综述：紫玉米籽粒研究进展：植物化学组成、生物活性、生物可及性、健康益处及工业应用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：A comprehensive review on purple corn kernels: phytochemical composition, bioactivity, bioaccessibility, health benefits, and industry applications

　　

背景：紫玉米（Zea mays L.）是一种富含花青素（ANCs）及其他酚类植物化学物质的有色谷物作物，其独特色泽与生物学功能均源于此类成分。近年来，消费者对天然促健康食品配料的需求持续增长，紫玉米因其独特的营养特征与功能特性受到科研界广泛关注。明确其植物化学组成及相关生物活性，对推动其在功能性食品、营养保健品及医药产品中的高值化应用至关重要。 范围与方法：本综述批判性总结了紫玉米植物化学组成与生物活性特性的最新研究进展，重点关注其对肠道微生物群的调节作用及对代谢健康的影响，包括降低2型糖尿病与心血管疾病发病风险。此外，文章还阐述了紫玉米源生物活性物质在功能性食品、递送系统及动物营养领域的新型应用，同时指出了当前研究存在的挑战与空白。 主要发现与结论：紫玉米富含多种生物活性物质，其具体组成受品种、环境条件、收获成熟度及加工方法的显著影响。大量体外与体内研究证据表明，紫玉米具有强效抗氧化、抗炎及抗癌活性，同时还具备抗高血压、抗肥胖、神经保护及免疫调节特性。纳米包封等创新策略可显著提升紫玉米中生物活性物质（尤其是花青素，干重含量通常为55.8~1970 mg/100 g）的稳定性与生物利用度。然而，毒理学证据与临床试验的缺乏，是限制紫玉米作为膳食补充剂或营养保健品成功开发的关键因素。未来研究应聚焦于体内验证、安全性评估及先进递送系统的开发，以推动紫玉米作为功能性食品配料及潜在治疗剂的研发。

1. 1.
   引言
   玉米（Zea mays L.）属于禾本科，约8000年前在中美洲驯化，随后在南美洲分化，现为全球第三大消费谷物，仅次于水稻和小麦。紫玉米中的古老k'culli型品种于15世纪末传入欧洲，因其色素特征与丰富的生物活性物质含量，在功能性食品与制药工业中的重要性日益凸显。全球紫玉米主产于秘鲁、玻利维亚及墨西哥部分地区，其中秘鲁是全球最大生产国与出口国，产量约占国内玉米总产量的23%，种植面积约4000公顷，国际市场需求持续增长。紫玉米籽粒产量通常为3.7~4.4吨/公顷，受基因型与环境互作影响显著。
   现有玉米植物化学组分与生物活性研究多集中于普通玉米，紫玉米因富含酚酸、花青素（ANCs）、黄烷醇及类胡萝卜素等多种生物活性物质，逐渐受到制药与食品工业的青睐。其中花青素与有机酸被证实具有益生元潜力。紫玉米植株各部分在传统医学体系中均有药用记录，玉米麸皮与胚芽被用于心血管疾病的辅助治疗。研究表明，紫玉米源生物活性物质可调节肠道微生物群，促进乳杆菌（Lactobacillus）丰度，抑制志贺氏菌（Shigella）等病原体，从而维护肠道屏障功能。近年来紫玉米相关产品与专利数量持续上升，2015年申请专利约8项，2025年增至26项。
   尽管已有紫玉米相关综述发表，但多数仅聚焦植物化学组成、提取技术或单一生物活性。现有研究对加工条件、食品基质相互作用及胃肠道转化如何共同影响紫玉米花青素生物利用度与功能效应的系统性评估仍显不足。因此，本综述创新性地将植物化学特性与生物利用度、肠道微生物群调节及健康益处相关联，构建了涵盖加工策略、化合物稳定性、微生物代谢与生理效应的概念框架，弥合了组成研究与功能应用间的鸿沟，并批判性讨论了新型递送系统与工业应用，为提升紫玉米源生物活性物质的功能性提供了机制与应用导向的新视角。本综述系统检索了Web of Science、ScienceDirect、PubMed及Google Scholar数据库，纳入截至2025年4月的出版物，最终筛选出470篇具有高科学价值的文献纳入讨论。
2. 2.
