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花青素的稳定性与功能研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-12-21 11:09

1. 花青素的主要结构、种类及来源

植源性食物是人类主食之一，除了从中获取的常量营养素之外，植物组织中还含有对人体有益的各种次生代谢物，如：花青素，类胡萝卜素等，这些次生代谢物通常参与植物自身的一些重要的生理功能的实现 [1] [2] 。花青素是一大类植源性、天然的、类黄酮类、水溶性较好的色素。其通常分布在多种颜色较深的水果、蔬菜细胞组织之中，如葡萄、黑枸杞、茄子、黑米、黑豆、血橙、无花果、樱桃、山楂、红甘蓝、蓝莓、紫甘薯、草莓、桑葚等植物的细胞组织之中，参与植物的花色和果实颜色的决定 [3] 。

花青素的结构如图1所示，属于有机化合物，其基本的碳骨架结构为C6－C3－C6，具有3，5，7－三羟基－2－苯基苯并吡喃阳离子分子结构。花青素中游离的酚羟基，在偏酸性的细胞溶液中以阳离子的形式存在，由于结构中缺失电子，因此具有较强的抗氧化性 [4] 。花青素性质较活泼，极不稳定，因此自然界很少能发现以游离形式存在的花青素。其一般存在形式是，结构中游离的羟基通过糖苷键连接各种单糖和二糖，生成各种花色苷。花色苷中的糖苷基团和游离的羟基团可被酰基化，形成酰基化的花色苷，其稳定性更好，可以酰化花色苷的物质有：咖啡酸、香豆酸、阿魏酸、对羟基苯甲酸等芳香酸和脂肪酸。己被发现的天然存在的花色苷大约有250种 [5] [6] ，花青素最常见的结构主要有六大类：矢车菊素(cyanidin)，飞燕草素(delphinidin)，天竺葵素(pelargonidin)，芍药素(peonidin)，牵牛素(petunidin)和锦葵素(malvidin) [7] 。六种常见花青素的结构，如表1所示。

矢车菊-3-葡萄糖苷是矢车菊花色苷的一种，是分布最广泛的最常见的一种天然花色苷，是决定黑米、黑豆及紫薯等颜色的主要色素，且在黑米中含量最高 [8] [9] 。山楂的颜色主要由矢车菊素-3-O-半乳糖苷和矢车菊素-3-O-阿拉伯糖苷决定，但这两种色素在成熟山楂果实中含量却不高 [10] 。天竺葵素其主要来源于红心萝卜皮及草莓，含量均在90%以上，在草莓中主要是天竺葵素-3-O-葡萄糖苷 [11] [12] [13] 。飞燕草素是蓝紫色的，主要存在于紫蓝色的植物及植物果实中，如茶叶、石榴、茄子、玫瑰茄等。有研究人员单独研究玫瑰茄纯飞燕草素的抗氧化性，发现飞燕草素-3-O-三糖苷的抗氧化性极强，还有明显的降血糖的作用 [14] 。芍药素在紫甘薯中含量很高。陈文等人 [15] 利用液相色谱-质谱联用技术，从紫肉甘薯中分离出6种花色苷，进一步检测发现4种为芍药色素类，2种为矢车菊素类。牵牛花素主要存在于紫色马铃薯中。杨智勇 [16] 等人在紫色马铃薯中新发现一种新的花色苷：牵牛花素-3-葡萄糖苷占总花青苷含量的64.6%。郭晓倩 [17] 等从蓝莓中分离出5种花色苷，且以牵牛花素含量最高约34.89%~42.21%。锦葵素主要来源于葡萄皮和蓝莓中。邓洁红 [18] 研究刺葡萄果皮，发现其总花色苷的含量非常高(2.538 mg/g)，比欧美等进口葡萄品种中花青素含量高出5~10倍，且主要花色苷成分为锦葵素。冯贵涛 [19] 分离确定兔眼蓝莓中含有18个单体花色苷，且锦葵素的含量最大，占总花青素的36.93%。

