花色苷的营养吸收及稳定性研究进展

刘建国，司旭，田金龙，薛博，张野，崔慧军，谢旭，李斌

（沈阳农业大学食品学院，国家浆果加工技术研发专业中心，辽宁省健康食品营养与创制重点实验室，辽宁沈阳 110161）

花色苷是一种重要的天然水溶性色素，广泛存在于果蔬及花卉中，赋予植物艳丽的颜色，如红色、紫色、黄色和橙色[1]。花色苷也是蓝莓等浆果中主要的功效成分[2-3]。研究表明，花色苷具有多种生物活性和保健功效，如抗氧化、抗菌、抗炎、抗癌、保护视力、改善心血管健康、减肥、降压、降血糖等[4-8]，可替代人工合成色素应用于功能性食品研发。但花色苷对环境刺激较敏感，化学稳定性较差，人体生物利用度较低，限制了其在食品加工中的应用。近年来，国内外对花色苷的稳定性、生物活性及体内生物利用度进行了广泛研究。本文对花色苷的营养吸收及稳定性研究进展进行了综述，旨在为浆果的深加工及利用提供理论依据。

1 花色苷的结构及特性

花色苷是由花青素母体与一个或多个糖基以糖苷键结合而成的一种生物活性物质，其结构基础为黄嘌呤阳离子（2-苯基苯并吡喃阳离子）母核。由两个芳香环（A、B 环）与一个含氧杂环（C 环）相连而形成C6-C3-C6 结构（表1），属于黄酮类化合物[9]。根据芳香环（尤其是B 环）上连接的糖和其他酰化基团的类型、数量和位置不同，可分为不同类型的花色苷[10]。自然界中已鉴定出来的花色苷有600 多种[11]，常见的有6 种花色苷分别为天竺葵色素（Pelargonidin）、矢车菊色素（Cyaniain）、飞燕草色素（Delphinidin）、芍药色素（Peonidin）、矮牵牛花色素（Pentunidin）、锦葵色素（Malvidin）（见表1），它们的颜色随B 环3、5、7 碳位上的取代基不同而变化[12]。

花色苷具有多种生物学活性，但由于受加工、贮藏、消化环境等因素的影响，花色苷很难完整、大量地进入肠道并发挥其功效。花色苷生物利用度很低，机体摄入花色苷后吸收入血的含量仅占摄入总量的1%[13]。花色苷的低吸收率、低生物利用度与其稳定性和体内营养吸收特性密切相关。

2 花色苷的营养吸收

花色苷极性强，很难被人体细胞直接吸收；且花色苷脂溶性较低，不易透过磷脂双分子层而进入细胞内[14]。但已有动物体内试验证据表明，口服摄入的花色苷会以完整的糖苷形式被生物体吸收，并在口服2 h内迅速被人体内的各个组织和器官吸收和代谢[15-16]。

2.1 口腔初步消化

花色苷首先在口腔中被初步消化。人类口腔表面上皮细胞和唾液腺末端导管中会分泌与小肠中相似的水解酶、第二阶段酶（如尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶）以及局部肠循环所需的外排运输酶，会使部分花色苷降解成花色苷元及其他花色苷降解产物[17]。Walle 等[18]研究表明，口腔上皮细胞分离出的胞浆及口腔内微生物可使完整的黄酮苷（如染料木黄酮）降解为苷元，其中β-葡萄糖苷酶是降解的关键酶。由于花色苷在口腔内停留的时间较短，口腔对花色苷的消化有限。但口腔内分泌的相关酶会随花色苷进入消化道，使花色苷进一步被消化吸收。

