绿原酸咖啡的研制及抗氧化性评价

杨城1,靳欣2,张楠2,薛灵艳1,陈野1,李书红1*

(1.天津科技大学食品科学与工程学院,天津 300450;2.啡啡科技(北京)有限公司,北京 100020)

摘 要:为提高咖啡的抗氧化性,该研究将绿原酸添加到咖啡中并进行小鼠抗氧化实验,将小鼠随机分成模型组、VC组和高、中、低剂量实验组,采用D-半乳糖灌胃建立氧化应激模型。通过测定小鼠体质量、血常规和肝脏中的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)活性和免疫器官指数。结果表明,组间体质量和血常规中白细胞数无显著性差异(p>0.05)。绿原酸中剂量组血常规中红细胞血红蛋白(mean corpuscular hemoglobin,MCH)含量、中性粒细胞数(granulocyte,GRA)、胸腺指数、脾脏指数与空白组、阳性对照组相比均无显著性差异(p>0.05),与模型对照组、咖啡对照组相比差异显著(p<0.05)。绿原酸中剂量组与模型对照组相比,其MCH、GRA、肝脏MDA 含量显著降低(p<0.05),SOD 活性、GSH-Px 活性、胸腺指数、脾脏指数显著提高(p<0.05),结果表明添加绿原酸的咖啡对于D-半乳糖干预所致的小鼠产生的氧化应激损伤具有一定修复作用。

关键词:绿原酸;功能性咖啡;抗氧化性;动物实验;氧化应激

咖啡具有提神抗疲劳、消除水肿和促进新陈代谢等功效,因此备受消费者青睐。其主要成分有咖啡因、绿原酸、纤维、蛋白质、脂肪和矿物质等[1],其中咖啡因能够促进生成提升大脑活性的多巴胺,含量在2.0%~3.5%,起到提神抗疲劳的功效[2]。除咖啡因外,绿原酸作为咖啡中的主要活性物质之一,占咖啡质量的6%~12%,具有抗氧化、抗菌、保护心脏和神经、调控糖脂代谢和抗肿瘤等生物活性[3]。由于在烘焙过程中,咖啡的绿原酸受热分解,其抗氧化活性可能会降低[4]。因此,探究添加绿原酸对咖啡抗氧化功能的影响,对保持其功效活性、揭示咖啡化学成分和功能特性之间的相互关系及提升咖啡品质具有重要意义。

氧化是生物体新陈代谢的自然结果,会生成大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS)和自由基[5]。过量的ROS 和自由基会对细胞壁、脂膜、线粒体和DNA等细胞成分造成损害,发生氧化应激,引起一系列与衰老相关的问题,因此抗氧化功能性食品的研究成为新的研究热点。陈莹艳[6]研究了具有抗氧化性的玉米酸奶,蒋鹏飞等[7]研究了一种功能性复合多糖饮料,并对其抗氧化性和降糖活性进行了研究。目前,对于咖啡的功能性研究在减肥、提神、速溶等方面居多[8],对于具有抗氧化性的功能性咖啡的研究报道较少。

为了探究绿原酸量对咖啡抗氧化效果的影响,本研究通过对小鼠灌胃D-半乳糖进行干预,建立氧化应激小鼠模型。对空白组、模型对照组、阳性对照组、咖啡对照组、绿原酸低、中、高剂量组分别灌胃水、D-半乳糖、VC、咖啡以及不同剂量的绿原酸咖啡,在实验周期结束后测定实验小鼠的血常规,并取实验小鼠的肝脏来测定丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)活性和器官指数等来反映添加绿原酸对咖啡抗氧化性的影响规律,为制备具有抗氧化性的功能性咖啡提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

咖啡粉:啡啡科技(北京)有限公司;绿原酸(分析纯):上海源叶生物科技有限公司;昆明雄性小鼠,实验动物使用许可证号:SYXK(冀)2021-006;MDA 测定试剂盒、SOD 测定试剂盒、GSH-Px 测定试剂盒:南京建成生物工程研究所。

1.2 仪器与设备

精密天平(PX223ZH/E):奥豪斯仪器(上海)有限公司;血液分析仪(BC-11):中国迈瑞医疗器械公司。灌胃针45mm 弯头:上海玻利鸽工贸有限公司;鼠笼(JM-1):苏州市顾秀实验动物设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 功能性咖啡的制备

