藥食兼用高粱育種理論基礎及其產業化的思考

王堅強，潘仲光，閆昊，馬金成，成鐘，4

（1.山西省農業科學院高粱研究所，山西晉中030600；2.山西農業大學圖書館，山西太谷030801；3.山西康禾非藥物干預生命健康研究院，山西長治046000；4.山西醫科大學基礎醫學院，山西太原030000）

藥食兼用高粱育種理論基礎及其產業化的思考

王堅強1，潘仲光2，閆昊1，馬金成3，成鐘1，4

（1.山西省農業科學院高粱研究所，山西晉中030600；2.山西農業大學圖書館，山西太谷030801；3.山西康禾非藥物干預生命健康研究院，山西長治046000；4.山西醫科大學基礎醫學院，山西太原030000）

以高粱的有效成分為基礎，在經濟用高粱的基礎上，創新性地提出藥食兼用高粱的新概念。針對目前國內慢性病多發的現狀開發，通過研究在高粱品種選育階段開發出藥食兼用品種，賦予高粱更高的健康價值。以高粱資源的藥用和食用價值開發為著眼點，提出以高粱資源的食用營養成分、藥理活性物質為科學依據，以藥用活性成分及食用營養成分為首要選育目標，選育藥用價值和營養價值高的藥食兩用高粱新品種，以拓展現有的高粱育種模式，構建高粱藥食用途育種技術體系的新設想，開辟以高粱為主要原材料的新型功能食品研究方向。

高粱；藥食兼用；品種選育

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）又稱蜀黍、紅粱，廣泛分布于干旱、半干旱、低洼易澇地區，是當今全球第五大谷類作物。高粱具有多種用途，可食用、飼用和釀造用，其中，食用是高粱的主要用途。據統計，在熱帶和亞熱帶地區，有超過30個國家的大約5億人口以高粱為主食，全球42%的高粱用于食品被消耗。高粱的營養價值非常高，是一種富含植物化學物質的經濟類農作物，包括單寧、酚酸、花青素、植物甾醇和普利醇等化合物，這些化合物具有抗氧化、抗腫瘤、降脂、預防心血管疾病和保護神經元的作用[1]。因此，如何把食用和藥用相結合、開發出藥食兼用品種，賦予高粱更高的經濟價值和市場價值已引起了人們越來越多的關注。

高粱作為人類食品歷史悠久，我國自古以來就有用高粱治療高血壓、高血脂、高血糖的習俗[2-3]。《中華本草》中記載，高粱味甘、澀，性溫，具有健脾止瀉、化痰安神的功效,主治脾虛泄瀉、消化不良、痰濕咳嗽、失眠多夢等癥；《全國中草藥匯編》中記載，高粱能夠燥濕祛痰、寧心安神，主治濕痰咳嗽、胃痞不舒、失眠多夢。國家衛生和計劃生育委員會在2014年發布的《按照傳統既是食品又是中藥材物質目錄管理辦法》中，高粱米也作為一種藥食同源的膳食原材料被列入目錄。研究表明，谷物類食品能夠顯著影響人類營養結構，并且對于營養缺乏和營養過剩均有改善作用，特別是在營養過剩導致的慢性疾病方面[4-6]。作為一種谷物類粗糧，攝入高粱能降低多種疾病發生的風險，對消化道有保護作用，有助于控制體質量，最終達到防治慢性病的目的[7-8]。高粱中含有種類繁多的類黃酮化合物，這些化合物在其他種類的谷物中并不多見。其中，3-脫氧花青素（3-deoxyanthocyanins）、黃酮、黃烷酮類化合物分子能夠顯著預防心血管疾病的發生；一項為期6 a的流行病學調查數據顯示，以小麥面粉和玉米為主食地區人口的食道癌死亡率是以高粱為主食地區人口的2.4～4.2倍[9]。高粱中含有大量的多酚類化合物，其中包括原花青素[10]、3-脫氧花青素[11-12]、酚酸[13]、植物甾醇[14]、甘蔗原素等。

