花色苷生物轉(zhuǎn)化修飾的研究進(jìn)展

趙祥杰 楊文君 楊榮玲 吳婷婷 王朝宇 許寧寧 何佳美

（淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，淮安 213003）

花色苷（Anthocyanin）是植物界中廣泛存在的水溶性色素物質(zhì)，迄今從自然界分離和鑒定出的花色苷多達(dá)600余種，主要由6種花青素衍生而來，分別為矢車菊素（Cyanidin）、飛燕草素（Delphinidin）、天竺葵素（Pelargonidin）、芍藥花素（Peonidin）、矮牽牛素（Petunidin）和錦葵色素（Malvidin），這6種花青素占全部花色素種類的95%以上［1］（圖1）?；ㄉ盏慕Y(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在環(huán)上羥基的數(shù)目、糖基的數(shù)量和糖的結(jié)構(gòu)，其中矢車菊素-3-葡萄糖苷（Cyanidin-3-glucoside，C3G）在所有花色苷類物質(zhì)中含量最多、分布最為廣泛［1］?；ㄉ疹愇镔|(zhì)除了能使植物葉片、花朵、莖和果實(shí)等呈現(xiàn)五彩斑斕的顏色外，還具有顯著的生物活性，如抗炎、抗氧化、延緩衰老、改善胰島功能、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡及提高免疫力等［1-4］。因此花色苷在食品、化妝品、醫(yī)藥領(lǐng)域等有巨大的發(fā)展前景，是替代合成色素的理想材料［5-6］。

圖1 天然花青素的組成、結(jié)構(gòu)及分布

由于花色苷存在多個(gè)活性羥基和含正離子的母核，使其化學(xué)性質(zhì)極為活潑，易致色澤或活性消失［7］，同時(shí)多羥基基團(tuán)的存在使花色苷具有較強(qiáng)的親水性，而在透膜性上存在較大障礙，導(dǎo)致其生物利用度不高，在食品、藥品、化妝品等行業(yè)中的應(yīng)用尚不普遍，其多種生物活性的作用不能很好發(fā)揮［8］。研究發(fā)現(xiàn)，一些取代基如脂肪酸和芳香酸會與花色苷糖基上的羥基進(jìn)行縮合，從而形成不同種類的酰基化花色苷，構(gòu)效關(guān)系研究表明，?；ㄉ站哂斜然ㄉ崭玫姆€(wěn)定性和生物利用度［9］。如Zhao等［10］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)月桂酰化的C3G在高溫和光照下的穩(wěn)定性顯著高于未?；腃3G。

?；ㄉ帐窃谥参矬w內(nèi)生物合成或由富含花色苷果蔬在發(fā)酵過程中由微生物轉(zhuǎn)化形成的一系列花色苷衍生物。研究者陸續(xù)從一些蔬菜（如紫甘藍(lán)、紅蘿卜、紫薯和紫玉米等）和植物的花中分離鑒定出一些穩(wěn)定性高、生物活性好的脂肪族或芳香族的酰基化花色苷。但是，由于本身的含量低，提取工藝復(fù)雜，收率較低［11-12］?；瘜W(xué)法是花色苷?；揎椀挠行Х椒ㄖ?，但利用化學(xué)法對多羥基結(jié)構(gòu)的花色苷進(jìn)行?；瘯r(shí)不可避免的需要經(jīng)過加保護(hù)、去保護(hù)等步驟，反應(yīng)條件復(fù)雜，且對催化劑要求高，環(huán)境不友好［13］。相對于化學(xué)法，生物法簡單可控、條件溫和，具有高效、高區(qū)域選擇性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，愈來愈受到人們的矚目［14-16］。為了促進(jìn)花色苷生物轉(zhuǎn)化改善其結(jié)構(gòu)性能和功能特性的研究，提高花色苷高效生物轉(zhuǎn)化達(dá)到提升其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物活性的目的，本文對花色苷的穩(wěn)定性、生物活性性質(zhì)，以及其生物轉(zhuǎn)化?；揎椀倪M(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對?；揎椀男Ч皯?yīng)用前景進(jìn)行了分析展望，以期為花色苷生物轉(zhuǎn)化修飾研究提供參考。

