Food Bioproc Tech：葡萄α -淀粉酶和α -葡萄糖苷酶抑制能力的研究

葡萄α -淀粉酶和α -葡萄糖苷酶抑制能力的研究

期刊：Food and Bioprocess Technology（5.4）

发表日期：2023年

 

 

研究摘要

 

由于功能性食品在维持健康状态和预防某些代谢疾病方面的作用，功能性食品的概念变得越来越重要。而糖尿病的控制被认为是一个巨大的挑战，尤其是Ⅱ型糖尿病（T2DM），由于为它涉及其他因素，如饮食习惯。从药理学角度出发，抑制消化酶，如α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，是合成药物主要用来控制这种疾病的机制之一，但同时也存在着许多副作用。因此使用生物活性化合物可能会作为替代品出现，而不会呈现市场上的合成药物有并发症。酿酒业每年产生成吨的废物，葡萄渣(GP)是最重要的。GP因其营养价值并具有有益于人类健康的生物活性化合物而受到认可。本论文强调了GP作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制剂可能来源的重要性。此外，还强调了参与这种生物活性的成分以及它们之间可能的相互作用。特别是GP的一些酚类化合物和纤维是干扰人体消化酶的主要物质。体外初步研究证实了这种生物活性，但是还需要进一步的研究，使GP可被允许作为一种功能性产品应用于糖尿病患者。

 

 

研究背景

 

功能性食品含有生物活性化合物，这些化合物负责提供超出其营养能力的健康益处，特别是在体外评估的抗氧化、抗炎和抗糖尿病活性。糖尿病是二十一世纪的人类面对健康的重大挑战之一，在过去20年中，糖尿病患者数量增加了两倍多。而抑制消化酶，如α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，是控制这种疾病的选择之一。但是据报道，抑制消化酶会引起胃肠道不适和乳酸酸中毒是一些不良反应。目前研究表明部分水果、蔬菜和蘑菇能够抑制消化酶的活性。GP 被公认为可以预防胰岛素和炎症，此外，GP 中存在的不同化合物（如酚类和纤维）能够通过抑制酶 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶从而达到抗高血糖作用。因此，本综述是强调GP具有抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的潜力，从而控制糖尿病。

 

实验内容

 

1、糖尿病

糖尿病（DM）是一种慢性非传染性疾病，当内分泌胰腺无法分泌适量的胰岛素，或身体对其产生的胰岛素没有反应时，就会发生糖尿病。Ⅰ型 （T1）DM自身免疫性T细胞介导的针对胰腺产生胰岛素的β细胞反应的结果，身体产生很少或根本不产生胰岛素。Ⅱ 型 （T2） DM是最常见的糖尿病类型，其中高血糖症主要是由于胰岛素抵抗和胰岛素产生减少。胰岛素抵抗是细胞内脂质诱导的胰岛素刺激胰岛素受体底物（IRS）-1酪氨酸磷酸化的结果，该抑制导致了IRS-1相关的磷脂酰肌醇3激酶活性降低。

两种糖尿病类型的预期寿命都缩短。所有形式的糖尿病中，早期诊断和管理对于预防或减缓糖尿病肾病、视网膜病变、心血管疾病和糖尿病足溃疡等潜在并发症都很重要。潜在的风险因素，包括肥胖和不健康的饮食，主要是由于碳水化合物和脂肪摄入量的过度增加，以及缺乏身体活动。目前，西化饮食的出现使营养不良（超重、肥胖、代谢综合征等）的患病率在逐渐增加，而 COVID-19 的流行也加剧了这种情况。糖尿病是 COVID-19 并发症的重要危险因素。由此可见，全球 T2 DM 患病率的增加是社会经济、人口、环境和遗传因素相互作用的结果。

为了控制 T2DM，现提倡改善生活方式、降低体重指数和服用抗糖尿病药物。T2DM 管理中最常用的是胰岛素促分泌素、降低胰岛素抵抗的药物和碳水化合物消化酶抑制剂 （AGI）。α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶是被抑制的主要酶，两者都是水解酶，α-淀粉酶的活性是催化淀粉水解，它需要钙作为金属辅助因子的存在。这种酶在唾液腺和胰腺中产生，然后分别分泌到口腔和小肠中。α-淀粉酶的二糖和低聚糖通过位于小肠上的α-葡萄糖苷酶进一步水解为葡萄糖。这些酶被认为是调节餐后高血糖症，维持整体血糖水平的靶标，他们均以竞争性方式受到抑制，降低了它们对膳食淀粉中低聚糖的亲和力，并抑制了单糖的形成。

然而，碳水化合物消化酶抑制剂存在一些副作用，如肠胃胀气和腹泻、腹痛和营养吸收减少。尤其是阿卡波糖，由于其对α淀粉酶的非特异性抑制，导致未消化的碳水化合物在大肠中过度积累。因此寻找特异性更强、耐受性更好的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制剂是一个重要问题。植物化学物质具有有效性、可用性和低毒性，据报道，一些植物提取物通过抑制消化酶来抵消T2DM，其抑制程度甚至比商业药物更强。天然提取物，尤其是富含原花青素的提取物，已显示出抑制肠道α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的能力，可能构成合成AGIs的替代品。

