原花青素生理功效和分析研究进展

刘鹤1,孙杰1*,费晓伟2,于豪谅3,崔言峰2,宋立里2

(1.青岛大学生命科学学院,山东青岛 266000;2.山东金胜粮油集团有限公司,山东临沂 276600;3.烟台枫林食品股份有限公司,山东烟台 264100)

摘 要:原花青素通常存在于花生、葡萄等天然植物中,是黄烷醇的聚合形式,因其优异的抗氧化、抗癌、抗炎症、抗过敏等生物活性而广泛应用于高血糖、炎症、过敏、高尿酸等多种疾病的治疗中,对阿尔茨海默症的治疗也有巨大潜力。该文对原花青素的主要生理功能和现有的分析鉴定方法进行详细介绍。

关键词:原花青素;结构;功效;阿尔茨海默症;质谱分析

原花青素也被称为缩合单宁,是富含于水果、蔬菜、坚果、豆类、谷物、葡萄酒和巧克力中的多酚类物质,具有多种化学预防和生物功能[1]。原花青素是一种多酚聚合物,由黄烷-3-醇(茶素和表儿茶素)单元组成,根据其聚合度的不同可分为单体、寡聚体和多聚体[2],单体的种类有儿茶素、表儿茶素、表没食子儿茶素等,寡聚体的种类有原花青素A1、原花青素C1、肉桂鞣质A2 等,多聚体多为化合物,如单宁酸等,具体结构详见图1~图3。

图1 单体的化学结构
Fig.1 Structure of monomer

图2 寡聚体的化学结构
Fig.2 Structure of oligomer

图3 多聚体的化学结构
Fig.3 Structure of polymer

原花青素的基本单元是原花青素单体,它是黄烷-3-醇类化合物。寡聚原花青素是含有2 个~7 个单体单元的原花青素,寡聚体中单体的连接方式有两种,根据单体间的立体构型和连接方式分为A 型和B型,B 型原花青素的特征是在b 环的碳-4 和c 环的碳-8 或碳-6 之间有一个黄酮类间键,B 型原花青素在自然界中含量最为丰富,并且大多数食物只含有B 型原花青素,最常见的有原花青素B1、B2、B3 和B4。A型原花青素不仅有一个黄烷间键,而且在a 环羟基和环上的碳-2 之间还有一个醚键[3],最常见的原花青素A型化合物是A1 和A2,只有少部分食物如蔓越莓、李子和花生含有A 型原花青素。多聚体的原花青素的聚合度大于10,其存在形式为混合物,分子结构庞大,因而很难分离得到单体[4]

原花青素的研究始于20 世纪40 年代,其被用于治疗坏血病的松树皮制剂[3],并在松树皮制剂中鉴定了单体原花青素,阐明了原花青素的安全性,并鉴定了原花青素的一些生物活性。在20 世纪80 年代,富含原花青素的产品作为膳食补充剂进入天然产品市场。原花青素具有抗氧化、抗癌、抗肿瘤、抗炎、免疫抑制、抗过敏以及预防阿尔茨海默症和帕金森等与衰老有关的代谢病的特性,本文就原花青素的生物活性和分析技术的研究进展进行介绍。

1 原花青素的功效

近年来,原花青素因其优异的抗氧化能力和广泛的安全性而受到营养、医药和健康等领域越来越多的关注。原花青素具有比维生素C、维生素E 和维生素B族胡萝卜素更好的清除自由基的能力。此外,它具有广泛的生物活性,包括具有抗氧化、抗癌、抗肿瘤、抗炎、免疫抑制和抗过敏的特性,对慢性疾病和代谢紊乱有治疗和预防作用[5]

1.1 原花青素的抗氧化活性

1.1.1 自由基清除能力

原花青素具有很强的抗氧化活性,在植物体内是一种为了对抗环境中活性氧(reactive oxygen species,ROS)引起的氧化应激的保护机制[6]。原花青素的抗氧化能力是维生素C 的20 倍,是维生素E 的50 倍[7]。此外,原花青素的抗氧化活性和自由基清除能力与原花青素的大小和单体组成呈正比。

