張冠亞,黃曉君,聶少平,*,崔武衛(wèi),2
(1.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330047;2.加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部圭爾夫食品研究中心,安大略 渥太華 N1G 5C9)
體外模擬3 種消化液對鐵皮石斛多糖的消化作用
張冠亞1,黃曉君1,聶少平1,*,崔武衛(wèi)1,2
(1.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330047;2.加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部圭爾夫食品研究中心,安大略 渥太華 N1G 5C9)
本實(shí)驗(yàn)采用人體胃腸道模擬系統(tǒng),體外模擬3 種消化液對鐵皮石斛多糖的消化行為。通過高效凝膠液相色譜、鐵氰化鉀法和高效離子交換色譜分別測定消化后多糖分子質(zhì)量變化、還原糖含量和單糖組成的情況。結(jié)果表明:唾液不能改變鐵皮石斛多糖的分子質(zhì)量;模擬胃液和模擬胃腸液可以降低多糖的分子質(zhì)量,同時(shí)提高多糖溶液中的還原糖含量,但沒有檢測到單糖。結(jié)論:在體外模擬胃腸道的消化體系中,鐵皮石斛多糖的分子質(zhì)量減小,糖苷鍵發(fā)生斷裂,但沒有游離單糖的釋放。
鐵皮石斛多糖;體外消化;分子質(zhì)量;還原糖;單糖
do i:10.7506/spkx1002-6630-201423054
植物多糖是構(gòu)成生命活動(dòng)的四大基本物質(zhì)之一,與維持生命功能有密切關(guān)系,具有免 疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗衰老、降血糖、抗凝血等功效。Franz[1]曾報(bào)道指出,已發(fā)現(xiàn)有近百種植物的多糖沒有細(xì)胞毒性且應(yīng)用于生物體毒副作用小。鐵皮石斛(Dendrobium off c inale Kimura et Migo)是一種名貴的中藥材,主要生長在我國西南和江南各省,自古以來就有“藥中黃金”之美譽(yù),民間稱其為“救命仙草”[2-3]。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)研究表明,鐵皮石斛多糖作為一種植物性多糖具有顯著的體外抗氧化[4]、增強(qiáng)免疫[5-6]、抗腫瘤[7]、降血糖[8-9]的作用,其應(yīng)用具有廣闊的前景。
消化是一項(xiàng)復(fù)雜的體內(nèi)代謝活動(dòng),由于消化系統(tǒng)的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)?zāi)P碗y以建立、體內(nèi)大分子難以控制等因素影響,消化實(shí)驗(yàn)難以在活體中進(jìn)行。體外模擬消化既能在一定程度上真實(shí)模仿人體內(nèi)環(huán)境,同時(shí)節(jié)省了大量資源,方便且易于控制[10]。人體消化系統(tǒng)由消化腺和消化管兩部分組成。消化腺包括口腔唾液腺、肝、胰及消化管壁內(nèi)的小腺體;消化管自上而下包括口 腔、咽、食道、胃、小腸(十二指腸、空腸、回 腸 )和大腸(盲腸、結(jié)腸和直腸)[11]。消化作為人代謝和營養(yǎng)物質(zhì)吸收的關(guān)鍵步驟,是實(shí)現(xiàn)將食物大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能被機(jī)體吸收的小分子物質(zhì),進(jìn)而被腸道吸收進(jìn)入機(jī)體并通過特定相關(guān)代謝部位發(fā)揮功能的過程。多糖作為大分子糖類,一般認(rèn)為是難以在胃腸道被人體消化吸收的[12],因此該特性被利用來制作藥物的保護(hù)涂層[13]。多糖的主要代謝途徑是在結(jié)腸處被腸道微生物酵解,產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸,如乙酸、丙酸和丁酸[14]。但是,一些對 多糖的體外模擬消化實(shí)驗(yàn)表明,多糖在人體消化液中是發(fā)生著結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量的變化的[15]。 鐵皮石斛多糖作為一種具備多種生理活性的植物多糖,研究它在人體內(nèi)的代謝特點(diǎn)是一項(xiàng)極具前景和應(yīng)用性的工作。目前,還沒有關(guān)于 鐵皮石斛多糖在人體上消化道(即食管、胃、 小腸)消化情況的報(bào)道。因此本實(shí) 驗(yàn)以 人體胃腸道模擬系統(tǒng)為基礎(chǔ),并在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)[16],希望探索出鐵皮石斛多糖在體內(nèi)的消化情況。
