糧谷及其發芽物質變化研究進展

劉 瑞,于章龍,柴永峰,孫元琳,宋 昱,周素梅,謝颯英,蔡 岳

(1.運城學院生命科學系,山西運城 044000; 2.山西省農業科學院棉花研究所,山西運城 044000; 3.中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193)

近年來,隨著經濟社會的發展和生活水平的進一步提高,人們越來越關注糧谷類作物中微量營養元素、功能性膳食纖維和植物生物活性物質對人體營養和健康的作用[1-2]。國際上在21世紀初啟動了兩個影響較大的研究項目,其中之一就是倡導全谷物食品,旨在提高谷物中有助于降低膽固醇含量、調節血糖代謝作用的膳食纖維和降低心腦血管等疾病發病率的酚酸等植物生物活性物質含量的健康谷物項目[3]。

糧谷類經碾磨粉碎等傳統加工后,種皮糊粉層和大部分胚芽隨皮殼被去掉,且碾磨程度越高,產品淀粉含量越高,但蛋白質、礦物質、維生素、粗纖維和多種活性成分等營養物質損失越多。因此,糧谷類經精細加工后,失去了大部分營養物質和活性物質,不利于人體健康。全谷物是完整、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致[4]。全谷物中含有大量的抗氧化活性物質,如酚類物質、類胡蘿卜素、γ-谷維素、植物甾醇以及植酸鹽等[5]。全谷物攝入對慢性疾病的預防作用主要歸功于膳食纖維及其與之共價鍵連接的酚酸類物質,被稱為“膳食纖維-酚類抗氧化劑復合物”[6]。隨著人們生活質量日漸提高,人類對食品的生理功能和營養價值要求也越來越高,而發芽谷物因其營養價值提高、功能成分富集以及原有害物質或抗營養物質降低或消除等多種有利變化,發芽谷物的開發利用正在引起國內外廣泛關注并成為研究熱點[7]。本文將對蕎麥、燕麥、黑小麥等三種特色糧谷類及發芽過程中營養物質和活性物質變化及應用進行詳細分析探討,從而為蕎麥、燕麥、黑小麥及其芽類的第三代相關功能食品研發和在其他食品、醫藥領域應用提供理論參考,對改善人類膳食結構、預防慢性代謝疾病有著極其重要的意義。

1 糧谷類活性物質研究現狀及分析

生理活性物質是指植物次級代謝中產生的非營養成分的化合物,迄今發現的生理活性物質已超過5000多種,主要包括類胡蘿卜素、酚類、阿拉伯木聚糖、生物堿、膳食纖維、甾醇、硫化物等。糧谷類(grain)主要是指禾本科植物的種子,包括谷(秈谷、粳谷、糯谷)、麥(大麥、小麥、蕎麥、元麥)和雜糧(玉米、甘薯、小米、蕎麥、燕麥、高粱)等[8]。糧谷類是食物金字塔第一層最重要的食物,占日常飲食中最大比重。糧谷類不僅含有豐富的膳食纖維、B族維生素,同時還含有許多直接或間接的抗氧化成分,主要包括多酚、類胡蘿卜素、生育酚、木酚素、植物甾醇、植酸等[4]。此外還含有一些果蔬中不具備的特有的抗氧化成分,如γ-谷維素、烷基間苯二酚以及燕麥蒽酰胺等[9]。糧谷類中多酚類物質主要包括酚酸類和黃酮類。不同谷物中抗氧化活性物質種類及含量各不相同[10-11],且均具有一定的自由基清除能力,可以通過螯合具有催化作用的金屬離子、調節體內氧化酶類和抗氧化酶類的活性、促進內源性抗氧化物質的形成等方式使機體免受氧化損傷[12-14]。因此,糧谷類食品特別是全谷物類食品對肥胖、心血管疾病、癌癥、Ⅱ型糖尿病、阿爾茨海默癥等在內的人類慢性疾病預防越來越受重視[15-17]。

