余 穎,樊金玲,,程源斌,朱文學(xué)
(1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽 471023;2.洛陽藍(lán)斯利科技有限公司,河南 洛陽 471023)
α-葡萄糖苷酶(EC3.2.1.20)是人體消化碳水化合物的關(guān)鍵酶[1-2],催化水解低聚糖底物非還原末端的α-1,4-糖苷鍵,釋放出α-D-葡萄糖[3-4]。α-葡萄糖苷酶抑制劑可通過抑制人體腸道內(nèi)α-葡萄糖苷酶活性,延緩食物中碳水化合物的水解,從而減慢糖的吸收,降低餐后血糖水平[5-6],可用于防治II型糖尿病及其并發(fā)癥[7]。由于藥物合成的α-葡萄糖苷酶抑制劑的不良反應(yīng)屢有報道[8],因此從天然動植物及食品中開發(fā)α-葡萄糖苷酶抑制劑,用于降血糖功能性食品及功能性食品配料具有重要意義[9-12]。
甘草是我國衛(wèi)生與計劃生育委員會委頒布的藥食同源的多年生草本植物[13],其蘊藏量豐富,在中、西方食品和藥品中均有廣泛應(yīng)用[14-15]。其主要的利用形式之一是提取甘草酸,提酸后的甘草藥渣和廢液則被遺棄,造成了極大的環(huán)境污染和資源浪費[16-17]。近年來研究表明,甘草的水提取物和乙醇提取物均對α-葡萄糖苷酶具有顯著的抑制活性[18-19],其中甘草黃酮、甘草酸是主要的活性物質(zhì),例如:甘草酚、甘草異黃酮乙、甘草異黃酮甲等具有較高的α-葡萄糖苷酶抑制活性[20-25]。本實驗從甘草酸的工業(yè)生產(chǎn)出發(fā),對甘草酸提取廢液進(jìn)行梯度萃取,研究不同溶劑萃取物的α-葡萄糖苷酶抑制活性,探討抑制活性最強的萃取相對α-葡萄糖苷酶的抑制作用類型及其與阿卡波糖的協(xié)同作用,并采用超高效液相色譜-二極管陣列檢測-質(zhì)譜(ultra high performance liquid chromatography with diode array detector mass spectrometry,UHPLC-DAD-MS)等多種方法對其主要成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析鑒定,同時測定了主要成分的含量。本研究為甘草及甘草酸提取廢液的綜合開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。
甘草酸提取廢料由洛陽藍(lán)斯利科技有限公司提供。
α-葡萄糖苷酶、阿卡波糖、甘草素、異甘草素、柚皮素、芒柄花素 上海源葉生物科技有限公司;葡萄糖測定試劑盒 中生北控生物科技股份有限公司;萃取用有機溶劑均為國產(chǎn)分析純。
Model 680全自動酶標(biāo)儀 美國Bio-Rad公司;1260高效液相色譜儀、6520 四極桿-飛行時間-質(zhì)譜(quadrupole-time of flight-mass spectrometry,Q-TOFMS)儀 美國Agilent 公司;RE52CS-1旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠;SCIENTZ-10N冷凍干燥機 寧波新芝生物科技有限公司;101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司。
1.3.1 樣品的制備
甘草酸提取廢液濃縮物依次用正己烷、氯仿、乙酸乙酯和正丁醇萃取3 次(體積比1∶1),分別合并各萃取液。各萃取液和萃余水相經(jīng)真空減壓濃縮和真空冷凍干燥分別得正己烷、氯仿、乙酸乙酯、正丁醇萃取相和水相。冷藏備用,使用前用甲醇復(fù)溶。
1.3.2 樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制作用
