花色苷稳定性研究进展

花色苷稳定性研究进展
摘要：花色苷是一种广泛存在于植物中的水溶性天然色素，具有重要的生物活性，可应用于食品、药品和化妆品中，但花色苷结构不稳定。

由于花色苷稳定性影响因子多、降解机制复杂，深入开展花色苷的降解机制和提高花色苷稳定性的研究是非常重要的。

本文分析了影响花色苷稳定的主要因子、花色苷的不同降解机制以及提高花色苷稳定性的方法，为进一步开展花色苷研究提供有益的参考。

关键字：花色苷；结构；稳定性
1 前言
花色苷（anthocyanin）是一类羟基和甲基化的2-苯基-苯并吡喃阳离子（花色素，anthocyanidin）与一个或多个糖分子通过糖苷键结合而成的化合物。

花色苷上的糖分子上的羟基与一个或几个有机酸分子通过酯键形成酰基化的花色苷。

未酰化和酰化的花色苷统称为花色苷。

花色苷稳定性在很大程度上受到环境因素的影响，很多因素可以加速花色苷的降解反应速度,促使色素褪色，如pH值、温度、光、氧气等对其稳定性影响很大。

O
R1
R2
OH OH
OH
OH B
A C 6
8
42
'
6
'
1
'5'
3'
7
5
3
图1-1 花色素的基本结构
Fig.1-1 Structure of anthocyanidin
2 花色苷稳定
2.1 花色苷的结构对其稳定性的影响
2.1.1 花色素的稳定性
花色素很不稳定，自然条件下游离的花色素极少见，仅在降解反应中有微量产生。

花色素在水中的溶解度低，易被碱金属破坏，光稳定性差，并且相对于花色苷，半衰期短。

因此在自然界中很少存在。

酸性甲醇中的飞燕草花素、牵牛花素、锦葵素在常温下贮藏48 h或在冷藏条件下4 d全部消失[1]。

2.12 花色苷的稳定性
花色素糖苷化后，稳定性和溶解性都增加。

在室温下矢车菊素-3-芸香糖苷在pH2.8柠檬酸水溶液中的半衰期约为65 d，而矢车菊素在同样条件下的半衰期只有12 h[2]。

花色素的母核结构也影响花色苷的稳定性，如葡萄中的锦葵素-3-葡糖苷，由于分子中二个羟基的甲氧基化而比其它花色苷稳定。

在水溶液中双糖基的花色苷比单糖基的花色苷对光、热、pH 值和氧气等稳定。

一般C-5位糖苷化结构比C-3位糖苷化结构更易分解，但B环上多取代基
结构不易水解。

2.13 酰化花色苷稳定性
酰化花色苷比未酰化的花色苷稳定。

酰化花色苷的稳定性取决于酰化基团的种类、在花色苷糖基上的位置和数量。

大量研究表明：花色苷与有机酸酰基化后能有效地保护花色苷母核阳离子免受水分子的攻击和光-异构化而失色，这种保护作用是由酰化花色苷中有机酸完成的。

花色苷上的糖链与有机酸酰化后形成有机大分子，所以这种作用又称为分子内辅助着色。

分子内辅色机理的典型模式是花色苷的“三明治”构型（图1-2）。

酰化花色苷的有机酸与糖相连，而这些糖链是可折叠的，像一条带子将有机酸置于2-苯基-苯并吡喃骨架的表面，这种堆积作用能够较好地抗水的亲核攻击和其它类型的降解反应，因而提高了花色苷溶液色泽的稳定性。

