植物花青素研究进展

作者简介赵云荣（１９６４－），女，河南焦作人，在读硕士，副教授，从事天然产物化学研究。收稿日期２００７!１１!２９

花青素（ａｎｔｈｏｃｙａｎｉｄｉｎ）又称花色素，是植物中的水溶性色素，也是植物花瓣中的主要呈色物质，广泛存在于２７个科７２个属的开花植物（被子植物）中［１］。其中花青素含量较高的植物有葡萄、山楂、松针、紫薯、银杏、花生、苹果、茶叶、沙棘等，目前研究最多的有葡萄及紫薯。花青素属于类黄酮化合物，其基本结构母核是２!苯基苯并呋喃（图１），大多数花青素在花色基元的３!，５!，７!碳位上有取代羟基。由于Ａ环和Ｂ环各碳位上的取代基不同（羟基或甲氧基），形成了各种各样的花青素，目前已知的有２０多种，植物中常见的有天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛色素及锦葵色素的衍生物６种。自然条件下游离状态的花青素极少见，常通过糖苷键形成花色苷（Ａｎｔｈｏｃｙａｌｌｌｎ）。笔者就花青素的分离与分析方法、生理活性、酰基化以及生物合成的基因工程等方面的研究进展作一简要综述。１花青素的分离与分析方法１．１花青素的提取分离方法（１）溶剂萃取法。目前，国内外关于花青素的提取分离主要是采用多级溶剂萃取和吸附层析法。因花青素是水溶性色素，故多采用甲醇、乙醇和水等极性溶剂进行提取，提取液用溶剂萃取、纸层析或柱层析法进行分离纯化。王淑敏［２］等和李菊梅［３］等用盐酸－乙醇溶液提取；吴信子等用盐酸－甲醇溶液提取，然后用纸层析法（中号）和柱层析法（聚乙酰胺）进行花色苷的分离［４］；方忠祥等采用体积分数１％盐酸水溶液提取，用盐酸－乙醇纯化［５］；徐杰等用浓度１％盐酸－正戊醇溶液提取，又利用柱层析和纸层析法，分离得到３种花青素，其中一种为针状结晶［６］；张晴比较了８种大孔吸附树脂对紫苏色素的吸附能力，并用吸附能力最好的ＡＢ!８型对其中的花青素进行了分离纯化［７］。此外，还可用超声波法［８］和高压水法［９］来提取花青素。（２）超声波法。顾红梅等用超声波法和一般溶剂法对比提取紫薯中的花青素。试验结果表明，用超声波提取所用时间明显少于其他溶剂提取法，避免了长时间在较高温度下提取时对花青素的破坏，且提取率最高［８］。（３）高压水法。压力水萃提松针花青素［９］。研究表明，该

法和常压下传统溶剂提取相比有明显的优势，可以缩短提取时间，减少萃取剂用量，由于实际操作中是利用提高压力而使萃取温度高于正常的沸点温度来进行萃取的，高温有利于萃取物向溶剂相转移，因此有很高的萃取率。比较上述萃取方法，溶剂萃取法简单易操作，但耗费溶剂多，提取时间较长，溶剂的排放会造成一定的环境污染；超声波法和高压水法虽然对设备要求较高，但萃取时间短且有较高的萃取率，明显优于传统的溶剂萃取法，尤其是高压水法不会对环境造成任何污染。１．２花青素的分析方法关于花青素的分析方法目前用得较多的是紫外分光光度法和ＨＰＬＣ法，其中紫外分光光度法多用于含量的测定［３，５，８－９］。而ＨＰＬＣ法多用于单一成分结构的鉴定，徐杰等用ＨＰＬＣ法对贵州黑糯米稻米表皮中提取的３种花青素结构进行了鉴定［６］；孙视等从兔眼蓝浆果中检测到１７种花色苷［１０］；吴信子等利用ＵＶ!ＶＩＳ、ＩＲ、Ｈ!ＮＭＲ

和ＨＰＬＣ等现代手段，对从蓝靛果中分离出的纯花青素（矢车菊素）的结构进行了鉴定［４］。２花青素的生理活性２．１抗氧化活性研究者等用亚油酸自动氧化系统、脂质体系统、兔血红细胞膜系统和鼠肝粗粒体系统对矢车菊色素!３!葡萄糖苷和矢车菊色素的抗氧化活性进行了试验，结果发现它们具有较强的抗氧化活性，而且花色苷在ｐＨ值变化后形成的假碱、喹啉碱和查尔酮也比儿茶素的抗氧化活性要强［１１－１２］；王威对多种天然色素的抗氧化活性进行了研究，发现葡萄中的花青素类色素抗氧化活性相当于Ｖｃ的７０％以上［１３］；Ｗａｎｇ等用氧自由基吸附系统（ＯＲＡＣ）评价了天

