矢車菊素-3-葡萄糖苷的生理功能及其穩(wěn)態(tài)化技術(shù)研究進(jìn)展

王 渝，朱千林，楊榮玲，何曉希，畢艷紅，趙祥杰，鄭雙濤

（淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，江蘇淮安 223003）

花青素是黃酮類化合物的一種，具有C6-C3-C6碳骨架結(jié)構(gòu)，是一種天然無毒的水溶性色素[1]，廣泛存在于自然界中各種水果、蔬菜及谷物中，如桑葚、葡萄、紫薯、黑豆等，能夠使植物呈現(xiàn)各種不同的顏色?；ㄇ嗨鼗瘜W(xué)性質(zhì)活潑，通常以酚羥基糖苷化形式的花色苷存在，根據(jù)苷元和糖苷配體的不同可形成多種花色苷。存在于植物中的苷元主要有6 種：天竺葵素、矢車菊素、芍藥素、飛燕草素、牽牛素和錦葵素[2]。其中，矢車菊素-3-葡萄糖苷（cyanidin-3-glucoside，C3G）是一種最常見的花青素，存在于黑米、黑豆、紫薯和許多五顏六色的漿果中，具有抗氧化、抗癌、保護(hù)視力、保護(hù)胰島、預(yù)防糖尿病等作用。但在其應(yīng)用過程中，往往存在穩(wěn)定性差、不易儲(chǔ)藏、親脂性低、不易被人體吸收等問題，因此國內(nèi)外許多研究者對(duì)花青素的結(jié)構(gòu)修飾進(jìn)行了深入研究，以便花青素更好地被應(yīng)用于化妝品、醫(yī)療、保健品等行業(yè)。本文對(duì)矢車菊素-3-葡萄糖苷的性質(zhì)和多種生理功能進(jìn)行了綜述，并展示了多種矢車菊素-3-葡萄糖苷穩(wěn)態(tài)化制備方法，為矢車菊素-3-葡萄糖的進(jìn)一步研究和利用提供參考。

1 C3G 的性質(zhì)及提取來源

1.1 C3G 的性質(zhì)

C3G 是自然界最常見且相對(duì)穩(wěn)定的一種花青素[2]。C3G 具有多種生物活性，但因其性質(zhì)較為活潑，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，容易受多種因素影響而發(fā)生降解，使其生物活性的發(fā)揮受到諸多限制[3]?；ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性主要受pH 值影響，在酸性介質(zhì)中更穩(wěn)定。此外，花色苷易受外界環(huán)境諸如氧氣、光照、溫度、水活度等的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，甚至功能喪失，因此常通過多種方法保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]，進(jìn)而在腸道部位定向釋放[5]，從而發(fā)揮其最大生物活性，提高其應(yīng)用價(jià)值（圖1）。

圖1 C3G 的來源、功能與穩(wěn)態(tài)化技術(shù)Fig.1 Source,function and steady-state technology of C3G

1.2 C3G 的來源及提取

在自然界中C3G 存在于各種植物中，尤其是深色果蔬及谷物中[6-7]，如葡萄、桑葚、藍(lán)莓、草莓、紫甘藍(lán)、黑米等。此外，目前有許多學(xué)者在不同的植物中發(fā)現(xiàn)了C3G，如水果中的阿薩伊、黑果腺肋花楸、草莓、藍(lán)莓，蔬菜中的紫甘藍(lán)，谷物中的黑豆和黑糌粑以及茶葉中等[6-7]。

