花青素的生物活性及其在動物應(yīng)用中的研究進展

■ 朱 芳 陳鑫珠 陸 烝 黃秀聲* 俞成然 黃勤樓*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院（蜂學(xué)學(xué)院），福建福州 350002；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建福州 350013；3.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，福建福州 350013；4.福建省丘陵地區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，福建福州 350013）

花青素又稱花色素，是花色苷水解而得的有顏色的苷元，大多數(shù)水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物質(zhì)都與其有關(guān)，它賦予了植物不同的顏色[1]。花青素這一名稱是在1835年被Marquart首次提出來的，并且沿用至今[2]。自然界中已知存在的花青素有22大類250多種，其中主要有6 種，即天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽?；ㄉ睾湾\葵色素[3-4]?；ㄇ嗨鼐哂歇毺氐幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)，屬于酚類化合物中的類黃酮類化合物，其基本結(jié)構(gòu)母核是2-苯基苯并吡喃[5]，糖苷鍵通過與C 環(huán)中C3 上的羥基形成共軛鍵而與花色素結(jié)合，由于大多數(shù)花青素在花色基元的3-，5-，7-碳位上都有取代羥基，因此各種花青素的差異就是羥基的數(shù)量、結(jié)合到該分子上的糖苷的特性和數(shù)量以及結(jié)合的位置[6]。有研究表明，花青素具有抗氧化[7]、抗癌癥、抗炎癥[8]、抗衰老、抗肥胖、改善大腦功能、保護視力、保護心血管等方面的作用[9]。因此，文章就花青素的理化性質(zhì)、花青素的提取分離純化和鑒定、影響花青素穩(wěn)定性的因素以及在動物上的應(yīng)用進行綜述，為廣泛利用花青素提供理論依據(jù)。

1 花青素提取純化以及分離鑒定

1.1 花青素的提取

花青素既能溶于水，也能溶于甲醇、乙醇等有機溶劑，因此花青素可以用水浸提，也可以用有機溶劑浸提。目前應(yīng)用于花青素提取的有機溶劑包括甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、丙酮等，因甲酸、甲醇及丙酮等有毒有害，在生產(chǎn)中一般選擇乙醇作浸提劑?；ㄇ嗨氐奶崛》椒ㄖ饕兴岱?、溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、酶解法、超臨界流體萃取法等[10]。

劉強[11]在花青素提取工藝的研究進展中用水提法提取花青素，結(jié)果表明，水提法的提取工藝流程簡單，綠色無殘留污染，成本低，易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，缺點是提取效率不高，雜質(zhì)多，提取周期長，還有待進一步改進。Bunea 等[12]采用鹽酸-甲醇溶液提取藍莓渣花青素至無色，測得Bluegold 花青素質(zhì)量最低為101.88 mg/100 g，Torro 最高達到195.01 mg/100 g。而Metivier 等[13]在葡萄皮花青素提取試驗中發(fā)現(xiàn)，用鹽酸酸化后用甲醇提取花青素得率比用乙醇法高20%，比用水提取高73%[14]。李瑞麗等[15]用微波法萃取葡萄籽原花青素，在最優(yōu)提取工藝條件下得到原花青素提取量為51.77 mg/g。吳春燕等[16]采用酶-超聲波輔助提取花青素，纖維素酶用量3.6 mg/g，在最佳提取條件下，黑米花青素的實際提取率為（0.626 2±0.010 2）%，與預(yù)測值0.627 5%接近。利用超聲波輔助法在紫蘇籽粕中提取原花青素，提取率理論預(yù)測值為0.232%，實測值為0.229%。

綜上所述，溶劑提取法操作簡單，但具有耗時長、溫度高、提取率低、純度低等缺點；微波萃取法優(yōu)勢在于用時短，加熱均勻，對原花青素提取量較高且破壞性??；超聲波輔助提取法操作簡單、提取時間短、提取率高等。因此單一的提取方法往往會存在一些不足，建議在實際應(yīng)用中采用兩種或兩種以上的方法來提取，從而來提高花青素的提取率[17]。

1.2 花青素的分離純化

在提取過程中會使花青素的植物細胞壁遭到破環(huán)，導(dǎo)致除花青素以外的蛋白質(zhì)多糖和有機酸等雜質(zhì)溶出，得到的是花青素粗提取物，純度較低，難以被人體腸道吸收利用[18]。因此，為提高花青素的純度和促進花青素吸收利用，需要對花青素進行分離純化，現(xiàn)有的花青素純化方法有液相萃取法、柱層析法、固相萃取法、大孔樹脂法等[19]。其中溶劑萃取法的工藝路線較為復(fù)雜，有機溶劑回收難，且產(chǎn)品純度不高。大孔樹脂吸附法選擇性好、吸附量大、吸附速度快、再生方便，目前最常用且已應(yīng)用于火龍果皮、山竹殼、黑枸杞等植物中花青素的初步分離。