測定甘草酸提取廢液及其各萃取相和萃余水相對α-葡萄糖苷酶的抑制活性,其具體方法參考文獻(xiàn)[26],并作部分修改。取α-葡萄糖苷酶溶液(50 U/mL,pH 6.86磷酸鹽緩沖液溶解)40 μL于96 孔酶標(biāo)板中,加入20 μL不同質(zhì)量濃度(0.00、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.0 g/L)樣品(甲醇溶解),置于37 ℃恒溫箱中預(yù)熱15 min;加入10 mmol/L麥芽糖(pH 6.86磷酸鹽緩沖液溶解)40 μL,37 ℃保溫反應(yīng)30 min;然后加入0.1 mol/L Na2CO3100 μL終止反應(yīng)。取上述反應(yīng)液50 μL,加入葡萄糖測定試劑盒中的葡萄糖工作液150 μL,充分混勻,37 ℃反應(yīng)30 min,于505 nm波長處檢測吸光度A。每個樣品重復(fù)測定4 孔,取平均值。按式(1)計算樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制率,并通過方程擬合計算半抑制濃度(half maximal inhibitory concentration,IC50)。式(1)中酶空白組、樣品組、樣品背景組的反應(yīng)體系見表1。同時,按上述方法測定不同質(zhì)量濃度阿卡波糖對α-葡萄糖苷酶的抑制率和IC50。
表1 α-葡萄糖苷酶活性反應(yīng)體系Table1 Reaction system for α-glucosidase activity
1.3.3 樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制作用類型
分析1.3.2節(jié)實驗中IC50最小的樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制作用類型。按照1.3.2節(jié)方法,設(shè)定樣品質(zhì)量濃度范圍為0~1 g/L;在樣品某一確定質(zhì)量濃度下,改變反應(yīng)體系中麥芽糖濃度(0~500 mmol/L),測定反應(yīng)液的吸光度。根據(jù)Lineweaver-Burk雙倒數(shù)曲線圖,判斷樣品對α-葡萄糖苷酶的抑制作用類型。具體方法詳見參考文獻(xiàn)[27]。其中,Lineweaver-Burk雙倒數(shù)曲線圖是由酶促反應(yīng)速率的倒數(shù)(1/V)對麥芽糖底物濃度的倒數(shù)(1/S)作圖,x和y軸上的截距分別代表米氏常數(shù)(Km)和最大反應(yīng)速率(Vmax)的倒數(shù)。
1.3.4 樣品與阿卡波糖對α-葡萄糖苷酶的協(xié)同抑制作用分析1.3.2節(jié)實驗中IC50最小的樣品與阿卡波糖對α-葡萄糖苷酶的協(xié)同抑制作用?;?.3.2節(jié)實驗得到的樣品與阿卡波糖的IC50,分別配制7 個質(zhì)量濃度(0.25 IC50、0.50 IC50、1.00 IC50、1.50 IC50、2.00 IC50、2.50 IC50、5.00 IC50)的樣品和阿卡波糖溶液,并按體積比1∶1混合,按1.3.2節(jié)方法測定混合液對α-葡萄糖苷酶的抑制率。按式(2)計算聯(lián)合作用指數(shù)(combination index,CI);CI<1、CI=1、CI>1分別代表協(xié)同作用、加和作用和拮抗作用[28-31]。
式中:ρ1表示某一抑制率下混合液中提取物的質(zhì)量濃度/(g/L);ρ2表示某一抑制率下混合液中阿卡波糖的質(zhì)量濃度/(g/L);ρ1′表示相同抑制率下提取物單獨作用的質(zhì)量濃度/(g/L);ρ2′表示相同抑制率下阿卡波糖單獨作用的質(zhì)量濃度/(g/L)。
1.3.5 樣品酸水解
稱取1.3.2節(jié)實驗中IC50最小的樣品25 mg,溶于3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% HCl-CH3OH溶液,再加入2 mL 2 mol/L HCl溶液,混合均勻,密封置于100 ℃沸水浴中反應(yīng)130 min。取出室溫冷卻,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% HCl-CH3OH溶液補充體積至5 mL,0.45 μm微孔濾膜(有機系)過濾后冷藏備用。
