《Food Chemistry》：General chemical synthesis of cyanidin-3-O-glycosides: configuration determination and structure-activity relationship analysis
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花青素糖苷的化学合成及生物活性研究首次系统合成矢车菊-3-O-半乳糖苷和矢车菊-3-O-阿拉伯糖苷，通过2D NMR确证其β-D-半乳吡喃糖和α-L-阿拉伯吡喃糖结构。比较发现葡萄糖苷最稳定，而阿拉伯糖苷活性最强，分子对接揭示C3Ara与α-淀粉酶结合更优。为花青素标准化生产提供新方法。
郑志鹏|胡军|周伟杰|袁宏庆|孙建霞|徐永斌|白伟斌
中国广州510632，济南大学食品安全与营养研究所食品科学与工程系，食品安全分子快速检测工程技术中心
摘要
花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性黄酮类色素，其特点是含有黄素阳离子核心。糖基化修饰对具有相同苷元的花青素的生物活性有显著影响。本研究首次实现了氰苷-3-O-半乳糖苷（C3Gal）和氰苷-3-O-阿拉伯糖苷（C3Ara）的化学合成，提供了一种通用的糖基化策略。通过二维核磁共振（2D NMR）确定了β-D-半乳吡喃糖苷和α-L-阿拉伯吡喃糖苷的构型。对比分析表明，氰苷-3-O-葡萄糖苷（C3Glu）最为稳定，而C3Ara和C3Gal具有更强的抗氧化活性。C3Ara还表现出最强的α-淀粉酶抑制作用（IC50 = 98.16 μM），这与分子对接预测结果一致。这些结果揭示了结构与活性的关键关系：己糖（葡萄糖、半乳糖）具有更高的稳定性但活性较低；戊糖基阿拉伯糖苷则具有更高的生物活性。本研究为花青素苷的制备提供了可靠的方法和研究方向。
引言
花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性黄酮类色素（Cai等人，2022年），越来越受到作为天然食品着色剂和生物活性化合物的重视。先前研究中强调了花青素的独特结构（黄素阳离子核心）对其性质的重要性。糖基化或酰基化修饰会生成复杂的结构并产生不同的生物活性（Zheng等人，2025年）。氰苷是最常见的花青素之一，其糖基化衍生物在自然界中广泛存在，包括葡萄糖苷、半乳糖苷和阿拉伯糖苷。其中，氰苷-3-O-葡萄糖苷（C3Glu）在天然来源中最为丰富且研究最为广泛。氰苷-3-O-半乳糖苷（C3Gal）和氰苷-3-O-阿拉伯糖苷（C3Ara）主要存在于黑果越橘（Aronia melanocarpa）和蓝莓等植物中（Jurikova等人，2017年；Tian等人，2019年）。大量研究表明它们具有抗氧化、抗肥胖和抗糖尿病等生物活性（Lim等人，2019年；Ma, Du, Li, Yang, & Zhu，2021年）。研究表明，即使苷元相同，不同的糖基化也会显著影响花青素的性质。例如，C3Gal在保护细胞免受氧化损伤方面比其他几种花青素更有效（Bellocco等人，2016年）。同样，C3Ara在体外对α-淀粉酶的抑制作用也更强（Chen, Chen, Li, & Liu，2023年）。我们选择天然存在的β-D-半乳吡喃糖苷和α-L-阿拉伯吡喃糖苷作为研究对象。目前，只有C3Gal的生物合成方法已被报道（He等人，2021年），而C3Ara的合成方法几乎尚未见报道。研究中使用的C3Gal和C3Ara通常是从植物中提取的（Lim等人，2019年；Wang等人，2025年）。然而，由于从植物中提取和纯化的难度较大（效率低下、受季节影响且易产生异构体），它们的应用受到限制。研究发现，从天然植物中提取的黄酮类化合物会产生异构体，需要更精确的检测方法来表征其结构（Blunder, Orthaber, Bauer, Bucar, & Kunert，2017年）。这些挑战阻碍了标准化参考材料的建立以及食品使用的监管批准。
