張 妍,劉紅蕾,姚月英,霍俊偉,
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030;2.寒地小漿果開發(fā)利用國家地方聯(lián)合工程研究中心,黑龍江哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實驗室,黑龍江哈爾濱 150030)
桑葉是桑樹(Morus albaL.)的葉子,產(chǎn)量占桑樹年產(chǎn)干物質(zhì)量的三分之一左右[1]。桑樹在中國已有4000多年的歷史,但由于其能夠在溫帶到熱帶等多種氣候條件下生長,目前已在全世界種植,世界各地約有80種桑屬植物[2]。桑葉不僅是蠶的食物,還被廣泛用作食品、食品添加劑和民間藥物[3],用于降血糖、降血脂、降血壓、抗動脈粥樣硬化和抗驚厥劑[4]。蒙古桑(Morus mongolicaSchneid.),為白桑的變種,生長期在每年3~5月份,具有良好的抗寒性,在黑龍江地區(qū)種植高達(dá)上千畝,此品種的果實口感要比大多數(shù)品種好,而前人對蒙古桑葉中多酚生物活性的研究較少,其具有較大的開發(fā)潛力。
桑葉是一種含有多種功能成分,有益健康的植物材料,一些報道表明桑葉含有高含量的生物活性化合物,包括酚酸、黃酮、生物堿和γ-氨基丁酸[5]。Thabti等[6]揭示了桑葉(Morus rubraL.)黃酮醇類物質(zhì)的主要成分,如山奈酚-7-O-葡萄糖苷、蘆丁、異槲皮苷、黃芪苷和槲皮素-3-(6-丙二酰)葡萄糖苷。這些化合物此前已被證實具有抗氧化、抗高血壓和抗炎作用,可預(yù)防動脈粥樣硬化和降低血糖[7]。Lown等[8]研究了桑葉(英國)提取物對葡萄糖耐量水平的改善。結(jié)果表明,桑葉提取物可顯著降低攝入麥芽糊精(玉米淀粉)超過120 min后的總血糖升高。然而,由于采收環(huán)境,品種,以及分辨技術(shù)的差別,桑葉酚類物質(zhì)的表征仍然是一項復(fù)雜的任務(wù)。并且大多數(shù)研究主要集中在定性上,很少有報告對桑葉特定類型的酚類化合物進(jìn)行定量。
為了評價蒙古桑葉生物活性成分,分析其抗氧化與降血糖方面的生物活性,本課題組首次將桑葉粗提液分離純化為花色苷、非花色苷多酚和水層,并分別測定它們的抗氧化,抗α-淀粉酶活性。這些結(jié)果為今后桑葉產(chǎn)品的開發(fā)提供了有力的證據(jù),作為具有潛在生物特性的綠色化合物的來源。
新鮮的蒙古桑葉葉片 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站,采后放入-20 ℃的冰箱中冷藏;甲醇、乙酸乙酯、鹽酸(HCl,37%)、碳酸鈉、氯化鉀、乙酸鈉 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2” -聯(lián)氨-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二胺鹽(ABTS)、6-羥基-2,5,7,8-四甲基氯代甲烷-2-羧酸(Trolox)、六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)、七水合硫酸 亞 鐵(FeSO4·7H2O)、2,4,6-三 三 嗪 基-s-三 嗪(TPTZ)、沒食子酸(GA,純度≥98%)、福林酚試劑(Folin-Ciocalteu) 北京博奧拓科技有限公司;α-淀粉酶(2 U/mL)、玉米淀粉、阿卡波糖 美國Sigma公司;色譜級乙腈、甲酸、醋酸銨 加拿大Simark公司;矢車菊素-3-葡萄糖苷 上海安普科學(xué)儀器有限公司。
