矢车菊素-3-葡萄糖苷的生理功能及其稳态化技术研究进展

王 渝，朱千林，杨荣玲，何晓希，毕艳红，赵祥杰，郑双涛

（淮阴工学院生命科学与食品工程学院，江苏淮安 223003）

花青素是黄酮类化合物的一种，具有C6-C3-C6碳骨架结构，是一种天然无毒的水溶性色素[1]，广泛存在于自然界中各种水果、蔬菜及谷物中，如桑葚、葡萄、紫薯、黑豆等，能够使植物呈现各种不同的颜色。花青素化学性质活泼，通常以酚羟基糖苷化形式的花色苷存在，根据苷元和糖苷配体的不同可形成多种花色苷。存在于植物中的苷元主要有6 种：天竺葵素、矢车菊素、芍药素、飞燕草素、牵牛素和锦葵素[2]。其中，矢车菊素-3-葡萄糖苷（cyanidin-3-glucoside，C3G）是一种最常见的花青素，存在于黑米、黑豆、紫薯和许多五颜六色的浆果中，具有抗氧化、抗癌、保护视力、保护胰岛、预防糖尿病等作用。但在其应用过程中，往往存在稳定性差、不易储藏、亲脂性低、不易被人体吸收等问题，因此国内外许多研究者对花青素的结构修饰进行了深入研究，以便花青素更好地被应用于化妆品、医疗、保健品等行业。本文对矢车菊素-3-葡萄糖苷的性质和多种生理功能进行了综述，并展示了多种矢车菊素-3-葡萄糖苷稳态化制备方法，为矢车菊素-3-葡萄糖的进一步研究和利用提供参考。

1 C3G 的性质及提取来源

1.1 C3G 的性质

C3G 是自然界最常见且相对稳定的一种花青素[2]。C3G 具有多种生物活性，但因其性质较为活泼，结构稳定性差，容易受多种因素影响而发生降解，使其生物活性的发挥受到诸多限制[3]。花青素的稳定性主要受pH 值影响，在酸性介质中更稳定。此外，花色苷易受外界环境诸如氧气、光照、温度、水活度等的影响而发生结构改变，甚至功能丧失，因此常通过多种方法保持其结构稳定性[4]，进而在肠道部位定向释放[5]，从而发挥其最大生物活性，提高其应用价值（图1）。

图1 C3G 的来源、功能与稳态化技术Fig.1 Source,function and steady-state technology of C3G

1.2 C3G 的来源及提取

在自然界中C3G 存在于各种植物中，尤其是深色果蔬及谷物中[6-7]，如葡萄、桑葚、蓝莓、草莓、紫甘蓝、黑米等。此外，目前有许多学者在不同的植物中发现了C3G，如水果中的阿萨伊、黑果腺肋花楸、草莓、蓝莓，蔬菜中的紫甘蓝，谷物中的黑豆和黑糌粑以及茶叶中等[6-7]。

在进行花色苷提取的过程中，不恰当的提取方法会导致花色苷发生降解，从而降低得率，因此在花色苷的研究中提取工艺是极其重要的环节。有机溶剂提取法是目前提取花色苷应用最多的一种方法，具有操作简单、成本较低、容易实现等特点[8]。许多学者通过不同的有机溶剂提取了阿萨伊[9]、黑果腺肋花楸[10]、草莓[11]、紫甘蓝[13]、黑豆[14]、古茶[15]、黑糌粑[16]、桑葚[17]、杨梅[18]等植物中的C3G，并测定了其中C3G 的含量。研究发现，不同植物来源的C3G 含量范围在0.001～12.829 mg/g 之间（见表1），其中黑豆中的C3G 含量最高，但不同品种黑豆中C3G含量亦不同，杨梅中含量较低；不同植物来源的C3G在提取过程中，单纯溶剂提取法综合提取效果不理想，多数采用辅助提取技术，增强了提取效果，而超声处理为当前最有效的辅助手段。因此针对不同植物原料开展专门提取工艺优化以及采用其他溶剂体系和利用其他辅助技术进一步提高C3G 的提取效率也是以后研究的重点。

表1 不同植物来源的C3GTable 1 C3G from different plant sources

1.3 C3G 的主要生理功能

1.3.1 抗氧化

C3G 是自然界存在的最普遍的、相对稳定且易于获得的一种花青素。矢车菊素可通过多种途径清除自由基，并且清除自由基能力、还原力及抗氧化能力都要优于其它花青素提取物，其抗氧化活性在人类植物膳食以及保健品方面都有极其重要作用，对于保持身体的健康至关重要[19-20]。Sukprasansap 等[21]研究表明，C3G 作为一种天然的抗氧化物质，可以通过抑制谷氨酸诱导的氧化和ER 应激信号以及激活ERK/Nrf2 抗氧化机制途径而成为一种神经保护剂。此外，重金属也会对机体发挥正常的抗氧化功能造成干扰，导致体内大量自由基存在，从而对机体造成氧化损伤[22]。研究表明，C3G 可以通过清除自由基来缓解由重金属引起的性激素分泌紊乱和生殖损伤，从而起到保护作用[23-24]。

