燕麥生物堿的結構與功能研究進展

吳玉杰,袁娟麗,陳紅兵

(1.南昌大學資源環境與化工學院,江西南昌 330031;2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;3.南昌大學中德聯合研究院,江西南昌 330047;4.南昌大學藥學院,江西南昌 330006)

近年來,隨著對谷物研究的不斷深入和人們對生活品質要求的不斷提高,谷物中天然植物化學物質以其來源可靠、可持續性及廣泛的療效得到了越來越多營養學家和普通消費者的關注。流行病學和實驗研究表明,全谷物飲食在預防慢性疾病如心臟病、癌癥、糖尿病和阿爾茨海默癥等方面有明顯作用[1],全谷物食品被認為是“健康食品”而使其消費量上升。

燕麥作為全谷物食品,含有多種生物活性成分,如β-葡聚糖、生育酚、生育三烯酚和燕麥生物堿等,其中,燕麥生物堿在燕麥中的含量水平為2～300 mg/kg[2],存在于去殼燕麥籽粒[3]、燕麥殼、燕麥麩皮[4]和葉子[5]中。不同品種的燕麥中燕麥生物堿含量存在明顯差異,Tong等對來自河北、甘肅、寧夏、吉林和內蒙古等我國燕麥主產區的21種裸燕麥的燕麥生物堿含量進行了檢測,發現Yanke 1的燕麥生物堿A和C含量最高,Huawan 6的燕麥生物堿B含量最高[6]。燕麥生物堿具有抗氧化、抗炎和抗癌等生物學功能,不同的燕麥生物堿生物活性差異較大,其功能的多樣性與結構的多樣性緊密相關。隨著科技的發展,對燕麥生物堿結構與功能的研究將越來越深入,必將推動燕麥的高質化研究與產業化應用。

1 燕麥生物堿的結構及穩定性

1.1 燕麥生物堿的結構

燕麥中含有一組獨特的天然酚類物質,約由40種不同的燕麥生物堿組成,其中燕麥生物堿A、B和C含量相對較高,是三種主要的燕麥生物堿。燕麥生物堿的化學結構由一系列鄰氨基苯甲酸及其衍生物和一系列肉桂酸及其衍生物經過酰胺鍵連接而成[3,7]。鄰氨基苯甲酸衍生物主要有5-羥基鄰氨基苯甲酸、4-羥基鄰氨基苯甲酸、4,5-二羥基鄰氨基苯甲酸和5-羥基-4-甲氧基鄰氨基苯甲酸等[3,8-11];肉桂酸衍生物主要有P-香豆酸、阿魏酸、咖啡酸、芥子酸和二烯酸等[12]。目前從燕麥中提取并鑒定的燕麥生物堿的結構以鄰氨基苯甲酸及其衍生物為母體大致可分為4類,結構如表1所示。此外,還有一類是由4,5-二羥基鄰氨基苯甲酸分別與P-香豆酸、阿魏酸和咖啡酸結合生成的三種燕麥生物堿,目前尚未命名[10]。

表1 24種燕麥生物堿的結構Table1 The molecular structure of 24 kinds of avenanthramides

此外,Okazaki發現并鑒定了燕麥生物堿B的一個脫氫二聚物(Bisavenanthramide B)的結構[15]。該化合物的結構與阿魏酸脫氫二聚物結構相似,燕麥生物堿中可能含許多此類二聚物,還有待進一步分離鑒定。迄今為止,燕麥籽粒中仍然有許多燕麥生物堿的結構還沒有被鑒定,而且人們主要關注燕麥生物堿A、B和C的生物活性。結構未鑒定的燕麥生物堿沒有引起關注的原因可能是它們的含量相對較少,儀器還無法檢測到或還無法解析其質譜結構。另外,未表征的燕麥生物堿有可能具有更強的或新的生物活性。

1.2 燕麥生物堿的穩定性

燕麥生物堿的穩定性大部分都是基于不同存儲和加工條件確定的。一般而言,存儲條件不會導致燕麥生物堿含量的明顯變化[16],在室溫儲存下相對穩定;但不同加工方式對燕麥生物堿含量的影響較大[17]。

溫度和pH是影響酚類化合物生物活性的重要因素[18],溫度同時能造成酚類化合物的分解[19]。研究表明,燕麥生物堿B和C對堿性和中性較敏感,在pH=7時,燕麥生物堿C幾乎完全降解,尤其與加熱處理相結合時更敏感,且敏感性隨溫度升高而增加,而燕麥生物堿A基本不受pH影響,造成此差異的原因可能是由于燕麥生物堿C結構中缺乏肉桂酸及其衍生物[18]。此外,研究發現紫外線照射可使肉桂酸發生順反異構,而結構中含有肉桂酸衍生物的燕麥生物堿A、B和C的高效液相色譜圖、核磁共振及紫外光譜圖在紫外線輻射前后幾乎相同[18]。由此可見,紫外線對燕麥生物堿的影響不大。

