Daniela Becker

• 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.
• The regulation of glucose metabolism and thus the maintenance of glucose homeostasis are essential processes of human metabolism necessary gaining energy. A persistently increased blood glucose level is pathological and is considered the primary symptom of the disease diabetes mellitus . Its increasing incidence as well as prevalence worldwide [Magliano und Boyko, 2021; World Health Organization, 2016] points out the need of searching for medicines, with plant extracts playing a major role [Alam et al. , 2022]The use of agricultural by-products further addresses the issue of sustainability, which makes brewer´s spent grain (BSG) an interesting source. With over 39 million tons worldwide per year, it represents the main by-product of the beer industry and so far, has been predominantly used as animal feed [Mussatto, 2014]. Recent studies indicated its potential benefits in increasing the nutritional value of food [Sahin et al. , 2021; Pratap Singh et al. , 2020]. Moreover, bioactive constituents such as flavonoids or hydroxycinnamic acids (HCA) have been extracted from BSG, the latter being a component of arabinoxylans [Stefanello et al., 2018]. In addition to antioxidant effects, HCAs have been described as inhibitors of several enzymes involved in glucose metabolism. Ferulic (FA) and caffeic acid were found to be potent α-glucosidase inhibitors in vitro [Adisakwattana et al., 2009], FA also showed a strong effect on enzymes of glycogen metabolism [Narasimhan et al., 2015a]. Using different methods such as solid-liquid extraction (SLE) or alkaline hydrolysis, various groups of extracts (HA, HE, A) from three batches of BSG were prepared, characterized, and investigated in vitro for their influence towards α- glucosidase, α-amylase, dipeptidyl peptidase IV and glycogen phosphorylase α (GPα). Extracts from alkaline hydrolysis (HE) had significantly higher total phenolics (TPC) and total flavonoid content (TFC) than A (SLE) and HA extracts (SLE from alkaline hydrolysis residue). Potent inhibition was mainly observed by the A extracts towards α-glucosidase and GPα. No correlation with the TPC and TFC was found. HPLC-ESI-MS/MS- experiments also demonstrated the significant differences between the extract groups, with HCA derivatives detected as the major compounds of the HE and HA extracts and hordatines as the main components of the A extracts. Hordatine as well as HCA contents were determined semiquantitatively, the second being significantly lower in HA than HE extracts. Both, dimeric ferulic acid (DiFA) derivatives and hordatines were not commercially available, hence they were isolated from BSG. Various fractions were obtained in both isolation processes (37 F- fractions from DiFA isolation, ten H-fractions from Hordatine isolation), which were characterized and analyzed in the α-glucosidase and GPα- inhibition assays. Two H-fractions inhibited α-glucosidase and indicated hordatine glycosides or the precursor p-coumaroylagmatine as a possible inhibitor. Numerous F-fractions inhibited GPα, with trimeric ferulic acid derivatives postulated as inhibitors. Clear conclusions about the inhibitory components of the extracts were difficult because of the low yields and thus small sample size as well as the semiquantitative determination. In addition, oxylipins became a focus of interest as constituents of almost all extracts as well as of the F-fractions. A GPα- and α-glucosidase- inhibiting potential of BSG extracts and isolated phytochemicals, respectively, could be demonstrated in the present work.