花青素來源、結構特性和生理功能的研究進展

喬廷廷， 郭 玲

（1.大理大學藥學與化學學院，云南大理 671000；2.云南省第三人民醫院，云南 昆明 650011；3.大理大學第二附屬醫院，云南昆明 650011）

花青素亦稱花色素，為黃酮類多酚化合物，主要被作為天然色素和抗衰老食品應用到食品染色、化妝品抗衰老、保健等方面。前期相關研究主要集中于該成分結構的化學分析、顏色表達的成因等方面。本文將闡述花青素來源、結構特性、藥理作用、藥代動力學、毒性等方面的研究進展，以期為今后相關開發利用提供參考。

1 來源及結構特性

1.1 來源 1947年法國科學家馬斯魁勒首次發現花青素，之后在葡萄、藍莓、茶葉等植物中陸續被找到；該成分與糖以糖苷鍵結合而成的一類化合物稱為花色苷，是Marguart于1835年首先提出來的[1-2］。目前，已知花青素有20多種，其中天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛花色素、錦葵色素是常見的可食用花青素，以糖苷為主要存在形式[3-4］。

1.2 結構特性 花青素由1個2-苯基苯并吡喃環和環上不同的取代基組成[4］，游離的花青素極少見，通常以糖苷形式形成花色苷，具有抗氧化、抗炎、保護視力、抗腫瘤等作用[5］，其穩定性差異大，有些高度不穩定，可能受pH、溫度、光度等影響[4］。 Woodward等[6］對天竺葵、 矢車菊、飛燕草的體外實驗結果顯示，B環羥基化增加與穩定性降低有關。作為天然染料，花青素顏色隨酸堿度變化而有所差異，通常在酸性條件下呈紅色，堿性條件下呈藍色[7］，故可使花辨、果實、葉子等植物器官呈現出紅、藍紫、橙等顏色。視覺功能的臨床實驗表明，每天攝入50 mg花青素會有一些健康益處[8］，故可通過定期攝入藍莓、草莓、干豆、藍粒大麥、谷類、紅酒等獲得大量該成分。花青素生物合成途徑已在許多植物中得到研究，并且鑒定出涉及該過程的大部分基因，Tanaka等[9-10］在擬南芥中編碼了早期生物合成基因和晚期生物合成基因這2類花青素生物合成酶的基因。

2 藥理作用

研究表明，花青素具有抗衰老、抗過敏、心血管保護、抗炎、預防肥胖、抗氧化、清除自由基、改善視力、預防癌癥等藥理作用[2，11-12］。除此之外，花青素作為植物壓力調節器，不僅可防止棉花葉片遭受煙草蚜蟲侵犯，還可保護植物避免受到極端溫度、重金屬離子等損害[13-14］。同時，無毒、不致敏、不致畸、不致癌等特性也是花青素優勢所在[15］。

2.1 抗炎 花青素抗炎作用涉及DNA清除、雌激素活性、脂質過氧化、酶抑制劑、調節免疫反應的細胞因子物質等[16］， 其部分機制[17-19］為 （1） 抑制 NF-κB、 環氧化酶、各類白介素mRNA表達水平；（2）降低C-反應蛋白水平、脂質過氧化作用；（3）減少小鼠巨噬細胞中NO產物，抑制iNOS mRNA水平；（4）激活NF-κB、絲裂原活化激酶信號傳導通路表達；（5）降低PGE2濃度。文獻 [20］指出，花青素通過抑制NF-κB活性來抑制脂多糖刺激BV-2細胞后促炎癥基因的表達和促炎癥因子的釋放，并通過抑制iNOS和COX-2表達來分別抑制NO和PGE2的上調，而且這種作用與其能抑制BV-2細胞中的基因表達有關；李建光等[21］報道，黑果小檗總花色苷對Aβ25-35誘導的阿爾茨海默病小鼠BV2細胞所分泌白介素-1β、白介素-6、腫瘤壞死因子-α等炎癥因子有抑制作用，但關于花青素調節Aβ1-42誘導原代培養的小膠質細胞產生的炎癥反應的研究尚未見具體報道。