竺葵素等１４种花色苷清除过氧自由基的能力，结果证明，所有的花色苷都具有明显的清除作用（相关系数ｒ都大于０．９８）［１４］；红葡萄酒中的花色苷清除超氧自由基的能力比单

植物花青素研究进展赵云荣，王世雷（焦作师范高等专科学校，河南焦作４５４１５０）

摘要综述了花青素的分离与分析方法、生理活性、酰基化以及生物合成的基因工程等方面的研究进展，并展望了花青素研究发展方向。关键词花青素；生理活性；酰基化；基因工程中图分类号Ｑ９４６．９１文献标识码Ａ文章编号０５１７－６６１１（２００８）０８－０３０９５－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡｎｔｈｏｃｙａｎｉｎＺＨＡＮＧＹｕｎ!ｒｏｎｇｅｔａｌ（ＪｉａｏｚｕｏＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｏｚｕｏ，Ｈｅｎａｎ４５４１５０）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆａｎｔｈｏｃｙａｎｉｎｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｆｒｏｍｓｏｍｅａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈａｓｉｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ，ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ａｃｙｌａｔｉｏｎａｎｄｇｅｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｓｏｏｎ．Ａｎｄｉｔｓｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｎｔｈｏｃｙａｎｉｎ；ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ；ａｃｙｌａｔｉｏｎ；ｇｅｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

图１花青素基本结构Ｆｉｇ．１Ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｎｔｈｏｃｙａｎｉｎ

安徽农业科学，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＡｇｒｉ．Ｓｃｉ．２００８，３６（８）：３０９５－３０９７责任编辑张杨林责任校对王淼宁还高，而且一定聚合度的花色苷比单个花色苷分子的清除效果更好［１５］。目前，许多研究表明，自由基可导致脂肪、蛋白质和核酸的氧化损害，是一些疾病如癌症、心血管疾病和神经性疾病的重要病因［１６］。故花色苷的抗氧化活性对这些疾病的预防可能会起到非常重要的作用。２．２抗突变作用Ｙｏｍｓｈｉｍｏｔｏ用鼠伤害杆菌ＴＡ９８为材料，研究了４种甘薯块根水提取物的抗突变活性，发现紫薯花色苷可有效抑制杂环胺等引起的突变［１７］。试验强调从紫薯中分离的两种花色苷矢车菊色素!３!（６，６′!咖啡酸阿魏酸槐糖苷）!５!葡萄糖苷（ＹＧＭ!３）和芍药色素!３!（６，６′!咖啡酸阿魏酸槐糖苷）!５!葡萄糖苷（ＹＧＭ!６）具有很强的抗突变作用，ＹＧＭ!３抗突变作用大于ＹＧＭ!６；酰基化花色苷的抗突变作用更强烈，在咖啡酸、阿魏酸和对羟基苯甲酸中，咖啡酸花色苷作用最强，是阿魏酸的２倍；对羟基苯甲酸几乎没有抗突变作用。２．３减轻肝机能障碍动物试验表明，含大量花色苷的紫薯饮料能显著抑制由四氯化碳引发的肝损伤鼠血清中谷氨酸－草醋酸转氨酶（ＧＯＴ）、谷氨酸－焦葡萄糖酸转氨酶（ＧＴＰ）的上升，且对血清和肝脏中硫代巴比妥酸（ＴＢＡ）反应物及氧化脂蛋白的增加有一定的抑制作用，而黄肉红薯饮料则不能［１８］；Ｗａｎｇ等用１．５ｍｍｏｌ／Ｌ叔丁基过氧化氢（ｔ!ＢＨＰ）处理分离的鼠肝细胞３０ｍｉｎ，引起肝脂肪氧化和细胞中毒，而０．１％或０．２％的花色苷可降低ｔ!ＢＨＰ的作用［１９］。在老鼠的体内试验中，花色苷也可显著降低由ｔ!ＢＨＰ引起的肝细胞损伤。研究者用百草枯（Ｃ１２Ｈ１４Ｂｒ２Ｎ２，一种除草剂）引起鼠肝损伤，同样证明花色苷对肝脏具有保护作用［２０］。２．４对心血管疾病的作用有不少文献报道花色苷有减少心血管疾病的作用［２１］，法国人常食用高饱和脂肪酸，却很少患冠心病和动脉粥样硬化，是由于法国人喜欢饮用花色素含量很高的红葡萄酒。Ｇｈｉｓｅｌｌｉ从红葡萄酒中提取的花色苷能有效地清除超氧自由基和羟自由基；在体外试验中，花色苷能明显抑制低密度脂蛋白的氧化和血小板的聚集，而这两种物质却是引起动脉粥样硬化的主要原因［２２］。给老鼠喂食含大量胆固醇的食物，同时饲喂一种从茄子中提取的酰化飞燕草花色苷，结果鼠血清中的总胆固醇含量下降，而粪便排泄物中的胆固醇和胆汁酸却增加。试验者认为可能是花色苷部分地阻碍了小肠对胆固醇和胆汁酸的吸收［２３］。２．５其他作用另外，花青素对人体健康还有积极的保护作用。研究表明，花青素能提高视力、对各种由于毛细血管脆弱引发的血液循环紊乱有明显的保护作用［２４］；对发炎性疾病［２５］也有疗效；另外还有抗肿瘤、抗辐射等作用［２６］；Ｎａｉｒ也提出花色苷及其降解产物在减轻疼痛和预防癌症方面具有一定的功效［２７］。３花青素的酰基化研究３．１酰基化对花青素稳定性的影响随着各国对合成色素使用的限制越来越多，作为天然色素的花青素在食品工业上的应用越来越受到重视，但花青素的最大弱点是颜色不够稳定，易受酸碱度、温度、光照、氧化还原剂、金属离子等因素的影响。Ｗｒｏｌｓｔｏｅｓ等研究表明，花青素在酸性溶液中，存在着４种花色苷－醌型碱、黄钅羊盐阳离子、假碱和查耳酮之间的平衡，当ｐＨ值低于２时花色苷主要以红色或黄色的黄钅羊盐离子存在，随着ｐＨ值升高，花色素成蓝色醌型碱，黄钅羊盐离子进一步水合作用而形成无色的假碱，假碱以缓慢的速度同开链的无色查耳酮趋于平衡；当花色苷溶液受热时，平衡向着形成无色查耳酮的方向进行，致使溶液颜色变浅［２８］。但近年来研究发现，酰基化花青素具有较强的护色

