黑木耳多糖的提取纯化、结构表征及降糖活性研究

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黑木耳是一种重要的药食同源的食用真菌,营养物质丰富,蛋白质、多糖含量高,富含多种微量元素及人体必需氨基酸。先前的研究表明,黑木耳中重要生物活性成分—多糖,具有抗氧化、降血脂、提高机体免疫、抑制肿瘤等多种生物活性,但对于黑木耳多糖降血糖活性缺少系统性的研究,特别是对降血糖机理的研究不够深入。本研究以黑木耳为原料,研究黑木耳多糖的化学结构,并利用多组学角度(代谢组学、宏基因组、相关蛋白表达水平)系统地研究了黑木耳多糖的降糖机制,以期在预防糖尿病、缓解胰岛素抵抗,并实现黑木耳的高附加值利用方面提供新思路。基于此,本论文以黑木耳为原料,采用热水浸提—乙醇沉淀法提取黑木耳多糖AAP,采用响应面优化得到最佳提取条件,经纯化,得到两种组分AAP-1,AAP-2,并对其进行了理化性质检测、结构表征和体外抗氧化、降糖活性对比,筛选出降糖活性较好的AAP。采用C57BL/6J雄性小鼠构建2型糖尿病模型进行体内降糖活性研究,通过生理生化指标结果发现,AAP具有较好的降糖、缓解胰岛素抵抗作用。结合代谢组学、宏基因组、PI3K/AKT信号通路的相关基因及蛋白表达水平对其降糖机制进行探讨,具体研究结果如下:(1)采用单因素、响应面法优化了黑木耳多糖AAP的提取工艺,得到了最佳提取条件为:提取温度70℃、提取时间4h、料液比1:90(g/mL),在此条件下AAP的平均得率为8.17%。AAP的总糖含量、蛋白质含量、糖醛酸含量分别为 71.4%、2.66%、5.73%。经 DEAE-52、G-100 对 AAP 进行分离纯化得到两种组分AAP-1和AAP-2,其总糖含量分别为85.1%和90.2%;蛋白质含量分别为1.32%、1.05%;糖醛酸含量分别为15.84%和2.35%。(2)初步表征了 AAP-1、AAP-2的结构。AAP-1为酸性多糖,其单糖构成主要包括葡萄糖(18.43%)、甘露糖(41.15%)、葡萄糖醛酸(26.3%)和木糖(7.3%);AAP-2由葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、甘露糖和鼠李糖组成,摩尔百分比分别为50.5%、19.15%、12.54%、10%和3.75%。红外光谱分析二种多糖组分都具有多糖类物质的特征吸收峰,且属于吡喃糖。HPGPC结果说明AAP-1、AAP-2的重均分子量Mw(Da)分别为6.02×106Da和1.49×106Da。甲基化的结果显示AAP-1主要由10个不同的糖残基组成,其主要的糖苷键的组成包括:→4,6)—Glc(p)UA—(1→(16.819%)、→2,6)—Man(p)—1→(15.772%)、→6)—Xyl(p)—(1→(13.407%)和 Glc(p)—(1→(10.957%);AAP-2 糖苷键的组成主要包括:→3)-Gal(p)-(1→(18.988%)、Glc(p)-(1→(14.34%)、→6)-Fuc(p)-(1→(12.28%)和→2,3)-Glc(p)-(1→(11.641%)。扫描电镜结果发现,AAP-1、AAP-2呈现相似的片层状结构,AAP-2的表面更加光滑致密。(3)体外降糖和抗氧化实验表明AAP、AAP-1、AAP-2三种多糖均具有一定的还原力、能够较好的清除DPPH、羟基自由基和超氧阴离子自由基,其中AAP的体外抗氧化活性显著高于其他两种多糖组分。体外降糖实验证明AAP、AAP-1、AAP-2对α-葡萄糖苷酶的抑制作用均高于α-淀粉酶,且AAP的降糖活性显著高于其他多糖组分。(4)以C57BL/6J雄性小鼠为实验对象,通过高脂饮食结合STZ诱导构建了 2型糖尿病(T2DM)模型。经不同剂量AAP干预后,T2DM“三多一少”的症状减轻,与模型组的高血糖水平相比,AAP保护组的FBG、OTGG、FINS、HOMA-IR显著下降(p<0.01),且AAP-M组降糖效果最佳。从血脂水平看,模型组的TG、TC、LDL-C含量较正常组显著上升,HDL-C显著下降,给与不同剂量AAP处理能在一定程度上起到改善作用。肝脏抗氧化酶系实验表明AAP在体内具有抗氧化作用。不同剂量的AAP保护组肝糖原含量、T-SOD、CAT、GSH-Px的活性较模型组显著增加(p<0.01),MDA含量显著降低(p<0.01),结果证明AAP降低了 STZ诱导的T2DM小鼠的氧化应激损伤,以AAP-M处理组效果最佳。胰腺、肝脏组织病理学观察模型组的胰岛细胞萎缩,部分胰岛发生了变性、坏死,肝细胞出现了脂肪变性现象,而经过AAP保护可不同程度修复胰腺组织损伤,缓解肝细胞病变状况。(5)基于超高效液相色谱-质谱(UHPLC-Q exactive HFX-MS)代谢组学分析方法评价不同处理组的血清代谢物的变化。PCA、OPLS-DA的分析结果显示糖尿病小鼠机体内代谢产生了紊乱,而经过AAP干预后,糖尿病小鼠的代谢物产生了显著的变化,基于p<0.05和VIP>1进行层次聚类分析,筛选出45种最有可能的潜在生物标记物,KEGG通路富集分析提示AAP通过调节精氨酸和脯氨酸代谢途径、氨基酰基-tRNA的生物合成(氨基酸代谢)、不饱和脂肪酸的合成、甘油磷脂代谢及初级胆汁酸(BA)的生物合成改善糖尿病小鼠代谢紊乱的作用。(6)采用16S rRNA高通量测序技术对比不同组别小鼠肠道菌群结构发现AAP可调节糖尿病小鼠的肠道菌群结构,摄入AAP可以降低厚壁菌门的相对丰度,增加拟杆菌门的丰度(门水平);在属水平上增加生产短链脂肪酸的有益菌的相对丰度,包括毛螺旋菌属(Lachnospiraceae),粪杆菌属(Faecalibaculum)、杜氏杆菌属(Dubosiella)、Allpprevotela等,促进产生短链脂肪酸进入人体循环,改善糖脂代谢紊乱。(7)WB及RT-qPCR结果说明AAP可通过激活PI3K/AKT信号通路,上调PI3K和AKT mRNA表达及蛋白表达水平,达到减轻胰岛素抵抗,降低氧化应激损伤、改善糖脂代谢以达到降血糖的作用。本课题研究了黑木耳多糖AAP具有缓解胰岛素抵抗、降血糖功效,初步表征了AAP-1、AAP-2的结构。基于代谢组学、宏基因组及PI3K/AKT信号通路基因和蛋白表达层面探讨了 AAP的降血糖、缓解胰岛素抵抗的作用机制,为预防和辅助治疗T2DM、缓解胰岛素抵抗,并实现黑木耳的高附加值利用方面提供新思路。
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