1.3.6 UHPLC-DAD-MS分析
對1.3.2節(jié)實驗中IC50最小的樣品進(jìn)行UHPLC-DAD-MS分析。
色譜條件:SB-C18柱(100 mm×4.6 mm,1.8 μm);以乙腈(A)和0.1%甲酸水溶液(B)為流動相,梯度洗脫(0~20 min,5%~100% A);流速:0.4 mL/min;進(jìn)樣量:10 μL;柱溫 25℃;DAD檢測器,檢測波長:λ1=276 nm、λ2=372 nm。
TOF-MS條件:電噴霧離子源;TOF-MS檢測器;氣體溫度:350℃;干燥氣體流速:5 mL/min;毛細(xì)管電壓:4 000 V;碎裂電壓:150 V。
1.3.7 樣品主要成分的含量測定
HPLC分析:采用HPLC法測定酸水解樣品中各成分的含量。色譜柱:ZORBAX SB-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);以甲醇(A)和1%冰醋酸水溶液(B)為流動相,梯度洗脫(0~20 min,25%~40% A;20~60 min,40%~100% A);流速:1.0 mL/min;進(jìn)樣量:10 μL;柱溫30 ℃;DAD檢測器,檢測波長:λ1=276 nm、λ2=372 nm。
標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作:稱取一定量的標(biāo)準(zhǔn)品,用甲醇配制系列質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)品使用液,按上述方法進(jìn)行分析檢測。以溶液質(zhì)量濃度(甘草素質(zhì)量濃度單位mg/mL,其余為μg/mL)為橫坐標(biāo),以峰面積為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸,得到回歸方程分別為:甘草素(276 nm):y=37 293x+1 381.4(R2=0.999 8);柚皮素(276 nm):y=18.193x+6.12(R2=0.999 9);異甘草素(372 nm):y=44.153x+75.745(R2=0.999 9);芒柄花素(276 nm):y=29.107x+28.13(R2=0.999 9)。
含量計算:酸水解樣品中4 種主要的黃酮苷元(即甘草素、柚皮素、異甘草素以及芒柄花素)的含量按式(3)計算。
式中:ρ表示酸水解樣品中黃酮苷元(甘草素、柚皮素、異甘草素、芒柄花素)的質(zhì)量濃度/(mg/mL);ρ′表示酸水解樣品的質(zhì)量濃度/(mg/mL)。
未酸水解樣品的主要化學(xué)成分為上述苷元的單糖苷和二糖苷。各黃酮苷元(甘草素、柚皮素、異甘草素、芒柄花素)的相對分子質(zhì)量Mr分別以256.25、272.25、256.25、268.26計,糖苷平均分子相對分子質(zhì)量Mr以240計,折合成糖苷的平均相對分子質(zhì)量Mr′分別以496.25、515.25、496.25、508.26計。按式(4)計算以測定所得各苷元的含量折合成各類糖苷的總含量。
式中:Mr表示各黃酮苷元的相對分子質(zhì)量;Mr′表示各黃酮苷元折合成糖苷的平均相對分子質(zhì)量;w表示黃酮苷元含量/%。
甘草酸提取廢液及其各萃取相和萃余水相對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用如圖l所示。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)擬合方程得到的IC50見表2。除正己烷相外,甘草酸提取廢液的各萃取相與甘草酸提取廢液相比,α-葡萄糖苷酶抑制活性均有不同程度的提高。其中,抑制活性最強的是乙酸乙酯萃取相,IC50為0.152 9 g/L(得率為5.65%);其次為水相,IC50為0.618 9 g/L(得率為83.54%)。由于乙酸乙酯萃取相對α-葡萄糖苷酶的抑制活性最強,因此,后續(xù)實驗均以此相為研究對象。