2. 花青素的性质

花青素极性较强，易相似相溶于极性较强的溶液，不易溶于极性较低的溶液。遇醋酸铅试剂会被沉

Figure 1. The basic structure of anthocyanins

图1. 花青素的基本结构

名称

缩写

相对分子质量

天竺葵素

271

矢车菊素

287

飞燕草素

303

芍药素

OMe

301

牵牛花素

OMe

317

锦葵素

OMe

330

Table 1. The structure of six common anthocyanins

表1. 六种常见花青素的结构 [6]

淀析出，并能被活性炭吸附而丢失或失去活性。花青素在可见光区段和紫外光区段各有一个强吸收波长范围，分别是：500~550 nm和270~280 nm [20] 。

花青素水溶液的呈色受pH影响较大，一般地，在中性环境下为紫色，酸性环境下变红色，碱性环境下变蓝色 [21] 。花青素的荧光性质和颜色受Na+、K+、Br+、Mg+、Ca+、Mn+、Zn+等离子的影响不大，而 PO3−4 、 CO2−3 、 Cr2O2−7 、 Ac− 等阴离子的存在会影响溶液的pH值，因此其荧光强度会受这些阴离子的影响。花青素可与Cu2+、Pb2+、Al3+、Fe3+阳离子发生络合反应，使其共平面结构改变，使其荧光强度下降，且形成的络合物颜色与花青素本身颜色不同 [22] 。

3. 花青素的稳定性

天然花青素一般是以阳离子形式存在，其基团缺少电子，因而使其具有较强活性。Kay [23] 研究发现花青素的平均尿排泄量为摄取剂量的0.03%至4%，消除半衰期为1.5~3小时。因此，花青素常表现出低的化学稳定性和短的半衰期以及相对低的生物利用度，加工或保存环境的pH、温度、VC浓度、金属离子、氧浓度等外界因素都会影响其稳定性 [24] 。在这些因素的作用下，花青素易解离，褐变或褪色，改变其溶液颜色和透明度，进一步阻碍花青素色素作为食用增色剂在食品和医疗美容等行业中的使用和发展。故许多研究人员都开始研究去增加花青素的稳定性，以便于扩大其使用范围 [25] [26] 。

3.1. pH对花青素的影响

花青素的结构或组成受pH影响较大，从而使其呈现出各种不同颜色。有学者研究发现，与单糖结合的花青素pH < 2时，其存在形式主要是2-苯基苯并吡喃阳离子(AH+)；溶液pH为4~5时花青素，存在形式主要为醌型假碱或查而酮，此时其呈透明色，pH > 6时候以醇型存在 [27] 。由于花青素结构决定着其所呈现的颜色，因此，在不同pH条件下，花青素可表现出不尽相同的颜色。在pH < 2环境下，表现出鲜亮的红色，中性环境中为紫色，当pH > 11环境下，可表现出墨绿色 [28] 。李金星等 [29] 研究发现，pH值对花青素的保留率的有较大影响，保留率随pH值的增加逐渐降低。且pH ≤ 3时，存放10 d后花青素的保留率仍保持在83%以上，稳定性很好。因此花青素保存的pH条件应为pH ≤ 3。程琤等 [30] 经研究也发现，花青素保留率受pH影响显著。且发现pH 9.0时比pH为3.0、5.0及7.0时，花青素保存率下降较快。这些结果出现的原因可能是，溶液水解产物过氧化氢离子的存在可能诱发和促进了花青素的降解 [31] 。从上可以看出，在酸性环境下花青素稳定性较好，更适用于作酸性物质的增色剂。

3.2. 温度对花青素的影响

花青素是热不稳定型色素，受热极易分解失活。已有许多研究证明，花青素的热降解规律符合一级反应动力学，花青素的解离速度随着温度的增加或热降解时间的延长而加快 [32] 。例如，古明辉 [25] 等人研究发现，在80℃条件下，未酰化黑果枸杞花青素和酰化黑果枸杞花青素的半衰期分别为15.09 h和18.32 h。王立志等人 [33] 发现，当升温至90℃及以上时，红花龙花青素的保留率下降显著，产生沉淀，吸光度下降。Laleh G H [34] 等人对温度影响花青素的原因作了如下两种解释：一是：高温会促使水解对花青素有保护作用的3-糖苷结构，从而使花青素降解；二是：高温会使花青素芘环水解会产生白垩，这是也食品变成棕色的原因。

