全谷物抗氧化活性研究進展

龔二生，羅舜菁，劉成梅

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌330047）

全谷物是指完整、碾碎、破碎或壓片的谷物，其基本組成包括淀粉質胚乳、胚芽與皮層，各組成部分的相對比例與完整穎果一樣。全谷物不僅含有豐富的B族維生素、鎂、鐵和膳食纖維，還含有多酚、維生素E、單寧、類胡蘿卜素、植酸、木質素和木脂素等常見抗氧化成分，而且還含有一些果蔬食品中少見但具有很高營養價值的抗氧化成分，如γ-谷維素、烷基間苯二酚、燕麥蒽酰胺等，所有這些抗氧化成分在體外都具有顯著的抗氧化活性。全谷物中存在一類穎果有顏色的谷物，有色全谷物相比普通全谷物而言含更多花色苷和原花青素等植物色素[1-3]。有色全谷物因其顯著的抗氧化活性，一直是全谷物抗氧化研究的熱點。全谷物的抗氧化活性包括體外、離體和體內抗氧化活性。全谷物的體外和離體抗氧化活性只能粗略地反映它們的體內抗氧化活性，抗氧化成分在動物或人體消化道內的溶解度、生物利用率的不同，以及它們在體內代謝的差異都會對其體內抗氧化活性產生很大的影響[4]。因此需要更多的體內抗氧化研究來進一步探索全谷物有效的抗氧化活性。為了更好地對全谷物抗氧化活性進行研究，本文就全谷物中的抗氧化成分，全谷物抗氧化活性研究方法及其體外、離體和體內抗氧化活性最新研究進展做一綜述。

1 全谷物中常見的抗氧化成分

根據抗氧化作用的機理不同，全谷物中抗氧化成分可分為兩大類：一類是在體外有自由基清除能力或還原能力的直接抗氧化成分；一類是在體外無自由基清除能力或還原能力，但能明顯提高人體體內抗氧化狀態的間接抗氧化成分，比如作為體內抗氧化酶的輔酶因子或體內抗氧化劑的前體物質。

1.1 直接抗氧化成分

全谷物中的直接抗氧化成分包括多酚、維生素E、類胡蘿卜素、γ-谷維素、烷基間苯二酚和植酸等。這些抗氧化成分的特點是在體外具有一定的自由基清除能力，而它們在體內不僅有清除自由基的能力，還能通過其他機制起抗氧化作用。例如多酚可以與金屬離子螯合，減少金屬離子對氧化反應的催化，還可以抑制氧自由基產生過程中的相關酶類如黃嘌呤氧化酶和酪氨酸酶等的活性，激活抗氧化酶系的活性或者調節谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽代謝酶等內源抗氧化劑的合成[5]。維生素E（生育酚和生育三烯酚）能防止由自由基如羥基自由基引起的細胞膜內多不飽和脂肪的氧化[6]。類胡蘿卜素能淬滅單線態氧，它的猝滅能力明顯高于α-生育酚和抗壞血酸，并能夠抑制脂質氧化[7]。γ-谷維素可以明顯地降低實驗鼠血樣中的高密度脂蛋白（HDL）水平并提高低密度脂蛋白（LDL）水平，它不僅可以有效地抑制血漿和肝臟中的高膽固醇血癥，而且可以有效地降低脂質和膽固醇氧化的程度[8]。烷基間苯二酚是一種酚類類脂，它可以調節生物膜中脂質的氧化反應從而達到抗氧化目的，此外在銅離子和氧存在的條件下，它可以轉變成三羥基烷基苯，抑制銅離子引起的LDL氧化[9]。植酸可以抑制鐵催化的氧化反應，這是由于它螯合芬頓反應中二價鐵離子的能力，同時它還具有抑制脂質過氧化的能力，植酸也可以抑制黃嘌呤氧化酶引起的超氧化對DNA的損傷[10]。

