花青素的研究综述

刘仕旭化学化工学院 20110441062前言花青素(Anthocyanidin)，又称花色素，是自然界一类广泛.在自然状态下，花青素在植物体内常与各种单糖结合形成糖苷，称为花色苷(Anthocyanin)，由Marguart(1853)命名矢车菊花朵中的蓝色提取物时提出来的，现在作为同类物质的总称[2，3]｡花青素广泛存在于开花植物(被子植物)中，据统计，27个科，73个属植物中含花青素｡近年来，国内外的学者通过对其研究，其主要用于食品着色方面,也可用于染料、医药、化妆品等方面[10]，作为一种天然食用色素，安全、无毒、资源丰富，且具有一定营养和药理作用，特别在食品、化妆、医药等方面有着巨大的应用潜力，因为和其他天然色素一样，其染色力危害人的健康，因此天然色素越来越引起了科研领域及相关学者、工作者的广泛关注｡1 花青素的植物来源及应用葡萄皮是花色苷类色素的主要原料，其他属于此类色素并具有开发前景的有胡萝卜素､高粱红色素､山楂红色素､黑米红色素､牵牛红色素､鸡冠花红色素，越橘红色素｡已经投入商业生产色素有葡萄皮色素､浆果类(草莓､木莓､杨梅､枸杞)､紫玉米､萝卜红､蓝靛果､越橘红､黑米红等｡在配料酒､糖果､糕点､冰棍､雪糕､冰淇淋､果汁(味)饮料､碳酸饮料中加入，用量0.5%~5%｡另外也可用于化妆品，如红色花青素做口红｡这些商品用色素(除葡萄皮色素外)共同特征是对光､热､氧稳定性好，对微生物稳定，一般溶于水和乙醇，不溶于植物油[4，8]｡2 花青素的种类､结构与特性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｡现已知的花青素有20多种，主要存在于植物中的有：天竺葵色素(Pelargonidin)､矢本菊色素或芙蓉花色素(Cyanidin)､翠雀素或飞燕草色素(Delphindin)､芍药色素(Pe-onidin)､牵牛花色素(Petunidin)及锦葵色素(Malvidin)｡自然条件下游离状态的花青素极少见，主要以糖苷形式存在，花青素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[2~4，8]｡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280nm附近，可见光区域最大吸收波长在500~550nm范围内｡花青素类物质的颜色随pH值的变化而变化，pH<7呈红色，pH在7~8时呈紫色，pH>11时呈蓝色[2]｡3 花青素的各项研究3.1 花青素的分离与分析植物花青素多采用酸性的甲醇､乙醇､水等极性溶剂提取，但该法同时提取了材料中由原花青素及花白素转化形成的花青素｡提取液中用溶剂萃取､纸层析､柱层析方法分离纯化｡采用纸层析或柱层析方法分离，得到3种主要的花青素苷元｡花青素总量测定多采用分光光度法，样品经沸水提取，加酸性乙醇显色，生成特有的刚果红，于波长535nm处测吸光度，该法不受黄酮苷及儿茶素的干扰，但受原花色素､花白素干扰，分析结果往往偏高，灵敏度不够理想[2]｡已有采用高效液体相色谱法(HPLC)测定花青素种类和含量的报道｡D.Strack等从欧洲越桔花青素提取物中分离检测到16种花色苷，孙视等从引种越桔中检测到15种花色苷，色谱分析条件为:采用Aquapore RP-300色谱柱，10%甲酸水溶液做A泵流动相，流速1ml、min，柱温28℃，检测波长530nm，经梯度洗脱，在65min内完成检测｡采用矢车菊-3-葡萄糖苷作为对照品进行方法考察显示:方法线性关系､重现性良好，准确度较高[2]｡3.12花青素的生物合成途径20世纪80年代末90年代初，植物花青素及类黄酮物质代谢途径研究已较为成熟｡