在進(jìn)行花色苷提取的過程中，不恰當(dāng)?shù)奶崛》椒〞?huì)導(dǎo)致花色苷發(fā)生降解，從而降低得率，因此在花色苷的研究中提取工藝是極其重要的環(huán)節(jié)。有機(jī)溶劑提取法是目前提取花色苷應(yīng)用最多的一種方法，具有操作簡(jiǎn)單、成本較低、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[8]。許多學(xué)者通過不同的有機(jī)溶劑提取了阿薩伊[9]、黑果腺肋花楸[10]、草莓[11]、紫甘藍(lán)[13]、黑豆[14]、古茶[15]、黑糌粑[16]、桑葚[17]、楊梅[18]等植物中的C3G，并測(cè)定了其中C3G 的含量。研究發(fā)現(xiàn)，不同植物來源的C3G 含量范圍在0.001～12.829 mg/g 之間（見表1），其中黑豆中的C3G 含量最高，但不同品種黑豆中C3G含量亦不同，楊梅中含量較低；不同植物來源的C3G在提取過程中，單純?nèi)軇┨崛》ňC合提取效果不理想，多數(shù)采用輔助提取技術(shù)，增強(qiáng)了提取效果，而超聲處理為當(dāng)前最有效的輔助手段。因此針對(duì)不同植物原料開展專門提取工藝優(yōu)化以及采用其他溶劑體系和利用其他輔助技術(shù)進(jìn)一步提高C3G 的提取效率也是以后研究的重點(diǎn)。

表1 不同植物來源的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、相對(duì)穩(wěn)定且易于獲得的一種花青素。矢車菊素可通過多種途徑清除自由基，并且清除自由基能力、還原力及抗氧化能力都要優(yōu)于其它花青素提取物，其抗氧化活性在人類植物膳食以及保健品方面都有極其重要作用，對(duì)于保持身體的健康至關(guān)重要[19-20]。Sukprasansap 等[21]研究表明，C3G 作為一種天然的抗氧化物質(zhì)，可以通過抑制谷氨酸誘導(dǎo)的氧化和ER 應(yīng)激信號(hào)以及激活ERK/Nrf2 抗氧化機(jī)制途徑而成為一種神經(jīng)保護(hù)劑。此外，重金屬也會(huì)對(duì)機(jī)體發(fā)揮正常的抗氧化功能造成干擾，導(dǎo)致體內(nèi)大量自由基存在，從而對(duì)機(jī)體造成氧化損傷[22]。研究表明，C3G 可以通過清除自由基來緩解由重金屬引起的性激素分泌紊亂和生殖損傷，從而起到保護(hù)作用[23-24]。

1.3.2 保護(hù)視力

白內(nèi)障是全球排名第一位的嚴(yán)重致盲性眼病，而導(dǎo)致白內(nèi)障的關(guān)鍵原因是自由基及其引發(fā)的氧化應(yīng)激效應(yīng)導(dǎo)致了晶狀體生理功能發(fā)生改變[25]。矢車菊素及其糖苷具有清除自由基、調(diào)節(jié)免疫等生物活性，已成為國內(nèi)外視力保護(hù)研究的熱點(diǎn)。其中C3G 在體外糖尿病型白內(nèi)障模型中顯示出了抗晶狀體渾濁功能[25]。李翔等[26]通過逆相蒸發(fā)法制備得到TMC 修飾的C3G 脂質(zhì)體（TMC-modified C3G-loaded liposomes，C3G-TCL），通過采用乳鼠白內(nèi)障動(dòng)物模型對(duì)晶狀體渾濁度及生化指標(biāo)測(cè)定，評(píng)價(jià)了C3G-TCL 對(duì)眼部應(yīng)用的效果，結(jié)果表明C3G-TCL 可恢復(fù)受氧化損傷眼部細(xì)胞的活力。張婧等[27]利用逆相蒸發(fā)法制備眼用TMC 修飾的1 脂質(zhì)體（cyanidin-3-glycoside(1)-title liposomes，1-TCL），利用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法，以包封率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選獲得了1-TCL 的優(yōu)化配方，并考察了1-TCL 對(duì)H2O2致氧化損傷的人晶體上皮細(xì)胞（human lens epithelial cells，HLECs）的保護(hù)效果，結(jié)果表明，1-TCL 能顯著提升HLECs 的細(xì)胞活力，說明其對(duì)HLECs 的保護(hù)能力，具有潛在的視力保護(hù)功效。綜上所述，C3G 在保護(hù)視力和治療白內(nèi)障方面具有重要的應(yīng)用效果及開發(fā)價(jià)值。

