花青素来源、结构特性和生理功能的研究进展

乔廷廷， 郭 玲

（1.大理大学药学与化学学院，云南大理 671000；2.云南省第三人民医院，云南 昆明 650011；3.大理大学第二附属医院，云南昆明 650011）

花青素亦称花色素，为黄酮类多酚化合物，主要被作为天然色素和抗衰老食品应用到食品染色、化妆品抗衰老、保健等方面。前期相关研究主要集中于该成分结构的化学分析、颜色表达的成因等方面。本文将阐述花青素来源、结构特性、药理作用、药代动力学、毒性等方面的研究进展，以期为今后相关开发利用提供参考。

1 来源及结构特性

1.1 来源 1947年法国科学家马斯魁勒首次发现花青素，之后在葡萄、蓝莓、茶叶等植物中陆续被找到；该成分与糖以糖苷键结合而成的一类化合物称为花色苷，是Marguart于1835年首先提出来的[1-2］。目前，已知花青素有20多种，其中天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素、锦葵色素是常见的可食用花青素，以糖苷为主要存在形式[3-4］。

1.2 结构特性 花青素由1个2-苯基苯并吡喃环和环上不同的取代基组成[4］，游离的花青素极少见，通常以糖苷形式形成花色苷，具有抗氧化、抗炎、保护视力、抗肿瘤等作用[5］，其稳定性差异大，有些高度不稳定，可能受pH、温度、光度等影响[4］。 Woodward等[6］对天竺葵、 矢车菊、飞燕草的体外实验结果显示，B环羟基化增加与稳定性降低有关。作为天然染料，花青素颜色随酸碱度变化而有所差异，通常在酸性条件下呈红色，碱性条件下呈蓝色[7］，故可使花辨、果实、叶子等植物器官呈现出红、蓝紫、橙等颜色。视觉功能的临床实验表明，每天摄入50 mg花青素会有一些健康益处[8］，故可通过定期摄入蓝莓、草莓、干豆、蓝粒大麦、谷类、红酒等获得大量该成分。花青素生物合成途径已在许多植物中得到研究，并且鉴定出涉及该过程的大部分基因，Tanaka等[9-10］在拟南芥中编码了早期生物合成基因和晚期生物合成基因这2类花青素生物合成酶的基因。

2 药理作用

研究表明，花青素具有抗衰老、抗过敏、心血管保护、抗炎、预防肥胖、抗氧化、清除自由基、改善视力、预防癌症等药理作用[2，11-12］。除此之外，花青素作为植物压力调节器，不仅可防止棉花叶片遭受烟草蚜虫侵犯，还可保护植物避免受到极端温度、重金属离子等损害[13-14］。同时，无毒、不致敏、不致畸、不致癌等特性也是花青素优势所在[15］。

2.1 抗炎 花青素抗炎作用涉及DNA清除、雌激素活性、脂质过氧化、酶抑制剂、调节免疫反应的细胞因子物质等[16］， 其部分机制[17-19］为 （1） 抑制 NF-κB、 环氧化酶、各类白介素mRNA表达水平；（2）降低C-反应蛋白水平、脂质过氧化作用；（3）减少小鼠巨噬细胞中NO产物，抑制iNOS mRNA水平；（4）激活NF-κB、丝裂原活化激酶信号传导通路表达；（5）降低PGE2浓度。文献 [20］指出，花青素通过抑制NF-κB活性来抑制脂多糖刺激BV-2细胞后促炎症基因的表达和促炎症因子的释放，并通过抑制iNOS和COX-2表达来分别抑制NO和PGE2的上调，而且这种作用与其能抑制BV-2细胞中的基因表达有关；李建光等[21］报道，黑果小檗总花色苷对Aβ25-35诱导的阿尔茨海默病小鼠BV2细胞所分泌白介素-1β、白介素-6、肿瘤坏死因子-α等炎症因子有抑制作用，但关于花青素调节Aβ1-42诱导原代培养的小胶质细胞产生的炎症反应的研究尚未见具体报道。

