《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：A Review on Cyanidin-3-O-glucoside Antioxidant Activity, Food Technology Applications and Therapeutic Uses
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花青素是植物来源的生物分子，在授粉、抵御紫外线（UV）辐射以及抵抗活性氧（ROS）和活性氮（RNS）方面发挥重要作用。矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）是膳食中常见的一种花青素，其抗氧化能力取决于其化学结构以及pH和温度等外部因素；在技术层面，提取工艺也会影
花青素是植物来源的生物分子，在授粉、抵御紫外线（UV）辐射以及抵抗活性氧（ROS）和活性氮（RNS）方面发挥重要作用。矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）是膳食中常见的一种花青素，其抗氧化能力取决于其化学结构以及pH和温度等外部因素；在技术层面，提取工艺也会影响花青素的稳定性。本系统综述遵循PRISMA指南（系统综述和荟萃分析优先报告条目）编制，检索了Scopus、PubMed和Web of Science数据库。综述考察了关于C3G的最新研究进展，包括其抗氧化能力、治疗应用、消化系统中的作用、在植物中的含量、食品技术中的应用，以及评估其抵御ROS和RNS相关酶促反应与机制的实验模型。
论文主体内容总结
1 引言
花青素在植物生理过程中发挥重要作用，包括色素沉着、固氮、抵御活性氧（ROS）和活性氮（RNS）以及防御紫外线（UV）辐射等外部因素。矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）是膳食中常见的一种花青素，其抗氧化特性和应激响应能力主要与其化学反应活性相关，这些性质受温度、光照、压力、pH、酶、金属离子、氧气及其他植物色素等理化因素的影响。在食品技术领域，多酚的提取工艺同样至关重要。
C3G的分子结构由C-15杂环骨架即2-苯基苯并吡喃鎓（flavylium），也称花青素苷元（anthocyanidin）或苷元（aglycone）组成，其结构包含连接一个或多个葡萄糖或酰化葡萄糖残基的羟基（–OH）或甲氧基（–OCH3）基团。花青素是花青素苷元的糖苷化形式，其骨架包含苯并吡喃核心，由苯甲酰环（A环）、吡喃环（C环）和连接在2位的酚环（B环）组成，糖残基通常结合在C环的3位。结构稳定性取决于flavylium核心上羟基或甲氧基的存在及位置；事实上，羟基化程度的增加会降低C3G的稳定性，而甲基化则增强其稳定性。此外，pH变化会因分子的离子特性诱导结构改变。在低pH值条件下，花青素在水性介质中更稳定，此时分子与其他四种结构处于平衡状态：flavylium阳离子、甲醇假碱（carbinol pseudo-base）、醌型碱（quinoidal base）和查尔酮（chalcone）。
C3G是一种多酚类化合物，属于植物次生代谢产物，在水果、花卉和种子中表现出高抗氧化活性。花青素可清除自由基、ROS和RNS，从而预防或减轻氧化应激。其抗氧化机制涉及对位和/或邻位酚基的氧化，形成半醌并稳定单电子氧化产物，通常通过单电子氢原子供体实现。
2 材料与方法
本系统综述遵循PRISMA指南进行，数据来源于Scopus和Web of Science数据库。检索关键词包括“C3G提取工艺”、“C3G抗氧化能力”、“C3G治疗用途”和“C3G作为其他药物性能的增强剂”。研究主要纳入近十年发表的文献（56篇），同时也纳入部分超过十年的较早期文献以补充信息。筛选过程使用“.ris”文件和Rayyan平台进行，重复文献通过自动或手动方式去除。入选文献按照抗氧化保护、治疗应用及与蛋白质的相互作用进行分类。文中包含富含C3G的植物物种比较表，以及C3G与槲皮素（quercetin，一种丰富的天然抗氧化剂）的比较表。文中化学结构使用免费化学绘图软件ChemSketch绘制。