1.3.2 保护视力

白内障是全球排名第一位的严重致盲性眼病，而导致白内障的关键原因是自由基及其引发的氧化应激效应导致了晶状体生理功能发生改变[25]。矢车菊素及其糖苷具有清除自由基、调节免疫等生物活性，已成为国内外视力保护研究的热点。其中C3G 在体外糖尿病型白内障模型中显示出了抗晶状体浑浊功能[25]。李翔等[26]通过逆相蒸发法制备得到TMC 修饰的C3G 脂质体（TMC-modified C3G-loaded liposomes，C3G-TCL），通过采用乳鼠白内障动物模型对晶状体浑浊度及生化指标测定，评价了C3G-TCL 对眼部应用的效果，结果表明C3G-TCL 可恢复受氧化损伤眼部细胞的活力。张婧等[27]利用逆相蒸发法制备眼用TMC 修饰的1 脂质体（cyanidin-3-glycoside(1)-title liposomes，1-TCL），利用星点设计-效应面法，以包封率为评价指标，筛选获得了1-TCL 的优化配方，并考察了1-TCL 对H2O2致氧化损伤的人晶体上皮细胞（human lens epithelial cells，HLECs）的保护效果，结果表明，1-TCL 能显著提升HLECs 的细胞活力，说明其对HLECs 的保护能力，具有潜在的视力保护功效。综上所述，C3G 在保护视力和治疗白内障方面具有重要的应用效果及开发价值。

1.3.3 保护胰岛功能

肥胖是一种全球流行病，会导致2 型糖尿病、高血压、心血管疾病和某些癌症的患病率急剧增加。已有研究表明，C3G 具有降低血糖、抑制肥胖及改善胰岛素抵抗的作用[28-30]。Qi 等[28]通过建立糖尿病肾病大鼠模型，对其给予C3G 治疗56 d，并以赖诺普利治疗为阳性对照，研究发现C3G 可降低血糖，预防胰岛素抵抗，修复糖尿病大鼠的肾功能，预防糖尿病大鼠肾间质纤维化、肾小球硬化和氧化应激。Sasikumar 等[29]通过细胞培养实验发现C3G可保护胰腺β细胞免受氧化应激诱导的凋亡，从而起到保护胰岛的作用。此外，有研究表明C3G 可以通过改善糖类代谢紊乱状态，进而降低胰岛素抵抗，从而达到预防肥胖、心脑血管等疾病发生的目的[30]。

1.3.4 抗癌

C3G 作为一种黄酮类化合物，具有黄酮类化合物的良好抗癌作用，且对机体的毒副作用较小，能够抑制结肠炎及结直肠癌的发生和发展[31]。王丽等[32]研究了C3G 对结肠癌的增殖及TOPK 激酶活性影响，结果表明C3G 通过靶向TOPK 抑制结直肠癌的生长。宋柬等[33]研究了不同浓度C3G 对环氧丙酰胺引起的人类乳癌细胞MDA-MB-231 毒性的影响，结果表明C3G 对环氧丙酰胺引起的MDA-MB-231 细胞毒性具有非常明显的抑制作用。

C3G 具有清除自由基、抗突变等生物活性，能够抑制多种肿瘤的生长，诱导肿瘤细胞凋亡。Liang 等[34]研究表明，C3G 可以降低三阴性乳腺癌细胞系MDA-MB-231和BT-549 的迁移和侵袭性，还能减弱三阴性乳腺癌的NF-κB 代谢通路，逆转上皮细胞-间充质恶性转化，具有抗乳腺癌的作用。Zhao 等[35]研究发现C3G 可以保护HepG2 细胞免受由2-氨基-3-甲基咪唑并[4,5-f] 喹啉（IQ）所诱导的细胞毒性，主要通过与X-连锁凋亡抑制蛋白（X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP）的BIR3结构域进行紧密结合，抑制XIAP 靶蛋白引发的细胞凋亡，从而使C3G 具有预防杂环芳香胺的致癌风险。

