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蓝莓花色苷的研究进展

2011-08-02冷吉燕邵明柏吉林大学第一医院干部病房吉林长春130021

中国老年学杂志 2011年17期
关键词:花色花青素蓝莓

冷吉燕 张 婧 邵明柏 (吉林大学第一医院干部病房,吉林 长春 130021)

蓝莓(Blueberry),又名越桔、蓝浆果、红豆果等,为杜鹃花科(Ericaceae)越桔属(Vaccinium spp.)多年生落叶或常绿果树,呈灌木。在栽培学上,蓝莓属小浆果类果树。蓝莓共有450多种不同的品种,主要的优良品种有兔眼蓝莓、高丛蓝莓、半高丛蓝莓和矮丛蓝莓,分布于亚寒带、温带及亚热带。我国的大、小兴安岭山区有野生蓝莓,近年已进行人工驯化栽培。源生于北美洲者泛称美国蓝莓,约百年前已开始人工栽培。蓝莓果实为浆果,呈深红、紫红、蓝紫色或黑色,近圆形,单果重一般在0.5~2.5 g之间,最大可达3.5~5.0 g。蓝莓果中含有丰富的营养成分,除含有一般水果中的有机酸、维生素和矿物质外,还含有丰富的不饱和脂肪酸及微量元素Mn、Cu、K、Fe等,维生素K1和B族维生素在蓝莓果中含量尤为突出。据对从美国引进的14个品种鲜果分析,其一般主要营养成分(每100 g鲜果)含有〔1〕:蛋白质 400 ~700 mg,脂肪 500 ~600 mg,碳水化合物12.3 ~15.3 g,VC 10 mg,VA 81 ~100 IU,VE 2.7 ~9.5 μg,超氧化物歧化酶(SOD)样物质 5.39 IU,Ca 220 ~920 μg,P 98~247 μg,Mg 114~249 μg,Zn 2.1~4.3 μg,Fe 7.6~30.0 μg,Cu 2.0~3.2 μg。蓝莓果内含有多种活性物质,如原花青素、花色苷、黄酮醇、酚酸等,因而也具有许多生物活性。

1 蓝莓花色苷

花色苷(anthocyanins)是自然界最重要的一种水溶性的色素之一,分布于27个科,72个属的植物中。花色苷是花青素与各种糖结合而成的黄酮多酚类化合物,具有特征性很强的C6C3C6碳骨架和相同的生化合成来源,但因其能强烈吸收可见光而区别于其他天然黄酮类化合物。花青素的基本结构为3,5,7-三羟基-2-苯基苯并吡喃,结构式见图1。

现在已知的花青素有二十多种,其颜色随pH值不同而改变,在酸性条件下呈红色,在(近)中性条件下呈无色,在碱性条件下呈蓝色。花青素的颜色随pH值不同而改变的原因是由于在不同pH值条件下其分子构型不同。由于花青素不稳定,在植物中主要以花色苷(即配糖体)存在〔2〕,与花色素成苷的糖主要有葡萄糖、半乳糖,阿拉伯糖、木糖、鼠李糖和由这些单糖构成的二糖和三糖。花色苷也存在甲氧基化形式,甲氧基化的位置多数位于C-3'和C-5'。花色苷也经常以酰化的形式存在,最常见的酰化形式是酰化取代基与C-3位的糖键合,或与C-6位的羟基酯化。最早而最丰富的花青素是从红葡萄渣中提取的葡萄皮红,它于1879年在意大利上市〔3〕。花青素作为一种天然色素,安全无毒、可食用且资源丰富,具有一定的营养和药理作用。

图1 花青素的基本结构

2 蓝莓花色苷的种类及含量

蓝莓中花色苷的含量很高,原果含量达到3.86%(果皮4.61%,汁1.29%),是其最重要的生物活性成分。蓝莓花色苷常见的有15种,即花青素(cyanidin),翠雀花素(delphinidin),锦葵花素(malvidin)、芍药花甙元(peonidin)和矮牵牛甙元(petunidin)等5种甙元与葡萄糖、阿拉伯糖和半乳糖3种糖基所组成的单糖至三糖苷。此外,还有天竺葵苷元(pelargonidin)和鼠尾草苷元(salvidin)等〔4〕。不同品种的蓝莓所含花色苷的种类与含量不同,因此蓝莓果果皮呈深红-黑色的差异。而且,栽培地域的土质、年份、树龄、收割期等的不同,也会使蓝莓中所含花色苷有很大的差别。有关资料显示〔5〕,野生种蓝莓的花色苷含量可高达0.33~3.38 g/100 g鲜果,而栽培种蓝莓花色苷含量最低的仅为0.07~0.45 g/100 g鲜果。其中北欧的Bilberry(Vacciium myrtillus L.)果实的花色苷含量最高,约是加拿大产矮丛蓝莓的2倍,栽培种高丛的3倍。