1.1 蕎麥活性物質研究現狀及分析

蕎麥是一種重要的雜糧作物,屬于蓼科蕎麥屬,主要有甜蕎和苦蕎兩個品種。蕎麥富含蛋白質、碳水化合物、不飽和脂肪酸及維生素等營養物質,富含七大營養素,有“藥食兼用”的美譽[18]。且蕎麥蛋白質中八種必需氨基酸含量充足,尤其富含一般谷類比較缺乏的賴氨酸而具有比較高的營養價值。此外,蕎麥含有其他大多數谷類作物所沒有的黃酮類化合物,如蘆丁、槲皮素等功能成分,在預防和治療糖尿病、心腦血管疾病及高血壓等方面有較好的療效[19],因而蕎麥被作為加工相關人群食品的主要原料。苦蕎的抗氧化能力是甜蕎的3～4倍,苦蕎中蘆丁含量是甜蕎蘆丁含量的100倍。此外,苦蕎中游離態酚含量分別是玉米和小麥的23～45倍和25～50倍[20]。Li等[21]從苦蕎殼中提取酚類物質,研究了自由態酚類物質和結合態酚類物質的含量及組成成分,結果顯示苦蕎殼中自由態酚類物質作為功能成分有更強的氧自由基清除能力、細胞抗氧化能力和抗癌細胞增殖能力。楊旭等[22]采用紫外光譜和HPLC-ESI/MS鑒定純化的苦蕎殼活性組分,結果表明其主要成分為槲皮素和微量的槲皮素-3-鼠李糖苷和山奈酚,顯示出良好的DNA損傷保護作用。另有研究表明[23],谷物中酚類物質主要存在于糊粉層,其總酚含量比脫殼粉中高出500 mg/kg。Jindal等[24]研究認為全蕎麥粉對DPPH清除力、抗脂質過氧化力和金屬螯合力都好于脫殼蕎麥粉。

1.2 燕麥活性物質研究現狀及分析

燕麥富含多酚、燕麥葡聚糖等多種生物活性成分,具有抗氧化、降血脂、清除自由基等多種生理功能[25-26]。多酚是燕麥中主要的抗氧化成分,以游離和結合態存在。β-葡聚糖是燕麥中主要的功能因子之一,具有降低血液中膽固醇水平、調節血糖濃度、增強機體免疫力及調節腸道菌群等重要的生理功能[27-28],膳食纖維在調節血脂、血糖和益生菌群等方面具有較強的作用,而不溶性膳食纖維主要是有助于腸道通便[29-30]。燕麥中的酚類化合物主要包括簡單的酚類(如各種酚酸)、燕麥蒽酰胺和黃酮類化合物[31]。燕麥蒽酰胺是一系列羥基肉桂酸及其衍生物和鄰氨基苯甲酸及其衍生物通過酰胺鍵(-HNCO-)連接而成的物質,是燕麥中特有的抗氧化成分,其大部分存在于籽粒外層麩皮和次級糊粉層[32]。燕麥多酚含量和抗氧化能力受品種、貯藏及加工條件的影響而降低[33]。國外對燕麥酚類物質的組成及抗氧化活性進行了大量研究,而國內主要集中在酚類物質的提取和活性研究上,但目前對燕麥的開發利用技術一直停留在較低水平上,其經濟價值不能充分體現。

1.3 小麥活性物質研究現狀及分析

小麥中常見的植物生物活性物質包括酚酸和黃酮、葉酸、植物固醇、生育酚、生育三烯酚等[3]。酚酸和黃酮是小麥中含量最多的酚類化合物,抗氧化能力強,可維持人體內氧化劑和抗氧化劑平衡。酚酸的主要成分包括阿魏酸、咖啡酸和香草酸、水楊酸,分別屬于肉桂酸和苯甲酸衍生物;黃酮的主要成分包括花青素、黃烷-3-醇類、黃酮醇、類黃酮和異黃酮,二者在小麥中均主要以結合態存在,通過酯鍵或糖苷鍵與細胞壁結構物質纖維素、木質素和蛋白質等連接,在小腸中經微生物發酵后被消化吸收[34-35]。黑小麥是一種珍貴的黑籽粒小麥品種,屬于優質特色谷物資源。與普通小麥相比,黑小麥含有更豐富的膳食纖維、酚酸、花色苷、B族維生素和微量元素等生物活性物質,以其特殊的營養價值而備受關注。然而,很長一段時間以來,黑小麥主要作為標記性狀在小麥遺傳育種研究中被廣泛應用,在食品、醫藥等方面的應用較少。孫元琳等[36]對黑小麥麩皮中的主要酚酸物質進行制備和定性分析,提取了游離態酚酸和結合態酚酸,并確定了二者具有與阿魏酸相似的分子結構,且研究結果顯示黑小麥麩皮中阿魏酸含量顯著高于普通小麥麩皮。但是,國內外對黑小麥研究依然處于初始階段,對黑麥粉的加工特性研究較多,對活性物質研究報道較少。因此加強黑小麥活性物質開發研究有利于促進黑小麥品種改良,帶動良種生產、種植業結構調整,從而提高黑小麥食品加工業的發展。

