藍莓花青素的代謝及功能特性研究進展

尤麗，黨婭，3*

（1.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西 漢中 723000；2.陜西省果業管理局秦巴山區藍莓研究所，陜西 漢中 723000；3.陜西省資源生物重點實驗室，陜西 漢中 723000）

藍莓屬于杜鵑花科越桔屬植物，學名越桔，常綠灌木或者多年生落葉，藍莓果實為扁圓形，成熟果實為深藍色。2016年，藍莓的全球總產量為60多萬噸，世界上主要的藍莓生產地是美國、智利、加拿大、西班牙、中國、摩洛哥和其它30個國家[1]。藍莓含有豐富的營養物質，如蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、花青素、尼克酸等，其中花青素含量高達387mg/100g～487mg/100 g，具有較高的營養價值，被譽為“水果皇后”、“美瞳之果”[2]。因此，國內外研究人員開始致力于藍莓功能特性、保健作用的研究。

現代研究表明，藍莓花青素有多種保健功能特性，如抗氧化性、降血糖、降血脂、抑制腫瘤細胞生長、保護肝臟、調節腸道菌群等，具有較高的藥理作用，近年來也成為研究的一個熱點[3-5]。隨著花青素藥理作用研究的深入，花青素在生物體內的消化吸收也引起了科學家的關注，近年來關于花青素在機體內吸收、分布、轉化和排泄等代謝方面的研究越來越多。因此，本文對國內外藍莓花青素的吸收代謝及功能特性的相關研究報道進行歸納總結，為更好地開發和利用藍莓資源提供理論支持和參考依據。

1 花青素的結構與種類

藍莓花青素是藍莓中含量較為豐富的活性物質，屬黃酮類化合物的一種水溶性天然色素，果實和花的顏色變化主要是由花青素的種類和數量決定。花青素的基本結構包含兩個苯環，并由-3碳的單位連接，骨架為C6-C3-C6，基本母核是2-苯基苯并吡喃，結構如圖1所示[6]。一般自然界中游離的花青素很少，常由錦葵色素、飛燕草素、矢車菊素、芍藥色素等花青素苷元與一個或多個葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖等通過糖苷鍵形成花青苷[7]。一般花青素呈色差異取決于取代基的不同，并不受糖苷形成的影響。

圖1 花青素的基本結構Fig.1 The basic structure of anthocyanins

已知的花青素有20多種，花青苷有250多種，植物中主要存在6種花青素，即矢車菊素、芍藥色素、飛燕草素、天竺葵素、錦葵色素、矮牽牛素。已有研究表明，藍莓主要由矢車菊素、芍藥色素、飛燕草素、錦葵色素、矮牽牛素5種花青素顯色[8-9]。一般情況下，花青素的糖基被芳香族或脂肪族酰基修飾，通常R1和R4的羥基數目越多藍莓的顯色就越藍，且取代基的數量和位置的不同以及苯環中甲氧基化和羥基化模式的變化，都會導致形成的糖苷類化合物的不同[10]。6種常見花青素的結構特點見表1。

表1 6種常見花青素的結構特點Table 1 Structural characteristics of six common anthocyanins

2 花青素的生物利用度及代謝

花青素的生物活性取決于其生物利用度，即花青素到達體內循環的量，通常指人體對花青素的吸收和代謝?；ㄇ嗨氐纳锢枚仁瞧浣】荡龠M作用的基礎，因此研究花青素的吸收、代謝、生物轉化具有重要意義。花青素在體內地吸收取決于花青素的化學結構、食物基質的質量、加工的種類和程度以及營養、病理生理等因素[11]。在攝入花青素后，花青素通過各種特異性酶被胃和小腸迅速吸收，被吸收的花青素隨后被腸上皮、肝臟和腎臟中的葡萄糖醛酸、硫酸鹽和甲基化物的代謝酶代謝。然而，一些攝入的花青素是以酯類、糖苷和聚合物的形式直接進入大腸由腸道酶或結腸菌群修飾，不被小腸吸收。

