谷物花色苷功能活性與開發利用研究進展

劉婷婷，彭文婷，龐邵杰，彭珍珍,3，綦文濤, ，王 勇,

（1.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；2.上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093；3.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙 410004）

谷物是居民膳食的重要基礎組成部分，研究表明，攝入全谷物及其產品可降低非傳染性慢性病患病風險[1]。“中國居民膳食指南”建議每日全谷物與豆類攝入量為50～150 g，且每日增加攝入30 g全谷物，可降低8%全因死亡風險。谷物含有多種活性物質，其中天然多酚可作為單線態氧猝滅劑和自由基供氫體，發揮抗氧化和抗炎活性，能有效緩解并預防糖尿病、心血管疾病和癌癥等慢性病[2]。膳食多酚以花色苷攝入量最高，主要存在于黑色、紅色、紫色等深色谷物、蔬菜和水果中，花色苷可有效干預慢性病的發生和發展[3-4]。《中國居民膳食營養素參考攝入量》對花色苷攝入量的特定建議值（specific proposed levels，SPL）為50 mg/d，即每天攝入超過50 mg的花色苷可產生較為明顯的健康促進作用[5]。

隨著2型糖尿病、心血管疾病、肥胖等慢性病發病率逐年升高，充分挖掘谷物中的功能活性成分、探究作用機理、開發相關功能食品對干預慢性疾病具有重要意義。花色苷作為一種天然食用功能色素，在食品工業已得到廣泛應用[6]。當前對于谷物花色苷的研究主要集中在提取純化、吸收代謝、健康功效等方面，但花色苷發揮健康作用的具體調控機制及其應用尚不清晰。本文主要綜述谷物來源花色苷的含量和分布、對慢性疾病的預防作用機制及開發利用現狀，為進一步明確花色苷作用靶點、揭示花色苷營養干預機制及開發花色苷類功能產品提供研究思路。

1 花色苷在谷物中的分布與含量

谷物主要包括稻谷、小麥、玉米、燕麥、蕎麥、大麥、青稞、高粱等。花色苷作為植物呈色的重要組分，廣泛分布于深色谷物中，其化學結構、在植物中的分布和含量不同是導致植物顏色差異的主要原因。例如稻米花色苷主要分布于米糠層，研究發現稻谷籽粒拋光后僅保留總花色苷的3%[7]。小麥、大麥、玉米、高粱等谷物中花色苷分布較為相似，在紅色及紫色品種的表皮、藍色品種的糊粉層、黑色品種的表皮和糊粉層中均含有大量花色苷[8]。

花色苷含量差異受多種因素影響，包括基因型、生長條件、提取及量化方法等。目前檢測谷物花色苷含量常用的方法有紫外可見分光光度法、高效液相色譜法、液相色譜質譜聯用法等。不同谷物來源花色苷的分布和含量見表1，其中黑米、紫米花色苷含量遠高于紅米花色苷含量，矢車菊素-3-葡萄糖苷（cyanidin-3-glucoside，C3G）為黑米中最主要的花色苷，約占黑米中總花色苷含量的88%。紫玉米作為食品行業優質安全的天然色素來源，可用于多種焙烤、煎炸及膨化食品的生產。紫色小麥和大麥品種花色苷含量均高于其他有色品種，C3G是玉米、小麥等深色谷物的主要花色苷之一。3-脫氧花青素為高粱特有的花色苷，因其結構特性具有較強的穩定性，作為功能性天然食用色素被廣泛應用于食品產業。

除谷物外，豆類、薯類等糧食中也含有大量花色苷，如黑豆花色苷含量可達201.9 mg/100 g[9]，且主要花色苷為C3G，其約占黑豆總花色苷含量的95%。紫薯中花色苷含量為558～2477 mg/100 g[10]，主要為酰化的芍藥素和矢車菊素，糖基主要為槐糖苷和葡糖苷[11-12]。相比較而言，谷物由于水分含量低、易儲存、易運輸，且谷物作為膳食的重要基礎組成部分，谷物花色苷具有來源廣泛、攝入量高、穩定性強等特點，從谷物分離制備花色苷具有明顯優勢。

