光催化降解硫酸软骨素及其产物的体内吸收代谢-大连工业大学

摘要:光催化法能够有效降解硫酸软骨素,在保留硫酸基的基础上制备得到低分子量硫酸软骨素,且降解产物的还原端多为葡萄糖醛酸或其衍生物阿拉伯糖醛酸

2022年11月5日,大连工业大学食品学院宋爽教授课题组在国际期刊Carbohydrate Polymers (Q1,IF=10.723)发表题为“H2O2-TiO2 photocatalytic degradation of chondroitin sulfate and in vivo absorption and excertion of its product”的研究论文,宋爽教授为通讯作者,硕士生田伟功为第一作者

硫酸软骨素(CS)是由D-葡萄糖醛酸(GlcA)和N-乙酰基半乳糖胺(GalNAc) 连接的二糖单位构成的硫酸化多糖,分布于动物软骨中。CS具有多种生物活性,其生物活性与相对分子质量大小和硫酸基含量密切相关。为了提升口服硫酸软骨素的功效,寻找制备硫酸化程度高的低分子量硫酸软骨素的方法是领域关注的重点。由于氧化降解对硫酸基团没有明显破坏,因此非常适合用于制备低分子量硫酸化多糖。常见的芬顿氧化降解由于依赖金属离子,后期脱除金属离子操作较为繁琐,还可能会造成环境的污染。光催化降解是一种高级氧化降解的方法,它可以利用光敏半导体材料在光辐射照射下产生·OH、O2-·等自由基。光催化降解利用太阳能,无需加热,催化剂可反复利用,清洁低碳,具有良好的应用前景。

本文研究了反应温度、反应时间以及TiO2和H2O2添加量对CS降解效率的影响,采用优化后的反应条件,6 h可将CS的平均相对分子质量降至5 kDa。采用FT-IR、核磁共振等手段比较了降解产物LWCS3(8 kDa)、LWCS6(5 kDa)与CS的化学组成与结构,结果表明光催化降解前后样品中硫酸基含量无显著差异,糖链结构无明显变化。此外,应用HPLC-ESI-MSn技术对LWCS6中的寡糖结构进行了鉴定,发现降解产物的还原端多为葡萄糖醛酸或其衍生物阿拉伯糖醛酸,表明光催化反应中自由基主要攻击葡萄糖醛酸的糖苷键。但与芬顿氧化降解不同,光催化降解没有在还原端生成二羧酸类。进一步动物实验结果表明,与CS相比,LWCS6经大鼠灌胃的吸收效率更高,而CS和LWCS6经粪便的排出率无显著差异,说明肠道菌群代谢CS及LWCS6的效率相近。


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亮点

  • 建立了光催化降解硫酸软骨素的方法,经6小时降解可获得5 kDa的低分子量硫酸软骨素,且硫酸基含量无明显降低。

  •  鉴定了光催化降解硫酸软骨素的寡糖降解产物,发现还原端多为葡萄糖醛酸或其衍生物。

  • 与原硫酸软骨素相比,光催化降解得到的低分子量硫酸软骨素具有更高的口服吸收率。


结论

  • 光催化法能够有效降解硫酸软骨素,在保留硫酸基的基础上制备得到低分子量硫酸软骨素,且降解产物的还原端多为葡萄糖醛酸或其衍生物阿拉伯糖醛酸。此外,与原硫酸软骨素相比,降解产物具有更高的口服吸收率,在功能食品和医药领域具有良好的应用前景。


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图形摘要


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图1.  LWCS6中 PMP标记后寡糖的选择离子色谱图和二级质谱图

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图2. 硫酸软骨素的光催化降解产物 (x = 0,1; y =0, 1, 2, 3…).


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图3. 光催化降解硫酸软骨素的反应历程 (x = 0,1; y =0, 1, 2, 3…).


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宋 爽,大连工业大学食品学院教授,博士生导师。主要研究方向为海洋活性多糖的功能特性与开发利用,发表学术论文100余篇,其中以第一作者或通讯作者发表SCI/EI收录论文40余篇,ESI高被引论文2篇,热点论文1篇;申请专利20余件,作为第一发明人获授权发明专利10件;作为第一设计人获计算机软件著作权1项;获中国轻工业联合会科学技术进步奖三等奖(排名2)、辽宁省研究生教育教学成果奖二等奖(排名2)、辽宁省教学成果奖一等奖(排名7);主持科研项目7项,其中国家级项目4项;入选辽宁省农业领域青年科技创新人才培养资助计划、大连市青年科技之星。


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田伟功,大连工业大学食品学院/国家海洋食品工程技术研究中心2020级硕士。研究方向:海洋活性多糖的功能特性与开发利用。



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