β-环糊精对苦瓜汁的脱苦作用及其抗糖尿病潜能
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2021-12-21
糖尿病是一个主要的健康问题，预计糖尿病患者将从2000年的1.71亿增加到2030年的3.66亿。与主流的合成口服药物一样，据估计30%的糖尿病患者更喜欢补充和替代草药。苦瓜的果实又称苦瓜、苦瓜或苦瓜，属于葫芦科，广泛种植在印度、中国和东南亚。它是碳水化合物、蛋白质、矿物质(如铁和钙)、维生素(尤其是维生素C)和膳食纤维的良好来源。还含有三萜苷、皂苷、生物碱、酚类成分和还原糖。因此，几个世纪以来，在印度、中国、非洲和拉丁美洲，水果和叶子的提取物被用于制备治疗溃疡、糖尿病和感染的传统药物。最近，由于苦瓜具有多种健康益处，如抗癌活性、降低糖尿病和血脂，苦瓜作为一种膳食补充剂在全球范围内引起了越来越多的兴趣。苦瓜果实提取物也在许多体外和体内的实验中证明了抗糖尿病的活性，使用动物模型进行。此外，也有研究表明苦瓜的降血糖作用与口服药物如莫芬和格列本脲相当。
Selvakumar, Shathirapathiy, Jainraj和Paul(2017)提出了苦瓜作为鲜榨汁食用的效果更好。最近，人们正在努力将苦瓜果实制成一种具有更好营养和感官特性的饮料(果汁/南瓜)。只有少数研究对苦瓜的饮食和降血糖饮料的配方进行了研究。尽管苦瓜的营养价值很高，但由于其苦味，苦瓜在亚洲以外的地区并不受欢迎。减少或掩盖苦味和增加水果的可食性的传统方法包括在烹饪前削皮，添加糖、脂肪或盐，并与常用的蔬菜制备相结合。导致苦瓜苦味的主要化合物是苦瓜苷K和L这两种三萜苷。迄今为止，关于这些痛苦原则的健康益处的报告并不多。然而，一些研究报道，含有苦瓜苷K的乙醇组分对MCF-7、WiDr、HEp-2和Doay人肿瘤细胞系和A549肺癌细胞具有抗增殖活性。据报道，部分苦瓜苷L具有一定的降血糖活性。因此，考虑到这些化合物可能还有未被探索的健康益处，通过包合复合物的形成来保留这些化合物可能是一种更好的替代方法，而不是去除它们。
1. 苦瓜汁的感官评价
该研究的主要目的是提高苦瓜汁的适口性和消费者接受度。添加β-CD对苦瓜汁感官属性的影响见表1。随着β-环糊精添加量的增加，果汁的苦味显著降低(p < 0.05)。含2% β-CD的苦瓜汁无苦味(7.8±0.2)分，整体可接受度(8.1±0.2)分。大多数小组成员报告说，在对照组的果汁中有强烈的苦味。因此，值得注意的是，添加0.25% β-环糊精显著降低了对照果汁的苦余味。当苦味成分与β-环糊精形成包合物时，果汁中苦味的减少或消除。据报道，添加0.3% β-环糊精后，柚子和橘子汁的苦味显著减少。CDs还被用于饮料，如胡萝卜橙汁，以改善营养方面，理化参数和感官特性。添加β-环糊精除抑制苦味外，还显著改善香气分布(p < 0.05)。随着β-CD含量的增加，呈现出一种微妙的、类似蔬菜的香气。研究者注意到，含有1.5% β-环糊精的苦瓜汁香气最好，平均得分为7.7±0.4。对颜色无显著影响(p > 0.05)。甜叶菊粉赋予了轻微的甜味，增加了果汁的整体接受度。在这项研究中，苦味的显著减少和果汁的整体可接受性的增加被证明。如前所述，苦瓜的苦味是苦瓜苷K和苦瓜苷L两种苦味原理造成的，其苦味产生的机理可能是β-CD对苦瓜苷的包封，并通过2D NMR和FTIR研究进一步证实了这一结论。
2. 添加β-CD对苦瓜汁总酚含量及抗氧化能力的影响