在人体中原花青素已被证明可以通过多种途径防止氧化应激诱导的DNA 损伤并促进DNA 修复。它们通过清除ROS 等氧化物质来抑制氧化应激损伤和氧化还原链反应。抗氧化剂的主要功能是防止细胞凋亡和降低细胞内ROS 水平。有研究表明,补充原花青素可降低ROS 的产生,抑制卵母细胞凋亡,并且原花青素提高了线粒体膜电位和谷胱甘肽水平,以及卵母细胞的质量和发育水平[8]。此外,Xu 等[9]在对人基质细胞的研究中发现,原花青素在体内条件下对衰老细胞具有诱导凋亡的作用,可以减少器官和多种组织中的衰老标记物,在实验中添加原花青素显著降低了紫外线诱导的脂质过氧化,同时原花青素与二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)联合使用可改善大鼠餐后多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)水平,降低脂质过氧化[10]

1.1.2 调节血糖

慢性高血糖和高脂血症与ROS 过度形成和晚期糖基化终末产物有关,原花青素有预防糖尿病的功能,并且患二型糖尿病风险的大小与原花青素摄入量相关,与其他多酚亚类的摄入量无关[11]。研究发现,单独使用原花青素比原花青素与食物混合时降血糖的效用更强,其降血糖的机理是保护胰腺β 细胞免受葡萄糖毒性,抑制α-淀粉酶或α-葡萄糖苷酶,从而减少淀粉消化,抑制晚期糖基化终末产物的形成。但是迄今为止相关研究非常有限,饮食中原花青素影响二型糖尿病的药理学机制尚不清楚,所以解析出二型糖尿病介导的原花青素药代动力学和生物活性变化机理可以更大发挥植物中原花青素的功效,改善二型糖尿病患者的临床治疗效果[12]

1.1.3 降血清尿酸

痛风是一种最常见的代谢性疾病,其发病率和严重程度在过去的几十年里不断增加,越来越多的人受其困扰和影响。该疾病的特征是高尿酸血症,关节和肾脏尿酸盐晶体沉积,导致痛风性关节炎和尿酸肾病。血清尿酸是体内黄嘌呤氧化酶介导的嘌呤代谢的最终产物,它催化次黄嘌呤变成黄嘌呤,黄嘌呤变成尿酸盐。因此,治疗痛风的方法之一是使用黄嘌呤氧化酶抑制剂,以防止尿酸的产生。表儿茶素、A 型二聚体、A 型三聚体对黄嘌呤氧化酶的抑制作用和自由基清除作用优于其他活性物质[13]。此外,代谢产物黄嘌呤氧化酶抑制活性与原花青素抗氧化活性呈正相关,推测原花青素及其代谢产物可能对体内尿酸的形成有明显的抑制作用,因此可用于高尿酸血症的治疗[13]

1.2 原花青素的免疫抑制和抗过敏活性

肥大细胞与早期过敏密切相关,在过敏性疾病的发展机制中起着重要作用,富含原花青素多酚的苹果提取物通过抑制细胞内免疫球蛋白(immunoglobulins E,IgE)和IgE 的高亲和力受体(Fc epsilon RI,FcεRI)的交联来抑制肥大细胞的体外脱粒,说明原花青素具有抗过敏的潜力。研究发现,通过减弱IgE 与FcεRI 之间的相互作用,可以显著抑制过敏反应[14]

原花青素低聚物具有免疫抑制特性,可用于治疗免疫相关疾病[15]。这些寡聚物显著抑制了脾细胞的增殖,降低了干扰素和白细胞介素-2 的水平。研究人员使用从葡萄籽中提取的原花青素来治疗暴露在紫外线下的老鼠,研究结果显示,原花青素通过刺激CD8效应T 细胞和减少调节性CD4 T 细胞来抑制280 nm~320 nm 紫外中波长(ultraviolet-B,UV-B)照射诱导下产生的免疫抑制[16]。在UV-B 暴露的小鼠中,葡萄籽提取物中的原花青素也通过诱导调节性T 细胞、抑制光癌发生和促进树突状细胞中的DNA 修复表现出免疫抑制活性[16-17]

