甜菜花青素的研究进展

梁晶，胡晓航，李翠霜

（1.黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨150080；2.黑龙江大学农作物研究院，黑龙江 哈尔滨150080；3.黑龙江大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨150080）

在自然界中，天然植物色素主要分为四大类：类胡萝卜素、甜菜色素、叶绿素和花青素（Anthocyanidin）[1]。植物组织呈现绿色是由于其中的叶绿素所造成，而植物组织中的其它颜色是由花青素所形成的。花青素又称花色素，是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，属黄酮类化合物，不同程度存在于植物的茎、叶、花和果实以及根部的液泡中，由于它们含有不同组分而显现出粉红色、红色、淡紫色和蓝色等多种色彩。一般来说，植物组织中的花青素含量决定其显现出来的颜色深浅[2-3]。自1947年法国科学院马斯魁勒博士第一次在花生仁的包衣中发现了花青素后，人类相继在紫甘薯、葡萄、桑葚、茶叶等植物中发现并证实其具有抗氧化、抗癌、抗炎等活性，广泛应用于食品、医药以及保健品行业[4-6]。关于甜菜中花青素的报道最早于1981年，E.L Elbe利用光化学降解法提取出红甜菜中天然色素花青素[7]；近些年针对甜菜中花青素的研究着重于其基因定位[8]、与重金属载体关系[9]、甜菜废蜜中花青素组成与提取[10-11]、花青素提取[12]、果胶中花青素的稳定性[13]等方面，而国内对甜菜块根中花青素等具有抗氧化生物活性的研究还非常鲜见。因此本文从植物花青素的理化性质、生物活性和药用保健价值及甜菜花青素的研究状况等方面对其进行归纳整理，为甜菜花青素能够更好地开发利用及优良品种选用提供进一步的理论参考和实践指导。

1　花青素特性及影响因素

1.1　花青素的特性

1.1.1植物花青素植物花青素的基本结构单元是2-苯基苯并吡喃型阳离子，即花色基元。已知的花青素有 20多种，主要有天竺葵色素（Pelargonidin）、矢本菊色素（Cyanidin）、翠雀素或飞燕草色素（Delphindin）、芍药色素（Peonidin）、牵牛花色素（Petunidin）及锦葵色素（Malvidin）。自然条件主要以糖苷形式存在，常与一个或多个葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等通过糖苷键形成花色苷。已知天然存在的花色苷有250多种[14-16]。花青素分子中存在高度分子共轭体系，具酸性与碱性基团，易溶于水、甲醇、乙醇、稀碱与稀酸等极性溶剂中。不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，遇醋酸铅试剂会沉淀，并能被活性炭吸附。在紫外与可见光区域均具较强吸收，紫外区最大吸收波长在280 nm附近，可见光区域最大吸收波长在500～550nm范围内。

1.1.2甜菜花青素甜菜中所含的花青素gomphreninⅠ（甜菜甙元6-ο-β葡萄糖甙），同样具有2-苯基苯并吡喃阳离子结构[17]。大多数拥有此结构的物质，随着分子结构羟基数目的增加其稳定性降低，由于其结构中的羟基以阳离子形式在pH值较低的细胞液中分布，而具有较强的抗氧化性[18]。Chen等[10]等通过HPLCDAD-MS/MS对甜菜糖蜜研究分析得出，甜菜中主要的花青素成分为矢车菊素-3-O-芸香糖苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、飞燕草色素-3-O-芸香糖苷和飞燕草色素-3-O-葡糖苷酸。

1.2　花青素的影响因素

已知在高等植物中花青素和甜菜红素相互排斥，花青素和甜菜红素不会一起出现在同一植物，这种奇怪的现象已从遗传和进化的角度进行研究[19]。而花青素生物合成的结构和调控基因是众所周知的，甜菜红素的生物合成途径知之甚少，这两种途径中的相互排斥的进化机制仍然是个谜[20]。花青素合成与形态分化密切相关与细胞分裂和增殖呈负相关[21]。