加熱處理工藝對燕麥生物堿含量的影響也有差異。燕麥籽粒經蒸煮和擠壓處理后,燕麥生物堿B和C的含量基本沒有變化,燕麥生物堿A的含量僅輕微減少;高壓滅菌處理燕麥籽粒,燕麥生物堿含量降低,生育酚、生育三烯酚等酚類物質含量增加;而轉鼓式干燥處理基本不影響生物堿含量,但生育酚和生育三烯酚含量卻降低;同時進行高壓滅菌和轉鼓式干燥處理則明顯降低燕麥生物堿A、B和C的含量[17]。再者,研究發現加工工藝生產的燕麥面包、小松餅干和通心粉等產品中的燕麥總生物堿含量分別增加了18%、260%和56%[17],由此可見,燕麥產品中燕麥生物堿含量對加工條件比較敏感。因此,通過優化加工工藝可以提高燕麥生物堿含量,同時把對其他活性成分的破壞降到最低。

2 燕麥生物堿的功能

2.1 抗氧化

氧化應激和炎癥是誘發許多健康問題如癌癥、肥胖和心血管疾病的關鍵[20-22],而燕麥生物堿能減少氧化應激的發生,從而對肥胖、癌癥和心血管疾病等有潛在的預防作用。研究表明燕麥生物堿可通過增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶的含量,從而發揮抗氧化作用[23-26]。Li等研究發現在大鼠日常飲食中添加富含燕麥生物堿的燕麥提取物100 mg/kg能增加其心臟和骨骼肌中谷胱甘肽過氧化物酶的活性,增加骨骼肌、肝臟和腎臟中超氧化物歧化酶活性[23]。Ren等研究發現燕麥生物堿能通過增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性并上調其基因表達,從而顯著地逆轉D-半乳糖誘導的小鼠氧化應激[24]。人體內實驗結果也表明燕麥生物堿能明顯提高血液中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的含量[25-26]。最新研究發現,自由基清除能力與燕麥生物堿有關,與游離酚酸無關,表明燕麥生物堿是主要的抗氧化物[27]。此外,Jeong等研究發現合成的二羥基燕麥生物堿-D能防止紫外線照射人皮膚成纖維細胞產生活性氧簇、金屬蛋白酶-1和金屬蛋白酶-3等氧化基團,進而起到抗氧化的作用[28]。Chen等實驗表明,燕麥生物堿以劑量依賴的方式抑制Cu2+誘導的人類低密度脂蛋白的體外氧化[29],且Meydani等的研究也發現富含燕麥生物堿的提取物與維生素C協同作用也能抑制低密度脂蛋白的體外氧化[26]。因此,燕麥生物堿可以作為食源性抗氧化劑,并與其他膳食抗氧化劑協同作用以達到最大抗氧化效果。除用于保健外,燕麥生物堿清除自由基、防止不飽和脂肪酸氧化的作用正越來越多地應用于食品工業中,如作為食品添加劑和穩定劑等[10,30]。

2.2 抗炎

燕麥生物堿可明顯抑制促炎細胞因子的表達,且呈劑量依賴性[31]。Liu等研究發現以10、40和100 μmol/L燕麥生物堿C的甲基化產物分別預處理人類動脈內皮細胞,對白細胞介素-6(IL-6)分泌的抑制率分別是39%、55%和60%,對IL-8分泌的抑制率分別是21%、41%和90%,對單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)分泌的抑制率分別是24%、42%和58%,并且發現燕麥生物堿對促炎細胞因子表達的抑制作用的機制是通過調控核轉錄因子NF-κB的活性所介導的,即燕麥生物堿以濃度依賴的方式降低IL-1β誘導的NF-κB P50與DNA的結合活性并抑制NF-κB在人類動脈內皮細胞中的活化,從而抑制促炎細胞因子的表達[31]。燕麥生物堿對NF-κB活性的調控可能與NF-κB抑制劑激酶(IΚΚ)活性下調有關,磷酸化的IKKα(Ser-180)和磷酸化的IKKβ(Ser-181)被認為是細胞內IKK激活的直接標志物,用燕麥生物堿預處理人類臍帶血管內皮細胞(HUVEC)能防止IKKα和IKKβ的磷酸化,并以濃度依賴的方式使IKK蛋白穩定,從而抑制核轉錄因子NF-κB的活化[32]。目前,已有研究表明燕麥生物堿對女性有良好的抗炎效果。飲食中補充燕麥生物堿能使女性因運動造成的血液中炎癥標志物(IL-6、TNF-α和組胺等)含量下降[33];在老年女性飲食中補充燕麥生物堿也能防止運動造成的炎癥損傷[34],燕麥生物堿已成為絕經后女性減少炎癥和肌肉損傷的有效補充物[35]。