2.1 胃吸收

攝入的花青素在進入胃腸道之前，在口腔中被微量吸收代謝?？谇粌然ㄇ嗨卮x主要是由于唾液、口腔組織和口腔微生物群的作用，但大多數食物在口腔中停留時間很短，因此很難評估其消化吸收，從而進入胃和腸道被廣泛吸收和代謝[12]。因胃具有特殊的酸性環境和較小的胃黏膜吸收面積，一旦花青素進入胃中，胃組織中表達的陽離子在酸性胃環境中占優勢，會導致花青素在胃中被迅速吸收，隨后在血液循環和尿液中以完整的、甲基化的、葡萄糖醛酸化的形式被檢測出來。研究表明胃上皮表達的有機陰離子載體可能參與了花青素的吸收，其它轉運蛋白如鈉和單羧酸蛋白1（sodium-coupled monocarboxylate transporter1，SMCT1）、葡萄糖轉運蛋白 1（glucose transporter1，GLUT1）和有機陰離子轉運蛋白 2（organicanion transporter2，OAT2）的表達已經在胃組織中被檢測到。Fang[13]的大鼠體內實驗表明，矢車菊-3-葡萄糖苷和其它花青素可能被部分吸收進入胃腸壁，經過廣泛的初級代謝后作為代謝物進入系統循環。Fernandes等[14]通過對MKN-28細胞系模型的研究，在胃水平上對花青素的吸收進行評估，結果表明花青素能夠以時間依賴的方式通過胃上皮。此外，胃還具有偶聯酶活性，有助于花青素的代謝。

2.2 腸道吸收

小腸是大多數化合物吸收的場所，花青素常以糖苷的形式存在，由于糖苷鍵的連接使花青素為親水性化合物，可以通過被動擴散透過生物膜而被小腸吸收。當花青素到達小腸接近中性或中堿性區域時，其穩定性降低并轉化為查爾酮類[15]。KAMILOGLU等[16]通過原味灌注大鼠空腸法研究發現，經小腸灌注后花青素的吸收迅速而有效，且吸收率隨花青素化學結構的變化而發生改變。此外，以單層Caco-2細胞作為小腸吸收模型的體外實驗，發現花青素可以滲透腸上皮。雖然花青素的吸收主要在空腸中通過水解酶的水解，但是以酚苷元的形式吸收，在十二指腸仍有少量吸收，而回腸和結腸不吸收。根據花青素的結構不同，添加的花青素的吸收率從22%下降到10.7%?；ㄇ嗨仡愇镔|吸收有兩種可能的機制：一種可能含有具體的葡萄糖轉運蛋白；另一種可能是花青素的胞外水解酶如乳糖酶、間利嗪酶、水解酶等在配基前被動擴散。該研究還發現，被代謝的花青素作為完整的糖苷以甲基化形式和葡萄糖醛酸化衍生物排泄到膽汁和尿液中[17]。

大部分的膳食花青素在上消化道不能被消化吸收，未被吸收的花青素進入大腸被腸道菌群廣泛代謝，特別是被具有催化這些反應所需酶的屬和種代謝?；ㄇ嗨厥俏挥谛∧c、結腸和肝臟的幾種酶的底物，大多數腸道微生物也具有β-葡萄糖苷酶的活性，包括雙歧桿菌和乳酸菌，這些酶在肝臟和腎臟中將花青素轉化為葡萄糖醛酸、甲基化和硫酸鹽。這些偶聯形式的花青素還可以通過膽汁排泄到空腸，并通過腸肝循環系統循環[18]。體外研究證明，大腸內細菌對于花青素的代謝作用包括糖苷鍵的裂解和花青素雜環的分解，降解為間苯三酚衍生物和苯甲酸，花青素部分降解后產生的其它分解代謝物有兒茶酚、鄰苯三酚、間苯二酚等，代謝產物對腸道內的益生菌有調節作用，可影響腸道微生物的生長[19]。

3 藍莓花青素的功能特性

3.1 抗氧化作用

藍莓中花青素的含量很高且種類比較豐富，是清除自由基效果最好的生物活性物質之一?；ㄇ嗨啬軌虍a生抗氧化活性的原因是沒有包含配對的電子，可有效清除不同的氧自由基、提高游離基被吸收的數目、保護細胞避免受過氧化物的破壞，進而發揮其抗氧化活性[20]。

在藍莓花青素清除自由基、抗氧化等方面，國內外已經進行了大量的體外和體內實驗。韋艷雙等[21]為了研究藍莓花青素對糖尿病小鼠肝臟、腎臟、心臟組織抗氧化能力的影響，以腹腔注射鏈脲佐菌素，構造高血糖模型，喂養一段時間后，測量各組織中相應物質的總抗氧化能力及清除羥基自由基能力。結果表明，藍莓花青素可有效地清除小鼠肝、腎、心臟組織中的自由基，很好地保護超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性，從而提高機體的抗氧化能力。張卓睿等[22]為了研究藍莓花青素對小鼠抗疲勞和體內抗氧化的作用，使用藍莓花青素對其進行飲食干預。結果顯示，藍莓花青素高、中、低劑量組能夠使小鼠體內血乳酸、血尿素氮和丙二醛含量明顯降低，并能顯著增強小鼠肝臟總抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活力，說明藍莓花青素具有較好的抗疲勞及體內抗氧化作用。王健等[23]采用酸化乙醇的方法來提取藍莓中的藍莓花青素，并通過羥基自由基、DPPH自由基和超氧陰離子自由基的清除率試驗來評價藍莓花青素的抗氧化能力。研究表明，藍莓花青素對羥基自由基、DPPH自由基及超氧陰離子自由基的清除能力隨著花青素濃度的增大而增強，均高于相同濃度的抗壞血酸，因此藍莓花青素可以作為天然抗氧化劑進行開發應用。