3 蓝莓花色苷稳定性研究

花色苷很不稳定,其结构对其本身稳定性影响很大。一般来说,2-苯基苯并吡喃阳离子结构中羟基数目增加则稳定性降低,而甲基化程度提高则有利于提高稳定性〔6〕。游离羟基的糖苷化可增加其稳定性,防止水化平衡转换引起的花色苷的失色,对花色苷的色泽稳定性起到保护作用。酰基化花色苷的芳香酸和一些脂肪酸有稳定花色苷的作用,酰基的空间位阻使花色苷不易受到水的攻击。此外,C4位上如果被取代也将有利于花色苷的稳定,因为这样可以防止水加成,也防止二氧化硫导致的褪色〔6〕。花色苷的稳定性还与加工和贮藏过程中的一些理化因子如pH、温度、光、氧、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物、二氧化硫、氨基酸、酚酸、金属离子、加工方法等有关〔9〕。研究表明,蓝莓花色苷适合在酸性条件下(pH<3)使用、保存;对热、光照都很敏感;对氧化剂H2O2及还原剂Na2SO3的耐受性都很差;防腐剂苯甲酸钠及蔗糖、葡萄糖对蓝莓花色苷有较好的护色作用;大多数金属离子对花色苷有很好的护色效果,只是不同的离子浓度影响程度不同。而Al3+对花色苷有一定的影响或破坏作用〔7〕。

4 蓝莓花色苷的提取纯化

李知敏等〔1〕研究表明,蓝莓花色苷的最佳提取条件为:温度50℃,料液比1∶10,提取时间1h,醇浓度为75%。采用薄层检测方法来评价纯化树脂的选择,从花色苷含量上来看,聚酰胺为最佳的分离花色苷的树脂。应用聚酰胺进行分离,可使黄酮类化合物与花色苷、黄酮类化合物之间、花色苷类化合物之间得到较好的分离。同时,聚酰胺对花色苷类物质的吸附性较小,这一特点有助于提高花色苷类化合物的得率。王兆雨等〔8〕研究表明,以蓝莓果为原料采用乙醇浸提法提取花青素,确定的最佳提取条件为pH 3.5、浸提温度50℃、浸提60 min,浸提剂乙醇浓度为50%,提取1次,该条件下提取率为5.8%。刘玮等〔9〕研究表明,大孔树脂纯化蓝莓果渣总黄酮效果良好,使其纯度从10.5%提高到53.5%,提高了4.8倍。利用分光光度计法测定蓝莓果渣黄酮的精密度、稳定性、重现性良好,加样回收率达100.6%,说明该方法适合用于测定蓝莓果渣总黄酮。在油脂的抗氧化性实验中得出,经过纯化后的黄酮类物质,其抗氧化性显著增加。刘红锦等〔10〕研究表明,采用不同浓度的乙醇溶液分别提取蓝莓鲜果液,测定各提取物中的总黄酮、花色苷含量,结果表明:60%乙醇溶液提取物中总黄酮和花色苷含量最高,分别为(3.94 ±0.19)mg/g、(1.26 ±0.11)mg/g。李颖畅等〔11〕通过对9种大孔树脂的静态吸附研究,发现HPD-600型大孔树脂是一种比较理想的树脂,吸附率大,解吸率高,较适合蓝莓叶中黄酮类成分的纯化。

