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树莓花色苷研究进展

2011-04-12王远辉王洪新

食品工业科技 2011年6期
关键词:矢车菊糖苷树莓

王远辉,王洪新

(江南大学食品学院江苏无锡214122)

树莓花色苷研究进展

王远辉,王洪新*

(江南大学食品学院江苏无锡214122)

树莓果实富含花色苷,树莓花色苷具有自身结构特点,已被证实有多种生理活性,受到食品、药品、化妆品等行业青睐。迄今为止国内外专家学者对树莓花色苷做了一些有意义的研究,为树莓花色苷的开发利用奠定了坚实理论基础,但仍有许多关键领域要探索。本文介绍了近十年关于树莓花色苷提取、分离纯化、生理活性、代谢和稳定性等方面的研究现状,为以后深入研究提供参考。

树莓,花色苷,分离纯化,生理活性,代谢

花色苷(anthocyanin)是一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素,是花青素(anthocyanidin)糖苷的衍生物。树莓(raspberry)又称木莓、托盘、覆盆子等,属于蔷薇科(Rosaceae)悬钩子属(Rubus)植物,主要种植品种是欧洲红树梅(Rubus idaeus)和美国黑树莓(Rubus occidentalis)[1]。现代医学研究证实,树莓有抗氧化、抗菌、抗炎症、抗肿瘤、抗肥胖、预防心血管和美白皮肤等生理活性,目前研究证实树莓是花色苷的重要来源植物,花色苷是树莓的主要功能成分,含量超过500mg/kg,远远高于苹果、葡萄等常见水果[2]。树莓花色苷因具备有益健康的潜质而被学界重视,近些年国内外学者对树莓花色苷做了一些有意义的研究。本文介绍树莓花色苷组成类型,提取、分离、纯化和鉴定的方法,生理活性,代谢,稳定性等方面的研究现状,并对未来研究方向提供参考。

1 树莓花色苷组成

自然界花色苷种类繁多,已知的约有600多种。红树莓中花色苷主要有矢车菊-3-葡萄糖苷和矢车菊-3-槐糖苷,两者占总花色苷70%以上,还含有少量的天竺葵-3-葡萄糖苷,矢车菊(天竺葵)-3-双葡萄糖苷,矢车菊(天竺葵)-3-芸香糖苷,矢车菊(天竺葵)-3-葡萄糖芸香糖苷,矢车菊(天竺葵)-3,5-双葡萄糖苷和矢车菊(天竺葵)-3-芸香糖苷-5-葡萄糖苷等[3]。黑树莓中花色苷主要有矢车菊-3-木糖芸香糖苷(占49%~58%),矢车菊-3-芸香糖苷(占24%~40%),其他含量较少的有矢车菊-3-接骨木二糖苷、矢车菊-3-葡萄糖苷和天竺葵-3-芸香糖苷等[4]。总体而言,树莓花色苷多数是非酰基化的单糖苷,花青素部分主要是矢车菊色素,天竺葵色素含量极少,糖苷部分主要有葡萄糖苷、芸香糖苷和槐糖苷。黑树莓的花色苷含量高于红树莓,不同品种树莓所含的花色苷类型差异较大,说明树莓花色苷类型众多。目前报道多是国外树莓品种的花色苷组成,未见我国野生品种相关报道,需要深入研究。

2 树莓花色苷的提取、纯化和鉴定

树莓花色苷的传统提取方法是溶剂提取法,溶剂多选择水、甲醇、乙醇、丙酮或者混合溶剂等。传统方法提取时间长,生产效率较低,且热溶剂容易造成花色苷降解以及生理活性的降低。国外提取花色苷的传统方法是采用低温(4~8℃)或者常温(25℃)避光条件下进行。为增加提取效率,近些年学者们提出了微波、超声波、加压、超高压、高压脉冲电场、γ-射线辐照等辅助提取技术,另有学者还研究了亚临界水提取、超临界提取、微生物发酵法和酶法提取技术等[5]。单一提取技术利弊不一,许多学者也尝试将不同方法联合应用,取长补短。总体上讲,提高树莓花色苷提取率要做到两点:一是通过各种作用力破坏细胞壁或细胞膜,使细胞内的花色苷更好地释放,如各种辅助提取和酶法提取;二是改变提取剂的极性,使花色苷最大限度的溶出,并保持其生理活性,如亚临界水提取和超临界提取技术。虽然学者对花色苷的新提取技术研究较多,但是多处在实验室研究阶段,要应用到工业生产中还需要大量工作。