1.3 原花青素的抗炎活性

随着慢性炎症在世界范围内越来越普遍,人们不断寻找和研究能够治疗慢性炎症的天然活性物质,多酚是天然抗氧化剂的主要组成部分之一,而原花青素作为多酚的一种,可以有效治疗慢性炎症。已知炎症是生物机体对有害刺激的一种自然反应,这种反应会导致多种细胞衍生介质的分泌,这些细胞衍生介质包括细胞因子、前列腺素和ROS,炎症产生时被分泌出以保护细胞和组织。当炎症持续存在并且由于免疫调节功能的内部失衡而造成组织永久性损伤时,就会对人体产生有害的影响。在原花青素对炎症小鼠作用机制的研究中,具有生物活性的原花青素聚合物调节巨噬细胞的自噬通量,并抑制脂多糖诱导的自噬,而聚合物的大小是决定原花青素在小鼠巨噬细胞中调节炎症细胞因子反应能力的关键因素,因此原花青素对炎症和代谢紊乱、炎症性肠病有治愈作用[18]。张秀娟[19]通过探究葡萄籽原花青素对人牙龈上皮细胞是否具有毒性及对炎症是否具有预防作用,发现葡萄籽原花青素(grape seed proanthocyanidins,GSPs)能够通过抑制促炎细胞因子水平同时提升抗炎细胞因子水平,减轻脂多糖引起的炎症反应。

1.4 原花青素的抗癌活性

在皮肤癌和光老化的研究中,人们普遍认为氧化应激是皮肤癌发生的主要成因。氧化应激通过引起DNA 损伤,破坏脂质和蛋白质,激活细胞因子活动而扰乱皮肤运行机制,除此之外,氧化应激活动还会影响生物化学级联的优势,包括Nrf2、MAPK、NF-κB/p65和PI3K/Akt[20-22]。多项体内和体外研究表明,原花青素可以通过激活NF-κB 细胞通路、丝裂原活化蛋白激酶、PI3K/Akt、caspases、细胞因子、血管生成和细胞周期调节蛋白等来发挥抗癌作用[23-26]。Mantena 等[27]指出,在皮肤癌疾病的治疗中,原花青素通过修复DNA 损伤、脂质和蛋白质发挥抗氧化剂的作用。原花青素已被证明可以控制细胞因子的释放,调节氧化应激相关信号通路,并经由NF-κB 和MAPK 通路治疗氧化应激介导的皮肤疾病。

研究发现,原花青素对高级别前列腺癌具有化学预防作用。Praud 等[28]的研究证明原花青素及其活性成分的组合可以靶向治疗前列腺癌中的癌症干细胞的结论。Tyagi 等[29]的研究结果表明,原花青素显著抑制了Notch1 配体诱导的前列腺癌生长和肿瘤复发的Notch1 通路。

1.5 原花青素治疗阿尔茨海默症的功效

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一类以中枢神经系统神经元结构和功能出现进行性退化为特征的神经退行性疾病,病程中伴有记忆丧失和认知能力下降。随着全球人口老龄化的不断增加,AD 患者的数量已经略高于癌症患者的数量,但目前没有可治愈的药物或治疗方法[30]

AD 的病理特征为淀粉样斑块、神经元丢失和神经纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFTs),其中淀粉样斑块或特异性淀粉样蛋白的低聚淀粉样前聚集物具有细胞毒性,可诱导膜损伤、内质网应激和活性氧ROS[31]。研究表明,β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)在大脑中积累形成斑块,导致Tau 蛋白过度磷酸化,同时伴有氧化应激和神经炎症。

Aβ 斑块源于小胶质细胞过度激活导致的不可逆神经元死亡,具有显著削弱线粒体电子链传输功能的能力,此过程是ROS 产生的主要来源,加剧了氧化应激和神经毒性,并且导致神经元死亡[32]。越来越多的证据表明,Aβ 病理和Tau 病理在AD 中具有协同作用。Ruan 等[30]证实Aβ 和高磷酸化Tau 协同作用导致AD临床前代谢下降,并导致AD 下游神经变性。这表明抗Aβ 和抗Tau 联合治疗可能是治疗AD 最有效的途径。

1.5.1 原花青素对AD 中Aβ 的调控

Aβ 形式包括单体、寡聚物、原纤维和老年斑,Aβ通过β-分泌酶和γ-分泌酶水解淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)产生,Aβ 在大脑中的沉积会导致一系列的病理变化,包括过度磷酸化Tau 蛋白的积累、突触功能障碍和认知障碍[33]。因此,清除Aβ 或抑制Aβ 聚集可能会改善Aβ 在AD 发病机制中引起的病理改变。Li 等[34]研究发现原花青素通过Bcl-2/Bax和caspase 信号通路抑制Aβ 诱导的细胞毒性和凋亡(图4),原花青素B1 通过抑制半胱氨酸蛋白酶8 抗体(caspase-8)和caspase-9 活性来减弱caspase-3 的活性,以剂量依赖性的方式显著抑制Aβ寡聚体诱导的神经元死亡。此外,Kanno 等[35]研究证明苹果原花青素(32.5 μg/mL~65.0 μg/mL)以剂量依赖性的方式抑制Aβ聚集和解离Aβ42 聚集(浓度在65 μg/mL~650 μg/mL之间),显著抑制了Aβ42 诱导的神经毒性,促进PC12细胞增殖,因此原花青素是一种非常有效的延缓AD发展的活性物质。

