西紅花功能性成分分析、提取及產品開發研究進展

滕一滌， 周 琳， 楊柳燕， 張永春， 黃清俊

（1.上海應用技術大學 生態技術與工程學院, 上海 201418；2.上海市農業科學院林木果樹研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室, 上海 201403）

西紅花(Crocus sativusL.)又名番紅花、藏紅花，為鳶尾科(iridaceae)番紅花屬(crocus)多年生球莖花卉[1]。西紅花干燥柱頭中含有西紅花苷、藏紅花醛、西紅花酸等多種次生代謝產物，具有涼血解毒，活血化癖，散郁開結等功效，是國內外市場緊缺的名貴中藥材[2]。隨著研究的深入，已證實西紅花還具有改善抑郁癥和記憶力減退、抗炎、抗腫瘤、預防心血管疾病、治療神經性病變等功效[3]。西紅花因含有特殊香氣和水溶性天然色素，也常作為香料、高檔食品添加劑和高級染料[1,3]。因此，西紅花既是名貴藥材，又是重要的化工原料，常被稱為“紅色金子”“植物黃金”，在醫藥、保健、化工及食品、染料工業等行業有著廣泛的用途。

隨著人們對身心健康和生活品質的日漸重視，西紅花的功效及應用也引起了愈來愈多的關注。本文將國內外近年來對西紅花功能成分的提取及相關衍生品開發研究進行綜述，以期為西紅花資源的高效開發利用提供理論和應用信息。

1 西紅花中的主要功能成分

1.1 萜類

西紅花柱頭中最重要的活性成分為萜類，包括西紅花苷、西紅花酸、藏紅花苦苷和藏紅花醛等。其中西紅花苷(crocins)是一種水溶性類胡蘿卜素，屬于四萜類成分，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤等功效[4]；西紅花酸(crocetin)是一種天然的類胡蘿卜素二羧酸，屬二萜類成分，具有保護心血管、治療結腸炎、抗氧化和抗腫瘤等藥理作用[5]；藏紅花苦苷(picrocrocin)和藏紅花醛(safranal)是西紅花中單萜類化合物的代表性成分，不僅是西紅花苦味和香味的來源，還具有抗氧化、抗抑郁、治療糖尿病等功能[6]。到目前為止(1982-2021)，西紅花中共分離得到萜類成分共39 種，其中包括單萜類20 種[3,7]、二萜類12 種、三萜類2 種(azafrine 1 和azafrine 2)以及四萜類成分5 種(八氫番茄紅素、六氫番茄紅素、四氫番茄紅素、玉米黃素和β-胡蘿卜素)[3]。

1.2 黃酮類

目前西紅花中已測定的黃酮類化合物超過40 種，主要為黃酮醇類和花色苷類成分。黃酮醇類包括山奈酚(kaempferol)及其糖苷類成分、槲皮素(quercetin)及其糖苷類成分和異鼠李素(isorhamnctin)及其糖苷類成分；而花色苷類主要為飛燕草素(delphinidin)、矮牽牛素(petunidin)和錦葵色素(malvain)的糖苷類成分；這些黃酮類化合物分布于西紅花花瓣、葉片、球莖、柱頭等部位，并以花瓣中的種類和含量最為豐富[8]。此外，西紅花柱頭中同樣富含黃酮類化合物，且總量高于球莖和葉部，主要包括山奈酚糖苷類、異鼠李素糖苷類和二氫槲皮素糖苷類成分[9]。

1.3 酚酸類

酚酸類化合物廣泛分布于西紅花的花瓣、球莖、柱頭和葉片等部位。21 世紀初，從西紅花的花粉和花瓣中先后提取到苯甲酸(benzoic acid)、香草酸(vanillic acid)和香草酸甲酯(methyl vanillate)等10 個酚酸類化合物[10-11]。之后，Esmaeili 等[12-13]在西紅花球莖中分離得到水楊酸(salicylic acid)、龍膽酸(gentisic acid)、和咖啡酸(cafeic acid)等6 種酚酸類化合物。此外有研究表明，西紅花柱頭中同樣含有大量的酚酸類成分，例如綠原酸(chlorogenic acid)、沒食子酸(gallic acid)和咖啡酸等[14]。而Mykhailenko 等[15]則在西紅花葉片中提取到綠原酸、咖啡酸、阿魏酸(ferulic Acid)和肉桂酸(cinnamic acid)。

