谷子的生產概況及其保健功能與機理研究進展

劉建壘，常 柳，段曉亮，王文娟，孫 輝

（國家糧食和物資儲備局科學研究院糧食品質營養研究所，北京 102629）

谷子（Setaria italicaL.），又稱粟、稷，屬禾本科（Poaceae）狗尾草屬（Setaria）。谷子起源于中國，在距今8000年前后就已經開始種植[1]，谷子首先在黃河流域被馴化，之后傳播到全國各地[2]。谷子具有節水、抗旱性強、適應性廣等特點[3]，使其在旱作農業中起著十分重要的作用。

谷子脫殼后稱為小米（Foxtail millet），也稱粟米，它富含多種營養物質，其中，粗蛋白干基含量可達12%~14%[4?6]，且蛋白消化率可達78%以上[7]；小米的必需氨基酸指數（Essential amino acids index，EAAI）可達到80[8]，氨基酸比例接近于FAO/WHO理想氨基酸標準，適合人體氨基酸配比[9]，是替代動物蛋白食品的理想選擇[10]。小米粗脂肪含量在3.6%~4.5%之間[4,11]，其中，不飽和脂肪酸含量達82%以上[11]。與其他谷物相比，小米中膳食纖維含量相對較高，且74%以上為不溶性膳食纖維含量[12]。小米中維生素含量多且種類豐富，維生素B1、維生素B2、維生素E含量均高于小麥粉和稻米，還含有一般糧食中不含有的維生素A和胡蘿卜素[13]。小米中還含有豐富的功能活性物質，如黃酮、多酚、低聚糖等[14?15]。

隨著生活水平的提高，人們對營養和健康食物的需求也不斷增加。小米是碳水化合物和功能活性成分的豐富來源；且小米既便宜又容易獲得，可以用于生產各種食品產品[16]，小米和以小米為基礎的強化功能產品對各種與健康有關的問題和慢性疾病具有一定的改善作用[17]，人們對其關注度也越來越高。

但是，目前尚缺乏對谷子保健功能及其機理的綜合介紹。因此，本文首先介紹了谷子的生產概況，進而綜述了國內外有關谷子保健功能及其機理的研究進展，以期對谷子的保健功能有更全面深入的了解，這對于引導綠色優質糧油產品消費，推動糧食產業高質量發展具有重要意義。

1 谷子的生產概況

谷子的種質資源豐富，截止2022年2月，國家基因庫谷子數據庫（MilletDB）（https://db.cngb.org/millet）收錄的谷子品種數達2540個，按米色可分為黃、淺黃、白、灰褐等不同顏色，其中以黃色系（黃和淺黃）小米品種為主，占全部谷子品種數的91.8%[18]。谷子按粒質分為粳型和糯型，相應的由粳粟和糯粟加工而成的成品糧，分別稱為粳性小米和糯性小米[19?20]。我國是世界上谷子資源保有量最豐富的國家，據統計，我國已鑒定編目的谷子遺傳資源有27059份，其中，國內26536份，國外523份；粳性品種和糯性品種分別占89.5%和10.5%[21]。

中國是世界上谷子種植面積最大的國家，占世界總種植面積的90%以上[22]。2020年6月最新出版的《中國農業統計資料（1949-2019）》[23]顯示，1949年以來，我國谷子播種面積總體呈下降趨勢，并有三次快速下降期（圖1）。第一次，1955~1960年，我國谷子播種面積從892.9萬公頃下降到570.4萬公頃，5年間下降了322.5萬公頃；第二次，1970~1980年，我國谷子播種面積從691.3萬公頃下降到387.2萬公頃，10年間下降了304.1萬公頃，平均每年下降30.4萬公頃；第三次，1983~2005年，我國谷子播種面積從408.7萬公頃下降到84.9萬公頃，22年下降了323.8萬公頃。此后，我國谷子播種面積波動相對不大，維持在72.1~86.1萬公頃左右。2018年10月，全國農業技術推廣服務中心發布的《2017年全國農作物主要品種推廣情況統計》顯示，2017年全國谷子主推品種為151個，這些谷子主推品種的種植面積占70.2萬公頃。

圖1 1949~2019年我國谷子種植面積、總產量變化Fig.1 Changes of foxtail millet planting area and total yield in China from 1949 to 2019

從谷子總產量來看，谷子總產量的變化趨勢同總播種面積的變化趨勢基本一致，在2008年下降到最低點125萬噸后，又逐步回升；到2019年，全國谷子總產量達254萬噸（圖1）。

從谷子單產來看，1949年以來，我國谷子的單產整體呈上升趨勢，特別是2008年以后，谷子單產大幅提升，從2008年的1495千克/公頃上升到2019年的3058千克/公頃（圖2）。2008年，谷子被列入國家現代農業產業技術體系，科技投入的加大和技術進步的加快，農業結構調整和市場需求變化，使谷子產業又面臨了一次難得的機遇。到2019年，全國谷子播種面積回升到83.1萬公頃，單產也達到了歷史最高點。

圖2 1949~2019年我國谷子單產的變化Fig.2 Changes of foxtail millet yield per unit area in China from 1949 to 2019

