花青素的生物活性及其在动物应用中的研究进展

■ 朱 芳 陈鑫珠 陆 烝 黄秀声* 俞成然 黄勤楼*

（1.福建农林大学动物科学学院（蜂学学院），福建福州 350002；2.福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013；3.福建省农业科学院畜牧兽医研究所，福建福州 350013；4.福建省丘陵地区循环农业工程技术研究中心，福建福州 350013）

花青素又称花色素，是花色苷水解而得的有颜色的苷元，大多数水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质都与其有关，它赋予了植物不同的颜色[1]。花青素这一名称是在1835年被Marquart首次提出来的，并且沿用至今[2]。自然界中已知存在的花青素有22大类250多种，其中主要有6 种，即天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素[3-4]。花青素具有独特的化学结构，属于酚类化合物中的类黄酮类化合物，其基本结构母核是2-苯基苯并吡喃[5]，糖苷键通过与C 环中C3 上的羟基形成共轭键而与花色素结合，由于大多数花青素在花色基元的3-，5-，7-碳位上都有取代羟基，因此各种花青素的差异就是羟基的数量、结合到该分子上的糖苷的特性和数量以及结合的位置[6]。有研究表明，花青素具有抗氧化[7]、抗癌症、抗炎症[8]、抗衰老、抗肥胖、改善大脑功能、保护视力、保护心血管等方面的作用[9]。因此，文章就花青素的理化性质、花青素的提取分离纯化和鉴定、影响花青素稳定性的因素以及在动物上的应用进行综述，为广泛利用花青素提供理论依据。

1 花青素提取纯化以及分离鉴定

1.1 花青素的提取

花青素既能溶于水，也能溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，因此花青素可以用水浸提，也可以用有机溶剂浸提。目前应用于花青素提取的有机溶剂包括甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、丙酮等，因甲酸、甲醇及丙酮等有毒有害，在生产中一般选择乙醇作浸提剂。花青素的提取方法主要有水提法、溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、酶解法、超临界流体萃取法等[10]。

刘强[11]在花青素提取工艺的研究进展中用水提法提取花青素，结果表明，水提法的提取工艺流程简单，绿色无残留污染，成本低，易于实现规模化生产，缺点是提取效率不高，杂质多，提取周期长，还有待进一步改进。Bunea 等[12]采用盐酸-甲醇溶液提取蓝莓渣花青素至无色，测得Bluegold 花青素质量最低为101.88 mg/100 g，Torro 最高达到195.01 mg/100 g。而Metivier 等[13]在葡萄皮花青素提取试验中发现，用盐酸酸化后用甲醇提取花青素得率比用乙醇法高20%，比用水提取高73%[14]。李瑞丽等[15]用微波法萃取葡萄籽原花青素，在最优提取工艺条件下得到原花青素提取量为51.77 mg/g。吴春燕等[16]采用酶-超声波辅助提取花青素，纤维素酶用量3.6 mg/g，在最佳提取条件下，黑米花青素的实际提取率为（0.626 2±0.010 2）%，与预测值0.627 5%接近。利用超声波辅助法在紫苏籽粕中提取原花青素，提取率理论预测值为0.232%，实测值为0.229%。

综上所述，溶剂提取法操作简单，但具有耗时长、温度高、提取率低、纯度低等缺点；微波萃取法优势在于用时短，加热均匀，对原花青素提取量较高且破坏性小；超声波辅助提取法操作简单、提取时间短、提取率高等。因此单一的提取方法往往会存在一些不足，建议在实际应用中采用两种或两种以上的方法来提取，从而来提高花青素的提取率[17]。