苯丙氨酸是花青素及其他类黄酮生物合成的直接前体，由苯丙氨酸到花青素经历3个阶段：第1阶段由苯丙氨酸到香豆酰CoA，这是许多次生代谢共有的，该步受苯丙氨酸解氨酶(PAL)基因活性调控｡第2阶段由香豆酰CoA到二氢黄酮醇，是类黄酮代谢的关键反应，该阶段产生的黄烷酮和二氢黄酮醇在不同酶作用下，可转化为花青素和其他类黄酮物质｡第3阶段是各种花青素的合成[2]｡3.3花青素生物合成的基因工程利用蛋白质纯化、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并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､CHI､DFR､ANS､3GT､AMT基因｡已克隆的调节基因主要有R基因及其同族的C､Sn和Lc基因，另外还有B､Cl､Pl､Vpl､Del､An2､An4基因，并发现这些调节基因具高度相似序列，表明不同物种花青素生物合成由相似因子介导与控制[2，14~16]｡通过外源结构基因导入，利用反义基因法与共抑制原理等技术调控花青素等类黄酮物质的合成，从而改变植物花色、果色与叶色已经取得许多成果[2]｡人们根据植物花的颜色与类黄酮有关，而苯基乙烯酮合酶CHS是类黄酮生物合成的关键酶，于是从矮牵牛中分离出CHS的cDNA，将cDNA与CaMV的35S启动子反向连接，再把此反义基因系统连到双元载体Bin19上，得到矮牵牛转基因植株，其花色从原来的紫红色变为粉红色，并夹有杂白色或全白色，这种反义RNA技术为园艺学育种提供了一条新途径[7]｡由于其易于观察的特性，花青素调控基因可用于研究植物基因表达及相互作用，植物遗传条件的优化上[2]｡3.4花青素的生理及保健功能由WHO、FAO组成的食品添加剂联合专家委员会(JEC-FA)考察了花色苷的毒理学资料，结论是“毒性很低”｡唯一的负面作用是使一些动物器官(肝､肾上腺､甲状腺)的重和体重下｡1982年确定其人体ADI值(每日允许摄入剂量)为0~2.5mg/kg体重[3]｡有证据表明，花青素不仅无毒和无诱变作用，而且有治疗特性｡花青素在眼科学，治疗各种血液循环失调疾病，发炎性疾病上有疗效｡最近关注花青素和相关类黄酮物质的抗氧化特性，导致许多文章报道它们在减少冠心病方面的作用，引发了调查所谓的“法兰西怪事”，即法国人食用高饱和脂肪酸，却很少人患冠心病[4，8]｡3.5 花青素的植物组织培养技术用食品生物工程技术可实现花青素工业化生产，作为种蚯蚓体内能分离出至少2种以上具有抗凝活性但是分子量和生化特征不相同的蛋白酶｡例如在粉正蚓(程牛亮等，1990)､赤子胜爱蚓(熊焱等，1999)体内均分离出多种纤溶酶组分[17~19]｡粉正蚓的纤溶酶中有的可以水解碱性氨基酸，有的可以水解酸性氨基酸；李旭霞等(2003)提出赤子胜爱蚓纯化的组分中有的可以直接水解纤维蛋白，也有的以纤溶酶原作为水解底物[1,5~6,20]｡日本宫崎医科大学的美原恒教授，利用蚯蚓提取蛋白酶获得了成功，此药可以代替尿激酶，是治疗心肌梗塞､脑血栓的特效药｡郭斗涛等(1998)报道，口服蚯蚓水提物30ml、d，14d(1个疗程)后，脑血栓患者的血液流变学指标明显改善[21]｡董德洛等(1993)给脑血栓患者口服蚯蚓水提物实验发现，该提取物可能通过抗凝及促纤溶作用，促进脑血栓患者神经功能缺损的恢复｡陈飞等(2003)指出蚯蚓的溶栓作用，侧重于脑血管病的预防和中风后遗症的恢复｡蚯蚓CaM是一种分布很广泛，功能重要的钙结合蛋白，作为主要的钙受体蛋白，调节着20多种酶的活性，在第二信使调节系统中处于重要位置[22]｡4 结语近几年来，针对花青素的抗氧化､抗突变､预防心脑血管疾病､保护肝脏､抑制肿瘤细胞发生等多种生理功能[2，3的应用已有了突飞猛进的发展，世界上许多国家的学者都大量的研究.