芦丁与甘氨酸联合作用对甲基乙二醛的清除机制及其产物的细胞毒性

《Food Chemistry》：Elimination mechanism of methylglyoxal by rutin in combination with glycine and the cytotoxicity of the products

甲基戊二醛消除机制研究：发现芦丁与甘氨酸协同形成新型复合物（分子量784、697、769），经NMR和质谱确认结构，细胞毒性实验表明其安全性。

　　

谭燕|张绵章|杨楠|周华|欧娟英|黄彩环|欧世一|郑杰

济南大学食品科学与工程系，中国广州510632

摘要

多酚或氨基酸消除甲基乙二醛（MGO）的作用已得到广泛研究。然而，关于多酚和氨基酸共存时MGO消除机制的知识尚缺乏。我们发现，芦丁和甘氨酸的共存通过形成分子量为784、697和769的各种新型产物，对MGO具有协同消除效果。这些相互作用产物在商业饼干和实验室制备的饼干中均被检测到。为了阐明其结构及安全性问题，我们制备了四种添加物（RFG1（C₃₃H₄₀N₂O₂₀）、RFG2（C₃₀H₃₅NO₁₈）、RFMG1（C₃₃H₃₉NO₂₀）和RFMG3（C₃₃H₃₉NO₂₀），纯度均超过95%。通过核磁共振（NMR）分析，明确了RFG1、RFG2和RFMG1的结构。细胞活力分析表明，这些添加物对GES-1和NCM460细胞几乎没有细胞毒性，表明芦丁和甘氨酸协同消除MGO的过程中不存在安全风险。

引言

甲基乙二醛（MGO）是一种1,2-二羰基化合物，具有很强的反应性（Li等人，2024年；Zhang, Ge等人，2024年；Zhang, Zhang等人，2025年）。它广泛存在于多种食品中（包括热加工食品、发酵食品、饮料和油炸食品），是多种反应的副产物（如焦糖化、美拉德反应、脂质氧化降解和微生物发酵）（Chen, Zhou等人，2022年；Pehlivanoglu等人，2025年；Zhang, Ge等人，2024年；Zheng等人，2021年）。由于其在食品中的普遍存在，人类通过饮食摄入MGO是不可避免的。人类每日摄入的MGO量约为5–20毫克，相当于每天0.1–0.3毫摩尔（Zhang, Ge等人，2024年）。除了这些外源性来源外，MGO还通过糖酵解、脂质过氧化和氨基酸氧化等代谢途径在体内合成（Schalkwijk & Stehouwer，2020年；Semchyshyn，2014年；Wei等人，2023年）。人体血浆中的MGO浓度约为250纳摩尔，而在脑脊液中的浓度则在10至100纳摩尔之间（Zhang, Ge等人，2024年）。研究表明，2型糖尿病患者的血浆MGO水平比非糖尿病患者高31%（Maasen等人，2022年；Scheijen & Schalkwijk，2014年）。研究显示，MGO的细胞毒性较低（Zhang, Ge等人，2024年）。然而，它是一种高度反应性的1,2-二羰基化合物，容易引发一系列糖基化反应（如攻击大分子的功能基团（包括蛋白质、脂质和核酸）），从而改变它们的结构和功能（Zheng等人，2021年）。此外，MGO是晚期糖基化终产物（AGEs）和致癌物质（如丙烯酰胺、甲基咪唑和甲醛）的主要前体（Huang等人，2025年；Li等人，2023年；Pfeifer等人，2013年；Zheng等人，2021年）。AGEs的饮食摄入与许多慢性疾病的发展密切相关，包括衰老、骨质疏松症、阿尔茨海默病和糖尿病（Du等人，2025年；Gill等人，2019年；Zhang, Huang等人，2024年）。因此，MGO是一种潜在的有害物质，控制其在食品中的产生和积累具有重要意义。

近年来，研究表明某些外源性活性物质（如多酚和氨基酸）可以有效消除MGO，使其在食品安全控制领域得到广泛应用（Chen, Zhou等人，2022年；Zheng等人，2021年）。然而，目前的研究主要集中在单一多酚（例如槲皮素、芦丁、橙皮苷和杨梅苷）或氨基酸（例如赖氨酸、甘氨酸和丝氨酸）消除MGO的效果和机制上（Chen, Zhou等人，2022年；Hu等人，2022年；Jiang等人，2019年；Zhang, Ge等人，2024年）。实际上，多酚和氨基酸通常存在于各种原材料中。这导致在实际食品加工过程中发生复杂的化学反应，涉及多种成分共同作用以消除MGO。Comert和Gokmen（2022年）发现，在模拟条件下（37°C，pH 7.4），表儿茶素和半胱氨酸对MGO具有协同消除效果，其效果优于单一多酚或氨基酸。然而，关于多酚和氨基酸共存时MGO的具体消除机制以及实际食品系统中相应相互作用产物的形成水平，相关研究尚不足。