Yang 等[20]通過比較研究了6 種大孔樹脂對玫瑰茄花色苷的吸附和解吸工藝純化，結(jié)果表明，在6 種樹脂中，DM28 的吸附量最大，而DM21 的吸附速率最大。李健等[21]對紫茄皮中花青素的純化及穩(wěn)定性進行分析，選用不同型號的大孔樹脂對紫茄皮中花青素進行純化，結(jié)果表明，在供試樹脂中，AB-8 大孔樹脂為純化的最適吸附劑，純化后的花青素純度為95.54%。Le 等[22]應(yīng)用水相兩相體系方法提取和純化梅葉中的花青素，結(jié)果表明，水相兩相體系法可以消除80%污染氮化合物的同時，還可以回收葉片中80%的花青素，與粗提物相比，純化提取物中色素的貨架期也明顯延長。

1.3 花青素的分析鑒定

因取代基的類型、數(shù)量和連接位置不同使花青素種類多樣化，為明確花青素的具體分類和結(jié)構(gòu)，對花青素進行鑒定，為花青素的分類和后續(xù)研究提供重要基礎(chǔ)和依據(jù)[23]。目前，用于鑒定和分析花青素的方法主要是液質(zhì)聯(lián)用法、高效液相色譜法、單一pH 法和pH示差法等。

劉長姣等[24]采用分光光度法測定黑米花青素，通過恒溫水浴振蕩浸提，結(jié)果表明，花青素得率為1.249%。王貝等[25]依據(jù)pH 示差法原理，測定藍莓中花青素的含量，在最優(yōu)條件下，結(jié)果表明，測定藍莓中花青素總含量為22.06 mg/L，相對標準偏差為0.34%，加標回收率為90.94%～95.10%。幾位研究者通過采用高效液相色譜法測定彩色馬鈴薯中花青素的種類和含量，結(jié)果表明，彩色馬鈴薯塊莖中最多含有6 種花青素，分別是飛燕草色素、矢車菊色素、矮牽牛色素、天竺葵色素、芍藥色素和錦葵色素[26-29]，與Lachman 等[30]的研究結(jié)果相似，其中紫色馬鈴薯中富含矮牽牛色素和錦葵色素，紅色馬鈴薯富含天竺葵色素和少量芍藥色素。劉芳芳等[31]采用高效液相色譜法和pH 示差法對紫莢豌豆花青素含量進行測定，結(jié)果表明，高效液相色譜法的紫莢豌豆花色苷總含量低于pH 示差法，兩者間的差異可能與紫莢豌豆中花色苷的種類和含量、HPLC法和pH示差法的花色苷標準品的選擇以及pH示差法儀器準確度較低等相關(guān)。

單一pH 法和pH 示差法均采用分光光度計測定總花青素含量，成本低，實驗步驟簡單。方法穩(wěn)定易操作，總花青花的含量測定多采用此法[32]。高效液相色譜法結(jié)合紫外檢測是比較常用的一種方法，其優(yōu)勢在于分離效率高、選擇性好、操作自動化、檢測靈敏度高、應(yīng)用范圍廣，缺陷在于其分析時間長、成本高。

2 花青素穩(wěn)定性的影響因素

花青素具有缺電子的結(jié)構(gòu)特征，極易受到活性氧負離子和自由電子的攻擊，因此，花青素不穩(wěn)定、易發(fā)生降解作用。除了自身結(jié)構(gòu)外，外界的pH、溫度、光照、金屬離子、氧和氧化劑、添加物以及食品添加劑等環(huán)境因素也會影響花青素的穩(wěn)定性[33]。

花青素因其自身結(jié)構(gòu)等原因不穩(wěn)定，B 環(huán)取代基上的羥基或甲基會降低其穩(wěn)定性，?；约疤腔姆N類、數(shù)量、結(jié)合位點也影響著花青素的穩(wěn)定性，由于取代基的不同也構(gòu)成了不同的花青素[34]。Bolivar等[35]研究了不同pH、溫度和光照條件下紫甘薯和紫玉米花青素提取物的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，紫甘薯中含有豐富的?；ㄇ嗨?，穩(wěn)定性好于紫玉米花青素。

