天然色素花青素研究现状及其在食品工业中的应用前景

花青素是一种广泛存在于植物中的水溶性色素，对生物体具有重要的生理活性。文章中对花青素的结构、提取和纯化的方法、生理功能进行系统阐述，并对其在食品工业中的发展前景进行展望。
花青素又叫花色素、花色苷，属黄酮类化合物，是一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，构成植物花瓣和果实的主要色素之一。作为一种天然色素，花青素安全、无毒、资源丰富，且具有一定的营养价值和保健作用，故在食品、医药、化妆品等众多领域有着巨大的开发潜力。本文在花青素相关研究的基础上，对天然色素花青素的化学结构、分离与提纯、生理功能及其在食品中的应用前景进行全面的阐述，为花青素的进一步深入研究提供必要的参考依据和奠定基础。
花青素的化学结构
1947年，年轻的法国杰克·马斯魁勒博士在花生的包衣中发现了一种的物质，它在酸性的条件下加热能够转变为花青素。花青素属于酚类化合物中的类黄酮类水溶性色素，广泛存在于红葡萄、蓝莓、紫薯、草莓、树莓等植物中。天然花青素的母体结构为2—苯基苯并吡喃即花色基元，以C6-C3-C6为骨架，如图1所示。大多数花青素在花色基元的3-，5-，7-碳位上有取代基。由于A环和B环各碳位上的取代基不同，从而形成了各种各样的花青素。迄今发现的天然存在的花青素有22大类，分布于27个科，73个属的植物中。常见的主要有天竺葵素、矢车菊素（芙蓉花色素）、翠雀素（飞燕草色素）、芍药素、锦葵色素、牵牛花色素6种，其中含量最高的是矢车菊素。花青素极其不稳定，自然条件下游离的花青素极少见，常与一个或多个多糖分子通过糖苷键形成花色素。
花青素的提取及纯化方法
花青素的提取方法对比。近年来，随着国内外学者对花青素关注度的提升，花青素的提取方法逐渐成为研究发展的热点课题。在传统的有机溶剂萃取法的基础上，许多辅助方法如微波、超声、加压、超临界等技术被应用到花青素的提取中来，这些新技术与传统方法的有机结合，大大提高了花青素的得率，缩短了提取时间，表1中对常见的花青素提取方法进行总结，对比了各种提取方法的优缺点。
花青素的纯化方法。为了获得高纯度的花青素，常需要对其进行纯化，以去除其中的杂质。目前应用较多的纯化方法主要有大孔树脂法、液相萃取法、固相萃取法、基质固相萃取法等。大孔树脂法因其工艺简单、成本较低应用较广。而液相色谱法和高速逆流色谱法作为新兴的提纯方法，因其分离效率高，操作简单，优越性日益凸显，目前已得到广泛应用。
花青素的生理功能
抗氧化活性。花青素属黄酮类化合物，在清除自由基分子机制上与黄酮类化合物类似。黄酮类化合物通过酚羟基与自由基分子反应生成较稳定的半醌式自由基，终止自由基链式反应，从而减少并清除自由基。花青素的抗氧化性能比维生素E高出50倍，比维生素C高出近20倍，是迄今为止人们发现的最有效的抗氧化剂和最有效的自由基清除剂。
花青素主要通过以下四种方式清除体内自由基，一是通过阻止过氧根离子反应；二是螯合体内某些特定的金属离子，阻止羟基的产生；三是抑制脂质过氧化反应；四是与胶原蛋白作用形成保护屏障隔离组织与外界自由基的接触。王荣娇等人采用Fenton反应体系和邻苯三酚自动氧化体系测定了北陆花青素对羟自由基和超氧阴离子自由基的清除作用，结果表明该花青素在低剂量条件下，对两种自由基仍具有较强的清除作用，清除率可达到50%以上。邓红梅等人研究发现在相同浓度下，葡萄皮渣花青素对DPPH自由基的清除率比维生素C好。韦艳双等人在研究蓝莓花青素对糖尿病小鼠肝、肾、心脏组织的抗氧化能力的影响中发现，连续给药4周后，在小鼠器官组织中，模型+剂量组与模型对照组相比，丙二醛含量显著降低，谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性、总抗氧化能力和抑制羟自由基能力显著增加，这说明蓝莓花青素能够保护受损的器官，具有一定的抗氧化作用。2014年田喜强等人采用超声波法辅助提取紫薯花青素进行清除羟基自由基抗氧化性能力的研究。研究表明，pH 7.0时，紫薯花青素具备较好的清除羟基自由基能力，其抗氧化能力强于抗坏血酸。景志行等人在对野生蓝莓的体外抗氧化性研究时发现，野生蓝莓花青素抗氧化能力显著，与浓度梯度呈正相关关系；在浓度800μg/m L时对超氧阴离子的清除率达到86.86%，浓度为100μg/m L时对双氧水自由基的清除率达到73.93%。