1.4 其他糧谷類活性物質研究進展

研究表明[37-38],大麥中含有50～120 μg/g的酚酸類物質,苦蕎中含有1.54%～2.40%的黃酮,小麥中含有33～43 mg/kg的β-生育三烯酚等。Renuka等[39]通過對脫脂米慷的甲醇提取物進行了分析,發現其中存在的植物活性物質有谷維素、生育酚、生育三烯酚、阿魏酸、麥黃酮和β-谷甾醇。Bu等[40]對小麥、大麥和燕麥三種全麥中的總酚含量和抗氧化能力進行了研究,認為在全麥粉中酚類物質以結合態或游離態存在形式對其總抗氧化能力方面有重要影響。Sosulski等[41]報道了大米、燕麥、小麥和玉米中的游離態和結合態酚酸含量、受限制酚酸含量及其抗氧化性。Shahidi等[42]對小米中酚類物質進行了闡述,認為小米中酚類物質主要以游離態和結合態酚酸存在,酮類物質含量相對較少。但是其中酚類物質生物可利用率高,對多種病理狀態具有生物療效,并且可以作為食品和生物系統中天然抗氧化物質使用。Chandrasekara等[43]以谷康、谷子、小米和經蒸煮處理后的小米為研究對象,研究了酚類提取物的抗氧化活性等。藜麥富含不飽和脂肪酸、類黃酮、B族維生素和維生素E、膽堿、甜菜堿、葉酸、α-亞麻酸、β-葡聚糖等多種有益化合物;膳食纖維素含量高達7.1%[44]。

總之,目前國內外科研人員對谷物中酚類物質研究主要集中在酚類物質提取方法、總酚含量、總酚抗氧化能力方面,少數人對谷物中酚類物質存在形式進行了研究,但對谷物特別是發芽谷物中不同存在形式的酚類物質形態結構研究鮮見報道。因此,以谷物特別是發芽谷物中酚類物質及其與之相結合的膳食纖維作為天然保健食品功能因子,對改善人類膳食結構、預防慢性代謝疾病有著極其重要的意義。

2 發芽谷物主要物質變化研究現狀及分析

發芽是糧谷類無害化、低成本提升植物種子營養價值和功能性質的重要手段。發芽包括谷物從浸泡開始的一系列有序的生理過程和形態變化過程,分為吸脹、萌發和出苗三個階段。研究表明,谷物吸水萌發后發生了許多生理代謝變化,主要表現在酶的活化、生成,細胞生理活性的恢復,同時伴隨著復雜的生化代謝,使谷物的營養成分和理化性質發生了重大的變化[32,45-46]。谷物種子萌發技術在食品中的應用已經成了研究熱點。發芽食品包括發芽谷物的直接利用,或者利用發芽谷物為原料生產加工出的系列產品。分析發芽過程中營養成分、功能組分的變化,以組分變化為依據開發利用發芽谷物,對于發展發芽食品具有重要意義。

2.1 發芽促使谷物營養成分改善

研究表明,谷物發芽過程中多種酶活力激增,還原糖、維生素、葉綠素等含量均大幅提高[47-48]。大麥發芽過程中由于淀粉酶活性激增使還原糖含量大幅升高,從而導致發芽大麥粉中有較強甜味[49]。蛋白質含量在谷物發芽過程中則呈下降趨勢,但可溶性蛋白含量、總氨基酸含量和必需氨基酸含量增加。張雨薇等[50]探討了發芽對蕎麥蛋白質和氨基酸的影響,結果表明,發芽處理可顯著提高蕎麥蛋白質質量、總氨基酸含量和大部分氨基酸的含量。Bohn等[51]研究發現,谷物發芽過程中植酸酶活性增強,植酸被分解,因而,發芽能夠提高谷物中礦物質元素的生物有效性。谷物芽含有豐富的葉綠素和葉酸。葉綠素與人體內的血液成分很類似,能快速溶入紅血球使人恢復活力,也能進入組織中清除殘留的藥物和毒素,中和不利于健康的化學物質,有清肝、活血、強心臟、降血糖、加速傷口愈合的作用,所以谷物芽被稱為“綠色的血液”。Hefni等[47]發現,發芽可以使小麥的葉酸含量增加4～6倍,即使隨后對發芽小麥進行烘干(50 ℃)磨粉也不會影響葉酸的含量。

2.2 發芽降低或消除谷物原有害物質或抗營養物質含量

發芽可以降低或消除谷物和豆類中有毒、有害或抗營養物質的含量,提高蛋白質和淀粉的消化率以及某些谷物中限制氨基酸和維生素等營養物質的含量,使得原本不能食用的谷物或只能部分食用的谷物大大提高可食用性和營養價值[52-54]。比如由于蕎麥中含有單寧、植酸和蛋白酶抑制劑等抗營養因子,蕎麥蛋白質消化率低,生物利用率不高。同時,蕎麥中的蛋白酶抑制劑可導致過敏反應[55-56]。而研究認為[57],發芽處理能夠顯著降低蕎麥蛋白酶抑制劑的含量,提高蛋白質的質量。糙米在發芽之前,鈣、鎂等礦物質元素大部分與植酸結合在一起,人體無法吸收,經發芽處理后植酸酶活性增強,促使礦物質元素呈游離態,從而大大提高生物有效性[51],且一些原來不能消化的營養組分也能被有效地吸收,糙米品質得到較大改善。