1.1 材料與試劑
鐵皮石斛多糖,由云南金九地生物科技有限責(zé)任公司提供鐵皮石斛干品制得[17]。
單糖標(biāo)品:鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、果糖、核糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸 上海國藥試劑公司;體外消化酶:胃脂肪酶(56.7 U/mg)、胃蛋白酶(800~2 500 U/mg)、胰酶、胰蛋白酶、膽鹽 美國Sigma公司;氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、碳酸氫鈉、乙醇、鹽酸等均為分析純。
1.2 儀器與設(shè)備
ICS 5000 離子色譜儀(配有金電極和 ICS 5000 色譜工作站) 美國戴安公司;LC 1260高效凝膠液相色譜系統(tǒng)(配有示差檢測器和 LC1260 色譜工作站) 美國安捷倫公司;MD 200-1氮?dú)獯祾邇x 杭州奧盛儀器有限公司;SHZ-III 型循環(huán)真空泵、DE-52AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上海亞榮生化儀器廠;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;T6紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;FE 20 pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;RC806溶出儀 天津天大天發(fā)公司。
1.3 方法
1.3.1 體外消化液配制
唾液消化液和體外模擬胃液的配制參考文獻(xiàn)[15]。腸電解質(zhì)溶液:5.4 g NaCl、0.65 g KCl、0.33 g CaCl2溶于 1 L的去離子水。7 g/100 mL胰酶溶液:7 g 胰酶溶于100 mL水,3 000 r/min離心10 min,取上清液待用。4%膽鹽溶液:4 g膽鹽溶于196 mL水,3 500 r/min離心10 min,取上清液待用。體外模擬腸液[18]:100 mL胰酶溶液中加入100 mL 腸電解質(zhì)溶液、200 mL膽鹽溶液和13 mg胰蛋白酶,混合均勻,用 1 mol/L NaHCO3調(diào)節(jié)pH值至7。
1.3.2 胃電解質(zhì)、沸水浴、失活消化酶對鐵皮石斛多糖分子質(zhì)量的影響
在2 mg/mL多糖溶液中分別加入等體積的水和胃電解質(zhì)溶液,37 ℃恒溫于溶出儀作用6 h后取樣。將1 mg/mL鐵皮石斛多糖溶液置于沸水浴中加熱,在15 min時(shí)取樣。將胃、腸消化液置于沸水浴中加熱,分別在5、10、15 min時(shí)停止水浴,再與2 mg/mL多糖溶液等體積混合,37 ℃恒溫下于溶出儀反應(yīng)6 h后取樣。
以上樣液分別過0.22 μm水相膜,經(jīng)高效凝膠液相色譜測多糖保留時(shí)間。色譜條件為:色譜柱為Waters UltrahydrogelTM50 0(7.8 mm×300 mm,10 μm),流動(dòng)相為NaN3,流速為0.6 mL/min,檢測器為RID,柱溫箱和檢測器的溫度均為35 ℃,進(jìn)樣量為20 μL[19]。
1.3.3 體外模擬消化
1.3.3.1 唾液對鐵皮石斛多糖的消化作用
2 mg/mL多糖溶液與等體積唾液充分混合后,在37 ℃恒溫下反應(yīng)2、4、6 h后終止反應(yīng),將多糖溶液換成去離子水作為空白組,重復(fù)上述操作。
1.3.3.2 模擬人體胃液對鐵皮石斛多糖的消化作用
將150 mL質(zhì)量濃度為2 mg/mL多糖溶液與150 mL模擬胃液混合置于溶出儀的溶出杯,密閉。37 ℃恒溫、轉(zhuǎn)速為150 r/min、擺動(dòng)幅度為0.5 mm條件下分別反應(yīng)2、4、6 h后,通過真空泵移出10 mL反應(yīng)液,迅速置于沸水浴中5 min終止反應(yīng)。
1.3.3.3 模擬人體胃腸液對鐵皮石斛多糖的消化作用
在1.3.3.2節(jié)剩余反應(yīng)液 (6 h)中加入模擬腸液,使反應(yīng)液與腸液體積比為10∶3,保持溶出儀工作狀態(tài)繼續(xù)反應(yīng),在2、4、6 h時(shí)終止反應(yīng)并收集消化液。
1.3.4 模擬消化產(chǎn)物的分子質(zhì)量測定