1.3.3 保護(hù)胰島功能

肥胖是一種全球流行病，會(huì)導(dǎo)致2 型糖尿病、高血壓、心血管疾病和某些癌癥的患病率急劇增加。已有研究表明，C3G 具有降低血糖、抑制肥胖及改善胰島素抵抗的作用[28-30]。Qi 等[28]通過建立糖尿病腎病大鼠模型，對(duì)其給予C3G 治療56 d，并以賴諾普利治療為陽性對(duì)照，研究發(fā)現(xiàn)C3G 可降低血糖，預(yù)防胰島素抵抗，修復(fù)糖尿病大鼠的腎功能，預(yù)防糖尿病大鼠腎間質(zhì)纖維化、腎小球硬化和氧化應(yīng)激。Sasikumar 等[29]通過細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)C3G可保護(hù)胰腺β細(xì)胞免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡，從而起到保護(hù)胰島的作用。此外，有研究表明C3G 可以通過改善糖類代謝紊亂狀態(tài)，進(jìn)而降低胰島素抵抗，從而達(dá)到預(yù)防肥胖、心腦血管等疾病發(fā)生的目的[30]。

1.3.4 抗癌

C3G 作為一種黃酮類化合物，具有黃酮類化合物的良好抗癌作用，且對(duì)機(jī)體的毒副作用較小，能夠抑制結(jié)腸炎及結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展[31]。王麗等[32]研究了C3G 對(duì)結(jié)腸癌的增殖及TOPK 激酶活性影響，結(jié)果表明C3G 通過靶向TOPK 抑制結(jié)直腸癌的生長。宋柬等[33]研究了不同濃度C3G 對(duì)環(huán)氧丙酰胺引起的人類乳癌細(xì)胞MDA-MB-231 毒性的影響，結(jié)果表明C3G 對(duì)環(huán)氧丙酰胺引起的MDA-MB-231 細(xì)胞毒性具有非常明顯的抑制作用。

C3G 具有清除自由基、抗突變等生物活性，能夠抑制多種腫瘤的生長，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。Liang 等[34]研究表明，C3G 可以降低三陰性乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231和BT-549 的遷移和侵襲性，還能減弱三陰性乳腺癌的NF-κB 代謝通路，逆轉(zhuǎn)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)惡性轉(zhuǎn)化，具有抗乳腺癌的作用。Zhao 等[35]研究發(fā)現(xiàn)C3G 可以保護(hù)HepG2 細(xì)胞免受由2-氨基-3-甲基咪唑并[4,5-f] 喹啉（IQ）所誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性，主要通過與X-連鎖凋亡抑制蛋白（X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP）的BIR3結(jié)構(gòu)域進(jìn)行緊密結(jié)合，抑制XIAP 靶蛋白引發(fā)的細(xì)胞凋亡，從而使C3G 具有預(yù)防雜環(huán)芳香胺的致癌風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.5 預(yù)防骨質(zhì)疾病

骨質(zhì)疏松癥是一種多發(fā)于老年人群的慢性疾病，當(dāng)前大量化學(xué)藥物用于骨質(zhì)疏松癥治療，但長期用藥會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生副作用。有研究顯示花色苷對(duì)骨骼健康有促進(jìn)作用，富含花色苷的食物可以降低骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生率[36]。Cheng 等[37]發(fā)現(xiàn)C3G 鹽酸鹽能抑制破骨細(xì)胞形成、羥基磷灰石吸收以及通過核因子（NF-κB）受體活化因子配體信號(hào)通路（RANKL）誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞標(biāo)志基因表達(dá)，進(jìn)而抑制RANKL 誘導(dǎo)的NF-κB 活化，并減弱細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶的磷酸化，具有治療溶骨性疾病的潛力。Samarpita 等[38]發(fā)現(xiàn)C3G 能減弱血清白介素-17A（IL-17A）細(xì)胞因子信號(hào)介導(dǎo)的單核細(xì)胞遷移和向類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎成熟破骨細(xì)胞分化。C3G 在分子水平上阻斷p38 MAPK 信號(hào)通路的激活，從而響應(yīng)IL-17A 的作用，這為C3G 治療由IL-17A 信號(hào)介導(dǎo)的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎提供了支持。