六种处理的总酚含量如图1a所示。对照苦瓜汁的TPC为579.3±3.9µg GAE mL−1。0.25% β-CD(579.7±3.7µg GAE mL−1)对总酚含量无显著影响(p < 0.05)。随着β-环糊精浓度的增加，总酚含量显著增加(p < 0.05)。2% (w/v) β-环糊精汁的TPC最高(610±4.1µg GAE mL−1)。多项研究报道，当酚类化合物的包合物与β-CD形成时，其溶解度和抗氧化活性增加。同样，随着β-CD浓度的增加，果汁的总抗氧化能力也显著增加(图1b)。抗氧化能力从对照组的278±4.0µg GAE mL−1显著提高到添加2% β-CD的334±2.1µg GAE mL−1。在只含β-环糊精而不含果汁的溶液中，未观察到明显的抗氧化活性和总酚活性(表S5)。酚酸如咖啡酸、阿魏酸和对香豆酸对高温、氧化敏感，在水中溶解度较差。因此，值得注意的是，β-环糊精还可以通过增加果汁中这些酚酸的溶解度、生物利用度和抗氧化活性来增强它们的稳定性。
这项研究的另一个重要方面是研究脱苦对果汁抗糖尿病潜能的影响。添加β-CD对果汁α-淀粉酶抑制活性的影响如图2a所示。对照汁抑制α-淀粉酶活性为30±2.8%。β-CD为1.5% (w/v)时，α-淀粉酶抑制活性(29±2.5%)与对照组相比略有变化，但差异不显著(p > 0.05)。β-CD浓度增加到2% (w/v)时，α-淀粉酶抑制活性显著降低(p < 0.05)至26±0.7%。同样，对照苦瓜汁的α-葡萄糖苷酶抑制活性为56±2.6%(图2b)。当β-CD浓度为0.75% (w/v)时，活性显著降低至52±1.4%。进一步增加β-CD可显著降低α-葡萄糖苷酶抑制活性(p < 0.05)。在2% (w/ v) β-CD浓度下，α-葡萄糖苷酶抑制活性降低至44±0.7%。因此，本研究提示α-淀粉酶的作用抑制活性与对照组相同，但处于边际(10%)，但观察到α-葡萄糖苷酶抑制活性显著降低。苦瓜汁富含酚类和抗糖尿病化合物，表现出不同的理化性质。这些化合物总是有可能与β-环糊精相互作用。这些化合物的相互作用程度和结合效率可能会影响它们的抗糖尿病特性。此外，本研究还通过体外试验测定了抗糖尿病潜能。观察到的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性的降低可能是由于物理相互作用，如疏水或范德华力与β-环糊精。β-环糊精的一个重要特性是它不被口服吸收，在通过胃和小肠时保持完整，但在到达结肠时被水解。因此，客体分子可以从这个区域被吸收。因此，有可能的是，在人体系统中，果汁的抗糖尿病潜能没有变化。
研究人员研究了在50 g淀粉中添加1 g β-CD对葡萄糖曲线、胰岛素水平和胃抑制多肽反应的影响。与对照淀粉相比，β-CD淀粉显著降低(p < 0.05)，餐后葡萄糖反应降低，胰岛素和胃抑制多肽反应降低。有报道称，β-CD对催化直链淀粉水解的猪胰岛α-淀粉酶有抑制作用。由于它们的结构和化学相似性直链淀粉和麦芽糊精，它们作为竞争性抑制剂，并结合酶的活性位点。因此，可以认为添加β-环糊精不仅是一种脱苦剂，而且通过抑制α-淀粉酶有助于维持抗糖尿病活性。许多先前的报告已经确定了三萜是很有希望的抗糖尿病候选药物。苦瓜苷属葫芦烷型三萜苷类。虽然关于苦瓜苷K和L的抗糖尿病潜力的信息并不多；从苦瓜中提取的苦瓜苷Q、R、S和T也被证实具有抗糖尿病活性。此外，有报道称，三萜类与β-环糊化酶的结合有助于提高其生物利用度。因此，可以推测，添加β-环糊精可能导致具有抗糖尿病特性的苦瓜苷的生物利用度增加。因此，该方法进一步加强了获得既具有优越感官属性又具有显著抗糖尿病作用的果汁的目的。