H1750R型凍干機(jī) 北京亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司;EPOCH 2型酶標(biāo)儀 美國Bio-Teck公司;AMP-12型固相萃取儀 上海安普科學(xué)儀器有限公司;LC-20 AD型高效液相色譜儀 HPLC-PDA,LC-20 AD,日本島津儀器公司;ExionLC型液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 配有電噴霧離子源(ESI)及Xcalibur1.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),美國賽默飛世爾科技公司;Luna C18分析色譜柱 規(guī)格150×46 mm,美國Phenomenex公司;C18Sep-Pak固相萃取柱 C18Sep-Pak Waters,愛爾蘭。
1.2.1 多酚的提取 將適量的桑葉放入凍干機(jī)中凍干48 h,將樣品放在研缽中研磨,在-20 ℃下冷藏備用。將10 g凍干粉與100 mL 80%的甲醇溶液混合,在搖床中震蕩12 h以上。將搖好的混合溶液離心(8000 r/min,4 ℃,10 min)取上清液。將75 mL 80%的甲醇溶液添加到殘渣中,并進(jìn)行以上步驟。將三次得到的上清液混合,放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中使其濃縮(40 ℃),再通過0.22 μm的有機(jī)濾膜,得到多酚粗提液供下一步檢測。利用烘干法確定多酚粗提液濃度,計算公式為:
式中:C為多酚粗提液的濃度(mg/mL);M為烘干后離心管和樣品的總質(zhì)量(mg);m為離心管的質(zhì)量(mg);V為多酚粗提液的體積(mL)。
1.2.2 多酚組分的分離 通過固相萃取技術(shù)(SPE)[9]將多酚粗提液分離為水層、花色苷、非花色苷。首先將C18Sep-Pak柱依次用10 mL乙酸乙酯、10 mL甲醇、15 mL 0.01 mol/L鹽酸沖洗,進(jìn)行預(yù)處理。加入2.0 mL多酚粗提液,用0.01 mol/L鹽酸(15 mL)洗脫,得到水層;用乙酸乙酯(40 mL)洗脫得到非花色苷層;用酸性甲醇(0.1% HCl的甲醇溶液,v/v)洗脫柱子中的花色苷,直至洗脫液變?yōu)闊o色。將得到的洗脫液在40 ℃的條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮,過0.22 μm的有機(jī)濾膜,放于-20℃的冰箱里并測量其濃度,用于后續(xù)的分析和鑒定。
1.2.3 HPLC-PDA和HPLC-ESI/MS2多酚成分鑒定將桑葉多酚粗提液分離純化得到的花色苷及非花色苷多酚組分分別過0.22 μm的有機(jī)濾膜。
花色苷的檢測(二元流動相):A相(5% 乙腈,1%甲酸,v/v),B相(100% 乙腈)。0~20 min,100% A;20~25 min 80% A,20% B;25~30 min 60% A,40%B;30~35 min 100% B。流速為0.6 mL/min,柱溫25 ℃,檢測波長為520 nm,進(jìn)樣量10 μL。
非花色苷的檢測(三元流動相):A相(5 mmol/L醋酸銨),B相(20% A溶于乙腈),C相(60 mmol/L甲酸)。0~12.5 min 14% B,86% C;12.5~17.5 min 16.5% B,83.5% C;17.5~40 min 25% B,75% C;40~60 min 100% A。流速為0.6 mL/min,柱溫25 ℃,檢測波長為280 nm,進(jìn)樣量10 μL。
質(zhì)譜檢測:電噴霧離子化(ESI),花色苷為正離子模式,非花色苷為負(fù)離子模式,全離子掃描,掃描范圍為100~1000 m/z,毛細(xì)管電壓4500 V,碰撞氣體為N2,干燥氣溫度550 ℃,流速為0.6 mL/min,霧化氣壓3.0 Bar。
