花色苷的功能及其穩態化保持技術研究進展

陳 曦，仝 爭，王 渝，朱千林，宋毓曄，聶澤坤，楊榮玲

（淮陰工學院生命科學與食品工程學院，江蘇淮安223003）

0 引言

花色苷是一種在植物中普遍存在的水溶性色素，主要是通過糖苷鍵將花青素與糖進行結合而形成的化合物。花色苷常見的種類包括矢車菊素、天竺葵素、芍藥素、飛燕草素和錦葵素，占比約為總體的90%，其來源廣泛，含量在深色植物中最為豐富，如紫薯、黑醋栗、紫甘藍、葡萄籽、藍莓等。

1 花色苷的功效

研究表明，天然花色苷具有多種生物活性，如清除自由基、抗氧化、抗炎癥、緩解多種并發癥等，在血脂血糖健康、輔助抗癌、保護視力、保護心血管、改善大腦功能、預防或控制神經衰退性疾病等方面也具有一定功效[1]，所以可被加工成為保健食品、食品添加劑、化妝品等，具有較大的市場潛力。

1.1 抗氧化性

有研究人員對藍莓花色苷的組成、抗氧化活性及其對人體腸道菌群的影響進行了研究，結果表明藍莓花色苷可以起到顯著調節腸道微生物組成、提高腸道內雙歧桿菌豐度[1]的作用。Shih P H等人[2]已經指出通過花色苷的某種抗氧化酶的表達涉及細胞外信號調節激酶、c-Jun N端激酶途徑和轉錄因子Nrf2的激活，花色苷的刺激作用改善了ROS過量的生長和細胞凋亡引起的細胞毒性。

1.2 抗癌作用

梁珊等人[3]對胭脂蘿卜中的天竺葵素抑制人類胃癌細胞遷移與侵襲進行了研究，結果表明胭脂蘿卜天竺葵素可以在不影響細胞凋亡的條件下抑制胃癌細胞的遷移、侵襲、增殖，從而得出了天竺葵素抗腫瘤作用的可能機制。李桃等人[4]的研究表明，飛燕草素能減少乳腺癌細胞葡萄糖的吸收，并減少細胞乳糖和ATP的產生，抑制PKM2，HK和LDHA蛋白的表達，它通過減少p-Akt和p-mTOR蛋白的表達，抑制乳腺癌MDA-MB-231細胞中的葡萄糖代謝、抑制Akt/mTOR途徑的活性，從而達到抑制乳腺癌細胞糖酵解的目的。白金晶[5]探討了黑豆皮中花青素的抗氧化性能與其抑制肝癌的分子機制，明確了黑豆皮中花青素可通過抑制JAK2/STAT3信號通路致使肝癌Hep G2，SMMC7721細胞發生凋亡。石煥煥[6]進行了葡萄籽原花青素調控靶基因FoxM1對結腸癌細胞生物學特征的影響及相關機制的研究，結果表明FoxM1基因的表達受到葡萄籽原花青素的負調控，且與ROS產生存在負反饋效應，進而通過葡萄籽原花青素抑制作用使其下調表達可顯著影響結腸癌細胞的生物學特征。

1.3 抗炎作用

D Serra等人[7]發現了矢車菊素-3-葡萄糖苷在IL-8等細胞因子產生，以及iNOS和COX-2表達方面起重要作用，能通過降低細胞因子誘導的人腸HT-29細胞炎癥，進而發揮抗炎效果。張國坤[8]的研究表明，花椒花色苷可抑制炎性反應，改善以D-半乳糖誘導的小鼠病理性衰老。徐微等人[9]確證了紫甘藍花色苷-3-二糖-5-D-吡喃葡糖苷矢車菊素（Cy）及其復合體對鼠源單核-巨噬細胞RAW264.7的抗炎活性，并明確了Cy復合體的抗炎活性高于Cy的結論。Cy復合體有望開發成為一種新型食品添加劑，輔助干預炎癥反應及其引起的相關疾病[10]。

1.4 改善神經系統損傷作用

Subash S等人[11]發現，向遺傳修飾的阿爾茲海默病小鼠模型中添加不同含量富含花青素的椰棗膳食補充劑，可以減少小鼠的認知和行為缺陷，從而延緩阿爾茲海默癥發作。宋文婷[12]研究了損傷了腦部的小鼠與花青素之間的聯系，發現花青素對腦部受損小鼠的神經具有一定保護作用。研究人員還發現藍莓花色苷對患阿爾茲海默病的小鼠腦部結構及腦細胞形態有明顯的改善效果[13]。趙思琪[14]研究了蓮房原花青素對阿爾茨海默病小鼠認知功能的改善作用，結果表明，蓮房原花青素可有效減少Aβ沉積，緩解AD特征性病理癥狀和認知功能下降。