分离纯化树莓花色苷常见方法是利用柱层析和高效液相色谱分离技术,柱层析通过各种树脂来去除提取物中糖、有机酸、矿物质及其他水溶性杂质,再利用高效液相色谱将不同的花色苷进行分离[6]。传统的分离纯化方法有纸层析和薄层层析,但分离后难收集,现在已很少使用。膜分离作为重要的分离技术,但是只在花色苷浓缩时有所应用[7]。其他方法还有高速逆流色谱、基质固相萃取、毛细管电泳和活性黏土吸附法等[8],这些新技术应用于树莓花色苷仍需研究。总结前期研究发现,要分离得到纯度比较高的花色苷或者花色苷单体,通常使用2种或者2种以上的分离纯化技术,或者将多种方法联用以获得理想结果。树莓花色苷要广泛应用,最重要的是开发工业化的分离纯化技术,目前高速逆流色谱拥有批量制备花色苷的潜质,值得深入研究。

树莓花色苷种类繁多,花色苷的鉴定对人们研究其构效关系具有十分重要的意义。目前,HPLCMS在树莓花色苷鉴定中应用最为广泛,结合HPLC的高效快速分离能力和MS的高分辨能力可以很好地分离鉴定多种花色苷,此法也克服了缺少花色苷标准品的缺陷,大大提高了花色苷鉴定的准确性[9]。Tian 等[10]利用 HPLC-ESI/MS-MS 分析鉴定黑树莓中4种花色苷。光谱分析中,紫外-可见光谱法很早就被人们应用于花色苷的结构鉴定,因其成本低、操作简单应用较多;但组成过于复杂时不能准确推断花色苷种类,且与HPLC-MS鉴定结果存在较大误差。核磁共振法是有机结构鉴定的重要手段之一,但鉴定时需要大量纯化样品,获得数据需要较长时间,限制其应用[11]。毛细管区带电泳法最近发展迅速,具有更短的保留时间、更少的溶剂消耗量、更高的分离效率、更短的分析时间和更低的成本,但其灵敏度不及HPLC,而且达不到HPLC分离复杂化合物的范围,毛细管区带电泳法是否适合树莓花色苷还需进一步探讨。还有学者将花色苷水解,解离成花青素和糖苷分别鉴定,此法对结构复杂的花色苷有一定的参考价值。目前仍有较多实验使用紫外-可见光谱法鉴定[12],准确性值得怀疑,为保证数据可信度,未来研究中具体使用何种鉴定方法需要引起重视。

3 树莓花色苷的生理活性

现代研究证实树莓对癌症、心血管疾病、II型糖尿病、肥胖、皮肤色素沉积以及炎症反应和氧化损伤具有预防作用[13]。树莓的这些生理活性都源于所含的功能活性成分,即花色苷和鞣花单宁[14]。研究生理活性主要通过体外实验、动物实验和人体实验。

在体外实验方面,花色苷的抗氧化能力是热点,Aguirre等[15]证实红树莓花色苷的抗氧化能力强于红酒和葡萄皮中的。红树莓花色苷通过有效清除自由基,抑制脂质和低密度脂蛋白以及内皮细胞氧化损伤,有抗动脉硬化和抗炎作用,可能是保护心血管因子。但也有报道称红树莓花色苷对血管张力作用很小,可能某些具有特殊结构的花色苷才起作用。许多研究发现树莓提取物能够减缓癌细胞生长,花色苷已被证明能降低环氧合酶2的表达和酶活性,能达到抗人类肿瘤细胞增殖作用。黑树莓提取物可以减少血管内皮生长因子的表达,这种因子促进血管生成是肿瘤转移的关键一步[16]。在体外研究中还发现矢车菊-3-葡萄糖苷可减少致癌物质引起的直肠肿瘤,矢车菊-3-葡萄糖苷在树莓花色苷中占很大比例。