1.2.4 總酚含量測定 總酚含量(TPC)的測定方法參考Waterhouse[10]并稍加修改。將樣品、去離子水和Folin-Ciocalteu試劑依次加入96孔板中,暗育5 min后加入Na2CO3溶液(80 μL,75 g/L),2 h后測定其在765 nm處的吸光值。用0~100 μg/mL沒食子酸(GA)繪制校準(zhǔn)曲線:y=5.3815x+0.0003,R2=0.9991。y表示多酚粗提液的吸光度,x表示總酚的含量。結(jié)果表示為每g(DW)樣品的mg GA當(dāng)量。
1.2.5 總花色苷含量測定 根據(jù)Giusti等的方法,采用pH差異法測量樣品的總花色苷含量(TAC)[11]。將樣品分別與氯化鉀緩沖液(0.025 mol/L,pH1.0)和乙酸鈉緩沖液(0.4 mol/L,pH4.5)混合在96孔板中,在510和700 nm下利用酶標(biāo)儀測量其吸光度。用矢車菊素-3-葡萄糖苷(C3G)當(dāng)量來表示樣品中的TAC,其計算公式如下:
式中:A表示樣品的吸光度;MW是C3G的分子量(449.2);DF是稀釋倍數(shù);ε是摩爾吸光系數(shù)(26900)。樣品中的TAC表示為每g(DW)樣品中的mg C3G當(dāng)量。
1.2.6 總原花青素含量的測定 總原花青素含量(TPAC)根據(jù)Rodríguez-Pérez等[12]報告的方法進(jìn)行測定。將連續(xù)稀釋的樣品與DMAC溶液混合于96孔板中,在25 ℃、640 nm的條件下,每分鐘檢測一次,檢測30 min。用原花青素A2作為標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線y=24.303x+0.0151,R2=0.997,其中,y表示樣品的吸光值,x表示原花青素A2的濃度,單位為μg PA2/g。
1.2.7 抗氧化活性的測定
1.2.7.1 DPPH測定 參考Brand-Williams等[13]的方法,用100~800 μmol/L的Trolox制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(Y=0.1608x-10.928,R2=0.9969),將用80%甲醇梯度稀釋后的樣品(多酚粗提液、花色苷提取物、非花色苷多酚提取物、水層)或Trolox與DPPH溶液依次加入96孔板中混合,在室溫下暗育2 h,然后在515 nm處利用酶標(biāo)儀測量其吸光值。對DPPH的抑制率計算公式為:
式中:Y為樣品(Trolox)對DPPH的抑制率;OD1為樣品(Trolox)的吸光值;OD0為對照的吸光值。將Y值代入到標(biāo)準(zhǔn)曲線中,結(jié)果表示為每g(DW)樣品中的mg Trolox當(dāng)量。
1.2.7.2 ABTS+自由基清除率測定 參考Re等[14]的方法進(jìn)行測定,計算方法與DPPH相同。將ABTS配制成ABTS自由基陽離子(ABTS+)溶液,用50~500 μmol/L的Trolox制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(y=0.718x+0.6676,R2=0.9994),將樣品或Trolox和ABTS+溶液混合于96孔板中,反應(yīng)6 min后,利用酶標(biāo)儀測量其在734 nm處的吸光值。
1.2.7.3 FRAP測定 參考Benzie等[15]的方法,用100~1000 μmol/L的FeSO4·7H2O制備標(biāo)準(zhǔn)曲線(y=0.0003x+0.0186,R2=0.9922),將FRAP試劑、樣品或標(biāo)品、去離子水依次加入96孔板中混合,在37 ℃,593 nm的條件下利用酶標(biāo)儀連續(xù)檢測30 min,取第30 min的吸光值作為檢測值,計算方法同DPPH,結(jié)果表示為每g(DW)樣品中的mg Fe2+當(dāng)量。