1.5 抑菌作用

從許多植物中提取出的花色苷對大腸桿菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）等都具有不同程度的抑制作用。研究發現，花青素和酚類物質可以使脂多糖破壞而發生滲透作用，使腸炎沙門氏菌中的ATP從細胞質流出，從而使病原菌散失能量而起到殺菌作用[15]。有研究人員指出，藍莓中所含有的酚類物質會改變病原體的表面結構并防止它們黏附到黏膜上，進而使黏膜有抵抗食源性的細菌感染的能力。趙麗艷等人[16]對黑米中提取出的花色苷進行了體外的抑菌對比試驗，發現了黑米花色苷在體外抑制大腸桿菌能力大于對金黃色葡萄球菌的抑制能力，其抑制菌種生長的能力隨花色苷濃度的增加而增大。

2 花色苷的穩態化

天然花色苷分子的生物功能使其在多個行業中的應用潛力得到廣泛認可，但是天然花色苷分子為缺電子結構，易因外界因素，如溫度、光照、pH值、金屬離子、氧化劑、添加劑等的影響而發生變化[17]，這些影響限制了花色苷的應用前景。因此，花色苷的穩態化也是當前行業中的研究重點。現今，大量研究人員對花色苷的穩態化技術進行研究開發，使花色苷發揮出最大功效。穩態化技術包括微膠囊技術、微乳化制備技術、生物轉化修飾技術、添加大分子物質（蛋白質類）、小分子輔色（多酚和黃酮類、肽和氨基酸類、有機酸類）、金屬離子螯合等[18]。

2.1 微膠囊技術

微膠囊是一種可以包封和保護某些物質的具有特殊壁材的半透性或密封的微小型容器[19]。微膠囊化可以增加被包封物質的穩定性，控制其釋放程度，進而能有效抵抗不良環境造成的影響。目前，微膠囊制備方法可分為物理法、化學法及生物學方法[19]，常見的微膠囊制備方法主要有原位聚合法、噴霧干燥法、復凝聚法、界面聚合法等，而在制備花色苷為芯材的微膠囊過程中主要采用粒子交聯法、噴霧干燥法、乳化-熱凝膠法、冷凍干燥法等[19]。

微膠囊壁材對微膠囊粒子的滲透性、溶解性、緩釋效果等有一定影響，在選擇和設計微膠囊壁材時應考慮諸如壁材的穩定性、可降解性、來源和價格，壁材材料對芯材材料的保護作用和釋放等因素。壁材的選擇對于微膠囊保護芯材的效果有著很大影響，不同的芯材要匹配適合的壁材，將芯材完全包裹其中，保證芯材的活性不受外界條件的影響[20]。

（1）天然高分子材料。現今的微膠囊壁材多種多樣，但主要分天然高分子材料、半天然高分子材料和人工高分子材料3個大類。由于天然高分子材料具有價格低廉、降解性較好等優點，所以常用的微膠囊壁材多為天然高分子材料，如碳水化合物類的殼聚糖、海藻酸鹽、阿拉伯膠、多孔淀粉、瓊脂、環糊精等，蛋白質類的明膠、乳清蛋白等；脂質類的聚乳酸、卵磷脂等。向殷豐等人[21]經過多組試驗對比發現酪蛋白酸鈉和麥芽糊精質量比1∶1，壁材與內容物質量比為2∶1時可以最有效地防止沙棘油的氧化變質，利于保存。王鑫[22]研究了經大孔樹脂純化后的藍靛果花色苷的微膠囊化和穩定性，從而制作出可以在胃液中保持穩定的藍靛果花色苷微膠囊。孟翔宇等人[23]通過單因素試驗和響應面試驗等選出了最佳工藝條件的壁材，改善了玫瑰茄花色苷在模擬胃腸道中的穩定性。

（2）半人工高分子材料。盡管天然高分子材料具有許多優點，但是它們具有諸如胃液中易分解、貯藏不足和內容物釋放不良等缺點[24]。此外，有些天然高分子材料如纖維素和淀粉等因不易與水相融而不適于制作壁材，目前主要通過對部分天然高分子材料修飾改性來制備性能得到改善的半人工高分子材料。半人工高分子材料分為改性蛋白類、改性纖維素類、改性淀粉類[25]。劉媛等人[26]為了控制乳酸菌在胃腸道中的活菌數量，對壁材進行改性，篩選對乳酸菌活菌數量降低最少的壁材。

2.2 微乳化技術

近年來，微乳化藥物并進行給藥是一種相對較新的給藥方式，該遞送技術制備方法簡便、對胃腸道刺激小、口服吸收性能高、藥物穩定性及利用率高，具有很大的應用前景[27]。微乳液是熱力學穩定的體系，它是由油相、水相、表面活性劑和助表面活性劑以特定比例自發形成的[28]。目前，微乳液的制備方法有Schulman法、Shah法、加復合乳化劑法、相轉變溫度法和專用設備乳化法等多種方法。