在动物实验方面,动物模型被用于验证天然产物在动物体内的作用。有研究称矢车菊-3-葡萄糖苷对改善血浆氧化压力没有效果,而另有研究发现树莓花色苷可以提高血浆抗氧化能力。另有报道增加饲喂量,不只是血浆抗氧化能力提高,肝脏脂质和DNA氧化损伤也都明显下降[17]。有研究发现波森莓花色苷在豆油饮食诱导的氧化应激反应中,明显降低了蛋白质、脂类和DNA的氧化损伤,在鱼油饮食中可明显减少脂质过氧化。这项研究周期为12周,属于短期研究,而长期影响尚不清楚,波森莓的花色苷与树莓花色苷组成非常相似,若将树莓花色苷作为补充人体内源性抗氧化防御系统的补充剂,可能对预防慢性疾病起到作用,值得深入研究。预防糖尿病和肥胖是天然产物研究的新领域,树莓提取物可通过抑制碳水化合物消化来控制肥胖者体重增加,其他植物花色苷被发现与R-淀粉酶反应,也可诱导胰岛素分泌,以及提高脂肪细胞功能,这些都是改善肥胖的因素。Prior等[18]发现黑树莓花色苷能降低高脂小鼠的体重,而且高脂小鼠的心、肝和肾在体重的比例较低脂小鼠低,高脂小鼠的附睾和腹膜脂肪量比低脂小鼠高,血清胆固醇、甘油三脂和单核细胞趋化蛋白-1不被影响。还有研究发现树莓花色苷能预防胃肠道癌症,可能是因为这些组织与花色苷消化过程密切联系。很少有证据表示树莓花色苷对其他癌症有保护作用,与其不易吸收,并迅速排出体外不无关系。花色苷在组织中积累情况的研究可能会有新发现,已证实花色苷可穿越血脑屏障,并在大脑某些区域积累。有研究发现冻干蓝莓粉摄入后对缺氧缺血造成的大鼠海马神经元损失具有保护作用。也有实验证明,蓝莓花色苷沉积在脑组织中与认知空间学习记忆、改善神经功能和运动表现相关的区域。当饲喂不同浆果时,不同浆果对大脑的影响类型和位置不同,相信树莓花色苷对大脑功能影响也有独特之处,值得深入研究。

在人体研究方面,黑树莓研究较多。Kresty等[19]将冻干黑树莓粉给予巴雷特食管癌病人,发现癌变前DNA氧化损伤明显下降。Mallery等[20]研究黑树莓生物粘附凝胶在口腔癌病变前的效果,食用6周后显著降低环氧合酶2水平,RNA的循环合成和生长因子的基因表达,诱导细胞凋亡,其中一个病人还出现了病灶微血管密度减少的现象。运动诱发氧化应激的自行车运动员饮用树莓饮料后蛋白质和DNA氧化水平均较对照组明显下降[21]。有关于其他植物花色苷减少餐后氧化应激反应的报道,但没有关于树莓花色苷的。但是,也有研究发现树莓汁做的液体状食物经过2周的实验没有对氧化应激反应产生任何影响。总之,研究膳食抗氧化剂的抗氧化能力时,可在饮食、运动诱导或高疾病风险的不健康人群的氧化应激状态下进行。Weisel等[22]发现饮用红树莓汁4周后可改善健康成年男性的谷胱甘肽水平,并减少体内的DNA氧化损伤。而大量研究并未发现显著影响,可能是因为实验在健康人群中进行时,空腹采集血样,周期短。如果要研究健康人群的保健作用,必须进行长期研究或者在高危人群中研究。

近几十年关于花色苷生理活性的研究较多,而树莓花色苷研究有限,其中黑树莓研究远多于红树莓,而浆果的花色苷组成有类似之处,浆果花色苷的研究对树莓花色苷的研究有一定的借鉴价值。体外实验证实花色苷有多种生理活性,而动物实验有限,人体实验更少。因树莓花色苷组成多样,树莓中成分复杂,食品和饮食组成多变,人或动物体内环境的差异都会影响花色苷的生物活性,要揭示作用机理还需要作大量研究。