通過應用多種技術如數量性狀遺傳學、性狀位點精細定位、聯合作圖等，結合營養學和醫學研究，可以充分開發高粱資源的藥用和食用價值[15-17]，建立以有效化學成分為主要育種目標的育種技術新體系，旨在為下游保健功能食品奠定原材料生產基礎。

1 高粱產業化現狀

高粱產業對國民經濟起著重要的作用，是我國釀造產業的重要原材料，我國名酒都是以高粱作為原料釀制。高粱也是經濟類作物之一，具有抗旱、耐澇、耐鹽堿等高抗逆性特點，成為惡劣生態區域的主要經濟作物，具有良好的經濟效益。作為植物生物學研究的模式作物之一，高粱全基因組已于2009年完成全測序工作[10]，并在2013年進行了重測序[11]，利用重測序可以得到遺傳種系的變異信息，能對高粱的重要性狀遺傳位點進行快速定位。隨著第3代測序技術的快速發展，這一系列的基因組測序工作能夠應對高粱基因組雜合度和重復序列含量高的問題，從而大力推進高粱育種的品種改良[12]。

高粱產業也存在需要改進的問題。我國高粱消費用途單一，以釀造為主，全國高粱總產量的80%用作釀造工業原料。而美國飼料用途高粱占全美高粱總產量的36%。同時，高粱機械化栽培程度低，勞動力成本逐年提高，嚴重影響了高粱種植面積。而作為可再生能源作物的甜高粱，在儲存、深加工等方面研究落后，使得該產業一直處于停滯不前的狀態。飼用高粱是我國在“八五”期間選育的優質高粱新品種，但后續產業化加工技術相對落后，需要進一步提高與飼料工業的銜接，擴大高粱在飼料工業中的比例[13]。

2 藥食兼用高粱新概念及其營養藥用成分的功效

高粱中所含的豐富生物活性物質具有防止肥胖、糖尿病、血脂異常、心血管疾病、癌癥和高血壓的作用[14-18]。因此，通過遺傳育種方式將高粱中的營養成分和有效化學成分定向培育新的品種，從品種源頭把控整個產業鏈的育種方向，從產品端尋找具有市場潛力的高粱品種，將育種和產品有機結合在一起，貫穿整個產業鏈，根據不同的健康需求培育特定的藥食兼用高粱新品種，發掘具有生物活性的化學成分，將會進一步改善我國居民膳食和營養結構，提高國民營養健康水平。

2.1 高粱中含有的營養成分及其功效

從結構上看，高粱的籽粒由外皮（果皮）、胚乳和胚芽3部分組成。有些種類的高粱還有第4層，即外種皮（testa），介于外皮和胚乳之間。高粱的籽粒結構比例和化學組分按照不同的高粱種類和生長條件有不一樣的組成。一般來說，外皮含有非淀粉類的多糖、酚類化合物（3-脫氧花青素、單寧和酚酸等）和類胡蘿卜素；淀粉、蛋白質、B族維生素和礦物質主要位于胚乳（貯藏組織）中；胚芽中一般包含有脂肪、脂溶性維生素等[19]。

高粱脫殼后即為高粱米，其主要營養成分按占干物質計，粗蛋白質9%，粗脂肪3.3%，碳水化合物85%，粗纖維1%，還含有鈣、磷、鐵等微量元素及維生素B族。其中，蛋白質以醇溶性蛋白質為多，色氨酸、賴氨酸等人體必需氨基酸是一種不易溶解的蛋白質，人體不易汲取[20]。100 g高粱中含有1 212.2～1 504.8 kJ的熱量。高粱中含有單寧，有收斂固脫效果，患有慢性腹瀉的病人常食高粱米粥有明顯療效，但大便燥結者應少食或不食高粱。高粱紅色素是從高粱殼中提取的異黃酮半乳糖苷，是一種安全的天然食用色素,具有很強的抗氧化活性[21-22]。

2.1.1 多糖類高粱中的多糖類主要是淀粉，淀粉含量按照不同的品種和生長條件有所變化[23]。每100 g高粱中的淀粉含量為32.1～72.5 g，主要由支鏈淀粉和直鏈淀粉構成。二者的比例會影響高粱的流變性質和淀粉的消化吸收率。高粱是谷物中消化吸收率最小的，因為淀粉粒與單寧和蛋白會形成強相互作用[24]。