5 蓝莓花色苷的吸收及代谢

花色苷具有较大的疏水性,可以通过被动扩散透过生物膜而被吸收,其主要吸收部位在胃和小肠。胃的酸性环境和较小的胃黏膜吸收面积,大多数药物吸收较差,但花色苷可在胃部被快速吸收〔12〕。给予大鼠花色苷后,约25%的花青素单糖苷(葡萄糖苷或半乳糖苷)从胃中吸收〔13〕。此外,糖苷形式存在的花青素为亲水性化合物,虽然相对分子质量较大,但研究表明可以直接被小肠吸收〔14〕。花色苷的化学结构也影响其吸收和代谢。Wolffram等〔15〕通过给予刚断乳小猪不同水果的冻干粉,发现不同的苷元和糖基能够改变花色苷的表观吸收。在拥有相同苷元的花色苷中,口服15 min后血浆水平为半乳糖苷>葡萄糖苷>阿拉伯糖苷〔16〕。花色苷的吸收机制尚不完全清楚,目前认为胆移位酶(bilitranslocase)可能参与花色苷的吸收,胆移位酶存在于胃壁上皮细胞,是一种有机阴离子转运载体〔17〕。花色苷在消化器官进行甲基化或与葡萄糖醛酸结合后进入血液循环,18 h左右完全代谢,在各组织中均检测不到花色苷〔6〕。除了部分以原形排出外,吸收入血的花色苷还通过酶转化、甲基化或合成酯从尿液、胆汁和粪便排泄。

6 蓝莓花色苷的生物活性

6.1 抗氧化,清除自由基作用 花色苷具有未配对电子,是氢的供体,能有效清除多种活性氧自由基,具有极强的抗氧化活性〔18〕。研究表明在14种花色苷中,花青素具有最高活性,其活性比传统抗氧化剂维生素E强得多〔19〕。Goyarzu等〔20〕发现服用添加2%蓝莓的饲料4个月,可预防老年大鼠(Fischer-344 rats)的认知失常,并提升反应氧化压力的蛋白质,降低脑中核因子B(NF-kappa B)。McGuire等〔21〕证实,饲料中加2%蓝莓提取物可以使移植到老年鼷鼠脑部多巴胺神经细胞存活更久。由于多巴胺神经细胞对氧化压力的敏感性高,所以其存活延长是抗氧化作用的结果。Wolfe及Liu等〔22〕在人类肝癌细胞中测定将dichlorofluorescin氧化成dichlorofluorescein而呈现荧光的研究中,发现在不同水果中,蓝莓的抗氧化能力最高,其次为小红莓、苹果及红葡萄,再次为绿葡萄。Wang等〔23〕认为蓝莓的挥发油,可以抑制微生物的生长、预防蓝莓的腐烂,加强绿原酸及花色苷的抗氧化作用。Youdim等〔24〕的研究显示,花色苷可以进入内皮细胞发挥抗氧化作用。草莓中花色苷对神经细胞具有保护作用〔25〕。这些研究结果提示,花色苷是良好的天然抗氧化剂,通过清除体内过多的自由基,抑制脂质过氧化,预防自由基或脂质过氧化造成的各种疾病,发挥抗疲劳、抗辐射损伤、抗衰老等作用。

6.2 抗突变、抗癌作用 Yoshimoto等〔26〕的研究证实,花色苷具有很强的抗致突变能力。Seeram等〔27〕分析不同莓所含的多酚物(花色苷、黄酮醇、黄烷醇、没食子鞣质、前花青素、酚酸),并测定对人类口腔、乳、大肠、前列腺癌细胞株的作用,发现在25~200 μg/ml浓度下对不同癌有不同程度的抑制作用。Suh等〔28〕发现蓝莓所含的蝶二苯乙烯(紫檀芪),对雄Fisher 344大鼠因化学致癌物(azoxymethane)引起的大肠癌(畸型腺管病)有抑制作用。Boivin等〔29〕发现矮丛及紫叶蓝莓可抑制胃、前列腺、肠、乳癌细胞株的生长(高丛蓝莓抑制作用不高),其抑制作用的原因为抑制细胞周期。Pan等〔30〕发现蓝莓成分蝶二苯乙烯可使人类胃癌细胞凋亡。花色苷已被证明具有抗癌活性,体外研究表明有预防多种体内细胞类型的癌症及肿瘤作用。体外研究发现,花青素潜在预防癌症的作用,与清除自由基,刺激第二阶段的解毒酶,减少细胞增殖、炎症、血管生成和侵袭以及诱导细胞凋亡和分化等作用机制有关〔31〕。