微乳化的穩定性也會受到表面活性劑、助表面活性劑、油相、水相、溫度及組分配比等的影響[29]，所以要通過因素優化獲得高效的制備工藝[30]。

2.3 分子修飾技術

分子修飾技術是通過改變花色苷分子的結構，如醚化和酯化等的提高花色苷分子穩定性的技術手段。由璐等人[31]的研究表明，酰基化花色苷是高度穩定性的，具有高抗氧化性，并且能更好地保持溶液本身的顏色，但是存在轉化率低的問題。花色苷的酯化轉化率較高，達到約50%，但其水溶性不理想。張曉圓等人[32]在黑豆紅花色分子上接枝了新的基團后，保護了發色團，進而使黑豆紅花色苷的耐熱性和耐光性得到了顯著的提高，有超95%的DPPH自由基清除能力，抗氧化性能得到提升。徐淑麗[33]對紫背天葵花青素進行酯化后，穩定性得到明顯提高。朱勇生[34]通過酶法修飾了矢車菊素-3-葡萄糖苷分子，結果其抗氧化能力獲得提高。孫華鈴[35]對黑米色素進行了酯化后發現酯化色素擁有更好的穩定性。

2.4 分子輔色技術

花色苷的分子輔色作用的主要包括分子內輔色、分子間輔色、自身交聯和金屬絡合，常用的輔色劑包括酚類化合物、生物堿、金屬離子和有機酸，其主要作用機制是分子間或分子內部通過氫鍵、絡合、共價結合作用等，阻止發色母核基團的水化轉換，來實現花色苷的穩態化，增大其輔色作用強度[36]。

2.4.1 分子內輔色

分子內輔色主要是發生在花色苷分子內部基團之間相互作用，常引發顏色變化。這種作用的發生與花色苷的內部結構有很大的關系[37]。分子內輔色作用的主要位點包括酰基化、糖基化和甲基化結構。其中，酰基化結構內分子輔色是花色苷母核上的羥基及糖苷基上的羥基在酶的催化作用下與芳香酸或脂肪酸發生酰基化反應形成酰化花色苷，酰基花色苷通常高度穩定[38]。糖基化結構的分子內輔色是花色苷經糖基化后，糖分子中大量的羥基易與溶液中的水分子形成氫鍵，改善其水溶性，同時在弱酸性和中性環境中表現出更好的穩定性。甲基化結構分子內輔色的原理是通過增加水化反應的活化能，使相對穩定性得到提高。

2.4.2 分子間輔色與金屬離子絡合

花色苷與輔色素之間產生的作用稱為分子間輔色，迄今為止發現的輔色素包括單寧、多酚、有機酸、核苷酸、多糖、金屬離子、生物堿、香豆素、肉桂酸衍生物、氨基酸和類黃酮及花色苷自身等。

彭常安等人[39]向黑莓汁中加入一些有機酸會產生顯著的輔色效果。張麗霞等人[40]研究表明，多種有機酸對黑莓花色苷具有協同輔色作用，可以顯著提高花色苷的熱穩定性并延遲黑莓花色苷的分解。范琳琳等人[41]研究表明，多種外源添加物對黑莓花色苷輔色效果的影響是非常重要的。樓樂燕等人[42]研究不同有機酸對楊梅花色苷的輔色后的穩態化效果，經輔助著色后，楊梅花色苷的顏色和熱穩定性得到明顯改善。

金屬離子與花色苷絡合后可能產生“增色”或“褪色”效應，具體取決于溶液體系中金屬離子和花色苷的種類、比例、濃度、pH值和其他輔色素等因素。易與花色苷絡合的金屬離子包括Fe2+，Fe3+，Cu2+，Mg2+，K+，Na+，Ca2+和A13+等。

2.4.3 自聚作用

當花色苷分子濃度達到一定水平時，單體花色苷就會發生自聚合。

2.5 生物轉化修飾法

生物轉化修飾是通過不同途徑對花色苷分子進行修飾改造并提高其穩定性的方法，采用的生物轉化方法有植物細胞轉化、酶轉化、微生物細胞轉化等。在植物細胞轉化中常形成酰基化的花色苷，其穩定性和生理活性都得到很大提高。酶轉化法是由于酶具有很高的選擇專一性，反應條件溫和，轉化效率高，利用生物轉化修飾酶法修飾可以避免化學轉化法的各種缺陷，顯著提高花色苷的熱穩定性和光穩定性。微生物細胞轉化可以省去酶的分離純化和固定步驟[42]。

3 結語

花色苷作為一種具有廣泛來源和生物活性顯著等特點的天然色素分子，在生物醫藥、保健食品、化妝品等行業中具有較高的利用價值，而其分子本身的結構特點使其穩定性較低、脂溶性較差，在實際使用中受到很大制約。對花色苷進行穩態利用的研究對于提高其生物學活性、穩定性和消化利用度具有重要的現實意義。因此，需要更多的研究關注花色苷分子的穩態化制備技術，并研究不同穩態化處理對其性質的影響，進而通過溶劑工程和生化工程手段，獲得在性能、安全、活性等方面得到顯著改善的花色苷產物，為其在多個行業的深度化利用打下基礎。