趙嬌嬌 司茜媛 張琨霖 劉歡歡 郭慶彬 王昌祿 梁宏和 蔣愛民 李貞景
(1.天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300457;2.天津科技大學(xué) 食品營養(yǎng)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300457;3.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所, 廣西 南寧 530001;4.桂林原心達(dá)生物科技有限公司, 廣西 桂林 541000)
燕麥β-葡聚糖(oats β- glucan,OG)是一種葡萄糖的同聚物,具有抗氧化、降膽固醇、降血脂、抗病毒等多種生物活性[1-3]。 近年來,有關(guān)OG 延緩衰老的研究逐漸引起人們的關(guān)注。 研究表明,OG 可通過抑制脂質(zhì)過氧化、提高機(jī)體的抗氧化能力達(dá)到延緩衰老的作用[4]。 此外,OG 因具有較簡單的糖單元結(jié)構(gòu),呈線性并具有親水基團(tuán),因此易與多酚交聯(lián)從而加強(qiáng)其抗氧化活性[5-6]。
槲皮素(quercetin,QE)是最豐富的黃酮類化合物之一,作為天然抗氧化劑在食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)有廣泛的用途[7]。 研究表明,QE 具有促進(jìn)細(xì)胞自我更新和分化的特性,可減輕人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老[8],被認(rèn)為是一種抗早衰的藥物。 盡管大量文獻(xiàn)報道QE 抗氧化活性顯著,但因溶解度低、提取過程中易流失,從而導(dǎo)致其生物利用度較低,因此在臨床應(yīng)用上受到限制。
天然糖酚復(fù)合物存在于多種植物中,目前已有從小球藻、馬尾藻、紫菜、冷杉藻、迷迭香、百里香和馬鞭草等植物中提取出高抗氧化活性糖酚物質(zhì)的報道[9-11]。 在糖酚的制備方面,殼聚糖和原花青素可通過自由基誘導(dǎo)制備出穩(wěn)定性高、抗氧化活性好的糖酚復(fù)合物[12];在應(yīng)用方面,利用漿果多酚-黑木耳多糖復(fù)合物開發(fā)出的復(fù)合果汁飲料具有良好的抗氧化功能[13]。
此外,糖、酚作為人類食物的主要成分之一,在腸胃的消化過程中,兩者極易形成復(fù)合物,但有關(guān)糖酚復(fù)合物的研究相對較少,導(dǎo)致對糖酚復(fù)合物的形成機(jī)制、消化特性和生物活性知之甚少。 多酚在胃的酸性環(huán)境中是穩(wěn)定的,但在小腸的中性和弱堿性環(huán)境下會被降解。 多糖可包裹多酚,有效保護(hù)多酚在堿性條件下不被降解,并在腸液中緩慢而持久地釋放。 研究表明,糖酚交聯(lián)為復(fù)合物后,可減少多酚在腸道環(huán)境中的降解,提高多酚在小腸中的滲透,甚至增加多酚在血液中的含量[14]。 因此,亟需加強(qiáng)糖酚復(fù)合物的有關(guān)基礎(chǔ)研究。
秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans(C. elegans)結(jié)構(gòu)簡單、培養(yǎng)方便,是進(jìn)行抗氧化、抗衰老研究最理想的模式生物之一。 目前尚未見到有利用秀麗隱桿線蟲研究糖酚互作的報道。
本研究以O(shè)G 和QE 為原料,通過自由基催化、氫鍵吸附的方法分別制備燕麥β-葡聚糖-槲皮素共價復(fù)合物(COGQ)與非共價復(fù)合物(NOGQ),研究其結(jié)構(gòu)性質(zhì)及對秀麗隱桿線蟲壽命的影響,以期為糖酚復(fù)合物的制備及新型食品抗氧化劑的開發(fā)提供參考和借鑒。
