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Einfluss ausgewählter roter Fruchtsaftextrakte und deren Inhaltsstoffe auf den Glucosestoffwechsel in vitro und in vivo

  • Die Enzyme α-Amylase und α-Glucosidase katalysieren die Hydrolyse von Polysacchariden in resorbierbare Monosaccharide und damit die Glucosefreisetzung ins Blut. Durch Glykogenphosphorylase α wird ebenfalls Glucose ins Blut freigesetzt, hier jedoch durch die Hydrolyse von Leber- oder Muskelglykogen. Dipeptidylpeptidase IV spielt eine zentrale Rolle bei der Freisetzung von Insulin, indem sie das Inkretinhormon Glucagon-like-peptide-1 (GLP-1) abbaut. Hemmstoffe dieser Enzyme finden in der therapeutischen Behandlung und Prävention von Diabetes mellitus Anwendung. Neben synthetischen Inhibitoren sind bereits einige natürliche Stoffe mit hemmender Wirkung bekannt, die in unterschiedlichen Lebensmitteln vorkommen. So erwiesen sich vor allem Flavonoide als potente Hemmer. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss verschiedener Extrakte aus neun roten Früchten auf die Aktivität der Enzyme α-Amylase, α-Glucosidase, Glykogenphosphorylase α und Dipeptidylpeptidase IV in vitro und in vivo sowie der Identifizierung der verantwortlichen Inhaltsstoffe und entstand in Kooperation mit der TU Braunschweig. Alle Saftextrakte enthielten potente Inhibitoren der untersuchten Enzyme. Zu den aktivsten Extrakten zählten die aus Aronia (Aronia melanocarpa), Granatapfel (Punica granatum) und roter Traube (Vitis vinifera). Zur Identifizierung der aktiven Inhaltsstoffe wurden diese drei Extrakte in ihre Anthocyan-, Copigment- und Polymerfraktion getrennt und die ersten beiden Fraktionen in Braunschweig weiter subfraktioniert. Auch hier zeigten sich alle (Sub-)Fraktionen als potente Inhibitoren der getesteten Enzyme. Eine Studie mit einzelnen Anthocyanen und Copigmenten belegte diese Ergebnisse und gab Hinweise auf die Strukturabhängigkeit des Inhibitionspotentials. So beeinflussen die Anwesenheit und Anzahl der Hydroxyl- sowie Methylgruppen, die Molekülgröße und synergistische Effekte die inhibitorische Aktivität. Um eine irreversible Inaktivierung der Enzyme auszuschließen, wurde der Hemmmechanismus der Extrakte und Fraktionen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass alle untersuchten Proben die Aktivität der α-Amylase und α-Glucosidase reversibel hemmten. Im Rahmen einer humanen Interventionsstudie wurde der Einfluss eines Extraktes aus Aroniadirektsaft sowie eines roten Traubensaftkonzentrats auf den Blut- und Gewebsglucosespiegel als auch auf die Blutinsulinkonzentration untersucht. Für den ersten Extrakt zeigte sich eine signifikante Reduktion der Glucosespiegel, während der zweite die Insulinkonzentration signifikant erhöhte. Für alle Parameter konnten interindividuelle Unterschiede festgestellt werden, die eine Einteilung der Probanden in „Responder“ und „Nicht-Responder“ ermöglichte. In der vorliegenden Arbeit konnte das inhibitorische Potential verschiedener Extrakte aus roten Früchten sowie unterschiedlicher Polyphenole auf α-Amylase, α-Glucosidase, Glykogenphosphorylase α und Dipeptidylpeptidase IV in vitro nachgewiesen sowie relevante Struktureigenschaften von Inhibitoren ermittelt werden. Im Rahmen einer humanen Interventionsstudie konnten die beobachteten Effekte auch in vivo bestätigt werden. Die Ergebnisse dieser Pilotstudie sollten zukünftig mit einer höheren Anzahl an Probanden und einer höheren Dosierung der Extrakte abgesichert werden.
  • The enzymes α-amylase and α-glucosidase catalyze the hydrolysis of polysaccharides into absorbable monosaccharides and thus the release of glucose into the blood. Glycogen phosphorylase α also releases glucose into the blood, but here by cleaving liver or muscle glycogen. Dipeptidyl peptidase IV plays a central role in the release of insulin by degrading the incretin hormone glucagon-like-peptide-1 (GLP-1). Inhibitors of these enzymes are used in the therapeutic treatment and prevention of diabetes mellitus. In addition to synthetic inhibitors, some natural substances with inhibitory effects are already known to occur in various foods. Flavonoids, in particular, have been shown to be potent inhibitors. This work deals with the influence of different extracts from nine red fruits on the activity of the enzymes α-Amylase, α-Glucosidase, Glykogenphosphorylase α and Dipeptidylpeptidase IV in vitro and in vivo as well as the identification of the responsible constituents and was done in cooperation with the TU Braunschweig. All juice extracts contained potent inhibitors of the enzymes studied. Among the most active extracts were those from aronia (Aronia melanocarpa), pomegranate (Punica granatum) and red grape (Vitis vinifera). To identify the active constituents, in Braunschweig these three extracts were separated into their anthocyanin, copigment, and polymer fractions, and the first two fractions were further subfractionated. Again, all (sub)fractions were shown to be potent inhibitors of the enzymes tested. An investigation of single anthocyanins and copigments substantiated these results and provided evidence for the structure dependence of the inhibition potential. Thus, the presence and number of hydroxyl as well as methyl groups, the molecular size and synergistic effects influenced the inhibitory activity. To exclude irreversible inactivation of the enzymes, the inhibition mechanism of the extracts and fractions was determined. This showed that all samples tested reversibly inhibited the activity of α-amylase and α-glucosidase. In a human intervention study, the influence of an extract from aronia direct juice and a red grape juice concentrate on blood and peripheral glucose levels as well as blood insulin concentration was investigated. For the first extract, there was a significant reduction in glucose levels, while the second significantly increased insulin concentration. Interindividual differences were found for all parameters, which allowed the classification of the subjects into ‘responders’ and ‘non-responders’. In the present work, the inhibitory potential of different extracts of red fruits as well as different polyphenols on α-amylase, α-glucosidase, glycogen phosphorylase α, and dipeptidyl peptidase IV was demonstrated in vitro and relevant structural properties of inhibitors were determined. In a human intervention study, the observed effects could also be confirmed in vivo. The results of this pilot study should be validated in the future with a higher number of subjects and a higher dosage of the extracts.

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Metadaten
Author:Kirsten Berger
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-68356
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6835
Advisor:Elke Richling
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2022/05/30
Date of Publication:2022/05/30
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/02/11
Date of the Publication (Server):2022/06/01
Number of page:VIII, 116, LVIII
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)