称取2.0 g 咖啡粉溶解于200 mL 蒸馏水中,获得0.01 g/mL 的咖啡液,分别添加1.5 g(低剂量组)、3.0 g(中剂量组)、6.0 g(高剂量组)绿原酸于咖啡液中制得功能性咖啡。

1.3.2 动物实验

根据马红梅等[9]的方法,选取70 只三月龄健康成年昆明雄性小鼠,自然昼夜、自由进食、进水,适应性喂养7 d 后按体质量随机分为空白组、模型对照组、阳性对照组、咖啡对照组、绿原酸低、中、高剂量组,10 只/组。空白组进行正常饲养,其余组连续给予D-半乳糖连续30 d,具体实验分组如下。

1)空白组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃水0.2 mL。

2)模型对照组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃0.2 mL 120 mg/kg D-半乳糖。

3)阳性对照组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃0.2 mL 100 mg/kg VC

4)咖啡对照组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃0.2 mL 咖啡液。

5)绿原酸低剂量组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃绿原酸50 mg/kg 溶于0.2 mL 咖啡液。

6)绿原酸中剂量组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃绿原酸100 mg/kg 溶于0.2 mL 咖啡液。

7)绿原酸高剂量组:基础饲料,自由饮水摄食。每日灌胃绿原酸200 mg/kg 溶于0.2 mL 咖啡液。

测定小鼠MDA、SOD、GSH-Px 水平、血红蛋白含量、中性粒细胞数、白细胞含量及免疫器官指数的变化作为绿原酸咖啡抗氧化功效的表征。其中MDA 含量为脂质过氧化作用的主要产物,SOD 活性表示超氧化物歧化酶活性,GSH-Px 活性表示谷胱甘肽过氧化物酶活性[10]

1.3.2.1 小鼠体质量测定

采用精密天平测定各组实验小鼠的体质量变化。

1.3.2.2 血常规测定

采用血液分析仪测定各组实验小鼠的血常规数值。

1.3.2.3 抗氧化指标测定

采用MDA 测定试剂盒(硫代巴比妥酸法)、SOD测定试剂盒(WST-1 法)、GSH-Px 测定试剂盒(比色法),检测各组动物血清和肝脏匀浆液的MDA 含量,SOD、GSH-Px 活性(每组5 只实验小鼠,无复孔)。

1.3.2.4 免疫器官指数的变化

实验结束时,每组小鼠空腹12 h,称重、屠宰,分离出脾脏和胸腺并称重,计算免疫器官指数。

1.4 数据处理

用Excel 和SPSS 软件进行统计学分析。分析各组数据的平均值和方差,并采用单因素分析和DUNNETT 法进行多个剂量组与对照组均数间的两两比较,P<0.05 有统计学意义[11]

2 结果与分析

2.1 实验小鼠的体质量变化

小鼠的体质量变化能够在一定程度上反映小鼠的健康状况,并根据体质量的变化调整小鼠摄入样品的剂量。不同组别小鼠体质量的变化如表1所示。

表1 不同组别小鼠的体质量
Table 1 Body mass of mice in different groups g

注:同列小写字母不同表示差异显著,p<0.05。

组别初始体质量中期体质量末期体质量空白组38.34±0.86a39.12±1.11a40.60±1.53a模型对照组37.43±0.92a39.19±1.32a39.82±0.89a阳性对照组38.66±1.73a40.39±1.64a40.74±1.66a咖啡对照组38.50±1.16a39.91±1.41a40.47±1.16a绿原酸低剂量组38.07±1.30a39.99±1.70a41.20±1.26a绿原酸中剂量组38.59±1.46a39.77±2.12a39.73±2.55a绿原酸高剂量组37.90±1.48a39.80±1.21a40.28±1.42a

从表1可以看出,不同组别间动物实验不同时期初始(0 d)、中期(15 d)、末期(30 d)的小鼠体质量并无显著性差异,这表明通过进行D-半乳糖干预、摄入VC、咖啡和添加绿原酸的咖啡并不会使小鼠的体质量产生明显的变化,这与尹晓晨等[12]研究中小鼠的体质量变化结果一致。

