花色苷分子化學與空間結(jié)構(gòu)的研究進展

花色苷分子化學與空間結(jié)構(gòu)的研究進展

換句話說，黃色物質(zhì)是高等植物的二次代謝（flatopsis）之一。作為一種水生色素，它廣泛存在于植物表面的表皮細胞（anollo營養(yǎng)元素）的液泡中，具有紅、紫、藍等植物花、葉、果實、皮膚等器官的紅、紫、蘭等顏色?；ㄉ站哂悬S酮類特有的C6-C3-C6碳骨架結(jié)構(gòu),由花色素(anthocyanidins)和糖(saccharides)經(jīng)糖苷鍵(glycosidicbond)縮合而成。花色素具有3,5,7-三羥基-2-苯基苯并吡喃(3,5,7-trihydroxyl-2-phenylbenzopyran)陽離子結(jié)構(gòu)?；ㄉ爻绍蘸?取代糖基進一步被有機酸(organicacids)?；a(chǎn)生?；ㄉ?acylatedanthocyanins)。一般,花色素的取代反應(yīng)分4種:羥基化(hydroxylation)、糖基化(glycosylation)、甲基化(methylation)和?；?acylation)?；ㄉ兆鳛閮?yōu)良的天然色素,有良好的應(yīng)用前景,但是,花色苷較差的穩(wěn)定性卻嚴重限制了它的廣泛應(yīng)用。大量研究表明花色苷的穩(wěn)定性與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文綜述了花色苷分子的化學與空間結(jié)構(gòu)影響其穩(wěn)定性和呈色的機理,旨在為改良花色苷分子結(jié)構(gòu)以提高其在加工和貯藏中的穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ)。1色胺分子的化學結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定和顏色的影響1.1花色素糖基化是花色苷穩(wěn)定性的核心產(chǎn)物花色苷是由花色素和糖基以糖苷鍵形式連接的化合物?；ㄉ匾虿环€(wěn)定而幾乎在植物組織中檢測不到。植物中常見的花色素有6種(圖1)?；ㄉ乜膳c不同數(shù)量的糖基成苷,單糖苷(monoside)只含1個糖基,幾乎都連在C3位上;二糖苷(bioside)含2個糖分子,2個都連在C3位或C3和C5位各連1個,有時也結(jié)合在C3和C7位;三糖苷(triglycoside)的3個糖分子通常2個在C3位和1個在C5位,有時3個在C3位形成支鏈(branchedchain)或直鏈(linearchain)結(jié)構(gòu),糖基很少連在C7位。此外,還連在C3,C4,C5位羥基上。使花色素糖基化的糖有葡萄糖(glucose)、半乳糖(galactose)、阿拉伯糖(arabopyranose)、木糖(xylose)、鼠李糖(rhamnose)及由這些單糖構(gòu)成的均一或不均一的二糖(disaccharides)主要有蕓香糖(rutinose)和槐糖(sophorose)等和三糖(trisaccharide)主要有2G-木糖苷蕓香糖(2G–xylosylrutinose)和葡萄糖苷蕓香糖(glycosylrutinose)?；ㄉ?-糖苷(anthocyanidin3-glucoside)是在植物組織中檢測到的第1種穩(wěn)定的花色苷類有色中間產(chǎn)物?；ㄉ氐奶腔?特別是3-O-糖基化,是花色苷進一步修飾(如:第2次糖基化、酰基化和甲氧基化等)的前提,這些修飾有助于花色苷的穩(wěn)定性,還可能通過分子間和分子內(nèi)堆積(inter-andintra-molecularstacking)影響花色苷的顏色變化?；ㄉ仗腔慕Y(jié)果之一是通過外部糖基和周圍水分子形成氫鍵(hydrogenbond)而增加花色苷的水溶性。糖基化使花色苷的穩(wěn)定性大大增加。如3-蕓香糖矢車菊苷(cyanidin3-rutinose)在室溫、pH2.8條件下的半衰期約為65d,而對應(yīng)的矢車菊色素半衰期只12h。在酸性條件下,花色苷C3位氧連的糖基的緩慢水解可能與花色素的穩(wěn)定性有關(guān)。