1.4 多糖

藥用植物的體內通常含有大量的天然多糖，且已證實這些多糖是自由基或活性氧的清除劑[16]。饒君鳳等[17]通過離子色譜-脈沖安培法測定，西紅花球莖、柱頭、花瓣、側芽等部位提取的多糖均由巖藻糖(fucose)、鼠李糖(rhamnose)、阿拉伯糖(arabinose)、甘露糖(mannose)、葡萄糖(glucose)、半乳糖(galactose)和果糖(fructose)組成。另有研究表明，從尼泊爾、西班牙、希臘以及中國等國家所產的西紅花柱頭中可提取到一種多糖，且均由鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、木糖(xylose)、半乳糖醛酸(galacturonic acid)和阿拉伯糖[18]組成，但其中各類單糖的具體含量因產地而異。

1.5 其他成分

藏紅花醛作為西紅花最主要的芳香活性化合物，是其柱頭獨特氣味的來源，除此之外西紅花中還包含了一些重要的香氣成分，例如在柱頭中分離出的異佛爾酮(iverone)和茶香酮(tea flavone)等酮類化合物，苯乙醇(benzene ethanol)和芳樟醇(linalool)等醇類物質，亞油酸(linoleic acid)和棕櫚酸(palmiticacid)等酸類以及大黃素(emodin)等蒽醌類成分，其中酮類是除藏紅花醛等醛類物質外含量最高的香氣成分[19-21]。此外，西紅花中還含有少量的生物堿，例如煙酰胺(nicotinamide)、腺苷(adenosine)、尿嘧啶(uracil)、和哈爾滿堿(harman)等等[10-11]。

2 西紅花中功能成分提取及其生物活性研究進展

2.1 功能成分的提取

早期常見的西紅花功能成分提取方法為傳統溶劑萃取法，溶劑一般選用水、乙醇或甲醇，例如將10 g 西紅花干燥柱頭磨碎，浸泡在500 mL 乙醇(80%)中3 d，過濾后在40 ℃下減壓濃縮即可得到提取物[22-23]。同樣經典的還有索氏萃取法(soxhlet extraction)，它們操作較簡單，適用于一般小型工業，但共同缺點是耗時長、溶劑多，不夠環保，且容易在提取物中混入殘留物與污染物。隨著科技水平不斷提高，高效、環保的“綠色提取”方法逐漸應用于西紅花活性成分的提取中。Goleroudbary等[24]使用超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，SC-CO2)作為萃取溶劑提取西紅花苷和藏紅花醛，通過響應面法確定了在2 種成分提取過程中溫度、壓力、SC-CO2流速以及動態提取時間的最佳參數，分別為44 ℃、19.3 MPa、1.0 cm3·min–1、110.0 min 以及92 ℃、21.3 MPa、0.9 cm3·min–1、122.0 min。這種超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction，SFE)方法有效縮短了提取時間，同時以可回收的超臨界流體代替有機溶劑，雖然綠色環保，但對提取樣品有一定的限制。相比之下，超聲輔助提取(ultrasonication-assisted extraction，UAE)的適用范圍更廣，操作技術更簡便且提取效率高。Kyriakoudi 等[25]發現，用50%濃度的甲醇萃取西紅花粉末并超聲處理30 min(占空比為20%)，為提取西紅花苷的最佳工藝；而提取藏紅花苦苷的最佳工藝參數為0.44%的甲醇、30 min 的超聲處理以及60%的占空比。值得注意的是，動態超聲處理會稀釋提取物，并且高超聲功率產生的自由基易使化合物失活。此外，還有微波輔助提取(microwave assisted extraction，MAE)、脈沖電場(pulsed electric field，PEF)和乳化液膜(emulsion liquid membrane，ELM)等提取方法[26]。Cerdá-Bernad 等[27]在使用MAE 法提取花被片中的黃酮類化合物時，認為以100%的乙醇溶液混合樣本、并在25 ℃下微波處理5 min 為最佳提取工藝。此法提取時間短、提取率高，與傳統方法相比更具成本效益，但同時存在機器設備昂貴、操作技術較復雜的問題。

2.2 生物活性

2.2.1 治療中樞神經系統疾病

中樞神經系統疾病(central nervous system disease，CNS)一般包括阿爾茨海默癥(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)等神經退行性疾病，以及抑郁癥、焦慮癥、失眠癥等精神疾病。研究表明，西紅花苷和西紅花酸均能夠抑制β-淀粉樣蛋白的聚集并減輕其神經毒性作用，可用于治療AD[28-29]。同時，西紅花苷還能通過減弱氧化應激以及線粒體功能障礙，幫助延緩PD的加重[30]。另有試驗證明，西紅花苷可能是通過增加海馬體中的cAMP 反應元件結合蛋白、腦源性神經營養因子和神經生長因子可誘導（nerve growth factor inducible，NGF）水平來實現其抗抑郁作用[31]。