4 树莓花色苷的代谢方式

花色苷摄入后,在体内的吸收和生物利用情况限制其活性发挥,树莓花色苷的体内代谢是重要的研究方向。由于花色苷属于极性化合物,曾被普遍认为难于被消化道吸收。McDougall等[23]发现红树莓花色苷在体外消化系统不稳定。而体外实验还发现肠道组织吸收的不同,在空肠中吸收,在十二指肠轻度吸收,在结肠和回肠没有吸收。

众多药理研究表明,在动物体内花色苷确实能够起到明显的作用,树莓花色苷的研究主要集中在吸收方面。花色苷在摄入后很快被吸收,最大血清浓度是在15~60m in后达到。现有研究表明花色苷的主要吸收部位是胃和小肠,花色苷在胃中是稳定的,它们在胃中被直接吸收进入血液解释了它们的快速吸收和血清含量短暂增加的现象。花色苷与胆位移酶反应为胃吸收机制提供了一种合理解释。现在研究推断花色苷在胃中吸收的主要途径是通过钠-葡萄糖主动运输或花色苷基团边缘糖苷被水解。Wu[24]发现含有二糖苷或三糖苷的花色苷在胃肠道比单糖苷消失得慢,天竺葵只有单葡萄糖苷形式被吸收,并未被甲基化。Prior等[18]发现含有二糖苷和三糖苷的花色苷以原型被排出,这些说明除了单糖苷,其他形式的花色苷都不被吸收或者不被代谢,糖苷的形式影响花色苷的吸收和代谢。He等[25]研究发现黑树莓花色苷在胃腔内随时间呈线性降低,在小肠吸收量达到摄取量的7.5%,这远高于之前报道的。当花色苷与其他食物一起食用时,特别是高脂食物,将推迟胃排空,4h血清浓度达到峰值。花色苷在肠容物中相对稳定,矢车菊-3-葡萄糖苷的选择性减少可能是因为肠内β-葡萄糖苷酶活性所致。

目前花色苷的生物转化研究较少,主要是通过排出体外的代谢产物形式来推断花色苷在体内的生物转化。现有研究发现花色苷进入生物体后,除了部分以原形排出外,吸收入血浆的花色苷还通过羟基的甲基化与葡萄糖醛酸或硫酸结合成酯而进行代谢。Tian等[26]分析摄入高剂量黑树莓花色苷志愿者的尿样,发现与样品相比尿中矢车菊-3-木糖芸香糖苷比矢车菊-3-芸香糖苷含量高很多,说明甲基化是花色苷在人体的主要代谢途径,糖苷基团的结构影响甲基化模式。Kay等[27]发现人体摄入矢车菊素糖苷(半乳糖苷、阿拉伯糖苷、木糖苷和葡萄糖苷)后,尿和血清中至少有10种花色苷代谢物,包括葡萄糖醛酸结合物、矢车菊-3-半乳糖苷的甲基化和氧化衍生物以及矢车菊素苷元与葡萄糖醛酸的结合物。花色苷暴露于肠道中微生物造成苷元快速去糖基化和去甲基化,苷元在中性pH不稳定,通过解离C环迅速降解为相应的酚酸类物质和醛类。Tsuda等[28]发现大鼠在摄入矢车菊糖苷后血浆原儿茶酸浓度显著上升,这比原浓度高8倍。Aura等[29]也提出原儿茶酸作为花色苷人体代谢物,他们发现原儿茶酸是人体粪便细菌代谢花色苷的代谢副产物。这种化合物在人体的鉴定可能为研究花色苷代谢开辟新的思路。