ICHIYANAGI等發(fā)現(xiàn)決定花色苷水解速率的是花色苷的糖基而不是苷元(aglycone)類型,常見苷元的穩(wěn)定性由高到低為:矢車菊色素(Cy)>芍藥花青素(Pn)>矮牽牛素(Pt)>錦葵色素(Mv)=飛燕草色素(Dp),常見決定花色苷穩(wěn)定性的糖基由高到低為:葡萄糖>半乳糖>阿拉伯糖。對花色苷呈色而言,花色素的糖基化一般產(chǎn)生藍移效應(yīng)(hypsochromiceffect),A環(huán)結(jié)合的糖基越多,藍移效應(yīng)越明顯、藍色色調(diào)越深(圖2),這可能是由于糖基化可增加花色苷因水化失衡(hydrationdisequilibrium)而褪色的活化能(activationenergy),從而阻止有色花色苷水化成無色的甲醇假堿(carbinolpseudo-base)。1.2黨組織化的發(fā)展性deol-anthocynin,c花色苷A、B環(huán)的C3,C5,C7位和C環(huán)的C3′,C4′,C5′位均可發(fā)生不同程度的羥基化(圖1,2)。一般,羥基化程度增加使花色苷變得不穩(wěn)定?；ㄉ誃環(huán)羥基化可介導(dǎo)花色苷體內(nèi)降解為酚酸(phenolicacids)和乙醛(acetaldehyde)。C3′脫氧花色苷(deoxy-anthocyanin)比C3′帶有羥基(hydroxyl)的花色苷穩(wěn)定。另一方面,C4或C5羥基化卻使花色苷較穩(wěn)定,因為這阻止了形成無色化合物的水合反應(yīng)(hydrationreaction)。另一方面,羥基化程度增加常常使花色苷可見光區(qū)的最大吸收波長(λvismax)向短波方向移動即藍移,藍色色調(diào)加強?；ㄉ詹煌课坏牧u基化對其顏色的影響不盡一致,B環(huán)羥基數(shù)增加也使花色苷λvismax藍移、藍色色調(diào)加深,如天竺葵素、花青素和飛燕草素的λvismax依次增大(溶劑:0.01%HCl-CH3OH)。C環(huán)C3位的羥基特別重要,它使花色苷呈現(xiàn)黃-橙-紅等不同顏色,大多數(shù)C3位羥基化的花色苷為紅色,而C3脫氧花色苷則為黃色。C4位帶有羥基的花色苷多呈現(xiàn)黃色。牽?；?Ipomoeacairica)典型的赤褐色卻主要由?；ㄉ盏挠坞xC5-OH引起。1.3花色苷的合成花色苷的甲氧基化一般發(fā)生在C3′和C5′位。甲氧基化增強使花色苷穩(wěn)定性增加。一般,甲氧基化多導(dǎo)致花色苷呈黃色,但B環(huán)甲基化導(dǎo)致花色苷λvismax向長波移動,紅色色調(diào)加強。因此,主要含天竺葵素和(或)矢車菊素花色苷顯橙紅色;含芍藥色素花色苷呈深紅色;含飛燕草素、牽?；ㄋ睾湾\葵色素的花色苷呈藍紅色(圖2)。甲氧基化可能增加花色苷因水化失衡而褪色的活化能,阻止有色的花色苷水化成無色的假堿。1.4色苷的合成及其穩(wěn)定性花色苷的酰化發(fā)生在花色苷的取代糖基上,引起花色苷?；挠袡C酸主要有咖啡酸(caffeicacid)、p-香豆酸(p-coumaricacid)、芥子酸(erucicacid)、對羥基苯甲酸(p-hydroxybenzcicacid)、阿魏酸(ferulaicacid)、丙二酸(malonicacid)、蘋果酸(malicacid)、琥珀酸(succinicacid)和乙酸(aceticacid),其中,p-香豆酸最常見。有機酸結(jié)合的位置影響花色苷的穩(wěn)定性和顏色呈現(xiàn)。它們一般結(jié)合在花色苷的C3位或C6位糖基上,有時在C3位和C5位糖上同時結(jié)合2種酸。丙酮酸(pyruvicacid)則通過縮合反應(yīng)連在C4和C5的羥基上形成花色苷加合物(圖3)。親核試劑如高濃度SO2或亞硫酸鹽進攻花色苷C2或C4位,形成無色的化合物使其褪色。另外,芳香酸和脂肪酸可能同時連在同一分子中,形成多?；ㄉ?。?；ㄉ赵趶V泛pH值范圍內(nèi)表現(xiàn)極強的穩(wěn)定性,尤其在微酸性至中性介質(zhì)中,酰化花色苷穩(wěn)定性顯著增加,這是因為花色苷吡喃環(huán)的?；逊e減少了花色苷對水親核攻擊的敏感、防止花色苷形成甲堿或查爾酮結(jié)構(gòu)而失色。?；瘜ㄉ盏姆€(wěn)定效應(yīng)具體地取決于?；男再|(zhì)、數(shù)目和結(jié)合位置?？Х人釋ㄉ辗€(wěn)定程度最高,阿魏酸,對香豆酸次之。帶有芳香?