酶法提取苦荞D-手性肌醇及体外降糖活性

田晓艳1,白晓琳1,王振宇2,张大千1,樊梓鸾1,3*

(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040)(2.哈尔滨工业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150090)(3.黑龙江省森林食品资源利用重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040)

摘 要:该实验以苦荞籽粒为研究对象,使用酶辅助超声法提取D-手性肌醇(D-Chiro Inositol,DCI)。考察了pH 值、酶解温度、酶解时间、加酶量、料液比、乙醇体积分数对DCI 浓度的影响,并在此基础上,采用响应面试验设计优化了DCI 最佳提取工艺。结果显示:酶解最佳pH值为6,酶解温度为36.4 ℃,酶解时间为0.5 h,加酶量为2.1%,料液比为1:10,乙醇体积分数为48%时,DCI浓度为5.87 mmol/L。进一步利用α-淀粉酶及α-葡萄糖苷酶两项指标评价提取物纯化前后的体外降糖能力。采用活性炭、固相萃取离子小柱纯化DCI,结果显示阴离子(SAX)固相萃取小柱纯化效果最好,能够将纯度提高80%。苦荞中DCI对α-葡萄糖苷酶的半抑制质量浓度(50% Inhibitory Concentration,IC50)降低,IC50值由0.68 mg/mL 降到0.47 mg/mL,表明纯化效果显著。采用α-半乳糖苷酶辅助超声法可以有效的获得高浓度DCI,并证实纯化后的DCI 具有较好的体外降糖活性。通过该项目的研究为苦荞的综合开发利用提供理论参考。

关键词:D-手性肌醇(DCI);α-半乳糖苷酶;降糖活性;苦荞

D-手性肌醇(D-Chiro Inositol,DCI),白色粉末,易溶于水,微溶于乙醇、甲醇等有机溶剂,是肌醇9 种异构体[1]中具有旋光性的一种,也是维生素B8 的生物活性异构体[2],以相对高的水平存在于荞麦种子、大豆等植物以及部分昆虫中[3],多以甲基化或糖基化衍生物的形式存在,是荞麦糖醇的生物降解产物[4];具有胰岛素增敏作用和促进肝脏脂肪代谢功能,能明显降低血糖含量,对糖尿病有显著治疗效果[5]。此外,DCI 还具有改善多囊卵巢综合征(Polycystic Ovarian Syndrome,PCOS)[6]、抗氧化、抗衰老、清除自由基等作用,具有良好的利用价值[7]。然而,目前DCI 以化学合成为主,转化步骤单一化,转化工艺复杂、成本高、副产物多。因此,如何能经济简便地从天然产物中高效分离提取和制备DCI 成为该领域的一个主攻方向。

苦荞麦,俗称苦荞[8]Fɑgopyrum escu-Lentum Moench),属于蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fɑgopyrum)的双子叶作物[9],也是一种高产[10]的粮药兼用珍贵作物资源[11];富含多种营养成分,如生物类黄酮、优质蛋白质、不饱和脂肪酸、膳食纤维等[12]。同时,还含有肌醇类活性物质,特别是在植物资源中很难发现的DCI。研究表明,萌发处理能够降低荞麦植酸含量,提高磷、钙、铁、锌等矿质元素的吸收利用率;提升荞麦脂肪酸的营养价值,提高荞麦中γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric Acid,GABA)和DCI 含量[9]。荞麦籽粒经萌芽处理后,DCI 单体含量提高8 倍左右[13],原因在于,苦荞麦种子萌芽以后,能够释放α-半乳糖苷酶(α-Galactosidase,α-Gal,ΕC 3.2.1.22),该酶可切断DCI 糖醇类衍生物中的糖苷键,释放单体物质,从而增加DCI 的含量[14]。然而,萌发过程中,光照、温度、湿度、pH 值等诸多因素对于DCI 含量有不同程度的影响,存在着巨大的不确定性,且周期较长。因此,本实验采用α-半乳糖苷酶[15]辅助超声法提取DCI 提高其产率,降低提取成本,缩短周期,提高降糖[16]活性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦荞(Fɑgopyrum escu Lentum Moench)来源于四川凉山。

D-手性肌醇标准品(纯度≥98%)、α-淀粉酶(来源于米曲霉)、α-葡萄糖苷酶(来源于黑曲霉),上海源叶生物科技有限公司;α-半乳糖苷酶(来源于黑曲霉),北京博奥拓达科技有限公司;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