 

2、葡萄渣

葡萄酒生产在农业和饮料行业中占有很大一部分，它会产生大量的废物，GP 是最重要的一种，每 6 升葡萄酒产生 1 公斤 GP。 目前GP被广泛用作肥料（尤其是葡萄茎）、产热器和牛饲料。此外，GP还可用于生产一些增值成分，如食用酸（柠檬酸、酒石酸和苹果酸）和膳食纤维，以及乙醇。此外，GP 是制备意大利格拉巴酒等酒精烈酒的初始原料。

在酿酒过程之后，葡萄中的部分生物活性化合物被转移到葡萄酒中，残留物中仍存在高浓度的活性化合物质。因此，认识到GP是促进健康的成分的来源，极大地鼓励了其在行业内作为食品成分的使用。在GP发现的成分中，酚类化合物和膳食纤维文献报道最多，在GP中的比例分别高达85%和70%。

 

3、葡萄渣健康促进成分

酚类化合物存在于大多数植物中，迄今为止已检测到10,000多种结构。近年来，这些生物活性化合物在促进健康和预防疾病方面具有巨大潜力，这也激发了人们对这些次级代谢物的兴趣。酚类化合物的含量及其组成取决于葡萄的品种、生长区域、气候，以及酿酒过程中的其他因素。葡萄浆果中的酚类化合物分布在果肉、种子和果皮中，最后两种是主要来源，尤其是原花青素。这些生物活性化合物的一部分在酿酒后留在GP中，还有大量的儿茶素，表儿茶素和黄烷-3-醇。此外，GP中存在的酚类化合物在储存过程中表现出良好的稳定性。到目前为止，GP中存在的酚类化合物有不同的应用，如表1所示。在所有情况下，无论食物基质如何，用GP强化后酚类化合物的浓度和抗氧化活性都有所增加；在某些情况下，添加GP有助于延缓脂质氧化。此外，GP的添加增加了小麦面包和意大利面的柔韧性，呈现出更好的体积、硬度、味道强度和颜色。而与对照组相比，GP添加后酸奶的硬度和稠度没有太大变化。

另一方面，膳食纤维已被研究具有多种生物活性，如改善胃肠功能、降低低密度脂蛋白 （LDL） 胆固醇和调节餐后胰岛素反应的反应。此外，纤维有助于降低患心血管疾病的风险，它被定义为一种可食用的碳水化合物。膳食纤维可分为可溶性和不溶性，前者包括β葡聚糖、半纤维素、果胶和低聚糖。可溶性膳食纤维被认为可降低 T2DM 患者的血糖水平并控制肥胖，而不溶性纤维通过快速通过胃肠道，为粪便提供大量食物来预防便秘和痔疮。

据报道，GP 中含有丰富的纤维，可以将其用于烘焙和乳制品的制作。此外，葡萄副产品主要含有纤维素、半纤维素、聚糖和果胶，不溶性膳食部分。抗氧化剂膳食纤维一词，已用于定义一种既具有天然抗氧化剂又具有膳食纤维有益作用的产品。例如，它可以呈现抗氧化特性并抑制脂质和蛋白质氧化。膳食纤维和酚类化合物的健康效果在大肠水平上得到了证实。此外，酚类化合物能够改变肠道微生物群，改善和抑制有益菌和致病菌的生长。

 

 

4、葡萄渣作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制剂

酚类化合物已被公认为具有多种生物活性，包括抗糖尿病活性，这主要与它们降低餐后血糖水平的能力有关，特别是通过抑制人类消化酶，减少膳食淀粉消化和吸收。酚类物质，通过与消化酶的位点或底物结合，使它们失去活性。 酚类化合物的一些特性，如分子量、数量和取代位置，决定了它们的消化酶抑制活性。此外，黄酮类化合物已被证实能够与淀粉形成共价键，从而干扰α淀粉酶活性，降低其作为酶底物的可用性。葡萄籽的原花青素能够抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，具有抗氧化和抗高血糖等作用。原花青素比单体酚类化合物具有更多的潜在相互作用位点，因此它们可以很容易地与不同的分子（如酶）交联。另一方面，原花青素已被证实可以抑制这些关键酶，它们具有高聚合度和众多羟基。成熟水果中高度聚合这些分子，比未成熟水果中的低聚合分子，对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制效果更好。

