红花生物活性成分及功能特性研究进展

袁琴琴1,刘文营

(1.菏泽学院农业与生物工程学院,山东菏泽 274000; 2.中国肉类食品综合研究中心,北京 100068)

红花(CarthamustinctoriusL.)为1～2年生菊科管状花亚科菜蓟族红花属植物的干燥花,是一种传统药用植物,依据《中华人民共和国药典》[1]和2002年原卫生部公布《既是食品又是药品的物品名单》[2],红花为药食兼用原料,在食品和药用上具有重要作用[3],同时也是一种新型油用和工业资源植物[4-6]。

红花在干旱和半干旱地区具有广泛分布[7-8],在我国主要分布于新疆和云南等地区[9],伊犁、塔城和和田地区的红花产量占到全国的80%[10]。红花在浙江省、四川省、河南省、甘肃省等地区也曾有较大规模种植[3]。红花具有重要的经济价值,种植区域的变化与自然环境的变化有关,其它社会因素对其也有影响[11],尤其是在消除贫困过程中,通过红花等经济作物的种植和产业发展,带动贫困人口的脱贫具有重要积极意义。

红花中含有具有多种重要用途的天然成分,红花黄色素是一种水溶性染料，红色素是一种醇溶性红色染料,另外还含有查尔酮苷等多种功能性成分[12]。红花中黄色素、黄酮类物质[13]和多糖类物质[14],具有显著的保护脑缺血损伤[15]、抗氧化[16]、抗血小板聚集[17]等作用,在临床上具有广泛应用。同时,红花中红色素也可以通过对小麦纤维染色,在蒸煮香肠中具有促进亚硝酸盐反应和分解、抑制脂肪氧化的作用[18]。鉴于此,本文对红花活性成分的提取纯化和营养健康功能特性等进行了概述总结,为今后红花资源的开发以及在食品、保健品上的应用研究提供参考。

1 红花活性成分及提取研究

红花中含有大量的羟基红花黄色素A、槲皮素、柚皮素、山奈酸和山奈酚等活性成分,其中黄酮类物质的含量与红花的红亮色度成正比[8,19],羟基红花黄色素A与总黄酮含量呈正相关[20]。不同品种红花α-生育酚含量与红度值负相关,与黄度值正相关[21],且不同海拔梯度红花中羟基红花黄色素A、山柰素、总黄酮等含量存在差异[22]。

表1 红花中的部分化学成分Table 1 Partial chemical composition of Carthamus tinctorius L.

续表

1.1 红花中化学成分

红花中的化学物质如表1所示,通过波谱特征[23-29]、理化性质[23]、熔点特性[25-26]、质谱[25-27,29]等分析方法,从红花中获得了山奈酚、山奈酸、槲皮素、多糖等多种物质,且这些物质在不同环境体系具有不同分布,亦具有不同的抗氧化活性[23]。

1.2 红花活性成分提取方法研究现状

如表1所示,红花中活性成分多样,对于不同活性成分的提取纯化有不同的方法,如采用水提法[31]、纤维素酶法[32]进行红花黄色素提取,采用树脂法[30]进行红花黄色素纯化;采用闪式提取[33]等方法进行羟基黄色素A提取,采用醇沉法[34]进行羟基红花黄色素A纯化;采用超声辅助水提法[35]、微波辅助提取法[36]等方法提取黄酮类物质,采用大孔树脂方法进行总黄酮纯化[37]。

1.2.1 红花黄色素的提取纯化方法 不同制备方法提取红花黄色素的效果存在明显差异,以12倍量水浸泡30 min,70 ℃下动态提取2次,每次20 min,可以提高红花黄色素的提取率[30]。而与水提法相比,纤维素酶法提取红花黄色素的提取率可以提高9.40%～13.35%[32]。

采用树脂法纯化羟基红花黄色素A可以使纯度达到85%以上,为红花黄色素的浓缩纯化提供了一种可行方案[30]。

1.2.2 羟基红花黄色素A的提取纯化方法 在对红花中羟基红花黄色素A进行闪式提取,以40倍水为溶剂,提取2 min,电压为100 V时提取率为92.1%,提取率较高[33]。而以羟基红花黄色素A转移率为评价指标进行醇沉分析时,终点乙醇质量分数50%,药液初始质量浓度1.15 g/mL,药液pH5.0,搅拌速度500 r/min时提取物纯度为66.9%,效果较好[34]。

