Исследователи обнаружили в обжаренном кофе ранее неизвестные биоактивные соединения с помощью быстрого аналитического метода, основанного на определении активности. Эти молекулы взаимодействуют с ключевым ферментом, участвующим в переваривании углеводов, что свидетельствует о том, что кофе является более сложным с химической точки зрения и биологически активным продуктом, чем считалось ранее. Фото: Shutterstock

Новое исследование показало, что в обжаренном кофе содержатся ранее неизвестные соединения, способные ингибировать ключевой фермент, отвечающий за контроль уровня сахара в крови.

Ученые выявили три соединения, которые эффективно подавляют α-глюкозидазу — фермент, играющий ключевую роль в расщеплении углеводов в процессе пищеварения. Поскольку блокировка этого фермента может помочь контролировать скачки уровня сахара в крови после приема пищи, полученные результаты указывают на новые возможности для разработки функциональных пищевых ингредиентов, направленных на борьбу с диабетом 2-го типа.

Функциональные продукты ценятся не только за то, что они обеспечивают организм необходимыми питательными веществами, но и за то, что они содержат биологически активные соединения, полезные для здоровья. Эти соединения могут оказывать антиоксидантное, нейропротекторное действие или снижать уровень глюкозы в крови. Однако найти их в сложных пищевых смесях непросто. Традиционные методы экстракции и идентификации часто бывают медленными, трудоёмкими и неэффективными.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи всё чаще прибегают к использованию передовых аналитических инструментов, таких как ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) и жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ-МС/МС). Эти методы позволяют быстро выявлять биологически активные молекулы даже в таких богатых химическими веществами и разнообразных продуктах, как обжаренный кофе.

Изучение скрытого биоактивного потенциала кофе

Исследование, опубликованное в Beverage Plant Research командой Минхуа Цю из Куньминского института ботаники Китайской академии наук, показывает, что кофе является многообещающим источником противодиабетических соединений, и расширяет научные представления о его функциональных компонентах.

Исследователи разработали трёхэтапную стратегию, ориентированную на активность, для эффективного выявления биоактивных эфиров дитерпеновых кислот в обжаренных зёрнах Coffea arabica. Их подход был направлен на выявление как распространённых, так и следовых количеств соединений, которые ингибируют α-глюкозидазу, при этом сокращая расход растворителя и время анализа.

Поэтапная идентификация биоактивных дитерпенов

Исследователи начали с разделения сложного кофейного экстракта на 19 более мелких частей, называемых фракциями, с помощью хроматографии на силикагеле — распространённого метода, позволяющего разделять соединения в зависимости от того, как они проходят через твёрдый материал. Затем каждую фракцию исследовали с помощью ^1H ЯМР — метода, позволяющего получить информацию об атомах водорода в молекулах, — и проверяли, насколько хорошо она блокирует активность α-глюкозидазы.

Чтобы разобраться в большом объёме данных ЯМР, команда создала кластерную тепловую карту — визуальный инструмент, который группирует образцы со схожими химическими характеристиками. В результате анализа наиболее биологически активными были признаны фракции с 9-й по 13-ю. Эти фракции имели схожие характеристики сигналов водорода, что позволяет предположить, что они содержат родственные соединения.

Более тщательное изучение одного из образцов, Fr.9, с помощью ЯМР-спектроскопии ^13C-DEPT, которая фокусируется на атомах углерода в молекулах, выявило наличие альдегидной группы. Этот результат совпал с тем, что было получено ранее с помощью анализа на основе водорода. Затем исследователи провели дополнительную очистку Fr.9 с помощью полупрепаративной ВЭЖХ — метода разделения соединений в жидкой форме, который позволил выделить три ранее неизвестных дитерпеновых эфира, названных каффальдегидами A, B и C.

Мощное ингибирование ферментов и обнаружение следовых соединений

Структуры этих новых соединений были подтверждены с помощью комбинации методов одномерного и двумерного ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии высокого разрешения (HRESIMS), которая позволяет точно измерять молекулярную массу. Несмотря на то, что три молекулы имеют схожую основную структуру, они различаются присоединёнными к ним жирными кислотными цепями, а именно пальмитиновой, стеариновой и арахиновой кислотами.

Все три соединения продемонстрировали умеренную способность ингибировать α-глюкозидазу: значения IC₅₀ составили 45,07, 24,40 и 17,50 мкМ соответственно. Это делает их более эффективными, чем акарбоза — противодиабетический препарат, который обычно назначают для лечения диабета 2-го типа, чтобы замедлить расщепление углеводов за счёт ингибирования α-глюкозидазы.

Чтобы найти дополнительные биологически активные соединения, присутствующие в крайне малых количествах, которые невозможно обнаружить с помощью ЯМР или стандартной ВЭЖХ, команда использовала ЖХ-МС/МС — передовой метод, который разделяет соединения и расщепляет их на фрагменты для идентификации. Проанализировав сгруппированные фракции и создав молекулярную сеть с помощью GNPS и Cytoscape — программных инструментов, выявляющих взаимосвязи между похожими молекулами, — исследователи обнаружили ещё три ранее неизвестных дитерпеновых эфира (соединения 4–6).

Эти следовые соединения были тесно связаны с кафальдегидами A–C и имели схожие фрагменты, но различались по составу жирных кислот, в который входили магариковая, октадеценовая и нонадекановая кислоты.

Значение для функциональных продуктов питания и будущих исследований

Их отсутствие в базах данных соединений подтвердило их новизну. В совокупности эти результаты демонстрируют эффективность комплексного подхода к дерепликации для обнаружения структурно разнообразных, биологически значимых соединений в сложных пищевых матрицах, таких как обжаренный кофе.

Это исследование открывает возможности для разработки новых функциональных пищевых ингредиентов или нутрицевтиков на основе кофе, которые будут регулировать уровень глюкозы и потенциально помогут в лечении диабета.

В более широком смысле представленная здесь стратегия дерепликации с использованием минимального количества растворителя и расширенного спектрального анализа может быть адаптирована для быстрого скрининга биоактивных метаболитов в других сложных пищевых матрицах. В будущих исследованиях будет изучена биологическая активность недавно обнаруженных дитерпенов и оценены их безопасность и эффективность in vivo.