2 谷物花色苷功能活性研究

花色苷具有抗氧化、抗炎、改善視網膜毛細血管微循環、緩解肥胖、控制血糖、保護神經系統等功能活性。由于谷物花色苷結構特性，其與機體相關靶點受體的特異性和有效性結合作用，使谷物花色苷在促進人體健康方面具有突出表現。諸多研究表明攝入谷物花色苷可通過減輕機體氧化應激和炎癥反應，預防或緩解糖尿病、肥胖、心血管疾病、年齡相關性眼病、癌癥等多種慢性疾病（表2），相關機制主要涉及Nrf2、NF-κB、MAPK、PI3K/AKT等分子信號通路[30]，花色苷對相關通路的調控機制總結見圖1。

圖 1 谷物花色苷對Nrf2、NF-κB、MAPK、PI3K/AKT信號通路的調控Fig.1 Regulation of cereal anthocyanins on Nrf2, NF-κB, MAPK and PI3K/AKT signaling pathways

2.1 抗炎癥

炎癥反應涉及多種通路，其中核因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）通路是炎癥反應經典通路。NF-κB蛋白由p65與p50形成二聚體，并與抑制蛋白IκB結合形成三聚體復合物而處于失活狀態。當細胞受到刺激時會誘導相關信號因子磷酸化及核轉移，從而激活下游炎癥因子轉錄。多項研究表明花色苷可通過調控NF-κB信號通路發揮抗炎作用。黑米花色苷通過抑制NF-κB p65核轉移及炎癥因子分泌，緩解大鼠口腔黏膜炎及小鼠結腸炎癥狀[31-32]。Hathaichanok等[33]研究表明紫玉米花色苷通過降低NF-κB信號通中IKK、IκBα、p65磷酸化水平，減輕晚期糖基化終末產物（advanced glycation end products，AGEs）誘導的人關節軟骨細胞炎癥反應。

絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）家族蛋白在調節炎癥反應中主要涉及p38絲裂原活化蛋白激酶、細胞外信號調節激酶（extracellular-signalregulated protein kinase，ERK）和c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）三條信號通路，磷酸化的p38、JNK和ERK分別激活相關轉錄因子，參與炎癥反應、細胞增殖和凋亡等過程[34]。MAPK可與NF-κB經典途徑產生協同作用，促進白介素1β（interleukin-1β，IL-1β）、IL-6、IL-8等基因表達[35]。Zhang等[36]研究表明紅玉米花色苷通過調節IκBα和JNK的磷酸化水平，抑制NF-κB和MAPK信號通路，減少炎癥因子產生，從而改善脂肪細胞和巨噬細胞之間旁分泌相互作用。紫米中含有豐富的C3G和芍藥素-3-葡萄糖苷（peonidin-3-glucoside，Pn3G），Tunchanok等[37]利用紫米花色苷及其酚酸代謝物處理IL-1β誘導的人軟骨細胞，可顯著抑制IκBα降解，降低p-p65水平，并抑制MAPK信號通路激活，從而具有抗炎效果。在一項人群干預研究中，給予高膽固醇血癥患者每日320 mg花色苷，24周后，其血漿C-反應蛋白（C-reactive protein，CRP）、血管細胞粘附分子-1（vascular cell adhesionmolecule-1，VCAM-1）和IL-1β水平分別下降20%、13%和4%[38]。NF-κB和MAPK是炎癥反應的主要通路，谷物花色苷通過抑制相關通路降低炎癥因子釋放，緩解炎癥反應。

表 1 不同谷物來源花色苷分布和含量Table 1 Distribution and content of anthocyanins from different cereals

表 2 谷物花色苷對多種疾病的預防作用及相關機制Table 2 The preventive effects of cereal anthocyanins on various diseases and its mechanism