3.2 抑制腫瘤細胞

腫瘤是機體在各種因素作用下，局部組織的細胞在基因水平上失去了對生長的正常調控。致瘤因素使體細胞基因突變，導致正常基因失常、基因表達紊亂，從而影響細胞的生物學活性與遺傳特性[24]。近年來研究發現，黃酮類物質具有抗腫瘤及逆轉腫瘤多藥耐藥活性的作用，如花青素、芹菜素、佩蘭素等。藍莓花青素對腫瘤細胞的抑制作用，主要體現在它能促進腫瘤因子的凋亡，進而抑制腫瘤細胞的生長[25]。

石海珠[26]基于代謝組學和分子生物學方法，以黑色素瘤C57BL/6小黑鼠為實驗模型，對藍莓花青素抑制黑色素瘤機制進行研究。結果表明藍莓花青素可以通過減少腫瘤血管的生成，降低基質金屬蛋白酶2和基質金屬蛋白酶9的活性，進而起到對黑色瘤的抑制作用。楊霞等[27]對藍莓花青素誘導口腔癌KB細胞凋亡進行實驗研究。以免疫缺陷小鼠為實驗對象，構建人口腔癌KB細胞裸鼠異位移植瘤模型。用Western Blot檢測瘤組織凋亡相關蛋白的表達水平。結果顯示藍莓花青素能上調凋亡蛋白C-caspase3、C-caspase9和Bax的表達，下調Bcl-2的蛋白表達，說明藍莓花青素可能通過調節內源性凋亡來抑制腫瘤細胞在體內增殖，具有較好的抗腫瘤作用。Shi等[28]為了研究藍莓花青素對腫瘤細胞的抑制作用，將花青素提取物按一定比例添加入小鼠日常的飼料中，對其進行飲食干預。研究發現花青素能夠通過調節環氧合酶2、誘導型一氧化氮合酶、核因子活化B（nuclear factor kappa-B，NF-κB）細胞的表達來抑制腫瘤的炎癥反應，從而抑制腫瘤細胞的增殖。

3.3 保護肝臟

肝臟是易發生病變的器官，病毒性肝炎、酒精性脂肪肝、肝纖維化、肝硬化和肝癌等都是一些常見的肝臟疾病。在正常情況下，肝臟主要通過細胞色素酶系的氧化還原作用和一些基團的結合作用來代謝化學毒物和藥物，從而達到保肝解毒的作用[29]。相關研究發現，花青素對外界物質造成的肝損傷具有一定的修復改善作用。

岳恒等[30]為了研究藍莓花青素對氯化鎘（CdCl2）誘導的慢性肝損傷的保護作用，用CdCl2灌胃小鼠建立鎘損傷模型，再用不同劑量的藍莓花青素對其進行灌胃喂養，一段時間以后測定肝臟Cd2+含量。結果顯示，藍莓花青素可極顯著降低慢性肝損傷小鼠中Cd2+的蓄積，說明藍莓花青素對CdCl2所引起的慢性肝損傷具有一定的保護作用。景志行[31]以小鼠非酒精性脂肪肝模型體系和慢性酒精性肝損傷模型為研究對象，通過檢測小鼠肝功能和肝臟病理損傷程度，對藍莓總花青素的保肝效果進行分析評價。結果表明，藍莓總花青素對于非酒精性脂肪肝、酒精性脂肪肝和氯化鎘造成的肝損傷有較好的修復作用。汪可等[32]采用二乙基亞硝胺腹腔注射法制備肝硬化模型，研究藍莓花青素對大鼠肝硬化相關指標的影響。結果顯示，與模型組相比，經藍莓花青素處理的大鼠血清谷丙轉氨酶（alanine aminotransferase，ALT）和谷草轉氨酶（aspartate aminotransferase，AST）水平明顯降低。同時，能影響肝臟纖維化的進展的腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factorα，TNF-α）也明顯降低。表明藍莓花青素可能具有肝細胞保護作用，其機制可能與其能夠下調TNF－α表達、抑制肝纖維化和肝細胞凋亡有關。