取1.3.3.1、1.3.3.3節(jié)反應(yīng)后的樣液,4 800 r/min離心10 min,取離心上清液,過0.22 μm水相膜,通過高效凝膠液相色譜LC1260測定其分子質(zhì)量的變化。色譜條件同1.3.2節(jié)。
1.3.5 模擬消化產(chǎn)物的還原糖含量測定
取1.3.3.1、1.3.3.3節(jié)的上清液,利用鐵氰化鉀法測溶液中還原糖含量[20]。測試之前,先用1 mol/L NaHCO3將溶液pH值調(diào)至7。取1.5 mL上清液,加入2 mL鐵氰化鉀試劑,待充分混勻后,沸水水浴加熱15 min,然后冷卻至室溫,于420 nm波長處測定吸光度。
1.3.6 模擬消化產(chǎn)物的單糖含量測定
將1.3.5節(jié)的剩余上清液全部裝入500~1 000 D透析袋后,將透析袋置于含有50 mL生理鹽水的自封袋中,透析時(shí)間與模擬消化時(shí)間一致。取透析袋外的液體,過0.22 μm水相膜,通過離子色譜檢測單糖組成。以生理鹽水作為空白對照。
單糖混標(biāo)溶液配制:稱取5 mg單糖標(biāo)品(L-鼠李糖、D-阿拉伯糖、D-木糖、D-核糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、L-巖藻糖、D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸)溶于1 L去離子水,即為5 μg/mL混標(biāo)母液。再將母液稀釋成0.5、1、2、4、5 μg/mL梯度,在離子色譜ICS 5000中進(jìn)樣。離子色譜條件:CarboPac PA20分析柱(3 mm×150 m m,6.5 μm)和CarboPac PA 20G保護(hù)柱(3 mm×30 mm,6.5 μm),流速為0.5 mL/min,進(jìn)樣量25 μL,檢測器為金電極,柱溫箱溫度為30 ℃,檢測器溫度為35 ℃[21]。
1.4 數(shù)據(jù)分析
以上實(shí)驗(yàn)均平行3 次,得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過SPSS 13.0軟件處理,用Turkey檢驗(yàn)分析顯著性。
2.1 電解質(zhì)溶液對鐵皮石斛多糖的作用
高效凝膠液相色譜是一種排阻色譜,根據(jù)溶質(zhì)分子尺寸(分子質(zhì)量、有效體積、流體力 學(xué)體積)的差別 進(jìn)而進(jìn)行分離和檢測。是用來表征高聚物的重要方法[22]。通過多糖的保留時(shí)間來測量多糖的分子質(zhì)量已經(jīng)成為研究多糖一種基本方法[23]。在同一色譜條件下,保留時(shí)間越長,分子質(zhì)量越?。环粗?,分子質(zhì)量越大。
圖1 胃電解質(zhì)對多糖分子質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of gastric electrolyte on the molecular weight of the polysaccharide
本實(shí)驗(yàn)通過分 析多糖分子質(zhì)量變化來直觀研究多糖的消化情況,因此排除溶液中其他因素對多糖排阻圖譜的表征極為重要。消化液所處的溶液是電解質(zhì)緩沖液,含有自由移動(dòng)的離子。它們與多糖在空間上分子的排布可能會(huì)相互影響,進(jìn)而影響多糖的分子質(zhì)量表征[21]。由胃電解質(zhì)色譜圖(圖1)可知,電 解質(zhì)在15 min之前無峰出現(xiàn),15.5、17.5 min 有兩個(gè)峰出現(xiàn)。而多糖的峰出現(xiàn)在12.5 min,且在17 min有一個(gè)溶劑倒峰。多糖的電解質(zhì)溶液12.5 min的峰與多糖峰幾乎重合,經(jīng)計(jì)算,該峰的出峰時(shí)間與多糖水溶液出峰時(shí)間無顯著差別,其后在15.5、17.5 min出現(xiàn)的峰比電解質(zhì)的峰低,這是與多糖的溶劑倒峰疊加所形成。圖1表明電解質(zhì)作為一種緩沖溶液,不會(huì)對鐵皮石斛多糖的圖譜表征產(chǎn)生任何影響。
2.2 沸水浴對多 糖分子質(zhì)量和消化酶活性的影響
圖2 高溫和失活的酶對多糖分子質(zhì)量的影響Fig.2 Effects of boiling water bath heating and inactivation of digestive enzymes on the molecular weight of the polysaccharide
在實(shí)驗(yàn)中為了控制消化時(shí)間,必須對反應(yīng)2、4、6 h后的多糖溶液進(jìn)行沸水浴終止。由圖2a可知,多糖溶液加熱前后出峰時(shí)間是一致的,經(jīng)過計(jì)算,加熱前后多糖的洗脫時(shí)間均無顯著差異(P>0.05),說明沸水加熱對多糖的分子質(zhì)量沒有影響。