2.2 抗氧化 花青素属于多酚黄酮类化合物，在体内外都能清除多种氧自由基，增加细胞对氧自由基的吸收、增强一些天然抗氧化酶活性，从而发挥抗氧化作用[14，22-24］，主要通过以下途径发挥抗氧化作用[11，14，24］： （1） 清除或抑制活性氧和自由基，抑制脂质氧化等；（2）促进、激活天然抗氧化酶体系；（3）与金属离子螯合；（4）结合蛋白参与细胞信号通路及基因表达等途径。Ghiselli等[25］在意大利红酒中花青素碎片抗氧化活性研究中发现，花青素在清除活性氧、抑制脂蛋白氧化、血小板聚集中有重要作用；杨红澎等[26］灌胃小鼠蓝莓花色苷单体 （矢车菊-3-O-半乳糖苷）6周，检测出脑组织脂褐质含有量和血清、脑组织中丙二醛含有量明显降低，超氧化物歧化酶活性明显升高。研究显示[27］，来自桑树的矢车菊-3-O-β-D吡喃葡萄糖苷可部分降低链霉素诱导的糖尿病大鼠中8-羟基-2-脱氧鸟苷水平，上调超氧化物歧化酶水平。小脑颗粒神经元中，矢车菊-3-O-葡萄糖苷和天竺葵素物可通过Bcl-2抑制剂缓解线粒体的氧化应激和细胞凋亡[28］。刘伟[29］研究显示，花色苷中活性物质矢车菊-3-O-葡萄糖苷可显著抑制 Aβ25-35造成的ROS水平升高。最近，Shah等[30］首次报道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。

2.3 认知功能调节 文献 [29］报道，蓝莓提取物 （花青素）可提高AD小鼠空间记忆能力，改善小鼠脑组织结构及细胞形态，减少老年斑沉积，减轻小鼠氧化应激损伤，下调小鼠脑组织的凋亡率。软骨藻酸诱导的小鼠认知模型中，口服紫甘薯色素 （一类天然花青素）后检测相关氧化应激因子和水迷宫测试小鼠行为表现，发现该成分通过雌性激素受体-A调节的信号通路缓解小鼠行为表现[31］。Badshah等[32］报道，花青素可降低神经元细胞，调节线粒体功能紊乱，逆转 Aβ对线粒体凋亡通路中细胞色素 C、Caspase-9、Caspase-3等蛋白表达产生的效应，并有效缓解体内外实验中Aβ1-42的神经毒性。 Belkacemi[12］等发现， 一种花色苷可通过缓解ROS和蛋白羰基水平、调节细胞内氧化还原通路来抑制丙烯醛诱导的神经元细胞毒性和死亡。最近有研究表明，花青素不仅可通过抑制iNOS、TNF-α等来抑制星形胶质细胞激活和神经炎症，而且可显著提高D-半乳糖处理成年大鼠模型的行为表现和认知功能[33］。由此推测，花青素可能是预防和治疗兴奋性毒素和其他脑部疾病中认知缺陷的候选者。

2.4 促进多巴胺释放 研究表明[34］，葡萄汁对于逆转神经性和行为性老化的进程是有益的，与对照组相比，10%（含36.6 mg／mL花青素）、 50% （含 183 mg／mL花青素）葡萄汁处理后动物行为表现显著较好，纹状体切片中多巴胺释放明显提高，水迷宫检测后工作记忆明显提高。Dani等[35］发现，与阴性对照组相比，紫葡萄汁治疗CCl4诱导成年大鼠损伤后，大脑纹状体中脂质过氧化反应和蛋白氧化损伤降低，纹状体中超氧化物歧化酶／过氧化氢酶比例显著下降，而且抗氧化活性与多元酚化合物 （总多元酚化合物、白藜芦醇、花青素）有显著关系，提示葡萄汁可降低帕金森症、阿尔茨海默病等脑部疾病的发生率。草莓、菠菜和蓝莓的提取物能够逆转大脑老龄化的一些参数[36-37］。黄酮类可能有许多直接和间接的作用来影响不同神经元参数，进而引导运动和认知行为改变。蓝莓提取物处理衰老动物不仅提高了多巴胺释放和一些运动行为参数，而且降低了从腓肠肌和四头肌提取的肌肉组织中的炎症和氧化应激标志物[34］。 Jeong等[19］报道， 花青素可能提供治疗小胶质细胞激活诱导的炎症和神经退行性损伤疾病的潜在效果。

