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Die Regulation des Glucosestoffwechsels und damit einhergehend die Aufrechterhaltung der
Glucosehomöostase sind essenzielle Prozesse des menschlichen Körpers zur
Energiegewinnung. Ein dauerhaft erhöhter Blutglucosespiegel ist pathologisch und gilt als
Symptom der Krankheit Diabetes mellitus. Seine steigende Inzidenz sowie Prävalenz weltweit
[Magliano und Boyko, 2021], zeigen die Notwendigkeit der Suche nach Medikamenten auf,
wobei Pflanzenextrakten eine tragende Rolle zukommen kann [Alam et al., 2022]. Die Nutzung
von Nebenprodukten greift zusätzlich den Nachhaltigkeitsaspekt auf, was Biertreber (BSG) als
Ausgangsmaterial entsprechender Untersuchungen interessant macht. Mit über 39 Millionen
Tonnen weltweit pro Jahr stellt er das Hauptnebenprodukt der Bierindustrie dar und wird
bislang vordergründig als Futtermittel verwendet [Mussatto, 2014]. Aktuelle Studien zeigten
seinen Nutzen zur Erhöhung des Nährwertes von Lebensmitteln auf [Sahin et al., 2021; Pratap
Singh et al., 2020]. Zudem wurden bioaktive Inhaltsstoffe wie Flavonoide oder
Hydroxyzimtsäuren (HCA) aus BSG extrahiert, wobei letztere Bestandteil der Arabinoxylane
sind [Stefanello et al., 2018]. Neben antioxidativen Wirkungen sind HCA als Inhibitoren einiger
Enzyme des Glucosestoffwechsels beschrieben. Ferula- (FA) und Kaffeesäure (CA) erwiesen
sich als potente α-Glucosidase-Inhibitoren in vitro [Adisakwattana et al., 2009], FA zeigte
zudem einen starken Einfluss auf Enzyme des Glykogenstoffwechsels [Narasimhan et al.,
2015a; Narasimhan et al., 2015b]. Mittels verschiedener Methoden wie Fest-Flüssig-
Extraktion (SLE) oder alkalischer Hydrolysen wurden verschiedene Extraktgruppen (HA, HE, A)
aus drei BSG-Chargen (BSG 1–3) hergestellt, charakterisiert und in vitro auf ihren Einfluss
gegenüber α-Glucosidase, α-Amylase, Dipeptidylpeptidase IV und Glykogenphosphorylase α
(GPα) untersucht. Die Extrakte aus alkalischer Hydrolyse (HE) wiesen einen deutlich höheren
Gesamtphenol (TPC)- und Gesamtflavonoidgehalt (TFC) auf als die A- (SLE) und HA-Extrakte
(SLE aus Rückstand der alkalischen Hydrolyse). Potente Inhibition wurde v.a. durch die
A-Extrakte gegenüber α-Glucosidase und GPα beobachtet. Eine Korrelation der Inhibition mit
dem TPC und TFC konnte nicht festgestellt werden. HPLC-ESI-MS/MS- Experimente zeigten
zudem die deutlichen Unterschiede der Extraktgruppen, wobei HCA-Derivate als
Leitsubstanzen der HE- und HA-Extrakte und Hordatine als Hauptkomponenten der A-Extrakte
nachgewiesen wurden. Die Hordatin- wie auch HCA-Gehalte wurden semiquantitativ
bestimmt, wobei letztere signifikant geringer in HA- als HE-Extrakten war. Sowohl die FA-
Dehydrodimere (DiFA) als auch Hordatine waren kommerziell nicht erhältlich, weshalb sie aus
BSG isoliert wurden. In beiden Isolierungen wurden Fraktionen erhalten (37 F-Fraktionen aus
DiFA-Isolierung, zehn H-Fraktionen aus Hordatin-Isolierung), welche charakterisiert und im
α-Glucosidase- und GPα-Inhibitionsassay untersucht wurden. Zwei H-Fraktionen hemmten
α-Glucosidase und deuteten auf Hordatin-Glykoside oder den Präkursor p-Coumaroylagmatin
als möglichen Inhibitor hin. Zahlreiche F-Fraktionen hemmten GPα, wobei trimere
Ferulasäurederivate als Inhibitoren postuliert wurden. Eindeutige Rückschlüsse auf die
inhibierenden Komponenten der Extrakte waren aufgrund der geringen Ausbeuten und damit
kleinen Stichprobenzahl sowie den semiquantitativen Bestimmungen schwierig. Zudem
rückten Oxylipine als Inhaltsstoffe fast aller Extrakte sowie der F-Fraktionen in den Fokus. Ein
GPα- und α-Glucosidase-hemmendes Potential von BSG-Extrakten bzw. isolierter
Phytochemikalien konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit nachgewiesen werden.