2.2.2 治療心血管疾病

西紅花中的西紅花苷、西紅花酸和藏紅花醛等活性成分在治療心血管疾病方面均具有良好的效果。Imenshahidi 等[32]研究表明，西紅花苷和藏紅花醛可能是西紅花柱頭水提取物中降低大鼠平均動脈血壓的主要活性成分。另外，西紅花苷和西紅花酸均具有抗動脈粥樣硬化的作用，但兩者作用機制不同，前者可能是通過增加Bcl-2/Bax 的表達來發揮作用[33]，而后者主要利用其抗氧化和抗炎特性[34]。

2.2.3 抗腫瘤

近代藥理研究證實，西紅花能夠誘導宮頸癌[35]等多種腫瘤細胞的凋亡，并抑制癌細胞增殖，具有良好的抗腫瘤功效。但各功能成分對癌細胞的作用通路不同，比如在治療胰腺癌方面，西紅花苷是通過下調Bcl-2 觸發半胱天冬酶信號通路，顯著降低BxPC-3 和Capan-2 的細胞活力，同時促使細胞色素C 的釋放來誘導細胞凋亡[36]；而西紅花酸主要通過增加Bax/Bcl-2 的比值來誘導細胞凋亡，同時顯著抑制了BxPC-3、Capan-1 和ASPC-1 胰腺癌細胞中H-3-胸苷的摻入，進而抑制癌細胞增殖[37]。

2.2.4 抗糖尿病

西紅花苷和藏紅花醛均能夠減少氧化應激，并降低TNF-α等炎癥介質的水平，揭示了其可能是通過抗氧化、抗炎和抗細胞凋亡的機制來改善糖尿病及其并發癥[38-39]。Zheng 等[40]研究表明，西紅花酸處理顯著降低了GDM 大鼠的血糖水平，提高抗氧化酶活性的同時下調了NF-κB 等因子的表達水平，表明西紅花酸可以通過抗氧化和抗炎來治療妊娠期糖尿病。此外，西紅花酸還具有抑制蛋白質非酶糖化反應、減少晚期糖基化終產物沉積的作用，可用于預防和治療糖尿病血管病變[41]。

2.2.5 肝臟保護

西紅花可以通過抗氧化、抗炎和抗細胞凋亡機制來保護肝臟[42]。例如對于四氯化碳(CCl4)誘導的肝損傷，西紅花苷和西紅花酸顯著降低了天冬氨酸轉氨酶和堿性磷酸酶活性，并提高了GSH 水平以及抗氧化酶活性，從而起到保護肝臟的作用[43]。脂合成代謝的增強是引起甘油三酯在脂肪肝患者體內異常堆積的主要原因之一，西紅花苷可以下調肝臟mTOR 磷酸化水平來控制脂合成代謝，同時上調AMPK 磷酸化的水平以減少肝臟脂質沉積，具有治療非酒精性脂肪肝的潛力[44]。

2.2.6 其他作用

西紅花中的藏紅花醛和藏紅花苦苷均具有一定的抑菌活性，前者對念珠菌屬真菌表現出良好的抗性[45]，后者則對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌有抑制作用[46]。同時，有研究報道藏紅花醛具有抗紫外線的活性，其作用機制除了抗氧化特性外，還表現為對彈性蛋白酶、膠原酶和透明質酸酶的顯著抑制作用，這說明藏紅花醛是一種強光保護劑，可用于抵抗皮膚衰老[47]。

3 西紅花系列產品開發研究進展

3.1 保健品

3.1.1 保健食品

西紅花保健食品的開發以茶飲、酒和口服液為主，如毛麗鴻等[48]研發了一種保健養生茶，原料包括石斛莖、樺樹茸和西紅花，可使人體提高免疫力、降低三高和調整胃口。西紅花保健酒的原料多以人參、黨參、黃芪等補氣藥材與西紅花相輔，功效多為提高人體免疫力。主要產品有補氣血的藥食同源酒[49]、綜合調理人體機能的藥酒[50]等等。此外，還有以果蔬和西紅花為原料的復合酵素口服液[51]，其中富含多種生物活性成分，可有效清除自由基、提高免疫力。