1.2 間接抗氧化成分

全谷物中的間接抗氧化成分包括礦物質與微量元素、葉酸、甜菜堿、膽堿和含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸）。這些間接抗氧化成分在體外都不具有自由基清除能力或還原能力，因此在體外抗氧化實驗中沒有明顯抗氧化活性。但可以作為體內抗氧化酶的輔酶因子或體內抗氧化劑的前體物質，參與體內的抗氧化防御。如硒是體內重要的抗氧化酶谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性部位的組成部分，它通過增加GSH-Px的活性促進脂質過氧化物的分解，阻斷脂質過氧化反應，從而保護細胞免受氧化損傷。超氧化物歧化酶（SOD）的活性對鋅、銅和錳具有依賴性，而過氧化氫酶（CAT）的活性則依賴于鐵。全谷物中的半胱氨酸可用于合成GSH，這是一種內源抗氧化劑，全谷物中的蛋氨酸很容易被肝臟吸收用以產生半胱氨酸，然后進一步合成GSH[11]。葉酸可以降低血漿中的同型半胱氨酸濃度，同型半胱氨酸有促氧化效應[12]。甜菜堿作為同型半胱氨酸的一種甲基供體，可以使其轉化成蛋氨酸，蛋氨酸又可以在肝臟合成半胱氨酸，然后進一步合成GSH。而膽堿作為甜菜堿的前體物，它也參與體內的抗氧化防御。

研究表明普通全谷物中抗氧化成分的含量很高，但多以不溶性結合態存在，果蔬中的抗氧化成分則多以自由態或可溶性共軛態存在，而先前的抗氧化活性測定方法多數只提取了自由態或可溶性共軛態的抗氧化成分，使得一直誤認為果蔬才是抗氧化劑的良好來源，而全谷物中抗氧化成分的含量極低。Adom等[13]對全谷物不溶性結合態的抗氧化成分進行了分析，認為這些成分直到結腸才被細菌分解釋放，從而可以預防結腸癌。大量的體內實驗表明有色全谷物抗氧化活性好，是因為有色全谷物含有大量的自由態的花色苷和原花青素，而普通全谷物中抗氧化成分多以不溶性結合態存在，對其在體內發揮抗氧化作用有一定限制。

2 全谷物抗氧化活性研究方法

2.1 體外抗氧化活性研究方法

全谷物的體外抗氧化活性研究最常用的方法有：氧自由基吸收能力測試（ORAC）、2，2’-連氮基-二-（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二氨鹽自由基清除法（ABTS，又稱TEAC法）、1，1-二苯基-2-苦基苯肼自由基清除法（DPPH）和鐵離子還原/抗氧化能力測試（FRAP）、總氧自由基清除能力測試（TOSC）、總自由基捕獲抗氧化參數測定法（TRAP）等。體外實驗快捷方便，可用以快速篩選富含抗氧化成分的全谷物品種及抗氧化成分富集部位，然而體外化學法是以清除自由基能力或還原能力作為衡量抗氧化活性強弱的指標，它反映的只是抗氧化成分某一方面的能力，針對沒有清除自由基能力的間接抗氧化成分，這類評價方法無法評價其抗氧化活性。

2.2 離體抗氧化活性研究方法

離體抗氧化活性研究包括離體生物大分子、組織氧化抑制研究法和細胞內抗氧化研究法（CAA）。離體實驗能在某種程度上預測抗氧化成分的生理功效，但其抗氧化活性還是必須由體內抗氧化活性最終確定。如Chen等[14]報道了倉鼠在長期喂食燕麥麩皮后，其離體LDL抵抗Cu2+誘導的氧化能力沒有任何的提高，但是在離體血漿中直接添加燕麥中提取的酚類物質可以抑制Cu2+誘導的LDL的氧化。抗氧化成分經過生理過程攝入到血漿和直接添加抗氧化成分到血漿，它們的抗氧化功效明顯不一樣。大多數的離體實驗都是通過直接添加全谷物的提取物進行抗氧化活性研究，但是它們在機體內發揮抗氧化作用前很可能已經被代謝轉化了。此外全谷物中一些抗氧化成分，特別是酚酸的生物利用率是很有限的，這導致它們在血漿中濃度非常低，不足以發揮明顯的抗氧化作用。