2.5 降血脂和降血糖 肥胖和糖尿病是目前人们比较关心的热点之一，花青素对其部分调节机制[11，38］为 （1） 激活AMPK通路，增加血糖利用率，降低血清中脂质含有量；（2）上调肾小管细胞三磷酸腺苷结合区转运蛋白A1，改善高糖诱导的肾小管内胆固醇的聚积；（3）下调视黄醇结合蛋白-4，抑制血糖升高。Nizamutdinova等[39］首次报道黑豆种皮提取的花青素在体外实验中以50 mg／kg剂量分别在注射链脲佐菌素 （50 mg／kg）前后进行花青素处理，检测动物体质量和血糖水平，发现具有降血糖的作用，部分原因在于该成分通过调节心脏和骨骼组织中葡萄糖转运蛋白4的表达来预防胰岛素抵抗，调节Caspase-3、Bcl-2等蛋白保护胰腺细胞。张毅等[40］发现，低、中、高剂量紫甘薯花青素分别可使大鼠血糖、总胆固醇、甘油三酯趋于正常水平，从而预防肥胖发生。黑豆包衣中提取的花青素分别以6、24 mg／kg剂量饲养大鼠40、10 d后，大鼠体质量增加程度与对照组相比显著降低，而且随着花青素剂量增加大鼠每日平均摄入食物减少，这也可能是其体质量降低的原因[41］。还有研究对4周龄小鼠进行高脂肪饮食并伴随是否使用蓝莓和桑果汁12周后，通过对体质量、血清和肝脏脂质、肝脏和脂肪组织形态、胰岛素和瘦素等水平的检测，发现与未饮用蓝莓和桑果汁相比，饮用果汁后可抑制体质量增加，缓解脂质积累，降低血清胆固醇等[42］。

2.6 抑制细胞增殖和凋亡 花青素可通过对细胞周期调节蛋白的作用来阻断各个阶段能力，从而抑制细胞增殖[15］。刘春远等[43］研究表明，黑米花青素可抑制SW480结肠癌细胞的增殖和细胞DNA合成后期／有丝分裂期的进展，并且促进该细胞凋亡，具有浓度依赖性 （0～200 μg／mL） 和时间依赖性 （12～60 h）。笃斯越橘花青素能有效抑制3T3-L1前脂肪细胞 S和／或 G0／G1期的增殖，诱导细胞凋亡[44］。魏伦收等[45］通过体内外实验发现，不同浓度蓝莓花青素对人胃腺癌细胞株 （BGC823细胞株）移植瘤模型裸鼠中细胞增殖均有抑制作用，而且与蓝莓花青素浓度和作用时间呈正相关。MTT法检测不同浓度的莲房花青素诱导人肝癌细胞株 （SMMC-7721细胞）凋亡时发现，该成分对该细胞的抑制效果随浓度和时间增加而升高[46］。近期研究资料显示，在乙醇诱导海马神经细胞凋亡模型中，花青素干预可使促凋亡蛋白Bax水平降低，抗凋亡蛋白Bcl-2水平升高，而且可通过GABAB1受体信号来抑制乙醇诱导的凋亡、线粒体膜紊乱、神经退行性等过程，可被视为潜在治疗药物[47］。 Badshah等[41］指出， 黑豆包衣中提取的花青素可降低SD大鼠下丘脑中的GABAB1受体表达。

2.7 保护视力 之前有研究对100名受试者进行视疲劳实验，以1罐／d剂量服用花青素饮料 （含花青素160 mg），连续30 d，通过眼部常规检查、视力检查发现受试者眼胀、畏光、视物模糊等症状有所改善，实验前后各项生化指标均正常[48］。近期姚佳宇等[49］报道，蓝莓提取物花青素也可缓解视觉疲劳、眼表疾病、糖尿病性白内障疾病、青光眼等。