He[3]等研究证实：在中性溶液中酰化的花色苷比未酰化的稳定，酰化基团的在花色苷上的位置对花色苷的颜色和稳定性有影响。

双酰化花色苷如龙胆翠雀素B环上的酰基比A 环上的更有利于花色苷的颜色形成和稳定。

在酸性甲醇溶液中二个咖啡酸酰基堆积到花色素核上，这两个咖啡酸的芳香环相互平行，可保护生色团避免水的亲核攻击。

花色苷中有多个芳香簇酰化基团更有利于颜色的稳定。

Brouillard[4]等研究结果表明：天竺葵花素含有6分子葡萄糖基和3分子咖啡酸，两者分别存在于天竺葵素母体的周围。

Jing[5]等研究表明：肉桂酸和丙二酸酰化的花色苷在室温下保存6个月而不变色。

花色苷与两个有机酸形成的双酰化花色苷比与一个有机酸形成的单酰化花色苷稳定，其可能的机理是酰基平面芳香族残基和花色苷核之间疏水作用力形成层状结构，较好地保护了夹在两个有机酸中间的花色苷母核。

单酰化花色苷仅有一侧能防止亲核基团的攻击，有一个弱的分子作用力存在。

此外，糖分子上的酰基基团位置不同也能影响花色苷的稳定性。

在糖C-6位上的酰基基团能自由旋转，允许分子折叠和分子内堆积。

灵活的糖链能使酰基芳香环折叠到吡喃环上，分子的堆积现象对花色苷有保护作用，进而提高其稳定性。

酰化基团的种类影响花色苷的稳定性。

芳香簇有机酸比脂肪簇的稳定，咖啡酸酰化的花色苷比p-香豆酸酰化的稳定。

在多取代的花色苷中芳香簇酰基参与分子内辅色作用保护花色苷元免遭在C-2和C-4位的水合作用。

另外，酰化花色苷可以通过分子内部基团通过氢键作用而稳定。

Oki[6]等研究发现矢车
A 分子内堆积：三明治型，二酰化花色苷，B、C 分子间堆积（单酰化花色苷）
A
B
C
花色素糖分子酰化基团
图1-2 酰化花色苷的几种稳定模式
Fig. 1-2 Stabilization mechanisms of acylated anthocyanins
菊素-5-葡萄糖苷上的丙二酰基与7位羟基间形成分子内氢键。

这样的结构使7位羟基有一定的酸性，质子的迁移常数比相应的水合常数大。

这样的花色苷利用分子内辅色和分子内形成氢键构成协调机制使颜色稳定。

酰化花色苷中的酰基顺反异构化有利于花色苷稳定。

花色苷中的咖啡酸酰基从反式向顺式异构体转化时，可使颜色强度增大并阻止花色苷吡喃环的水合作用。

2.14 花色苷的浓度效应
随花色苷的浓度增加，其颜色更稳定性。

Jordheim [7]等认为对于颜色稳定性来说，花色苷溶液中花色苷的含量比花色苷的种类更重要。

Asenstorfer [8]等研究发现矢车菊素浓度从10-4增加到10-2，其颜色强度增加了300倍，这可能是由于花色苷分子间发生自连作用。

2.2 pH 值对花色苷稳定性的影响
花色苷一般在酸性介质中比碱性介质中稳定。

花色苷在水溶液中以2-苯基-苯并吡喃阳离子、醌型碱、假碱、查耳酮形式存在，这四种形式随水溶液的pH 值变化而发生可逆或不可逆的改变，同时溶液的颜色也随结构改变而改变（图1-3）。

当溶液的pH ＜3时，花色苷主要以烊盐形式存在，当pH 值升高，花色苷烊盐受到水分子的亲核攻击在C-2位的水合作用和花色苷上的酸性羟基的质子转移发生，这两种反应之间存在着动力学和热力学竞争。

首先，产生无色的假碱，这一物质会发生开环生成无色查尔酮结构；后者反应产生一种或几种淡紫色的醌型碱。

在pH 值6-7，醌碱会脱去质子形成共振稳定的醌型阴离子。

每一种平衡形式的花色苷含量取决于溶液的pH 值和花色苷的结构。

在新鲜和加工的蔬菜、水果的自然pH 下，各种花色苷形式将以平衡混合物的形式存在。

R
R O
OH OH
O OH O OH OH OH OH R R R R O OH OH OH OH OH R OH
OH
OH
OH OH O
H +H +醌型碱（蓝色）
查耳酮（无色）假碱（无色）黄盐阳离子（红色）
图1-3 花色苷在不同pH 值范围内结构和颜色的变化
Fig. 1-3 Structure and color of anthocyanin in different pH value
2.3 温度对花色苷稳定性的影响
温度对花色苷的稳定性有显著的影响。