1 花色苷的穩(wěn)定性

花色苷由花色素和糖類物質(zhì)經(jīng)糖苷鍵縮合而成，其結(jié)構(gòu)母核是2-苯基苯并吡喃陽離子，屬于黃酮類化合物。由于花色苷的花色素核以正離子形式存在，且結(jié)構(gòu)上存在多個(gè)活性羥基，性質(zhì)比較活潑，對酸堿度、光照、溫度等因素敏感，穩(wěn)定性較差。

研究發(fā)現(xiàn)，光既能作為合成花色苷的重要因子，也能加速花色苷的降解。Furtado等［17］推測，花色苷可能先降解生成C4羥基的中間產(chǎn)物，該中間產(chǎn)物在C2位上水解開環(huán)，最后生成查爾酮，查爾酮快速降解成苯甲酸及2，4，6-三羥基苯甲醛等產(chǎn)物?；ㄉ赵诠庹盏臈l件下褪色更快，在避光的條件下褪色要慢。研究發(fā)現(xiàn)，在光照條件下，二糖苷的穩(wěn)定性比單糖苷強(qiáng)，而?；蟮亩擒崭潜任唇?jīng)過?；亩擒崭€(wěn)定。

另外，溫度和時(shí)間對花色苷也有很大的影響。Maciel等［18］研究了溫度對木槿花萼花青素穩(wěn)定的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度對花色苷和總黃酮含量有顯著影響，溫度高于80℃時(shí)，t1/2和顏色保持率顯著降低。而當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，花色苷的結(jié)構(gòu)在無色的查爾酮和甲醇假堿存在形式和紅色的花色烊陽離子存在形式之間發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)表明，在溫度升高時(shí)，平衡就會向著前者轉(zhuǎn)化，但當(dāng)冷卻和酸化時(shí)，醌式堿和甲醇假堿就會轉(zhuǎn)變成后者。也有發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓花色苷的穩(wěn)定性易受溫度和pH值的影響。無論是總花色苷還是單體花色苷，低溫和低pH的條件對花色苷穩(wěn)定性的保持都是有利的。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中pH發(fā)生變化的同時(shí)，花色苷的結(jié)構(gòu)會發(fā)生了轉(zhuǎn)化［19］，當(dāng)pH的范圍小于2時(shí)，花色苷以花色烊陽離子的形式存在，呈紅色；當(dāng)pH的范圍為3-6時(shí)，花色苷以甲醇假堿和查爾酮假堿的形式存在，呈無色；當(dāng)pH的范圍為中性或者為在微酸的環(huán)境下，花色苷以中性的醌式堿的形式存在，呈紫色或淺紫色；當(dāng)pH的范圍為8-10時(shí)，花色苷以共振穩(wěn)定的醌式堿的形式存在，呈紫色或藍(lán)色（圖2）。

由此可見，在花色苷的運(yùn)輸和加工過程中，采取避光低溫的措施，可以減少花色苷的降解，避免不必要的損失。同時(shí)，將花色苷置于酸性條件下，也可以一定程度上提高花色苷的穩(wěn)定性，增加花色苷的利用率。

圖2 室溫條件下花色苷在不同pH水溶液中的平衡與顏色變化

2 花色苷的生物活性

目前，國內(nèi)外有關(guān)花色苷生物活性的報(bào)道有很多，花色苷的生理活性包括維持血糖、預(yù)防心血管疾病、保護(hù)心臟肝臟、保護(hù)神經(jīng)及具有抗氧化活性等多個(gè)方面。

近年來，肥胖成為全球主要的健康問題之一，花青素可通過抑制脂肪吸收、增加能量消耗、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、抑制食物攝入和調(diào)節(jié)腸道微生物群等方式達(dá)到抗肥胖的作用［20］。Song等［21］則在研究中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓花色苷可以有效控制并降低血液中的血糖含量，更可以作為一種有用的輔助劑，抑制糖尿病引起的視網(wǎng)膜異常并防止糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)生。同時(shí)，花色苷還能有效的緩解由糖尿病所引發(fā)的慢性炎癥、心臟肥大及細(xì)胞細(xì)胞凋亡等多種并發(fā)癥，具有一定的抗炎、抗氧化及心臟保護(hù)性能［22］。另外，花色苷對心血管和神經(jīng)都有保護(hù)作用［23］，Peixoto等［24］認(rèn)為花色苷的ACAI提取物發(fā)揮了神經(jīng)保護(hù)作用，可以在一定程度上預(yù)防或控制神經(jīng)衰退性疾病。