2.2 血常规

本研究通过检测不同组别的实验小鼠血液中的平均血红蛋白含量(mean corpuscular hemoglobin,MCH)、中性粒细胞数(granulocyte,GRA)以及白细胞数(white blood cell,WBC)用以表征在D-半乳糖干预下产生氧化应激损伤[13],并作为在加入受试样品后对抗这种氧化损伤的评价指标[14]

血红蛋白能够与氧结合,起到运输氧和二氧化碳的功能[15]。因此血红蛋白含量的异常是反映氧化程度的指标之一,中性粒细胞数和白细胞数往往是反映炎症的重要指标[16]。不同组别间血常规结果如表2所示。

表2 不同组别小鼠血常规结果
Table 2 Blood routine of mice in different groups

注:同列小写字母不同表示差异显著,p<0.05。

?

由表2可知,空白组、绿原酸低、中剂量组的MCH相较于模型对照组、咖啡对照组明显降低,绿原酸低、中剂量组MCH 含量降低且十分接近于空白组表示绿原酸可以起到缓解小鼠体内氧化应激导致的血红蛋白异常现象,证明其具有一定的抗氧化功能。

模型对照组的GRA 最高达到83.92%,中性粒细胞数往往是反映炎症的重要指标,人体中的正常的中性粒细胞数在50%~70%,超过此范围则属于中性粒细胞数偏高[17]。模型对照组GRA 含量的升高表示D-半乳糖模型干预使实验小鼠体内产生了炎症,而阳性对照组、绿原酸中剂量组相对于空白组、模型对照组、咖啡对照组、绿原酸低剂量组、绿原酸高剂量组的中性粒细胞数降低。绿原酸中剂量组的中性粒细胞数(GRA)最低为64.48%,表示其具有一定的抗菌消炎作用,这与胡建等[18]对环磷酰胺致免疫抑制小鼠血常规结果一致。

小鼠的白细胞数(WBC)各组间虽有一定的差异,但均在正常的范围内(4×109~1×1010/L),且无显著差异。此结果表明进行D-半乳糖干预、摄入VC、咖啡和添加绿原酸的咖啡并没有引起小鼠血液中白细胞的异常,这可能是特异性的炎症才会导致白细胞数发生明显变化。

2.3 抗氧化实验结果

分析动物实验末期各组别间肝脏中的MDA 含量、SOD 活性以及GSH-Px 活性之间的差异作为不同组间抗氧化效果的评价指标。

2.3.1 不同组别MDA 含量

在生物体内,自由基作用于脂质发生过氧化反应,其氧化反应的最终产物为丙二醛[19],丙二醛具有一定的细胞毒性,会损伤生物膜结构,进而导致生物的氧化损伤和衰老[20]。不同组别的小鼠肝脏中MDA 含量如图1所示。

图1 不同组别小鼠肝脏中MDA 含量
Fig.1 MDA content in the liver of mice in different groups

不同小写字母表示差异显著,p<0.05。

由图1可知,模型对照组相较于其他组的MDA含量显著升高(p<0.05)。丙二醛含量的异常表示出D-半乳糖干预使实验小鼠出现了脂质过氧化,这与尉丽力等[21]小鼠模型组结果一致。加入绿原酸低、中、高剂量组的MDA 含量均显著低于模型对照组(p<0.05),且低、中、高剂量组之间无显著性差异(p>0.05),此结果表示加入绿原酸的各剂量组具有一定的抗氧化性从而抑制脂质过氧化。阳性对照组和咖啡对照组的MDA含量与空白组(1.39 nmol/mg prot)较为接近,这表明VC和咖啡可以有效抑制小鼠的脂质过氧化,加入绿原酸的各剂量组的MDA 含量比阳性对照组和咖啡对照组低,此结果表示加入绿原酸的各剂量组有着同VC、咖啡相似的抑制脂质过氧化的作用且更为优越。绿原酸中剂量组相比于绿原酸低剂量组和绿原酸高剂量组的MDA 含量更低,抑制脂质过氧化的效果较好。