將胃腸消化液分別沸水加熱5、10、15 min后再與多糖混合,結(jié)果見圖2b、2c。反應(yīng)后的溶液依舊有信號很強(qiáng)的電解質(zhì)的色譜峰,同時(shí)多糖位置的峰也幾乎重合。將出峰時(shí)間做顯著性分析得知,沸水浴后的消化酶不能改變多糖的分子質(zhì)量,而該結(jié)果與2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)消化酶已經(jīng)失去了活性。因此,可以將消化反應(yīng)的終止條件設(shè)定為:沸水水浴5 min。
2.3 模擬消化后分子質(zhì)量和還原糖含量變化
唾液是與食物接觸的第一個(gè)消化液,而胃腸道消化是將胃和小腸看成一個(gè)消化體系,多糖在胃液中作用了6 h,再進(jìn)入模擬腸環(huán)境繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。
表1 消化后分子質(zhì)量和還原糖含量的變化Table1 Changes in molecular weight and reducing sugar content after digestion
經(jīng)測定,本實(shí)驗(yàn)所用的鐵皮石斛多糖分子質(zhì)量為(314.51±6.09)kD。由表1可知,從唾液的消化結(jié)果來看,多糖的保留時(shí)間無顯著變化,即分子質(zhì)量無顯著性差異,還原糖含量也沒有顯著變化,說明唾液不能消化鐵皮石斛多糖,這與Hu Jielun等[15]在車前子多糖體外模擬口腔消化中的結(jié)果是一致的。多糖在模擬胃液中,保留時(shí)間隨時(shí)間延長而增加,分子質(zhì)量逐漸減小,在模擬胃液中反應(yīng)6 h后分子質(zhì)量為(244.79±2.99)kD,而還原糖含量也隨時(shí)間延長而增加,從側(cè)面說明了多糖分子支鏈產(chǎn)生了變化,糖苷鍵發(fā)生了斷裂。多糖在腸道的消化中,分子質(zhì)量進(jìn)一步減小,反應(yīng)2 h后,多糖分子質(zhì)量減小到(229.91±1.59)kD,與4、6 h的分子質(zhì)量無顯著性差異,還原糖含量也表現(xiàn)出同樣的趨勢,說明消化反應(yīng)已經(jīng)到達(dá)了終點(diǎn)。
2.4 模擬消化后的單糖產(chǎn)生情況
圖3 多糖消化后的離子色譜圖Fig.3 Ion exchange chromatogram of the polysaccharide after digestion
由2.3節(jié)結(jié)果可知,多糖發(fā)生了糖苷鍵的斷裂,可能生成了寡糖或者單糖[24],使得還原糖的含量增加,暴露出更多的還原末端。將反應(yīng)后的消化液裝入500~1 000 D的透析袋,那么只有小分子寡糖或者單糖可以自由進(jìn)出透析袋。ICS 5000離子色譜系統(tǒng)具有高靈敏度、高效率、低消耗的特點(diǎn),在單糖組分測定中有許多優(yōu)勢[25]。由圖3可知,胃腸道消化液中均沒有檢測到單糖,表明消化后沒有游離單糖的釋放。多糖作為大分子物質(zhì),其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主鏈和支鏈都是由糖苷鍵連接而成,糖苷鍵的斷裂會(huì)使多糖的分子質(zhì)量減小,多糖的性質(zhì)也可能隨之發(fā)生改變[26]。
本實(shí)驗(yàn)通過體外模擬人體消化系統(tǒng),分別模擬了唾液、胃液和胃腸液對多糖的消化作用。在體外模擬實(shí)驗(yàn)中,多糖經(jīng)過加熱處理或者與電解質(zhì)緩沖液作用均不能對多糖的分子質(zhì)量產(chǎn)生影響,這為后續(xù)實(shí)驗(yàn)排除了干擾。實(shí)驗(yàn)用的消化酶具有較高的活性,為了控制反應(yīng),必須第一時(shí)間使酶失活終止反應(yīng)。消化酶分別經(jīng)過5、10、15 min的水浴,再與多糖溶液混合,結(jié)果顯示水浴5 min便可以使酶失去活性。失去活性的酶與多糖混合,不能對多糖的圖譜表征產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了解3 種消化液在體外模擬消化體系中對多糖的消化作用。唾液不能改變多糖的分子質(zhì)量,在模擬胃和模擬腸道中,多糖的分子質(zhì)量降低,同時(shí)還原糖含量增加。經(jīng)過透析的消化液并沒有檢測到單糖的產(chǎn)生,說明消化過程中并沒有產(chǎn)生單糖。綜上所述,鐵皮石斛多糖在模擬胃腸道消化體系中分子質(zhì)量降低,糖苷鍵發(fā)生了斷裂,但是沒有釋放出游離的單糖。