表1 6 种常见花色苷的结构及颜色Table 1 The structure and color of six common anthocyanins

2.2 胃部吸收

未被口腔消化的花色苷经上消化道进入胃部。胃部环境存在大量胃酸，pH 值一般为0.9～1.5。花色苷在pH≤2 条件下主要以黄烊盐离子（flavylium）AH+形式稳定存在，所以花色苷在胃中能够保持原有结构[19]。有研究表明，胃是吸收花色苷的重要部位[20]，其对花色苷的吸收率可以达到20%[21]。Mcghie 等[22]报道称大鼠经胃插管摄入花色苷后15～30 min 内血浆花色苷浓度达到最高值，推测胃对花色苷的吸收有重要作用。Fernandes 等[23]研究表明，胃对花色苷的吸收有一定限制，高浓度的花色苷会导致胃部吸收达到饱和。这证明花色苷的吸收是主动吸收，有载体参与。但胃对花色苷的吸收机理尚不明确，有报道称这种吸收可能依赖于胃组织中的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（UGT）和氨基磺酸转移酶（SULT）[24]。另有研究报道，花色苷在胃中的吸收和转化依赖于胆红素易位酶，以其有机阴离子为载体，经肝脏进入循环系统，经过代谢后随着胆汁转移到肠道[25]。Passamonti 等[26]推测胆红素易位酶有促进胃吸收花色苷的可能。但花色苷在胃部停留的时间较短，因此花色苷的胃部吸收有限。

2.3 小肠吸收

胃组织未吸收的花色苷沿着下消化道进入小肠。小肠中的环境偏中性，而花色苷在中性及微酸性条件下易形成醌型碱、假碱（B）和查尔酮（C）类化合物，易受水的亲核攻击而不稳定[27]。所以进入小肠的花色苷多以降解产物的形式进入人体血液循环和其他组织器官，并代谢进入胆汁和尿液[28]。小肠对花色苷的降解具有选择性[29-31]，小肠绒毛边缘乳糖酶（LPH）和小肠微生物中的β-葡萄糖苷酶（β-G）的活性可能是降解的基础[32-33]，它们能够将花色苷水解为游离的花色苷元。糖苷键的水解是花色苷消化的关键，因为它们的苷元比摄入的糖苷更容易被吸收。邹堂斌等[34]通过Caco-2细胞模型研究矢车菊素-3-葡萄糖苷在肠道的吸收特点推测小肠对花色苷的吸收机理可能与P-糖蛋白（P-gp）、多药耐药相关蛋白（MRPs）、钠依赖性葡萄糖转运蛋白1（SGLT1）和葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）等转运蛋白有关。

2.4 结肠吸收

小肠未消化吸收的花色苷进入结肠，结肠中pH值与小肠相近，花色苷以多种结构和衍生物形式存在。结肠中复杂的生理条件和微生物菌群会破坏花色苷的环结构，降解代谢成简单的酚酸，如香草酸、马尿酸等[35]。Keppler 等[15]以猪盲肠建立的体外模型显示肠道菌群可修饰花色苷结构，使花色苷迅速去糖基化和脱甲基化。由此可以看出，肠道菌群除了可降解花色苷环系统外，还会产生能去除花色苷糖基复合物（通过降解O-糖苷和C-糖苷）的糖苷酶、葡萄糖醛酸酶等[36]。花色苷被肠道菌群代谢后的产物可被上皮细胞吸收进入血液循环发挥其功效，所以肠道菌群在花色苷的生物转化中起着重要的作用[13]。

可见花色苷进入人体发挥生物活性的途径主要是通过胃和小肠的消化吸收，以及肠道菌群与花色苷相互作用对其修饰或降解后的再吸收。花色苷的生物活性及各种保健功效是由花色苷母体及其肠道代谢产物共同发挥的[37]。因此，增强花色苷稳定性和促进花色苷在胃肠道内的吸收对提高其生物利用度有重要的意义。

3 影响花色苷稳定性的因素

花色苷稳定性与其自身结构特征、加工和消化环境两方面因素有关[38]。2-苯基苯并吡喃阳离子母核上结合羟基、甲氧基、糖基、酰基的位置、数目及类型不同可影响花色苷的稳定性。甲氧基化、糖基化、酰基化程度提高，都有助于增强花色苷的稳定性。羟基化在一定程度上会导致花色苷不稳定，但C3 或C5 位置羟基化可增强花色苷的稳定性[39]。影响花色苷稳定性的加工及消化过程中理化因素主要包括pH 值、温度、光照、抗坏血酸、金属离子、酶等，其中pH 值、温度、光照影响较大[40]。

3.1 pH 值

花色苷在不同pH 值的溶液中呈现不同的颜色[41]。随着溶液pH 值的升高，花色苷由红色逐渐变成蓝色。这是由于当pH＜2 时，花色苷主要以红色的黄烊盐离子（flavylium）AH+形式稳定存在；当pH 为3～6时，主要以无色的假碱（B）和查尔酮（C）类化合物形式存在；在中性或弱酸性条件下，主要以紫色的中性醌型碱形式存在；而在微碱性溶液中，则以蓝色的离子化醌型碱形式存在[42]。