3.4 抗炎、抑菌作用

炎癥是指血管系統的活體組織對炎癥因子所發生的防御反應，可進一步引起周圍組織、細胞的變性和壞死。已有研究表明，花青素能夠改變細菌本身的結構，對病原感染的炎癥有抑制作用，主要作用機制是其能夠破壞病原菌的膜蛋白結構完整性、改變菌體的形態，從而展現出良好的抗炎和抗菌功效[33]。

王健[34]采用THF-a干預細胞，建立內皮細胞功能損傷所致的炎癥模型，以藍莓花青素中的單體物質錦葵色素為研究對象，研究其對炎癥的抑制效果。結果顯示，錦葵色素類花青素在體外通過糖苷協同作用，抑制了炎癥因子誘導的人臍靜脈內皮細胞炎癥的發展過程，從而起到抗炎的作用。XU等[35]以藍莓為原料，研究了藍莓花青素對脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導的體外炎癥模型營養干預作用，并探究了發揮抗炎機制的作用通路。結果發現藍莓花青素提取物明顯抑制了炎癥因子的釋放、相對炎癥mRNA和蛋白的表達量。此外，研究結果還顯示藍莓花青素對相關炎癥蛋白環加氧酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和 NF-κB的表達具有明顯抑制作用，進一步證實藍莓花青素是通過NF-κB機制來發揮抗炎作用。Winter等[36]以大鼠為研究對象，通過給大鼠喂養花青素，研究花青素對卡拉膠引發的大鼠急性癥炎反應的作用。結果表明，抗炎效果隨著花青素喂養濃度的增大而更加明顯，說明花青素能夠抑制老鼠體內炎癥因子表達、降低炎癥物質的產生。

3.5 降血糖作用

糖尿病是由于胰島細胞被破壞而導致β細胞分泌的胰島素不足或胰島素抵抗的一種慢性代謝疾病，以胰島素抵抗和慢性高血糖為主要特征。長時間處于高血糖狀態，會導致心臟、肝臟、胰島細胞、血管的慢性損傷和功能障礙[37]。研究發現，花青素可以調節體內的糖脂代謝水平，進而發揮降血糖功效；還可以減輕脂質毒性的內皮功能障礙，從而減少與糖尿病相關的并發癥[38]。

Grace等[39]為了研究藍莓花青素對糖尿病小鼠糖代謝的影響，以高脂飲食聯合小劑量鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）的方法構造高血糖模型，觀察藍莓花青素提取物對小鼠血糖的影響。結果顯示，一段時間后小鼠血糖含量降低33%～51%，而使用降血糖藥物鹽酸二甲雙胍片對小鼠進行灌胃，血糖僅降低了27%。說明藍莓花青素能夠顯著降低高血糖小鼠血糖水平，為利用藍莓花青素治療高血糖癥提供可能性。Pranprawit等[40]研究藍莓提取物抑制糖類物質水解酶的能力。結果顯示，藍莓提取物能夠抑制葡萄糖苷酶的活力，并通過阻止體內糖代謝過程來降低血糖的生成量，從而降低體內血糖含量。研究還表明酶的抑制活性與提取物中糖基化的花青素有關。余仁強等[41]選用大劑量的藍莓花青素對肥胖大鼠進行干預，以觀察其對肥胖相關糖脂代謝紊亂及糖尿病糖脂代謝紊亂的影響。對大鼠進行30 d的飲食干預后測定空腹血糖，結果顯示補充高劑量的藍莓花青素能夠顯著降低大鼠的血糖水平，且能提高肥胖大鼠胰島素的敏感性。Johnson等[42]用藍莓提取物進行降血糖試驗。結果顯示，提取物能夠有效改善患病小鼠多飲、多食、多尿、體重減少的癥狀，在一定程度上降低糖尿病小鼠體內的血糖水平，且降血糖效果與公認的降血糖藥物阿卡波糖效果相當。但藍莓花青素在降血糖機制方面研究較少，這將會成為藍莓花青素功能特性的研究的新方向。

3.6 調節腸道微生物

腸道微生物與宿主間存在著復雜的動態平衡，一旦平衡被打破，就會造成腸道菌群結構紊亂。腸道微生物除了對維生素的合成、碳水化合物的分解及其它免疫功能的代謝有重要作用外，還對體內外生物代謝有重要影響[18]。TIAN等[19]研究表明，在攝入花青素后，花青素通過各種機制被胃和小腸迅速吸收，未被吸收的花青素被腸道菌群廣泛代謝，產生大量循環排泄的花青素代謝物和分解代謝產物，進而對腸道微生物進行調節。