燕麥 β-葡 聚 糖(AR 80%), 分 子 質(zhì) 量 為350 kDa,購于山東佰興生物科技有限公司,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室醇沉純化至AR 92%;槲皮素(AR 98%),購于上海生工生物有限公司;N2 野生型秀麗隱桿線蟲與OP50 型大腸桿菌,天津科技大學(xué)保藏;無水乙醇、苯酚、透析袋、H2SO4、NaNO3、CH3OH、二甲基亞砜、NaCl、MgSO4、CaCl2,天津江天化工技術(shù)股份有限公司;膽固醇、抗壞血酸、蛋白胨,生工生物工程(上海)股份有限公司;5-氟尿嘧啶(5-FU),阿拉丁試劑(上海)有限公司。 實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。
PIVC 2-25 plus 型真空濃縮儀,德國Christ 公司;ITC 200 型等溫滴定量熱儀、IS 50 型傅里葉紅外光譜儀,日本尼高利公司;Infinite 200 PRO 型酶標(biāo)儀,瑞士TECAN 公司;Bruker Avance NEO 型核磁共振波譜儀,布魯克(北京)科技有限公司;Q 50 型熱重分析儀,美國TA 儀器公司;SU 1510 型掃描電子顯微鏡,天美(中國)科學(xué)儀器有限公司;HN-150Y 型超聲波破碎細(xì)胞儀,濟(jì)南童鑫生物科技有限公司。
1.3.1 OG 的純化與總糖含量測定
取1.0 g OG 溶于10.0 mL 蒸餾水,濃縮至1.0 mL,緩慢加入1.5 mL 無水乙醇,4 ℃冷藏24 h,6000 r/min離心,收集上清液,旋蒸回收乙醇,凍干后4 ℃保存。 按苯酚-硫酸法[15]測定OG 總糖含量。
1.3.2 NOGQ 的制備
OG 可通過氫鍵、疏水作用、范德華力等與QE結(jié)合,形成具有特異性強(qiáng)、可逆的NOGQ。 QE 酚羥基上的氫和葡聚糖醚鍵上的氧原子之間形成氫鍵,苯環(huán)作為交聯(lián)葡聚糖凝膠羥基的電子供體[16],使OG 形成包封QE 的結(jié)構(gòu)從而形成NOGQ。
配制25 mg/mL OG 溶液,60 ℃磁力攪拌4 h 后,置于超聲破碎細(xì)胞儀(18 kHz,600 W,每循環(huán)處理3 s,間歇2 s,共20 個循環(huán))降分子質(zhì)量。 利用DMSO助溶配制0.5 mg/mL QE 溶液。 將配好的OG 與QE 溶液置于超濾管,6000 r/min,20 ℃離心10 min,內(nèi)管中沉淀即為NOGQ,凍干后,4 ℃保藏備用。
1.3.3 COGQ 的制備
OG 可通過自由基誘導(dǎo)、酶促和碳二亞胺交聯(lián)等方法與QE 發(fā)生共價相互作用[17]。 QE 通過氧化作用生成醌,進(jìn)而與OG 分子間發(fā)生希夫堿反應(yīng)或邁克爾加成反應(yīng)[18],最終生成COGQ。
稱取1.0 g OG 溶于100.0 mL 超純水,加入4.0 mL 25 μg/mL 抗壞血酸溶液,磁力攪拌30 min,加入物質(zhì)的量比為0.1∶1.0 的QE(nQE∶nOG=1.0∶0.1),磁力攪拌24 h,8000 r/min離心10 min,保留沉淀,蒸餾水透析72 h,去除多余的QE,得到COGQ,凍干后,4 ℃保藏備用。
1.3.4 復(fù)合物相對分子質(zhì)量的測定
采用高效排阻色譜(high performance size exclusion chromatography,HPSEC) 法測 定OG、NOGQ、COGQ 的相對分子質(zhì)量,條件為:流動相為0.15 mol/L NaNO3溶液,流速為0.6 mL/min,檢測溫度為40 ℃,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出相對分子質(zhì)量[19]。
1.3.5 復(fù)合物特殊官能團(tuán)的分析
準(zhǔn)確稱量樣品1.0 mg 和干燥的150.0 mg KBr,均勻混合后充分研磨,使用壓片機(jī)在30 MPa 下保持30 s,得到透明狀薄片后,進(jìn)行背景掃描去除干擾,在400 ~4000 cm-1進(jìn)行32 次掃描得到紅外光譜圖[20]。
1.3.6 復(fù)合物糖苷鍵的分析