圖1 甘草酸提取廢液及其萃取物對α-葡萄糖苷酶的抑制作用Fig. 1 Inhibitory effect of glycyrrhizic acid extraction waste liquid against α-glucosidase
表2 甘草酸提取廢液及其萃取物對α-葡萄糖苷酶的IC50和得率Table2 IC50 and yield of extracts with α-glucosidase inhibitory activity from glycyrrhizic acid extraction waste liquid
圖2 乙酸乙酯提取物對α-葡萄糖苷酶抑制作用的Lineweaver-Burk雙倒數(shù)圖Fig. 2 Lineweaver-Burk double reciprocal plot for the inhibition of α-glucosidase by the ethyl acetate extract
按1.3.3節(jié)方法測定不同質(zhì)量濃度乙酸乙酯萃取條件下麥芽糖底物濃度對α-葡萄糖苷酶催化速率的影響,根據(jù)Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖。從圖2可以看出,隨著乙酸乙酯萃取相質(zhì)量濃度的增大,縱軸截距不變,斜率增大,即Vmax不隨著抑制劑質(zhì)量濃度增大而變化,米氏常數(shù)Km隨著抑制劑質(zhì)量濃度的增大而不斷增大,表明抑制劑質(zhì)量濃度增大時,酶對底物的親和力在不斷下降,抑制劑的存在阻礙了底物和酶的結(jié)合,增加底物濃度或抑制劑質(zhì)量濃度均可排除對方對酶的效應(yīng),抑制劑對酶的抑制作用表現(xiàn)為競爭性抑制。競爭性抑制劑只能與游離酶結(jié)合,不能與酶-底物配合物結(jié)合。以不同質(zhì)量濃度抑制劑測定的表觀米氏常數(shù)值(Kmapp)對抑制劑質(zhì)量濃度(ρI)作圖為一條直線(圖2內(nèi)插圖),直線所得橫軸截距為-Ki,即可以求得抑制常數(shù)Ki為0.085 1 g/L。
不同質(zhì)量濃度的乙酸乙酯萃取物和阿卡波糖混合對α-葡萄糖苷酶的協(xié)同抑制作用見圖3,在所測的質(zhì)量濃度范圍內(nèi),乙酸乙酯萃取物與阿卡波糖混合物的CI始終小于1,說明二者對α-葡萄糖苷酶存在協(xié)同抑制作用;CI呈現(xiàn)先增后降的趨勢,表明低劑量和高劑量條件下的乙酸乙酯萃取物和阿卡波糖的協(xié)同作用大于中等劑量。
圖3 乙酸乙酯萃取物和阿卡波糖混合液的CI曲線Fig. 3 CI plot of a mixture of ethyl acetate extract and acarbose
圖4 乙酸乙酯提取物的UHPLC色譜圖Fig. 4 UHPLC chromatograms of the ethyl acetate extract
采用UHPLC-DAD-MS對乙酸乙酯萃取相進(jìn)行分析,其色譜圖如圖4所示。依據(jù)各色譜峰的光譜和質(zhì)譜特征可看出:乙酸乙酯萃取相中的主要成分為黃酮類化合物。對其中相對豐度較高的15 個黃酮類化合物的光譜信息、質(zhì)譜信息(準(zhǔn)分子離子、特征裂片、中性丟失)進(jìn)行解析,將其分為Ⅰ~Ⅴ類,初步確定了各黃酮化合物的苷元和糖基組成,詳見表3,苷元結(jié)構(gòu)如圖5所示。
表3 乙酸乙酯萃取相的光譜、質(zhì)譜特征及結(jié)構(gòu)鑒定Table3 Spectral characteristics and structural identification of flavonoid compounds in the ethyl acetate extract
圖5 不同黃酮苷元結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure of different flavonoid aglycones