芦丁是一种天然黄酮类化合物，广泛分布于各种植物中。它是天然植物性食品（如荞麦、苹果、柑橘类水果和茶叶）中的重要生物活性成分之一（Wang等人，2024年）。芦丁因其健康益处而被广泛用于食品工业，如降低血糖、抵抗氧化、炎症和癌症（Semwal等人，2021年）。研究表明，在模拟生理条件（37°C，pH 7.4）下，芦丁可以通过亲核加成反应有效消除MGO并形成添加物，这些添加物的形成显著降低了MGO的细胞毒性（Chen, Zhou等人，2022年）。甘氨酸是分子结构最简单的非必需氨基酸，在多种食品中广泛存在（例如鸡蛋、肉类和豆类）。研究表明，适量补充甘氨酸可以有效改善肥胖症、糖尿病、心血管疾病和各种炎症性疾病患者的代谢紊乱（Alves等人，2019年；Imenshahidi & Hossenzadeh，2022年；Razak等人，2017年；Wang等人，2013年）。研究报道，甘氨酸可以通过羰基-氨反应有效消除MGO并形成添加物（Hu等人，2022年）。上述研究表明，甘氨酸和芦丁通过不同的机制消除MGO。鉴于芦丁和甘氨酸在实际食品系统中经常共存，这些共存反应化合物与MGO之间的复杂相互作用途径尚不清楚。研究它们是否对MGO的消除具有协同作用非常重要。有必要研究芦丁和甘氨酸联合消除MGO的具体机制，以及在实际食品系统中相应相互作用产物的形成水平。此外，还必须评估这些新发现相互作用产物的安全性。

针对上述问题，本研究建立了一个使用芦丁、甘氨酸和MGO的模拟反应系统，分析芦丁和甘氨酸共存对MGO消除的影响。基于我们之前关于芦丁-MGO和甘氨酸-MGO添加物的发现（Chen, Zhou等人，2022年；Hu等人，2022年），本研究发现了芦丁、甘氨酸和MGO相互作用形成的新产物。通过高效液相色谱（HRMS）和核磁共振（NMR）分析了这些添加物的结构，并阐明了芦丁和甘氨酸共存时协同消除MGO的机制。此外，还测定了饼干中这些相互作用产物的含量。通过细胞毒性实验初步评估了这些相互作用产物的安全性。这项研究将为多酚和氨基酸在食品中共同消除MGO的机制提供新的理论见解，也为多酚和氨基酸在食品生产中的合理应用提供科学依据。

材料与试剂

芦丁（纯度：95%）由北京百灵威科技有限公司（中国北京）提供。甘氨酸（纯度：99%）、甲基乙二醛（MGO，40%水溶液）、甲醛（FA，40%水溶液）、二甲基亚砜（DMSO）、o-苯二胺（OPD）和2,4-二硝基苯肼（DNPH）由上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）提供。甲醇（MeOH，HPLC级）和乙腈（ACN，HPLC级）由默克有限公司（德国达姆施塔特）提供。

芦丁和甘氨酸共存对MGO消除的影响

如图1A–B所示，在模拟生理条件（37°C，pH 7.4，12小时）下，评估了不同浓度的芦丁和甘氨酸对MGO（1 mM）的消除效果。芦丁和甘氨酸都能以浓度依赖的方式消除MGO，但效力明显不同。在1.125–2.000 mM的浓度范围内，芦丁消除MGO的效率从19.00%增加到63.40%。在40–300 mM的浓度范围内，甘氨酸消除MGO的效率...

结论

本研究表明，在模拟生理条件（37°C，pH 7.4）下，芦丁和甘氨酸的共存对MGO具有协同消除效果。高效液相色谱-串联质谱（HPLC-DAD）分析发现了芦丁、甘氨酸和MGO反应系统中形成的多种新相互作用产物，除了之前报道的芦丁-MGO添加物（Chen, Zhou等人，2022年）和甘氨酸-MGO添加物（Hu等人，2022年）。后续的高效液相色谱-质谱/质谱（HPLC-MS/MS）分析揭示了两种新的...

CRediT作者贡献声明

谭燕：撰写 – 原始草稿、方法学、数据整理。张绵章：撰写 – 原始草稿、验证、正式分析。杨楠：方法学。周华：验证、正式分析。欧娟英：监督、方法学。黄彩环：监督、方法学。欧世一：监督、方法学。郑杰：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号32472457）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515010243；2024A1515010920）、广州市科技与创新委员会（项目编号SL2023A04J01229）和广东省教育厅（项目编号2024GCZX011）的资助。