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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
6、芦丁和槲皮素对淀粉消化酶联合抑制作用的评价
结 论
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 Chemistry、International 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。