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Effects of Three Digestive Juices on the in vitro Digestion of Dendrobium off cinale Polysaccharide
ZHANG Guan-ya1, HUANG Xiao-jun1, NIE Shao-ping1,*, CUI Wu-wei1,2
(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China; 2. Guelph Food Research Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa N1G 5C9, Canada)
The effects of th ree digestive juices on the in vitro digestion of Dendrobium officinale polysaccharide were investigated by using human gastrointestinal model system in vitro. By using high performance liquid chromatography (HPLC), potassium ferricyanide and high performance iron exchange chromatography (HPIEC), we determined the changes in the molecular weight, reducing sugar content and monosaccharide composition of the polysaccharide after digestion. Results showed that the digestion in saliva did not change the molecular weight of Dendrobium off cinale polysaccharide. The digestion in simulated gastric juice and gastrointestinal juice reduced the molecular weight, and increased the reducing sugar content, but no monosaccharides were detected in the digested solution. Conclusion: After digestion in simulated gastrointestinal system, the molecular weight of Dendrobium off cinale polysaccharide was reduced and the glycosidic bond was broken, but without releasing free monosaccharide.
Dendrobium off cinale polysaccharide; in vitro digestion; molecular weight; reducing sugar; monosaccharides
TS201.2
A
1002-6630(2014)23-0279-05
2014-06-26
“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD33B06);國家國際科技合作專項(xiàng)(2013DFA32710);教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(NCET-12-0749);江西省對外科技合作計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20141BDH80009);江西省高等學(xué)??萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目(KJLD13004)
張冠亞(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全。E-mail:1195194129@qq.com
*通信作者:聶少平(1978—),男,教授,博士,研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與分析、食品營養(yǎng)與安全、糖化學(xué)與糖生物學(xué)。E-mail:spnie@ncu.edu.cn