1.3.6 預(yù)防心腦血管疾病

近年來，心血管疾?。╟ardiovascular disease，CVD）成為工業(yè)化國家和發(fā)展中國家的主要健康問題，高發(fā)病率和高死亡率給社會(huì)帶來了沉重的健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[39]。目前的藥物治療可以使心血管疾病得到一定的控制，然而，很多藥物具有一定的副作用，因此，迫切需要探索新的有效治療方法。已有研究表明，富含植物花色苷食物的攝入與CVD 的發(fā)病呈負(fù)相關(guān)[40]，這也為花色苷物質(zhì)在心腦血管疾病中的應(yīng)用提供了重要參考。鄧秀娟等[41]研究證實(shí)了C3G 能夠抑制高膽固醇血小板顆粒物釋放，從而對(duì)心血管具有保護(hù)作用，起到預(yù)防心血管疾病的作用。姚艷玲等[39]研究證實(shí)了C3G 能降低小鼠的血脂水平，顯著降低小鼠頸動(dòng)脈斑塊面積，并可干預(yù)高脂飲食組小鼠血清中趨化因子，使CXCL12 和CCL2 降低水平達(dá)到顯著程度，從而對(duì)高脂飲食組小鼠的血脂異常和動(dòng)脈斑塊形成具有明顯的改善作用。Ya 等[42]證明了C3G 在體外可促進(jìn)活化的血小板凋亡，促進(jìn)巨核細(xì)胞的增殖、分化和原血小板的形成。張莉珂[43]通過小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花色苷能夠降低高脂血癥引起的小鼠血小板凋亡，并對(duì)減少健康小鼠血小板凋亡具有一定的預(yù)防作用。此外，C3G對(duì)缺血性卒中也具有一定的治療作用。韓旭等[44]研究表明，C3G 能夠通過多種途徑改善缺血性卒中的神經(jīng)功能轉(zhuǎn)歸，從而對(duì)缺血后的腦損傷具有保護(hù)作用。雖然C3G在人體健康中發(fā)揮多種生理功能，在食品和醫(yī)藥等行業(yè)中有巨大發(fā)展?jié)摿?，但?dāng)前藥理活性及功能評(píng)價(jià)較少在人體中開展，對(duì)其毒理學(xué)和遺傳影響的研究尚不足，有待于進(jìn)一步研究。

2 C3G 的穩(wěn)態(tài)化技術(shù)

C3G 在功能食品開發(fā)中有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，但因其性質(zhì)活潑、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在貯存和加工過程中容易受到外界環(huán)境影響而發(fā)生降解，使其生物利用度顯著降低。同時(shí)，花色苷是非脂溶性物質(zhì)，較難穿過細(xì)胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)，大大降低了其應(yīng)用效果。因此可以通過結(jié)構(gòu)修飾改性和載體包封的方式對(duì)C3G 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)化制備，結(jié)構(gòu)修飾后的C3G 在脂溶性和穩(wěn)定性上得到顯著提升，從而提高其利用率，而載體包封或乳液共溶后的C3G 可以有效抵御機(jī)體逆性環(huán)境的影響，達(dá)到在腸道部位定向釋放的目的，提高其生物活性。到目前為止，生物酶催化改性法、化學(xué)法分子修飾改性法、微膠囊法等均是對(duì)花色苷進(jìn)行穩(wěn)態(tài)化制備的重要方法[45-48]。