2.2 抗氧化

谷物花色苷可通過清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）及激活內源性抗氧化通路，抑制氧化應激。自由基過量產生和抗氧化防御系統失衡是導致氧化應激的主要原因，氧化應激影響細胞基因表達，進一步誘發炎癥反應，引發多種疾病。正常情況下核因子E2相關因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）與Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）在細胞質中結合成二聚體，發生氧化應激時會激活內源性抗氧化通路Keap1/Nrf2，Nrf2與Keap1解偶聯并發生核移位，被抗氧化反應元件（antioxidant response element，ARE）識別并結合，啟動靶基因轉錄，釋放血紅素氧合酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）、醌氧化還原酶（NAD（P）H quinone oxidoreductase 1，NQO1）等抗氧化酶，抑制氧化損傷[39-40]。常世敏等[41]研究表明黑米花色苷相比于越橘花色苷具有更好的抗氧化性，是良好的天然抗氧化劑。紫色青稞花色苷提取物可有效降低CoCl2誘導的PC12細胞ROS水平，并提高過氧化氫酶（catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平，預防氧化應激誘導的細胞凋亡[24]。Phatchawan等[42]研究發現泰國黑米花色苷提取物（主要含有C3G和Pn3G）可降低腎損傷大鼠丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，提高SOD和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等抗氧化酶水平，通過清除ROS、抑制Nrf2核轉移減輕氧化應激水平。

2.3 視覺保護作用

視網膜處于高含氧量、高多不飽和脂肪酸、高光照的環境中，光氧化損傷會導致年齡相關性黃斑變性（age-related macular degeneration，AMD）等眼病的發生[43]。花色苷對視網膜的保護機制涉及多種途徑，包括抑制N-亞視黃基-N-視黃基-乙醇胺（N-retinylidene-N-retinyl-ethanolamine，A2E）光氧化和裂解、改善4-羥基壬烯酸（4-hydroxynonenal，4-HNE）等脂質過氧化產物損傷、緩解內質網應激、調控Nrf2/HO-1、NF-κB、MAPK等信號通路[44]。C3G可以清除視網膜色素上皮（retinal pigment epithelial，RPE）細胞內ROS、降低炎癥因子及凋亡蛋白表達，并抑制光氧化型A2E的形成和裂解[45]。Wang等[46]基于脂質過氧化物4-HNE誘導的RPE細胞損傷模型，發現C3G可抑制血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）過表達、降低炎癥因子水平、緩解細胞衰老，提高RPE細胞存活率。基于大鼠視網膜光化學損傷模型，黑米花色苷可有效降低視網膜組織JNK-c-Jun/轉錄因子（activator protein-1，AP-1）和Caspase-1表達[47]。紫米花色苷可清除大鼠感光細胞ROS，抑制細胞凋亡[48]。一項雙盲安慰劑對照的人群交叉研究發現，與安慰劑相比，每天50 mg花青素的攝入量可有效改善暗適應以及視疲勞癥狀[49]。大量研究表明花色苷可有效保護視力，維持視網膜正常功能。但研究大多集中于漿果來源花色苷，因谷物作為主食而被大量消費，具有極大的研究及應用潛力。

