花色素类

花色素类

一、化学结构与理化性质

花色素类（anthocyanidins）亦称花青素或花色苷元（anthocyan，anthocyanins），是一类广泛存在于植物中的水溶性色素，水果、蔬菜、花卉等五彩缤纷的颜色多与此类色素有关。

花青素属黄酮类化合物，其基本结构是2-苯基苯并呋喃母核，大多数花色苷元在3-，5-，7-位碳上有取代羟基。由于B环各碳上的取代基不同（羟基或甲氧基），可形成多种多样的花青素，目前已知的有30多种，常见的如矢车菊色素（cyanidin）、天竺葵素（pelagonidin）、飞燕草素（delphinidin）、锦葵色素（malvidin）、牵牛色素（petunidin）等^[1]。依其结构可分为3种基本类型：矢车菊素、飞燕草素和天竺葵素（缔纹天竺素）。

天竺葵素R1=H，R2=H

矢车菊色素  R1=OH，R2=H

飞燕草素R1=OH，R2=OH

牵牛色素R1=OCH3，R2=OH

锦葵色素R1=OCH3，R2=OCH3

花青素的结构

植物中的花青素常与各种单糖（葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖和木糖等）形成糖苷，称为花色苷（anthocyanin）。天然存在的花色苷已发现200多种，仅葡萄中就含有20种以上。

pH对花色素稳定性影响最大，从pH为3时的覆盆子红到pH为5时的深蓝莓红。花色素苷是一种热不稳定、难挥发、易氧化、见光易分解的极性化合物，它在强光、高温和水溶液中都是不稳定的，在中性和弱碱性溶液中不太稳定。花色素一般有2个吸引峰，分别为：270～280nm和510～540nm^[1]。

矢车菊素（cyanidin）具有一定的热稳定性，当温度达到60℃时对热比较敏感，矢车菊素对光照比较稳定。酸度强烈影响矢车菊素的颜色和稳定性，矢车菊素在酸性条件下稳定，在中性和碱性溶液中不稳定。Zn²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺使矢车菊素在可见光区的最大吸收峰处消失，CO²⁺对矢车菊素的影响较小，Bi³⁺对矢车菊素基本无影响。

天竺葵素（pelagonidin），又称缔纹天竺素。具有水溶性和醇溶性，酸性条件下，对光照、加热及常见金属离子较稳定，适宜于做酸性饮料及食品中的着色剂。该色素宜在酸性环境中使用，在10～90℃，光照时间及常见金属离子对其性能影响不大。光谱扫描结果指出该色素在277.50nm处有强吸收，表明其有一定的吸收紫外光的作用。

二、主要来源与生产制备方法

主要来源  花色素类色素广泛存在于葡萄、血橙、红球甘蓝、蓝莓、茄子皮、樱桃、红橙、红莓、草莓、桑葚、山楂皮、紫苏、紫薯、黑（红）米、牵牛花等植物的组织中。含量为0.7～1 480mg/100g鲜重。葡萄是花色苷类色素的主要来源，含量一般在30～750mg/100g鲜重^[2]。

接骨木浆果（elderberries）中含大量的花色素，并且都是矢车菊素，含量在200～1 000mg/100g（鲜重）。20世纪80年代，日本就从紫花甘蓝中提取分离出4种花青素并将其作为食品着色剂，紫花甘蓝在4℃环境中贮藏84天后，其中矢车菊素-3-葡萄糖苷的含量仍然保持在69～94mg/100g（鲜重）。荔枝果壳中也含有丰富的矢车菊素，主要是矢车菊素-3-芸香糖苷（cyanidin-3-rutinoside）、矢车菊素-3-葡萄糖苷（cyanidin-3-glucoside）和矢车菊素-3-半乳糖苷（cyanidin-3-galactoside）。其他水果中矢车菊素的含量为：黑莓（244±68.0）mg/100g（鲜重），越橘（28.6±19.8）mg/100g（鲜重），野樱桃1 478mg/100g（鲜重），红甘蓝（322±40.8）mg/100g（鲜重），黑加仑（黑醋栗）（133±38.6）mg/100g（鲜重）^[2]。

飞燕草素广泛存在于蔬菜和水果中，如接骨木浆果、紫花甘蓝、荔枝、山楂、红葡萄、黑莓、红酒等。含量如下：越橘（120.7±27.9）mg/100g（鲜重），黑加仑（黑醋栗）（333±78.1）mg/100g（鲜重），茄子85.7mg/100g（鲜重）。