982S 紫外分光光度计、PHS-26 数显pH 计,上海精密仪器有限公司;KQ-300DΕ 数控超声波清洗器,昆明市超声仪器有限公司;RΕ-52A 旋转蒸发仪、SHB-3 真空泵循环水系统,上海亚荣生化仪器厂;FW100 高速万能粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司;TDL-5 离心机,上海科兴仪器有限公司;DK-512电热恒温水浴锅,上海森信试验仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 DCI 标准曲线的绘制

参考胡园园等[11]的标准曲线制作方法,采用高碘酸钠氧化法测定DCI 含量,并对其稍做修改:称取适量的标准品DCI,配得终浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mmol/L 的DCI 水溶液,各取标样2 mL 分别加入4 mL,pH 值4.5 的醋酸钠缓冲液和1.2 mL,0.1 mmol/L 的高碘酸钠溶液;以2 mL 蒸馏水,4 mL pH 值4.5 的醋酸钠缓冲液和1.2 mL 0.1 mmol/L 的高碘酸钠溶液作为参比;于260 nm 测定吸光值。以吸光值为纵坐标,以DCI 的浓度为横坐标,绘制标准曲线。

1.3.2 半乳糖苷酶辅助超声波提取的工艺优化

苦荞中DCI 的提取:将一定量的苦荞籽粒原料置于60 ℃烘箱中烘干至恒重,以间歇式高速粉碎机粉碎,过80 目筛,样品袋封存于干燥器中放置备用。

准确称取粉末5.0 g 于烧杯中,按一定料液比加入蒸馏水,调节pH 值,加入半乳糖苷酶,常温下酶解,酶解后加入等体积的无水乙醇,然后置于50 ℃恒温水浴超声(功率为150 W)振荡提取0.5 h,3 000 r/min离心10 min,取上清液,测定其含量。单因素各水平请详见表1。

表1 单因素与水平设计
Table 1 Single factors and horizontal design

1.3.3 响应面优化设计

根据1.3.2 单因素的结果,以DCI 浓度为响应值,采用Box-Behnken 中心组合设计加酶量(A)、乙醇体积分数(B)、酶解温度(C)三因素三水平响应面分析试验。实验设计如表1。使用模型的ANOVA 和3D表面图来分析实验和预测数据以确定模型的准确性,以获得最佳提取过程和预测值的响应变量。水平设计如表2。

表2 响应面分析法因素与水平设计
Table 2 Response surface analysis factor and horizontal design

1.3.4 固相萃取小柱纯化(SPΕ)

(1)活化/调节/老化:用5 mL 去离子水/低离子强度缓冲溶液(0.001~0.01 mol/L)冲洗填料。

(2)上样:将样品加入到填充床上,以1~2 mL/min的速度推过填料。

(3)冲洗:所需样品被保留,则使用去离子水/低离子强度缓冲溶液将弱保留的干扰物冲洗下来。

(4)洗脱:使用5 mL 的高浓度盐溶液(0.1~0.5 mol/L)洗脱所需化合物或改变洗脱缓冲液的酸碱度,使得样品化合物不再离子化,收集样品用于分析。

本实验选用100 mg/mL的SPΕ阴阳离子小柱进行纯化,缓冲溶液分别为0.01 mol/L NaCl 和0.5 mol/L NaCl。

式中:

P——纯度,%;

N——稀释倍数;

c——DCI 浓度,mmol/L;

v——溶液体积,L;

m——干物质质量,g。

样品中DCI 含量计算公式:

式中:

X——样品中DCI 含量,g/100 g;

V——样品定容体积,V=2.00 mL;

C——从曲线上查出的样品溶液中待测物质浓度,mg/mL;

M——称取样品质量,g;

n——稀释倍数,n=1。

1.3.5 高效液相色谱法分析

将DCI 标品和纯化前后样品溶于φ=70%的乙腈水溶液中,使其浓度分别为0.18 mg/mL 和1.8 mg/mL,然后用水系0.22 μm 微孔滤膜过滤,取滤液备用。使用岛津公司HPLC 仪,过酰胺柱(4.6 mm i.d.×150 mm,5 μm),示差折光检测器测定,样品用φ=81%的乙腈溶液洗脱,进样量为20 μL,体积流量设置为1.0 mL/min,柱温为30 ℃,在波长为512 nm 下检测。