6.3 降血糖作用 用花色苷喂饲大鼠1 h后血浆中葡萄糖浓度显著低于对照组,Pinentm等认为花色苷通过在肠道内延缓葡萄糖的吸收,以及增加对胰岛素的敏感性而发挥降糖作用〔32〕。Martineau 等〔33〕发现蓝莓的根、茎、叶、果乙醇提取物可加强对肌肉细胞、脂肪细胞对葡萄糖的摄取、刺激Tc-tet胰岛β细胞的胰岛素分泌、促进脂肪细胞脂质的聚集、抑制大量葡萄糖引起的肾上腺嗜铬细胞瘤细胞株(PC12)细胞凋亡等作用。所以蓝莓含有似胰岛素或胰岛素增敏剂性质的物质可降血糖、促进胰岛素分泌。Abidov等〔34〕用含250 mg蓝莓叶提取物(含50 mg绿原酸、50 mg杨梅树皮素)对2型糖尿病病人进行临床疗效评估。在4 w过程中,病人每天服用3次,分别在饭前同时给予以100 ml水,发现血糖从143 mg/L降至104 mg/L,血中C反应蛋白也明显下降。Vuong等〔35〕发现加拿大矮丛蓝莓具有抗糖尿病作用,以一种细菌Serratia vacciniibacterium发酵的蓝莓汁,其酚类物质会转化而增强抗氧化作用,如使肌细胞、脂肪细胞摄取葡萄糖的能力分别增加48%、142%。所以发酵的蓝莓汁可抗糖尿病。

6.4 降血脂、防止动脉粥样硬化作用 Abidov等〔36〕报道,高血脂男性病人每天在餐前服用含有蓝莓的8种基本水果提取物,结果发现病人的总胆固醇、低密度脂蛋白明显下降,高密度脂蛋白增加。尿中的炎性前列腺素(8-epi-PGF2,11-dehydro-TXB2)下降。Kalt等〔37〕发现以 70%大豆、燕麦、大麦及1%、2%、4%蓝莓饲料喂食的猪,其总胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白与不含蓝莓者比较均降低,而以含2%为最好。Nagao等〔38〕发现蓝莓叶可使肥胖大鼠血脂降低,其降脂作用与降低脂肪生成及加强在肝的脂肪分解有关。此外,还有研究表明蓝莓花色苷可阻碍由胶原和花生烯酸等引起的血小板凝固,从而有预防血管内血小板凝固引起的脑血栓和动脉硬化的作用〔39〕。

6.5 保护血管、降血压作用 蓝莓花色苷可以调节血管的收缩,维持正常的血压范围,保护血管,强力持续毛细管的渗透性〔40〕。Norton等〔41〕发现喂食含蓝莓的饮料给大鼠13 w后,测量大鼠主动脉的收缩力,发现蓝莓可抑制甲型交感神经接受器致活剂脱氧肾上腺素引起的血管收缩,此作用与内皮细胞有关。Sakaida等〔42〕发现蓝莓果实可以抑制血管紧张肽素转换酶的活性,并对自发性高血压大鼠有降血压作用,因而可以防止冠状动脉疾病及中风。即使大多数结论来自体外研究,但都证实花青素有明显的血管内皮和心肌保护功能〔43〕。

6.6 抗炎、抗感染作用 Chatterjee等〔44〕发现包括蓝莓在内的不同莓,对clarithromycin有抗药性的幽门杆菌(49503)有抑制作用,或加强对clarithromycin的敏感性。Anthony等〔45〕发现蓝莓提取物对十二指肠梨形鞭毛虫(Giardia duodenalis)滋养子(trophozoite)有抑制作用,改变小粒隐形孢子虫(Cryptosporidium parvum)的形态。Osman等〔46〕证明,益生菌和蓝莓可以降低糊精硫酸钠所引起的大肠炎,降低肠道细菌转移到肠系膜,降低淋巴结的细菌,肠道细菌也减少,肠道内羧酸、丙酸增多。另有研究表明,蓝莓花色苷可抑制胶原分解酶的活性,强化胶原基质,治疗关节炎症;使膀胱和输尿管内壁附着的细菌数大为减少,预防和治疗尿路感染等多种药理活性〔40〕。Han等〔47〕证明蓝莓提取液可抑制正常人类内皮细胞(CRL-2606)因脂多糖体引起前列腺素E2的产生,而具抗炎作用。Lau等〔48〕发现蓝莓提取物可抑制脂多糖介导的小神经胶质细胞制造一氧化氮、白细胞介质及肿瘤坏死因子,所以可用于治疗中枢神经的炎症。Torri等〔49〕证明蓝莓在组织胺、甲醛引起的不同发炎实验模式及醋酸注射引起的腹部疼痛实验中,均有抗炎及止痛作用。