研究發現，攝入花青素可以改變腸道菌群的定植，從而影響腸道細菌的生長。收集來自體外、動物和人類的信息干預研究表明，花青素可以促進有益菌乳酸菌和雙歧桿菌的生長，同時減少潛在的有害細菌，如與促腫瘤特性和炎癥性腸病相關的溶組織梭菌[43]。Zhou等[44]研究藍莓花青素的組成及對人體腸道菌群的影響。采用液相色譜-串聯質譜法從藍莓中分離花青素，再通過高通量測序和生物信息學分析，觀察藍莓花青素對人體腸道微生物的影響。結果表明，藍莓花青素可使人體腸道微生物的多樣性及豐富度增加。楊晗等[45]采用高脂飼料喂養C57BL/6小鼠，同時膳食補充野生藍莓和藍莓花青素提取物，研究其對高脂飲食小鼠腸道菌群的影響。研究表明，藍莓和花青素提取物可改善由高脂飲食引起的腸道微生態失調、調節腸道菌群結構，且具有潛在的減肥消脂功能。Lee等[46]研究在高脂飲食喂養的大鼠中，補充藍莓對腸道微生物群、炎癥和胰島素抵抗的影響。結果表明，攝入花青素能夠促進巨噬細胞腸道菌群代謝物介導的膽固醇逆向轉運，逆轉腸道動脈粥樣硬化病變。因此，它強調了微生物群落與花青素相互作用的重要性。但藍莓花青素對腸道微生物的具體影響機制和如何提高其生物利用度都還未進行研究，這將會成為一個有待探索的新領域。

3.7 其它功能特性

藍莓花青素對視力有較好的保護作用，能夠阻止光誘導感光細胞死亡和促進視紅素再合成。還可以調整人眼黃斑，一種是通過促進眼底的微循環血流增多，改善物質代謝；另一種是通過視紅素的再生作用來達到保護視力和消除視疲勞的功效[47]。藍莓花青素還可通過改善糖脂代謝紊亂及減輕機體弱炎癥狀態增加胰島素敏感性，進而降低高脂血癥的發病率。Si等[48]將富含藍莓花青素的提取物添加到高脂飲食喂養的小鼠中，以研究參與減輕高胰島素血癥和高脂血癥的鞘脂代謝調節因子。研究發現，含有花青素的飲食可有效控制食物攝入和肝臟重量，并顯著降低肥胖觸發的胰島素抵抗。較高的花青素給藥可更有效地改善肝脂肪變性和脂肪細胞肥大，并顯著抑制血清總甘油三酯和總膽固醇中甘油三酯和膽固醇的含量，這有助于保護肝功能和胰島素信號正常化，為預防或減緩高脂血癥和高胰島素血癥的花青素膳食輔助的研究提供了理論依據。此外，藍莓花青素還可以通過調節人體內血管的收縮來維持血壓的穩定性，降低心血管疾病的發病率。藍莓花青素在心血管疾病方面的作用，主要是通過進入人體循環代謝系統、減少氧化應激等方式來減少心血管疾病的發生率[49]。HUANG等[50]研究了藍莓花青素在內皮細胞中的降壓作用，結果表明藍莓花青素通過抗氧化劑和血管舒張機制保護內皮功能免受高糖損傷，這為開發天然降壓保健食品提供了理論依據。

4 總結與展望

藍莓中的花青素屬于黃酮類化合物，具有很強的保健功能。現有流行病學研究表明，藍莓花青素主要的功能包括抗氧化、降血糖、抗炎抑菌、保護肝臟、調節腸道微生物、抑制腫瘤細胞的增殖等，是一種極具開發潛力的功能因子，可應用于保健食品、醫藥、化妝品等領域。但目前藍莓花青素的功能研究還處于試驗水平，對于藍莓花青素降血糖、調節腸道微生物等方面的研究還處于初級階段。藍莓花青素是藍莓中含量較為豐富的活性物質，花青素在腸道中的生物利用度是評價其體內生物活性的關鍵，但花青素在人體胃腸道中穩定性較差、生物利用率極低。因此，如何提高花青素在消化道中的生物利用度是一個有待探索的新領域。藍莓花青素有助于平衡體內的腸道微生物群落，進而有助于預防胃腸道紊亂和氧化應激相關疾病，但花青素對腸道微生物調節的機制和對某些微生物生長的研究少之又少。因此，研究藍莓花青素對腸道微生物的具體影響機制也將會成為一個新的研究方向。