1.2.3 黄酮类物质的提取纯化方法 黄酮类物质的提取方法会影响到提取物的功能活性[35],采用微波辅助提取的提取率达10.23%[36],在对不同大孔树脂对红花总黄酮的吸附与解吸效果分析时,通过对其吸附与解吸工艺分析显示,AB-8具有较高的吸附量,且树脂最佳用量为1∶10 (g/mL),上样浓度为3 mg/mL时效果较好,所获得黄酮纯度为63.31%,较传统方法提高2.89倍[38],与于国峰等[37]获得结果相似,大孔树脂也可以用于羟基红花黄色素A的制备[39]。此外,天然深共晶溶剂也可应用于分离提取红花中极性不同的酚类物质,且具有连续性,对极性和非极性物质均具有良好的溶解性等优点[40]。

1.2.4 红花多糖的提取方法 红花多糖可采用水提醇沉法提取分离[41],红花中分离纯化得到红花多糖为均一杂多糖[42],亦含有少量的水溶性中性杂多糖[43]。

1.2.5 红花活性物质的提取过程控制 总黄酮提取量、羟基红花黄色素A提取量可以作为红花温浸提的关键指标,在对设计空间法的适用性进行分析时,通过鱼骨图结合失效模式与效应分析,以及Box-Behnken实验设计建立关键工艺参数和关键评价指标的数学模型,为红花活性成分的浸提提供了新的思路[44]。采用基于粒子群算法的最小二乘支持向量机(PSO-LS-SVM)方法,具有较好的稳定性和预测精度,可以实现红花提取过程关键质控指标的定量分析[45],采用动态超声萃取与在线分光光度检测相结合可以进行红花活性物质的提取[46]。

2 红花功能活性成分的作用效果

红花为活血化瘀药,可活血通经、化瘀止痛,临床上主要以水煎液入药,红花水提取具有明显抑制细菌生长的作用,且无致突变作用[47]。在红花活性成分中,羟基红花黄色素A的生物利用度受胃肠道蠕动速度、P-糖蛋白、吸收部位及其在胃肠道内稳定性的影响[48]。红花黄色素具有重要的药理作用,因其活血化瘀功效而被广泛应用于心脑血管疾病防治[49]。红花黄色素还具有清除自由基、抑制脂质氧化、缓解红细胞受羟自由基影响产生破裂的作用,且具有明显的量效效应[50],也可以对超氧自由基和β-胡萝卜素-亚油酸氧化体系均有较明显的抑制作用[50-52]。此外,红花醇提物特异性抑制酿酒酵母细胞壁合成[53]。

2.1 降血压作用

随着人们生活节奏的加快及生活方式的改变,心脑血管疾病等慢性病成为威胁人类健康的最主要潜在危害之一。而羟基红花黄素A具有明显的扩张血管、降低血脂和抗血凝等活性[54]。

通过溶血性磷脂酰胆碱诱导建立体外再狭窄内皮细胞模型,对红花黄色素对血管内皮细胞的保护作用分析显示,红花黄色素可改善溶血性磷脂酰胆碱对人脐静脉内皮细胞的影响,使内皮细胞增殖增强、降低凋亡[55]。同时,红花黄色素可以显著降低血粘度、血浆粘度和红细胞聚集指数,而血瘀模型中红细胞聚集指数升高,红花黄色素诱导的轻度抗血小板聚集和抗凝活性会产生不良反应,但考虑到其在食物中的使用量,具有较高的安全属性[56]。

2.2 对脑缺血的保护作用

羟基红花黄色素A与芍药苷联用对脑缺血再灌注大鼠脑组织磷酸化蛋白激酶B(p-AKT)阳性细胞表达明显增加,对脑缺血再灌注损伤有保护作用[57]。采用红花黄色素预处理雄性大鼠,能够保护缺血再灌注引起的海马CA1区神经元损伤,其原理可能与Prohibitin的表达增加和Caspase3的活化水平降低有关[58]。且红花黄色素具有较高的对脑血管作用选择性,且在较低剂量时能显著降低急性脑缺血引起的脑梗面积,采用静脉注射能够起到降低血管通透性和增加脑血流量的作用[59]。