1.3.6 对α-淀粉酶的抑制率

参考文献[18]稍作修改,在试管中依次加入200 μL不同浓度纯化前后样品溶液和20 μL 20 U/mg α-淀粉酶溶液,于37 ℃恒温20 min,然后加入200 μL 0.5%淀粉溶液,37 ℃反应15 min,加入300 μL 3,5-二硝基水杨酸(3,5-Dinitrosalicylic Acid,DNS)溶液终止反应,沸水浴放置10 min,冷却,稀释后各取200 μL于96 孔板中,用酶标仪在540 nm 波长下测定吸光值。实验以DCI 标品为阳性对照,计算抑制率。

式中:

R1——对α-淀粉酶的抑制率,%;

A3——加样品及酶的样液在540 nm 波长下的吸光值;

A2——不加酶的样品空白对照在540 nm 波长下的吸光值;

A1——不加样品的空白对照在540 nm 波长下的吸光值。

1.3.7 对α-葡萄糖苷酶的抑制率

参考文献[19]适当调整,在96 孔板中依次加入100 μL 不同浓度纯化前后样品溶液和20 μL 0.125 U/mL α-葡萄糖苷酶溶液,于37 ℃恒温箱中放置20 min,然后加入20 μL 2.5 mmol/L 对硝基苯-α-D-葡萄糖吡喃苷溶液(4-Nitrophenyl-α-D-Glucopyranoside,PNPG)底物溶液,37 ℃温度下反应20 min 后,加入100 μL 0.2 mol/L Na2CO3溶液终止反应,用酶标仪在405 nm波长下测定吸光值。实验以DCI 标品为阳性对照,步骤同上,计算抑制率。

式中:

R2——对α-葡萄糖苷酶的抑制率,%;

A6——加样品及酶的样液在405 nm波长下的吸光值;

A5——不加酶的样品空白对照在405 nm波长下的吸光值;

A4——不加样品的空白对照在405 nm波长下的吸光值。

1.4 数据分析

所有实验数据均为3 次重复,实验结果以x±s 表示。采用Microsoft Office Εxcel 2007、Origin 11.0、Design-Εxpert 8.0.6.1、SPSS 21.0、Calcusyn Demo 软件进行数据处理工作。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 pH 对DCI 浓度的影响

根据标准曲线回归方程:y=0.937 8x-0.056,R2=0.999 1,计算不同pH 值对DCI 浓度的影响,如图1。

图1 pH 值对DCI 浓度的影响
Fig.1 Effect of pH value on DCI concentration

α-半乳糖苷酶广泛存在于植物种子、果实、叶子和块茎中,在动物和微生物中也有分布,来源不同的酶具有不同的特性,如酶的最适pH 值、最适温度、动力学常数Km 等。从图1 可知,pH 值在3~6 时随着pH 值的增加,DCI 浓度呈上升趋势,在6~7 时呈下降趋势。pH 值6,DCI 浓度最大,为4.51 mmol/L。因此,选择pH 值为6 最佳。

2.1.2 酶解温度对DCI 浓度的影响

从图2 看出,酶解温度在20~30 ℃时,DCI 浓度随温度的升高而上升;而在30~60 ℃时,DCI 浓度随温度的升高而下降。本实验采用的α-半乳糖苷酶来自黑曲霉,属于糖苷水解酶,是催化α-半乳糖苷键水的一种外切糖苷酶,对温度和pH 值比较敏感,说明温度过高时可能破坏了α-半乳糖苷酶的活性,致使其无法发挥作用导致DCI 含量的降低。酶解温度在30 ℃时,DCI 浓度最大,为5.71 mmol/L。即在酶解温度为30 ℃时,提取效果最好。不同种类的α-半乳糖苷酶的最适温度也不同,细菌α-半乳糖苷酶嗜热性更好,如T.thermophilus HB27 α-半乳糖苷酶最适温度可达90 ℃;而真菌α-半乳糖苷酶最适温度一般不超过50 ℃[15]。本试验证实α-半乳糖苷酶提取DCI 的最适温度为30 ℃,此结果与“荞麦中D-手性肌醇分离提取与纯化研究”[19]一文中所确定的提取温度一致。