天竺葵素仅存在于部分蔬菜和水果中，而且含量较少。如红萝卜（100.1±30.0）mg/100g（鲜重），草莓（19.8±3.1）mg/100g（鲜重），黑加仑（黑醋栗）（1.9±0.5）mg/100g（鲜重），黑莓16.7mg/100g（鲜重）。

生产制备方法  目前国内外花青素的制备方法主要为植物提取纯化法。主要的提取方法有溶剂（水、酸化乙醇）浸提法、微波萃取法、超临界流体萃取法、超声波提取法和酶法辅助提取法等，其中以酸化乙醇浸提法应用较为普遍，但其他新技术也在逐步完善中^[3]。花青素一般采用大孔树脂进行提纯，同时高效逆流色谱、膜分离技术、凝胶层析等技术在花青素提取中也有应用。

三、分析方法

GB GB/T 22244-2008  高效液相色谱法 保健食品中前花青素的测定。

AOAC AOAC 967.17  色谱法 果汁、葡萄汁中花青素的测定方法。

AOAC2 005.02 pH示差法  果汁、饮料、天然色素、酒中总单花青素的含量测定。

其他  文献报道的分析方法有光电比色法等光谱法（红外、紫外）、色谱法（高效液相色谱法、高效薄层色谱）、质谱分析、核磁共振法等^[4]。

四、生理功能及作用

抗氧化活性  自由基的连锁氧化反应，可导致生物细胞膜有害物质的形成和膜结构的改变，如蛋白质和DNA等的改变，并引发各种疾病，如动脉粥样硬化、糖尿病、肿瘤、心血管疾病、神经性疾病、癌症及关节炎等。由于花色苷分子结构上有多个酚羟基，它们可与不稳定自由基结合，生成稳定的自由基，螯合启动脂质过氧化的金属离子，参与抗氧化的协同作用，通过终止自由基链式反应，螯合金属离子，清除活性氧，从而减少或消除自由基对机体组织和器官的损害作用^[5]。从葡萄中提取的花色苷具有较强的清除超氧自由基和羟自由基的能力，并且其清除超氧自由基的能力比单宁还强，抗氧化活性相当于维生素C的70%以上，能明显抑制低密度脂蛋白的氧化和血小板的聚集，从而预防动脉硬化和心血管疾病，并且一定聚合度的花色苷比单个花色苷分子清除自由基的效果更好。

矢车菊色素-3-葡萄糖苷和矢车菊色素具有较强的抗氧化活性，而且它们在pH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。矢车菊素云香糖苷，是一种天然的多酚抗氧化剂，可以通过诱导氧化应激选择性地杀灭白血病细胞^[6]。

飞燕草素可以抑制UVB介导的氧化应激和细胞凋亡，降低脂质过氧化。

研究显示，天竺葵素具有较强的抗氧化性，并能利用其对抗氧化损伤的作用阻止大鼠的血红蛋白糖基化、血色素蛋白释放铁离子以及由铁离子介导的过氧化损伤。

抗突变作用  自然界中存在大量致突变物，人类长期接触后可引起基因突变，从而引发肿瘤、畸形和遗传缺陷等。试验研究表明，花青素对环磷酰胺（CPA）诱发的小鼠骨髓多染红细胞（PCEs）微核细胞有较强的抑制作用，并能提高肝中谷胱甘肽巯基转移酶（GST）对糖尿病的发生有预防的作用的活性，升高谷胱甘肽（GSH）的含量。同时，它还能显著抑制Dexon诱发的TA97和TA98突变。说明花青素对化学诱变剂引起的染色体断裂有一定保护作用。花青素对大肠癌、肝癌、胃癌等癌症均有抑制作用，且其作用比黄酮类物质和槲皮素强。但是，不同构型的花青素抗突变作用也有所不同。研究发现紫薯花色苷可有效抑制杂环胺等引起的突变，但紫薯中分离的2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）中，YGM-3抗突变作用大于YGM-6。另外，酰基化花色苷的抗突变作用更强，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，而对羟基苯甲酸几乎没有抗突变作用^[7]。

矢车菊素-3-葡萄糖苷，可以抑制肿瘤细胞分化增殖，通过活化caspase-3（细胞凋亡蛋白酶），使染色质凝聚，诱导细胞凋亡。

抗炎和对肝的保护作用  试验表明含大量花色苷的紫薯饮料能抑制由四氯化碳引发的肝损伤鼠血清中的谷氨酸-草醋酸转氨酶（GOT）和谷氨酸-焦葡萄糖酸转氨酶（GTP）的上升，并对血清和肝中硫代巴比妥酸（TBA）反应物及氧化脂蛋白的增加有一定抑制作用，而黄肉红薯饮料则不能^[8]。另外，花色苷可以降低叔丁基过氧化氢（t-BHP）所引起肝脂肪氧化和细胞中毒，减少其对肝的损伤。