；幕ㄉ毡葞в兄咀艴；幕ㄉ辗€(wěn)定。多?；ㄉ毡葐熙；ㄉ辗€(wěn)定。如:紅卷心菜(Brassicaoleracea)有15種花色苷(大部分雙?；?是阿魏酸,芥子酸,p-香豆酸酰化矢車菊素3-二葡萄糖苷-5-葡萄糖苷(cyanidin-3-diglucoside-5-glucoside)的衍生物,對光、熱、高pH值表現(xiàn)出穩(wěn)定性;野紅蘿卜(Daucuscarota)含有的5種主要的花色苷為1個肉桂酸(對香豆酸,芥子酸或阿魏酸)?；杠嚲账?3-蘆丁糖苷-葡萄糖苷-半乳糖苷(cyanidin-3-rutynoside-glucoside-galactoside)的衍生物,對光、熱、SO2表現(xiàn)出穩(wěn)定性;蘿卜(RaphanussativusL.)紅色素中含有12種?；幕ㄉ?其中8中雙酰化),比紅色馬鈴薯(SolanumtuberosmL.)中的單?；ㄉ辗€(wěn)定。?；够ㄉ咋藇ismax藍移,藍色色調(diào)加深,B環(huán)的一個芳香族?；蛊洇藇ismax向長波方向移動約4nm(溶劑:1%CF3COOH)而更藍,但花色苷的脂肪族(aliphaticseries)酰基化使其幾乎不發(fā)生顏色變化。2色胺分子的空間結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定和顏色的影響2.1酰化對花色苷穩(wěn)定性的影響花色苷只有結(jié)合2個或2個以上的?；鶗r才表現(xiàn)較穩(wěn)定。三?；ㄉ毡入p?；ㄉ辗€(wěn)定,雙?；ㄉ沼直葐熙；ㄉ辗€(wěn)定,原因是疏水作用力(hydrophobicinteractionforce)使花色苷母核和?；矫娣枷阕鍤埢?aromaticseriesresidues)形成了層狀結(jié)構(gòu)(圖4),較好地保護了夾在兩個有機酸中間的花色苷母核。而單?；ㄉ諆H有一側(cè)能防止親核基團的攻擊。?；恢脤ㄉ盏姆€(wěn)定性也有影響,如:C3位上的酰基基團能自由旋轉(zhuǎn),允許分子折疊(molecularfolding)和分子內(nèi)堆積,提高花色苷的穩(wěn)定性。?；够ㄉ辗€(wěn)定性增加主要因為?；蓪崿F(xiàn)花色苷的分子內(nèi)共色(intramolecularco-pigmentation),典型情況是多?；?multiacylation)花色苷可形成“三明治(sandwich)”或“夾心”結(jié)構(gòu)(圖4)。其中,?；ㄉ湛烧郫B的糖鏈像一條帶子將有機酸置于2-苯基苯并吡喃骨架的表面,這種堆積作用能較好抗水的親核攻擊(nucleophilicattack)和其它降解反應(yīng),因而?；ㄉ罩杏袡C酸能有效地保護花色苷母核陽離子免受水分子的攻擊而失色,提高了花色苷溶液色澤的穩(wěn)定性。2.2影響分子間環(huán)境作用的影響2.2.1分子間共色作用自然界中,花色苷在相當大pH值范圍內(nèi)是無色的,故其在細胞液pH范圍內(nèi)應(yīng)有極淺的顏色甚至無色,然而自然界中花色苷卻呈現(xiàn)出各種美麗的色彩,原因是花色苷被包括輔色素(copigments)在內(nèi)的理化因素所穩(wěn)定?；ㄉ张c輔色素之間發(fā)生的作用稱為分子間共色(intermolecularco-pigmentation)。輔色素常是一類無色物質(zhì),它可使花色苷在中性、微酸性條件下呈現(xiàn)亮麗的色澤。目前發(fā)現(xiàn)的輔色素包括單寧(tannins)、多酚(polyphenols)、有機酸(organicacids)、核苷酸(nucleotides)、多糖(polysaccharides)、金屬離子(metalions)、生物堿(alkaloids)、香豆素(coumadins)、肉桂酸衍生物(cinnamicacidderivatives)、蒽酮類(anthrones)、氨基酸(aminoacids)和類黃酮(flavanoids)及花色苷本身等。分子間共色受pH、溫度、金屬離子、輔色素的種類及濃度的影響。花色苷甲基化和糖基化程度增加,共色效應(yīng)增強。相同溫度和pH下,花色苷濃度越大分子間共色作用越明顯,輔色素與花色苷摩爾比(molarratio)越大共色效應(yīng)越大。