6.7 防治骨质疏松 有研究〔50〕表明,服用5%蓝莓100 d,可以抑制雌性大鼠(6个月大)切除卵巢后的骨质疏松。

6.8 改善视力,预防眼疾 蓝莓的花色苷可激活视网膜酶,有活化和促进视红素的再合成作用,从而改善人眼视觉的敏锐程度,加快黑暗环境适应能力,增强人眼视力〔44〕,此为较早被发现的生物活性。欧洲研究证实:蓝莓果实提取物对人的夜视有改善作用,对近视、老年性白内障、糖尿病、动脉硬化性视网膜症等也有改善和预防效果。美国和日本1999年公布的研究资料表明,蓝莓的提取液(主要是花色苷)对视疲劳并弱视等有辅助治疗作用〔51〕。由于蓝莓花色苷可改善夜晚可见敏锐力,有助于更快适应低光线,缩短发现的时间,因此被推荐给飞行员。

6.9 抑制及逆转衰老 多种研究表明,老年性神经及行为衰退是神经氧化及发炎造成的,因而可用抗氧化剂减轻其症状。Joseph等的研究表明,蓝莓提取物能诱导磷脂酶C的活性,抑制因衰老引起的运动障碍,首次证明了通过饮食能治疗遗传性老年痴呆症〔52〕。Joseph等〔53〕进一步用草苺、菠菜及蓝莓饲养19个月龄大鼠,观察大鼠脑部从纹状体释放多巴胺及神经细胞交接处的活动情况、副交感神经刺激剂碳酰胆碱(carbachol)引起的GTP酶活化蛋白(GAPase)活性增强及不同活动行为,发现除抗癌、抗心脏病、抗老化引起的神经及行为退化、对抗模式性老年痴呆及促进空间的记忆等作用外,也增加神经细胞的活动。以蓝莓所含的花色苷最有效,而且不同的花色苷也在脑内被发现。Willis等〔54〕认为蓝莓可以增加神经的生长,有助于脑部的发育。Zhu等〔55〕认为小神经胶质细胞分泌发炎前细胞素及类淀粉蛋白质(amyloid)在神经细胞上的堆聚,与老年痴呆关系密切。而在老年痴呆实验模式鼷鼠的实验中证明服用蓝莓可以抑制小神经胶质细胞的活化,清除类淀粉蛋白质,并防止其聚集,故应有助于老年痴呆病人。

6.10 减肥作用 李娟娟等〔56〕发现花色苷(Cy-3-g)可以减少人肝癌细胞株(HepG2)细胞脂肪积聚,其机制可能与调节HepG2细胞腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)-乙酰辅酶A羧化酶(ACC)-肉毒碱棕榈酰基转移酶I(CPT-I)信号通路,促进脂肪酸氧化有关。Tsuda等〔57〕人研究表明,给予小鼠膳食中添加花青素可改善其肥胖和高血糖,可能是通过抑制脂肪酸和甘油三酯合成的元件结合蛋白-1 mRNA表达水平来发挥作用,有助于减少甘油三酯在体内堆积。Prior等〔58〕研究蓝莓、草莓冰冻干燥粉,从蓝莓及草莓纯化的花色苷,对肥胖鼷鼠饲养以低脂(10%的热量源自脂肪)及高脂(45%及60%的热量源自脂肪)的饲料,发现只有纯化的花色苷具有减肥作用。

蓝莓果实中的花色苷因其鲜艳的颜色和天然无毒的性质,特别适宜用作食品添加剂,目前已广泛应用到果酱、果冻、雪糕、冰淇淋、糖果、腌制品等食品中。近年来,作为药品来防治疾病的研究已经初具规模,但深入的研究工作并不多,可能是由于多酚类化合物的系统研究水平所限。随着各种生物技术和医学研究手段的不断发展,对蓝莓果实中花青素类化合物的生物学功能也在不断深入的研究,在花色苷的作用基因、相关酶类、大分子活性物质、靶器官、受体、分子信号传导途径、作用机制等方面我们仍需努力。

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