   紫玉米籽粒营养特征
   紫玉米含61%~78%淀粉、10%非淀粉多糖、6%~12%蛋白质、3%~6%脂质，以及多种矿物质与维生素。其化学成分可分为碳水化合物、植物甾醇与酯、氨基酸与蛋白质、有机酸、生物碱、酚类化合物、香气化合物及类胡萝卜素八大类。与普通玉米相比，紫玉米碳水化合物（约70%~75%干重）、蛋白质（约8%~11%干重，以醇溶蛋白为主）、植物甾醇（约70~120 mg/100 g油）及脂肪酸谱无显著差异；生物碱仅微量存在，普通玉米中报道较少；酚类化合物含量约为普通玉米的3~10倍（100~300 mg GAE/100 g干重）；花青素仅存在于有色玉米中，普通玉米不含该成分；类胡萝卜素含量（约1~5 mg/kg）显著低于黄玉米（约15~25 mg/kg），这与花青素的显色优势相关。
   2.1 碳水化合物
   紫玉米籽粒碳水化合物包括单糖（D-甘露糖、D-果糖、D-葡萄糖）、二糖（D-纤维二糖、蔗糖）、多元醇（D-山梨醇）及淀粉。紫色玉米品种（如Manipuri黑玉米）可利用碳水化合物含量（79.14 g/100 g）显著高于黄色玉米品种（61.09~61.36 g/100 g）。施用氮肥后，紫糯玉米籽粒可溶性糖含量下降，支链淀粉含量从36.27%升至66.62%。
   2.2 氨基酸和蛋白质
   紫玉米籽粒在吐丝后15~31天收获，花青素前体苯丙氨酸与酪氨酸的含量在氨基酸中分别位列第二与第三低。与常规马齿黄玉米相比，紫硬粒玉米总蛋白含量略低（黄玉米3.4% vs 紫玉米3.0%），可能影响消化率与营养价值。除常见氨基酸外，紫玉米还含有L-半胱氨酸、瓜氨酸、胱氨酸及4-氨基丁酸（GABA），高海拔地区的低温与强紫外线胁迫可促进GABA积累。紫玉米种子萌发（15~40℃，72~168小时）可提高籽粒蛋白质含量，提取条件、品种及成熟度也会影响其含量。紫玉米中的碳氮循环相关酶表明，适宜的外源氮输入可促进籽粒氮代谢与碳水化合物生物合成。
   2.3 植物甾醇
   玉米中主要植物甾醇为谷甾醇，占总植物甾醇的77%~87%。植物油通常含1~5 g/kg植物甾醇，玉米油含量达5.13~9.79 g/kg，是膳食植物甾醇的良好来源。紫玉米籽粒、叶片及穗轴中均检测到植物甾醇，表明其在植株中广泛分布。
   2.4 有机酸
   紫玉米有机酸包括三羧酸循环（TCA）中间产物及其他生物活性酸。高地紫玉米的TCA循环中间产物（延胡索酸、琥珀酸）含量高于低地品种。采用¹H NMR的代谢组学分析显示，生态管理种植的Zamorano黄玉米中2-羟基丁酸、柠檬酸、琥珀酸及延胡索酸等有机酸水平升高，表明生态农业管理可改善玉米营养品质并促进可持续生产。
   2.5 生物碱
   紫玉米中生物碱报道极少，已鉴定出青藤碱与可待因两种化合物，二者具有抗炎、抗菌及抗氧化等生物活性。
   2.6 酚类化合物
   紫玉米酚类化合物分布不均，花青素主要富集于果皮。主要分为酚酸、花青素及非花青素黄酮类三大类。
   2.6.1 酚酸
   紫玉米酚酸包括苯甲酸、阿魏酸、对香豆酸、原儿茶酸、香草酸、丁香酸、咖啡酸、绿原酸及对羟基苯乙酸。20种Apache紫玉米品种的酚酸以阿魏酸（186.2~2530.8 μg/g干重）为主，其次为原儿茶酸（80.7~1159.5 μg/g干重）与香草酸（0~1168.7 μg/g干重）。玻利维亚紫玉米的阿魏酸浓度（298.4 mg/100 g干重）显著高于黄玉米（132.9 mg/100 g干重）。超声辅助提取（50%乙醇，21分钟，28℃，50%超声振幅）比微波辅助提取可获得更高的酚酸得率，尤其是绿原酸、咖啡酸与阿魏酸。