2.3.2 不同组别SOD 活性

SOD 是一种能够消除生物体在新陈代谢中产生的有害物质的生物活性物质,对人体有着抗衰老的效果[22]。不同组别的小鼠肝脏中SOD 活性如图2所示。

图2 不同组别小鼠肝脏中SOD 活性
Fig.2 SOD activity in the liver of mice in different groups

不同小写字母差异显著,p<0.05。

由图2可知,模型对照组和咖啡对照组的SOD 活性相较于空白组、阳性对照组、绿原酸低、中剂量组显著降低。模型对照组和咖啡对照组SOD 活性的变化表示使用D-半乳糖干预使实验小鼠抗氧化、抗衰老能力降低,这与张润祥[23]的研究结果一致,且咖啡的抗氧化效果并不理想。加入绿原酸低剂量组和中剂量组SOD活性显著高于模型对照组和咖啡对照组,这表明加入绿原酸达到一定浓度时,可以明显提升实验小鼠的抗氧化能力。绿原酸低剂量组SOD 活性(263.26 U/mg prot)和中剂量组(265.10 U/mg prot)无显著性差异,VC 的抗氧化功效已得到证明,此结果表示低、中剂量组有着同VC 相似的提升实验小鼠抗氧化能力的功效。绿原酸高剂量组的SOD 活性为237.89 U/mg prot,与模型对照组和咖啡对照组间并无显著性差异,可能由于加入绿原酸浓度过高导致其抗氧化效果降低。

2.3.3 不同组别GSH-Px 活性

GSH-Px 是机体内广泛存在的一种重要的过氧化物分解酶[24]。它可以清除脂类氢过氧化物、减轻对机体的损伤和保护细胞免受亚硝酸盐的损害[25]。不同组别的小鼠肝脏中GSH-Px 活性如图3所示。

图3 不同组别小鼠肝脏中GSH-Px 活性
Fig.3 GSH-Px activity in the liver of mice in different groups

不同小写字母表示差异显著,p<0.05。

由图3可知,模型对照组的GSH-Px 活性相较于空白组、阳性对照组、绿原酸低、中剂量组显著降低(p<0.05),GSH-Px 活性的降低是体内过氧化物增加的表现,模型对照组GSH-Px 活性的变化表示D-半乳糖干预使小鼠发生了氧化衰老和细胞损伤,这与龙霞[26]的研究结果一致。咖啡对照组和绿原酸高剂量组的GSH-Px 相比于模型对照组略有上升,但无显著性差异,因此这两组的抗氧化效果不佳。绿原酸低剂量组和中剂量组GSH-Px 显著高于模型对照组,这表明合适的绿原酸浓度可以起到提升实验小鼠的抗氧化能力和修复细胞损伤的作用,减少了GSH-Px 的消耗。其中绿原酸中剂量组和空白组、阳性对照组间无显著性差异,这表示出绿原酸中剂量组与VC 有着相似的抗氧化功能使小鼠的GSH-Px 恢复正常水平。以上结果表明绿原酸咖啡具有抗氧化作用,这与尉丽力等[21]的D-半乳糖致衰老小鼠的抗氧化实验结果一致。

2.4 免疫器官指数

胸腺和脾脏是主要的免疫器官,能够反映生物体内衰老过程中的氧化损伤水平[27]。胸腺可以参与生物体的细胞免疫和体液免疫。脾脏可以吞噬衰老的细胞,促进体内的新陈代谢[28]。胸腺和脾脏在出现氧化损伤后可能会出现一定的萎缩,质量也会减轻,比较免疫器官的质量作为实验小鼠免疫功能的评价指标[29]。不同组别胸腺指数如图4所示。

图4 不同组别小鼠的胸腺指数
Fig.4 Thymus index of mice in different groups

不同小写字母表示差异显著,p<0.05。

由图4可知,模型对照组的胸腺指数同空白组相比显著降低1.00%,胸腺指数降低表示D-半乳糖干预使其免疫器官出现了一定程度的萎缩,这可能会导致免疫功能受限。绿原酸高剂量组同咖啡对照组、模型对照组相比无显著差异,这表示咖啡和高浓度绿原酸的咖啡并没有明显的修复器官的效果。绿原酸低剂量、中剂量组的胸腺指数显著均高于模型对照组(p<0.05),这表示绿原酸低、中剂量组在一定程度上修复了器官的衰老损伤,维持小鼠的免疫功能。加入VC 的阳性对照组的胸腺指数同模型对照组相比具有显著差异性,表明VC 能够修复器官的衰老损伤。绿原酸低、中剂量组和阳性对照组相比并无显著性差异,此结果表示绿原酸低、中剂量组和VC 有着相似的维持小鼠免疫功能的效果。