能力，是由于酰基化有效地阻碍这４种化学结构的转变［２９］。当花青素中含有一个或多个酰基时，酰基阻止了花青素从红色的黄钅羊盐水解成无色的查耳酮或一般使得其转变为蓝

色的醌酮，因此能保持颜色。该结果已被许多试验证实，如Ｗｒｏｌｓｔｏｅｓ等报道一些酰基化天竺色素及其衍生物ｐＨ值升高至中性时还比较稳定［２８］。

３．２植物中的酰基化花青素随着人们对酰基化花青素的研究不断深入，目前已经在自然界大量植物中发现了天然酰基化花青素。Ａｗｉｌｌｉａｍｓ等在对石斛属植物的紫色花朵研究时提取到３!丙二酰!Ｄ!吡喃葡萄糖苷!７!二芥子酸酰糖苷

矢车菊色素和它的一些去丙二酰衍生物［３０］。Ｔａｋａｓｈｉ等从红萝卜色素分离出１２种酰基化的花青素，其中有６种是首次报道［３１］。Ｎｏｒｉｏ等从银莲花的紫罗兰花中分离出５种酰基化花青素，并证明３位与５位上的吡喃型葡萄糖是与咖啡酸酰化的［３２］。

４花青素生物合成的基因工程２０世纪８０年代末９０年代初，植物花青素代谢途径的研究己较为成熟，苯丙氨酸是花青素生物合成的直接前体，由苯丙氨酸到花青素要经历３个阶段［３３］。２０世纪９０年代以

来许多学者利用蛋白质纯化、转座子标签、ＰＣＲ及鉴别筛选等手段从玉米、金鱼草、矮牵牛等植物中分离和克隆了部分与花青素生物合成相关的结构基因与调节基因，已分离与克隆的结构基因主要有ＣＨＳ基因、ＣＨＩ基因、Ｆ３Ｈ基因、Ｆ３′

５′Ｈ基因、ＤＦＲ基因、ＡＮＳ基因、３ＧＴ基因、ＡＭＴ基因等。已克隆的调节基因主要有Ｒ基因及其同族的Ｓ、Ｓｎ和Ｌｃ基因，另外还有Ｂ、Ｃｌ、ＰＩ、Ｖｐｌ、Ｄｅｌ、Ａｎ２、Ａｎ４基因，并发现这些