   2.6.2 花青素
   花青素是赋予紫玉米紫红色至紫色的水溶性多酚，紫玉米花青素含量（4910 mg/kg干重）显著高于蓝玉米（363 mg/kg干重）。其结构以葡萄糖苷化为主，常伴随丙二酰基等酰基取代，酰化花青素还可与酚酸结合，增强分子稳定性与呈色强度。紫糯玉米品种中共鉴定出39种花青素单体衍生物，分为8大类。
   2.6.3 其他黄酮类
   除酚酸与花青素外，紫玉米还富含黄酮、黄烷醇、异黄酮、黄烷酮及黄酮苷类等其他黄酮物质。表儿茶素是多数紫玉米品种中含量最高的黄酮，安第斯品种果皮中可达759.7 μg/mL。已鉴定出13种黄酮化合物，包括樱黄素、槲皮素-4-O-葡萄糖苷、6''-O-丙二酰异槲皮苷等。“Bloody butcher”与“Apache purple”品种的槲皮素含量较高。黄酮组成与含量受品种、提取方法及地理起源影响。
   2.7 香气化合物
   紫甜玉米汁经煮沸处理后，挥发性香气化合物从生汁的54种变为49种，表明热处理会改变香气特征，影响风味感知。
   2.8 类胡萝卜素
   紫玉米类胡萝卜素以叶黄素类（叶黄素、玉米黄质等）为主，总类胡萝卜素含量（0.4±0.3 μg/g）显著低于黄玉米（67.5±0.6 μg/g）与红玉米（35.8±0.8 μg/g），进一步证实高花青素含量是紫玉米呈色的主要原因。
3. 3.
   紫玉米籽粒的生物利用度与生物可及性
   紫玉米的健康益处主要源于花青素与类胡萝卜素等生物活性物质，但这些物质分子量较大、极性强且稳定性差，在消化与加工过程中易发生降解或转化，导致摄入后的有益效应显著降低。花青素对光照、温度、金属离子、酶及抗氧化剂高度敏感，进一步加剧了其降解风险。体内条件下，pH值、食物基质、消化酶及肠道微生物群活性均可促进花青素结构变化，影响其胃肠道生物利用度。代谢组学研究显示，花青素的生物利用度并非此前认为的低于1%~2%，但仍处于较低水平。
   3.1 影响紫玉米生物利用度的因素
   3.1.1 化学结构及其相关性质
   花青素的化学稳定性、溶解度与分子结构是决定其生物可及性的关键因素。体外消化实验表明，矢车菊素-3-(6''-丙二酰葡萄糖苷)（C-3-(6''MalGlu)）在口腔消化阶段含量下降，胃消化阶段则升高，结束时残留量为初始的27%；矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）与矢车菊素-3-(3'',6''-二丙二酰葡萄糖苷)（C-3-(3'',6''-diMalGlu)）残留量分别为17%与24%。酸性胃环境下花青素主要以黄烊盐阳离子形式存在，稳定性较高，因此胃消化阶段含量下降较少，肠道阶段则大幅下降。
   3.1.2 物理处理与环境因素
   酸性浸泡（pH=2）可显著提高冻干紫玉米中C3G的生物可及性（P<0.0001），这归因于低pH环境对花青素的稳定作用。光照通过调控基因激活影响花青素生物合成，进而改变其含量。高温烘焙（175℃，6分钟）会导致紫玉米花青素显著降解，主要通过水解、去糖苷化及开环反应生成查尔酮及其异构体，最终降解为低分子量酚酸与醛类。与传统石灰法（Ca(OH)₂）制备玉米饼相比，生态法（CaCl₂、CaCO₃、CaSO₄）可使总酚类生物可及性提高390%~666%，在保证营养品质的同时更具可持续性。