2.2 抗氧化 花青素屬于多酚黃酮類化合物，在體內外都能清除多種氧自由基，增加細胞對氧自由基的吸收、增強一些天然抗氧化酶活性，從而發揮抗氧化作用[14，22-24］，主要通過以下途徑發揮抗氧化作用[11，14，24］： （1） 清除或抑制活性氧和自由基，抑制脂質氧化等；（2）促進、激活天然抗氧化酶體系；（3）與金屬離子螯合；（4）結合蛋白參與細胞信號通路及基因表達等途徑。Ghiselli等[25］在意大利紅酒中花青素碎片抗氧化活性研究中發現，花青素在清除活性氧、抑制脂蛋白氧化、血小板聚集中有重要作用；楊紅澎等[26］灌胃小鼠藍莓花色苷單體 （矢車菊-3-O-半乳糖苷）6周，檢測出腦組織脂褐質含有量和血清、腦組織中丙二醛含有量明顯降低，超氧化物歧化酶活性明顯升高。研究顯示[27］，來自桑樹的矢車菊-3-O-β-D吡喃葡萄糖苷可部分降低鏈霉素誘導的糖尿病大鼠中8-羥基-2-脫氧鳥苷水平，上調超氧化物歧化酶水平。小腦顆粒神經元中，矢車菊-3-O-葡萄糖苷和天竺葵素物可通過Bcl-2抑制劑緩解線粒體的氧化應激和細胞凋亡[28］。劉偉[29］研究顯示，花色苷中活性物質矢車菊-3-O-葡萄糖苷可顯著抑制 Aβ25-35造成的ROS水平升高。最近，Shah等[30］首次報道花青素可通過增加發育中大腦區域HO-1、Nrf2蛋白含有量表達來激活Nrf2／HO-1信號通路，從而抑制谷氨酸誘導新生鼠大腦中氧化應激，保護腦神經細胞。

2.3 認知功能調節 文獻 [29］報道，藍莓提取物 （花青素）可提高AD小鼠空間記憶能力，改善小鼠腦組織結構及細胞形態，減少老年斑沉積，減輕小鼠氧化應激損傷，下調小鼠腦組織的凋亡率。軟骨藻酸誘導的小鼠認知模型中，口服紫甘薯色素 （一類天然花青素）后檢測相關氧化應激因子和水迷宮測試小鼠行為表現，發現該成分通過雌性激素受體-A調節的信號通路緩解小鼠行為表現[31］。Badshah等[32］報道，花青素可降低神經元細胞，調節線粒體功能紊亂，逆轉 Aβ對線粒體凋亡通路中細胞色素 C、Caspase-9、Caspase-3等蛋白表達產生的效應，并有效緩解體內外實驗中Aβ1-42的神經毒性。 Belkacemi[12］等發現， 一種花色苷可通過緩解ROS和蛋白羰基水平、調節細胞內氧化還原通路來抑制丙烯醛誘導的神經元細胞毒性和死亡。最近有研究表明，花青素不僅可通過抑制iNOS、TNF-α等來抑制星形膠質細胞激活和神經炎癥，而且可顯著提高D-半乳糖處理成年大鼠模型的行為表現和認知功能[33］。由此推測，花青素可能是預防和治療興奮性毒素和其他腦部疾病中認知缺陷的候選者。

2.4 促進多巴胺釋放 研究表明[34］，葡萄汁對于逆轉神經性和行為性老化的進程是有益的，與對照組相比，10%（含36.6 mg／mL花青素）、 50% （含 183 mg／mL花青素）葡萄汁處理后動物行為表現顯著較好，紋狀體切片中多巴胺釋放明顯提高，水迷宮檢測后工作記憶明顯提高。Dani等[35］發現，與陰性對照組相比，紫葡萄汁治療CCl4誘導成年大鼠損傷后，大腦紋狀體中脂質過氧化反應和蛋白氧化損傷降低，紋狀體中超氧化物歧化酶／過氧化氫酶比例顯著下降，而且抗氧化活性與多元酚化合物 （總多元酚化合物、白藜蘆醇、花青素）有顯著關系，提示葡萄汁可降低帕金森癥、阿爾茨海默病等腦部疾病的發生率。草莓、菠菜和藍莓的提取物能夠逆轉大腦老齡化的一些參數[36-37］。黃酮類可能有許多直接和間接的作用來影響不同神經元參數，進而引導運動和認知行為改變。藍莓提取物處理衰老動物不僅提高了多巴胺釋放和一些運動行為參數，而且降低了從腓腸肌和四頭肌提取的肌肉組織中的炎癥和氧化應激標志物[34］。 Jeong等[19］報道， 花青素可能提供治療小膠質細胞激活誘導的炎癥和神經退行性損傷疾病的潛在效果。