準(zhǔn)確稱量樣品40.0 mg 溶于1 mL 重水(D2O),反復(fù)凍融3 次溶解于核磁管,利用500 MHz 核磁共振波譜儀,在25 ℃記錄1H-NMR[21]。
1.3.7 復(fù)合物結(jié)合比的測定
配制OG 溶液1 mg/mL,QE 溶液10 mg/mL,使用等溫滴定量熱儀測定熱量變化曲線[22]。
1.3.8 復(fù)合物熱降解特性的分析
準(zhǔn)確稱量樣品5.0 mg,置于氧化鋁樣品盤,氮?dú)庾鳛檩d氣,30 mL/min,25 ~600 ℃,10 ℃/min,根據(jù)時間和溫度的函數(shù),跟蹤加熱后剩余固體的質(zhì)量,得到失重曲線[23]。
1.3.9 樣品微觀結(jié)構(gòu)的觀察
取少量樣品均勻分散于粘有導(dǎo)電雙面膠的樣品臺上,洗耳球吹走多余樣品后,放入離子濺射鍍膜儀中,在真空環(huán)境中做噴金處理后,放入樣品室觀察不同放大倍數(shù)下樣品的微觀結(jié)構(gòu)。
1.3.10 線蟲壽命實(shí)驗(yàn)
用N2 野生型秀麗隱桿線蟲研究壽命,以尿嘧啶缺陷型大腸桿菌(E. coliOP50)作為線蟲食物,培養(yǎng)于線蟲生長培養(yǎng)基(nematode growth medium,NGM)上。 將同期化至L4 期線蟲挑至含有OP50 的NGM 上(含12.5 mg/L 5-FU),隨機(jī)分為4 組,分別為OG 組、QE 組、COGQ 組、NOGQ 組,每組3 板,每板40 條。 每日將活線蟲轉(zhuǎn)移至新培養(yǎng)基,記錄壽命,直到線蟲全部死亡。 若挑針觸動線蟲無反應(yīng),則認(rèn)為死亡,若線蟲爬到培養(yǎng)皿壁干死,則從總數(shù)中剔除。 實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次并做壽命曲線。
1.3.11 線蟲氧化應(yīng)激實(shí)驗(yàn)
將同期化至L4 期線蟲挑至含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%過氧化氫的NGM 平板,每隔0.5 h 統(tǒng)計一次壽命,直到線蟲全部死亡。 其他條件同壽命實(shí)驗(yàn)。
1.3.12 線蟲抗氧化酶活性的測定
收集同期化至L4 期的線蟲,培養(yǎng)方法同壽命實(shí)驗(yàn),5 d 后用PBS 沖洗線蟲至EP 管,每管約2000 條,反復(fù)洗滌3 次后,再次加入200 μL PBS,于冰上勻漿,離心后取上清液。 根據(jù)試劑盒方法測定超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。
采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 26軟件做差異顯著性分析。 所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用Origin 2019 軟件繪圖。
2.1.1 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物相對分子質(zhì)量分布的影響
按照1.3.4 方法測定復(fù)合物相對分子質(zhì)量分布情況。 以葡聚糖相對分子質(zhì)量1 萬、4 萬、7 萬、50 萬Da 作為標(biāo)準(zhǔn)品,得到葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y= -0.4616x+11.522,R2=0.979。 以保留時間為橫坐標(biāo),信號值為縱坐標(biāo),得到復(fù)合物的高效排阻色譜,見圖1。 由圖1 可知,OG 組、NOGQ 組、COGQ 組的保留時間分別為17.264、 17.282、17.394 min,計算出相對分子質(zhì)量分別為355、354、349 kDa。 復(fù)合物形成后,其表面的羥基與水形成剛性結(jié)構(gòu),內(nèi)部只是形成疏水空腔或間隙[24],并未改變其他結(jié)構(gòu),因而其相對分子質(zhì)量變化不大。