当树莓汁灌胃给予小鼠后立刻检测,没有在肝、肾或脑部组织提取物发现花色苷,McGhie等[30]发现受试者食用波森莓后,尿液样本中矢车菊-3-葡萄糖芸香糖苷、矢车菊-3-芸香糖苷、矢车菊-3-槐糖苷和矢车菊-3-葡萄糖苷的含量比波森莓中少得多。花色苷吸收的比尿液中回收得多很多,说明花色苷可能在组织中沉积。花色苷具有高水溶解度,当他们遇到细胞,就会穿过细胞膜,进入细胞内部。kalt等[31]在猪饲料中加入蓝莓,持续4周后在猪的肝脏、眼睛、大脑皮质、小脑都发现花色苷。因此推断花色苷在组织内的积累需要长期摄入。每种花色苷在不同组织有不同的相对含量,矢车菊素在皮质和肝脏中比飞燕草素多,这可能是因为组织选择性地积累某种花色苷,或者是花色苷在不同组织之间稳定性变化。Ugalde等[32]研究发现在唾液和口腔细胞中花色苷水平远高于血浆,花色苷在靶位置稳定,pH影响花色苷分布和在口腔内的分解和代谢。Ling等[33]监测人唾液、血浆和口腔组织匀浆中的4种黑树莓花色苷,并用药理学实验评估黑树莓花色苷生物粘附凝胶在后下颌牙龈特定黏膜位置的局部应用影响,衡量唾液和组织中的黑树莓花色苷水平,证实凝胶交联花色苷随机分布在唾液中,且容易穿透人口腔黏膜。Stoner等[34]将冻干黑树莓粉给予11个志愿者食用7d,发现矢车菊-3-葡萄糖苷和矢车菊-3-芸香糖苷通过血浆运输,比矢车菊-3-接骨木花糖苷和矢车菊-3-木糖芸香糖苷排泄快,但是,并没有对代谢物进行检测。

总而言之,花色苷的吸收和代谢与花色苷的结构有很大关系,其中影响的不只是苷元的结构,还有糖苷基团的形式。然而,花色苷的代谢途径和机理没有完全被揭示,示踪技术将对花色苷药代动力学研究会有很大帮助,跟踪其在体内的代谢路径。

5 树莓花色苷的稳定性

树莓花色苷具有多种生理活性,在树莓加工处理后能否保持花色苷活性才是关键,因此树莓花色苷的稳定性被科学家关注。

首先介绍树莓花色苷的最基础作用-色素。树莓果拥有诱人的颜色(如黄、红、紫和黑等),这些主要由花色苷产生。花色苷颜色的稳定性受多种因素影响,然而,树莓颜色并没有消失,原因就是花色苷可以与其他物质产生共色作用。共色作用被认为是能改善花色苷结构稳定性的一个显著因素,分子内共色和分子间共色是两种最重要的共色机制,在树莓中,分子间共色比分子内共色更加普遍,因为在树莓中缺乏酰基化的花色苷。大量研究发现在高等植物中,发生分子间共色的辅色剂以类黄酮和多酚类为主,而树莓中多酚类成分丰富。Sun等[35]发现红树莓中的矢车菊-3-葡糖苷和矢车菊-3-槐糖苷与阿魏酸在pH为4,花色苷/呈色剂为1∶100时达到最大共色效果,芥子酸和阿魏酸的共色效果比咖啡酸、香豆酸和没食子酸好,并发现低温有利于共色反应。树莓在生长过程中果实的颜色随着成熟度变化,原因是不同生长期花色苷含量和种类也在变化,成熟后期花色苷含量急速增加,种类也增多。Salinas-Moreno等[36]研究发现红树莓果在未成熟时只含有4种花色苷,在完全成熟时有8种。

天然树莓易腐败、难保存,为了树莓能长期供应市场,树莓需冻藏或加工成果酱、饮料等,而这些过程中花色苷可能会发生结构改变或降解,影响其活性,所以稳定性成为一个重要研究方向。大量的研究证实花色苷不稳定的原因分内在和外在两类,内在因素就是花色苷的化学结构,甲基化程度高,羟基化程度低,糖基化程度高,稳定性就高,因此矢车菊素的稳定性并不高。Ancos等[37]研究发现红树莓中矢车菊-3-葡萄糖苷在储藏过程中最容易降解。外在因素有温度、pH、光、金属离子、氧、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物等。Ancos等[37]还发现在冻结过程中和储存在-20℃一年,红树莓花色苷变化情况因品种不同而不同,早熟品种受影响小。Suthanthangjai等[38]将红树莓经过不同高静水压(200、400、600、800MPa)处理15m in后,储存在4℃下,花色苷损失最少,因为在这个温度下β-葡萄糖苷酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性最低;在同一温度下,经过400MPa和600MPa高静水压处理花色苷损失最大,因为此压力下酶失活最少。Kim等[39]研究发现在红树莓果酱的热加工过程中花色苷保留86%,高温、长时间和高糖分都会加速花色苷降解,低pH下花色苷稳定性较高。