2.1 結(jié)構(gòu)修飾提升穩(wěn)定性

2.1.1 生物酶催化改性

花色苷的酶促?；ǔＪ鞘褂弥久负投替湹介L鏈的脂肪酸作為?；w來進(jìn)行的，有機(jī)溶劑是目前非水相酶催化應(yīng)用和酶學(xué)研究最為廣泛的體系[49]。相比于化學(xué)法，酶促?；磻?yīng)所需的反應(yīng)條件溫和，具有更高的區(qū)域選擇性。Zhang 等[50]采用固定化脂肪酶催化脂肪酸甲酯對(duì)C3G 進(jìn)行酰基化修飾，研究證明C3G 與中鏈脂肪酸的?；苌锉菴3G 具有更好的穩(wěn)定性和抗氧化活性。Yan 等[51]以芳香酸甲酯為酰基供體，脂肪酶做催化劑，與黑米花色苷進(jìn)行酶促酰化反應(yīng)，反應(yīng)提高了花色苷的熱穩(wěn)定性和耐光性。外國學(xué)者通過酶促反應(yīng)增加飽和脂肪酸的鏈長，改善了C3G 的脂溶性，并研究了其在親脂介質(zhì)不同pH 值下的熱穩(wěn)定性，與未經(jīng)修飾的C3G相比，親脂性C3G 衍生物表現(xiàn)出更好的顏色穩(wěn)定性和更低的熱降解敏感性[52]。與天然的C3G 相比，通過酶促法合成的矢車菊素-3 -葡萄糖苷月桂酯（cyanidin-3-glucoside lauryl ester，C3G-C12）的脂溶性、pH 電阻率和熱穩(wěn)定性都有顯著提高[53]。

2.1.2 化學(xué)法分子修飾改性

在對(duì)花青素的化學(xué)修飾方面，主要以有機(jī)合成技術(shù)為基礎(chǔ)，因此選擇適當(dāng)?shù)孽；瘎┖痛呋瘎┦腔瘜W(xué)修飾研究改性的關(guān)鍵[54]。酰化反應(yīng)降低了極性，增加了分子尺寸，改變了花色苷的空間結(jié)構(gòu)，從而改變了它們的化學(xué)反應(yīng)性和穩(wěn)定性。趙立儀[54]通過引入月桂酸的長脂肪鏈對(duì)C3G 進(jìn)行?；揎?，?；驝3G 的親脂性和穩(wěn)定性得到了明顯的提高。C3G的酯交換酯化反應(yīng)見圖2。李穎暢等[55]將花青素和乙酸進(jìn)行酰化反應(yīng)，通過紫外光譜和紅外光譜對(duì)?；磻?yīng)進(jìn)行分析確定，結(jié)果證明?；蟮幕ㄇ嗨胤€(wěn)定性明顯提高。

圖2 C3G 的酯交換?；磻?yīng)Fig.2 Transesterification of C3G

2.2 遞送系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)化

穩(wěn)態(tài)化技術(shù)除了各類反應(yīng)讓化合物分子傷筋動(dòng)骨保持性能穩(wěn)定外，還可以通過改變?nèi)軇┬阅苁蛊浞€(wěn)定。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，除了通過傳統(tǒng)的生物酶法和化學(xué)法對(duì)C3G 改性外，還出現(xiàn)了許多新的改性方法，如微膠囊包埋和復(fù)乳體系。

2.2.1 復(fù)乳體系

復(fù)乳又稱“多重乳液”“乳中之乳”，指將簡(jiǎn)單乳液包裹于另外一種連續(xù)相中，包括將水包油型（O/W/O）、油包水型（W/O/W），還包括將固體分散于油相中再分散于連續(xù)的水相中（S/O/W），其中W/O/W 型比較常見。W/O/W型復(fù)乳是指將內(nèi)水相分散在油相中，再將這個(gè)包有水滴的油相分散在水中，以此形成一個(gè)兩面三相的結(jié)構(gòu)[5]。袁麗等[5]以離心保留率、流變性、顯微結(jié)構(gòu)為指標(biāo)對(duì)復(fù)乳制備工藝和配方進(jìn)行優(yōu)化，利用優(yōu)化后的W/O/W 體系包埋C3G，發(fā)現(xiàn)該體系具有較好的包埋C3G 功能，能夠提高C3G 的穩(wěn)定性。