圖1 復(fù)合物的高效排阻色譜Fig.1 HPSEC of composites
2.1.2 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物特殊官能團(tuán)的影響
利用紅外光譜技術(shù),將已知官能團(tuán)出現(xiàn)的吸收峰與未知化合物的吸收峰作比較。 復(fù)合物的紅外光譜(FI-IR)分析結(jié)果見圖2。 由圖2 可知,OG 和QE的FT-IR 譜圖有典型特征峰,這些峰在COGQ 和NOGQ 的光譜中也存在。 OG 中1660 cm-1處的吸收峰為 ==C O 的伸縮振動,在1243 cm-1處的吸收峰為C—O—C 的伸縮振動。 QE 中1562 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)骨架的 ==C C 伸縮振動。 COGQ 與NOGQ 在1660 cm-1處具有屬于OG 的 ==C O 的伸縮振動,在1243 cm-1處具有屬于OG 的C—O—C的伸縮振動,在1562 cm-1處具有屬于QE 的苯環(huán)骨架的 ==C C 伸縮振動。 另外,NOGQ 與COGQ 相比,在3000 cm-1處具有不飽和C—H 伸縮振動。 QE 在1000 ~1700 cm-1處存在強(qiáng)烈的吸收峰,而OG、COGQ、NOGQ 沒有明顯的峰,表明這3 種物質(zhì)此時是無定型狀態(tài)。 復(fù)合物中具有屬于OG 的羰基和醚鍵,也具有屬于QE 的苯環(huán)骨架,且QE 中強(qiáng)烈的吸收峰在COGQ、NOGQ 包封QE 后信號減弱,可能由于部分相關(guān)基團(tuán)消失,表明OG 與QE 存在化學(xué)鍵交聯(lián)。
圖2 復(fù)合物的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectra of composites
2.1.3 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物糖苷鍵的影響
1H-NMR 可識別多糖結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵構(gòu)型,由于OG 中的質(zhì)子和復(fù)合物中的芳香氫、活潑的—OH基團(tuán)質(zhì)子在溶劑中易受到去屏蔽影響和各向異性效應(yīng)的影響[25],因此通過重水交換,可去除其他氫信號的干擾。 復(fù)合物的核磁共振波譜見圖3。 由圖3(a)可知,OG 的異頭氫信號集中在化學(xué)位移4.5 ~5.5 處,QE 在化學(xué)位移6.5 ~8.5 處有明顯的3 個芳香基質(zhì)子信號[圖3(d)];而共價、非共價復(fù)合物在化學(xué)位移4.5 ~5.5 處出現(xiàn)了α 型異頭氫質(zhì)子的信號峰,且在化學(xué)位移6.5 ~8.5 處產(chǎn)生了3 個屬于QE 的芳香基的新質(zhì)子信號,與紅外光譜的結(jié)果相符,進(jìn)一步驗(yàn)證了QE 被成功連接到OG 的糖苷鍵上。
圖3 各組樣品的一維核磁波譜Fig.3 1H-NMR spectra of samples
2.1.4 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物結(jié)合比例的影響
利用等溫滴定量熱技術(shù)測定糖酚結(jié)合情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。 由圖4 可知,隨著滴定的進(jìn)行,加熱絲補(bǔ)償給樣品池和參比池的熱量存在變化且逐漸減少并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),說明OG 與QE 可結(jié)合,每1 mol OG 可結(jié)合4.5 mol QE。 滴定過程是通過QE酚羥基上的氫和OG 醚鍵上的氧原子之間形成氫鍵,苯環(huán)作為交聯(lián)葡聚糖凝膠羥基的電子供體,通過氫鍵與范德華力的吸引形成復(fù)合物進(jìn)而封裝QE[26]。 另外,復(fù)合物的熱量變化隨QE 濃度的變化而變化,濃度過低,補(bǔ)償熱量高;而過量的QE 可能會結(jié)合相鄰的納米顆粒,促進(jìn)架橋絮凝和結(jié)構(gòu)變形,從而進(jìn)一步降低復(fù)合物的穩(wěn)定性;當(dāng)濃度適宜時,結(jié)合的復(fù)合物具有良好的穩(wěn)定性。