2.8 其他 除了上述研究之外，近些年大量文献也报道了花青素在抑制乳腺癌、肺癌、细菌、真菌、病毒等方面的作用。

3 药代动力学

大部分花青素在胃中是稳定的，一些 （如飞燕草-3-葡萄糖苷）以某种方式不稳定的存在于小肠中[50］。刘学铭等[51］报道，花青素主要分布在消化器官，还可通过血脑屏障进入大脑，其中胃和小肠又为主要吸收部位，糖苷类型和数量、糖基和酚类苷元性质、乙酰化和非乙酰的结构会影响吸收；进入生物体后除了以原型代谢外，还可通过细菌对其糖苷键的裂解与苷元杂环的降解、自身羟基的甲基化、与葡萄糖醛酸或硫酸结合形成酯等方式来代谢，最终以原形和代谢物的形式从尿液、粪便和胆汁排出体外，口服吸收后完整的高浓度矢车菊-3-葡萄糖苷被发现在大鼠的小肠组织中[52-53］。 Fang[4］发现， 矢车菊-3-葡萄糖苷和其他花青素可能被完全吸收进入胃肠壁，经过广泛的首过代谢后作为代谢物进入系统循环；除了化学分解外，人体肝脏微粒体也对花青素苷元的进一步分解有作用。肝脏微粒体能够将矢车菊和天竺葵-3-葡萄糖苷分别代谢为原儿茶酸、4-羟基苯甲酸，并分别进一步代谢形成3、2个葡萄糖醛酸结合物[54］。

在动物和人体中，花青素作为完整的糖苷被吸收，其吸收和消除速率快速，全身生物利用度约为0.26%～1.8%[4，16］。最初有团队研究了花青素在猪体内的吸收状态，发现该成分在3种饮食中的吸收总量无显著差异，但与黑加仑粉组相比饮食谷物、牛奶、糖后其吸收率减慢，即食物或其他类黄酮的同时摄入延迟了其吸收曲线[55］。Kay[56］在人体吸收、代谢和药代动力学方面的研究中发现，平均尿液中花青素的排泄量为其摄入量的0.03%～4%，消除半衰期为1.5～3 h。Milbury等[57］对15名患有冠状动脉疾病的参与者进行蔓越莓花青素药代动力学研究，结果表明该成分可迅速从血浆中去除，单个花青素的血浆浓度介于0.56～4.64 nmol／L之间，尿液中花色苷总回收率是给药剂量的 （0.79±0.90）%，同时还观察到血浆花青可能影响信号转导和／或基因表达。 Kalt等[58］通过 LC-MS／MS法分析每天饮用蓝莓汁的17名志愿者尿液，发现花青素含有量在尿液中变化10倍，第36天其排放量降低，而且每天摄入花青素1次比每天摄入3次、每次1／3剂量的0～24 h排泄量更大。

4 毒性

由于花青素生物利用度低，来源食物供应的毒性很小。谭壮生等[59］进行体内外遗传毒性试验探索，发现花青素对小鼠骨髓正常状态的细胞无遗传毒性作用。梁婕等[60］对杨梅花青素的食用安全性评价毒性实验研究中发现，各染毒剂量组对标准测试菌株、骨髓嗜多染红细胞、雄性小鼠睾丸染色体分别无致突变、致微核、诱变活性，大鼠生长发育、病理组织学、生化指标等也未发现异常，提示杨梅花青素在急性经口毒性试验中属于实际无毒级，无遗传毒性、致突变、发育毒性作用。

在美国，花青素日常摄入量建议为180～215 mg／d；世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会评估得出，葡萄皮提取出的花青素每日摄入量为2.5 mg／kg；我国首次确定成人花青素日常摄入量为50 mg／d，但未确定可耐受最高摄入量。值得注意的是，原花青素可耐受最高摄入量为800 mg／d， 但未确定日常膳食建议值[61-63］。

5 小结及展望

目前，对花青素的研究已从表浅药理作用、动物体内外实验等方面延伸到了作用机制、临床实验、医药卫生等领域。作为食物中重要的抗氧化剂，花青素从生物活性、毒理学、生物利用度方面来看均是一种食用安全级物质。

大量研究表明，花青素可应用到临床上，研究人员也发现其潜在的多重保护作用和价值。虽然花青素提取方法和理化性质已被人熟知，但其发挥药理作用所涉及的信号通路、分子结构及两者之间关系等仍不明确，故如何有效利用其生物活性、将其效益最大化也是当前研究人员所面临的问题。