图2 酶解温度对DCI 浓度的影响
Fig.2 Effect of enzymatic temperatures on DCI concentration

2.1.3 酶解时间对DCI 浓度的影响

图3 表明,0.25~0.5 h 内随着酶解时间的延长,DCI 浓度升高,说明随着时间的延长,酶缓慢与底物接触,不断释放DCI 单体溶出;0.5 h,DCI 浓度达到最高值,证实酶充分与底物接触,酶解完全,DCI 单体完全溶出;时间再增加,DCI 浓度趋于平缓,可能是由于苦荞籽粒中的其他成分在水中溶出,改变了酶的最适条件(如pH 值等);有研究表明,α-半乳糖苷酶活性在25~55 ℃的温度下能保持至少30 min[20],时间过长酶可能失活。酶解0.5 h 可使DCI 浓度最大,时间较短效率较高。因此,选择0.5 h 作为最终确定的酶解时间。

图3 酶解时间对DCI 浓度的影响
Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis times on DCI concentration

2.1.4 加酶量对DCI 浓度的影响

酶浓度和底物浓度对酶促反应影响较大,图4 表示了1%~5%不同加酶量的DCI 浓度,随着加酶量的增加,DCI 浓度逐渐增加,加酶量在2%时DCI 浓度最大,为5.80 mmol/L,此时提取率最高;加酶量再升高,DCI 浓度无显著增加,表明2%的加酶量已经达到与底物的充分结合,酶过多达到3%~5%,DCI 的溶出并没有明显的增加。有研究显示[22],用半乳糖苷酶酶解豆浆中的大豆寡糖,用量为1.23%,与此结果较为接近。故选择2%的加酶量最为合适。

图4 加酶量对DCI 浓度的影响
Fig.4 Effect of enzyme dosages on DCI concentration

2.1.5 料液比对DCI 浓度的影响

如图5 所示,在固体物料一定的情况下,随着提取溶剂的增多,提取率呈上升趋势,但上升趋势较为平缓;其中在1:30 的料液比条件下,DCI 的溶出基本已达极限,DCI 浓度基本稳定在5.75 mmol/L。与料液比为1:10 时的5.45 mmol/L 相比,差别不明显。结合图像、经济因素与实际应用考虑,选择1:10 的料液比提取DCI,与王立军等[22]选取的1:15 料液比提取条件相近。

图5 料液比对DCI 浓度的影响
Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on DCI concentration

2.1.6 乙醇体积分数对DCI 浓度的影响

由图6 可知,在乙醇体积分数为30%~50%时,DCI 浓度随乙醇体积分数的升高而增大,在50%时达到最大值,为5.89 mmol/L,说明DCI 虽然易溶于水,但一定的乙醇体积分数会促进DCI 的提取;而在乙醇体积分数为50%~70%时,DCI 浓度有些许下降,说明过高的乙醇体积分数会阻碍了DCI 在水中的溶出。在卢丞文[19]的研究中也指出最佳乙醇体积分数为50%,因此,选用乙醇体积分数为50%的条件来提取DCI更为合理。

图6 乙醇体积分数对DCI 浓度的影响
Fig.6 Effect of ethanol concentration on DCI concentration

2.2 响应面结果分析

使用Design-Εxpert 8.0.6 软件进行响应面回归分析,拟合所得方程:

DCI 浓度=6.14-0.017A+0.14B-0.018C-0.007 034 AB-0.058AC+0.097BC-0.39A2-0.21B2-0.30C2,决定系数R2=0.8255,模型拟合较好,实验值与预测值比较接近。响应面实验设计及结果如表1。

表1 响应面试验设计及结果
Table 1 Response surface test design and results

表2 响应面试验方差分析
Table 2 Response surface test analysis of variance

注:P<0.05 为显著,用“*”表示;P<0.01 为极显著,用“**”表示。

从方差分析结果可以看出,F 值为3.68 即表明模型显著;当P<0.01 时,效果非常显著;当P<0.05时,效果显著。从表可以看出,A2、C2是重要的影响因素;信噪比为4.73>4,说明此模型有足够强的响应信号;较正决定系数R2adj=0.601 2,表明该模型能够解释60.12%响应值的变化。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度,即二者差异的程度。失拟项P=0.483 3>0.05,对模型是有利的,无失拟因素存在,因此可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析。该模型拟合较好,可用于预测苦荞籽粒DCI 的提取工艺结果。通过检验Y 的回归系数,由显著性及F 值可知,各因素对DCI 浓度的影响顺序为:B(乙醇体积分数)>C(酶解温度)>A(加酶量)。