2.4 對肥胖的緩解作用

將富含花色苷的黑色、紫色小麥添加至高脂飼料，可提高小鼠體內與脂肪酸平衡、氧化應激相關的酶活性，顯著降低小鼠體重及血清中總膽固醇、甘油三酯和游離脂肪酸水平[50]。Song等[51]研究發現膳食補充黑米花色苷可降低過氧化物酶體增殖物活化受體γ（peroxisome proliferator activated receptorγ，Pparγ）、凋亡相關因子（recombinant factor related apoptosis，Fas）和硬脂酰輔酶A去飽和酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，Scd1）基因表達水平，提高Pparα、酰基輔酶A氧化酶1（acyl-coenzyme A oxidase 1，Acox1）和脂聯素受體2（adiponectin receptor 2，AdipoR2）基因表達，通過調節Pparγ信號通路減少脂肪生成并促進脂肪酸氧化，調節腸道微生物群和脂質代謝，從而預防肥胖相關的高脂血癥、肝脂肪變性和胰島素抵抗。Wang和Liu等[52-53]研究發現黑米花色苷具有調節膽固醇代謝和腸道菌群的健康功效，降低血脂異常和脂肪肝患病風險。此外，紫玉米花色苷提取物通過調控NF-κB、AMPK信號通路降低IL-12、單核細胞趨化因子-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）等炎癥因子表達和胰島素抵抗，降低高脂飲食誘導的小鼠脂肪生成并促進能量消耗[54]。以上結果表明飲食攝入谷物花色苷可有效預防肥胖，近期研究顯示相關機制可能涉及花色苷與腸道菌群的相互作用，花色苷通過改善腸道菌群緩解肥胖的相關機制尚需進一步研究。

2.5 對糖尿病的干預作用

糖尿病是一種慢性內分泌系統疾病，病癥直觀表現為高血糖、胰島素抵抗，花色苷可通過調節糖代謝和胰島素分泌緩解糖尿病癥狀[55]。Diego等[56]基于細胞共培養技術，研究紫玉米皮花色苷提取物對胰腺細胞胰島素分泌和肝細胞葡萄糖吸收能力的影響，結果表明紫玉米花色苷可以增強胰腺細胞胰島素分泌能力，提高游離脂肪酸受體1（free fatty acid receptor 1，FFAR1）和葡萄糖激酶（glucokinase，GK）的活性，降低HepG2細胞中腺苷酸激活蛋白激酶（AMPactivated protein kinase，AMPK）磷酸化和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）表達。

當磷酸肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）與生長因子受體結合后，可激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）并使其發生磷酸化，抑制下游底物如凋亡相關蛋白B淋巴細胞瘤-2基因相關啟動子（Bcl-xL/Bcl-2asociated death promoter，Bad）、半胱氨酸蛋白酶-9（cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase-9）活性，調節細胞的增殖、分化、凋亡以及遷移。此外，Akt磷酸化同樣會激活IKK蛋白，從而參與調控NF-κB信號通路[57]。Huang等[58]研究表明口服黑米花色苷可顯著提高抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL水平，激活胰島素樣生長因子結合蛋白（insulin-like growth factor binding protein，IGFIR）/PI3K/Akt信號通路，抑制鏈脲佐菌素（streptozotocin，STZ）誘導的1型糖尿病大鼠心臟細胞凋亡。Zheng等[59]證明黑米中C3G可以通過抗氧化應激、抗炎癥反應和調節轉化生長因子-β1（TGF-β1）/phosphor-Smad2/3通路緩解糖尿病腎病。谷物花色苷作為有效緩解糖尿病發生和發展的食品功能因子，可加大其在人群實驗中的研究力度，明確花色苷發揮作用的有效劑量及具體機制。

2.6 對心血管疾病的干預作用

Chen等[60]通過構建STZ誘導的1型糖尿病大鼠模型，發現紫米花色苷提取物抑制Toll樣受體4（toll like receptor 4，TLR4）、環氧化酶（cyclooxygenase，COX-2）、IL-6蛋白表達，降低IKK、IκBα、NFκB、絲裂原活化蛋白激酶激酶1/2（mitogen-activated protein kinase kinase，MEK1/2）、MEK5和ERK蛋白磷酸化水平以及心肌肥大和纖維化相關分子標志物表達，改善大鼠心臟功能。Petroni等[61]研究發現紫玉米和紅玉米花色苷提取物可有效改善小鼠心臟組織病理學變化，降低阿霉素誘導的心肌細胞毒性。Wang等[62]發現連續6個月給予冠心病患者補充黑米花色苷，受試者血漿中可溶性VCAM-1、可溶性CD40配體（soluble CD40 ligand，sCD40L）和超敏C反應蛋白（high sensitive C-reactive protein，hs-CRP）水平均顯著降低。