温度升高，花色苷降解速率增加。

大量研究表明：花色苷的热降解遵循一级反应动力学；在贮藏过程中花色苷降解遵循一级化学反应动力学，贮藏温度增加，反应速度加快。

Kammerer [9]等认为在花色苷的结构互变中，2-苯基-苯并吡喃阳离子AH +的失电子过程AH +→A →A -是放热反应，而水化反应AH +→B →C 的反应是吸热反应，并伴随熵的增大。

升高温度将促使反应向B 或C 方向进行，同时引起有色化合物（AH + 和A ）含量的降低。

当冷却和酸化时，醌型碱（A ）和假碱（B ）迅速变成阳离子（AH +），但是查尔酮的变化相当慢。

此外，有研究表明当温度高于100 ℃时，单糖花色苷降解主要从脱糖苷反应开始，进而脱去单糖的花色苷元进行开环及以后的降解反应，最
后生成棕褐色的物质及部分沉淀物；当温度低于100 ℃时，单糖花色苷降解的途径很多，但最后将生成棕褐色的物质及部分沉淀物。

在pH值2~4范围内，温度升高可诱导花色苷的糖苷健水解。

当花色苷的糖残基被脱去后，花色素热降解反应会以同一过程降解，查尔酮是热降解反应的中间产物[10]。

查尔酮被降解后从A环生成羧酸，从B环生成醛（例如2, 4, 6-三羟基苯甲醛），所有的降解产物进一步反应形成类黑精物质，并且进一步聚合生成褐色聚合物。

高温可使樱桃花色苷降解生成苯甲酸衍生物。

Shao[11]等鉴定出一种花色苷降解最终产物——3-羟基苯甲醛。

香豆素-3, 5-二葡萄糖苷则是花色素-3, 5-二葡萄糖苷的热降解产物。

对pH值稳定的花色苷对热也稳定，天竺葵色素-3-葡萄糖苷比牵牛色素-3-葡萄糖苷稳定，连接有阿拉伯糖基的花色苷比葡萄糖基的稳定。

降低pH值和脱氧均可提高花色苷的稳定性。

2.4 光对花色苷稳定性的影响
光是花色苷生物合成的重要条件，同时它也促进其降解。

花色苷在黑暗条件下保存，有利于其颜色的稳定。

暴露在可见光或紫外线下，溶液中的花色苷发生降解。

Sarni[12]等研究证实：光引起葡萄花色苷的褪色，荧光比日光更容易使花色苷降解。

添加单宁酸的花色苷也受到光的显著影响。

光诱导的花色苷降解的最终产物与热降解的相同。

但动力学途径不同，光照涉及到花色苷吡喃烊盐阳离子的激发。

在光照条件下加热时花色苷的热降解速率增大。

光照引起的花色苷降解途径为花色苷降解生成C-4位羟基的中间产物，该中间产物在C-2位上水解开环，最后生成查尔酮，查尔酮快速地降解成苯甲酸以及2, 4, 6-三羟基苯甲醛等产物[13]。

2.5 氧和过氧化氢对花色苷稳定性的影响
由于花色苷是多酚类物质，特别容易氧化。

氧气通过直接氧化花色苷或者使介质过氧化，然后通过介质间接和花色苷反应促使花色苷降解。

H2O2对樱桃、草莓进行消毒处理，发现这些水果表面迅速退色。

在pH值5、6、7和无氧条件下，大麦中的一种蛋白质-单宁-花色苷复合物的半衰期比有氧条件下的增加2倍。

众所周知，H2O2能直接亲核进攻花色昔的C-2位，使花色苷开环生成查尔酮，接着查尔酮降解生成各种无色的酯和香兰素的衍生物，这些氧化产物或者进一步降解成小分子物质，或者相互之间发生聚合反应。