研究發(fā)現(xiàn)，花色苷眾多生物活性的根本機(jī)制是花色苷的抗氧化活性。Wang等［25］通過調(diào)查蔓越莓花色苷提取物對果蠅壽命的影響，發(fā)現(xiàn)蔓越莓花色苷提取物可以延長果蠅壽命。Wang等［26］發(fā)現(xiàn)紫甘薯花青素能有效去除羥基自由基，減少脂質(zhì)過氧化的發(fā)生，具有保護(hù)肝臟免受CCl4損傷的功能。還有許多人對不同物質(zhì)的花色苷的抗氧化活性進(jìn)行了研究［27-29］，結(jié)果表明，大多數(shù)花色苷都有較強(qiáng)的抗氧化活性，可用于開發(fā)具有抗氧化活性的功能性食品。

3 花色苷的生物轉(zhuǎn)化修飾

作為人類飲食中天然存在的組分，花色苷的價(jià)值極高，然而，由于花色苷的結(jié)構(gòu)原因，花色苷結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，也不容易被人體吸收，因此可以通過生物轉(zhuǎn)化的方式，提高花色苷在體外的穩(wěn)定性，也可以在體內(nèi)將花色苷轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，以便于提高花色苷的利用率。

3.1 植物細(xì)胞轉(zhuǎn)化

在生物轉(zhuǎn)化的研究中，有人利用植物細(xì)胞進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化方式具有選擇性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和、催化效率高、環(huán)境污染小及副產(chǎn)物少等多種優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，通過植物組織培養(yǎng)的方法合成花青素，既能提高花青素的產(chǎn)量，同時(shí)也可以增加花青素的穩(wěn)定性。Konczak-Islam等［30］在改進(jìn)后的MS培養(yǎng)基上培養(yǎng)紫甘薯植物細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過?；幕ㄇ嗨豗GM-oa和YGM-ob的相對含量分別減少了34.8%和15.9%，而經(jīng)過?；幕ㄇ嗨氐南鄬繀s有所提高；Donaldk等［14］利用添加了苯乙烯酸和其他芳香酸的胡蘿卜培養(yǎng)液，得到了14種新型單酰化花青素，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，這些花青素在接近中性的條件下，依舊可以較好地保持顏色。同時(shí)，Donaldk也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過苯乙烯酸?；院蟮幕ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性比其相應(yīng)的其他芳香酸的更高。Konczak等［31］則是通過基因工程技術(shù)，利用甜薯的植物細(xì)胞，培養(yǎng)出了具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)生理活性、高花色苷含量的植株。

3.2 酶法轉(zhuǎn)化

研究表明，通過對花色苷進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾可以提高花色苷的穩(wěn)定性，利用化學(xué)法對花色苷進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾存在諸多缺點(diǎn)［32］，而酶具有較高的專一性和選擇性。同時(shí)，酶的反應(yīng)條件溫和，催化效率高，且酶在非水介質(zhì)中還具有許多水溶液所不具備的新特點(diǎn)［33］。Yan等［34］研究表明，利用酶法修飾異槲皮苷后所形成的新復(fù)合物，具有高抗氧化性能，顯著改善了花色苷在不同pH水平下的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。

另外，用酶對花色苷進(jìn)行?；饔靡赃_(dá)到增強(qiáng)花色苷穩(wěn)定的方法也是研究的熱點(diǎn)，已用酶法合成了一系列花色苷酯衍生物［10，16］（圖 3）。Yan 等［35］利用甲基芳香族脂作為?；w，用脂肪酶作為生物催化劑對黑米花色苷進(jìn)行酶促反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，芳香族羧酸?；鰪?qiáng)了花色素苷的熱穩(wěn)定性。Castro等［16］以棕櫚酸為?；w，用脂肪酶酶促?；坦医鹉铮∕yrciaria caiflura）果實(shí)的花色苷粗提物，合成了含有飛燕草素-3-葡萄糖苷和花青素-3-葡萄糖苷的棕櫚酸單酯。Zhao等［10］將C3G與月桂酸利用混合酶作為催化劑在二甲基甲酰胺中進(jìn)行?；揎?。這使酶法催化花色苷選擇性?；瘜?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化引起更多關(guān)注并得到更廣泛的運(yùn)用。