此外，与阿卡波糖相比，原花青素和花青素已被证明分别在抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶方面发挥主要作用（Lavelli等人，2015）（Yilmazer-Musa等人，2012）。关于儿茶素，有人认为，高合金化的儿茶素和儿茶酚型儿茶素比非高尔化和邻苯三酚型儿茶素具有更高的α-淀粉酶抑制活性（Takahama&Hirota，2018;Yilmazer-Musa 等人，2012 年）。此外，来自儿茶素的没食子醇基团通过结合活性位点以外的其他位点来抑制α-淀粉酶活性，并且对人α淀粉酶具有良好的亲和力（Miao等人，2014）。还发现儿茶素通过形成淀粉 - 儿茶素复合物而不改变α-淀粉酶活性，分别抑制和增强支链淀粉和直链淀粉消化（Liu等人，2011）。此外，白藜芦醇可以延迟两种酶的活性。然而，当使用低浓度和高浓度时，酚类化合物会分别增强或降低α淀粉酶活性。一般来说，据报道，单宁会抑制α-淀粉酶，而α-葡萄糖苷酶会被较小的酚类化合物（如酚酸）灭活。除了酚类化合物在这种生物活性中的潜力外，食物中的浓度、生物可及性、吸收、代谢和生物利用度等几个因素可以最大限度地提高这种化合物的抗糖尿病能力（Chen 等人，2019 年; de Paulo Farias 等人，2021 年）。例如，正如Martinez-Gonzales等人（2017）所报道的那样，pH值和温度等因素可能会改变酚类化合物和蛋白质（包括消化酶）之间的相互作用。

另一方面，酶和酚类化合物之间最常认识到的分子相互作用是范德华、静电力和氢以及疏水结合，它们与以非竞争性方式抑制酶有关。因此，抑制剂可以与游离酶或复合酶-底物结合。此外，这种抑制作用以前在GP中被发现。已经观察到一些酚类化合物抑制以竞争性方式存在，特别是来自槲皮素和咖啡酰奎宁酸的酚类化合物抑制。然而，非共价相互作用被认为是酶抑制的关键，因为它们代表了可逆抑制的基础，这在某些医学治疗中可能是有用的。没食子酯基团的数量和聚合度是酚类化合物结构的主要特征，影响其与蛋白质的相互作用。

此外，由于纤维的淀粉和酶网络，α淀粉酶活性与不溶性纤维含量和酶对底物的可及性有限有关。此外，不溶性膳食纤维对α-葡萄糖苷酶的抑制作用高于对α-淀粉酶的抑制作用，这种活性可能与纤维表面存在的抑制剂以及多孔纤维网络的捕获能力有关。然而，可溶性膳食纤维通过减少葡萄糖吸收与餐后葡萄糖反应最相关。

GP 已被确定为α-葡萄糖苷酶和 α-淀粉酶抑制剂（表 2），显示出，尤其是红色品种，在糖尿病管理中可能具有潜力。表2显示，酵母α-葡萄糖苷酶通常用于研；然而，哺乳动物酶在生物学上更具相关性，因为它们与作用于人类肠道的酶更具可比性。此外，GP降低了淀粉消化率和估计的血糖值指数。此外，GP 用于强化酸奶，显示出更高的α-葡萄糖苷酶抑制活性。GP粉末中存在的种子及其提取物已被描述为分别抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，其效率与阿卡波糖相当且更高。在α-淀粉酶的情况下，这种活性甚至比分离的儿茶素发挥的活性更有效，而表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）对α-葡萄糖苷酶抑制具有更显着的作用。另一方面，当用葡萄皮喂养糖尿病小鼠时，抑制α-葡萄糖苷酶已被证明可以减少糖尿病小鼠的餐后高血糖症，而最近的一项研究表明GP对葡萄糖吸收没有影响，但抑制淀粉酶活性。

评估GP抑制活性时要考虑的另一个因素是研究类型。在初步的体外筛选之后，有必要进行体内模型，以了解一些因素，例如生物利用度和对GP成分的生理反应。然而，要获得健康声明，必须进行人体临床试验。

 

 

 

试验结论

 

本综述强调了GP作为一种有前途的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制剂的重要性，因为它的组成部分很复杂。多样化的酚类化合物和纤维是与这种生物活性更相关的成分，超越了它们的传统特性。此外，GP对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制已被证明也存在于含有该成分的强化食品中。然而，关注所进行的研究类型至关重要，因为大多数研究都是体外初步的，临床试验对于得出更有力的结论是必要的。虽然本综述中报告的研究是在GP提取物中进行的，但整个GP的使用会更方便，因为它更易于使用且环保，并且可能保留所有参与α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性的生物活性化合物。随着时间的推移抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的 GP 能力是另一个需要考虑的因素，因为在其储存过程中，内部 GP 组分之间可能会发生多种反应，从而改变其生物活性。这篇评论涉及在酿酒过程之后获得的GP;然而，关于在生产蒸馏酒后回收的耗尽的GP的利用信息很少，其生物活性几乎没有被指出。在食品工业中，这些副产品作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制剂作为功能性成分的价值化，可以鼓励采用循环经济方法，实现更可持续的生产。