燕麦生物碱的结构与功能研究进展

吴玉杰,袁娟丽,陈红兵

(1.南昌大学资源环境与化工学院,江西南昌 330031;2.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047;3.南昌大学中德联合研究院,江西南昌 330047;4.南昌大学药学院,江西南昌 330006)

近年来,随着对谷物研究的不断深入和人们对生活品质要求的不断提高,谷物中天然植物化学物质以其来源可靠、可持续性及广泛的疗效得到了越来越多营养学家和普通消费者的关注。流行病学和实验研究表明,全谷物饮食在预防慢性疾病如心脏病、癌症、糖尿病和阿尔茨海默症等方面有明显作用[1],全谷物食品被认为是“健康食品”而使其消费量上升。

燕麦作为全谷物食品,含有多种生物活性成分,如β-葡聚糖、生育酚、生育三烯酚和燕麦生物碱等,其中,燕麦生物碱在燕麦中的含量水平为2～300 mg/kg[2],存在于去壳燕麦籽粒[3]、燕麦壳、燕麦麸皮[4]和叶子[5]中。不同品种的燕麦中燕麦生物碱含量存在明显差异,Tong等对来自河北、甘肃、宁夏、吉林和内蒙古等我国燕麦主产区的21种裸燕麦的燕麦生物碱含量进行了检测,发现Yanke 1的燕麦生物碱A和C含量最高,Huawan 6的燕麦生物碱B含量最高[6]。燕麦生物碱具有抗氧化、抗炎和抗癌等生物学功能,不同的燕麦生物碱生物活性差异较大,其功能的多样性与结构的多样性紧密相关。随着科技的发展,对燕麦生物碱结构与功能的研究将越来越深入,必将推动燕麦的高质化研究与产业化应用。

1 燕麦生物碱的结构及稳定性

1.1 燕麦生物碱的结构

燕麦中含有一组独特的天然酚类物质,约由40种不同的燕麦生物碱组成,其中燕麦生物碱A、B和C含量相对较高,是三种主要的燕麦生物碱。燕麦生物碱的化学结构由一系列邻氨基苯甲酸及其衍生物和一系列肉桂酸及其衍生物经过酰胺键连接而成[3,7]。邻氨基苯甲酸衍生物主要有5-羟基邻氨基苯甲酸、4-羟基邻氨基苯甲酸、4,5-二羟基邻氨基苯甲酸和5-羟基-4-甲氧基邻氨基苯甲酸等[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]。目前从燕麦中提取并鉴定的燕麦生物碱的结构以邻氨基苯甲酸及其衍生物为母体大致可分为4类,结构如表1所示。此外,还有一类是由4,5-二羟基邻氨基苯甲酸分别与P-香豆酸、阿魏酸和咖啡酸结合生成的三种燕麦生物碱,目前尚未命名[10]。

表1 24种燕麦生物碱的结构Table1 The molecular structure of 24 kinds of avenanthramides

此外,Okazaki发现并鉴定了燕麦生物碱B的一个脱氢二聚物(Bisavenanthramide B)的结构[15]。该化合物的结构与阿魏酸脱氢二聚物结构相似,燕麦生物碱中可能含许多此类二聚物,还有待进一步分离鉴定。迄今为止,燕麦籽粒中仍然有许多燕麦生物碱的结构还没有被鉴定,而且人们主要关注燕麦生物碱A、B和C的生物活性。结构未鉴定的燕麦生物碱没有引起关注的原因可能是它们的含量相对较少,仪器还无法检测到或还无法解析其质谱结构。另外,未表征的燕麦生物碱有可能具有更强的或新的生物活性。

1.2 燕麦生物碱的稳定性

燕麦生物碱的稳定性大部分都是基于不同存储和加工条件确定的。一般而言,存储条件不会导致燕麦生物碱含量的明显变化[16],在室温储存下相对稳定;但不同加工方式对燕麦生物碱含量的影响较大[17]。

温度和pH是影响酚类化合物生物活性的重要因素[18],温度同时能造成酚类化合物的分解[19]。研究表明,燕麦生物碱B和C对碱性和中性较敏感,在pH=7时,燕麦生物碱C几乎完全降解,尤其与加热处理相结合时更敏感,且敏感性随温度升高而增加,而燕麦生物碱A基本不受pH影响,造成此差异的原因可能是由于燕麦生物碱C结构中缺乏肉桂酸及其衍生物[18]。此外,研究发现紫外线照射可使肉桂酸发生顺反异构,而结构中含有肉桂酸衍生物的燕麦生物碱A、B和C的高效液相色谱图、核磁共振及紫外光谱图在紫外线辐射前后几乎相同[18]。由此可见,紫外线对燕麦生物碱的影响不大。