花青素作為一種水溶性色素，極容易受到pH 的影響。在低pH 情況下相對穩(wěn)定，顏色可隨細胞液的酸堿度而改變，細胞液呈酸性則偏紅，細胞液呈堿性則偏藍?；ㄇ嗨仉SpH 變化在黃鹽陽離子、醌型堿、假堿、查耳酮4 種形式之間發(fā)生可逆改變。張相鋒等[36]對黑果小檗果皮色素及其穩(wěn)定性進行研究，結(jié)果表明，酸堿度對黑果小檗色素的穩(wěn)定性影響較大，黑果小檗色素在pH 2～6 時顏色為紅色，且逐漸變淡，在pH 為6 時為紫紅色，在pH 為8～10 時呈墨綠色，說明在酸性條件下黑果小檗色素較穩(wěn)定，在堿性條件下色素結(jié)構(gòu)可能被破壞，呈現(xiàn)墨綠色。

不管在自然條件下還是在實驗室條件下，溫度等環(huán)境因素都不可控，會使花青素的穩(wěn)定性受到影響。一方面，高溫會促使花青素糖苷水解，失去保護而降解；另一方面，高溫會使花青素芘環(huán)水解產(chǎn)生白堊，這也是花青素受熱變成棕色的原因，因此花青素受熱后降解速率變大、半衰期變短[37]。吳春燕等[38]在黑米花青素的提取工藝及穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，低溫時黑米花青素的保留率較為穩(wěn)定，當(dāng)溫度大于60 ℃后，隨著時間的延長，黑米花青素的保留率下降趨勢明顯，因此，花青素要盡量在低溫環(huán)境中保存。劉軍波等[39]研究表明，當(dāng)溫度低于60 ℃時，對藍莓花青素穩(wěn)定性影響較??；且Wang 等[40]研究結(jié)果表明，藍莓花青素對高溫（≥80 ℃）敏感。張志軍等[41]通過提取紫蘇花青素研究環(huán)境因素和添加物對其穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，酸性、避光、低溫條件有利于紫蘇花青素溶液穩(wěn)定保存；氧化劑對其穩(wěn)定性的破壞作用隨 H2O2濃度升高而增加。

3 花青素的生物活性

花青素獨特的結(jié)構(gòu)使其具有抗氧化、抗衰老、清除自由基、抗炎、抑菌、降血糖、預(yù)防癌癥等活性作用。

3.1 抗炎抑菌作用

花青素具有明顯的抗炎抑菌作用，從而可以提高宿主免疫力。陳濤[42]通過小鼠體內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)從海南紫大薯中提取的花青素可顯著降低炎癥相關(guān)因子的異常表達，減少對腸道屏障的破壞，從而有效治療小鼠結(jié)腸炎，緩解其炎癥。Yoon等[43]對大鼠注射大腸埃希氏菌，誘導(dǎo)慢性細菌性前列腺炎，之后分別給予環(huán)丙沙星、黑豆種皮花青素、黑豆種皮花青素+環(huán)丙沙星聯(lián)合治療，結(jié)果表明，與環(huán)丙沙星相比，黑豆種皮花青素＋環(huán)丙沙星治療效果最佳，該組大鼠細菌生長顯著減少，前列腺炎癥顯著改善。

3.2 抗癌抗腫瘤作用

作為具有抗腫瘤功能的天然產(chǎn)物，花青素及其衍生物對乳腺癌、結(jié)腸癌、肝癌、口腔癌等多種腫瘤具有抑制作用，且能夠減少手術(shù)、放療和化學(xué)療法等方法對患者造成的傷害，為抗腫瘤臨床藥物的研發(fā)提供了新的思路。內(nèi)蒙古野生藍莓花青素對人KB細胞增殖具有劑量依賴的抑制作用，研究表明，當(dāng)花青素質(zhì)量濃度為200 g/mL 時抑制率大于60%，24 h 誘導(dǎo)KB 細胞凋亡率達32.56%，并能夠?qū)B 細胞周期阻滯在G2/M 期[44]。劉春遠等[45]研究了黑米花青素對SW480結(jié)腸癌細胞的增殖和細胞DNA 合成后期/有絲分裂期的抑制，研究表明，在花青素質(zhì)量濃度為0～200 μg/mL和在12～60 h 時，該細胞對其有濃度依賴性和時間依賴性，并且促進該細胞凋亡。還有研究發(fā)現(xiàn)，蔓越橘和草莓是兩種富含花青素的物質(zhì)，研究表明，它們對結(jié)腸癌細胞和乳腺癌細胞具有較強的抑制作用，最終使癌細胞凋亡[46]。