2.2.2 微膠囊包埋

微膠囊化是以碳水化合物、蛋白質(zhì)、多糖、脂類或人工合成高分子材料為壁材包埋小分子活性物質(zhì)，并可在特定條件下釋放的技術(shù)[4,56]。錢柳等[57]利用熱改性方法構(gòu)建乳清蛋白納米粒子運(yùn)輸載體，通過納米粒的粒徑電位和載藥性能變化確定WP-C3G 納米的最佳比例，研究發(fā)現(xiàn)C3G 和WP 結(jié)合后能夠改善其腸胃消化穩(wěn)定性和貯藏穩(wěn)定性。Chen 等[58]發(fā)現(xiàn)利用微囊化技術(shù)，對(duì)多酚類化合物進(jìn)行封裝，可以提高酚類化合物的生物利用度。

雖然微膠囊化可以提高C3G 的穩(wěn)定性，但操作復(fù)雜，可能會(huì)對(duì)C3G 的生物活性造成一定的損傷。因此，又有學(xué)者通過不同的方法來提高C3G 的穩(wěn)定性。Sun 等[59]研究了殼聚糖（chitosan，CS）、殼寡糖（chitosan oligosaccharide，CSO）和羧甲基殼聚糖（carboxymethyl chitosan，CMC）與離子交聯(lián)劑γ-聚谷氨酸（polyglutamic acid，PGA）或氯化鈣結(jié)合，制備了負(fù)載C3G 的納米顆粒，其中C3G-CMC-CaCl2納米顆粒包封效率和負(fù)載效率均為最高，顯著提高了C3G 的穩(wěn)定性，擴(kuò)展了其在食品加工中的應(yīng)用。Li 等[60]利用絲素蛋白多肽與桑椹中的矢車菊素-3-葡萄糖苷結(jié)合，從而提高了C3G 的理化穩(wěn)定性。

3 總結(jié)與展望

隨著生活水平的提高，人們對(duì)健康食品的要求也越來越高，C3G 作為花色苷中的一種重要成分，也是其主要活性成分，具有多種生理活性，在食品、化妝、醫(yī)療等方面具有較大的市場(chǎng)。但由于C3G 穩(wěn)定性差和生物利用度較低，目前對(duì)C3G 的研究還存在許多不足之處，以后的研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：（1）加強(qiáng)C3G 穩(wěn)態(tài)化制備技術(shù)研究，分別從微膠囊技術(shù)、共輔色技術(shù)、乳液技術(shù)等方面開發(fā)新的穩(wěn)態(tài)化工藝；（2）開展C3G 綠色催化介質(zhì)理性設(shè)計(jì)及其催化工藝研究，確定酰化產(chǎn)物構(gòu)效關(guān)系，制備具有較高生物活性的酰化產(chǎn)物；（3）含C3G 食品的非熱和熱加工條件下的穩(wěn)定性研究，考察不同大分子對(duì)C3G 的熱降解動(dòng)力學(xué)，同時(shí)考慮食品添加劑、營養(yǎng)素、風(fēng)味物質(zhì)等對(duì)花色苷的影響，尋找穩(wěn)態(tài)化效果更佳的制備工藝和工藝條件，擴(kuò)大其在食品等產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用范圍。花色苷來源廣泛，具有顯著的資源優(yōu)勢(shì)，因此，對(duì)C3G 的穩(wěn)態(tài)化進(jìn)行深入研究具有重要實(shí)際意義。