碰撞猝灭常数2.0×1010 L/(mol·s),说明芦丁和槲皮素与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均通过形成复合物的方式发生静态猝灭。

由图6可知,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶相互作用的双对数曲线图均具有良好的线性关系,利用拟合直线的斜率和截距,并结合静态猝灭公式,由此可以计算得到Ka值和n。如表1所示,槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的Ka值均高于芦丁,说明槲皮素与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的结合力更强;芦丁和槲皮素对α-淀粉酶的Ka值高于α-葡萄糖苷酶,说明芦丁和槲皮素对α-淀粉酶具有更强的结合力。此外,n值近似于1,表明芦丁和槲皮素在α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶上只存在一个(或一类)结合位点。

如表1所示,ΔG均为负值,表明芦丁和槲皮素与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的结合是一种自发的过程。芦丁和槲皮素与α-淀粉酶反应时,ΔH均为负值,ΔS均为正值,表明这种结合是熵驱动的放热过程,疏水相互作用力和氢键是芦丁和槲皮素与α-淀粉酶复合物稳定的主要驱动力。芦丁和槲皮素与α-葡萄糖苷酶反应时,ΔH和ΔS均为负值,表明主要驱动力是氢键。


5、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的联合抑制作用

如图7所示,芦丁和槲皮素联合使用对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均具有抑制效果。在相同质量浓度下,芦丁和槲皮素联合作用优于单独抑制的效果,且抑制率随着二者联合质量浓度的增加而逐渐升高。二者浓度比为1.64∶8.2时对α-淀粉酶抑制能力最强,IC50值为0.055 mg/mL;二者浓度比为3.6∶18时对α-葡萄糖苷酶抑制能力最强,IC50值为0.091 mg/mL。结果表明,芦丁和槲皮素联合使用时均能够提高对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制效果,且槲皮素较多时,抑制作用更强。


6、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶联合抑制作用的评价


由图8A可知,3 种浓度比下的剂量对均位于等效线的下方,CI值分别为0.20、0.22和0.24,均小于1,表明芦丁和槲皮素联合使用对α-淀粉酶表现出协同抑制的作用。其中,芦丁和槲皮素浓度比为7∶1时CI值最小,具有更好地协同抑制效果,这可能是由于α-淀粉酶上有多个活性位点,芦丁和槲皮素能够与α-淀粉酶的不同氨基酸残基发生特异性结合,联合使用时优势互补,增加了黄酮-酶复合物的稳定性。
由图8B可知,3 种浓度比下的剂量对均位于等效线的下方,CI值分别为0.41、0.36和0.22,均小于1。表明芦丁和槲皮素联合使用时对α-葡萄糖苷酶表现出协同抑制的作用。其中,芦丁和槲皮素浓度比为3.6∶18时CI值最小,具有更好的协同抑制效果,这可能是由于芦丁和槲皮素都能够非竞争性抑制α-葡萄糖苷酶活性,与α-葡萄糖苷酶的非竞争性位点结合,增强了协同抑制作用。


结 论

通过探究苦荞中黄酮的主要成分芦丁和槲皮素单独使用和联合使用的抑制效果,结合抑制动力学、荧光光谱法,更加精准和全面地分析苦荞中芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的影响。主要研究结果表明,芦丁和槲皮素对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶都具有剂量依赖性的抑制,且对两种淀粉消化酶的抑制效果皆为槲皮素优于芦丁。芦丁和槲皮素对α-淀粉酶的IC50值分别为0.36 mg/mL和0.22 mg/mL,对α-葡萄糖苷酶的IC50值分别为1.30 mg/mL和0.362 mg/mL。二者对α-淀粉酶的抑制效果强于α-葡萄糖苷酶。进一步判断抑制机理可知,芦丁和槲皮素与α-淀粉酶以疏水相互作用力和氢键结合,竞争性抑制酶的活性,且槲皮素与α-淀粉酶的结合能力更强,能起到更好的抑制效果;对α-葡萄糖苷酶均为通过氢键结合的混合型抑制。同时,二者与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的结合只存在一个(或一类)作用位点。将芦丁和槲皮素按照不同比例联合使用可以增强两者单用时的抑制能力,并且对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶都具有协同抑制的作用,当二者浓度比为7∶1和3.6∶18时,对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的CI值分别达到0.20和0.22,具有最佳的协同抑制效果。

第一作者介绍

周一鸣,男,博士,教 授,硕士研究生导师,上海应用技术大学 香料香精技术与工程学院 食品科学与工程系主任。上海市青年五四奖章获得者。现任上海应用技术大学食品科学与工程系主任,上海食品学会副秘书长。主要研究方向为食品新资源的深度开发与功能食品开发。近年来,主持国家自然科学基金青年基金项目、上海市自然科学基金项目、联盟计划项目及企业横向研究项目10余项,发表各类学术论文近50篇,其中Food ChemistryInternational Journal of Biological Macromolecules等三大检索20篇,申请国家发明专利40项,已授权20项。


本文《苦荞中芦丁和槲皮素对淀粉消化酶的抑制能力》来源于《食品科学》2022年43卷18期30-37页,作者:周一鸣,马思佳,蒋晴怡,周小理,李云龙。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210820-256。点击 https://www.spkx.net.cn/article/2022/1002-6630/2022-43-18-005.html 即可查看文章相关信息。