2.5 降血脂和降血糖 肥胖和糖尿病是目前人們比較關心的熱點之一，花青素對其部分調節機制[11，38］為 （1） 激活AMPK通路，增加血糖利用率，降低血清中脂質含有量；（2）上調腎小管細胞三磷酸腺苷結合區轉運蛋白A1，改善高糖誘導的腎小管內膽固醇的聚積；（3）下調視黃醇結合蛋白-4，抑制血糖升高。Nizamutdinova等[39］首次報道黑豆種皮提取的花青素在體外實驗中以50 mg／kg劑量分別在注射鏈脲佐菌素 （50 mg／kg）前后進行花青素處理，檢測動物體質量和血糖水平，發現具有降血糖的作用，部分原因在于該成分通過調節心臟和骨骼組織中葡萄糖轉運蛋白4的表達來預防胰島素抵抗，調節Caspase-3、Bcl-2等蛋白保護胰腺細胞。張毅等[40］發現，低、中、高劑量紫甘薯花青素分別可使大鼠血糖、總膽固醇、甘油三酯趨于正常水平，從而預防肥胖發生。黑豆包衣中提取的花青素分別以6、24 mg／kg劑量飼養大鼠40、10 d后，大鼠體質量增加程度與對照組相比顯著降低，而且隨著花青素劑量增加大鼠每日平均攝入食物減少，這也可能是其體質量降低的原因[41］。還有研究對4周齡小鼠進行高脂肪飲食并伴隨是否使用藍莓和桑果汁12周后，通過對體質量、血清和肝臟脂質、肝臟和脂肪組織形態、胰島素和瘦素等水平的檢測，發現與未飲用藍莓和桑果汁相比，飲用果汁后可抑制體質量增加，緩解脂質積累，降低血清膽固醇等[42］。

2.6 抑制細胞增殖和凋亡 花青素可通過對細胞周期調節蛋白的作用來阻斷各個階段能力，從而抑制細胞增殖[15］。劉春遠等[43］研究表明，黑米花青素可抑制SW480結腸癌細胞的增殖和細胞DNA合成后期／有絲分裂期的進展，并且促進該細胞凋亡，具有濃度依賴性 （0～200 μg／mL） 和時間依賴性 （12～60 h）。篤斯越橘花青素能有效抑制3T3-L1前脂肪細胞 S和／或 G0／G1期的增殖，誘導細胞凋亡[44］。魏倫收等[45］通過體內外實驗發現，不同濃度藍莓花青素對人胃腺癌細胞株 （BGC823細胞株）移植瘤模型裸鼠中細胞增殖均有抑制作用，而且與藍莓花青素濃度和作用時間呈正相關。MTT法檢測不同濃度的蓮房花青素誘導人肝癌細胞株 （SMMC-7721細胞）凋亡時發現，該成分對該細胞的抑制效果隨濃度和時間增加而升高[46］。近期研究資料顯示，在乙醇誘導海馬神經細胞凋亡模型中，花青素干預可使促凋亡蛋白Bax水平降低，抗凋亡蛋白Bcl-2水平升高，而且可通過GABAB1受體信號來抑制乙醇誘導的凋亡、線粒體膜紊亂、神經退行性等過程，可被視為潛在治療藥物[47］。 Badshah等[41］指出， 黑豆包衣中提取的花青素可降低SD大鼠下丘腦中的GABAB1受體表達。

2.7 保護視力 之前有研究對100名受試者進行視疲勞實驗，以1罐／d劑量服用花青素飲料 （含花青素160 mg），連續30 d，通過眼部常規檢查、視力檢查發現受試者眼脹、畏光、視物模糊等癥狀有所改善，實驗前后各項生化指標均正常[48］。近期姚佳宇等[49］報道，藍莓提取物花青素也可緩解視覺疲勞、眼表疾病、糖尿病性白內障疾病、青光眼等。