交互效应的强弱可以通过等高线的形状判断,椭圆表示两因素交互作用显著。图中响应面上标记的最高点即为最大值,说明在所选分析的因素水平范围内存在极值[22]。由图可知,加酶量、乙醇体积分数和酶解温度对DCI 浓度均有显著的影响。

图7a 中加酶量和乙醇体积分数对DCI 浓度的结果表明,随着加酶量的增加,DCI 浓度增大,这些酶能够充分将苦荞籽粒中DCI糖醇类衍生物中的糖苷键切断,释放单体物质,使DCI 的含量增加。当加酶量为2%时,DCI 浓度最高,此时酶的作用已达到饱和;随着加酶量提高到大于2%时,DCI 浓度降低,即提取率下降,表明2%的酶已经在DCI 糖醇类衍生物中充分发挥了作用,再增加酶的量反而会使其附着在苦荞籽粒粉末的表面,阻碍了DCI 的溶出。同时,乙醇体积分数也显示出同样的变化趋势。随着乙醇体积分数的增加,DCI 浓度先增加然后减小。

图7 因素交互作用对DCI 浓度的影响
Fig.7 Effect of factor interaction on DCI concentration

注:a 加酶量与乙醇体积分数等高线与交互作用;b 加酶量与酶解温度等高线与交互作用;c 乙醇体积分数与酶解温度等高线与交互作用。

图7b 表示了加酶量和酶解温度对DCI 浓度的影响,当加酶量恒定时,DCI 浓度随酶解温度的增加呈现出抛物线趋势。这是因为酶具有其最适温度,在过高或过低时都无法发挥酶的最大活力,使DCI 溶出减小,测得的浓度较低。而在酶解温度一定时,加酶量也显示出类似的抛物线趋势,加酶量在2%左右时的DCI 浓度最大。可以看出,此曲面图比较均衡,弧度较好,表明两者对于DCI 浓度的影响较为相近,且两者交互作用显著。

乙醇体积分数和酶解温度对DCI 浓度的影响(图7c)表明,酶解温度一定时,随着乙醇体积分数的增加,DCI 浓度先增加后减小,这是因为DCI 易溶于水,一定的乙醇体积分数有利于DCI 的溶出;但乙醇体积分数过高时,因为DCI 微溶于乙醇,反而会对DCI 溶解造成影响,导致测得的DCI 浓度降低。酶解温度对DCI浓度的影响相同,其他参数保持在零水平。

从回归模型中,响应面实验的最佳提取条件为:加酶量为2.12%,乙醇体积分数为47.80%,酶解温度为36.39 ℃。在此条件下计算的DCI 浓度为5.94 mmol/L。为了验证提取条件的可靠性,考虑实际操作,校正最佳工艺参数如下:加酶量为2.1%,乙醇体积分数为48%,酶解温度为36.4 ℃。在此条件下,保证料液比为1:10,酶解时提取溶剂为蒸馏水,酶解时间为0.5 h,3 次平行实验后,DCI 浓度分别为5.86、5.76、5.99 mmol/L。三次平行实验的平均值为5.87 mmol/L。实际含量与模型预测值的误差为1.01%。

2.3 固相萃取小柱纯化(SPΕ)

使用阴离子SPΕ小柱对苦荞中的DCI提取物进行纯化,将纯化液进行干燥,得到浅黄色固体。SAX 小柱纯化回收率为95%。运用高碘酸钠法测定其纯度,发现阴离子纯化样品纯度是粗提物样品的7.37 倍。

根据HPLC 标准系列数据(表3),得到相关性方程:S=222 062C-1 137(S 为峰面积),相关系数为0.999 9,由此相关性方程可得表4 的结果。

表3 HPLC 标准系列数据
Table 3 HPLC standard series data

表4 各样品含量
Table 4 Content of each sample

注:ND,即not detected,表示含量极低,超出仪器检测范围,可近似于未检出。

通过表4 结果显示,活性炭与SCX 小柱纯化后,DCI 几乎为零,即可说明这两种纯化方法不仅没有起到纯化作用,还使DCI 造成了损失,这两种方法运用于DCI 的纯化还有待考究。但是有其他文献显示活性炭柱纯化效果较好,方法类似然而结果不同的原因与活性炭状态、提取物纯化物的保存、还有溶解程度等等都有许多关系。另外,根据8a 图得知,DCI 的出峰时间为10 min。由此与图8b 对比并根据计算可以得出结论:通过SAX 小柱的纯化,纯度提升了80%,但总的来看,不论是粗提物还是纯化物,DCI 的含量都比较少,除苦荞中DCI 含量少的原因外,与提取方法和纯化方法都有影响,因此,从苦荞中提取DCI 的提取与纯化技术仍然有待研究。