抗坏血酸添加到石榴汁中可以保护花色苷免遭H2O2降解。

但高浓度抗坏血酸促进酸樱桃汁中花色苷的降解，可能是H2O2氧化抗坏血酸，产生的分解产物达到一定浓度时促进樱桃花色苷的降解。

氧诱导的花色苷降解与pH值、温度和光照密切相关。

pH值增加，花色苷降解速率越快；有氧条件下的光照加剧花色苷分解。

花色苷也可与氧自由基反应，可阻止氧自由基对生物体中的氧化伤害。

2.6 酶对花色苷稳定性的影响
降解花色苷的酶主要有：葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化物酶等。

这些酶广泛存在于水果、蔬菜和微生物中。

钝化这些酶活性有利于花色苷稳定。

糖苷酶能水解花色苷的糖苷键，促使其降解生成花色素，容易氧化，褐变。

多酚氧化酶也能使水果、蔬菜中的花色苷降解。

在研究荔枝皮的酶促褐变过程中发现：花色苷被花色苷酶水解形成花色素，随后，花色素被多酚氧化酶或过氧化物酶氧化，多酚氧化酶催化酚类物质氧化的氧化产物如4-甲基儿茶酚能加速花色素的降解。

花色苷与各种酚类物质会逐渐降解或氧化，形成多聚褐色物质。

2.7 抗坏血酸对花色苷稳定性的影响
抗坏血酸常作为营养强化剂或抗氧化剂用于食品中。

抗坏血酸对花色苷的颜色稳定性有几种不同的作用。

抗坏血酸可以促进花色苷降解，促进聚合色素的形成和花色苷颜色褪色。

抗坏血酸氧化产生的过氧化氢也能影响花色苷的稳定性。

2.8 亚硫酸盐对花色苷稳定性的影响
花色苷与亚硫酸盐在食品和饮料的pH 值下形成磺酸加合物而变成无色，强酸、加热处理可使磺酸根脱除，花色苷颜色恢复。

为此，亚硫酸可用于果汁和果酒生产过程中。

利用1H ，13 C 和33SNMS 确定磺酸加合物的位子是C-4位，推测其反应方程式如下： O
HO OH
R 1
OH
R 2O
gly HSO 3-Strong acid O HO OH R 1OH R 2O gly SO 3
H RED COLORLESS
图1-4 亚硫酸与花色苷反应
Fig. 1-4 Reaction between anthocyanin and bisulfite
2.9 金属离子对花色苷稳定性的影响
图1-5 金属离子对桑椹红色素呈色的影响
Fig. 1-5 Effects of metal ions on the color of mulberry red pigments
图1-6 不同浓度的Al3+对桑椹红色素吸收光谱的影响
Fig.1-6Effects of different Al3+ concentration on the absorption spectrogram of mulber ry red pigments
由图1-5可以看出, 较高浓度的金属离子镁、锰、锌、钾、铜和锡显著增加桑椹红色素溶液的色度, 对其有一定的增色作用; Fe3+和Al3+明显影响桑椹红色素的稳定性(图中相同字母(相同浓度) 代表数据差异不显著, P<0.01) , 虽然加入Al3+的桑椹红色素溶液的吸收光谱无明显改变(见图1-6) , 但溶液颜色变为紫红色;而加入Fe3+后, 桑椹红色素溶液的吸收光谱发生显著改变(见图1-7) , 溶液颜色变成黄褐色, 并出现沉淀[14]。

图1-7 不同浓度的Fe3+对桑椹红色素吸收光谱的影响
Fig.1-7 Effects of different Fe3+ concentration on the absorption spectrogram of mulber ry red pigments
3 结论
桑葚花色苷是重要的功能性天然色素，但稳定性差，除受其结构影响外，还易受pH、温度、光、氧、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物、二氧化硫、金属离子、加工方法等影响，而且不同因下花色苷降解动力学和降解机制也不尽相同，通过实验研究，我们可以更好的保护好桑葚中的花色苷。

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