3 C3G的化学性质、相互作用、稳定性及其在食品技术中的相关性
C3G是许多植物物种和水果中常见的丰富类黄酮，具有亲水性，并根据介质pH变化而改变颜色。C3G在pH 1时以flavylium阳离子形式存在，pH 2至4时其醌型形式呈蓝色，pH 5至6时甲醇假碱为无色假碱，pH 7时花青素降解，但其稳定性随甲基化程度增加而增强，随B环羟基数量增加而降低；C3G的热降解在80°C至120°C范围内增加。槲皮素是研究最广泛的抗氧化剂之一，在消化道中吸收较差，浓度高于40 μM可能具有毒性。
3.1 多酚类化合物
多酚是植物产生的次生代谢产物，已发现多达8000种不同分子。C3G（一种花青素）和槲皮素（一种黄酮醇）是两种常见的具有抗氧化特性并常用于治疗的多酚。槲皮素的疏水性（25°C时0.001 mg/mL）限制了其分布、代谢及最终的治疗应用。C3G和槲皮素的性质受相同因素影响。两者均能调节代谢过程、展现酶相互作用、调节代谢通路并促进细胞活性。
3.2 提高C3G稳定性
C3G的稳定性由其分子结构决定，并受多种因素影响。在低pH值条件下，C3G结构更稳定，其抗氧化活性在很大程度上取决于这些参数。C3G在弱酸性至中性pH值范围内表现出更高的抗氧化活性。温度促进花青素降解并损害其抗氧化活性。例如，在水溶液中，C3G在120°C加热30分钟时抗氧化能力下降高达20%，在180°C暴露7分钟时下降更大（30%）。C3G与淀粉（玉米、马铃薯、豌豆）结合时稳定性提高，并能耐受适度的水热加工（65°C/10分钟和95°C/20分钟）直至pH 5或7。利用液相色谱-质谱联用（LC-MS）和密度泛函理论（DFT）评估了pH和温度对C3G生物活性的联合影响，研究表明C3G在100°C热降解导致儿茶素、3,4-二羟基苯甲酸、2,4,6-三羟基苯甲醛和1-(3,4-二羟基苯基)-2-(3,4,5-三羟基-6-羟甲基-四氢吡喃-2-基氧基)-乙酮的形成。
3.3 酶修饰
由于花青素对高温敏感，开发增强其稳定性同时保持安全性和抗氧化能力的策略对于将其纳入食品和饮料产品至关重要。一种方法是将花青素添加到烘焙食品和饮料中。研究表明，C3G在面包皮中的稳定性低于面包瓤，提示面筋可能稳定花青素。为提高C3G稳定性，已通过使用酸酯的酯交换反应进行酶法酰化。这些反应提高了C3G的稳定性、抗氧化活性、脂溶性、pH耐受性和热稳定性。例如，C3G与月桂酸的酶法酰化产生C3G-C12。脂肪酶催化的酯交换反应同样提高了C3G的稳定性和光学吸光度，可能是由于脂溶性增加。C3G的抗氧化特性在食品工业中可用作防腐剂以延长产品保质期。C3G与预热牛奶蛋白的相互作用显著有助于花青素的稳定性。光谱分析表明，温度和pH改变蛋白质结构并影响其与C3G的相互作用。预热β-乳球蛋白（55°-90°C）以pH依赖性方式增强C3G结合，在pH 6.3时观察到最强相互作用，而β-酪蛋白的相互作用不受影响。C3G与β-乳球蛋白的结合抑制其热降解并增强生物利用度，在85°C下同时提高抗氧化能力和热稳定性。乳清蛋白分离物（富含β-乳球蛋白）与C3G形成疏水相互作用，进一步增强其抗氧化能力。大豆蛋白方面，C3G主要通过疏水相互作用与蛋白分离物和水解物结合，对分离蛋白具有更高亲和力。C3G与大豆主要蛋白组分β-伴大豆球蛋白和11S-大豆球蛋白的相互作用诱导结构修饰，包括7S β-折叠元素转化为α-螺旋和/或无规卷曲，降低两种大豆蛋白组分的疏水表面并降低其热稳定性。另一种策略是将C3G与保护性和/或稳定性蛋白结合，如扁豆蛋白，以减少热和氧化降解，但该方法可能降低C3G的抗氧化能力。
3.4 C3G-蛋白质相互作用