2.3 对心肌缺血的保护作用

心脏的缺血预适应现象,是最为有效的内源性保护机制[60],羟基红花黄色素A可以通过调控磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶3β(PI3K/Akt/GSK3β)信号通路保护大鼠心肌细胞缺氧、复氧损伤[61]。红花黄色素能够有效缓解大鼠低灌流离体心脏冠状动脉流量和心率的下降[62],能够明显抑制由异丙肾上腺素诱导的大鼠心肌缺血所导致的血压失衡,能够有效降低心肌中的丙二醛含量和抑制脂肪酸的含量水平的升高,以及提升心肌组织ATP含量,进而缓解大鼠心肌缺血症状[63]。同样,红花红色素能够明显降低血浆中肌酸磷酸激酶乳酸脱氢酶活性和丙二醛含量,提高了超氧化物歧化酶的活性,可能与其显著的抗氧化活性有关[64]。

2.4 抗癌作用

顺氯氨铂(cisplatin)作为传统抗癌药具有较高的抗癌活性,但其会对肾产生损伤,所以其在临床使用中受到限制[65],红花黄色素能够抑制小鼠胃转移瘤的形成与转移、肿瘤组织和血清中CD44、EGFR的表达,即红花黄色素能够抑制胃癌的发展及转移[66]。红花红色素能够促使人肝脏细胞株MHCC-97H形态改变和凋亡,能够明显抑制细胞增殖,且作用时间和浓度呈现为量效关系。在黄色素作用下,MHCC-97H细胞内Bax表达增加,Bcl-2表达减少,Bcl-2/Bax比值降低[67]。同时,羟基红花黄色素A通过PI3K通路可以有效抑制人肝癌HepG2、Hep3B和SMMC7721细胞的增殖(P<0.05)、迁移和促进其凋亡[68]。

红花多糖能促进淋巴细胞转化,增加羊红细胞空斑形成的数量,对抗强的松龙的免疫抑制作用等[69]。红花多糖也能通过阻断PI3K/Akt/mTOR通路诱导人乳腺癌MDA-MB-435细胞凋亡[9]。通过促进宫颈癌细胞凋亡,可抑制宫颈癌细胞增殖[70],也可能通过诱导ROS的产生而使细胞增殖阻滞,进而起到抗肿瘤的作用[71],此外,红花多糖浓度为0.64 mg/mL时,能明显抑制人非小细胞肺癌A549细胞的增殖,将显著促使A549细胞的凋亡[72]。

2.5 抑制炎症作用

红花黄色素可能通过下调含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase1)和磷酸化抗体(NLRP3)mRNA的表达减轻糖尿病肾病的炎症损伤[73]。在对红花水-乙醇提物中山奈酚-3-O-芸香糖苷和山柰酚3-O-葡萄糖苷分析时,采用醋酸扭体法、福尔马林法和肉桂醛法分析结果显示,两者可以明显抑制醋酸和福尔马林带来的疼痛,山柰酚3-O-葡萄糖苷对二甲苯诱导的耳廓水肿发育具有明显的剂量依赖性抑制作用,山奈酚-3-O-芸香糖苷在高剂量(800 mg/kg)时抑制耳部水肿的形成,验证了红花酊可用于镇静和抗炎[74]。

2.6 抗氧化作用

黄嘌呤氧化酶的高活性与糖尿病、高尿酸血症和缺血再灌注损失息息相关,黄嘌呤氧化酶抑制剂也被用于治疗和缓解高尿酸血症,于思慧等[16]发现从红花中分离的12个黄酮类物质成分中有7个具有明显的氧化酶活性抑制作用,尤其以槲皮素、木犀草素和杨梅素最为明显,黄酮类物质被证明有效地参与了植物生长过程中的限制盐诱导的氧化损伤[75]。

在组织缺血-再灌注等过程中,由自由基引发的氧化反应是许多血液循环障碍疾病的重要影响因素,红花水提液可清除羟自由基,抑制小鼠肝匀浆脂质过氧化[76],且水溶性抗氧化物质主要为红花黄色素[77]。红花黄色素能够抑制羟基自由基诱导2-脱氧核糖氧化降解和清除1,1-二苯基-2-苦肼基自由基(DPPH·),且主要抗氧化成分为羟基红花黄色素A和红花黄色素B,同时红花黄色素B既可以清除Fenton反应产生的羟基自由基,又可通过与Fe2+离子的络合阻断Fenton反应产生羟基自由基[78]。

红花的抗氧化性是由多种化合物协同作用的结果[79],红花还具有抗肝纤维化[80]、抗血小板聚集等作用[76,81],红花提取物亦具有抗焦虑、抗抑郁作用[82],羟基红花黄色素A对脂多糖(LPS)诱导的白细胞(PMN)损伤也具有缓解作用[83]。在对红花提取物的负作用研究显示,在考察的0.7、1.4和2.8 mg/kg三个添加量,后两者均导致老鼠肾小球直径减小、近端肾小管腔增大、肾小管坏死、白细胞浸润、肾脏大量充血和微观结构破坏等负作用[84]。