   3.1.3 紫玉米与其他食物基质的相互作用
   体外消化实验显示，与不同类型牛奶（脱脂、低脂、全脂）共摄入时，牛奶脂质含量对紫玉米产品中类胡萝卜素的生物可及性无显著影响，但紫玉米膳食纤维含量（约为黄玉米的5倍）可能降低类胡萝卜素生物可及性，表明基质组成对营养素利用率具有重要影响。
   3.2 紫玉米生物活性物质生物利用度与生物活性提升策略
   3.2.1 包封技术
   花青素在pH、温度及氧气变化下的不稳定性严重限制了其生物利用度与应用。包封技术可通过形成三维保护基质（如海藻酸-果胶水凝胶），维持酸性微环境并通过分子相互作用稳定花青素结构，减少降解。果胶基纳米颗粒则通过静电作用与蛋白质-多酚结合提高热稳定性与储存稳定性，并在体外消化中保护花青素免受胃酸破坏，实现肠道内缓慢释放。
   3.2.2 辅色素作用
   辅色素是无色或浅色分子，可通过π-π堆积、氢键及电荷转移等非共价作用与花青素形成复合物，增强其呈色强度与稳定性。多糖、有机酸及胶体可作为有效辅色素，如果糖（15%）、鞣酸（0.06%）与果胶（2.0%）可显著抑制紫玉米花青素的热降解，这归因于保护复合物的形成降低了花青素对热与氧化胁迫的敏感性。
   3.2.3 酶处理
   酶修饰（尤其是酰化）可通过增加花青素分子疏水性与空间位阻提升其稳定性与生物活性。以辛酸为底物，利用南极假丝酵母脂肪酶B处理紫玉米花青素，可使总花青素在80℃下的半衰期从6.05小时延长至10.05小时（P<0.05），这归因于结构刚性的增强降低了亲核攻击敏感性。
4. 4.
   紫玉米籽粒对肠道微生物群的影响及相关机制
   肠道微生物群是宿主健康的关键决定因素，其失调与胃肠道疾病、代谢性疾病及神经精神疾病密切相关。紫玉米作为多酚类物质的重要来源，可通过调节肠道微生物组成与活性发挥健康效应：促进短链脂肪酸（SCFAs）产生，富集乳杆菌等有益菌。单体化合物同样具有调节功能，从黑玉米穗轴分离的芍药素-3-O-(3,6-O-二丙二酰-β-D-葡萄糖苷)（P3GdM）可通过调节菌群组成促进SCFAs与乳酸生成，抑制肠道炎症，改善肠道屏障功能。
   机制研究表明，紫玉米花青素可增加高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道乳酸菌丰度，降低幽门螺杆菌（Helicobacter pylori） prevalence，通过AMPK信号通路促进线粒体代谢，抑制肝脏脂质积累。紫玉米提取物还可通过调节菌群组成发挥抗炎作用，减少巨噬细胞浸润，缓解神经病理性疼痛。临床研究显示，炎症性肠病（IBD）患者补充富含花青素的紫玉米提取物后，促炎菌（如Alistipes、Erysipelotrichaceae UCG-003）丰度降低，有益菌（如Parabacteroides）增加，脂质代谢与肠道炎症得到改善，花青素作为辅助治疗可降低IBD复发风险。综上，紫玉米提取物主要通过调节肠道微生物组成与功能，增加SCFAs生成、富集有益菌、维持菌群稳态，进而增强肠道屏障完整性、降低全身炎症、改善代谢调节，降低肥胖与结直肠癌等炎症相关疾病风险。
5. 5.