3.3. 光照对花青素的影响

阳光直射较大程度上影响着花青素的保留率，而自然光和避光条件下存储时，花青素含量变化却不大。根据文献报道 [35] ，长时间光照会诱导花青素碳骨架在C2位上断开，形成C4羟基的降解中间产物，之后被氧化成了查耳酮，而查耳酮进一步被氧化为苯甲酸及2,4,6-三羟基苯甲醛等终水解产物，从而导致花色苷被降解，颜色消退。Askar K A [31] 等人实验结果表明，花青素光脱色速率随着pH的增加而增加，这种行为的一个可能的原因可能是由于光照过程会形成更多的羟基自由基。因此，花青素应在酸性、低温、避光条件下保存。

3.4. 金属离子对花青素的影响

金属离子很大程度上能较显著地影响花青素的稳定性。李颖畅 [36] 研究认为，K+对花青素的吸光值和稳定性没有影响；Mg2+、Ca2+、Cu2+、Al3+可以加深花青素色泽，但对其稳定性无明显影响；Na+、Zn2+、Mn2+浓度较高时同样能加深花青素色泽，而且可以明显提高其稳定性；Fe2+、Fe3+、Pb2+能够改变花青素结构，使其稳定性降低，易形成白色沉淀析出。王新广 [37] 研究紫玉米花色苷，发现K＋、Na＋、Ca2+、Mg2+、Zn2+对紫玉米花色苷的稳定性影响不大；但在含Sn2+、Fe3+溶液中颜色会发生变化，原因可能是：Sn2+、Fe3+等金属离子可与紫玉米花色苷螯合，形成成螯合物沉淀，加深溶液颜色。于文娟 [38] 等人研究发现，在80℃下保温30 min，Zn2+对花青素破坏最小，花青素保存率最高为93.63%；除此之外的各种离子对花青素都有不同程度的破坏，致使其损失率约10%；因为Fe3+、Fe2+和Cu2+具有较深的黄绿色和蓝色的金属离子，对花青素水溶液存在很大颜色干扰。所以为保证所提花青素的纯度及被加工产品的品质，应保证花青素与Fe、Cu 离子隔离。

4. 花青素的保健功能

花青素的营养保健价值极高的天然可食用色素。花青素具有抗氧化、去除人体自由基、抗炎、防增生和防突变、抗癌、保护肝脏、降血糖、缓解视觉疲劳等特性，还能预防心血管疾病、阻止肿瘤细胞扩散、抗动脉粥样硬化及降血脂、增强非特异性免疫和改善记忆力等多种生理活性功能 [39] [40] [41] [42] [43] 。

4.1. 抗氧化性

花青素具有较强的抗氧化和清除人体自由基的能力，约比VE强50倍、比Vc强20倍左右 [44] 。古丽巴哈尔·卡吾力等人 [45] 研究发现，黑果枸杞花青素的还原力为64.3%；清除羟自由基(·OH)的能力为60.5%；清除超氧阴离子( O2−⋅ )的能力为87.2%；清除DPPH·的能力为78.3%，并认为：在一定质量浓度范围内，花青素能够起到抗氧化剂的作用，减少体内自由基的积累，·OH具有较强的抗氧化能力。薄艳秋 [46] 在对发酵的蓝莓酒进行研究时，发现当酒精度为9%时，发酵酒中花青素含量达到最高值为325~350 mg/mL，且DPPH·及 O2−⋅ 的消除率达到最大值；在酒精度为11%时，清除OH·自由基的效果最好；同时还发现，发酵蓝莓酒时SO2浓度对花青素的含量也有影响，且随着SO2的浓度从60 mg/L增加到140 mg/L，发酵酒中花青素含量先降低后升高，但在SO2的浓度为100 mg/L时候，抗氧化性最好，对DPPH·、OH·和 O2−⋅ 的消除率达到最大值；发酵时间的长短对发酵蓝莓酒中花青素的含量及抗氧化活性也有一定影响。当发酵36~84 h时，花青素保留率较大，且DPPH·、OH·和 O2−⋅ 的消除率都较高。赵红岩 [47] 选取常见的、毒性强、难清除的·OH自由基作为对象，考察紫薯花青素的抗氧化性强弱。结果发现紫薯花青素的抗氧化活性较强，与2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)的抗氧化活性相当，但相比之下紫薯花青素更安全。罗春丽等 [48] 人研究发现紫薯花青素的还原力、对·OH和 O2−⋅ 自由基的清除率随其浓度的升高而变大。同时也发现紫薯花青素具有抑制H2O2诱导大鼠红细胞溶血现象发生的效用，抑制率随紫薯花青素质量浓度的升高而不断升高。由此可证明紫薯花青素体外抗氧化性能力良好。Seeram [49] 等人研究发现，纯矢车菊苷的抗氧化活性随其结构中糖单位数目的增加而增加抗。花青素被证明在体外测定中具有强烈的抗氧化作用是因为其酚环中存在的双键，羟基侧链，甚至糖基化都有助于清除自由基活性 [50] 。

