花色苷是广泛存在于自然界的一类水溶性色素,具有抗氧化、抗癌、抵抗糖尿病、心血管疾病等多种生理功能。然而,其特殊的2-苯基并吡喃阳离子(C6-C3-C6)的骨架分子结构极不稳定,易受光、氧气、pH等环境因素的影响,限制其生理功能的发挥。基于功能化壁材设计和制备微胶囊,研究花色苷的稳定性、抗氧化活性及其机理,寻找有效的保护方法,对于花色苷稳定性的增强和生理功能的研究具有重要意义。鉴于此,为了探求花色苷的体内外抗氧化机理,有效抵抗环境因素的破坏,提高花色苷的稳定性,切实保护其生理功能。本论文以紫薯(Shanchuan)为研究对象,采用HPLC-MS和紫外可见光光谱分别分析花色苷各组分的结构、稳定性和抗氧化能力,在此基础上基于结构决定功能的原理,通过密度泛函的方法系统阐释7种花色苷的体外抗氧化机理。为了保护花色苷的稳定性和抗氧化功能,设计和合成三种功能化的壁材,通过1H-NMR、IR等方法确定新壁材的结构,同时通过综合热分析、粘度分析、DPPH清除能力试验、脂肪过氧化抑制能力试验、HEK293细胞毒性试验鉴定及其物理化学性能、抗氧化能力和细胞毒性等。进而利用新壁材制备紫薯花色苷微胶囊,并比较其与未包埋花色苷、传统壁材包埋的花色苷的降解动力学规律,体外释放特性,并进一步研究微胶囊对Nrf2通路上重要抗氧化酶的调节作用,阐述微胶囊的体内抗氧化机理。具体开展的研究工作如下:(1)应用HPLC-MS并结合紫薯花色苷质谱数据库分析紫薯(Shanchuan)花色苷的组分及结构,紫薯(Shanchuan)中含有7种花色苷,包括三种芍药色素和四种矢车菊色素。其中芍药色素-(3-咖啡酰-p-羟基苯甲酰-槐糖苷)-5-葡萄糖苷和矢车菊素3-(6’’-咖啡酰-6’’’-阿魏酰槐糖苷)-5-葡萄糖苷为两类主要花色苷,占HPLC总峰面积的20.1%和21.1%。这些花色苷具有高度的酰化结构和糖基化基团。(2)基于紫外-可见光光谱分析紫薯花色苷的含量分析及稳定性研究。pH试差法结果表明紫薯花色苷含量261.9 mg/100g,远高于草莓(35 mg/100g)、紫甘蓝(25mg/100g)等的花色苷含量。稳定性试验结果表明紫薯花色苷易受光、湿度和溶剂类型的影响。该色素在自然光照下含量明显下降;水分含量越高,降解速度越快;乙醇浓度的增加会加快花色苷的降解。紫薯花色苷在0.0625-1mg/m L范围内,DPPH清除率和脂肪过氧化抑制率均随浓度增加而上升,表现出较强的抗氧化能力,分别达84%和91%。(3)花色苷的抗氧化能力已被实验方法广泛验证,然而从微观上阐述分子与抗氧化功能的关系还鲜有报道。为了揭示分子结构与功能的关系,利用密度泛函理论的B3LYP/6-31g(d)方法阐释7种紫薯花色苷的抗氧化机理。7种紫薯花色苷在水溶液中的键离能在64.6-73.9 kal/mol之间,电离势IP在131.2-147.3kal/mol之间。通过这些参数与传统抗氧化剂(苯酚、维生素C、白藜芦醇等)的相关参数的比较,可知基于氢原子转移机理和电子转移机理等两种抗氧化机理均证明紫薯花色苷具有较高的抗氧化能力。这为抗氧化剂的开发提供理论参考。(4)微胶囊壁材的设计是微胶囊技术的重要研究内容,为了提高花色苷的稳定性和保护其生理功能方面有重要作用,以三种肉桂酸衍生物(阿魏酸FA,咖啡酸CA和香草酸VA)与麦芽糊精(MD)为原料,采用接枝改性技术制备三种新的壁材(MD-g-FA,MD-g-CA和MD-g-VA)。通过正交试验优化,FA-g-MD,VA-g-MD和CA-g-MD的接枝度分别为0.81,0.76和0.24,通过FT-IR和1H-NMR技术对合成产物进行表征。利用粘度分析、综合热分析发现新壁材粘度略有增加,热稳定性显著提高。DPPH清除能力试验和脂肪过氧化抑制试验表明新壁材的抗氧化能力显著高于传统壁材(P<0.0.5)。新壁材在0-100μg/m L范围内与HEK293细胞共同孵育24小时和48小时,均没有表现明显细胞毒性。研究结果表明新壁材可作为优良的抗氧化性微胶囊壁材。本研究为微胶囊壁材设计提供了新的方法。(5)将新壁材应用于紫薯花色苷微胶囊化,扫描电镜(SEM)结果显示新壁材制备的微胶囊形貌相似,一部分具有球形外观,另一部表面出现裂纹或褶皱。包埋效率在80%左右,与麦芽糊精制备的微胶囊包埋效率69.2%相比,有较大提高。微胶囊的稳定性试验表明紫薯花色苷微胶囊的降解符合二级动力学,在各种储藏条件下,FA-g-MD制备的微胶囊对紫薯花色苷起到了最好的保护作用。此外,储藏过程中花色苷含量、相对花色苷浓度和色素的聚合指数、褐化指数之间呈现较好的负相关关系。体外模拟胃肠道消化试验表明肠道的中性环境对未包埋的花色苷和麦芽糊精包埋的花色苷均具有严重影响,120分钟后,残存率仅有11%和8%。而MD-g-FA制备的花色苷微胶囊的残存率约38%。(6)采用细胞抗氧化方法(CAA)测定MD-g-FA制备的微胶囊及其芯材和壁材抗氧化能力,并与两种体外抗氧化能力(DPPH自由基清除能力和脂肪过氧化抑制能力)进行比较。结果表明,在0.0625-1 mg/m L的浓度范围内,芯材和壁材具有协同抗氧化能力。而微胶囊的抑制活性氧水平的EC50值反而最高(264±11.8μg/m L)。细胞蛋白质水平的调控研究表明,紫薯花色苷微胶囊及其芯材和壁材对Nrf2通路上NQO1、GCLC和GSR均有明显的上调作用,且与HT-29细胞孵育24小时后的蛋白表达量明显高于孵育6小时的蛋白表达量。GCLC和NQO1的表达上调幅度最大,其中微胶囊处理后的GCLC和NQO1的表达分别上调217.5%和229.2%。