   紫玉米籽粒的健康意义
   5.1 抗氧化活性
   紫玉米花青素的抗氧化能力受加工方法、提取技术、萌发及品种影响。体外实验显示，烘焙紫玉米的抗氧化能力强于蒸煮样品，二者均能更有效地抑制HepG2细胞内的活性氧（ROS）。紫玉米奶与松饼的加工中也观察到类似趋势，这与热处理过程中花青素及其他酚类的保留相关。超声辅助提取紫玉米果皮的抗氧化活性显著高于微波辅助提取。阿魏酸与槲皮素衍生物是紫玉米抗氧化活性的主要贡献者。麦芽糊精包封的紫玉米果皮多酚游离基清除活性增强，归因于包封过程中C3G、表儿茶素与酚酸的更好保留。紫玉米花青素可有效抑制脂质氧化，增强避光储存牛奶的抗氧化稳定性。
   动物实验验证了紫玉米的抗氧化与细胞保护作用。富含酚类的紫玉米提取物可通过激活AMPK-Foxo3a-MnSOD信号通路，保护大鼠血细胞免受香烟烟雾诱导的DNA损伤。补充富含矢车菊素与飞燕草素的花青素可增强山羊的抗氧化防御系统，提高谷胱甘肽（GSH）与过氧化氢酶（CAT）活性，降低超氧阴离子与羟自由基水平。在赤水黑骨鸡中，花青素补充可显著提高血浆总抗氧化能力（TAC）、超氧化物歧化酶（SOD）与谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）水平。氟暴露Wistar大鼠补充花青素后，脑内MDA水平降低，SOD水平升高，组织病理损伤与神经元凋亡减轻。
   5.2 抗炎作用
   紫玉米提取物在多种细胞模型中表现出显著抗炎活性。20种Apache Red紫玉米果皮水提物可减轻脂多糖（LPS）刺激的RAW264.7巨噬细胞的炎症反应，使一氧化氮（NO）生成降低13.0%~59.5%，并显著抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）蛋白表达及诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、环氧合酶-2（COX-2）基因表达，这主要归因于花青素、槲皮素、山奈酚与芦丁的存在。紫玉米花青素（C3G、Pr3G、P3G）与原儿茶酸（PCA）预处理可显著抑制晚期糖基化终末产物（AGEs）刺激的人软骨细胞中NF-κB与MAPK信号通路激活，对AGE介导的炎症与糖尿病相关软骨退变具有保护作用。紫玉米花青素还可有效抑制LPS诱导的BV2小胶质细胞中NO与TNF-α的生成。此外，有色玉米提取物可下调IL-1β、IFN-γ及消化麸质诱导的CaCo-2细胞中C-X-C基序趋化因子配体10（CXCL-10）与可溶性细胞间黏附分子-1（sICAM-1）的释放，机制部分与阻断NF-κB信号相关，提示其在无麸质饮食中管理乳糜泻的潜力。
   5.3 抗肥胖特性
   能量摄入与消耗失衡导致的甘油三酯（TG）过度积累是肥胖的核心成因。酚酸、黄酮类、花青素、萜类、类胡萝卜素及植物甾醇等天然化合物可通过抑制淀粉酶、葡萄糖苷酶及胰脂肪酶活性，减少碳水化合物与脂肪消化，降低能量摄入。紫玉米水提物（PCW）在0.4 mg/mL浓度下可减少3T3-L1脂肪细胞分化50%，纯花青素（C3G、Pr3G、P3G）可抑制脂肪酶与脂肪酸合酶活性，并下调过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）转录活性。20种紫玉米果皮水提物（1 mg/mL）可减少细胞内TG积累12.9%~55.9%，部分样品还可促进甘油释放，这与较高的香草酸与原儿茶酸含量相关。不同加热方式（煮、蒸、烤）处理的紫玉米提取物中，烘焙处理对油酸诱导的HepG2细胞脂质 droplet 积累的抑制作用最强，这归因于烘焙过程中花青素的更好保留。
   体内研究证实了上述发现。富含花青素的紫玉米色素（PCP）可抑制山羊体内总胆固醇（TC）积累，下调肌肉组织中硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD）与脂蛋白脂肪酶（LPL）基因表达。与黑米（9.6%）及黑豆（13.3%）花青素相比，紫玉米花青素对肥胖C57BL/6小鼠体重增加的