花色苷的功能及其稳态化保持技术研究进展

陈 曦，仝 争，王 渝，朱千林，宋毓晔，聂泽坤，杨荣玲

（淮阴工学院生命科学与食品工程学院，江苏淮安223003）

0 引言

花色苷是一种在植物中普遍存在的水溶性色素，主要是通过糖苷键将花青素与糖进行结合而形成的化合物。花色苷常见的种类包括矢车菊素、天竺葵素、芍药素、飞燕草素和锦葵素，占比约为总体的90%，其来源广泛，含量在深色植物中最为丰富，如紫薯、黑醋栗、紫甘蓝、葡萄籽、蓝莓等。

1 花色苷的功效

研究表明，天然花色苷具有多种生物活性，如清除自由基、抗氧化、抗炎症、缓解多种并发症等，在血脂血糖健康、辅助抗癌、保护视力、保护心血管、改善大脑功能、预防或控制神经衰退性疾病等方面也具有一定功效[1]，所以可被加工成为保健食品、食品添加剂、化妆品等，具有较大的市场潜力。

1.1 抗氧化性

有研究人员对蓝莓花色苷的组成、抗氧化活性及其对人体肠道菌群的影响进行了研究，结果表明蓝莓花色苷可以起到显著调节肠道微生物组成、提高肠道内双歧杆菌丰度[1]的作用。Shih P H等人[2]已经指出通过花色苷的某种抗氧化酶的表达涉及细胞外信号调节激酶、c-Jun N端激酶途径和转录因子Nrf2的激活，花色苷的刺激作用改善了ROS过量的生长和细胞凋亡引起的细胞毒性。

1.2 抗癌作用

梁珊等人[3]对胭脂萝卜中的天竺葵素抑制人类胃癌细胞迁移与侵袭进行了研究，结果表明胭脂萝卜天竺葵素可以在不影响细胞凋亡的条件下抑制胃癌细胞的迁移、侵袭、增殖，从而得出了天竺葵素抗肿瘤作用的可能机制。李桃等人[4]的研究表明，飞燕草素能减少乳腺癌细胞葡萄糖的吸收，并减少细胞乳糖和ATP的产生，抑制PKM2，HK和LDHA蛋白的表达，它通过减少p-Akt和p-mTOR蛋白的表达，抑制乳腺癌MDA-MB-231细胞中的葡萄糖代谢、抑制Akt/mTOR途径的活性，从而达到抑制乳腺癌细胞糖酵解的目的。白金晶[5]探讨了黑豆皮中花青素的抗氧化性能与其抑制肝癌的分子机制，明确了黑豆皮中花青素可通过抑制JAK2/STAT3信号通路致使肝癌Hep G2，SMMC7721细胞发生凋亡。石焕焕[6]进行了葡萄籽原花青素调控靶基因FoxM1对结肠癌细胞生物学特征的影响及相关机制的研究，结果表明FoxM1基因的表达受到葡萄籽原花青素的负调控，且与ROS产生存在负反馈效应，进而通过葡萄籽原花青素抑制作用使其下调表达可显著影响结肠癌细胞的生物学特征。

1.3 抗炎作用

D Serra等人[7]发现了矢车菊素-3-葡萄糖苷在IL-8等细胞因子产生，以及iNOS和COX-2表达方面起重要作用，能通过降低细胞因子诱导的人肠HT-29细胞炎症，进而发挥抗炎效果。张国坤[8]的研究表明，花椒花色苷可抑制炎性反应，改善以D-半乳糖诱导的小鼠病理性衰老。徐微等人[9]确证了紫甘蓝花色苷-3-二糖-5-D-吡喃葡糖苷矢车菊素（Cy）及其复合体对鼠源单核-巨噬细胞RAW264.7的抗炎活性，并明确了Cy复合体的抗炎活性高于Cy的结论。Cy复合体有望开发成为一种新型食品添加剂，辅助干预炎症反应及其引起的相关疾病[10]。

1.4 改善神经系统损伤作用

Subash S等人[11]发现，向遗传修饰的阿尔兹海默病小鼠模型中添加不同含量富含花青素的椰枣膳食补充剂，可以减少小鼠的认知和行为缺陷，从而延缓阿尔兹海默症发作。宋文婷[12]研究了损伤了脑部的小鼠与花青素之间的联系，发现花青素对脑部受损小鼠的神经具有一定保护作用。研究人员还发现蓝莓花色苷对患阿尔兹海默病的小鼠脑部结构及脑细胞形态有明显的改善效果[13]。赵思琪[14]研究了莲房原花青素对阿尔茨海默病小鼠认知功能的改善作用，结果表明，莲房原花青素可有效减少Aβ沉积，缓解AD特征性病理症状和认知功能下降。