3.2 光照

光照会降低花色苷的稳定性。在光照条件下，花色苷的酰基易脱落，导致花色苷稳定性降低[42]。张珍珍等[43]研究表明，在恰当的生长时期选取合适的遮光方式，可使葡萄果皮积累更多的花色苷。这主要是由于成熟期遮光可促进果皮中花色苷的甲基化和酰化修饰的累积。李恩惠等[44]发现，将蓝莓花色苷经过7 000 lx 光照处理16 d 后，花色苷损失了21.25%，而避光条件下贮藏16 d，花色苷损失了15.85%。因为强光使蓝莓花色苷2、4 位碳原子活性增强，易受到亲水攻击发生降解。

3.3 温度

温度显著影响花色苷的稳定性。研究证实花色苷降解时焓变（ΔH）为正值，说明花色苷的降解过程为吸热反应。而高温可以为花色苷降解提供更多能量，从而加速了活化络合物的形成进程，缩短了达到能量屏障所需的时间[45]。花色苷在温度过高时，会发生水解或去糖基开环反应，从而形成无色查耳酮或其同分异构体α-二酮，然后继续降解为酚酸和醛类物质[46]。何伟[47]推测紫薯花色苷的热降解路径可能为花色苷的3-和5-的糖苷键先断裂，生成花青素、酰化槐糖和葡萄糖；接着花青素的C 环打开得到两个降解产物，一个是间苯三酚醛，另一个产物因R1 和R2 位置上基团的不同而不同，可能是香草酸、原儿茶酸或p-羟基苯甲酸等；而酰化槐糖上的酰基断裂，得到酚酸和槐糖。

3.4 其他影响因素

此外，其他因素也容易引起花色苷稳定性降低。如饮料中加入抗坏血酸，抗坏血酸会被氧化成过氧化氢，而过氧化氢为强氧化剂，可亲核攻击花色苷使其开环，引起花色苷的降解[37]；铁、铅等金属离子的加入，可能会和花色苷络合生成沉淀，使稳定性下降[48]；而一些酶类如花色苷酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和果胶酶，也会降解花色苷，影响其稳定性[49]。

4 提高花色苷稳定性的方法

为了提高花色苷的稳定性，保持果蔬产品的质量和营养价值，使花色苷得到更广泛的应用，学者们进行了大量研究，通过总结得出，现有的技术包括修饰改性、辅色作用、微胶囊化及纳米复合物递送等均能提高花色苷的稳定性。

4.1 修饰改性

花色苷的修饰改性包括酰基化修饰、酯基化修饰及吡喃化修饰[40]。谢凤英等[50]利用有机酸提供酰基对黑米花色苷进行修饰，发现酰化修饰改性可优化黑米花色苷的结构，在分子间的重新缔合时引入新的酰基基团，使花色苷呈现出一种双酰化的平行堆积的空间结构。这种堆积作用可以保护发色团免受水的亲核攻击和其他降解反应，提高黑米花色苷结构的稳定性。酰基化修饰可提高花色苷稳定性和抗氧化性，能较好保持花色苷本身的颜色。但转化率较低，而且酰化后花色苷的结构及理化性质有待研究。张媛媛等[51]通过对萝卜红色素进行乙酰水杨酸酯化修饰，得到的色素对pH、温度和光的稳定性明显提高。这与蒋新龙等[52]的研究结果相似，用丁二酸酐酯化修饰能提高黑豆皮花色苷的稳定性，表现为降解速率小、半衰期长，有利于色素的应用及保存。酯化修饰也有一定局限性，孙华铃[53]研究发现黑米色素酯基化修饰后虽然稳定性提高，但水溶解性相比于原色素较差。花色苷的吡喃化修饰是指将普通花色苷与不饱和小分子物质发生加成或聚合反应，生成相应的吡喃花色苷，如甲基吡喃花色苷、酚基吡喃花色苷、黄烷醇-吡喃花色苷等[40]。吡喃型花色苷在其C4 位与C5 位之间可形成吡喃环，能直接保护花色苷抵御水的亲核攻击，所以在酸性及中性pH 范围内具有良好的稳定性[54]。但天然植物中以及果酒发酵自然形成的吡喃型花色苷极少，而人工合成所需时间较长，所以对于吡喃型花色苷的研究还有待进一步研究。