1.2.8 抗α-淀粉酶活性測定 抗α-淀粉酶活性的測定參考Liu等[16]的方法并稍作修改。磷酸鈉緩沖液(0.1 mol/L,pH6.9)用氯化鈣(40 ppm)新鮮制備。將用80%甲醇連續(xù)稀釋的樣品(多酚粗提液、花色苷提取物、非花色苷多酚提取物、水層)或阿卡波糖或緩沖液(作為對照)與α-淀粉酶(0.2 mg/mL)在酶標(biāo)儀中(37 ℃)孵育15 min。隨后將混合物與糊化的玉米淀粉溶液(20 mg/mL)混合,在660 nm下檢測2 h。
使用阿卡波糖作為標(biāo)準(zhǔn)品,同時通過動力學(xué)曲線得到抑制率與樣品濃度或阿卡波糖濃度的非線性回歸方程,以IC50(抑制率等于50%時的樣品濃度)或阿卡波糖當(dāng)量來衡量各組分的抗α-淀粉酶活性。
式中:AUC表示熒光熄滅曲線,f1,f2…fn代表測量的各時間點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。AUC1表示樣品的抑制曲線下面積,AUCCK表示對照的抑制曲線下面積。
利用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析,通過Xcalibur對HPLC-PDA和HPLC-ESI/MS2獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒定分析,用Origin 2019軟件作圖。所有實驗都是三組重復(fù),所有結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SEM)表示。
如圖1和圖2所示,桑葉中存在6種花色苷和42種非花色苷多酚。鑒定結(jié)果如表1所示,6種花色苷分別屬于飛燕草素、矢車菊素和矮牽牛素,即A1號峰和A5號峰含有m/z 303的碎片離子峰,A2號峰和A4號峰含有m/z 287的碎片離子峰,而A3號峰和A6號峰含有m/z 317的碎片離子峰。A1、A2、A3號峰分別失去了一分子的槐糖基(324 Da),鑒定為飛燕草素-3-槐糖苷、矢車菊素-3-槐糖苷、矮牽牛素-3-槐糖苷。A4和A6號峰分別失去了一分子的葡萄糖基(162 Da),鑒定為矢車菊素-3-葡萄糖苷和矮牽牛素-3-葡萄糖苷。A5號峰失去了一分子的蕓香糖基(308 Da),被鑒定為飛燕草素-3-蕓香糖苷。
圖1 桑葉中花色苷色譜圖Fig.1 Mass spectrum of anthocyanins in mulberry leaves
圖2 桑葉中非花色苷多酚色譜圖Fig.2 Mass spectrum of non-anthocyanin polyphenols in mulberry leaves
桑葉中的非花色苷多酚種類十分豐富,根據(jù)表1的保留時間和質(zhì)譜數(shù)據(jù),對比非花色苷多酚的一級和二級質(zhì)譜圖和出峰順序進(jìn)行推斷,和花色苷的推測方法一致,4、13、18、21、34號峰具有相同的碎片離子,m/z 611是槲皮素的特征離子,結(jié)合二級質(zhì)譜碎片,推斷4、13、18、21、34號峰分別是槲皮素-3,4-二葡萄糖苷、槲皮素己糖-己糖苷、槲皮素-3-半乳糖苷、槲皮素-3-葡萄糖苷、槲皮素。峰16、17、24、25、26、27和42都在m/z 285處產(chǎn)生特殊的MS2片段,其中峰16在m/z 593處具有分子離子峰,丟失308 Da,為一分子蕓香糖基,因此推測為山奈酚-3-蕓香苷。峰17在m/z 447處具有分子離子峰,丟失162 Da,為一分子葡萄糖基,因此推測為山奈酚-3-葡萄糖苷。同樣的推測方法,可以得到峰24、25、26、27和42所對應(yīng)的物質(zhì)。峰9在m/z 479處有一個分子離子峰,丟失了一分子的半乳糖基,推測其為楊梅素-3-半乳糖苷。10號峰依據(jù)相同的方法被推測為楊梅素-3-葡萄糖苷。這些化合物都屬于黃酮醇類化合物,由表1可知山奈酚-3-乙酰糖苷含量最高。