测定同为免疫器官的脾脏的质量,计算不同组别脾脏指数,结果如图5所示。

图5 不同组别小鼠的脾脏指数
Fig.5 Spleen index of mice in different groups

不同小写字母表示差异显著,p<0.05。

由图5可知,模型对照组的脾脏指数同空白组相比明显降低4.51%,这表明D-半乳糖干预使实验小鼠的脾脏出现了一定程度的萎缩,同胸腺器官一样,其免疫功能可能会因此减弱。绿原酸的低、高剂量组同咖啡对照组、模型对照组相比无明显差异。此结果表明且咖啡修复氧化损伤的效果不佳,且适宜的绿原酸浓度才能够起到明显的修复细胞氧化损伤,维持其免疫功能功效。阳性对照组的胸腺指数虽与模型组并无明显差异,但其免疫器官指数呈现增加的趋势。绿原酸中剂量组的脾脏指数明显高于模型对照组,此结果表示绿原酸低剂量组在一定程度上提升实验小鼠的免疫力。这与彭勤等[30]研究结果一致。

3 结论

本研究将绿原酸添加到咖啡中从而探究其抗氧化性。各组小鼠体质量无明显差异,绿原酸中剂量组的血红蛋白含量和中性粒细胞数较低,白细胞数各组别间无明显差异,证明绿原酸咖啡在抗氧化和对抗炎症有着一定的作用。同模型对照组相比,绿原酸中剂量组明显降低了实验小鼠肝脏中的MDA 含量,增强了肝脏中SOD 活性和GSH-Px 活性,绿原酸中剂量组的胸腺指数和脾脏指数明显提升。综上所述,添加绿原酸的中剂量组咖啡抗氧化性较好,自由基清除能力明显提升,能够修复衰老损伤,维持机体正常的免疫功能。本研究为抗氧化功能性咖啡的研究与开发提供参考。

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Preparation and Antioxidant Evaluation of Chlorogenic Acid Coffee

YANG Cheng1,JIN Xin2,ZHANG Nan2,XUE Ling-yan1,CHEN Ye1,LI Shu-hong1*
(1.School of Food Science and Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300450,China;2.Feifei Technology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing 100020,China)

Abstract:In order to improve the antioxidation of coffee,chlorogenic acid was added to coffee in this study and the mouse-based antioxidant experiment was carried out.The mice were randomly divided into model group,VC group as well as high-,medium-and low-dose experimental groups.The oxidative stress model was established by intragastric administration of D-galactose.The body mass,blood routine,the content of malondialdehyde(MDA),the activity of superoxide dismutase(SOD),the activity of glutathione peroxidase(GSH-Px)in the liver and the immune organ indexes in mice were measured.The results showed that there was no significant difference in body mass and leukocyte number in blood routine between groups (p>0.05).The medium-dose chlorogenic acid group showed no significant difference (p>0.05)with the blank group and the positive control group in the content of mean corpuscular hemoglobin(MCH),the number of granulocytes(GRA),thymus index,and spleen index,in the middle dose group of chlorogenic acid but had significant differences with the model control group and the coffee control group (p<0.05).Compared with those in the model control group,the MCH content,GRA number and liver MDA content in the medium-dose chlorogenic acid group were significantly decreased(p<0.05),and the SOD activity,GSH-Px activity,thymus index and spleen index were significantly increased(p<0.05),which proved that the coffee added with chlorogenic acid could ameliorate the oxidative stress damage induced by D-galactose in mice to a certain degree.

Key words:chlorogenic acid;functional coffee;antioxidation;animal experiments;oxidative stress

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.10.019

基金项目:天津市自然基金面上项目(20JCYBJC00080)

作者简介:杨城(1999—),男(汉),硕士,研究方向:农产品加工。

*通信作者:李书红(1984—),女(汉),副教授,博士,研究方向:农产品加工。

引文格式:杨城,靳欣,张楠,等.绿原酸咖啡的研制及抗氧化性评价[J].食品研究与开发,2023,44(10):140-145,185.

YANG Cheng,JIN Xin,ZHANG Nan,et al.Preparation and Antioxidant Evaluation of Chlorogenic Acid Coffee[J].Food Research and Development,2023,44(10):140-145,185.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2022-08-16