CAA法是一種利用熒光探針（2’，7’-二氯熒光素雙乙酸鹽）檢測抗氧化成分清除人類肝癌細胞內活性氧能力的方法[15]。CAA法比傳統的抗氧化化學評價法的優勢在于它綜合考慮了抗氧化成分在細胞內清除活性氧族能力以及抗氧化成分的生物利用率。很多傳統化學分析不是在生理pH和溫度下進行的，也沒有考慮抗氧化成分在體內的吸收、代謝和生理活性。而CAA法能夠闡明吸收、運輸和代謝中的一些機理問題，并且其操作方法經濟、簡捷、靈敏，可以高通量分析，適合全谷物抗氧化成分的篩選。但是這種細胞系對氧化應激會出現一定的功能反應（增加了CAT的mRNA的表達），它們不代表原始組織中的細胞生長狀態。各個細胞中線粒體產生不等量的活性氧會對檢測結果產生影響，且細胞來源的不同，各種細胞檢測的結果有明顯的差異，導致這種方法很難標準化。

2.3 體內抗氧化活性研究方法

動物實驗和人體實驗主要從兩個方面來研究全谷物的抗氧化活性：抑制氧化損傷和增強抗氧化防御。一方面，通過檢測機體氧化損傷的生物標志物的水平變化來表征其抑制氧化損傷能力。如脂質氧化損傷的生物標志物主要有丙二醛（MDA）、氧化型LDL和8-異前列腺素（8-iso PGF2α）；DNA氧化損傷的生物標志物主要有8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷；蛋白質氧化損傷的生物標志物主要是蛋白質羰基（PCC）、3-硝基酪氨酸。另一方面，通過檢測體內的抗氧化劑水平和抗氧化酶的水平、活性的變化來表征其增強抗氧化防御的能力。如還原型GSH和維生素E等非酶抗氧化劑的水平，以及SOD、CAT、GSH-Px、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽-S-轉移酶（GSTs）等抗氧化酶的水平和活性。

3 全谷物抗氧化活性研究現狀

3.1 普通全谷物抗氧化活性研究

體外實驗表明全谷物和果蔬一樣都有顯著的抗氧化活性。Wu等[16]用ORAC法測定的全谷物和全谷物食品如全麥面包等的抗氧化活性為1303～2479μmol TE/100g不等，而24種水果的平均值為2200μmol TE/100g，22種蔬菜的平均值是1200μmol TE/100g。米糠的更高，可以達到24，300μmol TE/100g[17]，因此，全谷物的體外抗氧化活性決不能忽視。

離體實驗發現大麥多酚提取物對人類離體的LDL氧化和過氧化氫誘導的質粒DNA的斷裂有明顯的抑制作用[18]，也有報道稱米糠提取物可以抑制小鼠離體腦漿中蛋白質和脂質的氧化[19]。小麥麩皮中的阿魏酰低聚糖能夠抑制人類離體紅細胞中GSH的損耗、脂質的氧化、高鐵血紅蛋白和PCC的形成，明顯地抑制氧化應激導致的鼠和人類離體紅細胞的溶血反應[20-21]，同時能夠增強人類淋巴細胞DNA抵抗過氧化氫誘導的氧化損傷的能力[22]。然而，Okarter[23]用CAA法檢測八種全谷物中不溶性結合態多酚的細胞內抗氧化活性的最新研究表明，不溶性結合態中釋放出的多酚都沒有細胞內抗氧化活性，他們推斷最可能是因為這些多酚不含有細胞內抗氧化活性所必需的結構。這和Wolfe的研究結果相一致，他們檢測發現槲皮素的CAA值最高，將其CAA值確定為標準值100，則全谷物中的兩種主要酚酸阿魏酸和咖啡酸的CAA值僅為＜2.37、5.59μmol QE/100μmol[15]。

