中国农业大学李全宏教授团队综述花青素研究进展:化学基础、合成生物学、分子机制、理化性质及在食品工业中的应用

导读：这篇综述聚焦花青素从资源依赖型提取向设计导向型生物制造转型的产业变革，围绕化学本质、生物合成路径、分子作用机制、理化稳定规律及食品场景应用五大核心维度展开系统梳理。综述重点回应了食品体系中花青素面临的热、光、氧稳定性差、基质相互作用复杂等实际难题，整合了结构修饰、微生物细胞工厂、智能递送等关键技术突破，指出未来需以 AI 辅助设计、高通量工程与系统生物学协同破解生产、稳定与功能精准调控瓶颈，最终推动花青素成为连接可持续生物制造、精准营养与下一代食品系统的核心功能分子。

 研究背景 

1. 花青素：天然色素与功能因子的双重价值

花青素是植物界分布最广的水溶性黄酮类色素，赋予果蔬花卉红、紫、蓝等丰富色彩，同时具备抗氧化、抗炎、调节糖脂代谢、保护心血管与神经等多重健康活性，既是食品工业替代人工合成色素的理想天然着色剂，也是功能食品、特医食品的核心活性成分。随着消费者对清洁标签、天然健康食品的需求持续提升，花青素在饮料、乳品、烘焙、糖果及智能包装等场景的应用快速扩张，市场对高纯度、高稳定、标准化花青素原料的需求持续增长。

2. 传统生产模式的瓶颈与产业转型压力

长期以来，花青素主要依赖植物提取，但其在植物中含量低、受品种、季节、地域与气候影响显著，提取工艺复杂、能耗高、批次稳定性差，难以满足工业化大规模、标准化供应。同时，天然花青素在食品加工中易受热、光、氧、pH 变化影响而褪色失活，在复杂基质中与蛋白、多糖、维生素等成分相互作用，进一步限制其货架期与功能表达。这些痛点共同推动领域从 “靠天提取” 转向可控、高效、可持续的生物制造。

3. 多学科交叉带来的技术革新机遇

合成生物学、基因编辑、材料科学与食品工程的深度融合，为花青素突破产业瓶颈提供了全新路径。微生物细胞工厂可实现花青素的从头合成与精准修饰，结构改性能显著提升稳定性与生物利用度，智能包埋与递送体系可实现加工保护与靶向释放，pH 响应特性则使其在智能食品包装中实现新应用。但当前研究仍存在化学、合成、机制、应用各环节碎片化问题，缺乏跨领域整合视角，亟需系统性综述厘清脉络、指明方向。

（一）花青素化学基础与构效关系：分子设计的底层逻辑

该综述从分子本质出发，明确花青素以黄酮烊阳离子为核心骨架，天然存在 6 种主要苷元，其 B 环羟基化、甲氧基化及糖基化、酰基化修饰，共同决定颜色、抗氧化活性、水溶性与稳定性。

结构与性能的平衡规律：B 环羟基化增多会提升抗氧化能力，但会降低热、氧稳定性；甲氧基化与酰基化可通过分子内辅色、空间位阻保护发色团，显著提升稳定性。

糖基化影响：既提升水溶性，也决定肠道吸收与代谢路径，简单糖苷易在小肠水解吸收，复杂糖苷需依赖肠道菌群激活。

分析与制备：液相色谱 - 串联质谱、核磁共振是结构鉴定的核心手段；化学合成效率低，酶催化与化学酶法成为精准修饰的主流方向，兼顾结构可控性与温和反应条件。

（二）合成生物学：花青素绿色规模化制造的核心路径

综述将生物制造作为花青素产业变革的核心突破点，系统梳理了微生物细胞工厂与植物体系两大技术路线。

微生物合成：以大肠杆菌、酿酒酵母、解脂耶氏酵母为主要宿主，重构苯丙烷类生物合成路径，强化前体供应、辅因子平衡与通路动态调控，部分花青素已实现克级水平合成，食品级菌株更适配食品原料生产。

植物体系：细胞悬浮培养与毛状根培养可获得天然糖基化、酰基化产物，遗传稳定性高，但生长慢、产量低，更适合高附加值复杂结构花青素制备。

关键技术：CRISPR 基因编辑、AI 辅助通路设计、自动化 DBTL 平台大幅缩短菌株优化周期，细胞器分区、菌群共培养等策略进一步提升合成效率。

1. 首次强化学科交叉：打通 “合成生物学 — 食品系统” 双向协同

与以往侧重化学、活性或应用单一维度的综述不同，该文首次以合成生物学与食品体系的协同为核心视角，将分子基础、生物制造、加工稳定性、配方挑战与产业落地紧密串联，不再孤立讨论技术进展，而是直面食品工业中的真实约束，如 pH 诱导降解、抗坏血酸氧化反应、蛋白 - 多酚相互作用等，让基础研究更贴近产业需求。

2. 构建全链条创新框架：从分子设计到产业落地闭环

综述突破传统综述的分段梳理模式，构建了 “化学基础 — 合成制造 — 分子机制 — 理化特性 — 工业应用” 的完整创新链，明确指出花青素的未来不是单一技术优化，而是多技术协同：以结构设计提升稳定与活性，以合成生物学实现绿色生产，以智能递送突破应用瓶颈，以 AI 与高通量技术加速转化。同时，综述首次系统提出监管、毒理、消费者认知等产业化落地障碍，填补了领域从实验室走向市场的研究空白。

 图文赏析  

图 1 花青素化学与合成基础图 3 花青素的保护作用机制A：抗氧化与抗炎机制B：代谢调控的内在机制图 4 花青素的多种有益作用机制A：心血管保护与神经保护通路B：抗肿瘤效应与表观遗传调控

 

结论展望 

1. 领域发展现状总结

当前花青素研究已完成从 “天然色素” 到 “多功能生物制造分子” 的定位升级，化学基础与构效关系清晰，合成生物学实现从毫克到克级的产量突破，分子机制从直接抗氧化拓展到调控 Nrf2、NF‑κB、AMPK 等关键通路及肠道菌群轴，食品应用从传统着色延伸至功能食品与智能包装。但领域仍面临三大核心矛盾：生物制造产量与成本难以满足大宗市场需求、食品加工中稳定性不足、体内活性转化与临床证据不充分。

2. 未来研究与产业方向

未来花青素创新将围绕精准设计、高效制造、稳定递送、规范应用四大方向推进：一是以 AI 与计算生物学指导分子定向改造，平衡活性、稳定性与加工适配性；二是持续优化微生物细胞工厂，提升前体供给、动态调控与下游纯化效率，降低成本；三是开发食品级智能递送体系，实现热、光、氧保护与肠道靶向释放；四是完善人体临床证据、统一标准与法规，提升消费者对生物制造花青素的接受度。最终推动花青素成为可持续食品系统、精准营养与智能包装领域的核心功能材料。

通讯作者

李全宏：中国农业大学 食品科学与营养工程学院教授，博士研究生导师。主要研究方向：天然功能成分的提取与结构功能鉴定；农产品加工与综合利用。

Wang Siting：中国农业大学 食品科学与营养工程学院。

Liu Zhiqing：华南理工大学 食品科学与工程学院。

资助基金

该研究得到 ** 重庆市教育改革项目（项目编号：z213211）** 资助。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.fochx.2026.103938