2.3 發芽富集谷物功能活性成分

燕麥、蕎麥、糙米等谷物發芽后,抗氧化活性顯著增強。Kim等[58]對甜蕎麥芽與苦蕎麥芽中酚類物質進行了比較研究,研究結果認為,發芽6～10 d的蕎麥芽單體酚含量顯著提高,而苦蕎芽中單體酚含量變化不明顯。苦蕎芽中的蘆丁含量卻顯著高于普通蕎麥。Sawai[59]研究了光照強度對蕎麥芽和苦蕎芽中黃酮類物質的影響,研究認為隨著光照強度的提高蕎麥芽和苦蕎芽中蘆丁含量相應提高,而葒草素等其他黃酮類物質含量變化不明顯。付曉燕等[25]研究了燕麥多酚純化、發芽燕麥不同組分的多酚分布及抗氧化活性,結果表明,燕麥發芽后蒽酰胺的含量顯著提高。徐建國[60]以山西產裸燕麥為原料,對燕麥發芽過程中多酚含量及其抗氧化活性的變化進行了研究,結果表明燕麥發芽過程中游離酚、結合酚及總酚含量均有不同程度增加,清除自由基能力顯著增強。Szwajgier等[61]研究結果表明,小麥發芽后酚酸含量,特別是阿魏酸含量顯著增加。甘人友等[62]對發芽黑小麥的研究結果認為,發芽3～8 d可顯著提高黑小麥可溶性和結合性提取物的抗氧化活性和總酚含量,可溶性提取物主要是黃酮類,結合性提取物主要是阿魏酸和香豆酸。

發芽谷物中其他功能性成分含量也有較大提升。糙米發芽后谷胱甘肽等含量呈現顯著增加[63-65]。大豆發芽后可溶性膳食纖維含量增加,使大豆的營養價值提高且更適宜于人體的消化吸收[66]。糙米發芽后不溶性膳食纖維的含量下降,而可溶性膳食纖維的含量則有較大增加,生理活性有較大提升[46]。Kanauchi等[67]研究表明,發芽大麥可保持大腸內高水分環境,具有改善通便、防治腹瀉、增加短鏈脂肪酸和改善潰瘍性大腸炎的效果。此外研究發現[68],發芽可以提高谷物中γ-氨基丁酸的含量。

因此,利用谷物萌發技術可以對其特定營養成分進行轉化,從而加工某一成分含量高或低的產品。但是,在提高谷物營養、功能和風味品質的同時,發芽也可能造成某種程度的營養缺陷。張端莉等[49]發現,大麥發芽過程中β-葡聚糖、胱氨酸和脯氨酸等含量會隨發芽時間的延長而下降,這對發芽大麥的營養價值也產生了一定的負面影響。這是在發展萌動食品時所需要注意的,可以通過合理的調整工藝,避免有益成分的過度消耗。

3 結論及展望

綜上國內外研究現狀及發展動態分析,國內外研究者對谷物營養物質和活性成分進行了大量研究,且發芽谷物活性成分研究成為熱點,但主要集中在酚類物質提取和活性研究上,對多種發芽谷物活性成分系統、對比研究非常有限,特別是對包括黑小麥在內的發芽谷物主要抗氧化活性成分結構鑒定研究更是鮮有報道。結構研究是天然活性成分一項重要的研究內容,且高級功能食品的開發對功能成分結構研究是必需的。隨著質譜技術和核磁共振波譜技術的迅速發展,結合高效液相色譜聯用,發芽谷物中主要活性成分的結構研究已成為可能。因此,加強發芽谷物“膳食纖維-酚類抗氧化劑復合物”結構及功能解析將成為新的研究方向。

創新發芽方式亦將成為新的研究熱點。電解水因其殺菌高效、綠色環保、制取方便和成本低廉等優點而被廣泛應用于食品加工、植病防治和醫療衛生等領域[69]。且微酸性電解水對芽苗菜類有促進種子萌發、提高營養成分和活性物質作用[70-71]。因此,用電解離子水對谷物種子浸泡不僅可以免除單獨殺菌消毒環節,還可以提高發芽種子的營養品質和特殊成分活性,具有較大的應用空間。