Son和Kim等[24-25]發現喂食了大麥、蕎麥和薏苡仁米的小鼠和喂食白米組的相比，血漿總膽固醇、LDL和肝臟的MDA水平更低，HDL、GSH、GSH-Px和GSTs的水平明顯更高。此外，對全谷物食品如全麥面包的研究也表明在高氧化應激條件下喂食這些食品可以有效提高鼠血漿和肝臟的抗氧化狀態[26-27]。但最近有研究報道膳食中分別添加小麥、大麥、燕麥和玉米四種全谷物對Goto-Kakisaki鼠（研究II型糖尿病的動物模型）的尿液氧化還原狀態（MDA和8-iso PGF2α）都沒有顯著影響[28]。也有研究報道全谷物膳食對人血液或尿液抗氧化狀態沒有影響。Andersson等[29]對中等肥胖的健康者進行膳食干預6個星期發現，攝入全谷物小麥食品后人體血漿中的α-生育酚、γ-生育酚以及血清中的HDL和LDL水平沒有明顯改變，尿液中的8-iso PGF2α水平也沒有變化。Enright等[30]對20位健康者進行隨機的交叉膳食干預研究也發現分別攝入全谷物和精制谷物后，血漿的ORAC值、尿液中MDA和8-iso PGF2α水平沒有明顯的差別。Giacco等[31]用全谷物小麥食品對15名健康者進行膳食干預3個星期，對照實驗用精制小麥食品，結果發現全谷物膳食對血漿的抗氧化狀態（FRAP法，PCC，α-生育酚、類胡蘿卜素水平）沒有影響。

這些結果的差異性是因為體內抗氧化活性存在生物利用率的問題，例如：多酚在消化道內的生物利用率相對較低只有0.3%～26%。因此，即使其體外自由基清除能力較強，但由于消化吸收后其在血漿中濃度非常低，是不足以發揮明顯的抗氧化作用的[32]。Zhao等[33]在一項對大鼠的研究中也證實了這一點：通過玉米皮層攝入的酚酸有0.4%～2.3%在尿中回收，64%～81%在糞便中回收。相反，全谷物中一個簡單的間接抗氧化成分甜菜堿在體外無自由基清除能力或還原能力，但它極易被吸收利用且對體內的氧化還原狀態有明顯的改善[34]。比較這些研究發現，大量體外抗氧化活性明顯的普通全谷物，在離體實驗、動物實驗和人體實驗中抗氧化活性都不一定明顯。而體外沒有抗氧化活性的成分，卻對改善體內抗氧化狀態起了重要作用。

3.2 有色全谷物抗氧化活性研究

有色全谷物因其顯著的體外抗氧化活性，近年來已得到越來越多的關注。黑米、紅米、紫米和紫麥這些有色全谷物的抗氧化活性（ORAC法、TEAC法、FRAP法）比白色或淺色品種的平均高出3～4倍[35-37]，更有報道稱有色全谷物的自由基（DPPH、ABTS法）清除能力比白色或淺色的高出十倍以上[37-38]，因而有色全谷物被確認為高抗氧化活性谷物。

Sangkitikomol等[39]發現血糯米的花色苷提取物可以明顯提高人類離體紅細胞的抗氧化活性，并能抑制過氧化氫誘導的基因毒性作用。當這種提取物的濃度范圍在600～1000mg/L時可以明顯降低人類肝癌細胞內的氧化應激（p＜0.05）[40]。Hirawan等[35]對嬰兒谷物食品的研究發現全谷物紫小麥食品比普通全谷物食品有更高的細胞內抗氧化活性，他們提議在嬰兒食品中添加全谷物紫小麥以提高機體的抗氧化狀態。

有色全谷物是體內抗氧化活性研究最多的谷物[41-46]。Chiang等[43]發現與喂食白色大米提取物的鼠相比，喂食黑米提取物的鼠血漿中的HDL水平和肝臟中SOD和CAT活性明顯提高，MDA水平則明顯降低。對高氧化應激小鼠的研究也發現，喂食黑米花色苷后，其血漿MDA和氧化型GSH水平明顯降低[44]。而對高膽固醇血癥的鼠喂食黑米比喂食糙米能更有效地提高血漿中HDL水平和降低血漿中LDL水平[45]。Salgado等[46]對高膽固醇血癥的兔分別喂食白色大米和黑米，發現喂食黑米可以明顯降低血漿中氫過氧化物（p＜0.05）和MDA水平（p＜0.005）。少數的人體實驗也報道了相似的結果：用含黑米外層有色部分的食物對60名冠心病病人進行膳食干預6個月，發現他們血漿的總抗氧化活性（FRAP法）明顯提高了[47]。