C3G与食品成分的相互作用在食品和饮料技术中发挥关键作用，可增强营养价值和感官特性。C3G与鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I（果胶多糖）的结合在压力（500 MPa）下增加，并提高热稳定性和消化稳定性，且不损害C3G的抗氧化能力。C3G与多糖或蛋白质（如果胶和β-乳球蛋白）的复合可增强生物利用度、抗降解能力和模拟胃肠消化模型中的抗氧化活性。C3G与多酚氧化酶（PPO）形成不可逆复合物，PPO是导致水果和蔬菜氧化褐变的酶。C3G与PPO的共价结合不可逆地抑制其活性。C3G对酶活性的抑制作用可能源于：a) α-螺旋的显著损失，归因于C3G的葡萄糖苷部分与PPO活性位点附近的Met280、Met294、Cys83和Cys297残基的共价结合，以及b) PPO活性位点中Cu2+的螯合。因此，通过C3G复合抑制PPO可保护新鲜和加工水果蔬菜免受褐变氧化，有效延长其保质期和储存期。丝素肽（SFP）通过纳米复合物形成增强C3G稳定性，适用于食品、饮料和天然色素等工业应用。SFP-C3G复合物提高了理化稳定性、对含Cu2+离子碱性环境和高温的耐受性，同时保持C3G的抗氧化能力。SFP与C3G的相互作用不会显著改变蛋白质的二级结构，其中Tyr和Phe残基可能在纳米复合物形成中发挥关键作用。另一方面，使用支链淀粉纳米颗粒进行纳米封装可稳定包括C3G在内的花青素，用于靶向递送至胃肠道、肝脏、肺、肾、心脏和脾脏等组织。血清白蛋白是血液中最丰富的蛋白质，与C3G结合后发生二级结构变化。晚期糖基化终产物（AGE）存在于高葡萄糖浓度下，血清白蛋白可能被糖化，从而对其他分子如C3G表现出较低亲和力，其抗氧化能力受到影响。血红蛋白和肌红蛋白均参与氧化还原活性和电子转移，其与C3G的相互作用发生在表面区域，通过减少α-螺旋含量和松弛蛋白质构象来改变其二级结构。
4 治疗应用
C3G的治疗潜力因其抗氧化、抗炎、抗癌、神经保护和降血糖特性而被广泛研究。花青素生物活性的研究涵盖体外实验、动物模型和人类细胞系研究。C3G具有多种治疗应用，例如ROS清除和细胞毒性过程。C3G还调节细胞生长、促进Nrf2通路、保护心血管系统和神经系统，并改善代谢疾病。用C3G预处理的鼠脂肪细胞（3T3-L1）通过减少脂质积累、抑制促脂肪生成的PPAR-γ通路以及降低与脂质积累相关的脂肪酸结合蛋白4（FABP4）和促炎性白介素的表达，抑制了棕榈酸的脂肪生成效应。此外，C3G抑制棕榈酸对人脂肪细胞中葡萄糖转运蛋白GLUT-1和GLUT-4的影响。C3G补充增加了NO合成，改善了高脂饮食小鼠的胰岛素转运。C3G诱导Akt/eNOS磷酸化，导致一氧化氮产生增加，改善了内皮胰岛素转运的调节。
4.1 代谢通路相互作用
转录因子Nrf2控制抗氧化基因的表达，发挥抗炎功能，并参与血红素加氧酶-1（HO-1）轴的调节。C3G促进Nrf2信号传导和基因表达。Nrf2通路可能保护SH-SY5Y细胞免受氧化应激并调节凋亡基因表达。Keap1-Nrf2-HO-1通路受氧化应激调节，当Keap1-Nrf2复合物解离时，Nrf2部分转移至细胞核，引发抗氧化反应元件血红素加氧酶1（HO-1）和超氧化物歧化酶（SOD）的表达，如BPA诱导的斑马鱼胚胎毒性中所观察到的，C3G促进Nrf2转位至细胞核，增加多种抗氧化反应元件的响应。此外，在D-半乳糖诱导的衰老模型中，C3G给药增加了编码核因子E2相关因子2（Nrf2）的Nfe2I2以及抗氧化基因Hmox1和Nqo1的mRNA，而Keap1 mRNA则降低。对接模型显示C3G与Keap1的Arg 415和Ser 602残基结合，这些残基负责切割Keap1-Nrf2复合物，使Nrf2游离转位至细胞核。
4.2 抗氧化活性
花青素主要通过酚羟基氢原子转移清除自由基，涉及三种机制：a) 氢原子转移（HAT），b) 质子转移后的单电子转移序列（SET-PT），以及c) 顺序质子损失后电子和质子转移（SPLET）。食品加工条件，尤其是热和pH，影响花青素结构和抗氧化性能。C3G的抗氧化活性通过多种机制提供针对各种氧化剂的细胞保护，包括：a) 清除细胞内ROS，b) 与有毒化合物结合从而减轻其损害效应，c) 通过与特定氨基酸残基结合抑制酶活性，d) 激活抗氧化酶以消除自由基，以及e) 上调与抗氧化防御相关的代谢通路以减少氧化应激。