此外,燕麥生物堿可抑制與冠狀動脈疾病相關的炎癥發展,對動脈粥樣硬化起到一定的預防作用[36-37]。Liu 等研究表明燕麥生物堿(4～40×10-6)均能以劑量依賴的方式抑制單核細胞粘附到白介素1β刺激的人類動脈內皮細胞單分子層上,20和40 mg/L能明顯抑制血管細胞粘附分子-1、E-selectin、促炎細胞因子IL-6和趨化因子IL-8的分泌[31],說明燕麥生物堿在10-6水平就有抗炎和抗動脈粥樣硬化的功能。也有研究表明,食用富含燕麥生物堿的燕麥麩可降低人體內血管細胞粘附因子(VCAM-1)濃度,可能影響老年人、超重或肥胖成年人的特定炎癥標記物[38],已證實二羥基燕麥生物堿-D可與神經激肽-1受體(NK1R)相互作用抑制肥大細胞脫顆粒,并作為NK1R的抑制劑具有抗炎作用[39]。Nie等研究發現燕麥生物堿C在38 mg/L時能抑制超過50%的鼠平滑肌細胞增殖;在人類血管平滑肌細胞模型中,燕麥生物堿C(13～38 mg/L)也可減少33%～41%的細胞增殖,且呈劑量依賴性;再者,血管舒張劑一氧化碳(NO)的含量在平滑肌細胞中增加3倍,在大動脈內皮細胞中增加9倍,且合成的NO的mRNA表達均上調[40]。由此可見,燕麥生物堿具有抑制動脈粥樣硬化起始和發展過程的潛在作用。

2.3 抗癌

結腸癌是常見的惡性腫瘤之一。已知環氧合酶(COX-2)在80%～85%的人類腺癌、結腸癌和小鼠腺癌中高度表達,它介導的前列腺素E2(PGE2)信號傳導與胃腸道中的上皮癌發生存在因果關系,被認為是作用于結腸癌的良好靶點,Guo 等研究發現,燕麥生物堿能通過抑制腹腔巨噬細胞PGE2的產生和結腸癌細胞中COX-2的表達,從而減少結腸癌的危害[41]。燕麥生物堿和牡荊素-2-O-木糖苷可通過激活半胱天冬酶,單獨或聯合抑制CaCo-2和HepG2癌細胞的增殖[42],有望開發成為癌癥治療藥物。

此外,在人宮頸癌細胞株HeLa細胞模型中,燕麥生物堿A能抑制β-鏈蛋白-TCFS復合物的形成,進而阻止與多種類型的癌癥發展相關的Wnt靶基因的轉錄,防止致癌靶標的激活,有助于預防和治療癌癥[43]。在MCF-7人乳腺癌細胞中,二羥基燕麥生物堿D能抑制蛋白激酶C的激動劑TPA誘導的絲裂原活化蛋白激酶MMP-9的表達,并通過抑制MAPK/NF-κB以及MAPK/AP-1通路防止癌細胞擴散,對抑制乳腺癌轉移有著潛在的應用價值[44]。

2.4 抗瘙癢

研究表明燕麥總生物堿有較好的抗瘙癢作用[45]。1～3 mg/L的燕麥總生物堿可以抑制雌性ICR小鼠中IL-8的產生,而IL-8是角質形成細胞中的核轉錄因子NF-κB發揮功能的依賴性細胞因子。因此,燕麥生物堿可抑制角質細胞中NF-κB的活化;局部使用2～3 mg/L的燕麥總生物堿可明顯緩解ICR小鼠接觸性過敏皮炎和神經性皮炎的癥狀;通過誘導小鼠瘙癢模型,發現1～3 mg/L的燕麥總生物堿能減輕小鼠40%的瘙癢癥狀,其效果可與止癢藥醋酸氫化可的松相媲美;這些結果表明局部施用低水平的燕麥總生物堿在很大程度上能減少瘙癢反應[46]。此外,研究表明合成的二羥基燕麥生物堿-D能減少由組胺變化引起的皮膚疾病如瘙癢、紅斑及水瘡等,且已用作化妝品的活性成分[47-48]。這些結果表明燕麥生物堿在緩解瘙癢癥方面有巨大的潛力。

2.5 其他功能

Lv等用二羥基燕麥生物堿D預處理RINm5F胰島瘤細胞或胰島細胞,結果顯示二羥基燕麥生物堿D可抑制NO產生、減少誘導型NO合酶的表達、降低胰島β-細胞損傷,可阻止Ⅰ型糖尿病的發展[49]。Pellegrini等研究發現，燕麥生物堿在體外可以通過調控轉錄因子Nrf2防止造骨細胞和骨細胞凋亡并誘導破骨細胞凋亡[50]。