1.2 花青素的分离纯化

在提取过程中会使花青素的植物细胞壁遭到破环，导致除花青素以外的蛋白质多糖和有机酸等杂质溶出，得到的是花青素粗提取物，纯度较低，难以被人体肠道吸收利用[18]。因此，为提高花青素的纯度和促进花青素吸收利用，需要对花青素进行分离纯化，现有的花青素纯化方法有液相萃取法、柱层析法、固相萃取法、大孔树脂法等[19]。其中溶剂萃取法的工艺路线较为复杂，有机溶剂回收难，且产品纯度不高。大孔树脂吸附法选择性好、吸附量大、吸附速度快、再生方便，目前最常用且已应用于火龙果皮、山竹壳、黑枸杞等植物中花青素的初步分离。

Yang 等[20]通过比较研究了6 种大孔树脂对玫瑰茄花色苷的吸附和解吸工艺纯化，结果表明，在6 种树脂中，DM28 的吸附量最大，而DM21 的吸附速率最大。李健等[21]对紫茄皮中花青素的纯化及稳定性进行分析，选用不同型号的大孔树脂对紫茄皮中花青素进行纯化，结果表明，在供试树脂中，AB-8 大孔树脂为纯化的最适吸附剂，纯化后的花青素纯度为95.54%。Le 等[22]应用水相两相体系方法提取和纯化梅叶中的花青素，结果表明，水相两相体系法可以消除80%污染氮化合物的同时，还可以回收叶片中80%的花青素，与粗提物相比，纯化提取物中色素的货架期也明显延长。

1.3 花青素的分析鉴定

因取代基的类型、数量和连接位置不同使花青素种类多样化，为明确花青素的具体分类和结构，对花青素进行鉴定，为花青素的分类和后续研究提供重要基础和依据[23]。目前，用于鉴定和分析花青素的方法主要是液质联用法、高效液相色谱法、单一pH 法和pH示差法等。

刘长姣等[24]采用分光光度法测定黑米花青素，通过恒温水浴振荡浸提，结果表明，花青素得率为1.249%。王贝等[25]依据pH 示差法原理，测定蓝莓中花青素的含量，在最优条件下，结果表明，测定蓝莓中花青素总含量为22.06 mg/L，相对标准偏差为0.34%，加标回收率为90.94%～95.10%。几位研究者通过采用高效液相色谱法测定彩色马铃薯中花青素的种类和含量，结果表明，彩色马铃薯块茎中最多含有6 种花青素，分别是飞燕草色素、矢车菊色素、矮牵牛色素、天竺葵色素、芍药色素和锦葵色素[26-29]，与Lachman 等[30]的研究结果相似，其中紫色马铃薯中富含矮牵牛色素和锦葵色素，红色马铃薯富含天竺葵色素和少量芍药色素。刘芳芳等[31]采用高效液相色谱法和pH 示差法对紫荚豌豆花青素含量进行测定，结果表明，高效液相色谱法的紫荚豌豆花色苷总含量低于pH 示差法，两者间的差异可能与紫荚豌豆中花色苷的种类和含量、HPLC法和pH示差法的花色苷标准品的选择以及pH示差法仪器准确度较低等相关。

单一pH 法和pH 示差法均采用分光光度计测定总花青素含量，成本低，实验步骤简单。方法稳定易操作，总花青花的含量测定多采用此法[32]。高效液相色谱法结合紫外检测是比较常用的一种方法，其优势在于分离效率高、选择性好、操作自动化、检测灵敏度高、应用范围广，缺陷在于其分析时间长、成本高。

2 花青素稳定性的影响因素

花青素具有缺电子的结构特征，极易受到活性氧负离子和自由电子的攻击，因此，花青素不稳定、易发生降解作用。除了自身结构外，外界的pH、温度、光照、金属离子、氧和氧化剂、添加物以及食品添加剂等环境因素也会影响花青素的稳定性[33]。

花青素因其自身结构等原因不稳定，B 环取代基上的羟基或甲基会降低其稳定性，酰基化以及糖基的种类、数量、结合位点也影响着花青素的稳定性，由于取代基的不同也构成了不同的花青素[34]。Bolivar等[35]研究了不同pH、温度和光照条件下紫甘薯和紫玉米花青素提取物的稳定性，结果表明，紫甘薯中含有丰富的酰化花青素，稳定性好于紫玉米花青素。