2.1.2 蛋白高粱蛋白分為醇溶性蛋白和非醇溶性蛋白兩大類，其中，醇溶性蛋白占80%左右，其余的是白蛋白、球蛋白和谷蛋白。高粱的醇溶性蛋白主要由kafirins組成，而kafirins分為α-kafirins（66%～84%），β-kafirins（8%～13%）和γ-kafirins（9%～21%）3類，它的構象結構決定了高粱蛋白的消化吸收率。高粱蛋白消化吸收率比小麥和玉米都低，蛋白中由二硫鍵形成的穩定蛋白結構能夠抵抗肽酶的消化，這一分子機制是高粱消化吸收率低的主要原因[25]。

在單寧含量豐富的高粱品種中，單寧和高粱醇溶性蛋白的復合體可以將消化吸收率降到50%。因此，工業上使用發酵和發芽的方法使高粱的消化吸收率提高了2倍，被廣泛用于酒、醋釀造業。人們為了提高高粱的可食用性，通過減少kafirins的β和γ亞基，并且增加麥谷蛋白和球蛋白的比例[26]。基因改造后的高粱籽粒體外試驗結果表明，其消化吸收率提高了80%。Kafirins蛋白的α亞基由于有大量冗余，它在小腸內是最不容易被消化的，這些蛋白都是高粱不容易被消化的原因，因此，可以采用基于關聯的方法針對可溶性蛋白設計新品種高粱，在不使用轉基因高粱的同時提高高粱的可食用性。另外，高粱醇溶性蛋白不會引起人體的自免疫反應，因此，它被用來作為乳糜瀉病人的安全食品。

2.1.3 脂肪、礦物質和維生素高粱中的脂肪主要由不飽和脂肪酸構成，每100 g高粱含量大約為1.24～3.07 g，多聚不飽和脂肪酸含量比單不飽和脂肪酸含量要高。高粱中脂肪有亞麻油酸、油酸、棕櫚酸、亞麻酸等。高粱由于生長環境不同其所含的礦物質種類也不同，其中，鋅和鐵被人們研究較多[27]。高粱中的B族維生素和脂溶性維生素含量較高。

2.2 高粱中有效化學成分及其生物利用度

高粱中的主要生物活性物質為酚類化合物，其中包括酚酸、單寧和類黃酮。酚類化合物的消化吸收一直是研究熱門。然而這個方向的研究一直進展緩慢，主要原因是它的代謝產物沒有標準化的鑒定方法。另外，一些因素也會影響人體對于酚類化合物的吸收效率，例如環境因素、食品加工、食品基質和其他化合物的交互作用。腸道系統的吸收、代謝以及在不同人體組織的分布都是酚類化合物在生物利用度方向上的科研方向。例如，有些酚類化合物不能被小腸吸收，卻能在大腸內影響結腸癌的菌群生態環境[28]。

2.2.1 酚酸及其生物利用度高粱中的酚酸含量在135～479 μg/g，具有抗氧化活性。與葡萄酒、水果和蔬菜中生物利用度非常高的酚酸不同，高粱中的酚酸與糖鏈和木質素結合，使其在腸道中無法被人體消化酶系統水解，大大降低了高粱的生物利用度。因此，工業上采用發酵的方式提高其生物利用度，打斷酚酸與其他物質的鏈接關系，從而釋放酚酸到系統中被水解利用。

2.2.2 單寧及其生物利用度單寧作為一種植物抗毒素廣泛存在于植物中，但是在經濟類谷物如大米、小麥和玉米中沒有，卻在高粱籽粒的外皮層中聚集，由S和Tannin1基因調控[29]。高粱籽粒中單寧含量為0.2～48.0 mg/g，在黑高粱中含量最高。高粱中的單寧從結構上分為多聚體和單聚體2類。多聚體由于會和淀粉、蛋白結合而降低其生物利用度；單聚體單寧具有清除自由基的作用，能夠產生抗氧化活性、抗癌活性、抗輻射和抗炎癥活性。大部分的單寧化合物會通過大腸被腸道菌群轉化為酚酸類化合物繼而加以利用。工業上通過加熱的方式（95℃，20 min）解除復合體狀態下的單寧，以增加其生物利用度。