圖4 復(fù)合物的結(jié)合比例Fig.4 Binding ratio of composites
2.1.5 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物熱降解特性的影響
利用熱重技術(shù)可研究復(fù)合物的熱降解特征,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。 由5(a)可知,隨著溫度的升高,各物質(zhì)的質(zhì)量都呈現(xiàn)下降的趨勢。 由圖5(b)可知,COGQ 與NOGQ 在100 ℃左右出現(xiàn)第一個明顯的失重峰,可能是由于樣品失去表層水分,同時失去結(jié)合水,造成質(zhì)量略有下降;第二降解階段集中在200 ~300 ℃,這一時期失重加快,由于原料中的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生降解,羰基和C—H 鍵斷裂,發(fā)生高分子降解,析出揮發(fā)物而導(dǎo)致質(zhì)量下降[27];第三個熱降解階段是300 ℃,這一階段是由于原料發(fā)生了碳化而導(dǎo)致質(zhì)量下降[28],因此COGQ 與NOGQ 在300 ℃以下不易降解。
圖5 復(fù)合物的熱降解特性曲線Fig.5 Thermal degradation characteristic curve of composites
2.1.6 共價、非共價交聯(lián)對復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)的影響
掃描電子顯微鏡是觀察物體微觀結(jié)構(gòu)最直接的手段,通過放大300、500、900 倍,可以清楚地觀察到樣品呈現(xiàn)出的表面結(jié)構(gòu)(圖6)。 由圖6 可見:OG 組物質(zhì)較為分散,菱角鋒利,大小不一,呈分散的顆粒狀;QE 組物質(zhì)結(jié)合疏松,呈絲狀或線條狀;COGQ 組物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為致密,呈光滑卷曲狀;NOGQ 組物質(zhì)較為平整,連接緊密,呈凹凸?fàn)睢?COGQ、NOGQ 在包埋QE 之后,與可溶性O(shè)G 相比,復(fù)合物結(jié)構(gòu)更為致密,推測可能是因?yàn)閺?fù)合物經(jīng)過化學(xué)鍵的連接,分子間作用力增強(qiáng)而呈現(xiàn)。復(fù)合物組表面不規(guī)則的形狀和粗糙度可能是因?yàn)闃悠吩趦龈蓵r用極少量的水溶解后,沒有被很好地水化而直接吸附在樣品臺,導(dǎo)致呈聚集狀。
圖6 各組樣品的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of each group of samples
2.2.1 復(fù)合物對線蟲壽命與氧化應(yīng)激的影響
為研究復(fù)合物對線蟲壽命的影響,將OG、QE、COGQ、NOGQ 喂食線蟲后,觀察線蟲存活時間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。 由表1 可知,COGQ 組與NOGQ 組較空白組壽命有所延長。 NOGQ 組線蟲平均壽命為(17.70 ±1.63)d(P<0.05),最長壽命為(27.33 ±0.85)d(P<0.01),其中最長壽命比空白組延長17.95%,表明復(fù)合物能有效延長線蟲壽命。
