羧甲基化霍竹多糖的合成、结构表征、抗氧化活性及α-糖苷酶抑制作用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Synthesis, structural characterization, antioxidant activity, and α-glycosidase inhibitory effects of carboxymethylated Houttuynia cordata polysaccharide

羧甲基化修饰显著提升了 Houttuynia cordata 多糖（HCP）的理化性质和生物活性，使其水溶性增强、分子量降低、热稳定性提高，并表现出更强的抗氧化和 α-葡萄糖苷酶抑制效果，为功能性食品开发提供新方向。

Mohammed Mansour|李晓青|Heba Elhadedy|Alsadig Yahya|Mahmoud Salah|吴婷|徐晓云

华中农业大学食品科学与技术学院，武汉，430070，中国

摘要

本研究探讨了羧甲基化修饰对Houttuynia cordata多糖（HCP）的理化性质、结构特征和生物活性的影响。通过取代度、FTIR和NMR结果确认了羧甲基化HCP（C-HCP）的成功合成。与天然HCP相比，C-HCP的碳水化合物含量和尿酸含量降低，而水溶性提高，粘度降低。HCP和C-HCP的分子量分别为5.123×10⁵ Da和2.581×10⁵ Da。两种多糖含有相同的单糖组成，只是摩尔比略有变化。C-HCP的热稳定性优于天然HCP。SEM和AFM显微观察证实了羧甲基化后多糖链的变化。C-HCP表现出比HCP更强的羟基自由基清除活性。HCP和C-HCP均能抑制α-葡萄糖苷酶，但在10 mg/mL浓度下，C-HCP的抑制率显著高于HCP（84.66±0.44% vs 53.68±2.40%）。动力学分析表明，HCP和C-HCP通过混合机制抑制α-葡萄糖苷酶。荧光猝灭和分子对接研究进一步证明，C-HCP对α-葡萄糖苷酶的结合亲和力更强。总体而言，羧甲基化有效增强了HCP的功能和降血糖活性，表明C-HCP可能作为潜在的治疗剂或功能性食品用于控制血糖。

引言

Houttuynia cordata是一种常见于东南亚的传统植物，因其生物活性成分和相关的健康益处而受到广泛关注。其中最引人注目的功能性物质是多糖，它具有抗炎、抗癌、抗菌、抗氧化、调节代谢和免疫调节等多种作用。Liu等人[1]报道，Houttuynia cordata多糖（HCP）通过刺激先天性和适应性免疫反应在免疫调节中起关键作用。这种作用是通过增加细胞因子和趋化因子的分泌实现的，包括白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、巨噬细胞炎症蛋白MIP-1α和MIP-1β以及RANTES（在激活的正常T细胞中表达和分泌）。HCP通过抑制NF-κB通路发挥炎症活性[2]。此外，Liu等人[3]还指出HCP具有降血糖作用，研究了HCP抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的能力，这两种酶依次将复杂多糖转化为可吸收的葡萄糖。α-淀粉酶由唾液腺和胰腺产生，首先将复杂多糖分解为麦芽糖和糊精等小糖单元。α-葡萄糖苷酶存在于小肠上皮的刷状缘，进一步将小糖水解为可被血液吸收的游离葡萄糖。因此，抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶被认为是降低餐后血糖水平的有效策略[4],[5]。 天然多糖是食品工业中常用的安全增稠剂和稳定剂，用于改善各种食品的配方性能[6]。然而，天然多糖的理化性质（如溶解度低和生物活性弱）限制了其在食品中的应用。因此，通过物理、化学或生物方法对多糖进行修饰可以显著提高其理化性质和生物活性。我们之前的研究表明，对从Houttuynia cordata中提取的酸性杂多糖进行超声降解可显著增强其生物活性，包括抗氧化和降血糖作用[7]。此外，多种化学修饰方法可以增强多糖的功能性。其中，羧甲基化是一种常见的方法，通过引入羧甲基基团来改变多糖链的结构[8],[9]。羧甲基化多糖对正常细胞无毒性，并显示出良好的降血糖活性，适用于功能性食品。天然Undaria pinnatifida多糖及其羧甲基化衍生物已被证明可以缓解糖尿病小鼠的低血糖症状，改善血脂状况，减轻氧化应激，并支持肝脏糖酵解酶的活性[10]。许多研究显示降血糖与糖尿病之间存在强相关性[11],[12],[13]。对lachnum sp多糖进行羧甲基化后，其抗氧化和降血糖活性得到提升，对α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制作用更强[14]。此外，红枣多糖的羧甲基化修饰提高了其抗氧化和益生菌活性[15]。对Sarcandra glabra（Thunb.）Nakai残渣中提取的多糖进行羧甲基化修饰后，其理化性质（如溶解度）得到显著改善，对α-葡萄糖苷酶的抑制活性优于阿卡波糖，可作为功能性食品中的α-葡萄糖苷酶抑制剂[16]。因此，羧甲基化修饰可以有效提高多糖的理化和生物活性，从而扩大其在现代食品加工中的应用。 根据现有文献，尚未有关于HCP羧甲基化及其对结构特征和生物活性影响的研究。因此，本研究旨在制备羧甲基化HCP，并探讨其理化性质、结构特征、抗氧化活性和α-葡萄糖苷酶的抑制活性。此外，我们还研究了α-葡萄糖苷酶的抑制动力学行为，以及该酶与HCP和C-HCP之间的相互作用机制（使用荧光猝灭和分子对接技术）。通过这些研究，我们希望阐明羧甲基化如何影响HCP的结构性质和生物活性。本研究的结果可为将HCP及其羧甲基化衍生物（C-HCP）作为潜在的功能性食品用于控制血糖提供参考。

材料

Houttuynia cordata植物（叶子和茎）采集自中国湖北省当阳市梁河镇。单糖标准品（甘露糖、葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸）以及右旋糖酐标准品购自Aladdin Chemistry有限公司（上海，中国）。α-葡萄糖苷酶购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。纯度≥97%的氯乙酸和异丙醇购自上海宇源生物科技有限公司。

HCP和C-HCP的理化性质

HCP采用热水提取法提取，随后通过三相分离技术纯化。在碱性环境中与氯乙酸反应进行羧甲基化修饰。考虑到HCP的酸性，所得羧甲基化多糖（C-HCP）的取代度（Ds）为0.96±0.15。表1显示了总...

结论

本研究探讨了羧甲基化对HCP结构性质和生物活性的影响，FTIR、NMR和取代度结果证实了羧甲基化过程的成功。羧甲基化显著增强了HCP的理化性质，提高了溶解度，并降低了分子量和粘度。C-HCP对羟基自由基的抗氧化活性更强。

CRediT作者贡献声明

Mohammed Mansour：撰写初稿、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。Xiaoqing Li：撰写、审稿与编辑。Heba Elhadedy：撰写初稿、方法学设计、数据分析。Alsadig Yahya：撰写、审稿与编辑。Mahmoud Salah：撰写、审稿与编辑、验证。Ting Wu：数据可视化、方法学设计。Xu Xiaoyun：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构建。

未引用参考文献

[64],[65],[66]

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了湖北省重点研发项目（编号2023DJC152）和湖北省科技创新项目（编号2024BBB028）的支持。