3.3 降血糖作用

花青素可通過抑制肝臟糖異生作用而降低血糖、調(diào)節(jié)胰島素水平、減少糖尿病相關(guān)疾病，其調(diào)節(jié)機制為激活A(yù)MPK 通路，增加血糖利用率，抑制血糖升高[47]。鮑誠[48]研究了不同劑量紫甘薯花青素的降血糖功效，結(jié)果表明，花青素低劑量（12.5 mg/kg）組、中劑量（25 mg/kg）組、高劑量（50 mg/kg）組降糖率分別為10.86%、23.8%、28.92%。Grace 等[49]給予小鼠藍莓花青素后，其血糖水平降低了33%～51%，而給予二甲雙胍的小鼠的血糖水平降低了27%，說明花青素能夠有效緩解小鼠的高血糖癥狀。

3.4 抗氧化作用

氧化應(yīng)激與糖尿病、癌癥和心血管疾病等人類退行性疾病的發(fā)病機制有關(guān)。研究表明，植物花青素的抗氧化作用是VC 的30倍、VE 的50倍，是目前最好的天然抗氧化劑，其中矢車菊色素的抗氧化作用最強。花青素的抗氧化機制主要表現(xiàn)在減少活性氧積累和清除自由基、激活酶抗氧化系統(tǒng)、減少DNA 損傷以及與金屬離子發(fā)生作用等方面[50]。

王健等[51]通過測定不同自由基基團來評價藍莓花青素的抗氧化能力，結(jié)果表明，其對羥基、DPPH、ABTS 等自由基基團有很好的清除能力，其抗氧化性顯著高于其他組。Sun等[52]對藍莓品種中花青素單體的抗氧化活性進行研究，結(jié)果表明藍莓花青素提取物具有較強的總抗氧化能力、清除羥自由基能力和抑制超氧陰離子自由基的能力，其中飛燕草色素苷和花青素-3-糖苷是藍莓抗氧化性的主要有效成分。王秋月等[53]對馬尾松樹皮原花青素進行體外抗自由基研究，結(jié)果表明，其對羥自由基和超氧自由基都有較好的清除能力，其抗自由基能力明顯高于抗壞血酸和超氧化物歧化酶。Huang等[54]首次報道了花青素可通過增加發(fā)育中大腦區(qū)域HO-1、Nrf2 蛋白含有量表達來激活Nrf2/HO-1 信號通路，從而抑制谷氨酸誘導(dǎo)新生鼠大腦中氧化應(yīng)激，保護腦神經(jīng)細胞。

4 花青素在動物中的應(yīng)用

花青素在提高動物生產(chǎn)性能、免疫功能、抗氧化能力等方面發(fā)揮著重要作用，但高濃度花青素可能會抑制動物采食量，擾亂消化生理，抑制營養(yǎng)物質(zhì)消化和機體生長。

4.1 在家禽中的應(yīng)用

花青素能夠有效改善肉品質(zhì)，提高畜禽免疫力，促進腸道健康。研究表明，富含花青素的洛神花可改善肉雞的代謝功能、血液生化、腸道形態(tài)、抗氧化活性和免疫狀態(tài)，提高胸肌中不飽和脂肪酸n-3 含量，其添加量為280 mg/kg 效果最佳[55]。周華等[56]研究原花青素對青腳麻肉雞生產(chǎn)性能、養(yǎng)分利用和免疫器官的影響，結(jié)果表明，花青素能夠顯著提高肉雞21 日齡的平均采食量和平均日增重，添加量為150 mg/kg 時，料重比顯著高于其他組。劉守業(yè)[57]探討飼糧中添加葡萄籽原花青素對肉仔雞生長性能和免疫功能的影響，結(jié)果表明，花青素組肉仔雞血清免疫球蛋白含量、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性均顯著高于對照組。Kaya 等[58]在64 周齡羅曼蛋雞飼糧中添加50 mg/kg葡萄籽原花青素，試驗8 w，結(jié)果表明，蛋殼厚度顯著增加，蛋黃超氧化物歧化酶活性顯著提高，蛋黃丙二醛和膽固醇含量顯著降低，產(chǎn)蛋后期雞蛋哈夫單位顯著下降。研究發(fā)現(xiàn)，給肉仔雞灌服松樹皮原花青素5 w 后，顯著促進了脾細胞、法氏囊細胞和胸腺細胞的增殖，顯著提高了Ⅰ型輔助T 細胞因子的表達，降低了Ⅱ型輔助T 細胞因子的表達，進而提高了肉雞的免疫機能[59]。