花青素作为一种水溶性色素，极容易受到pH 的影响。在低pH 情况下相对稳定，颜色可随细胞液的酸碱度而改变，细胞液呈酸性则偏红，细胞液呈碱性则偏蓝。花青素随pH 变化在黄盐阳离子、醌型碱、假碱、查耳酮4 种形式之间发生可逆改变。张相锋等[36]对黑果小檗果皮色素及其稳定性进行研究，结果表明，酸碱度对黑果小檗色素的稳定性影响较大，黑果小檗色素在pH 2～6 时颜色为红色，且逐渐变淡，在pH 为6 时为紫红色，在pH 为8～10 时呈墨绿色，说明在酸性条件下黑果小檗色素较稳定，在碱性条件下色素结构可能被破坏，呈现墨绿色。

不管在自然条件下还是在实验室条件下，温度等环境因素都不可控，会使花青素的稳定性受到影响。一方面，高温会促使花青素糖苷水解，失去保护而降解；另一方面，高温会使花青素芘环水解产生白垩，这也是花青素受热变成棕色的原因，因此花青素受热后降解速率变大、半衰期变短[37]。吴春燕等[38]在黑米花青素的提取工艺及稳定性的研究中发现，低温时黑米花青素的保留率较为稳定，当温度大于60 ℃后，随着时间的延长，黑米花青素的保留率下降趋势明显，因此，花青素要尽量在低温环境中保存。刘军波等[39]研究表明，当温度低于60 ℃时，对蓝莓花青素稳定性影响较小；且Wang 等[40]研究结果表明，蓝莓花青素对高温（≥80 ℃）敏感。张志军等[41]通过提取紫苏花青素研究环境因素和添加物对其稳定性的影响，结果表明，酸性、避光、低温条件有利于紫苏花青素溶液稳定保存；氧化剂对其稳定性的破坏作用随 H2O2浓度升高而增加。

3 花青素的生物活性

花青素独特的结构使其具有抗氧化、抗衰老、清除自由基、抗炎、抑菌、降血糖、预防癌症等活性作用。

3.1 抗炎抑菌作用

花青素具有明显的抗炎抑菌作用，从而可以提高宿主免疫力。陈涛[42]通过小鼠体内试验，发现从海南紫大薯中提取的花青素可显著降低炎症相关因子的异常表达，减少对肠道屏障的破坏，从而有效治疗小鼠结肠炎，缓解其炎症。Yoon等[43]对大鼠注射大肠埃希氏菌，诱导慢性细菌性前列腺炎，之后分别给予环丙沙星、黑豆种皮花青素、黑豆种皮花青素+环丙沙星联合治疗，结果表明，与环丙沙星相比，黑豆种皮花青素＋环丙沙星治疗效果最佳，该组大鼠细菌生长显著减少，前列腺炎症显著改善。

3.2 抗癌抗肿瘤作用

作为具有抗肿瘤功能的天然产物，花青素及其衍生物对乳腺癌、结肠癌、肝癌、口腔癌等多种肿瘤具有抑制作用，且能够减少手术、放疗和化学疗法等方法对患者造成的伤害，为抗肿瘤临床药物的研发提供了新的思路。内蒙古野生蓝莓花青素对人KB细胞增殖具有剂量依赖的抑制作用，研究表明，当花青素质量浓度为200 g/mL 时抑制率大于60%，24 h 诱导KB 细胞凋亡率达32.56%，并能够将KB 细胞周期阻滞在G2/M 期[44]。刘春远等[45]研究了黑米花青素对SW480结肠癌细胞的增殖和细胞DNA 合成后期/有丝分裂期的抑制，研究表明，在花青素质量浓度为0～200 μg/mL和在12～60 h 时，该细胞对其有浓度依赖性和时间依赖性，并且促进该细胞凋亡。还有研究发现，蔓越橘和草莓是两种富含花青素的物质，研究表明，它们对结肠癌细胞和乳腺癌细胞具有较强的抑制作用，最终使癌细胞凋亡[46]。