2.2.3 黃酮化合物及其生物利用度高粱中類黃酮分子主要存在于種皮外層中，因此，外皮的顏色和厚度影響高粱中類黃酮化合物的含量和種類。高粱中的類黃酮分子分為花青素、黃酮和黃烷酮3類。高粱總黃酮的含量為0～386 μg/g，其中，主要的糖苷配基是木樨草素和芹黃素。花青素的生物利用度比黃酮類化合物要低很多。食物中的花青素可以被加速吸收，但是在血漿和尿液中濃度非常低。原因可能是由于花青素的代謝產物無法被快速準確地解析。在飯后4 h左右，人體腸道內的花青素有60%～90%會消失。研究顯示，腸道內的寄生菌群對于花青素的吸收和生物利用有著重要的作用[30]。

3 藥食兼用高粱育種體系及產業化

高粱有益于人體健康的功能是與其所含化合物密切相關的，體外和動物試驗表明，高粱中的多酚類和脂溶性化合物對于腸道寄生菌具有良好的影響，同時對于慢性疾病如肥胖、糖尿病、高血脂、心臟病、癌癥和高血壓具有調控作用。因此，通過各種育種手段定向培育具有藥用價值的高粱新品種將成為高粱產業化的新方向。例如，研究者通過雜交育種的方法提高了高粱中3-脫氧花青素的含量，在葉片中由于3-脫氧花青素的表達含量高使得整個葉片呈現紅色，其濃度增加了1 000多倍[31]。

高粱的栽培歷史超過了5 000 a，高粱是我國重要的旱地農作物之一，曾在我國困難時期解決人們口糧問題中發揮了重要作用。通過HPLC-色譜技術構建高粱有效化合物指紋圖譜，系統鑒定高粱中的有效化合物分子群，針對其中療效明確、生物合成途徑相對清晰的化合物分子進行定向育種，結合高粱基因組重測序技術關聯目的基因及表型之間的遺傳關系，有希望將高粱改造成為旱地植物中適宜開發的植物生物反應器，從育種端控制下游產業鏈方向，使其朝著需要的方向發展。慢性病已經成為目前蔓延全國的健康殺手，從“治未病”角度思考疾病治療方法將治病時間段前置已經成為專家共識，通過構建藥食用高粱育種體系，以優質高粱不同藥效部位指紋圖譜為核心制定高粱產品生產質量標準，應用在高粱系列產品生產質量標準及產品功效質量控制跟蹤環節，從而達到從育種端到產品端全程控制產品質量，最后達到預期的慢性病干預效果。這一育種思路也開辟了新的高粱產業方向，充分發掘其藥食用價值，有利于改善高粱產業結構，拓寬高粱產業的經濟價值。

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Thoughts on Theoretical Basis of Grain and Edible Sorghum Breeding and Its Industrialization

WANGJianqiang1，PANZhongguang2，YANHao1，MAJincheng3，CHENGZhong1，4
（1.Institute ofSorghum，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Jinzhong 030600，China；2.Library ofShanxi Agricultural University，Taigu 030801；China；3.Institute ofShanxi-Kongho Health and Life Sciences，Changzhi 046000，China；4.College ofBasic Medical，Shanxi Medical University，Taiyuan 030000，China）

Sorghum bicolor is widely accepted as a traditional food for thousand years,and it values with medical effect for human health.It is worthy ofcombining its food-like and drug-like effects in the process ofbreeding,and this will increase the values ofsorghum planting.Based on the nutritional ingredients and pharmacological chemicals in sorghum,the novel sorghum lines will be identified with increased concentration ofeffective pharmacological-active chemicals for the purpuse ofmanufacturing functionalized food.

sorghum;medicine and food combination;variety breeding

S514

：A

：1002-2481（2017）07-1184-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.36

2017-04-25

山西省優秀青年基金項目（201601D021008）

王堅強（1968-），男，山西文水人，副研究員，碩士，主要從事雜糧研究和相關產品開發工作。成鐘為通信作者。