此外,红花多糖对DPPH·和·OH有较好的清除能力,对铜离子有较强的还原能力,且呈量效关系[85]。

2.7 与其它材料的配伍作用

红花与生大黄、全瓜萎、川芎、胆南星、石菖蒲、牛膝、水蛭、地龙、法半夏、生地黄、玄参和炙甘草配伍制成的清痰瘀汤可以明显改善缺血性中风急性期痰瘀互阻型患者的血流动力学指标,降低血脂和血清半胱氨酸水平[86]。红花作为一种重要的功能性成分,经常被用于功能性产品的加工,如与海参、牡蛎和骨碎补复合进行治疗骨质疏松症、提高人体免疫力药品的开发[87]。

红花与甘草配伍能够明显改善寒凝血瘀证大鼠肠系膜血管的收缩和舒张功能[88],与丹参配伍对脑缺血再灌注损伤具有明显的保护作用[89],红花黄色素联合凝血酶抑制剂(阿加曲班)可通过改善血清中血清白细胞介素-8、内皮素-1、一氧化氮水平和血液流动学性状及血液流变学状态,对急性脑梗死病人的神经功能进行有效保护[90]。

3 红花油及挥发性成分分析

红花油具有降血脂、增强免疫力和抗炎作用,在对红花油提取过程中,采用微波辅助提取挥发油可以明显降低提取时间,挥发油产量也会得到明显提升[91]。

采用石油醚、正己烷和二氯甲烷提取所得挥发油的主要成分相似,但含量依次降低,均含有的化学物质为9,12,15-十八碳酸三烯-1-醇、2,4-二十三烷二酮和棕榈酸,正己烷提取挥发油中壬酸-2-丙烯酯含量较高,石油醚提取挥发油中1,4-二十九碳二烯含量较高,二氯甲烷提取物中乙酸羽扇醇酯和1,2-环氧十九烷含量较高,且只在二氯甲烷提取物中存在[92]。在对超临界二氧化碳法、水蒸气蒸馏法和微波辅助萃取法提取效果比较时,韩小金等[93]研究结果显示,超临界二氧化碳萃取法挥发油收率高于水蒸气蒸馏法,但低于微波辅助萃取法,但超临界二氧化碳萃取和水蒸气蒸馏萃取产物品质好,优于微波辅助萃取法。

4 结语与展望

红花中含有丰富的黄酮类、多糖和黄色素等活性物质,这些活性物质的纯化制备受提取方法的影响,也受原料本身差异的影响。对红花中活性物质分析时,波谱特征和理化性质可以进行多种活性物质的识别归类。红花中的黄酮类、糖类和黄色素类物质,具有抑制炎症、抗氧化、抗癌、抑制酪氨酸酶活性、预防脑或心肌缺血再灌注损伤等作用,在临床上具有广泛应用。

红花是一种传统的药材,也可以用作保健食品原料,鉴于红花中活性物质的多样性,开展单体物质的纯化研究、单体物质体外和体内的作用效果分析、多种单体物质的复配及增效和拮抗作用分析、单体物质及复配组分生物活性的稳定性和量效关系分析等,为红花在急性及慢性疾病治疗和健康维持等方面的应用提供参考,尤其是对患癌症病人、老年人、高血压患者、糖尿病患者和亚健康人群等特殊群体等具有明显裨益。同时,尽管红花中油脂含量较低,但是随着全球多用途油脂需求量的增加,尤其是红花籽油具有一些重要的功能特性,使其成为多用途油料作物、药用植物和红花素染料的重要来源。

红花作为一种重要的药用植物资源,为了更好的开发与利用红花资源,除有针对性的开发药物用途产品外,亦可通过量化其在食品中的应用效果,为保键食品的开发提供基础;通过对食品等易损物料的储存效果分析,对其在食品包装材料活性剂等方面的用途进行分析;通过对其作为饲料添加剂对动物健康及肉品质的影响分析,为其作为饲料补充剂的优势进行分析。通过系列研究的开展,以及对其适用性效果分析,将为红花及其提取物在食品、医药、饲料等方面的应用开辟新的途径,服务于人们生活水平提高的健康需求。