3.3 降血糖作用

花青素可通过抑制肝脏糖异生作用而降低血糖、调节胰岛素水平、减少糖尿病相关疾病，其调节机制为激活AMPK 通路，增加血糖利用率，抑制血糖升高[47]。鲍诚[48]研究了不同剂量紫甘薯花青素的降血糖功效，结果表明，花青素低剂量（12.5 mg/kg）组、中剂量（25 mg/kg）组、高剂量（50 mg/kg）组降糖率分别为10.86%、23.8%、28.92%。Grace 等[49]给予小鼠蓝莓花青素后，其血糖水平降低了33%～51%，而给予二甲双胍的小鼠的血糖水平降低了27%，说明花青素能够有效缓解小鼠的高血糖症状。

3.4 抗氧化作用

氧化应激与糖尿病、癌症和心血管疾病等人类退行性疾病的发病机制有关。研究表明，植物花青素的抗氧化作用是VC 的30倍、VE 的50倍，是目前最好的天然抗氧化剂，其中矢车菊色素的抗氧化作用最强。花青素的抗氧化机制主要表现在减少活性氧积累和清除自由基、激活酶抗氧化系统、减少DNA 损伤以及与金属离子发生作用等方面[50]。

王健等[51]通过测定不同自由基基团来评价蓝莓花青素的抗氧化能力，结果表明，其对羟基、DPPH、ABTS 等自由基基团有很好的清除能力，其抗氧化性显著高于其他组。Sun等[52]对蓝莓品种中花青素单体的抗氧化活性进行研究，结果表明蓝莓花青素提取物具有较强的总抗氧化能力、清除羟自由基能力和抑制超氧阴离子自由基的能力，其中飞燕草色素苷和花青素-3-糖苷是蓝莓抗氧化性的主要有效成分。王秋月等[53]对马尾松树皮原花青素进行体外抗自由基研究，结果表明，其对羟自由基和超氧自由基都有较好的清除能力，其抗自由基能力明显高于抗坏血酸和超氧化物歧化酶。Huang等[54]首次报道了花青素可通过增加发育中大脑区域HO-1、Nrf2 蛋白含有量表达来激活Nrf2/HO-1 信号通路，从而抑制谷氨酸诱导新生鼠大脑中氧化应激，保护脑神经细胞。

4 花青素在动物中的应用

花青素在提高动物生产性能、免疫功能、抗氧化能力等方面发挥着重要作用，但高浓度花青素可能会抑制动物采食量，扰乱消化生理，抑制营养物质消化和机体生长。

4.1 在家禽中的应用

花青素能够有效改善肉品质，提高畜禽免疫力，促进肠道健康。研究表明，富含花青素的洛神花可改善肉鸡的代谢功能、血液生化、肠道形态、抗氧化活性和免疫状态，提高胸肌中不饱和脂肪酸n-3 含量，其添加量为280 mg/kg 效果最佳[55]。周华等[56]研究原花青素对青脚麻肉鸡生产性能、养分利用和免疫器官的影响，结果表明，花青素能够显著提高肉鸡21 日龄的平均采食量和平均日增重，添加量为150 mg/kg 时，料重比显著高于其他组。刘守业[57]探讨饲粮中添加葡萄籽原花青素对肉仔鸡生长性能和免疫功能的影响，结果表明，花青素组肉仔鸡血清免疫球蛋白含量、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶活性均显著高于对照组。Kaya 等[58]在64 周龄罗曼蛋鸡饲粮中添加50 mg/kg葡萄籽原花青素，试验8 w，结果表明，蛋壳厚度显著增加，蛋黄超氧化物歧化酶活性显著提高，蛋黄丙二醛和胆固醇含量显著降低，产蛋后期鸡蛋哈夫单位显著下降。研究发现，给肉仔鸡灌服松树皮原花青素5 w 后，显著促进了脾细胞、法氏囊细胞和胸腺细胞的增殖，显著提高了Ⅰ型辅助T 细胞因子的表达，降低了Ⅱ型辅助T 细胞因子的表达，进而提高了肉鸡的免疫机能[59]。