随着β-CD浓度的增加和苦瓜苷浓度的增加，苦瓜苷的吸光度在波长(λ max = 230 nm)不变的情况下增加。1/A与1/[β-Cyd]呈良好的线性关系，R2= 0.92。苦瓜苷K的结合常数为2622.5 M−1，苦瓜苷K的结合常数为2511.2 M−1。最大偏差点的“R”值用于测定包合物的化学计量学。当R = 0.33时，主客比为1:2；R = 0.5时为1:1，R = 0.66时为2:1。研究中，图的最大值在R = 0.5时得到，这表明苦瓜苷和β-环糊精的化学计量比为1:1。通过二维ROESY NMR和FTIR验证了苦瓜苷K和βCD包合物的形成及其机制。
4.1 核磁共振光谱分析
利用核磁共振波谱分析了苦瓜苷(K和L)与β-环糊精之间可能的相互作用，为主客体分子之间的空间邻近性提供了有力的证据。通过一维NMR的化学位移(Δδ)变化(上、下场)可以证明苦瓜苷是否存在于β-CD中，Δδ =δ(complex)−δ(free)。有人建议，当ΔδH3 >ΔδH5，客体的部分包含分子发生空腔内；而Δ δH3≤ΔδH5时，由于H3位于CD腔宽边缘附近，而H5则位于CD腔窄边缘附近，因此发生了全部包合。
β-CD的核磁共振谱由6种类型的质子组成：H-1偶极子δ 4.97，H-3三态子δ 3.851，含有H-5和H-6的强峰δ 3.751-3.789, H-2偶极子δ 3.554，H-4三态子δ 3.49。β-CD和β-CD/苦瓜苷包合物的质子化学位移见表2。正信号表示前场位移。从δ值来看，苦瓜苷的ΔδH3 >ΔδH5。结果表明，β-环糊精中含有部分苦瓜苷K和L。当使用旋转框架的核超支效应(NOE)光谱识别时，任何两个在0.4 nm空间距离内的质子都会产生核超支效应(NOE)交叉相关，二维核磁共振波谱给出了更详细的了解。因此，我们进行了2D ROESY实验，以阐明苦瓜苷与β-CD之间的相互作用并进一步深入了解(图3a)。2D光谱表明，β-CD的质子H-3与苦瓜苷K的26和27位ch3基团之间存在强的分子间交叉(图3b)。β-CD的质子H-6与苦瓜苷K的18位质子之间也有很强的交叉(图3b)。苦瓜苷k的疏水三萜区存在26、27和18位的质子。这些结果表明，形成苦瓜苷疏水部分的三萜骨架被纳入腔内(图3b)。
4.2 红外光谱
在苦瓜苷K和苦瓜苷L的包涵物中，吸收带从1643.02 cm−1和1653.16 cm−1显著转移到1647.88 cm−1。这个吸收带对应于苦瓜苷碳23和24之间的C=C键(表S4，补充数据)。此外，在苦瓜苷K-β-CD中，在1745.12 cm−1处的峰移至1730.87 cm−1，而在苦瓜苷L-βCD中，在1740.44 cm−1处的峰移至1694.16 cm−1，即C19处醛C=O拉伸的频率。在FTIR分析方面，在之前的研究中，β-CD-薰衣草、β-CD-姜黄素配合物和β-CD-芬布芬和布洛芬包合物。C=C对应的所有碳都是疏水三萜结构的一部分(图3b)。这些结果也表明苦瓜苷的疏水三萜区与β-环糊精之间存在相互作用。因此，红外光谱得到的结果与NMR得到的结果一致，进一步强化了相互作用的证据。
综上所述，添加β-环糊精可显著降低苦瓜汁的苦味，且呈浓度依赖性。与对照相比，添加1.5% β-环糊精的果汁感官品质最佳，其苦味减少、总酚类物质增加、总抗氧化活性提高。这是由于β-环糊精增加了酚类物质的溶解度。然而，体外α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制实验表明，添加β-环糊精后，抗糖尿病活性略有降低。该研究为苦瓜汁脱苦提供了一种高效、简便、经济的方法，从而改善苦瓜汁的感官特性。由于增加了适口性，添加β-CD可能会增加苦瓜汁作为一种辅助治疗糖尿病的潜在用途。