先前的研究已经成功合成了多种葡萄糖基化的花青素（Hu等人，2023年；Wu等人，2024年）。相比之下，含有其他糖基的花青素的完全化学合成报道较少。糖类的结构复杂多样：首先，己糖和戊糖的活性C1位的醛基和C5位的羟基可以发生分子内环化，形成吡喃环或呋喃环。由于椅式构象的稳定性更高，吡喃环形式更为常见（Shioiri等人，2013年）。其次，糖苷是手性分子，自然界中存在D型和L型两种构型（Umbayev等人，2020年）。第三，异头构型也是一个挑战。在水溶液中，糖苷会发生变旋，形成α-和β-异头体的平衡混合物（Banford & Timson，2021年）。鉴于这些复杂性，我们选择了两种具有代表性的但合成难度较大的花青素：C3Gal和C3Ara。选择这些化合物不仅是因为它们在浆果中的天然含量较高，还因为它们代表了两种基本的糖基化类型：β-D-半乳吡喃糖苷（己糖）和α-L-阿拉伯吡喃糖苷（戊糖），这两种形式在自然界中占主导地位（Rakhmanberdyeva, Zhauynbayeva, Senchenkova, Shashkov, & Bobakulov，2019年；Wang等人，2022年）。尽管这些化合物在植物中普遍存在，但由于异头构型控制和立体选择性等复杂性，其化学合成报道较少。这些障碍严重阻碍了高纯度化合物的获得，从而影响了高级食品研究和标准化工作的进展。
本研究首次实现了C3Gal和C3Ara的完全化学合成。我们系统评估了合成效率和产物纯度，建立了一种通用且高效的含有多种糖基的花青素化学合成策略。此外，还比较了新合成并经过结构鉴定的花青素C3Gal和C3Ara与之前合成的C3Glu在pH值、光稳定性、热稳定性以及抗氧化活性和α-淀粉酶抑制活性方面的差异。这一比较系统地分析了它们的稳定性和生物活性，并揭示了观察到的差异的原因。基于花青素与蛋白质之间的相互作用，我们利用分子对接技术阐明了花青素与α-淀粉酶之间的作用机制（Hu等人，2024年）。总体而言，这项工作有助于深入研究不同糖基如何影响花青素的物理化学性质和生物活性，也为大规模生产高纯度花青素奠定了基础，从而促进其在食品科学、质量控制及未来监管应用中的标准化使用。
化学试剂
L-阿拉伯吡喃糖和PBS缓冲液购自Acmec Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。D-半乳吡喃糖五乙酸酯和乙酰肼购自Bide Pharmatech Ltd.（中国上海）。氢化钠来自Aladdin（中国上海）。四丁基氨氟化物由Heowns Biochem LLC（中国天津）提供。碘、三乙胺、乙酰氯和阿卡波糖购自Macklin（中国上海）。4-二甲基氨基吡啶和苄胺也用于实验。
C3Gal和C3Ara中间体的化学合成
环A（2-羟基-4,6-二乙酰苯甲醛）和环B前体（α-碘-3,4-二异丙基硅基乙酰苯酮）的合成方法与先前报道一致（Hu等人，2023年）。糖前体的选择基于花青素苷中特定异头构型的天然含量。糖基供体是通过C2位选择性脱乙酰化方法合成的（Hu等人，2023年），具体优化方法如下所述。半乳糖供体：
结论
本研究开发了一种新的花青素苷（C3Gal, C3Ara）合成路线，通过二维核磁共振光谱首次明确鉴定了β-D-半乳吡喃糖苷和α-L-阿拉伯吡喃糖苷的构型。光稳定性、热稳定性、抗氧化能力和α-淀粉酶抑制作用的比较分析显示，三种花青素的稳定性和生物活性之间存在负相关关系。
CRediT作者贡献声明
郑志鹏：撰写——原始草稿，可视化，实验研究。胡军：撰写——审稿与编辑，方法学研究。周伟杰：可视化，方法学研究。袁宏庆：撰写——审稿与编辑。孙建霞：资源准备，概念构思。徐永斌：方法学研究。白伟斌：监督，资金获取，概念构思。
资助
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2101300）、国家自然科学基金（编号U22A20546和32172220）、中国博士后科学基金（编号2024M760588）以及广州市科技计划（编号2024B03J1360）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