加热处理工艺对燕麦生物碱含量的影响也有差异。燕麦籽粒经蒸煮和挤压处理后,燕麦生物碱B和C的含量基本没有变化,燕麦生物碱A的含量仅轻微减少;高压灭菌处理燕麦籽粒,燕麦生物碱含量降低,生育酚、生育三烯酚等酚类物质含量增加;而转鼓式干燥处理基本不影响生物碱含量,但生育酚和生育三烯酚含量却降低;同时进行高压灭菌和转鼓式干燥处理则明显降低燕麦生物碱A、B和C的含量[17]。再者,研究发现加工工艺生产的燕麦面包、小松饼干和通心粉等产品中的燕麦总生物碱含量分别增加了18%、260%和56%[17],由此可见,燕麦产品中燕麦生物碱含量对加工条件比较敏感。因此,通过优化加工工艺可以提高燕麦生物碱含量,同时把对其他活性成分的破坏降到最低。

2 燕麦生物碱的功能

2.1 抗氧化

氧化应激和炎症是诱发许多健康问题如癌症、肥胖和心血管疾病的关键[20-22],而燕麦生物碱能减少氧化应激的发生,从而对肥胖、癌症和心血管疾病等有潜在的预防作用。研究表明燕麦生物碱可通过增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的含量,从而发挥抗氧化作用[23-26]。Li等研究发现在大鼠日常饮食中添加富含燕麦生物碱的燕麦提取物100 mg/kg能增加其心脏和骨骼肌中谷胱甘肽过氧化物酶的活性,增加骨骼肌、肝脏和肾脏中超氧化物歧化酶活性[23]。Ren等研究发现燕麦生物碱能通过增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性并上调其基因表达,从而显著地逆转D-半乳糖诱导的小鼠氧化应激[24]。人体内实验结果也表明燕麦生物碱能明显提高血液中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的含量[25-26]。最新研究发现,自由基清除能力与燕麦生物碱有关,与游离酚酸无关,表明燕麦生物碱是主要的抗氧化物[27]。此外,Jeong等研究发现合成的二羟基燕麦生物碱-D能防止紫外线照射人皮肤成纤维细胞产生活性氧簇、金属蛋白酶-1和金属蛋白酶-3等氧化基团,进而起到抗氧化的作用[28]。Chen等实验表明,燕麦生物碱以剂量依赖的方式抑制Cu2+诱导的人类低密度脂蛋白的体外氧化[29],且Meydani等的研究也发现富含燕麦生物碱的提取物与维生素C协同作用也能抑制低密度脂蛋白的体外氧化[26]。因此,燕麦生物碱可以作为食源性抗氧化剂,并与其他膳食抗氧化剂协同作用以达到最大抗氧化效果。除用于保健外,燕麦生物碱清除自由基、防止不饱和脂肪酸氧化的作用正越来越多地应用于食品工业中,如作为食品添加剂和稳定剂等[10,30]。

2.2 抗炎

燕麦生物碱可明显抑制促炎细胞因子的表达,且呈剂量依赖性[31]。Liu等研究发现以10、40和100 μmol/L燕麦生物碱C的甲基化产物分别预处理人类动脉内皮细胞,对白细胞介素-6(IL-6)分泌的抑制率分别是39%、55%和60%,对IL-8分泌的抑制率分别是21%、41%和90%,对单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)分泌的抑制率分别是24%、42%和58%,并且发现燕麦生物碱对促炎细胞因子表达的抑制作用的机制是通过调控核转录因子NF-κB的活性所介导的,即燕麦生物碱以浓度依赖的方式降低IL-1β诱导的NF-κB P50与DNA的结合活性并抑制NF-κB在人类动脉内皮细胞中的活化,从而抑制促炎细胞因子的表达[31]。燕麦生物碱对NF-κB活性的调控可能与NF-κB抑制剂激酶(IΚΚ)活性下调有关,磷酸化的IKKα(Ser-180)和磷酸化的IKKβ(Ser-181)被认为是细胞内IKK激活的直接标志物,用燕麦生物碱预处理人类脐带血管内皮细胞(HUVEC)能防止IKKα和IKKβ的磷酸化,并以浓度依赖的方式使IKK蛋白稳定,从而抑制核转录因子NF-κB的活化[32]。目前,已有研究表明燕麦生物碱对女性有良好的抗炎效果。饮食中补充燕麦生物碱能使女性因运动造成的血液中炎症标志物(IL-6、TNF-α和组胺等)含量下降[33];在老年女性饮食中补充燕麦生物碱也能防止运动造成的炎症损伤[34],燕麦生物碱已成为绝经后女性减少炎症和肌肉损伤的有效补充物[35]。