1.3.5 预防骨质疾病

骨质疏松症是一种多发于老年人群的慢性疾病，当前大量化学药物用于骨质疏松症治疗，但长期用药会对身体产生副作用。有研究显示花色苷对骨骼健康有促进作用，富含花色苷的食物可以降低骨质疏松症的发生率[36]。Cheng 等[37]发现C3G 盐酸盐能抑制破骨细胞形成、羟基磷灰石吸收以及通过核因子（NF-κB）受体活化因子配体信号通路（RANKL）诱导的破骨细胞标志基因表达，进而抑制RANKL 诱导的NF-κB 活化，并减弱细胞外信号调节激酶的磷酸化，具有治疗溶骨性疾病的潜力。Samarpita 等[38]发现C3G 能减弱血清白介素-17A（IL-17A）细胞因子信号介导的单核细胞迁移和向类风湿关节炎成熟破骨细胞分化。C3G 在分子水平上阻断p38 MAPK 信号通路的激活，从而响应IL-17A 的作用，这为C3G 治疗由IL-17A 信号介导的类风湿性关节炎提供了支持。

1.3.6 预防心脑血管疾病

近年来，心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）成为工业化国家和发展中国家的主要健康问题，高发病率和高死亡率给社会带来了沉重的健康和经济负担[39]。目前的药物治疗可以使心血管疾病得到一定的控制，然而，很多药物具有一定的副作用，因此，迫切需要探索新的有效治疗方法。已有研究表明，富含植物花色苷食物的摄入与CVD 的发病呈负相关[40]，这也为花色苷物质在心脑血管疾病中的应用提供了重要参考。邓秀娟等[41]研究证实了C3G 能够抑制高胆固醇血小板颗粒物释放，从而对心血管具有保护作用，起到预防心血管疾病的作用。姚艳玲等[39]研究证实了C3G 能降低小鼠的血脂水平，显著降低小鼠颈动脉斑块面积，并可干预高脂饮食组小鼠血清中趋化因子，使CXCL12 和CCL2 降低水平达到显著程度，从而对高脂饮食组小鼠的血脂异常和动脉斑块形成具有明显的改善作用。Ya 等[42]证明了C3G 在体外可促进活化的血小板凋亡，促进巨核细胞的增殖、分化和原血小板的形成。张莉珂[43]通过小鼠实验发现花色苷能够降低高脂血症引起的小鼠血小板凋亡，并对减少健康小鼠血小板凋亡具有一定的预防作用。此外，C3G对缺血性卒中也具有一定的治疗作用。韩旭等[44]研究表明，C3G 能够通过多种途径改善缺血性卒中的神经功能转归，从而对缺血后的脑损伤具有保护作用。虽然C3G在人体健康中发挥多种生理功能，在食品和医药等行业中有巨大发展潜力，但当前药理活性及功能评价较少在人体中开展，对其毒理学和遗传影响的研究尚不足，有待于进一步研究。

2 C3G 的稳态化技术

C3G 在功能食品开发中有着巨大的潜在应用价值，但因其性质活泼、结构不稳定，在贮存和加工过程中容易受到外界环境影响而发生降解，使其生物利用度显著降低。同时，花色苷是非脂溶性物质，较难穿过细胞膜的磷脂双层结构，大大降低了其应用效果。因此可以通过结构修饰改性和载体包封的方式对C3G 进行稳态化制备，结构修饰后的C3G 在脂溶性和稳定性上得到显著提升，从而提高其利用率，而载体包封或乳液共溶后的C3G 可以有效抵御机体逆性环境的影响，达到在肠道部位定向释放的目的，提高其生物活性。到目前为止，生物酶催化改性法、化学法分子修饰改性法、微胶囊法等均是对花色苷进行稳态化制备的重要方法[45-48]。

2.1 结构修饰提升稳定性

2.1.1 生物酶催化改性

花色苷的酶促酰化通常是使用脂肪酶和短链到长链的脂肪酸作为酰基供体来进行的，有机溶剂是目前非水相酶催化应用和酶学研究最为广泛的体系[49]。相比于化学法，酶促酰化反应所需的反应条件温和，具有更高的区域选择性。Zhang 等[50]采用固定化脂肪酶催化脂肪酸甲酯对C3G 进行酰基化修饰，研究证明C3G 与中链脂肪酸的酰化衍生物比C3G 具有更好的稳定性和抗氧化活性。Yan 等[51]以芳香酸甲酯为酰基供体，脂肪酶做催化剂，与黑米花色苷进行酶促酰化反应，反应提高了花色苷的热稳定性和耐光性。外国学者通过酶促反应增加饱和脂肪酸的链长，改善了C3G 的脂溶性，并研究了其在亲脂介质不同pH 值下的热稳定性，与未经修饰的C3G相比，亲脂性C3G 衍生物表现出更好的颜色稳定性和更低的热降解敏感性[52]。与天然的C3G 相比，通过酶促法合成的矢车菊素-3 -葡萄糖苷月桂酯（cyanidin-3-glucoside lauryl ester，C3G-C12）的脂溶性、pH 电阻率和热稳定性都有显著提高[53]。