图8 高效液相色谱图
Fig.8 High performance liquid chromatogram

注:a:DCI 质量浓度为8 mg/mL 的HPLC 图;b:SAX纯化物HPLC 图。

2.4 体外抗糖尿病活性测定结果分析

2.4.1 对α-淀粉酶的抑制率

通过检测样品对α-淀粉酶的抑制率来判断其抗糖尿病活性,其原理是:在α-淀粉酶存在下水解淀粉,体外测量α-淀粉酶活性,降低的蓝色强度表明酶诱导的淀粉水解成单糖[23];若能抑制酶活性,则控制了体液内糖的含量。图9 表明,DCI 标品与纯化前后提取液均具有相同的趋势,随着溶液质量浓度的增大,α-淀粉酶的抑制率也逐渐增大,表明了α-淀粉酶的抑制率与质量浓度成正相关。同一溶液质量浓度下,DCI标品抑制活性最高,纯化后溶液次之,纯化前溶液最低,说明纯化效果较好。由表5 IC50值可以看出,样品纯化前后对α-淀粉酶活性没有显著性差异,但略低于DCI 标品。

图9 不同浓度DCI 标品及纯化前后溶液对α-淀粉酶抑制率的影响
Fig.9 Effects of different concentration DCI standards and solutions before and after purification on the inhibition rate of α-amylase

表5 抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的IC50
Table 5 Inhibition of α-amylase and α-glucosidase IC50 values(mg/mL)

2.4.2 对α-葡萄糖苷酶的抑制率

α-葡萄糖苷酶(ΕC 3.2.1.20)是水解淀粉和二糖以产生葡萄糖的关键酶。α-葡萄糖苷酶抑制剂已成为治疗多种疾病的目标,包括II 型糖尿病和肥胖症等。这种酶抑制剂有助于延缓糖的裂解,从而控制糖尿病患者和肥胖症患者的餐后血糖水平[24]。实验中,α-葡萄糖苷酶催化对硝基苯-α-D 吡喃半乳糖苷(PNPG)反应生成黄色对硝基苯酚(PNP),在405 nm 处有最大吸收光,溶液颜色随PNP 的含量增多逐渐颜色加深[25]

图10 表明,α-葡萄糖苷酶的抑制率与质量浓度成正相关,即α-葡萄糖苷酶的抑制率随溶液质量浓度增大而增大。但与α-淀粉酶结果不同的是,此图中在同一溶液质量浓度下,DCI 标品的α-葡萄糖苷酶抑制率最低,说明苦荞籽粒的提取液中除了DCI 外,还有其他活性成分可能通过抑制α-葡萄糖苷酶的方式达到降血糖的功能,例如黄酮等[26]。溶液质量浓度小于1.2 mg/mL 时,相同浓度下纯化后的抑制率比纯化前的高;质量浓度在1.2~1.6 mg/mL 时,对α-葡萄糖苷酶的抑制活性相当;而质量浓度大于1.6 mg/mL 时,纯化前溶液比纯化后溶液抑制率大,质量浓度为2 mg/mL 时,纯化前溶液对α-葡萄糖苷酶的抑制活性高达95%,由表5 抑制α-葡萄糖苷酶的IC50值结果显示,纯化后抑制 α-葡萄糖苷酶的质量浓度为0.47 mg/mL 高于纯化前的0.68 mg/mL,纯化前后都优于DCI 标品。

图10 不同浓度DCI标品及纯化前后溶液对α-葡萄糖苷酶抑制率的影响
Fig.10 Effects of different concentration DCI standards and solutions before and after purification on the inhibition rate of α-glucosidase

3 结论

以苦荞籽粒为原料,采用α-半乳糖苷酶结合超声波方法可以有效的获得高浓度DCI,体外抗糖尿病实验表明,苦荞籽粒中的DCI提取物对α-淀粉酶及α-葡萄糖苷酶的活性均有一定的抑制作用,为DCI的提取以及降血糖的相关研究提供了一定的参考。主要结论总结如下:

(1)α-半乳糖苷酶辅助超声波法对于DCI 含量影响较大的三个因素为加酶量、乙醇体积分数以及酶解温度,且影响顺序为:乙醇体积分数>酶解温度>加酶量。最佳工艺条件为:加酶量为2.1%,乙醇体积分数为48%,酶解温度为36.4 ℃,料液比为1:10,酶解时提取溶剂为蒸馏水,酶解时间为0.5 h;在此条件下测得的DCI 浓度为5.87 mmol/L。证实酶法辅助超声提取活性成分可以有效切断DCI糖醇类衍生物中的糖苷键,释放单体物质,从而增加DCI 的含量。

(2)对于DCI 的纯化,活性炭、固相萃取离子小柱效果都不是特别好,但相比较而言,阴离子(SAX)固相萃取小柱纯化效果最好,能够将纯度提高80%。

(3)通过α-淀粉酶及α-葡萄糖苷酶体外降糖的实验,说明对酶的抑制率与DCI 浓度成正相关,并且从侧面表明了纯化效果显著;同时能够得出,苦荞籽粒的提取液中除了DCI 外,还有其他活性成分可能也具有降血糖的功能。

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Enzymatic Extraction of D-chiro-inositol in Tartary Buckwheat and Its in Vitro Hypoglycemic Activity

TIAN Xiaoyan1,BAI Xiaolin1,WANG Zhenyu2,ZHANG Daqian1,FAN Ziluan1,3*
(1.College of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)(2.College of Food Science,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)(3.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Forest Food Resources Utilization,Harbin 150040,China)

Abstract: Using Tartary buckwheat grains as the research object,D-chiro-inositol (DCI) was extracted via an enzyme-assisted ultrasonic method.The effects of pH,enzymatic hydrolysis temperature,enzymatic hydrolysis time,enzyme concentration,solid-liquid ratio,and ethanol concentration on DCI concentration were investigated,and the extraction process of DCI was optimized using response surface methodology.The optimal enzymatic hydrolysis pH was 6,enzymatic hydrolysis temperature was 36.4 ℃,enzymatic hydrolysis time was 0.5 h,enzyme concentration was 2.1%,solid-liquid ratio was 1:10,and ethanol concentration was 48%;as such,DCI concentration measured under these conditions was 5.87 mmol/L.Further,the in vitro hypoglycemic activity of the extract before and after purification was evaluated using α-amylase and α-glucosidase.DCI was purified with activate carbon and a solid-phase extraction cartridge.Anion (SAX) solid-phase extraction cartridge produced the best purification effect,increasing the purity by 80%.The 50% inhibitory concentration (IC50) of DCI on α-glucosidase in Tartary buckwheat decreased from 0.675 to 0.472 mg/mL,indicating a significant purification effect.The proposed α-galactosidase-assisted ultrasound method effectively produced a high concentration of DCI,and the purified DCI showed excellent in vitro hypoglycemic activity.These findings provide a theoretical reference for the comprehensive development and utilization of Tartary buckwheat.

Key words: D-chiro inositol;α-galactosidase;hypoglycemic activity;Tartary buckwheat

文章编号:1673-9078(2023)05-32-40

DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.5.0663

引文格式:

田晓艳,白晓琳,樊梓鸾,等.酶法提取苦荞D-手性肌醇及体外降糖活性[J].现代食品科技,2023,39(5):32-40.

TIAN Xiaoyan,BAI Xiaolin,FAN Ziluan,et al.Εnzymatic extraction of D-chiro-inositol in tartary buckwheat and its in vitro hypoglycemic activity [J].Modern Food Science and Technology,2023,39(5): 32-40.

收稿日期:2022-05-25

基金项目:国家自然科学基金项目(31170510);黑龙江省大学生创新训练项目(202110225278);黑龙江省科学自然基金项目(JJ2020LH1480);中央高校科学前沿与交叉学科创新基金项目(2572019BA09);黑龙江省高等教育教学改革项目(SJGY20200018);中国博士后科学基金(2016M600239)

作者简介:田晓艳(1998-),学士,研究方向:植物活性成分功能,Ε-mail:2642883465@qq.com

通讯作者:樊梓鸾(1981-),博士后,副教授,研究方向:天然产物分离纯化及功能活性评价,Ε-mail:fzl_1122@163.com