花青素属于水溶性色素，一般易溶于水、乙醇、甲醇、稀碱与稀酸等极性溶剂。其分子中存在着高度分子共扼体系，含有碱性与酸性基团，在紫外与可见光区域均具较强吸收。花青素类物质的颜色随着细胞液酸碱性的改变而改变[22]。花青素的稳定性容易受到外界各种因素的影响。Buchweitz等[13]在糖甜菜果胶中的花青素的研究中，发现花青素的稳定性易受酸碱性的影响。程琤等[23]研究紫甘薯花青素时，发现紫外光和自然光对花青素的稳定性有较小的影响，高温对花青素稳定性影响较大，而pH对花青素稳定性影响则非常显著，花青素更容易在酸碱度较低的环境下保持。李健等[24]也在紫茄皮花青素研究中发现，其对温度、酸碱度、光照极为敏感，并且还易受到一些氧化性、还原性较强的物质以及防腐剂苯甲酸钠影响，但是葡萄糖和蔗糖等糖类物质对其影响较小。所以花青素易于在pH1.0、低压、室温4℃和避光条件下保存；对H2O2、Fe3+化合物和苯甲酸钠很敏感，对此类物质应该避免使用。

2　植物花青素的生物活性及药用保健作用

2.1　抗氧化活性

研究表明，花青素是迄今为止报道的最有效的天然自由基清除剂，它对自由基的清除能力明显强于维生素C和维生素E[25]。花青素物质属于黄酮类化合物，由于黄酮类化合物分子结构上的酚羟基可以通过自身氧化释放电子，从而直接清除自由基，起到抗氧化的作用，所以花青素与类黄酮物质一样具有较强的抗氧化活性能力[26]。张卓睿等[27]通过比较蓝莓花青素含量对小鼠总抗氧化能力（T-AOC）、丙二醛（MDA）含量、总超氧化物岐化酶（T-SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）的活力影响，发现T-AOC、T-SOD和 GSH-PX都有所增加，而MDA则在减少，说明蓝莓花青素可以通过提高小鼠机体内抗氧化酶的活力，清除机体中的过氧化物，从而显示出较强的抗氧化能力。谢岩黎等[28]以黑豆皮中的花青素与抗坏血酸做对比，发现其花青素可以很好地抑制二价铁氧化成三价铁，黑豆皮中花青素的抗氧化能力优于抗坏血酸。戴妙妙等[29]在DPPH、ABTS、FRAP三种不同的反应体系里，比较了紫娟茶中花青素提取物和两种常用合成抗氧化剂BHA、BHT的抗氧化性及清除自由基能力，结果显示，紫娟茶中花青素具有较强的抗氧化活性及较强的清除自由基的能力。

2.2　抗菌作用

近些年研究表明花青素还具有较强的抑菌活性。郝文博和古荣鑫等[30-31]发现蓝莓和紫甘薯花青素可对大肠杆菌产生很强的抑制力。邓红梅等[32]从野生葡萄皮渣中发现花青素，花青素对金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用。张俊等[33]发现紫萝卜花青素可很好地抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。梁珊等[34]对胭脂萝卜花青素研究发现，花青素对枯草芽孢杆菌的抑菌率最高 （92.09%）；对大肠杆菌和白色念珠菌的抑制率分别为77.22%和75.16%；对金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的抑制率分别为71.32%和67.58%；而对黑曲霉的抑菌率最低（39.61%）。得出胭脂萝卜花青素对菌种的抑菌效果为：枯草芽孢杆菌>大肠杆菌>白色念珠菌>金黄色葡萄球菌>鼠伤寒沙门氏菌>黑曲霉。

