花色苷的功能及其穩(wěn)態(tài)化保持技術(shù)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(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)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(jié)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(fā)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(yù)防或控制神經(jīng)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(jié)果表明藍莓花色苷可以起到顯著調(diào)節(jié)腸道微生物組成、提高腸道內(nèi)雙歧桿菌豐度[1]的作用。Shih P H等人[2]已經(jīng)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(diào)節(jié)激酶、c-Jun N端激酶途徑和轉(zhuǎn)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(jié)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(chǎn)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(fā)生凋亡。石煥煥[6]進行了葡萄籽原花青素調(diào)控靶基因FoxM1對結(jié)腸癌細胞生物學(xué)特征的影響及相關(guān)機制的研究，結(jié)果表明FoxM1基因的表達受到葡萄籽原花青素的負調(diào)控，且與ROS產(chǎn)生存在負反饋效應(yīng)，進而通過葡萄籽原花青素抑制作用使其下調(diào)表達可顯著影響結(jié)腸癌細胞的生物學(xué)特征。

1.3 抗炎作用

D Serra等人[7]發(fā)現(xiàn)了矢車菊素-3-葡萄糖苷在IL-8等細胞因子產(chǎn)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(dǎo)的人腸HT-29細胞炎癥，進而發(fā)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(yīng)，改善以D-半乳糖誘導(dǎo)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(fù)合體對鼠源單核-巨噬細胞RAW264.7的抗炎活性，并明確了Cy復(fù)合體的抗炎活性高于Cy的結(jié)論。Cy復(fù)合體有望開發(fā)成為一種新型食品添加劑，輔助干預(yù)炎癥反應(yīng)及其引起的相關(guān)疾病[10]。

1.4 改善神經(jīng)系統(tǒng)損傷作用

Subash S等人[11]發(fā)現(xiàn)，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(fā)作。宋文婷[12]研究了損傷了腦部的小鼠與花青素之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)花青素對腦部受損小鼠的神經(jīng)具有一定保護作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)藍莓花色苷對患阿爾茲海默病的小鼠腦部結(jié)構(gòu)及腦細胞形態(tài)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(jié)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(fā)現(xiàn)，花青素和酚類物質(zhì)可以使脂多糖破壞而發(fā)生滲透作用，使腸炎沙門氏菌中的ATP從細胞質(zhì)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(zhì)會改變病原體的表面結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(wěn)態(tài)化

天然花色苷分子的生物功能使其在多個行業(yè)中的應(yīng)用潛力得到廣泛認可，但是天然花色苷分子為缺電子結(jié)構(gòu)，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(fā)生變化[17]，這些影響限制了花色苷的應(yīng)用前景。因此，花色苷的穩(wěn)態(tài)化也是當前行業(yè)中的研究重點?，F(xiàn)今，大量研究人員對花色苷的穩(wěn)態(tài)化技術(shù)進行研究開發(fā)，使花色苷發(fā)揮出最大功效。穩(wěn)態(tài)化技術(shù)包括微膠囊技術(shù)、微乳化制備技術(shù)、生物轉(zhuǎn)化修飾技術(shù)、添加大分子物質(zhì)（蛋白質(zhì)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(shù)

微膠囊是一種可以包封和保護某些物質(zhì)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(zhì)的穩(wěn)定性，控制其釋放程度，進而能有效抵抗不良環(huán)境造成的影響。目前，微膠囊制備方法可分為物理法、化學(xué)法及生物學(xué)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(fù)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(lián)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(shè)計微膠囊壁材時應(yīng)考慮諸如壁材的穩(wěn)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?，F(xiàn)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(yōu)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(huán)糊精等，蛋白質(zhì)類的明膠、乳清蛋白等；脂質(zhì)類的聚乳酸、卵磷脂等。向殷豐等人[21]經(jīng)過多組試驗對比發(fā)現(xiàn)酪蛋白酸鈉和麥芽糊精質(zhì)量比1∶1，壁材與內(nèi)容物質(zhì)量比為2∶1時可以最有效地防止沙棘油的氧化變質(zhì)，利于保存。王鑫[22]研究了經(jīng)大孔樹脂純化后的藍靛果花色苷的微膠囊化和穩(wěn)定性，從而制作出可以在胃液中保持穩(wěn)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(yīng)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(wěn)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(yōu)點，但是它們具有諸如胃液中易分解、貯藏不足和內(nèi)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(shù)量，對壁材進行改性，篩選對乳酸菌活菌數(shù)量降低最少的壁材。