4.2 在猪上的应用

有研究发现，在断奶仔猪饲粮中添加葡萄籽原花青素可以显著提高仔猪血清免疫球蛋白和补体含量以及血清抗氧化酶活性；而闫慧诗[60]探究葡萄籽原花青素对断奶仔猪肠道功能、肠道菌群组成及变化影响时发现，日粮补充葡萄籽原花青素可显著提高十二指肠中表皮生长因子受体、胰岛素样生长因子-1、胰岛素样生长因子-2受体的表达，并使结肠和直肠微生物群中拟杆菌的相对丰度增加。Hao 等[61]研究表明，150 mg/kg 葡萄籽原花青素能够显著提高断奶仔猪血清超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，显著降低总抗氧化能力和丙二醛含量，保护组织免受氧化损伤。池圣清等[62]在断奶仔猪日粮中添加不同剂量原花青素，结果表明，与对照组相比，试验组平均日增重、超氧化物歧化酶活性显著提高；丙二醛含量显著降低；其中添加量为100 mg/kg 时效果最佳。孙艳青等[63]研究发现，在猪冷冻精液中分别添加0、10、20、30、40、50 μg/mL 的葡萄籽原花青素可以显著提高冷冻-解冻后猪精子品质和抗氧化能力，添加量为40 μg/mL时对猪精子冷冻保存效果最好。

4.3 在反刍动物上的应用

花青素作为抗氧化剂有助于促进动物的生长性能，提高奶牛产奶量，有效防止牛奶和肉类的氧化。Suong 等[64]研究饲喂富含花青素的青贮对泌乳奶牛消化率、产奶量和血浆酶活性的影响，结果表明，富含花青素玉米青贮饲粮的淀粉含量、养分消化率、总可消化营养素含量以及奶牛的产奶量、乳糖和非脂肪固体物质含量均显著低于对照组；血浆中谷草转氨酶活性降低，超氧化物歧化酶活性升高。有研究表明，紫玉米中含有丰富的花青素，在山羊日粮中添加0.5、1.0 g/d 紫玉米花青素能够显著增加抗氧化能力，提高瘤胃挥发性脂肪酸含量，有效改善瘤胃微生物菌群丰度及多样性。郝小燕等[65]研究葡萄籽原花青素对羔羊瘤胃发酵、血清炎症及抗氧化的影响，结果表明，添加量为20、40 mg/kg 原花青素组瘤胃组织谷胱甘肽过氧化物酶活性和血清超氧化物歧化酶活性显著高于对照组和10 mg/kg 原花青素组，而丙二醛含量显著低于对照组和10 mg/kg 原花青素组。Côrtes 等[66]也研究发现，饲喂含花青素的植物性日粮有助于上调奶牛过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶及超氧化物歧化酶的基因表达，预防组织发生氧化应激（OS）损伤。李会菊等[67]探究成年母羊日粮中添加不同剂量的葡萄渣和葡萄籽对其表观消化率的影响，结果表明，添加8%葡萄渣，其粗蛋白表观消化率为57.2%，能量表观消化率为68.85%，显著优于其余各组。

5 存在问题与展望

花青素由于有着特殊的化学结构和成分，很难提取，易受光照、温度、pH、金属离子以及氧化剂等外界环境因素的影响，需要进一步探索提取纯化、分离鉴定花青素的改进方法，以及更好保存花青素的方法。

花青素作为一种绿色添加剂，具有广阔的应用前景。在未来的研究中，应进一步提高花青素的稳定性，完善其提取工艺并开发花青素功能型产品，促进其在食品和医药方面的发展。同时，探索花青素与其他饲料添加剂的协同作用，能否有效发挥其在动物体内的生物活性；进一步探究花青素的理化特性，确定其在动物中的具体添加量，尝试构建相应动物的添加量标准数据库。