2.3　抗炎作用

花青素除了在植物上的大量研究之外，人们还在动物体内做了一些科学研究。杨霞等[35]研究发现，花青素主要通过抑制促炎细胞因子、细胞粘附因子以及氧自由基的表达，影响机体中核转录因子、丝裂原活化蛋白激酶和环氧化酶的表达来发挥抗炎作用。李杨等[36]研究发现，低浓度花青素与SPI-复合后抗炎效果并不显著，SPI-花青素复合物具有一定抗炎能力。当剂量为200μg/mL时，复合物体系花青素的添加量浓度大于0.167mg/mL，可以显著降低细胞分泌肿瘤坏死因子TNF-α以及一氧化氮的浓度。王静等[37]以蓝莓果花青素为试验材料，总花青素含量为指标，分别通过小鼠受热致痛法和二甲苯致小鼠耳廓肿胀法研究并且实验证实，纯化后花青素可提高小鼠痛阈、抑制耳廓肿胀，即具有明显的镇痛和抗炎作用。

2.4　抗癌作用

花青素对多种癌细胞具有抗肿瘤活性，花青素在体内潜在的抗癌活性包括自由基清除活性，第二阶段解毒酶的激活，减少癌细胞增殖、炎症、侵袭及其诱导凋亡和分化。花青素调节与这些细胞功能相关的PI3K/Akt、ERK、JNK和MAPK多个基因的表达和激活。体内研究表明，膳食花青素抑制胃肠癌和局部皮肤癌。药物动力学的数据表明，花青素在啮齿类动物和人类血液的吸收是最小的，这表明可能在其它组织的活性效果要差于胃肠道和皮肤，可在局部吸收。花青素在不同的组织、不同器官部位具有化学预防作用。肠道微生物对花青素的代谢和摄取也应加以深入研究，以确定花青素的抗癌作用是否与母体化合物或代谢产物有关[38]。

2.5　抗虫作用

花青素除了在保健和食品上的应用，还在防治农业害虫方面具有特殊效果。雒珺瑜等[39]研究发现，含有花青素的植物叶片具有抵御害虫危害的特性，在蕾期棉花叶片中花青素含量与绿盲蝽数量成反比例关系，即花青素含量越高，绿盲蝽数量越少。1989年，Coley等[40]在热带森林中研究发现，切叶蚁在含有少量花青素的植物叶片上极为不易繁殖，在颜色鲜艳的叶片中比在绿叶中的害虫数量低，植物有色叶片可以直接或间接避免食草类害虫的啃食。

2.6　其他特性

大量的研究表明，花青素活性功能广泛，除了上述作用，还具有营养，其它保健和医药价值，如抗血栓、保护视力和降血糖，以及在提高人体记忆力方面有重要功效[41]。

3　甜菜花青素的研究进展

史淑芝等[12]采用有机溶剂萃取法，比较了食甜一品红、饲用甜菜和北京红3种甜菜品种在其整个生育期内花青素含量分布。通过剪取2.0g 1.5cm的叶片材料，以20mL 0.1mol/L的盐酸为提取剂，于32℃恒温培养箱中浸提4h后过滤，然后通过可见光分光光度测定其含量。试验结果表明，同一生长阶段的3种甜菜，花青素含量最高的为食甜一品红，然后是北京红，含量最低的是饲用甜菜。Chen等[10]采用响应面法（RSM）优化超声波辅助提取（UAE）的实验条件用于测定甜菜糖蜜的组成成分，用中心合成设计（CCD）优化总酚含量、抗氧化活性和花色苷提取参数，以获得最佳的提取率。结果表明，甜菜糖蜜RSM为UAE的最佳条件为：HCl浓度1.55～1.72 mol/L、乙醇浓度为 57%～63%（v/v），提取温度为 41～48°C，提取时间为 66～73min。 提取的总酚含量为17.36mg GAE/100mL、抗氧化活性为16.66 mg TE/g、总花青素含量为31.81mg/100g；在盐酸浓度1.6 mol/L、乙醇浓度70%（v/v）、温度40°C和时间60 min条件下，花青素的提取率最高（31.99mg/100g）；在盐酸浓度1.2 mol/L、乙醇浓度 80%（v/v）、温度 30°C 和时间 45 min条件下，花青素提取率最低（26.64 mg/100g）。盐酸浓度、乙醇浓度及其相互作用对花青素提取的影响表明，随着乙醇浓度的增加，花青素含量下降；随着盐酸浓度的增加，花青素的含量呈先升高后升高的趋势，盐酸浓度达到1.72 mol/L，花青素含量随之下降；高浓度盐酸条件下，花青素的含量随时间的增加而增加，在较高的盐酸浓度（1.72mol/L）和较长的时间（68min）花青素提取率最高。随着萃取温度（41°C前）与低浓度乙醇的增加，花青素提取率降低，而过高的温度则会降低酚的提取率。在较高的提取温度（41℃）和更长的时间（68min）下花青素的提取率较高。B Farmani等[11]采用3个水平的pH（8.9、7.0和4.5）和4个水平活性炭（0.609、0.783、1.131和1.827g）降低甜菜糖蜜中总酚、总花青素和蛋白质等杂质含量。在pH值为4.5时活性炭从0.609～1.827g，甜菜糖蜜颜色下降88.31%，浊度下降100%，总酚下降76.52%，总花青素下降86.39%，蛋白质下降98.51%，透明度增加了75.83%。