燕麥生物堿的結構與已上市的抗過敏藥物曲尼司特(N-3,4-dim ethoxycinnamoylanthranilic acid)的結構相似,值得大家關注。臨床實驗表明,曲尼司特可用于治療哮喘病、自身免疫性疾病、特應性疾病和纖維變性疾病[46,51],但作用原理仍不清楚。鑒于此,以谷物為來源的燕麥生物堿的抗過敏作用值得深入研究。此外,研究表明燕麥生物堿C可誘導MDA-MB-231乳腺癌細胞的凋亡[52],因此有望充當化療藥物,但仍需進一步實驗證實。

3 構效關系

燕麥生物堿的功能多樣性與其結構多樣性緊密相關。不同燕麥生物堿的生物活性性質及強度存在差異。目前,燕麥生物堿的抗氧化能力與結構之間的關聯性較明確[53]。影響燕麥生物堿抗氧化能力的關鍵結構因素主要包含以下三點:鄰氨基苯甲酸取代基的不同,其抗氧化活性大小存在差異:咖啡酸>芥子酸>阿魏酸>P-香豆酸即3,4-二羥基>4-羥基-3,5-二甲氧基>4-羥基-3-甲氧基>4-羥基肉桂酸;苯環上的羥基是保持抗氧化作用所必需的結構;延長雙鍵體系和提供功能基團(芳香環鄰、對位上存在供電子基團)可增強其抗氧化能力。

研究表明燕麥生物堿結構中苯環上僅含一個羥基抗氧化活性很低,在羥基的鄰位有一個甲氧基抗氧化活性明顯提高,鄰位再加一個甲氧基或羥基會使燕麥生物堿的抗氧化活性更高,且甲氧基在鄰氨基苯甲酸衍生物上對抗氧化活性的貢獻更大,說明在任一苯環羥基的鄰位有穩定基團可提高其抗氧化活性,即燕麥生物堿結構中的超共軛效應對其抗氧化活性有重要作用[54]。

此外,也有研究顯示,燕麥生物堿能以劑量依賴和時間依賴的方式明顯增加血紅素加氧酶(HO-1)的表達。該表達是通過核轉錄因子Nrf2易位介導的,燕麥生物堿的功能基團α,β-不飽和羰基的雙鍵加氫能消除其對HO-1表達的影響,表明該基團的存在可能對燕麥生物堿保持抗氧化活性有重要作用[55]。再者,Saban等合成8種燕麥生物堿,并用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)法測定其抗氧化性,即物質提供給DPPH氫離子數越多則該物質抗氧化活性越高[56],結果發現鄰氨基苯甲酸與芥子酸結合生成的燕麥生物堿1 s僅提供一個氫離子給DPPH自由基,抗氧化活性卻很高,推測可能是形成了能提供額外氫原子的新化合物淬滅了自由基,但形成的化合物還未被鑒別[57]。此外,在燕麥生物堿的生物利用率研究中發現達到最大血藥濃度的時間(Tmax)和半衰期(T1/2)均與燕麥生物堿的結構相關,如燕麥生物堿B的羥基肉桂酸部分含有甲氧基,比不含甲氧基的燕麥生物堿A的Tmax短和T1/2長等[58]。

綜上可見,對燕麥生物堿結構鑒定是燕麥生物堿功能研究的基礎。隨著分離技術和質譜技術的不斷發展,快速鑒定方法和靈敏度的不斷提高,燕麥生物堿的結構表征還有很大的發展空間。再者,通過有機合成的方法對已知燕麥生物堿的結構進行修飾,從而獲得高活性的燕麥生物堿及其衍生物未來將是燕麥生物堿研究的重要方向之一。

4 結論

燕麥中含有多達40余種燕麥生物堿,結構的多樣性決定了其具有廣泛的功效。目前,已探明的燕麥生物堿的功效主要有抗氧化、抗炎、抗癌和抗瘙癢,還有許多燕麥生物堿因含量較低或分離后不穩定而無法查明其生物活性,需要進一步開發新的分離技術,并從燕麥生物堿的生物合成及燕麥籽粒的加工方式等方面來探究提高燕麥生物堿含量的方法。

燕麥生物堿的植物性來源和多樣的生物活性功能使其成為新產品開發的優選原料之一,以燕麥生物堿為活性成分的產品正在逐漸豐富。我國裸燕麥分布廣泛,種質資源豐富,為分離鑒定燕麥生物堿的種類和篩選生物堿含量高的品種提供了良好條件,應進一部加快對燕麥生物堿的相關研究,拓展其在醫療保健和食品工業中應用,開發出以燕麥生物堿為主要活性成分的系列產品。