对心血管疾病的作用  有不少文献报道花色苷可降低心血管疾病的发生。法国人每日膳食当中摄入大量饱和脂肪酸和胆固醇，但他们的心血管疾病的发病率和死亡率都很低，流行病学研究的结果提示，这可能是与他们经常饮用的红葡萄酒中的花色苷有关。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。花色苷具有保护血管内皮细胞，维持血管壁的正常功能的作用，同时还能有效地降低胆固醇（TC）及LDL-C（低密度脂蛋白胆固醇）水平，预防血栓形成，从而发挥其抗动脉粥样硬化的作用^[8]。

矢车菊素和飞燕草素3位置上的羟基，可以抑制血管平滑肌细胞中的p38 MAPK（促分裂原活化蛋白激酶）和JNK（c-Jun氨基端激酶）这两种酶的活化，从而阻止PDGF（血小板衍生生长因子）诱导的VEGF（血管内皮细胞生长因子）的表达，从而发挥对心血管系统的保护作用。

飞燕草素还能通过抑制血管内皮细胞生长因子受体2的酪氨酸磷酸化，发挥对心血管系统的保护作用。

降血压作用  花色苷具有降血压的作用，它能抑制血管紧张素转化酶（ACE）活性。血管紧张素转化酶（ACE）是肾素-血管紧张素系统中的一个关键酶，在调节血压方面具有重要作用，它能使无活性的血管紧张素Ang Ⅰ转换成具有血管收缩作用的Ang Ⅱ，并降解具有血管扩张作用的缓激肽。同时花色苷还能刺激血管内皮细胞中一氧化氮（NO）合成酶的活性，提高NO水平，从而舒张血管。

其他  花青素具提高视力的作用，同时还对糖尿病性视网膜病、乳房囊肿和毛细血管脆弱引起的微循环疾病有积极的作用。它对各种由于毛细血管脆弱引发的血液循环紊乱也有一定的保护作用^[9]。

五、安全性研究

人群资料  人体试验的研究极少，有文献报道了120名40～74岁的妇女自愿者，每日服用300mg花青素3周，发现对炎症因子和指标有良好改善作用1^[15]。

2008年的另一项健康成人的抗氧化研究发现，每人服用7ml/kg富含花青素的饮料和果肉，较对照组而言其抗氧化能力提高2.3～3.0倍^[16]。

代谢情况  体内研究资料尚少，有研究认为花青素可被人体几乎全部吸收，摄入20分钟后血浓度即可达高峰，其代谢半衰期达7小时以上^[10]。花青素还可透过血脑屏障而作用于大脑和中枢神经系统。大鼠试验中发现许多花色苷都能被肠道细菌降解，特别是飞燕草素和天竺葵素^[11]，而矢车菊素一般不能被肠道细菌所降解。对其药代动力学特征和在组织内的分布情况目前还所知甚少。1998年，Tair Lapidot等研究了红酒中花青素的吸收利用，用尿中的代谢产物分析认为仅1.5%～5.2%被吸收^[17]。Teruo Miyazawa的研究给予每人2.7mg/kg，通过UV-HPLC测定血液含量，发现11μg花青素以完整糖配体的形式存在于血液中。研究者认为可能还有其他共轭形式存在^[18]。

急性毒性  大鼠经口LD50为20 000mg/kg，静脉注射LD50为240mg/kg；小鼠经口LD50为25 000mg/kg，静脉注射LD50为840mg/kg^[12-13]。

遗传毒性  在加S9和不加S9的活化系统中，以鼠伤寒沙门杆菌TA-98为测试菌株进行Ames试验检测矢车菊素的致突变性，结果均为阴性。而在以TA-1535、TA-100、TA-1537、TA-1538和TA-98共5种菌株为突变菌株的Ames试验中，矢车菊素和飞燕草素也未表现出致突变性。在微核试验、彗星试验中花色苷也未表现出任何致突变性，并对由环磷酰胺导致的微核显著性减少，具有抗突变性作用^[12-13]。

亚慢性毒性  用3 000mg/d和6 000mg/d的花色苷喂养Wistar大鼠90天，试验结束时，大鼠存活率、生长状况、主要脏器组织的组织病理学等指标与对照组比较均无显著性差别。用含3 000mg/kg花色苷的膳食喂养豚鼠，未出现任何副作用。在Beagle犬90天喂养试验中，试验组动物体重、生长状况、存活率、生化指标、组织重量和病理组织学指标结果与对照组无差别。大鼠NOAEL为7 500mg/kg^[12-13]。
慢性毒性与致癌性  未查见相关文献资料。