Hordatines are a characteristic class of secondary metabolites found in barley which have
been reported to be present in barley malt, beer and, recently, brewer ́s spent grain (BSG). However,
little is known about their biological activities such as antioxidative effects in beer or antifungal
activity as their main task within the plants. We conducted an in vitro investigation of the activity
of hordatines isolated from BSG towards enzymes of glucose metabolism. Hordatine-rich fractions
from BSG were prepared by solid-liquid extraction (SLE) with 60% acetone followed by purification
and fractionation. The fractions were characterised and investigated for their in vitro inhibitory
potential on α-glucosidase and glycogen phosphorylase α (GPα). Both enzymes are relevant within
the human glucose metabolism regarding the digestion of carbohydrates as well as the liberation of
glucose from the liver. In total, 10 hordatine-rich fractions varying in the composition of different
hordatines were separated and analysed by mass spectrometry. Hordatine A, B and C, as well as
hydroxylated aglycons and many glycosides, were detected in the fractions. The total hordatine
content was analysed by HPLC-DAD using a semi-quantitative approach and ranged from 60.7 ± 3.1
to 259.6 ± 6.1 μg p-coumaric acid equivalents/mg fraction. Regarding the biological activity of
fractions, no inhibitory effect on GPα was observed, whereas an inhibitory effect on α-glucosidase
was detected (IC50 values: 77.5 ± 6.5–194.1 ± 2.6 μg/mL). Overall, the results confirmed that
hordatines are present in BSG in relatively high amounts and provided evidence that they are potent
inhibitors of α-glucosidase. Further research is needed to confirm these results and identify the active
hordatine structure.
With a yearly production of about 39 million tons, brewer’s spent grain (BSG) is the
most abundant brewing industry byproduct. Because it is rich in fiber and protein, it is commonly
used as cattle feed but could also be used within the human diet. Additionally, it contains many
bioactive substances such as hydroxycinnamic acids that are known to be antioxidants and potent
inhibitors of enzymes of glucose metabolism. Therefore, our study aim was to prepare different
extracts—A1-A7 (solid-liquid extraction with 60% acetone); HE1-HE6 (alkaline hydrolysis followed
by ethyl acetate extraction) and HA1-HA3 (60% acetone extraction of alkaline residue)—from various
BSGs which were characterized for their total phenolic (TPC) and total flavonoid (TFC) contents,
before conducting in vitro studies on their effects on the glucose metabolism enzymes α-amylase,
α-glucosidase, dipeptidyl peptidase IV (DPP IV), and glycogen phosphorylase α (GPα). Depending
on the extraction procedures, TPCs ranged from 20–350 μg gallic acid equivalents/mg extract
and TFCs were as high as 94 μg catechin equivalents/mg extract. Strong inhibition of glucose
metabolism enzymes was also observed: the IC50 values for α-glucosidase inhibition ranged from
67.4 ± 8.1 μg/mL to 268.1 ± 29.4 μg/mL, for DPP IV inhibition they ranged from 290.6 ± 97.4 to
778.4 ± 95.5 μg/mL and for GPα enzyme inhibition from 12.6 ± 1.1 to 261 ± 6 μg/mL. However, the
extracts did not strongly inhibit α-amylase. In general, the A extracts from solid-liquid extraction
with 60% acetone showed stronger inhibitory potential towards α-glucosidase and GPα than other
extracts whereby no correlation with TPC or TFC were observed. Additionally, DPP IV was mainly
inhibited by HE extracts but the effect was not of biological relevance. Our results show that BSG
is a potent source of α-glucosidase and GPα inhibitors, but further research is needed to identify
these bioactive compounds within BSG extracts focusing on extracts from solid-liquid extraction
with 60% acetone.