图4 原花青素抑制Aβ 诱导细胞凋亡的信号通路
Fig.4 Signaling pathway of procyanidins in inhibiting Aβinduced apoptosis

1.5.2 原花青素对AD 中Tau 蛋白的影响

Tau 蛋白是一种微管相关蛋白,在微管组装和稳定中发挥重要作用。从结构上看,Tau 蛋白具有高度的可溶性,很少有聚集的倾向,但聚集后就会形成成对的螺旋丝和神经纤维缠结(NFTs),部分神经退行性疾病包含此特征[36]

神经纤维缠结(NFTs)是AD 的一种典型的病理特征,是Tau 蛋白过度磷酸化的聚集物,而过度磷酸化的Tau 蛋白与微管蛋白结合的能力降低,干扰微管稳定性,最终破坏微管并导致神经元死亡[37](图5),配对螺旋细丝(paired helical filaments,PHFs)是Tau 蛋白异常折叠形成的NFTs 的主要成分,原花青素(100 mol/L)可与PHFs 的核心结合,使PHFs 的超微结构改变、解体,并抑制NFTs 的形成[38]

图5 正常Tau 微管蛋白(A)和病理性Tau 微管蛋白(B)在神经元轴突微管中的作用机制
Fig.5 Action mechanism of normal Tau(A)and pathological Tau(B)in neuronal axon microtubules

积累的Tau 蛋白通过钙调神经蛋白酶介导的核CaMKIV/CREB 信号通路失活而诱发突触损伤和记忆缺陷,原花青素可以通过增加CaMKIV 磷酸化来增加CREB 磷酸化[30]。因此,原花青素可抑制中枢神经系统氧化损伤,减轻认知功能障碍,可以进一步开发为营养膳食大脑补充剂。

2 原花青素的分析和鉴定

2.1 核磁共振技术(nuclear magnetic resonance,NMR)

核磁共振技术(NMR)是一种标准的光谱方法,是原子核在外磁场作用下,其在能级之间共振跃迁的现象,此技术对聚合物的构型、构象分析,立体异构的鉴定和序列分布,支化结构的长度和数量,共聚物和共缩聚物组成的定性、定量以及序列结构测定等均有独特的优势[39],如用于解释包括原花青素在内的多种天然产物的结构。核磁共振技术分析原花青素的局限性包括样品分离和样品数量大,质谱通常在皮克范围内进行,而核磁共振灵敏度较低,大约需要500 ng,原花青素的色谱分离通常在核磁共振分析之前进行,但由于数量的要求,经常出现纯度问题[3]

2.2 液相色谱-质谱联用(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)技术

LC-MS 技术以液相色谱作为分离系统,质谱为检测系统,利用离子源对样品进行电离处理,进而实施质量分析,获得质谱图[40]。高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)和超高效液相色谱(ultra high performance liquid chromatography,UHPLC)可使用多种固定相,极性原花青素的分离通常使用反相或正相色谱柱。Wollgast 等[41]利用反相LC-MS 研究了巧克力粗提物中的原花青素,Calderón 等[42]利用C18 反相LC-MS/MS 和水-乙腈梯度洗脱研究了可可原花青素。Ortega 等[43]利用反相UHPLC-MS/MS 对可可豆样品中的原花青素进行了鉴定和定量,采用超高效液相色谱法(UHPLC)进行分离。Shoji 等[44]利用硅胶柱分馏和正相LC-MS 结合,根据聚合度对苹果提取物中的原花青素(二聚体到八聚体)进行了表征。流动相由正己烷-甲醇-乙酸乙酯混合物组成。一般来说,从单体到四聚体的原花青素的最佳分离方法是反相高效液相色谱法,而聚合物用正相高效液相色谱法可以更有效地分离[45]