2.2 微乳化技術(shù)

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(shù)制備方法簡便、對胃腸道刺激小、口服吸收性能高、藥物穩(wěn)定性及利用率高，具有很大的應(yīng)用前景[27]。微乳液是熱力學(xué)穩(wěn)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(fā)形成的[28]。目前，微乳液的制備方法有Schulman法、Shah法、加復(fù)合乳化劑法、相轉(zhuǎn)變溫度法和專用設(shè)備乳化法等多種方法。

微乳化的穩(wěn)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(yōu)化獲得高效的制備工藝[30]。

2.3 分子修飾技術(shù)

分子修飾技術(shù)是通過改變花色苷分子的結(jié)構(gòu)，如醚化和酯化等的提高花色苷分子穩(wěn)定性的技術(shù)手段。由璐等人[31]的研究表明，?；ㄉ帐歉叨确€(wěn)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(zhuǎn)化率低的問題?；ㄉ盏孽セD(zhuǎn)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(fā)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(wěn)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(jié)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(fā)現(xiàn)酯化色素擁有更好的穩(wěn)定性。

2.4 分子輔色技術(shù)

花色苷的分子輔色作用的主要包括分子內(nèi)輔色、分子間輔色、自身交聯(lián)和金屬絡(luò)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(nèi)部通過氫鍵、絡(luò)合、共價結(jié)合作用等，阻止發(fā)色母核基團的水化轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)花色苷的穩(wěn)態(tài)化，增大其輔色作用強度[36]。

2.4.1 分子內(nèi)輔色

分子內(nèi)輔色主要是發(fā)生在花色苷分子內(nèi)部基團之間相互作用，常引發(fā)顏色變化。這種作用的發(fā)生與花色苷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系[37]。分子內(nèi)輔色作用的主要位點包括?；?、糖基化和甲基化結(jié)構(gòu)。其中，?；Y(jié)構(gòu)內(nèi)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(fā)生?；磻?yīng)形成?；ㄉ?，酰基花色苷通常高度穩(wěn)定[38]。糖基化結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)輔色是花色苷經(jīng)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(huán)境中表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。甲基化結(jié)構(gòu)分子內(nèi)輔色的原理是通過增加水化反應(yīng)的活化能，使相對穩(wěn)定性得到提高。

2.4.2 分子間輔色與金屬離子絡(luò)合

花色苷與輔色素之間產(chǎn)生的作用稱為分子間輔色，迄今為止發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(xié)同輔色作用，可以顯著提高花色苷的熱穩(wěn)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(wěn)態(tài)化效果，經(jīng)輔助著色后，楊梅花色苷的顏色和熱穩(wěn)定性得到明顯改善。

金屬離子與花色苷絡(luò)合后可能產(chǎn)生“增色”或“褪色”效應(yīng)，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(luò)合的金屬離子包括Fe2+，F(xiàn)e3+，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(fā)生自聚合。

2.5 生物轉(zhuǎn)化修飾法

生物轉(zhuǎn)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(wěn)定性的方法，采用的生物轉(zhuǎn)化方法有植物細胞轉(zhuǎn)化、酶轉(zhuǎn)化、微生物細胞轉(zhuǎn)化等。在植物細胞轉(zhuǎn)化中常形成?；幕ㄉ眨浞€(wěn)定性和生理活性都得到很大提高。酶轉(zhuǎn)化法是由于酶具有很高的選擇專一性，反應(yīng)條件溫和，轉(zhuǎn)化效率高，利用生物轉(zhuǎn)化修飾酶法修飾可以避免化學(xué)轉(zhuǎn)化法的各種缺陷，顯著提高花色苷的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。微生物細胞轉(zhuǎn)化可以省去酶的分離純化和固定步驟[42]。

3 結(jié)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(yī)藥、保健食品、化妝品等行業(yè)中具有較高的利用價值，而其分子本身的結(jié)構(gòu)特點使其穩(wěn)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(wěn)態(tài)利用的研究對于提高其生物學(xué)活性、穩(wěn)定性和消化利用度具有重要的現(xiàn)實意義。因此，需要更多的研究關(guān)注花色苷分子的穩(wěn)態(tài)化制備技術(shù)，并研究不同穩(wěn)態(tài)化處理對其性質(zhì)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(chǎn)物，為其在多個行業(yè)的深度化利用打下基礎(chǔ)。