4.2 辅色作用

分子辅色可通过分子间或分子内部的氢键、络合、共价结合等作用稳定花色苷呈色。花色苷分子的辅色作用包括4 种类型：分子内辅色、分子间辅色、金属离子络合及自缔合作用[55]。分子内辅色是花色苷分子内基团相互作用而引发的颜色变化，主要通过分子内部不同基团的旋转、折叠和堆积等空间结构的转化，使花色苷结构发生变化；分子间辅色是辅色素共价结合到花色苷骨架上，形成夹心式堆积，防止水的亲核攻击。Gras 等[56]研究表明，当添加较高水平的辅色素时，分子间辅色作用可显著提高黑胡萝卜花色苷的热稳定性。Chung 等[57]研究表明，绿茶提取物可与花色苷通过疏水作用，使花色苷半衰期由2.9 d 提高到6.7 d。虽然辅色作用可使花色苷颜色增强，但由于辅色素自身稳定性差以及加入的有机试剂等因素的影响，辅色后的复合物易解离，辅色作用不稳定。

4.3 微胶囊化

微胶囊化技术是将具有生物活性的固体、液体或气体化合物引入基质或聚合物壁系统，以保护活性成分不受氧气、光照及其他条件的影响[58]。包封材料包括碳水化合物、蛋白质、脂类等，如环糊精、明胶、海藻酸钠、葡聚糖、阿拉伯胶等。毛莹等[59]以海藻酸钠为壁材，经优化喷雾干燥条件制备的花色苷微胶囊，在90 ℃条件下，半衰期是原花色苷的2.5 倍多。研究结果表明花色苷微胶囊的光照、温度以及胃肠消化稳定性均高于原花色苷。微胶囊化确实能提高花色苷的稳定性，但稳定化后的微胶囊型花色苷在终产品中的应用时呈色如何，是否同样表现出良好的稳定性，以及所选壁材是否安全仍需进一步验证。

4.4 纳米复合物递送

纳米递送系统以纳米粒子为载体，通过靶向作用将对刺激敏感的生物活性物质递送至目标部位，增强机体吸收，从而提高生物利用度[60]。纳米粒子包裹或吸附花色苷，可提高花色苷的稳定性，抑制其在体内的氧化和降解。Zhang 等[61]用铁蛋白包裹花色苷，使矢车菊素-3-O-葡萄糖苷分子的热稳定性和光稳定性提高了约2 倍。纳米粒子可与花色苷以π-π 堆积（主要是静电相互作用）形成疏水核心，防止花色苷水合作用的形成，并维持醌型碱和黄嘌呤阳离子结构，从而抑制花色苷的降解[62]。Jeong 等[63]通过硫酸软骨素和花色苷之间进行简单的分子间堆积制备的纳米复合物稳定性是原来的8 倍。然而，用纳米粒子递送花色苷还面临很多挑战，如制备纳米粒子所用载体材料和添加剂的安全性问题，纳米粒子在消化过程中受酸碱度、消化酶、离子强度等影响而造成的稳定性问题，纳米粒子制作过程复杂、耗能高、材料昂贵和纳米粒子尺寸、形状和粒径分布难以掌控带来的可行性问题等。

5 小结

近几年花色苷的稳定性研究取得了很大进展，涌现出各种技术，但实际应用时依然存在很多问题。如修饰改性，虽然可提高花色苷稳定性，但酰基化修饰转化率低，酯基化修饰溶解性差，吡喃化修饰所需时间长等问题也需要进一步研究；如辅色作用，虽然能使花色苷颜色增强，但由于辅色素自身稳定性差易解离，对花色苷的保护作用不稳定；微胶囊化可在一定程度上提高花色苷的稳定性，但对花色苷的呈色效果不佳，且壁材的安全性也有待考虑；纳米粒子递送花色苷所面临如载体材料安全性、稳定性、可行性等问题也亟待解决。另外，对于花色苷的营养吸收研究还不够透彻，其在体内吸收代谢途径等生理活性方面的功效还有待于进一步研究。如果上述问题得到解决，可使花色苷在食品、医药、化妆品等领域得到更广泛的应用。