生殖与发育毒性  对花色苷混合物进行大鼠多代生殖毒性试验，对挑选出的F2a代大鼠喂养21天后进行尸检，结果显示其生殖能力相关指标与对照组比较均无差别。而F1a和F2a代大鼠高剂量组均表现出体重减少，但这是伴随着进食量减少发生的。在第6周和试验结束时，对F1a代大鼠进行血液和尿生化检测，结果均无异常。但在第18周，对F1a代大鼠进行全面的组织学检测，发现高剂量组肝、肾、甲状腺重量均有减少。不同剂量的花色苷对大鼠、小鼠、兔也均无致畸性^[12-13]。

其他  未查见相关文献资料。

六、常见使用方法与调查/推荐摄入量

1、常见使用方法

（1）食品  由于花色素是很多蔬菜水果中的主要呈色物质，因此在多种水果、蔬菜中均含有花色素。另外花色素已作为天然色素应用于果酱、果汁、腌制品、葡萄酒、果冻、饮料、冰淇淋、糖果等食品制造中，因此我们可从日常饮食中获取花色素。

（2）保健食品  由于花青素具有抗氧化、抗白内障、预防动脉硬化、消炎、抗过敏、扩张血管、防止血小板凝聚等药理和保健作用，在欧美市场，以花青素为主要成分的葡萄叶和葡萄籽提取物已成为最畅销的保健食品之一。美国也将其作为抗心血管病的新型保健食品，并已进入畅销产品之列。另外，花色素含量丰富的欧洲越橘也具有消除眼睛疲劳，增加视力，保护血管等功效。国际粮农组织已将其列为人类健康食品之一。日本和欧洲开发的越橘鲜果、干果及果实提取物已作为护眼保健品投放市场。我国也已有一些花青素产品被卫生部和SFDA批准为免疫调节、改善视力、辅助降血脂等功能的保健食品上市销售。

（3）其他  花色素还可作为皮肤抗皱、防晒美白、保湿等功效的化妆品成分。如天然红色花青素化妆品中花青素的比重为0.5%～30%。

2、调查/推荐摄入量

（1）调查摄入量  来自2001-2002NHANES（美国健康和营养检查调查）的数据表明，美国每人摄入花色素的含量在12.5mg/d。其中矢车菊素所占比例最高（为44.7%），其次为飞燕草素20.7%，天竺葵素最小（3.3%）^[14]。

（2）推荐摄入量  JECFA将其确定为1394号色素，其人体ADI值（每日允许摄入剂量）为0～2.5mg/kg。美国每日推荐摄入量为180～250mg/d。在欧洲广泛运用的医药制品标准以25%花青素含量为标准，每天80～160mg提取物被推荐用于改善眼部健康，而160～240mg则可治疗眼部疾病^[12-13]。

七、国际组织和各国政府评价、批准、认可情况

中国  已有一些花青素产品被卫生部/SFDA批准为免疫调节、改善视力、辅助降血脂等功能的保健食品上市销售。

美国  批准葡萄皮提取物或黑加仑提取物为色素添加剂。

欧盟  未查见相关文献资料。

澳/新  批准花青素、葡萄皮提取物或黑加仑提取物为食品添加剂（色素），编号163。

其他  食品法典委员会（CAC）：JECFA将其确定为1394号色素，其人体ADI值（每日允许摄入剂量）为0～2.5mg/kg。

八、注意事项和禁忌

不适宜人群

（1）有出血倾向者或凝血功能有障碍者。

（2）正在使用药物、草药、抗氧化剂或其他保健品者，葡萄籽产品有可能对这些药物的作用产生影响。

（3）对某些食物或动植物过敏者。

（4）孕妇或准备怀孕者，以及正在进行母乳喂养者。

（5）另外，由于以往针对葡萄籽产品的研究没有涉及儿童，儿童最好不要使用。

禁忌  未查见相关文献资料。

与药物相互作用  未查见相关文献资料。

其他  高剂量花色素会使一些动物器官（肝、肾上腺、甲状腺）的重量下降。

九、小结

花色素亦称花青素或花色苷元，是一类水溶性色素，广泛存在于葡萄、血橙、红球甘蓝等植物中，目前国内外花青素的制备方法主要为植物提取纯化法。对其含量的分析多采用高效液相色谱法。具有抗氧化、抗突变、降压等生理功能。ADI值为0～2.5mg/kg。我国规定了保健食品中花青素的测定方法，可以使用于保健食品。美国、澳/新批准为食品添加剂。

资料来自：杨月欣，李宁. 营养功能成分应用指南.北京：北京大学医学出版社，2011.