此外,燕麦生物碱可抑制与冠状动脉疾病相关的炎症发展,对动脉粥样硬化起到一定的预防作用[36-37]。Liu 等研究表明燕麦生物碱(4～40×10-6)均能以剂量依赖的方式抑制单核细胞粘附到白介素1β刺激的人类动脉内皮细胞单分子层上,20和40 mg/L能明显抑制血管细胞粘附分子-1、E-selectin、促炎细胞因子IL-6和趋化因子IL-8的分泌[31],说明燕麦生物碱在10-6水平就有抗炎和抗动脉粥样硬化的功能。也有研究表明,食用富含燕麦生物碱的燕麦麸可降低人体内血管细胞粘附因子(VCAM-1)浓度,可能影响老年人、超重或肥胖成年人的特定炎症标记物[38],已证实二羟基燕麦生物碱-D可与神经激肽-1受体(NK1R)相互作用抑制肥大细胞脱颗粒,并作为NK1R的抑制剂具有抗炎作用[39]。Nie等研究发现燕麦生物碱C在38 mg/L时能抑制超过50%的鼠平滑肌细胞增殖;在人类血管平滑肌细胞模型中,燕麦生物碱C(13～38 mg/L)也可减少33%～41%的细胞增殖,且呈剂量依赖性;再者,血管舒张剂一氧化碳(NO)的含量在平滑肌细胞中增加3倍,在大动脉内皮细胞中增加9倍,且合成的NO的mRNA表达均上调[40]。由此可见,燕麦生物碱具有抑制动脉粥样硬化起始和发展过程的潜在作用。

2.3 抗癌

结肠癌是常见的恶性肿瘤之一。已知环氧合酶(COX-2)在80%～85%的人类腺癌、结肠癌和小鼠腺癌中高度表达,它介导的前列腺素E2(PGE2)信号传导与胃肠道中的上皮癌发生存在因果关系,被认为是作用于结肠癌的良好靶点,Guo 等研究发现,燕麦生物碱能通过抑制腹腔巨噬细胞PGE2的产生和结肠癌细胞中COX-2的表达,从而减少结肠癌的危害[41]。燕麦生物碱和牡荆素-2-O-木糖苷可通过激活半胱天冬酶,单独或联合抑制CaCo-2和HepG2癌细胞的增殖[42],有望开发成为癌症治疗药物。

此外,在人宫颈癌细胞株HeLa细胞模型中,燕麦生物碱A能抑制β-链蛋白-TCFS复合物的形成,进而阻止与多种类型的癌症发展相关的Wnt靶基因的转录,防止致癌靶标的激活,有助于预防和治疗癌症[43]。在MCF-7人乳腺癌细胞中,二羟基燕麦生物碱D能抑制蛋白激酶C的激动剂TPA诱导的丝裂原活化蛋白激酶MMP-9的表达,并通过抑制MAPK/NF-κB以及MAPK/AP-1通路防止癌细胞扩散,对抑制乳腺癌转移有着潜在的应用价值[44]。

2.4 抗瘙痒

研究表明燕麦总生物碱有较好的抗瘙痒作用[45]。1～3 mg/L的燕麦总生物碱可以抑制雌性ICR小鼠中IL-8的产生,而IL-8是角质形成细胞中的核转录因子NF-κB发挥功能的依赖性细胞因子。因此,燕麦生物碱可抑制角质细胞中NF-κB的活化;局部使用2～3 mg/L的燕麦总生物碱可明显缓解ICR小鼠接触性过敏皮炎和神经性皮炎的症状;通过诱导小鼠瘙痒模型,发现1～3 mg/L的燕麦总生物碱能减轻小鼠40%的瘙痒症状,其效果可与止痒药醋酸氢化可的松相媲美;这些结果表明局部施用低水平的燕麦总生物碱在很大程度上能减少瘙痒反应[46]。此外,研究表明合成的二羟基燕麦生物碱-D能减少由组胺变化引起的皮肤疾病如瘙痒、红斑及水疮等,且已用作化妆品的活性成分[47-48]。这些结果表明燕麦生物碱在缓解瘙痒症方面有巨大的潜力。

2.5 其他功能

Lv等用二羟基燕麦生物碱D预处理RINm5F胰岛瘤细胞或胰岛细胞,结果显示二羟基燕麦生物碱D可抑制NO产生、减少诱导型NO合酶的表达、降低胰岛β-细胞损伤,可阻止Ⅰ型糖尿病的发展[49]。Pellegrini等研究发现，燕麦生物碱在体外可以通过调控转录因子Nrf2防止造骨细胞和骨细胞凋亡并诱导破骨细胞凋亡[50]。