表1 桑葉中多酚鑒定結(jié)果Table 1 Identification of polyphenols from mulberry leaves
峰2在m/z 191處具有分子離子峰,因此推測為奎寧酸。峰12在m/z 367處具有分子離子峰,其在m/z 191處產(chǎn)生特殊的MS2片段,丟失176 Da,為一分子阿魏?;?,因此推測為阿魏??鼘幩?。峰41在m/z 353處具有分子離子峰,其在m/z 191處產(chǎn)生特殊的MS2片段,因此推測為綠原酸。峰5在m/z 325處具有分子離子峰,其在m/z 163處產(chǎn)生特殊的MS2片段,丟失162 Da,為一分子葡萄糖,因此推測為p-香豆酰葡萄糖苷。這些化合物都屬于酚酸類化合物。
峰8在m/z 433處具有分子離子峰,其在m/z 271處產(chǎn)生特殊的MS2片段,丟失162 Da,為一分子葡萄糖基,因此推測為柚皮素-7-β-D-葡萄糖苷,它屬于黃烷酮類化合物。峰19、23和峰33均在m/z 285處產(chǎn)生特殊的MS2片段,峰33丟失162 Da,為一分子葡萄糖基,因此推測為木犀草素-7-葡萄糖苷,峰19和23分別為木犀草素-己糖苷和木犀草素-6-葡萄糖苷,它們屬于黃酮類化合物。非花色苷多酚(0.011 g/mL)、水層(0.0035 g/mL)三部分。表2顯示,所用的蒙古桑葉粗提液中的多酚含量為14.09 mg GA/g DW,而在非花色苷多酚中發(fā)現(xiàn)了更高的多酚含量(50.06 mg GA/g DW),是其它組分的3~10倍。這表明經(jīng)過固相萃取之后,會使非花色苷多酚提取液中的總酚含量升高,可能因為去除了多酚粗提液中的糖酸等成分,這一結(jié)論在前人的研究中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[22]。Radojkovic等[23]測定了塞爾維亞幾種白桑樹和黑桑樹桑葉中的總酚含量,從66.76 mg GA/g DW(白桑葉)到115.23(黑桑葉)mg GA/g DW,含量較高。桑葉中多酚含量的差異可能由桑葉的品種、生長環(huán)境和使用的提取方法不同決定。
表2 桑葉中各組分的總酚、總花色苷、總原花青素的含量Table 2 Contents of total phenolic, total anthocyanin, and total proanthocyanidin of each component in mulberry leaves
為了測定多酚中各部分的生物活性,將多酚粗提液(0.07 g/mL)分離純化為花色苷(0.0025 g/mL)、
續(xù)表1
以往的研究并沒有涉及總花色苷和總原花青素含量的測定,在這個研究中,桑葉粗提液中的總花色苷含量為0.17 mg C3G/g DW,總原花青素的含量為17.24 μg PA2/g DW,相比于總酚的含量,總花色苷和總原花青素含量占比不高。將粗提液分離后的花色苷多酚中的總花色苷含量為1.66 mg C3G/g DW,是其他組分的10~80倍。定量分析結(jié)果顯示,桑葉中的原花青素含量較高,經(jīng)過純化之后,在非花色苷多酚中含有較高的總原花青素含量,結(jié)果一致。
前人的研究顯示,桑葉提取物具有良好的抗氧化活性。Samuel等[24]對四個品種(S-146、AR-14、BR-2和S-1)的桑葉水提取物進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,桑葉水提取物可以降低實驗動物大腦中的丙二醛(50.49%、36.14%、41.36%、37.13%)和超氧化物歧化酶(54.01%、40.18%、34.82%、29.74%)水平,具有顯著的抗氧化活性。He等[25]利用DPPH法和FRAP法測定了不同地區(qū)(河北、江蘇、廣西、北京)桑葉粗提液的抗氧化性,分別為11.27~30.90 mg Trolox/g DW、14.87~39.46 mg FeSO4·7H2O/g DW。