红甜菜花青素的水溶液呈微酸性（pH为6.4），可缓慢地腐蚀金属（氧化过程），一旦金属离子生成、出现，花青素阴离子就会捕获并使之沉淀。Jaleel等[9]进行了红甜菜汁中花青素作为铅（Pb）和镉（Cd）等重金属离子的清除剂研究。结果表明，花青素矢车菊素-3-葡萄糖苷 （自然界中最丰富的花青素）溶液的吸收光谱为λmax=530nm，由于增加 Pb（NO3）2、Cd（NO3）2而导致光谱吸收带变化，分别为 λmax=555 nm 和 706 nm。 光谱的转变说明矢车菊素-3-葡萄糖苷与金属离子之间形成了配合物，在pH 4时形成花青素-Pb（II）的络合物（λmax=555 nm，甲醇）；在 pH 3 时形成花青素-Cd（II）的络合物（λmax=706 nm，甲醇）。

几乎所有开花植物都会产生红色/紫色花色素。色素沉着模式的生物学相关性表明，甜菜素可能是由一个保守的MYB、bHLH和WD重复蛋白质（MBW复合体）花青素调节转录因子所调控。这表明，一个以前未知的花青素MYB蛋白、Beta vulgaris MYB1（BvMYB1），调节甜菜红色素的途径。沉默BvMYB1下调甜菜素生物合成基因及色素沉积，BvMYB1对其超表达上调。然而，花青素MYBs不同的是，BvMYB1不会与异源花青素MBW复合体的bHLH家族成员相互作用。BvMYB1长久驻留在甜菜色素图形位点Y，为红肉甜菜所必需。BvMYB1转录的Y和y的表达水平不同，调控花青素生物合成的一个转录因子是进化的一个重要事件，使甜菜素主要功能y取代花青素[8]。

4　展望

随着现代社会的快速发展，食品安全的重要性也与日俱增。但是目前食品工业中的色素大部分还是以合成色素为主，这种色素含有不同程度的毒性，长期使用容易使人体出现健康问题。欧洲2007有报道，儿童在饮用了含有偶氮染料和苯甲酸的饮料后，其注意力不足多动症（ADHD）严重增加[42]。因此，用天然的并且稳定的色素替代合成色素将会成为一个趋势。

目前国内外，花青素的提取主要来自于葡萄、紫薯、蓝莓、黑枸杞、花生、桑葚和橄榄等，而甜菜花青素的提取工艺与活性研究的报道却特别少见。甜菜作为我国第二大糖料作物，在我国大部分地区都适宜种植，因其独特的生理特性，且具有优良的抗盐碱性，生产资源利用率与投入产出比较高。虽然我国甜菜资源如此丰富，但是主要还是用于生产糖类等粗制品，如能对食用甜菜花青素进行开发利用，制成更具有价值的药品和美容品，必能获得更大的社会经济效益。所以为了甜菜花青素的提取与利用，运用植物组织培养技术进行大规模工业化生产，以及改进现有的适合大规模生产的提取分离技术，寻求新的高效、方便、快捷的分离方法，可以加快我国丰富的花青素资源的开发利用；同时需进行成本效益评估。

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