燕麦生物碱的结构与已上市的抗过敏药物曲尼司特(N-3,4-dim ethoxycinnamoylanthranilic acid)的结构相似,值得大家关注。临床实验表明,曲尼司特可用于治疗哮喘病、自身免疫性疾病、特应性疾病和纤维变性疾病[46,51],但作用原理仍不清楚。鉴于此,以谷物为来源的燕麦生物碱的抗过敏作用值得深入研究。此外,研究表明燕麦生物碱C可诱导MDA-MB-231乳腺癌细胞的凋亡[52],因此有望充当化疗药物,但仍需进一步实验证实。

3 构效关系

燕麦生物碱的功能多样性与其结构多样性紧密相关。不同燕麦生物碱的生物活性性质及强度存在差异。目前,燕麦生物碱的抗氧化能力与结构之间的关联性较明确[53]。影响燕麦生物碱抗氧化能力的关键结构因素主要包含以下三点:邻氨基苯甲酸取代基的不同,其抗氧化活性大小存在差异:咖啡酸>芥子酸>阿魏酸>P-香豆酸即3,4-二羟基>4-羟基-3,5-二甲氧基>4-羟基-3-甲氧基>4-羟基肉桂酸;苯环上的羟基是保持抗氧化作用所必需的结构;延长双键体系和提供功能基团(芳香环邻、对位上存在供电子基团)可增强其抗氧化能力。

研究表明燕麦生物碱结构中苯环上仅含一个羟基抗氧化活性很低,在羟基的邻位有一个甲氧基抗氧化活性明显提高,邻位再加一个甲氧基或羟基会使燕麦生物碱的抗氧化活性更高,且甲氧基在邻氨基苯甲酸衍生物上对抗氧化活性的贡献更大,说明在任一苯环羟基的邻位有稳定基团可提高其抗氧化活性,即燕麦生物碱结构中的超共轭效应对其抗氧化活性有重要作用[54]。

此外,也有研究显示,燕麦生物碱能以剂量依赖和时间依赖的方式明显增加血红素加氧酶(HO-1)的表达。该表达是通过核转录因子Nrf2易位介导的,燕麦生物碱的功能基团α,β-不饱和羰基的双键加氢能消除其对HO-1表达的影响,表明该基团的存在可能对燕麦生物碱保持抗氧化活性有重要作用[55]。再者,Saban等合成8种燕麦生物碱,并用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)法测定其抗氧化性,即物质提供给DPPH氢离子数越多则该物质抗氧化活性越高[56],结果发现邻氨基苯甲酸与芥子酸结合生成的燕麦生物碱1 s仅提供一个氢离子给DPPH自由基,抗氧化活性却很高,推测可能是形成了能提供额外氢原子的新化合物淬灭了自由基,但形成的化合物还未被鉴别[57]。此外,在燕麦生物碱的生物利用率研究中发现达到最大血药浓度的时间(Tmax)和半衰期(T1/2)均与燕麦生物碱的结构相关,如燕麦生物碱B的羟基肉桂酸部分含有甲氧基,比不含甲氧基的燕麦生物碱A的Tmax短和T1/2长等[58]。

综上可见,对燕麦生物碱结构鉴定是燕麦生物碱功能研究的基础。随着分离技术和质谱技术的不断发展,快速鉴定方法和灵敏度的不断提高,燕麦生物碱的结构表征还有很大的发展空间。再者,通过有机合成的方法对已知燕麦生物碱的结构进行修饰,从而获得高活性的燕麦生物碱及其衍生物未来将是燕麦生物碱研究的重要方向之一。

4 结论

燕麦中含有多达40余种燕麦生物碱,结构的多样性决定了其具有广泛的功效。目前,已探明的燕麦生物碱的功效主要有抗氧化、抗炎、抗癌和抗瘙痒,还有许多燕麦生物碱因含量较低或分离后不稳定而无法查明其生物活性,需要进一步开发新的分离技术,并从燕麦生物碱的生物合成及燕麦籽粒的加工方式等方面来探究提高燕麦生物碱含量的方法。

燕麦生物碱的植物性来源和多样的生物活性功能使其成为新产品开发的优选原料之一,以燕麦生物碱为活性成分的产品正在逐渐丰富。我国裸燕麦分布广泛,种质资源丰富,为分离鉴定燕麦生物碱的种类和筛选生物碱含量高的品种提供了良好条件,应进一部加快对燕麦生物碱的相关研究,拓展其在医疗保健和食品工业中应用,开发出以燕麦生物碱为主要活性成分的系列产品。