類Ⅰ包括色譜峰1、3、6,其光譜的共同特征為:約在284 nm左右具有強的帶Ⅱ吸收,帶Ⅰ以肩峰形式出現(xiàn)或消失。此類化合物質(zhì)譜的共同特征為:負(fù)離子檢測模式下苷元離子的m/z為271,苷元共同的碎片離子分別為177、151和107。結(jié)合光譜圖和以上特征碎片,推斷類Ⅰ化合物的苷元為柚皮素,m/z 151為[1,3A-H]-,m/z 107為[0,4A-H]-,m/z 177為苷元失去B環(huán)所得,即[苷元-H-B]-。峰1和峰3是同分異構(gòu)體,其[M-H]-的m/z為433,丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 271;因此,峰1和峰3均為柚皮素-六碳糖單糖苷。目前尚無法判斷峰1和3中糖苷鍵位置。峰6[M-H]-的m/z為565,丟失1 個五碳糖中性碎片132 u得到碎片離子m/z 433,再丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 271;因此,峰6為柚皮素-六碳糖-五碳糖二糖苷。
類Ⅱ包括色譜峰2、4和5,其光譜的共同特征為:約在271~276 nm波長處具有強的帶Ⅱ吸收,帶Ⅰ以低強度峰的形式出現(xiàn)在313~316 nm波長處,表明此類化合物應(yīng)為雙氫黃酮或雙氫黃酮醇。與類Ⅰ色譜峰相比,其帶Ⅱ吸收向短波移動10 nm左右,表明可能不存在5-羥基。此類化合物質(zhì)譜的共同特征為:負(fù)離子檢測模式下苷元離子的m/z為255,苷元共同的碎片離子分別為135、119和91。結(jié)合光譜圖和以上特征碎片推斷此類化合物的苷元為甘草素,m/z 135為[1,3A-H]-,m/z 91為[0,4A-H]-,m/z 119為[1,3B-H]-。峰2[M-H]-的m/z為417,丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 255;因此,峰2為甘草素-六碳糖單糖苷。峰4和峰5是同分異構(gòu)體,其[M-H]-的m/z為549,丟失1 個五碳糖中性碎片132 u得到碎片離子m/z 417,再丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 255;因此,峰4和峰5均為甘草素-六碳糖-五碳糖二糖苷。
類Ⅲ包括色譜峰7、9、10和12,其光譜的共同特征為:約在362~373 nm波長處具有強的帶Ⅰ吸收,帶Ⅱ以低強度峰形式出現(xiàn)在242~246 nm處,表明此類化合物應(yīng)為查耳酮類。此類化合物質(zhì)譜的共同特征為:負(fù)離子檢測模式下苷元離子的m/z為255,苷元共同的碎片離子分別為135、119和91。此類苷元碎片與類Ⅱ完全相同,但此類化合物的光譜圖顯著不同于類Ⅱ化合物,為查耳酮化合物。結(jié)合光譜圖和以上特征碎片推斷類Ⅲ化合物的苷元為異甘草素,m/z 135為[1A-H]-、m/z 91為[0A-H]-、m/z 119為[1B-H]-。峰7和峰10是同分異構(gòu)體,其[M-H]-的m/z為549,丟失1 個五碳糖中性碎片132 u得到碎片離子m/z 417,再丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 255;因此,峰7和峰10均為異甘草素-六碳糖-五碳糖二糖苷。峰9、12為同分異構(gòu)體,其[M-H]-的m/z為417,丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 255;因此,峰9、12為異甘草素-六碳糖單糖苷。