1.5 抑菌作用

从许多植物中提取出的花色苷对大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等都具有不同程度的抑制作用。研究发现，花青素和酚类物质可以使脂多糖破坏而发生渗透作用，使肠炎沙门氏菌中的ATP从细胞质流出，从而使病原菌散失能量而起到杀菌作用[15]。有研究人员指出，蓝莓中所含有的酚类物质会改变病原体的表面结构并防止它们黏附到黏膜上，进而使黏膜有抵抗食源性的细菌感染的能力。赵丽艳等人[16]对黑米中提取出的花色苷进行了体外的抑菌对比试验，发现了黑米花色苷在体外抑制大肠杆菌能力大于对金黄色葡萄球菌的抑制能力，其抑制菌种生长的能力随花色苷浓度的增加而增大。

2 花色苷的稳态化

天然花色苷分子的生物功能使其在多个行业中的应用潜力得到广泛认可，但是天然花色苷分子为缺电子结构，易因外界因素，如温度、光照、pH值、金属离子、氧化剂、添加剂等的影响而发生变化[17]，这些影响限制了花色苷的应用前景。因此，花色苷的稳态化也是当前行业中的研究重点。现今，大量研究人员对花色苷的稳态化技术进行研究开发，使花色苷发挥出最大功效。稳态化技术包括微胶囊技术、微乳化制备技术、生物转化修饰技术、添加大分子物质（蛋白质类）、小分子辅色（多酚和黄酮类、肽和氨基酸类、有机酸类）、金属离子螯合等[18]。

2.1 微胶囊技术

微胶囊是一种可以包封和保护某些物质的具有特殊壁材的半透性或密封的微小型容器[19]。微胶囊化可以增加被包封物质的稳定性，控制其释放程度，进而能有效抵抗不良环境造成的影响。目前，微胶囊制备方法可分为物理法、化学法及生物学方法[19]，常见的微胶囊制备方法主要有原位聚合法、喷雾干燥法、复凝聚法、界面聚合法等，而在制备花色苷为芯材的微胶囊过程中主要采用粒子交联法、喷雾干燥法、乳化-热凝胶法、冷冻干燥法等[19]。

微胶囊壁材对微胶囊粒子的渗透性、溶解性、缓释效果等有一定影响，在选择和设计微胶囊壁材时应考虑诸如壁材的稳定性、可降解性、来源和价格，壁材材料对芯材材料的保护作用和释放等因素。壁材的选择对于微胶囊保护芯材的效果有着很大影响，不同的芯材要匹配适合的壁材，将芯材完全包裹其中，保证芯材的活性不受外界条件的影响[20]。

（1）天然高分子材料。现今的微胶囊壁材多种多样，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个大类。由于天然高分子材料具有价格低廉、降解性较好等优点，所以常用的微胶囊壁材多为天然高分子材料，如碳水化合物类的壳聚糖、海藻酸盐、阿拉伯胶、多孔淀粉、琼脂、环糊精等，蛋白质类的明胶、乳清蛋白等；脂质类的聚乳酸、卵磷脂等。向殷丰等人[21]经过多组试验对比发现酪蛋白酸钠和麦芽糊精质量比1∶1，壁材与内容物质量比为2∶1时可以最有效地防止沙棘油的氧化变质，利于保存。王鑫[22]研究了经大孔树脂纯化后的蓝靛果花色苷的微胶囊化和稳定性，从而制作出可以在胃液中保持稳定的蓝靛果花色苷微胶囊。孟翔宇等人[23]通过单因素试验和响应面试验等选出了最佳工艺条件的壁材，改善了玫瑰茄花色苷在模拟胃肠道中的稳定性。

（2）半人工高分子材料。尽管天然高分子材料具有许多优点，但是它们具有诸如胃液中易分解、贮藏不足和内容物释放不良等缺点[24]。此外，有些天然高分子材料如纤维素和淀粉等因不易与水相融而不适于制作壁材，目前主要通过对部分天然高分子材料修饰改性来制备性能得到改善的半人工高分子材料。半人工高分子材料分为改性蛋白类、改性纤维素类、改性淀粉类[25]。刘媛等人[26]为了控制乳酸菌在胃肠道中的活菌数量，对壁材进行改性，筛选对乳酸菌活菌数量降低最少的壁材。

2.2 微乳化技术

近年来，微乳化药物并进行给药是一种相对较新的给药方式，该递送技术制备方法简便、对胃肠道刺激小、口服吸收性能高、药物稳定性及利用率高，具有很大的应用前景[27]。微乳液是热力学稳定的体系，它是由油相、水相、表面活性剂和助表面活性剂以特定比例自发形成的[28]。目前，微乳液的制备方法有Schulman法、Shah法、加复合乳化剂法、相转变温度法和专用设备乳化法等多种方法。