2.7 神經保護作用

多項研究表明ROS是導致多種神經系統疾病的關鍵介質，花色苷可穿過血腦屏障，通過調節抗氧化通路對神經組織起到保護作用[63]。Zhang等[24]利用提取的青稞花色苷處理PC12細胞，可有效清除ROS，提高CAT和SOD抗氧化酶活性，抑制細胞凋亡，具有高抗氧化活性和潛在神經保護作用。花色苷可以改善認知能力、增強記憶力，如紫玉米花色苷提取物通過提高SOD和GSH-Px抗氧化酶活性，降低ERK1/2磷酸化水平，發揮神經保護和增強記憶的作用[64]。Lee等[65]的研究表明黑米花色苷可有效改善小鼠記憶和認知功能受損，顯著抑制大腦脂質過氧化和NO生成。利用阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）小鼠模型和帕金森氏病（Parkinson's disease，PD）小鼠模型，Maria等[66]研究發現小麥花色苷可有效延長記憶消退，減少α-突觸核蛋白積累，提高M2小膠質細胞的精氨酸酶1表達。因此，富含花色苷的谷物具有保護神經系統、預防神經退行性疾病的潛在功能。

2.8 對癌癥的影響

大量研究表明花色苷可以通過抑制細胞生長和誘導DNA損傷，引起細胞周期停滯，從而抑制多種癌細胞生長、轉移[67]。例如Aphisit等[68]發現紫米花色苷提取物可通過降低腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）、一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，iNOS）和NF-κB等促炎因子表達，抑制炎癥反應和細胞增殖，預防大鼠肝臟腫瘤發生。Candice等[69]研究證明紅玉米和紫玉米花色苷提取物通過上調促凋亡蛋白Bcl-2相關X蛋白（Bcl-2-associated X protein，Bax），下調抗凋亡蛋白Bcl-2表達，降低VEGF水平，從而抑制人結腸癌細胞增殖。Chen等[70]利用黑米花色苷處理乳腺癌細胞，可有效抑制細胞中RAF、MEK和JNK表達，下調基質金屬蛋白酶2/9（matrix metalloproteinase 2 and 9，MMP-2/9）分泌，通過靶向作用RAS/RAF/MAPK通路抑制乳腺癌細胞的轉移。由于花色苷穩定性差、生物利用度較低，通過研究花色苷改性及靶向遞送體系，有望提高人體對花色苷的吸收利用率，并精準靶向作用于癌細胞，從而增強花色苷的抗癌活性。

3 谷物花色苷產品開發與發展趨勢

3.1 包裝指示劑

對于消費者而言，普通包裝材料無法得知食品質量和新鮮度，新鮮度指示器通過與食品中微生物或其代謝產物發生化學反應監測食品的質量[71]。化學合成色素指示劑指示效果好、靈敏度高，但由于其可能存在毒性并影響消費者健康，難以應用到食品工業生產中。花色苷作為天然食品著色劑，具有安全無毒、易獲得及水溶性強等特點，在不同酸堿度或金屬離子作用下呈不同顏色，對pH變化具有廣泛的相應范圍。例如Yong等[72]利用生物聚合物添加花色苷開發的顏色指示劑薄膜，基于花色苷的pH變色特性，研制了實時監測食品質量狀況的包裝指示膜。Wu等[73]將黑米花色苷溶于殼聚糖/氧化甲殼素納米晶體，制備通過顏色變化檢測魚蝦腐敗程度的新型智能保鮮膜。此外，Qin等[74]研究發現殼聚糖中添加紫玉米花色苷可提高抗氧化、抗菌活性，成為新型食品智能包裝指示材料。但由于缺乏腐敗特征物質濃度和種類與顏色變化間的關聯機制研究，對花色苷等天然色素的挖掘不足，在一定程度上制約了花色苷在包裝指示劑領域的應用。