類Ⅳ包括色譜峰8和11,其光譜的特征為:約在251 nm波長處具有強的帶Ⅱ吸收,帶Ⅰ以肩峰的形式出現(xiàn)在306 nm波長處,表明此類化合物應(yīng)為異黃酮化合物;其帶Ⅱ吸收出現(xiàn)在245~270 nm波長處,與雙氫黃酮或雙氫黃酮醇(帶Ⅱ吸收出現(xiàn)在270~295 nm波長處)有明顯區(qū)別。此類化合物質(zhì)譜的共同特征為:負(fù)離子檢測模式下苷元離子的m/z為267,苷元共同的碎片離子較少。結(jié)合此類化合物的光譜圖,并查閱相關(guān)文獻(xiàn)[32],推測此苷元為芒柄花素。其中,峰8的[M-H]-的m/z為561,丟失1 個五碳糖中性碎片132 u和1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 267;因此,峰8為芒柄花素-六碳糖-五碳糖二糖苷。峰11質(zhì)譜圖中m/z 475為[M+HCOO]-,丟失1 個六碳糖中性碎片162 u得到苷元離子m/z 267;因此,峰11為芒柄花素-六碳糖單糖苷。
類Ⅴ包括色譜峰13、14和15,其光譜的共同特征為:約在314~325 nm波長處具有強的帶Ⅰ吸收,帶Ⅱ以低強度峰或肩峰形式出現(xiàn)在281~283 nm波長處。此類化合物質(zhì)譜的共同特征為:負(fù)離子檢測模式下苷元離子的m/z為255,苷元共同的碎片離子分別為135、119和91,與類Ⅱ、Ⅲ相同;但此類化合物光譜圖明顯不同于類Ⅱ、Ⅲ化合物,其帶Ⅰ吸收強于帶Ⅱ吸收,出現(xiàn)在314、323 nm和325 nm波長處,帶Ⅱ出現(xiàn)在281~283 nm波長處。峰13、14和15為同分異構(gòu)體,其[M-H]-的m/z為725,丟失1 個六碳糖醛酸中性碎片176 u得到碎片離子m/z 549,再丟失1 個五碳糖中性碎片132 u得到m/z 417,再丟失1 個六碳糖中性碎片162 u苷元離子m/z 255;因此,峰13、14和15均為黃酮化合物的六碳糖醛酸-六碳糖-五碳糖三糖苷。尚不明確此類化合物的類別。
圖6 乙酸乙酯提取物水解物的HPLC圖Fig. 6 HPLC profile of the acid hydrolysate of the ethyl acetate extract
為了進(jìn)一步確認(rèn)推斷的乙酸乙酯萃取相的苷元結(jié)構(gòu),將其按1.3.5節(jié)方法進(jìn)行酸水解,再經(jīng)HPLC分析,其色譜圖如圖6所示。將水解產(chǎn)物中主要4 個色譜峰的保留時間和光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:峰1為甘草素,峰2為柚皮素,峰3為異甘草素,峰4為芒柄花素(標(biāo)準(zhǔn)品的色譜圖及光譜圖略)。此結(jié)果表明苷元種類推斷正確。
將乙酸乙酯萃取相進(jìn)行酸水解,采用HPLC法測定了水解液中4 種主要的黃酮苷元(即甘草素、柚皮素、異甘草素以及芒柄花素)的含量。甘草素、柚皮素、異甘草素、芒柄花素分別為14.50%、1.56%、6.09%、2.31%。由于乙酸乙酯萃取相主要成分為上述苷元的單糖苷和二糖苷,將測定所得各苷元的含量折合成各類糖苷的總含量。甘草素類、柚皮素類、異甘草素類、芒柄花素類的黃酮含量總計分別為28.08%、2.95%、11.80%、4.38%;黃酮總含量為47.21%。
在甘草酸提取廢液及其各萃取相和萃余水相對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用中,乙酸乙酯萃取相具有最強的抑制活性,IC50為0.152 9 g/L,抑制類型表現(xiàn)為競爭性抑制,抑制常數(shù)Ki=0.085 1 g/L,且與阿卡波糖混合對α-葡萄糖苷酶存在協(xié)同抑制作用。乙酸乙酯萃取相中的主要化學(xué)成分為黃酮類化合物,初步確定了各黃酮化合物的苷元和糖基組成為甘草素、柚皮素、異甘草素以及芒柄花素的單糖苷和二糖苷。乙酸乙酯萃取相水解液中4 種主要的黃酮苷元(即甘草素、柚皮素、異甘草素以及芒柄花素)的含量分別為:14.50%、1.56%、6.09%和2.31%。將測定所得各苷元的含量折合成各類糖苷的總含量,則甘草素類、柚皮素類、異甘草素類和芒柄花素類的黃酮含量總計分別為28.08%、2.95%、11.80%和4.38%;黃酮總含量為47.21%。