4.3 C3G与毒物的相互作用及保护作用
C3G与诱导氧化应激的毒物相互作用，如氨基甲酸乙酯（一种常见于发酵食品、烟草和酒精饮料中的致癌化合物），其细胞毒性源于ROS产生，导致线粒体膜过氧化和谷胱甘肽（GSH）氧化增加。富含C3G的桑葚提取物已被证明可保护GSH免于耗竭并防止线粒体膜损伤，从而抵御氨基甲酸乙酯诱导的细胞毒性。另一种值得关注的化合物是丙烯醛，一种有毒的不饱和醛，在高温食品加工过程中产生并存在于红葡萄酒等饮料中。C3G在室温下形成稳定加合物来中和丙烯醛毒性。此外，C3G通过恢复抗氧化酶平衡、保护免受GSH耗竭和减轻线粒体功能障碍来降低丙烯酰胺（一种存在于炸薯条、饼干和咖啡中的致癌物）的毒性，从而增强细胞抗氧化能力。双酚A（BPA）是塑料食品容器中存在的毒物，与神经和致癌效应相关，并损害斑马鱼幼鱼。用C3G处理BPA暴露的幼鱼通过调节Nrf2信号通路防止细胞凋亡并保护神经系统。
4.4 C3G与抗氧化酶的相互作用及调节
C3G与关键抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶（CAT）相互作用，并调节代谢通路和增强抗氧化能力的基因表达。除了清除活性自由基外，C3G似乎还调节这些抗氧化酶的表达和活性，可能通过激活Nrf2-ARE通路实现。这种双重机制增强了细胞整体抗氧化反应，有助于减轻氧化应激。
5 C3G与胃肠系统
健康饮食是减少代谢综合征症状的关键因素，水果、蔬菜和谷物是基本组成部分，部分原因在于其抑制胰脂肪酶和参与脂质水解的酶的能力，从而有助于降低高脂血症。
5.1 消化道代谢
在消化道中，C3G经历一系列酶转化，起始于口腔，在此接触唾液酶，包括α-淀粉酶。虽然α-淀粉酶主要水解口腔中的淀粉，但也可能水解C3G；此外，唾液β-葡萄糖苷酶也使C3G去糖基化并释放苷元部分，后者更具亲脂性且更容易被机体吸收。消化过程中pH的变化有利于C3G的醌型结构并增强其糖苷化部分的溶解度，促进其转化为原儿茶酸（PCA）。在胃中，酸性环境（pH 1–3）使C3G以其flavylium阳离子形式稳定存在，从而有利于其吸收。胃蛋白酶还促进C3G从食物蛋白基质中释放。大鼠和人类研究表明，通过胃上皮的吸收通过主动扩散发生，允许不到10%的膳食多酚以天然化合物形式被吸收，20%以代谢物形式被吸收。然后，在小肠中，pH升至中性或微碱性值（pH 7–8），有利于C3G醌型结构，在肠细胞中C3G经历I相和II相代谢，将C3G转化为酚酸和共轭代谢物，产生甲基、葡萄糖醛酸或硫酸盐共轭物；这些化合物中相当大比例（包括C3G）将到达结肠，与肠道微生物群相互作用，形成适合吸收的更简单代谢物。在模拟消化研究中，来自Opuntia ficus-indica的花青素约35%到达胃，65%在大肠中保持稳定。此前报道，富含C3G（约82%）的黑米提取物膳食补充12周，可减轻高脂高胆固醇饮食小鼠的与体重增加相关的高胰岛素血症和高甘油三酯血症，但这些效应依赖于肠道微生物群稳态。最后，在结肠中，C3G的C环裂解或其苷元形成相应的花青素查尔酮，产生酚酸，包括羟基苯甲酸、苯乙酸、香草酸、异香草酸、阿魏酸和马尿酸，随后通过粪便或尿液排出。根据结肠中微碱性pH，大肠中可能形成额外的代谢物，如2-OH-4-甲氧基苯甲酸、4-甲氧基苯甲醛、甲基香草酸和咖啡酸。此外，使用同位素标记C3G和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的人体花青素药代动力学研究表明，48小时后C3G生物利用度为12.3%，形成24种代谢物，回收给药剂量的43%，剩余部分去向未知。肠道微生物群组成在健康个体与肥胖和2型糖尿病等代谢紊乱患者之间存在差异，并在疾病病理生理中发挥核心作用。富含多酚的饮食可调节肠道微生物群组成，有助于预防代谢疾病、神经退行性疾病和肥胖。毒物可能改变结肠微生物群，如3-氯-1,2-丙二醇（一种存在于食品中的卤代化合物）改变肠道（微绒毛缺失和坏死等），导致微生物群破坏。对同时暴露于3-氯-1,2-丙二醇的大鼠给予C3G可改善肠道组织病理学变化并维持微生物群平衡，保护肠道健康。