4.2 在豬上的應(yīng)用

有研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬飼糧中添加葡萄籽原花青素可以顯著提高仔豬血清免疫球蛋白和補體含量以及血清抗氧化酶活性；而閆慧詩[60]探究葡萄籽原花青素對斷奶仔豬腸道功能、腸道菌群組成及變化影響時發(fā)現(xiàn)，日糧補充葡萄籽原花青素可顯著提高十二指腸中表皮生長因子受體、胰島素樣生長因子-1、胰島素樣生長因子-2受體的表達，并使結(jié)腸和直腸微生物群中擬桿菌的相對豐度增加。Hao 等[61]研究表明，150 mg/kg 葡萄籽原花青素能夠顯著提高斷奶仔豬血清超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性，顯著降低總抗氧化能力和丙二醛含量，保護組織免受氧化損傷。池圣清等[62]在斷奶仔豬日糧中添加不同劑量原花青素，結(jié)果表明，與對照組相比，試驗組平均日增重、超氧化物歧化酶活性顯著提高；丙二醛含量顯著降低；其中添加量為100 mg/kg 時效果最佳。孫艷青等[63]研究發(fā)現(xiàn)，在豬冷凍精液中分別添加0、10、20、30、40、50 μg/mL 的葡萄籽原花青素可以顯著提高冷凍-解凍后豬精子品質(zhì)和抗氧化能力，添加量為40 μg/mL時對豬精子冷凍保存效果最好。

4.3 在反芻動物上的應(yīng)用

花青素作為抗氧化劑有助于促進動物的生長性能，提高奶牛產(chǎn)奶量，有效防止牛奶和肉類的氧化。Suong 等[64]研究飼喂富含花青素的青貯對泌乳奶牛消化率、產(chǎn)奶量和血漿酶活性的影響，結(jié)果表明，富含花青素玉米青貯飼糧的淀粉含量、養(yǎng)分消化率、總可消化營養(yǎng)素含量以及奶牛的產(chǎn)奶量、乳糖和非脂肪固體物質(zhì)含量均顯著低于對照組；血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶活性降低，超氧化物歧化酶活性升高。有研究表明，紫玉米中含有豐富的花青素，在山羊日糧中添加0.5、1.0 g/d 紫玉米花青素能夠顯著增加抗氧化能力，提高瘤胃揮發(fā)性脂肪酸含量，有效改善瘤胃微生物菌群豐度及多樣性。郝小燕等[65]研究葡萄籽原花青素對羔羊瘤胃發(fā)酵、血清炎癥及抗氧化的影響，結(jié)果表明，添加量為20、40 mg/kg 原花青素組瘤胃組織谷胱甘肽過氧化物酶活性和血清超氧化物歧化酶活性顯著高于對照組和10 mg/kg 原花青素組，而丙二醛含量顯著低于對照組和10 mg/kg 原花青素組。C?rtes 等[66]也研究發(fā)現(xiàn)，飼喂含花青素的植物性日糧有助于上調(diào)奶牛過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶及超氧化物歧化酶的基因表達，預(yù)防組織發(fā)生氧化應(yīng)激（OS）損傷。李會菊等[67]探究成年母羊日糧中添加不同劑量的葡萄渣和葡萄籽對其表觀消化率的影響，結(jié)果表明，添加8%葡萄渣，其粗蛋白表觀消化率為57.2%，能量表觀消化率為68.85%，顯著優(yōu)于其余各組。

5 存在問題與展望

花青素由于有著特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分，很難提取，易受光照、溫度、pH、金屬離子以及氧化劑等外界環(huán)境因素的影響，需要進一步探索提取純化、分離鑒定花青素的改進方法，以及更好保存花青素的方法。

花青素作為一種綠色添加劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。在未來的研究中，應(yīng)進一步提高花青素的穩(wěn)定性，完善其提取工藝并開發(fā)花青素功能型產(chǎn)品，促進其在食品和醫(yī)藥方面的發(fā)展。同時，探索花青素與其他飼料添加劑的協(xié)同作用，能否有效發(fā)揮其在動物體內(nèi)的生物活性；進一步探究花青素的理化特性，確定其在動物中的具體添加量，嘗試構(gòu)建相應(yīng)動物的添加量標準數(shù)據(jù)庫。