4.2. 抗癌

花青素具有良好的防治癌症作用，己经很多报道称花青素能抑制、防治多种癌症生长，如：胃癌 [51] ，乳腺癌 [52] ，前列腺癌 [53] ，肝癌 [54] ，结肠癌和直肠癌 [55] ，宫颈癌 [56] ，肺癌 [57] ，淋巴细胞瘤 [58] [59] 。王丽 [60] 研究紫甘蓝花青素，发现其主要成分Cy-3-glu对抑制雌激素受体的变体和表皮生长因子受体共表达的人三阴性乳腺癌细胞系生长具有特异性，并能促其衰老、死亡，但对非三阴性乳腺癌细胞和正常的乳腺上皮细胞没有抑制及破坏作用。用Cy-3-glu的紫甘蓝提取物作为饲料，饲喂肿瘤模型的裸鼠，发现紫甘蓝提取物饲料对肿瘤细胞生长具有显著抑制，这一结果与体外实验结果一致。杨洋 [61] 采用Cell Counting Kit-8 (CCK-8)法对花青素的抗肿瘤活性进行筛选，发现高纯度的花青素能很好的抑制肿瘤细胞增殖。且高纯花青素作用HepG2肝癌细胞，使其衰亡一半时的花青素用量(IC50)值是223 mg/mL，作用乳腺癌细胞的IC50值为112.56 mg/mL，作用RAW264.7巨噬细胞的IC50值是26.32 mg/mL。由此可以看出花青素抗癌效果较好。武雪玲 [62] 等人研究黑果枸杞花青素，发现其可改善阿尔茨海默症(AD)模型大鼠的记忆损伤，具有提高记忆力、预防AD 的功效。Wang L S [63] 等人认为花青素的抗癌作用机理与其抗氧化性有关；在内在途径中，花青素会使癌细胞线粒体膜电位增加，细胞色素c释放和半胱天冬酶依赖性抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白之间的调节。在外在途径中，花青素可调节癌细胞中FAS和FASL (FAS配体)的表达，导致细胞凋亡。Cvorovic [64] 等人的观察提出，花青素在抗癌作用中起到双重作用，这取决于细胞类型：在低基础代谢率的细胞中起到自由基清除剂的作用，并保护其免受氧化应激；在恶性细胞中，作为促氧化剂，清除活性氧簇(ROS)和触发线粒体凋亡，从而起到抗癌的作用。

4.3. 改善视力

有研究发现 [65] ，蓝莓的花色苷可以更有效的促进人眼视网膜上视黄醛与视紫蛋白结合构成的视紫红质被光诱导分解与再结合，缩短暗适应时间。花色苷可以明显改善近视、远视、老花眼、青光眼、老年白内障、视网膜退化、夜盲等视力障碍问题，此为花色苷较早被注意的生物活性。刘春民 [66] 等人，选取326名近视志愿者，将所有人随机分为实验组及空白对照组。每天让实验组服用200 mg的花青素，另一组则服用200 mg的淀粉做空白对照，服用一个月之后，检查眼部症状、视力和眼屈光度的改变情况。发现相比于对照组，口服花青素的实验组的眼部症状得到较显著的改善，视力在对数视力表上平均升高2~3行。但对眼球屈光度的影响并不显著。一些研究者发现，花青素的抗氧化性作用于视网膜组织，可减少丙二醛(MDA)积累，进而降低大鼠眼压，避免视神经损害及缺血再灌注造成的伤害。花青素还可减小NO及C5H9NO4对人视网膜的破坏，减少视网膜的神经节细胞的衰亡，缓解青光眼症状 [67] 。