2.1.2 化学法分子修饰改性

在对花青素的化学修饰方面，主要以有机合成技术为基础，因此选择适当的酰化剂和催化剂是化学修饰研究改性的关键[54]。酰化反应降低了极性，增加了分子尺寸，改变了花色苷的空间结构，从而改变了它们的化学反应性和稳定性。赵立仪[54]通过引入月桂酸的长脂肪链对C3G 进行酰化修饰，酰化后C3G 的亲脂性和稳定性得到了明显的提高。C3G的酯交换酯化反应见图2。李颖畅等[55]将花青素和乙酸进行酰化反应，通过紫外光谱和红外光谱对酰化反应进行分析确定，结果证明酰化后的花青素稳定性明显提高。

图2 C3G 的酯交换酰化反应Fig.2 Transesterification of C3G

2.2 递送系统保持稳态化

稳态化技术除了各类反应让化合物分子伤筋动骨保持性能稳定外，还可以通过改变溶剂性能使其稳定。随着技术的不断进步，除了通过传统的生物酶法和化学法对C3G 改性外，还出现了许多新的改性方法，如微胶囊包埋和复乳体系。

2.2.1 复乳体系

复乳又称“多重乳液”“乳中之乳”，指将简单乳液包裹于另外一种连续相中，包括将水包油型（O/W/O）、油包水型（W/O/W），还包括将固体分散于油相中再分散于连续的水相中（S/O/W），其中W/O/W 型比较常见。W/O/W型复乳是指将内水相分散在油相中，再将这个包有水滴的油相分散在水中，以此形成一个两面三相的结构[5]。袁丽等[5]以离心保留率、流变性、显微结构为指标对复乳制备工艺和配方进行优化，利用优化后的W/O/W 体系包埋C3G，发现该体系具有较好的包埋C3G 功能，能够提高C3G 的稳定性。

2.2.2 微胶囊包埋

微胶囊化是以碳水化合物、蛋白质、多糖、脂类或人工合成高分子材料为壁材包埋小分子活性物质，并可在特定条件下释放的技术[4,56]。钱柳等[57]利用热改性方法构建乳清蛋白纳米粒子运输载体，通过纳米粒的粒径电位和载药性能变化确定WP-C3G 纳米的最佳比例，研究发现C3G 和WP 结合后能够改善其肠胃消化稳定性和贮藏稳定性。Chen 等[58]发现利用微囊化技术，对多酚类化合物进行封装，可以提高酚类化合物的生物利用度。

虽然微胶囊化可以提高C3G 的稳定性，但操作复杂，可能会对C3G 的生物活性造成一定的损伤。因此，又有学者通过不同的方法来提高C3G 的稳定性。Sun 等[59]研究了壳聚糖（chitosan，CS）、壳寡糖（chitosan oligosaccharide，CSO）和羧甲基壳聚糖（carboxymethyl chitosan，CMC）与离子交联剂γ-聚谷氨酸（polyglutamic acid，PGA）或氯化钙结合，制备了负载C3G 的纳米颗粒，其中C3G-CMC-CaCl2纳米颗粒包封效率和负载效率均为最高，显著提高了C3G 的稳定性，扩展了其在食品加工中的应用。Li 等[60]利用丝素蛋白多肽与桑椹中的矢车菊素-3-葡萄糖苷结合，从而提高了C3G 的理化稳定性。

3 总结与展望

随着生活水平的提高，人们对健康食品的要求也越来越高，C3G 作为花色苷中的一种重要成分，也是其主要活性成分，具有多种生理活性，在食品、化妆、医疗等方面具有较大的市场。但由于C3G 稳定性差和生物利用度较低，目前对C3G 的研究还存在许多不足之处，以后的研究应从以下几个方面进行：（1）加强C3G 稳态化制备技术研究，分别从微胶囊技术、共辅色技术、乳液技术等方面开发新的稳态化工艺；（2）开展C3G 绿色催化介质理性设计及其催化工艺研究，确定酰化产物构效关系，制备具有较高生物活性的酰化产物；（3）含C3G 食品的非热和热加工条件下的稳定性研究，考察不同大分子对C3G 的热降解动力学，同时考虑食品添加剂、营养素、风味物质等对花色苷的影响，寻找稳态化效果更佳的制备工艺和工艺条件，扩大其在食品等产业中应用范围。花色苷来源广泛，具有显著的资源优势，因此，对C3G 的稳态化进行深入研究具有重要实际意义。