大量的體外、離體實驗證明有色全谷物（尤其是黑米）及其皮層有顯著的抗氧化活性，所有的動物實驗和人體實驗也表明，有色全谷物可以明顯提高體內抗氧化狀態。有色全谷物的抗氧化成分多為自由態的花色苷和原花青素等，其抗氧化效果在體外、離體和體內實驗的一致性，表明體內消化和體內代謝對這些抗氧化成分發揮其抗氧化作用的影響不大。

3.3 普通全谷物與有色全谷物抗氧化活性對比

普通全谷物抗氧化成分以不溶性結合態為主[13，48-49]，Adom等[13]認為它們很可能不被胃和小腸消化而到達結腸中，并通過微生物的發酵作用釋放出來。體外實驗表明，不溶性結合態的抗氧化成分貢獻了小麥總抗氧化活性的90%，玉米的87%、大米的71%和燕麥的58%[13]。玉米、小麥和燕麥等普通谷物的體外抗氧化活性明顯和它們的酚酸特別是阿魏酸的含量相關，有研究報道反式-阿魏酸貢獻了小麥麩皮總抗氧化活性的66.4%～95.5%[49]。而有色全谷物富含自由態的花色苷和原花青素，其自由態的多酚和黃酮明顯多于不溶性結合態的多酚和黃酮，如黑米米糠中88.2%～95.6%的多酚以自由態存在，黃酮則高達96.3%～97.6%，花色苷也高達99.5%～99.9%[1]。自由態的抗氧化成分是這些有色全谷物體外總抗氧化活性的主要貢獻者[1，37，50]，這與普通谷物大不相同。

普通全谷物中的兩種主要抗氧化成分阿魏酸和咖啡酸的CAA值非常低（分別為＜2.37、5.59μmol QE/100μmol）[15]，有色全谷物中花色苷和原花青素的細胞內抗氧化活性未見報道，但花色苷和原花青素都具有黃酮結構，有文獻報道黃酮物質的獨特化學結構賦予其很高的CAA值[51]。Hirawan等報道了全谷物紫小麥制成的全谷物食品比小麥和燕麥制成的普通全谷物食品有更高的CAA值（p＜0.05）。而體外實驗發現普通全谷物食品的總酚含量（4235μg阿魏酸當量/g）比紫麥全谷物食品的（3076μg阿魏酸當量/g）高，但是總花色苷的含量（39μg花青素-3-糖苷當量/g）比紫麥全谷物食品的（185μg花青素-3-糖苷當量/g）低得多，用ORAC法測定也顯示紫麥全谷物食品的體外抗氧化活性（48.2μmol TE/g）高于普通全谷物食品（33.8μmol TE/g）[35]。

雖然有色全谷物中總酚含量不及普通全谷物，但其豐富的花色苷賦予其比普通全谷物更高的體外抗氧化活性和細胞內抗氧化活性。動物實驗也表明，有色全谷物比白色或淺色全谷物大米的體內抗氧化活性高[41，43，46]，有色全谷物是否比小麥、燕麥和玉米等的體內抗氧化活性更好，至今未見相關報道，這有待于進一步的研究。

4 結論與展望

對全谷物而言，體外和離體實驗結果只反映抗氧化成分某一方面的抗氧化活性，忽略了生理環境和生理作用的影響，因此不能真實地反映其體內抗氧化活性。體外、離體實驗適合抗氧化成分的篩選，體內抗氧化研究的結果才能更加客觀地評價全谷物的抗氧化活性。目前全谷物抗氧化活性的體內研究也只是通過檢測少數幾種代謝產物或基因編碼的內源抗氧化劑來評估其抗氧化活性，對于其調節代謝和基因編碼的具體過程還不清楚，這需要充分利用先進的代謝組學分析技術[52]和基因、轉錄組技術，以期更加系統地闡明全谷物抗氧化成分調節代謝和基因編碼的機制。另外，全谷物中各種抗氧化成分在體內的協同抗氧化機制也有待闡明。

現有研究表明，有色全谷物抗氧化活性強于普通全谷物，且其體外與體內抗氧化結果的一致性也較高，利用有色全谷物開發抗氧化功能食品，增加有色全谷物的膳食攝入量，有助于改善機體的氧化還原狀態。全谷物中含有與果蔬互補的活性物質，與果蔬一起食用能更好地發揮其抗氧化效果。

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