2.3 基质辅助激光解吸附电离(matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)技术

MALDI 技术发明于20 世纪80 年代,是一种用于质谱分析的电离技术,能够同时解吸和电离固相生物聚合物。MALDI 最初用于聚合物原花青素的电离。原花青素的MALDI 质谱研究大多采用正离子模式。在正离子MALDI 质谱中,离子电流被几种阳离子物质所分割,包括[M+H]+、[M+Na]+、[M+K]+和其他阳离子物质。以这种方式分割原花青素信号会降低分析的灵敏度,并使数据的解释复杂化,尤其是在测量化合物混合物时。为了增加特定阳离子化原花青素的丰度,阳离子化剂被添加到MALDI 基质中[46],Ohnishi-Kameyama 等[47]使用飞行时间(time of flight,TOF)分析仪首次报告了原花青素的MALDI MS 测量结果。

2.4 原花青素的MALDI MS/MS 分析技术

MALDI-MS/MS 是原花青素表征和鉴定的理想方法,但使用MALDI 的原花青素研究很少使用串联质谱,其中使用负离子模式的更少,而负离子MALDI-TOF/TOF技术为快速表征天然来源的原花青素提供了聚合度和亚基连接类型的简单测定[48]。Mateos-Martín 等[49]利用MALDI TOF/TOF 质谱分析高阶原花青素的产物离子,描述了一个四聚体原花青素的裂解途径,即原花青素离子在四聚体形式下遵循醌甲基化(quinone methide,QM)、逆迪尔斯一阿尔德重排(retro diels alder,RDA)和杂环裂变(heterocyclic ring fission,HRF)的一般裂解途径。

3 总结

本文介绍了原花青素的基本结构和天然来源,综述了原花青素的构效关系,以及原花青素在抗氧化、抗癌、抗炎症、抗过敏、治疗阿尔茨海默症等疾病治疗中的作用机制,总结了原花青素的许多潜在应用方向。同时本文列举了原花青素部分现有的分析和鉴别方法,随着质谱仪能力的提高,其分析和鉴定技术不仅在质量范围方面,而且在灵敏度、分辨率、准确度和新功能方面均有所提高。通过大量文献调研,本文总结了近年来国内外学者对原花青素的功效和分析鉴定方面的研究动态,为原花青素开发、应用及分析提供参考。

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Research Progress on Physiological Efficacy and Analysis of Procyanidins

LIU He1,SUN Jie1*,FEI Xiao-wei2,YU Hao-liang3,CUI Yan-feng2,SONG Li-li2
(1.College of Life Sciences,Qingdao University,Qingdao 266000,Shangdong,China;2.Shandong Jinsheng Grain and Oil Group Co.,Ltd.,Linyi 276600,Shangdong,China;3.Yantai Fenglin Food Co.,Ltd.,Yantai 264100,Shangdong,China)

Abstract:Procyanidins usually exist in natural plants such as peanuts and grapes,and are the polymerized form of flavanols. Because of their excellent antioxidant capacity,as well as anti-cancer,anti-inflammation,antiallergy and other biological activities,procyanidins are widely used in the treatment of many diseases to decrease hyperglycemia,inflammation,allergy,hyperuricemia.They also have great potential in the treatment of Alzheimer's disease.In this paper,the main physiological functions and efficacy of procyanidins and the existing analysis and identification methods were introduced in detail.

Key words:procyanidins;structure;efficacy;Alzheimer's disease;mass spectrometry

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.12.029

基金项目:青岛市科技惠民示范引导专项(20-3-4-33-nsh);2020 年烟台市“双百人才”项目;2021 年山东省重点扶持区域引进急需紧缺人才项目;2019 年山东省人才引进成果示范推广项目;山东省2018 年度农业重大应用技术创新项目。

作者简介:刘鹤(1997—),女(汉),在读硕士研究生,研究方向:功能性食品及开发。

*通信作者:孙杰(1981—),女(汉),教授,研究方向:粮油植物营养加工与综合利用。

引文格式:

刘鹤,孙杰,费晓伟,等.原花青素生理功效和分析研究进展[J].食品研究与开发,2023,44(12):211-217.

LIU He,SUN Jie,FEI Xiaowei,et al.Research Progress on Physiological Efficacy and Analysis of Procyanidins[J].Food Research and Development,2023,44(12):211-217.

加工编辑:张璐

收稿日期:2022-03-29