DANGLES等發(fā)現(xiàn)花色苷在pH接近1到中性條件下都可發(fā)生共色作用?；ㄉ张c特定輔色素的結(jié)合可能具有專一性,如花翠苷(delphinin)與黃酮醇(flavonol)之間的分子間共色。分子間共色中,花色苷與輔色素形成水平(頭尾連接)的層狀結(jié)構(gòu)(圖5),層疊過程產(chǎn)生疏水作用力,保護花色苷母核陽離子免受水化反應(yīng)攻擊而減少無色假堿生成。從熱力學觀點看,分子內(nèi)共色比分子間共色更容易發(fā)生,前者不必將最初分散在溶液中的分子聚合而具有熵優(yōu)勢;當分子內(nèi)共色發(fā)生時,分子間共色很少或幾乎不發(fā)生。2.2.2以時間和濃度為單位的色苷穩(wěn)定性分子間共色可大大提高花色苷的穩(wěn)定性,如:蔬菜中的花色苷種類越多,穩(wěn)定性可能越好,茄子(SolanummelongenaL.)的花色苷類約有4種,其中花翠苷約占94%,穩(wěn)定性較差;紫蘇(Ocimumbasilicum)、芥藍(Brassicaalboglabra)及甘薯(Ipomoeabatatas)等花色苷種類較多,其穩(wěn)定性較好?；ㄉ蘸洼o色素間存在最適合分子比使顏色強度和穩(wěn)定性達到最大,如:3.5×10-5mol/L矢車菊素3,5-二葡糖苷(cyanidin3,5-diglucoside)在pH3~6范圍內(nèi)加入1~10N櫟苷(quercitrin)時,其顏色、光譜和穩(wěn)定性均無變化,而當矢車菊素3,5-二葡糖苷的濃度為1.0×10-2mol/L時,欲得同樣的結(jié)果其在pH3和6下比率必須分別達到4∶1和100∶1。這種穩(wěn)定性增加的原因是多方面的:(1)輔色素本身具有抗紫外光作用,當它們游離于溶液中時可優(yōu)先吸收紫外線(UV)而減少對花色苷的破壞,當游離的輔色素消耗完時,花色苷失色加劇。(2)黃酮類對花色苷的共色作用主要在于穩(wěn)定了溶液中紫色的脫水堿(dehydrationbase),阻止其轉(zhuǎn)化成無色的查爾酮(chalconepseudobase)結(jié)構(gòu)。分子間共色可加強花色苷的呈色效果。分子間共色花色苷明顯紅移,紅色色調(diào)加深,如:鴨跖草苷(commelinin)由花色苷和黃酮苷(flavonoidglycoside)形成的復(fù)合體,這兩種化合物由于平面與平面π電子相互作用而重疊,呈層狀結(jié)構(gòu),顏色加深;藏報春(Primulasinensis)基本花色苷為錦葵色素3-葡糖苷(malvidin3-glucoside),黃酮醇存在時花色為紫色,缺少時花色為紫醬色;迷迭香(Rosmarinusofficinalis)卻使葡萄(VitisviniferaLinn.)花色苷產(chǎn)生紅移效應(yīng),擁有濃郁的紅色。不同輔色素與相同花色苷結(jié)合呈現(xiàn)不同顏色,而同一輔色素因立體結(jié)構(gòu)不同與花色苷的成色效果也不同。相同生化條件及輔色素與不同種類花色苷的共色效果(顏色強度及穩(wěn)定性)不一樣,如:3,5-二葡糖錦葵色苷(malvidin3,5-diglucoside)的顏色強度增加10倍,而3-葡糖錦葵苷(malvidin3-glucoside)的顏色強度只增加1.5倍。2.3自聚與自聚作用當花色苷分子濃度達到一定程度時發(fā)生單體花色苷的自聚作用(self-association)是由于芳香族的發(fā)色團和結(jié)合的糖中分子間氫鍵的堆疊作用的精密配合實現(xiàn)的。在芳香族的核心周圍的特定位置通過糖苷鍵連的糖決定花色苷的手性?；ㄉ盏慕Y(jié)構(gòu)和pH值影響花色苷的自聚作用。在pH3~4或高濃度的中性水溶液中,具有C4羥基和C5糖基的花色苷分子間以甲醇假堿(carbinolpseudobase)或醌型堿(quinoidbase)的形式聚合,自我組裝成非共價手性超分子復(fù)合物(supramoleculecompounds),導(dǎo)致可見光范圍的吸光值劇增,并且λvismax向短波方向移動,產(chǎn)生藍移效應(yīng),這種花色苷自身的聚合稱為自聚作用。自聚可能發(fā)生在具有相同或不同空間結(jié)構(gòu)的花色苷之間(即AA或AA-或A-A-,A是中性堿基,A-是電離堿基)。C4羥基和C5糖基起重要作用。在pH7,