依據(jù)同樣的方法(DPPH、FRAP),本課題組測定的蒙古桑葉(黑龍江)多酚粗提液中的抗氧化性分別為1.14 mg Trolox/g DW和2.17 mg FeSO4·7H2O/g DW,與上述結(jié)果相差較大。Liang等[26]研究表明,由于農(nóng)業(yè)氣候條件、土壤條件和地理位置的不同,即使是同一品種,桑葉中多酚也有很大差異,這可能是抗氧化活性相差較大的原因。為了進(jìn)一步了解桑葉各組分的抗氧化活性,將桑葉粗提液分離純化為花色苷、非花色苷多酚、水層,分別測定了他們的抗氧化活性,并跟粗提液進(jìn)行了比較(表3)。相比于其他組分,無論哪種方法花色苷組分都顯示出更高的抗氧化活性??赡茉蚴羌兓蟮目偦ㄉ蘸匡@著提高,而花色苷是影響植物抗氧化活性的重要因素。不同的測定方法得到的結(jié)果有所差異,劉慶慶等[27]通過DPPH和ORAC測定不同黃酮類化合物的抗氧化性,得到的結(jié)果相反,其抗氧化性跟C環(huán)和B環(huán)上的羥基的個數(shù)與位置有關(guān)。這說明不同多酚組分的不同結(jié)構(gòu)可能對不同自由基的清除程度產(chǎn)生影響。
表3 桑葉不同組成成分的抗氧化性Table 3 Antioxidant properties of different components of mulberry leaves
桑葉多酚粗提液對α-淀粉酶的抑制活性如表4所示,當(dāng)其質(zhì)量濃度為8.31 mg/mL時,表現(xiàn)出對α-淀粉酶的抑制活性(抑制率50%)。而Silva等[28]測定的黑桑葉粗提液的IC50為13.35 mg/mL,相比之下,蒙古桑葉表現(xiàn)出了較高的抗α-淀粉酶活性。在之前的報告中,已研究了分離的亞氨基糖(如1-DNJ)及其衍生物,以及多酚化合物(如桑葉中的類黃酮和二苯乙烯)的有效降血糖作用[29]。Silva等[28]研究發(fā)現(xiàn),桑葉的降血糖作用可能依賴于異槲皮素和山奈酚。上述有效化合物大部分存在于非花色苷多酚中,在本實驗中,不同組分對淀粉酶的抑制活性的結(jié)果是非花色苷多酚>多酚粗提液>水層>花色苷(表4),結(jié)果一致。非花色苷多酚對α-淀粉酶的抑制活性(IC50為0.25 mg/mL)略低于阿卡波糖(IC50為0.081 mg/mL),是多酚粗提液的33倍,水層(IC50為12.00 mg/mL)的48倍,花色苷(IC50為13.70 mg/mL)的55倍。因此,桑葉是預(yù)防糖尿病的潛在良好膳食來源,可以補(bǔ)充Ⅱ型糖尿病早期階段的整體飲食管理。
表4 桑葉不同組成成分對α-淀粉酶的抑制作用Table 4 Inhibitory effects of different components of mulberry leaves on α-amylase
HPLC-PDA和HPLC-ESI/MS2分析結(jié)果表明,桑葉中含有豐富的多酚類物質(zhì),其中矮牽牛素-3-葡萄糖苷和原花青素衍生物含量最高。首次從桑葉中鑒定出香樹素-己糖苷、木犀草素-己糖苷、木犀草素-6-葡萄糖苷、木犀草素-7-葡萄糖苷和柚皮素-7-β-D-葡萄糖苷。桑葉中總酚、總花色苷和總原花青素的含量分別為14.09 mg GAE/g DW、0.17 mg C3G/g DW和17.24 μg PA2/g。此外,體外活性實驗表明桑葉具有較高的抗氧化能力和對α-淀粉酶的抑制作用,尤其是花色苷組分。這些發(fā)現(xiàn)將對進(jìn)一步開發(fā)桑葉產(chǎn)品具有重要意義。在本實驗中,首次將桑葉多酚粗提液分離純化為三個組分,并分別測定了它們的活性,但每個組分都由多個化合物組成,未來的研究應(yīng)關(guān)注哪種或幾種化合物影響體外活性結(jié)果。有了這些前提,未來蒙古桑葉將會物盡其用,并根據(jù)其優(yōu)勢成分進(jìn)入不同的產(chǎn)品加工領(lǐng)域。