随着花色苷市场需求的日益增加,科学家积极探索保持其稳定性的方法和途径,主要方法有花色苷酰基化、添加辅色剂、微胶囊化等。最常见的是将花色苷与辅色剂反应形成酰基化的花色苷,对pH的改变、热处理和光照等均表现出很强的稳定性。还有通过酰化转移酶作用和组织培养增加花色苷的酰基化程度。另有利用先进的微胶囊技术将花色苷包埋在微胶囊中,增加其稳定性,在胃液中具有缓释效果。在储藏和加工过程中,也有学者提出保持树莓花色苷稳定性的措施,常采用冻藏或低氧量气调储藏,Sousa 等[40]发现树莓经过 100mmol/L CaCl2处理冻藏24d,花色苷含量略微增加。Haffner等[41]发现树莓储藏在10%O2+15%CO2或10%O2+31%CO2条件下花色苷有略微升高。Kopjar等[42]发现低甲氧基果胶加入树莓果酱可保持花色苷含量,添加不同浓度的果胶对花色苷含量也有影响。

目前已有大量关于花色苷稳定性的研究,与树莓花色苷相关的不多,而且都是储藏和加工过程对树莓花色苷的影响,关注重点在树莓感官价值,涉及提高稳定性的较少,有待深入探讨。

6 结语与展望

树莓在浆果市场中占有重要地位,因其理想的低热量、低脂肪、低饱和脂肪酸和高纤维的营养特点被消费者喜欢。树莓中具有很高的花色苷含量,花色苷既有助人类健康预防慢性疾病,又可作为天然食用色素,被食品、药品和化妆品行业的专家学者关注,虽然过去几十年各国学者对树莓花色苷的研究取得了可喜的成果,但是若干关键领域仍有待探索。其中包括:a.寻找并推广花色苷含量满足各种需求的优良树莓品种;b.研究开发新型高效的树莓花色苷提取、分离纯化技术,最终实现工业化生产;c.建立精确鉴定树莓花色苷类型的检测方法;d.针对不同地区的树莓花色苷消费和慢性疾病的发病率之间的流行病学研究;e.进行树莓花色苷的药代动力学研究,以评估其生物利用度,组织分布,生物半衰期以及代谢;f.研究树莓花色苷与树莓中的其他成分以及与其他食物成分之间的相互协同和补充作用;g.研究调查树莓花色苷的生理作用机制;h.通过短期人体研究评估疾病(如心血管疾病、癌症和肥胖)的早期生物标志物;i.通过健康群体和高危群体进行长期人体研究,调查树莓花色苷预防慢性疾病的作用;j.研究确定树莓花色苷的安全、可容忍和预防疾病的摄入量。可以相信随着产量增加、研究深入,树莓花色苷将在未来将得到广泛的开发和应用。

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Research progress in anthocyanin in raspberry

WANG Yuan-hui,WANG Hong-xin*
(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

Raspberry fruit was rich in anthocyanin,the structure of raspberry anthocyanins had their special characteristics.Raspberry anthocyanins had a variety of biological activity and were paid attention by food,pharm aceutics,cosmetics and other industries.At persent,domestic and foreign experts and scholars had done some interesting researches to lay solid theoretical foundation for the development and utilization of raspberry anthocyanins,but there were stillmany key areas to be explore.This paper introduced research status of raspberry anthocyanins about extraction,purification,biological activity,metabolism,and stability in recent years,and provided a reference for in-depth study in the future.

raspberry;anthocyanin;purification;bioactivity;metabolism

TS201.2

A

1002-0306(2011)06-0474-06

2010-08-17 *通讯联系人

王远辉(1983-),男,博士研究生,研究方向:食品功能因子开发。

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