4.4. 心血管保护作用

李颖畅 [68] 等人以雄性大鼠作为实验对象，并将大鼠分成正常对照组，高脂模型组，低、中、高剂量蓝莓花青素组，检测各组大鼠的血液中脂质的浓度及肝脏和血液中总抗氧化能力(T-AOC)，超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活力和MDA含量。结果表明：饲喂蓝莓花青素后患高脂血症的大鼠血液中脂质的浓度和动脉粥样硬化指数(AI)都明显比高脂对照组低，但大鼠血液和肝脏中T-AOC能力、SOD及GSH-Px活力均增加显著，MDA的含量显著降低。焦岩 [69] 等经研究发现，较高脂对照组，蓝靛果花青素可降低患高脂血症大鼠血液中脂质的浓度，提高抗动脉硬化指数(AAI)，增强肝脂酶(HL)、脂蛋白脂肪酶(LPL)、肝脏脂肪酶(LPS)酶活力。所以蓝靛果果渣花青素具有防治高血脂症及动脉粥样硬化功效。

4.5. 抗炎抑菌

研究发现，紫甘薯花色苷分子结构上含有很多还原性比较强的游离的酚羟基官能团，可以破坏蛋白质分子二级结构，从而致使蛋白质失活，影响细胞膜的通透性，细胞质的失水皱缩和解体，最终影响细胞正常生长代谢，故具有一定的抑菌作用 [70] 。娄秋艳 [71] 采用滤纸片法，研究花色苷粗提物和矢车菊素-3-葡萄糖苷抑制金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的能力的强弱。结果表明：样品对金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的抑制率随样品浓度的升高而增强，且对沙门氏菌抑制率最大；在样品浓度小于0.25 mg/m L时，对大肠杆菌属生长繁殖的几乎无较显著的抑制作用。王静 [72] 等进行动物实验认为，金叶女贞果实花色苷能够抗炎症、缓解疼痛，其作用机制可能是：金叶女贞果实花青素可增强小鼠血液抗氧化活性，抑制NO和制炎性因子PGE2的产生。在实验浓度范围内连续给药7 d，对肝脏无明显损伤作用，安全性较高。王静 [73] 等研究发现，花色苷能够缓解由二甲苯积累所诱导的小鼠耳廓肿胀，增加小鼠的痛阈值。其机制可能是：花色苷的分子量较小，易被小鼠小肠上皮细胞吸收，且可穿越血脑屏障，抑制炎症细胞因子的产生。韩永斌等人 [74] 研究发现，紫甘薯花青素可作用于金黄色葡萄球菌细胞膜结构，增加细胞膜通透性，抑制对数生长期的细胞分裂，致使细胞生长周期中断；并且可使细胞质变稀薄皱缩、细胞解体，菌体死亡；并研究得到紫甘薯花青素对金黄色葡萄球菌的最小抑菌的浓度是200 µg/mL。一些学者对花青素抗炎机制进行了研究，Li Q [75] 等人发现当发生炎症反应时，NF-κB控制各种基因表达。Munoz-Espada A C [76] 等人研究树莓提取物及其花青素，发现其能够抑制LPS诱导的转录因子蛋白家族(NF-κB)活化和环氧化物水解酶(COX-2)的产生，随后，抑制COX-2基因表达可减少促炎性细胞因子IL-1β，IL-6，IL-8和TNF-α的产生。