2.8 其他 除了上述研究之外，近些年大量文獻也報道了花青素在抑制乳腺癌、肺癌、細菌、真菌、病毒等方面的作用。

3 藥代動力學

大部分花青素在胃中是穩定的，一些 （如飛燕草-3-葡萄糖苷）以某種方式不穩定的存在于小腸中[50］。劉學銘等[51］報道，花青素主要分布在消化器官，還可通過血腦屏障進入大腦，其中胃和小腸又為主要吸收部位，糖苷類型和數量、糖基和酚類苷元性質、乙酰化和非乙酰的結構會影響吸收；進入生物體后除了以原型代謝外，還可通過細菌對其糖苷鍵的裂解與苷元雜環的降解、自身羥基的甲基化、與葡萄糖醛酸或硫酸結合形成酯等方式來代謝，最終以原形和代謝物的形式從尿液、糞便和膽汁排出體外，口服吸收后完整的高濃度矢車菊-3-葡萄糖苷被發現在大鼠的小腸組織中[52-53］。 Fang[4］發現， 矢車菊-3-葡萄糖苷和其他花青素可能被完全吸收進入胃腸壁，經過廣泛的首過代謝后作為代謝物進入系統循環；除了化學分解外，人體肝臟微粒體也對花青素苷元的進一步分解有作用。肝臟微粒體能夠將矢車菊和天竺葵-3-葡萄糖苷分別代謝為原兒茶酸、4-羥基苯甲酸，并分別進一步代謝形成3、2個葡萄糖醛酸結合物[54］。

在動物和人體中，花青素作為完整的糖苷被吸收，其吸收和消除速率快速，全身生物利用度約為0.26%～1.8%[4，16］。最初有團隊研究了花青素在豬體內的吸收狀態，發現該成分在3種飲食中的吸收總量無顯著差異，但與黑加侖粉組相比飲食谷物、牛奶、糖后其吸收率減慢，即食物或其他類黃酮的同時攝入延遲了其吸收曲線[55］。Kay[56］在人體吸收、代謝和藥代動力學方面的研究中發現，平均尿液中花青素的排泄量為其攝入量的0.03%～4%，消除半衰期為1.5～3 h。Milbury等[57］對15名患有冠狀動脈疾病的參與者進行蔓越莓花青素藥代動力學研究，結果表明該成分可迅速從血漿中去除，單個花青素的血漿濃度介于0.56～4.64 nmol／L之間，尿液中花色苷總回收率是給藥劑量的 （0.79±0.90）%，同時還觀察到血漿花青可能影響信號轉導和／或基因表達。 Kalt等[58］通過 LC-MS／MS法分析每天飲用藍莓汁的17名志愿者尿液，發現花青素含有量在尿液中變化10倍，第36天其排放量降低，而且每天攝入花青素1次比每天攝入3次、每次1／3劑量的0～24 h排泄量更大。

4 毒性

由于花青素生物利用度低，來源食物供應的毒性很小。譚壯生等[59］進行體內外遺傳毒性試驗探索，發現花青素對小鼠骨髓正常狀態的細胞無遺傳毒性作用。梁婕等[60］對楊梅花青素的食用安全性評價毒性實驗研究中發現，各染毒劑量組對標準測試菌株、骨髓嗜多染紅細胞、雄性小鼠睪丸染色體分別無致突變、致微核、誘變活性，大鼠生長發育、病理組織學、生化指標等也未發現異常，提示楊梅花青素在急性經口毒性試驗中屬于實際無毒級，無遺傳毒性、致突變、發育毒性作用。

在美國，花青素日常攝入量建議為180～215 mg／d；世界衛生組織食品添加劑聯合專家委員會評估得出，葡萄皮提取出的花青素每日攝入量為2.5 mg／kg；我國首次確定成人花青素日常攝入量為50 mg／d，但未確定可耐受最高攝入量。值得注意的是，原花青素可耐受最高攝入量為800 mg／d， 但未確定日常膳食建議值[61-63］。

5 小結及展望

目前，對花青素的研究已從表淺藥理作用、動物體內外實驗等方面延伸到了作用機制、臨床實驗、醫藥衛生等領域。作為食物中重要的抗氧化劑，花青素從生物活性、毒理學、生物利用度方面來看均是一種食用安全級物質。

大量研究表明，花青素可應用到臨床上，研究人員也發現其潛在的多重保護作用和價值。雖然花青素提取方法和理化性質已被人熟知，但其發揮藥理作用所涉及的信號通路、分子結構及兩者之間關系等仍不明確，故如何有效利用其生物活性、將其效益最大化也是當前研究人員所面臨的問題。