3.2 食品著色劑

因花色苷具有安全、來源廣泛、色澤真實等特性，被廣泛用于面包、冰激凌、飲料等食品的著色劑，以其開發的健康食品深受消費者歡迎[75]。彩色玉米富含多種花色苷，可用于不同顏色飲料的開發，其中紫色玉米含有大量酰化和甲基化花色苷，具有較好的穩定性[76-77]。Akogou等[78]的研究表明高粱花色苷在堿性條件下具有較好的色澤和熱穩定性，是飲料或其他食品著色劑的優質來源。隨著人們健康意識的提高，消費者更加傾向選擇采用天然著色劑加工的食品，天然著色劑替代人工合成著色劑也是食品行業的一個重要發展方向。因此，應大力開發挖掘天然、營養、多功能的谷物花色苷著色劑，其在食品產業中應用前景廣闊。

3.3 膳食補充劑

花色苷常作為天然色素類功能因子應用于膳食補充劑的開發，如花色苷片劑、膠囊、口服液等[79]。謝潔雯和熊艷珍等[80-81]研究證明黑米花色苷的攝入可以有效改善血脂異常患者的血脂水平，且存在明顯的劑量效應關系，膳食花色苷提取物有望成為預防心血管疾病的一個重要措施。此外，花色苷補充劑有效降低肥胖和超重人群體內促炎因子水平，可作為膳食補充劑改善相關人群的慢性炎癥[82]。當前市場上主要有越橘花色苷護眼膠囊、富含花青素的護膚品、藍莓等漿果復合飲料等花色苷產品。對于谷物而言，花色苷主要富含于特定谷物品種（紫玉米、黑米、藍小麥等），但目前對于谷物來源花色苷產品的開發利用不足，谷物花色苷用于膳食補充劑和功能食品原料的潛力巨大，今后應加強相關功能產品開發的研究。

由于花色苷穩定性較差，且在人體內的生物利用度較低，限制其功能活性及臨床應用。提高花色苷穩定性的方法主要包括：a.通過化學修飾提高花色苷對溫度和pH條件的耐受性，如酰基化、甲基化等[12]；b.利用酚酸等小分子化合物作為輔色劑，提高花色苷穩定性，如咖啡酸、迷迭香酸等[83]；c.利用蛋白質、多糖、脂質等天然生物大分子對花色苷進行微膠囊化包埋，如海藻酸鈉、乳清蛋白等[84]。制備微膠囊、納米顆粒、乳液等的遞送載體，可大幅提高花色苷穩定性及生物利用度，同時具有較好的生物相容性、安全、無毒等優勢，是開發利用花色苷類食品功能因子的主要研究方向之一。例如以海藻酸鈉為壁材，以黑米花色苷為芯材制備花色苷微膠囊，實現花色苷在腸道內釋放，利于發揮花色苷的功能活性[85-86]。

4 結語

谷物花色苷在食品和醫藥工業中具有廣闊的應用前景，本文綜述了不同谷物花色苷的含量及分布，討論了花色苷的營養干預機制及相關產品的開發利用現狀。目前研究表明谷物花色苷通過調控Nrf2、NF-κB、MAPK等信號通路，顯著改善糖尿病、心血管疾病、視網膜疾病和癌癥等慢性病的發生和發展。基于花色苷物理特性開發的新型智能包裝材料、著色劑等，及基于花色苷生物功能活性開發的膳食補充劑已在食品、醫藥領域廣泛應用。因多數花色苷穩定性較差、生物利用率較低，其含量和功能活性極易受加工影響，在一定程度上限制了花色苷在健康食品產業中的應用。未來應進一步研究加工過程中提高花色苷穩定性的方法，通過優化遞送系統提高花色苷在體內的穩定性和生物利用度，明確花色苷在體內的關鍵作用靶點及與腸道菌群的互作機制。