3.3 微生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化

近年來越來越多的研究采用微生物全細(xì)胞作為酶催化劑應(yīng)用于花色苷類物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化［36］，微生物細(xì)胞催化主要利用胞膜或胞壁連接的水解酶或胞內(nèi)水解酶，并以微生物細(xì)胞為載體，可以省去酶分離純化及固定化等步驟，從而大大地降低生產(chǎn)成本［37］，還能顯著提高產(chǎn)物收率和反應(yīng)區(qū)域選擇性［38］。

宋靜［39］發(fā)現(xiàn)假絲酵母（Candida saitoanaSX-11）可作為微生物轉(zhuǎn)化藍(lán)靛果花色苷穩(wěn)定性菌株，在輔色素的協(xié)同作用下，可以提高藍(lán)靛果花色苷的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)外對于微生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化這方面的研究著重于腸道微生物對花色苷的轉(zhuǎn)化降解作用。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)腸道菌群均具有β-葡萄糖苷酶活性，并且參與植物β-葡萄糖苷酶的水解，可以將花色苷有效的轉(zhuǎn)化為具有高生物利用度和藥理活性的化合物［39］。Cheng等［40］在 37℃的厭氧條件下，將五種腸道益生菌和桑葚花青素一起培養(yǎng)，結(jié)果顯示具有高β-葡萄糖苷酶生產(chǎn)能力的嗜熱鏈球菌GIM 1.321和植物乳桿菌GIM 1.35對桑葚花青素的降解能力分別為46.17%和43.62%。這說明花色苷在體內(nèi)易被腸道微生物所降解，從而被人體吸收?；ㄉ帐怯商腔溄?，因此花色苷在消化道不易被吸收，但花色苷能在腸道內(nèi)被腸道細(xì)菌糖苷酶水解為糖苷配基，或進(jìn)一步降解為酚酸［41］。當(dāng)花色苷被攝入后，經(jīng)糖苷酶水解，產(chǎn)生的苷元在大腸中進(jìn)一步代謝為其他代謝物，如原兒茶酸、沒食子酸、丁香酸和香草酸［42-44］。然而花色苷轉(zhuǎn)化為生物活性形式所涉及的腸道細(xì)菌類型的花色苷的微生物生物轉(zhuǎn)化功效尚未有定論。

4 展望

隨著人們對生活水平及人體健康的要求越來越高，花色苷作為一種天然且具有一定營養(yǎng)和藥理作用的食用色素，越來越受到人們的關(guān)注，花色苷在食品、化妝、醫(yī)藥等各方面具有潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值，由于花色苷本身性質(zhì)不穩(wěn)定，使得通過生物轉(zhuǎn)化對花色苷進(jìn)行改性研究具有重要意義。

目前通過花色苷?；揎椦芯?，已經(jīng)獲得了具有較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物利用度的花色苷衍生物，為花色苷更廣泛應(yīng)用點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。但目前酶促糖苷類化合物?；夹g(shù)仍存在一些問題，篩選合適的酶增大底物改性效率，以尋求更加高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的改性方法，是對天然花色苷類化合物進(jìn)行改性并改善其生物利用度的一個(gè)研究方向，同時(shí)在酶促?；w的選擇、?；稽c(diǎn)的確定、溶劑體系的篩選與配制等還需要開展進(jìn)一步的工作。此外，在全細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化研究中，由于微生物細(xì)胞中含有大量的混合酶，也可對花色苷進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化以提高其穩(wěn)定性，這些都會成為生物轉(zhuǎn)化花色苷的研究方向，而定向選育高轉(zhuǎn)化效率的微生物菌種成為其中重要的一步，可以進(jìn)一步通過誘變育種、分子生物學(xué)和基因工程育種方法，更有效地提高菌種選育效率，獲得更多花色苷修飾產(chǎn)物，進(jìn)一步推動(dòng)其廣泛應(yīng)用。