微乳化的稳定性也会受到表面活性剂、助表面活性剂、油相、水相、温度及组分配比等的影响[29]，所以要通过因素优化获得高效的制备工艺[30]。

2.3 分子修饰技术

分子修饰技术是通过改变花色苷分子的结构，如醚化和酯化等的提高花色苷分子稳定性的技术手段。由璐等人[31]的研究表明，酰基化花色苷是高度稳定性的，具有高抗氧化性，并且能更好地保持溶液本身的颜色，但是存在转化率低的问题。花色苷的酯化转化率较高，达到约50%，但其水溶性不理想。张晓圆等人[32]在黑豆红花色分子上接枝了新的基团后，保护了发色团，进而使黑豆红花色苷的耐热性和耐光性得到了显著的提高，有超95%的DPPH自由基清除能力，抗氧化性能得到提升。徐淑丽[33]对紫背天葵花青素进行酯化后，稳定性得到明显提高。朱勇生[34]通过酶法修饰了矢车菊素-3-葡萄糖苷分子，结果其抗氧化能力获得提高。孙华铃[35]对黑米色素进行了酯化后发现酯化色素拥有更好的稳定性。

2.4 分子辅色技术

花色苷的分子辅色作用的主要包括分子内辅色、分子间辅色、自身交联和金属络合，常用的辅色剂包括酚类化合物、生物碱、金属离子和有机酸，其主要作用机制是分子间或分子内部通过氢键、络合、共价结合作用等，阻止发色母核基团的水化转换，来实现花色苷的稳态化，增大其辅色作用强度[36]。

2.4.1 分子内辅色

分子内辅色主要是发生在花色苷分子内部基团之间相互作用，常引发颜色变化。这种作用的发生与花色苷的内部结构有很大的关系[37]。分子内辅色作用的主要位点包括酰基化、糖基化和甲基化结构。其中，酰基化结构内分子辅色是花色苷母核上的羟基及糖苷基上的羟基在酶的催化作用下与芳香酸或脂肪酸发生酰基化反应形成酰化花色苷，酰基花色苷通常高度稳定[38]。糖基化结构的分子内辅色是花色苷经糖基化后，糖分子中大量的羟基易与溶液中的水分子形成氢键，改善其水溶性，同时在弱酸性和中性环境中表现出更好的稳定性。甲基化结构分子内辅色的原理是通过增加水化反应的活化能，使相对稳定性得到提高。

2.4.2 分子间辅色与金属离子络合

花色苷与辅色素之间产生的作用称为分子间辅色，迄今为止发现的辅色素包括单宁、多酚、有机酸、核苷酸、多糖、金属离子、生物碱、香豆素、肉桂酸衍生物、氨基酸和类黄酮及花色苷自身等。

彭常安等人[39]向黑莓汁中加入一些有机酸会产生显著的辅色效果。张丽霞等人[40]研究表明，多种有机酸对黑莓花色苷具有协同辅色作用，可以显著提高花色苷的热稳定性并延迟黑莓花色苷的分解。范琳琳等人[41]研究表明，多种外源添加物对黑莓花色苷辅色效果的影响是非常重要的。楼乐燕等人[42]研究不同有机酸对杨梅花色苷的辅色后的稳态化效果，经辅助着色后，杨梅花色苷的颜色和热稳定性得到明显改善。

金属离子与花色苷络合后可能产生“增色”或“褪色”效应，具体取决于溶液体系中金属离子和花色苷的种类、比例、浓度、pH值和其他辅色素等因素。易与花色苷络合的金属离子包括Fe2+，Fe3+，Cu2+，Mg2+，K+，Na+，Ca2+和A13+等。

2.4.3 自聚作用

当花色苷分子浓度达到一定水平时，单体花色苷就会发生自聚合。

2.5 生物转化修饰法

生物转化修饰是通过不同途径对花色苷分子进行修饰改造并提高其稳定性的方法，采用的生物转化方法有植物细胞转化、酶转化、微生物细胞转化等。在植物细胞转化中常形成酰基化的花色苷，其稳定性和生理活性都得到很大提高。酶转化法是由于酶具有很高的选择专一性，反应条件温和，转化效率高，利用生物转化修饰酶法修饰可以避免化学转化法的各种缺陷，显著提高花色苷的热稳定性和光稳定性。微生物细胞转化可以省去酶的分离纯化和固定步骤[42]。

3 结语

花色苷作为一种具有广泛来源和生物活性显著等特点的天然色素分子，在生物医药、保健食品、化妆品等行业中具有较高的利用价值，而其分子本身的结构特点使其稳定性较低、脂溶性较差，在实际使用中受到很大制约。对花色苷进行稳态利用的研究对于提高其生物学活性、稳定性和消化利用度具有重要的现实意义。因此，需要更多的研究关注花色苷分子的稳态化制备技术，并研究不同稳态化处理对其性质的影响，进而通过溶剂工程和生化工程手段，获得在性能、安全、活性等方面得到显著改善的花色苷产物，为其在多个行业的深度化利用打下基础。