5. 花青素的应用

花青素有抗氧化性、消除人体自由基、保护心脑血管、抗炎、抗癌和缓解视疲劳等功效，在食品、药品和美容保健等方面存在着巨大的发展潜力和良好的应用前景 [77] 。

5.1. 在食品行业的应用

在食品行业中，食品的色泽是评价其品质的重要感官指标。它可通过刺激人口腔分泌消化液、增加消费者食欲。但是食品在加工储存的过程中，存在许多原因都会改变食品色泽，影响食品品质。因此食品生产商常为提高食品的色泽及感官特性，在加工时增添色素 [78] 。目前，允许大规模生产和使用的天然花色苷食用色素有紫番薯色素、桑葚色素、紫玉米色素、甘蓝色素、茄子皮色素、葡萄皮色素、黑果枸杞色素、浆果类色素等 [79] 。在实际生产中，花色苷作为一类安全性较高的天然色素，经常被用于葡萄酒、各种食品饮料、果酱、糖果、糕点、冰淇淋等食品的着色剂，赋予食品各式各样的颜色 [80] 。姜慧 [81] 复配出花青素黑豆蛋白营养液，该产品有着较高的花青素含量，蛋白质沉淀率、析乳率较低，稳定性较好，大大降低了对黑豆固有的营养物质的破坏程度。金鑫 [82] 将紫甘薯花色苷加入到冰淇淋中，赋予其独特的色泽，并发现当用量为20 mg/100g时，冰淇淋的品质达到最佳。由于冰淇淋老化和冷冻冷藏过程并不影响紫甘薯花色苷的稳定性，因此所制冰淇淋保留花色苷较好的抗氧化性。

5.2. 在药品行业的应用

花青素具有抗氧化性，消除自由基，抗癌，抗炎，抑菌，预防心脑血管疾病等生理功能及高安全性的特性，故具有很好的药用价值，在临床上和药品中使用的前景十分可观。目前，药品在生产过程中，会利用人工合成的色素着色以便识别和区分，常用色素如：靛蓝、胭脂红等。但是这些人工合成的色素存在安全隐患，如果长期或过量摄入，会在人体内积累诱导癌细胞的产生，严重威胁人体的健康 [83] 。而花青素是天然可食用色素，安全性较高，因此可以作为部分合成色素的替代品使用，应用前景很广。

5.3. 在保健美容行业的应用

有研究发现，花色苷减脂和抑制体内脂肪组织的聚集作用，缓解由高脂肪、高蔗糖所诱发的高血糖症，并降低血液中过量的胰岛素。由于花色苷的强抗氧性，可清除过量的自由基，减少自由基对皮肤的攻击，因此具有延缓衰老、保健美容之功效 [84] 。吴奇辉 [85] 研究认为，紫马铃薯肉及皮花色苷提取物AEPPF和AEPPP都能明显抑制前脂肪细胞的分化成熟，并能阻止脂肪在细胞中积累，具有较好的瘦身功效。弹性蛋白能保持皮肤弹性，若缺失弹性蛋白则皮肤会松驰，出现皱褶。大多自由基或弹性蛋白酶可氧化水解弹性蛋白，葡萄籽花青素可去除自由基，抑制弹性蛋白酶的合成并抑制其活性，保护弹性蛋白结构完整性，从而改善老化皮肤 [86] 。

6. 展望

许多研究表明，花青素具有很多生理活性，对人体有很大的益处，利用前景很广泛。但由于其稳定性较差，限制其应用范围。目前已知pH、温度、光照、金属离子及一些食品添加剂都会对花青素稳定性产生影响，因此，需对花青素的稳定性进行研究及改善，来解决花青素应用的瓶颈问题。目前已经有学者在研究如何去提高花青素的稳定性。例如，利用双重乳化技术微胶囊化花青素 [87] ，通过将壳聚糖盐酸盐(CHC)和羧甲基壳聚糖(CMC)复配，制备花色素苷负载的壳聚糖纳米粒子 [88] 等技术提高花青素的稳定性。但是这些方法因为高成本、安全性等问题还没有推广使用，因此需进一步对提高花青素稳定性进行研究。关于花青素的生理活性，值得注意的是，大部分已发表的研究是在体外试验中进行的，但是正如我们所知道的那样，体外抗氧化活性的评估显著的高于应用的测定，并且一些测定显示与任何生物系统没有相关性。因此，体内试验模型的确认是必不可少的。对于花青素提取物的抗癌活性的研究较单一且过时，对其抗菌，抗胃癌，抗病毒等生物学活性的相关研究较少，相关作用机理也不明确，需要进一步研究，为更好地开展花青素资源的创新利用和产品开发奠定基础。

基金项目

江苏现代农业(特粮特经)产业技术体系贮藏加工创新团队(SXGC[2017]287)。