5.2 消化酶
抑制脂质消化和吸收可能是预防和控制过量脂肪积累诱导的肥胖的有效策略。Prinsepia utilis Royle（喜马拉雅野樱桃）是一种富含多酚的植物，表现出强效ROS清除活性并抑制关键消化酶如胰脂肪酶和α-葡萄糖苷酶。这些抑制效应与P. utilis果实提取物中的多酚含量相关，其中C3G是最丰富的化合物。
5.3 胰腺相互作用
肥胖是与动脉粥样硬化、高血压和糖尿病相关的慢性疾病。胰脂肪酶是负责脂肪消化的酶。因此，阐明调节脂质代谢的分子过程对于制定体重减轻策略至关重要。从黑米和红小豆中提取的C3G和儿茶素通过疏水相互作用和氢键结合到活性位点的Asp80、Phe78和His152残基，改变胰脂肪酶的二级结构从而抑制其活性。这种直接抑制突出了C3G在开发功能性食品或膳食补充剂方面的潜力。此外，C3G已证明能够通过减轻内质网应激，改善受棕榈酸刺激的INS-1E细胞（胰腺β细胞系）的胰岛素分泌。理解C3G与抗氧化剂、受体和酶活性位点的相互作用机制对于充分阐明其对脂肪酶的抑制效应至关重要，因为抑制脂质消化和吸收可能是预防和控制肥胖的策略。
6 讨论
C3G在生物系统上发挥显著的抗氧化活性。因此，C3G等多酚的稳定性影响其生物功效，并受温度和pH等许多外部因素的影响。其抗氧化特性已在多种实验模型中证实，包括大鼠、兔、斑马鱼和人类细胞系，确认其抵御ROS和RNS诱导的氧化损伤的能力。尽管C3G对温度和pH敏感，但Cu2+离子已被证明能增强C3G的抗氧化能力和与蛋白质的相互作用。纳米封装可提高C3G的稳定性和抗氧化潜力。关于pH，酸性条件（pH 3.6）有助于维持其抗氧化特性，即使在高温和接近中性pH（6.3）下也能降低其稳定性和功效。上述表明存在可维持C3G稳定性和抗氧化潜力的工艺，使其可作为抗氧化成分添加到食品补充剂中。另一方面，C3G的抗氧化活性还对胰腺等器官赋予保护作用，抑制胰脂肪酶，降低脂质过氧化产生的细胞内ROS水平，从而减少凋亡细胞百分比。此外，Lonicera caerulea Bailei的醇提物以C3G为主要成分，对肝癌H22荷瘤小鼠处理时引发抗增殖反应并增加抗氧化活性，如低丙二醛（MDA）水平所示。虽然C3G在中性和碱性pH及高温下稳定性较差，但一些降解产物保留抗氧化活性。通过酯交换的酶法酰化有助于C3G的热和pH稳定性，同时保持其抗氧化能力。此外，与β-乳球蛋白和酪蛋白等蛋白质的相互作用改善了C3G的分布、生物利用度和抗氧化能力的保持。技术上，C3G添加到红葡萄酒中与丙烯醛形成加合物，降低其毒性。最后，新兴技术策略如脂质体、纳米乳剂和纳米脂质体可进一步改善C3G在食品制造过程中经历外部变化时的生物利用度和理化稳定性，保持其生物学特性并扩展其在营养保健品和功能性食品配方中的应用。C3G有助于减少细胞内氧化过程造成的损伤。定期食用可使细胞具有对抗氧化应激的防御能力，从而保护器官、系统并预防疾病，因此，其定期纳入食品或零食以及化妆品产品中可作为抗氧化剂增加产品价值。C3G与其他多酚及治疗化合物的相互作用需要研究，并在毒理学、药理学和食品技术领域开辟了机会领域。
7 结论
花青素是一类具有公认抗氧化特性的酚类化合物，其中C3G在水果、谷物和蔬菜中尤其丰富。它还表现出直接中和食品中常见有毒化合物的能力，如丙烯醛、丙烯酰胺、双酚A或氨基甲酸乙酯，从而降低毒性效应风险。此外，C3G与血浆蛋白相互作用，增强和保持其抗氧化功能，如牛血清白蛋白或预热牛奶蛋白。这些特性支持其在开发营养保健食品中的潜在应用，旨在减轻细胞氧化应激、预防与氧化损伤相关的疾病以及改善肠道健康，特别是在与代谢综合征和结肠癌等病理相关的疾病中。尽管C3G具有前景广阔的生物活性，但仍需进一步研究以充分阐明其抗氧化和抗毒效应的分子机制，以及与其他天然多酚和治疗药物的相互作用。开发有效制剂以增强其稳定性、生物利用度和细胞摄取而不损害其生物活性也至关重要。在这方面，纳米乳剂和纳米脂质体等技术进步代表了改善C3G递送、优化其理化稳定性并最大化其健康益处的有前景工具。