表1 復(fù)合物對線蟲壽命的影響Tab.1 Effect of composites on lifespan of C. elegans
氧化應(yīng)激可反映線蟲清除氧化自由基,維持自由基和氧化應(yīng)激系統(tǒng)動態(tài)平衡的能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。 由表2 可知,COGQ 組與NOGQ 組的線蟲較空白組壽命有所延長。 NOGQ 組線蟲平均壽命為(3.76 ±0.35)h(P<0.05), 最 長 壽 命 為(4.72 ±0.40)h(P<0.01),其中最長壽命比空白組延長12.23%,表明復(fù)合物在氧化應(yīng)激方面有良好的效果。 由于多糖與多酚交聯(lián)后,多糖包埋多酚,可能會降低多酚的抗氧化潛能,因此表2 中出現(xiàn)復(fù)合物延長壽命效果低于多酚的現(xiàn)象。
表2 復(fù)合物對線蟲氧化應(yīng)激的影響Tab.2 Effects of composites on oxidative stress of C. elegans
復(fù)合物延長線蟲壽命還可能與胰島素-1 信號通路有關(guān)[29],此信號通路是調(diào)節(jié)生物個體衰老最重要的信號通路之一。daf-16 基因在線蟲中屬于胰島素信號通路中的關(guān)鍵基因,在人類身上可以找到其所在信號通路的同源基因。 目前已有大量文獻(xiàn)報道,通過提供特定的營養(yǎng)素可調(diào)控daf-16 基因,延緩壽命[30-32]。
2.2.2 復(fù)合物對線蟲體內(nèi)SOD 和CAT 酶活性的影響
機(jī)體內(nèi)自由基的過多積累會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞衰老甚至死亡。 SOD 是目前已知的唯一能直接清除超氧自由基的專一酶,CAT 也是分解H2O2的專用酶。 提高SOD 和CAT 的活性可以清除體內(nèi)多余的自由基,并可潛在地延長壽命[33-34]。圖7 顯示了復(fù)合物對線蟲體內(nèi)SOD 和CAT 酶活的影響,由圖7 可知,與空白組相比,NOGQ 組SOD 酶活極顯著提高(P<0.01),COGQ 組CAT 酶活極顯著提高(P<0.01)。 由于多糖與多酚的相互作用對多酚清除自由基、提高SOD 與CAT 酶活有掩蔽作用,因此會降低多酚的抗氧化潛能,出現(xiàn)復(fù)合物抗氧化效果低于多酚的現(xiàn)象[35]。 研究結(jié)果表明,復(fù)合物可提高機(jī)體抗氧化酶活性,同時也就具有抑制及清除自由基的作用,這與氧化應(yīng)激實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。
圖7 復(fù)合物對線蟲體內(nèi)SOD 和CAT 活性的影響Fig.7 Effect of composites on SOD and CAT activity of C. elegans
本研究采用氫鍵、范德華力吸附制備NOGQ,利用自由基移植催化反應(yīng)制備COGQ,表征復(fù)合物的化學(xué)性質(zhì)并利用秀麗隱桿線蟲評價復(fù)合物延緩衰老的作用。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),復(fù)合物經(jīng)過交聯(lián)后相對分子質(zhì)量較OG 變化不大,呈非晶無定型狀態(tài),在300 ℃以下穩(wěn)定,微觀結(jié)構(gòu)致密。 復(fù)合物能提高線蟲的平均壽命和最長壽命,能有效提高機(jī)體抗氧化應(yīng)激能力及抗氧化酶的活性。 研究結(jié)果旨在為糖酚復(fù)合物制備及新型食品抗氧化劑的開發(fā)提供參考。 本研究初步探索了糖酚復(fù)合物的抗衰老活性,今后可研究不同結(jié)合度、不同側(cè)鏈、不同類型的糖苷鍵復(fù)合物,進(jìn)一步探索其結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系。