预防心血管疾病，保护肝脏。大量研究发现，花青素在预防心血管疾病和保护动物肝脏方面具有重要作用。欧海龙等每天用不同剂量（低、中、高：50、100、200 mg/kg）的花青素喂食小鼠，连续灌胃8周后，对血清和肝脏各项血脂含量进行检测，发现总胆固醇（TC）、三酰甘油（TG）和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，随着花青素剂量的增加不断降低，说明花青素对高脂诱导的动脉粥样硬化小鼠具有降低血脂的功能。Hwang等在对紫薯花青素抗叔丁基氧化产物诱导肝毒性保护机制的研究中发现，花青素能够有效降低大鼠肝脏损伤发生的概率。闫倩倩等在紫甘薯花青素对小鼠乙醇性肝损伤的预防保护作用研究中发现，紫甘薯花青素各剂量组均能不同程度降低急性乙醇肝损伤小鼠血清中丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）的活性，升高组织中超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽转移酶（GST）、过氧化氢酶（CAT）的活性及谷胱甘肽（GSH）的含量。这表明紫甘薯花青素对乙醇引起的急性肝损伤具有很好的保护作用。
抗肿瘤作用。癌症是人类健康的“第二”大杀手，严重的威胁人们的生命。开发一种天然的、无毒副作用的抗癌药物已成为医学界亟需解决的重要课题。大量研究表明花青素具有一定的抗癌作用。目前，对于花青素的抗肿瘤机制的推测主要集中在：抗突变，抗氧化，抗炎，诱导转化，调节信号转导通路抑制肿瘤细胞增殖，诱导细胞周期阻滞，促进肿瘤细胞凋亡，诱导自噬，抗肿瘤侵袭及转移，逆转肿瘤细胞耐药性及增加对化疗的敏感性等方面。 景志行等人研究表明：野生蓝莓花青素在100μg/g剂量灌胃时，对耳廓肿胀抑制率为47.04%；在体外对白血病细胞K562增殖抑制的IC50为79.01μg/m L。2016年，吕留庄等在对中国野生蓝莓花青素的研究中发现，该花青素对A549细胞活力有明显的抑制作用，对细胞周期也有明显影响并能引起早期凋亡现象以及ROS释放。韩彬、罗丽萍等人研究发现黑米花青素能够抑制MDA-MB-453细胞异种移植瘤向肺转移，该抑制作用可能与BRACs抑制肿瘤细胞的增殖和促进肿瘤细胞凋亡有关。 陈琦等从蓝莓中提取花青素，研究其对人肾小球系膜细胞（GMC）的生长抑制作用及细胞凋亡的诱导效应。结果表明蓝莓花青素能呈剂量依赖性抑制GMC的增殖，诱导细胞的凋亡，这可能与激活Caspase-9和Cytochrome-C的表达有关。
此外，大量研究表明花青素在乳腺癌、结肠癌、食道癌、皮肤癌等方面均有预防和治疗的功效。
抗炎镇痛作用。花青素具有抑菌作用，故对病原感染的炎症具有抑制作用。邹宇晓研究发现高剂量荔枝壳花青素能显著降低大鼠左侧继发性足肿胀厚度，缓解大鼠佐剂性关节炎引起的不适症状，这可能与花青素的抗氧化和抗炎水平有关。王静等在研究花青素对小鼠镇痛消炎作用中发现：金叶女贞果实花青素具有抗炎镇痛作用，其机制可能与提高小鼠抗氧化能力，减少NO和炎性因子PGE2的生成有关。也有研究表明，蓝莓花青素能够抑制胶原酶，加强胶原基质，治疗关节炎。
保护视力。近年来，有关花青素在保护视力方面的报道越来越多。大量研究发现，花青素能够启动视网膜酶，激活和提高机体的视紫红质的再生能力，使人们能够较快的适应黑暗环境。早在2005年，刘春民等在对青少年近视治疗研究中发现，口服花青素的近视青少年在一个月后，视力有明显的改善。黄宗锈等在对120名志愿者分组研究35天后发现，花青素复方胶囊具有缓解视疲劳作用。马越等将100名志愿者分成两组，开展花青素饮料对改善视疲劳的作用。30天后试食组视疲劳症状总积分明显改善，这说明花青素饮料能有效缓解人体视疲劳。花青素具有保护视力的作用，与其强抗氧化能力密不可分，花青素能够加快微血管循环，减轻自由基对眼睛的伤害，从而起到保护视力的功效。
除此以外，还有研究表明花青素在降血糖、抗衰老、提高记忆力等方面具有一定功效。
花青素在食品工业中的发展方向
健康食品和保健食品的开发。随着人们生活质量的提高，越来越多的人注重营养。花青素具有抗氧化、降血糖、抗衰老、保护视力等生理功能，如能将富含花青素的食物进行工业加工，开发成饮料、休闲食品、保健食品等，除了丰富加工食品和保健食品的种类，更能为人们提供一定量的花青素，增强身体的抵抗力。目前，以紫薯为原料生产的食品较多，如紫薯汁、紫薯酒、紫薯饼等，这些食品抗氧化性强，对人体健康有益。
作为天然色素的使用。合成色素因其低成本被广泛应用于食品行业中，但同时，人们对其食品安全性也存在质疑。花青素作为一种安全性高、无毒、纯天然的植物色素，可被添加到食物中，使食物呈现出五彩缤纷的颜色。但花青素易受外界光照、温度、pH等因素的影响而分解，在食品中应用受限，因此，在食品加工过程中如何提高花青素的稳定性成为亟待解决的问题。
总之，花青素在医药、营养、保健等方面都具有重要的价值，在实际应用中具有广阔的应用前景。
作者简介：崔红（1980—），辽宁现代服务职业技术学院讲师，硕士，研究方向：食品营养与检测。