3.1.2 保健用品

滕華軍等[52]以藏紅花作為主藥，并配以當歸、吳茱萸、五倍子和丁香等，將這些藥材清洗、干燥后進行超聲和消毒處理，最后用紗布裝成中藥包，可外敷或入浴，具有祛風散寒、活血止痛和通經化淤的功效。此外，添加西紅花為原料的保健用品還有外用保健液[53]、保健眼貼[54]和術后康復用的茶油[55]等等。

3.2 化妝品

目前，西紅花作為香料和中藥已廣泛應用于牙膏、香皂、護發素、面霜、精華液等化妝品領域，其中牙膏以及香皂等清潔類產品的原料多以中藥為主、化學成分為輔，具有消炎、修復、止血等功效。西紅花中含有多種活性成分，是天然的植物原料，因而近年來關于西紅花護膚品的開發逐步完善，涉及到水乳、面霜、精華、面膜等多個品類。這些產品成分均包含大量的純天然植物提取物，基本少含或不含人工合成的化學成分；產品原料除西紅花外，大多還添加了人參、金銀花、三七、珍珠粉、蘆薈、當歸、白芷等中藥，且主要功效涵蓋了美白嫩膚、補水保濕、舒緩消炎和去皺抗衰等多個方面[56-58]。由此可見，西紅花在護膚品方面具有較大的應用潛力。

3.3 藥品

西紅花作為傳統中藥材，其主要成分以及藥理活性一直以來都是研究熱點，相關藥品的研發在所有西紅花產品中更是占有重要比例，2021 年至今就有超過40 種含有西紅花的藥物類專利進行申請并公開。目前已上市的藥物有用于緩解胸悶、心絞痛、冠心病的六味西紅花口服液[59]，治療心血瘀阻型心絞痛的西紅花多苷片[60]，以及用于內外傷止血的八味西紅花止血散[61]等，3 種藥品類型均為中成藥。近幾年西紅花相關藥品的研發方向仍以中藥和中成藥為主，并多以川芎、三七、當歸、黨參、人參、枸杞、黃芪、細辛、天麻、柴胡等中藥搭配西紅花作為原料；有些中藥可按配方直接煎煮成湯劑服用，而中成藥則可加工制成片劑、擦劑、貼劑等劑型應用；功效主要包括益氣補血、活血化瘀、消炎止痛、疏通經絡、清熱解毒等等，根據不同配方可用于治療風濕、腦梗、乳腺癌、鼻炎、心腦血管等疾病。

4 結 語

西紅花作為珍貴的藥食同源植物及天然的香料和染料，其市場應用面廣，經濟價值高。隨著藥理學研究的不斷深入，西紅花柱頭的提取物及主要活性成分在模擬治療癌癥、心腦血管疾病以及精神類疾病等試驗中表現出一定的治療潛力，具有較高的臨床價值。但因西紅花柱頭的比重小、產量低，其功能成分的提取與應用難以實現規?；彤a業化。近年來，UAE、MAE 等新型提取技術被廣泛應用于西紅花有效成分的提取中，并通過響應面法優化了提取工藝，與傳統方法相比不僅大大縮短了提取時間、提高了提取率，而且制備過程更加綠色環保。但新型技術的儀器成本較高，并且對樣品的要求有一定限制性，因此在工業生產中仍以簡便易行、成本較低的傳統方法為主。今后在對西紅花功能成分的進一步研究中，應考慮將傳統方法與新型技術相結合，簡化操作步驟，盡可能地提高有效成分的提取率。此外，還可以探究西紅花主要成分的生物合成途徑，明確其次生代謝調控機制，通過生物工程技術從根本上提高西紅花功能成分的含量。目前，西紅花相關產品的研發以保健食品、化妝品及藥品為主，產品類型雖較為豐富，但大多將西紅花的干燥柱頭或提取物直接用作輔料，缺乏深度研發，創新性產品較少；同時，西紅花柱頭所占植物體比例極小，僅利用柱頭部分容易造成西紅花非藥用部位資源的極大浪費。因此，西紅花的綜合開發與利用還存在較大的發展空間。近幾年針對西紅花的產品研發雖日益增加，但實際上能夠投入生產并于市面流通的并不多。未來還需根據市場需求與規則，對產品特色與定位、產品加工工藝、產品質量及標準等方面進行深入探究，通過技術創新來提高西紅花花瓣等副產品的利用率，增加高附加值功能性產品的比例，實現西紅花資源的充分開發，促進產業可持續發展。