总的来说，对花青素的研究开展的比较广泛，不稳定(易受pH､氧化剂､亲核剂､酶､金属离子､温度､光照等影响)，使其应用受到一定限制[4，11，12]｡但由于至今国内市场上还没有花青素纯品，需要更为深入的研究.对花青素的研究中，我认为花青素今后主要的发展方向为：提取高纯度的花青素及对花色苷类色素的深入研究与开发提供必备的表征条件和理论依据，并且有助于它的工业利用[10]｡参考文献[1] 曾小澜，章碧玉，麦羡霞.蚯蚓提取物对多种瘤细胞的作用[J].山西医学院学报，1995，26(2):81-83.[2 ]张绍章，田琼，李予蓉.蚯蚓提取物对小鼠脾脏抗体形成细胞的影响[J].第四军医大学学报，1993，14(5):350-352.[3] 孙淑芬，莫简，郭正仁.蚯蚓提取物对血卟啉激光抗癌的增敏作及其机理[J].第四军医大学学报，1991，12(2):141-144.[4] 邢宝东，殷慎敏，茹炳根.蚯蚓纤溶酶的分离纯化及性质[J].生物化学与生物物理学报，1997，29(6):609-612.[5 ]赵晓瑜，静天玉.蚯蚓纤溶酶的成分分析[J].中国生物化学与分子生物学报，1998，14(4):407-411.[6 ]林少琴，余萍，兰瑞芳.蚯蚓纤溶酶的亲和层析纯化及部分性质[J].药物生物技术，2000，7(4):229-233.[7] 杨嘉树，李令媛，茹炳根.蚯蚓体内一种纤溶酶原激活剂(ePA)的分离纯化[J].中国生物化学与分子生物学报，1998，14(2):156-163.[8] 杨嘉树，李令媛，茹炳根.蚯蚓体内一种纤溶酶原激活剂(ePA)的部分性质研究[J].中国生物化学与分子生物学报，1998，14(2):164-169.[9 ]杨嘉树，郭亚迁，茹炳根.蚯蚓纤溶酶原激活剂(ePA)小亚基活性中心的酶学性质及CD光谱的研究[J].中国生物化学与分子生物学报，1998，14(6):721-725.[10] 刘堰，李清漪.赤子爱胜蚓超氧化物岐化酶的纯化和部分性质研究[J].生物化学杂志，1994，10(5):605-610.[11] 徐炜虹，杨齐衡，路英华，等.蚯蚓过氧化氢酶的纯化及性质[J].华东师范大学学报(自然科学版)，1996，4:95-101.12 严民宏，王二力，周元聪，等.赤子爱胜蚓纤维素酶的初步研究[J].华东化工学院学报，1991，17(1):82-86.[13] 钟良玮，张祖，单鸿仁.双胸蚓胶原酶的萃取､纯化､性质及化学组成的研究[J].生物化学杂志，1991，7(3):291-296.[14] 李令媛，马宏宝，吕迎春.镉诱导威廉环毛蚓金属硫蛋白的分离纯化及特性研究[J].生物化学杂志，1994，10(4):444-450.[15]] 王采芹，张庭芳.蚯蚓钙结合蛋白的分离纯化及性质的研究[J].北京大学学报(自然科学版)，1996，32(6):741-748.[16 ]陈飞，刘艳玲，吴红玲.蚯蚓有效成分研究进展[J].微生物学杂志，2003，20(1):43-44.[17] 郭斗涛,中西医结合杂志，1988，8:400.[18] 董得洛，黄德铭.上海医科大学学报，1993，20(1):16.[19] 李旭霞，李庆伟,抗凝血蛋白药物的研究进展[J].辽宁师范大学学报(自然科学版)，2003，26 (2):187-191.[20] 程牛亮，牛勃，张祖询，等.双胸蚓纤溶酶的纯化及性质[J].生物化学杂志，1990，6(2):186-190.[21] 熊焱，杨四成，刘晓英，等.蚯蚓纤溶酶的纯化及部分序列测定[J].生物化学杂志，1997，13(3):292-295.[22] 李玉珍，杨继虞，陶建宁.赤子爱胜蚓纤溶酶的理化性质研究[J].广东药学，2000，10(2)：30-32.[23] Tsunoda S，et al.AnticancerRes，1997，17(5A)：3349.。