從谷子不同種植地區來看，2012~2016年平均年種植面積較大的?。▍^）依次是山西省、內蒙古自治區、河北省、陜西省、遼寧省、吉林省、河南省、山東省、甘肅省、黑龍江省、寧夏回族自治區和貴州省，這12個?。▍^）谷子面積占全國谷子總面積的99%；其中，華北最干旱的山西、內蒙古、河北3個?。▍^）谷子占全國68%的面積和64%的產量；山西省的平均年種植面積居第一位，河北省的年產量居第一位。各省區間由于自然和生產條件的差異，單產差異較大，其中，吉林、黑龍江、河北單產水平較高；寧夏、河南、陜西單產水平較低[21]。劉杰安等[24]分析了近30年（1985~2015年）我國谷子生產時空變化與區域優勢，發現谷子的優勢產區穩定在東北地區中西部、黃淮海平原中北部和北部中低高原區東南部，具體集中在內蒙東部、東北三省與內蒙接壤的縣域、河北大部、河南西北部、山東中部、山西大部、陜西北部、甘肅東部及寧夏中部。

2 谷子的保健功能及其機理

歷代醫藥學著作中都有“藥食同源”之說，谷子由于其較高的營養價值，在古代醫學中多用作服用中藥的引子[25]。早在《本草綱目》中就記載，小米“煮粥食，益丹田，補虛損，開腸胃”。現代營養學研究也表明，谷子具有抗氧化、降血糖、降血脂、降血壓、抗腫瘤、免疫調節、保護肝臟等多種保健功能，以下對國內外有關谷子的保健功能及其機理的研究進展分別進行介紹。

2.1 抗氧化

谷子中含有多種抗氧化活性成分，包括多酚類物質[14]、蛋白水解物[26]、類胡蘿卜素（主要是全反式葉黃素和全反式玉米黃素）[27]、可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維（半纖維素A、半纖維素B、纖維素、木質素、果膠）[28]、多糖[15]等物質，均有較好的自由基清除能力[29]。通過自由基清除能力和鐵還原能力的體外測定，發現小米可溶性膳食纖維的抗氧化活性高于不溶性膳食纖維[28]；小米β-葡聚糖也具有較強的DPPH自由基清除能力和鐵還原抗氧化能力[15]。小米制品，如添加30%的曲奇餅干仍然具有較強的抗氧化活性，還可延長小米制品的貨架期[30]；小米谷糠油也能顯著提高高血脂型大鼠機體的抗氧化活性[31]。發芽后小米的抗氧化能力，包括DPPH自由基清除能力、H2O2清除能力、鐵還原抗氧化能力及金屬螫合能力均顯著提升（P<0.05）[32?33]。

2.2 降血糖

有研究發現，用45%的小米粉和55%的精制小麥粉制成的小米餅干，血糖生成指數（glycemic index, GI）僅為50.8，是糖尿病人的理想食品[34]；一項為期12周針對45例未經治療的輕度高血壓患者臨床干預研究發現，平均每天攝入約50 g糙小米代替部分常規主食，也可改善受試者的空腹血糖[35]。SIREESHA等[36]研究發現，連續30 d給糖尿病大鼠按300 mg/kg體重灌胃小米水提物，可顯著降低其空腹血糖水平（P<0.05）。

小米降血糖的作用與其含有的膳食纖維、脂肪酸及多酚類物質有關。谷子中的不溶性纖維可以有效吸附葡萄糖，延緩葡萄糖擴散，進而促進葡萄糖在胃腸道的吸附。此外，它們能有效抑制α-淀粉酶活性，阻礙碳水化合物的消化，延緩葡萄糖的釋放，從而改善胰島素敏感性，降低糖尿病的風險[37?38]，小米中的不飽和脂肪酸可以同淀粉形成復合物，導致淀粉水解的減少。油酸是一種非常有效的減少淀粉水解量的脂肪酸，而反式油酸的效果不如順式構象的油酸有效[39]。脂肪酸與淀粉相互作用的數量和類型對小米的降血糖性能有重要影響。在小米加工過程中，保持其脂肪酸的存在，并避免其不飽和脂肪酸向反式轉變的過程，對于保持小米的降血糖特性非常重要。小米中的多酚也能抑制α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和胰淀粉酶的活性，進而降低小米淀粉的消化速率[40?42]。

此外，小米水溶性膳食纖維經發酵可以產生短鏈脂肪酸[43]，短鏈脂肪酸在維持腸道和代謝健康方面發揮著重要作用，對于預防胃腸道功能障礙、肥胖和II型糖尿病具有科學價值[44]。如，乙酸鈉和丙酸鈉可顯著降低以鏈脲佐菌素（Streptozotocin, STZ）誘導的糖尿病小鼠的累計進食量，丙酸鈉可以顯著降低血糖水平（20.65%）和胰島素抵抗（11.19%），增強β-胰細胞功能（64.50%）（P<0.05），提高葡萄糖耐量，對胰腺組織損傷起到改善作用[45]。

2.3 降血脂

小米具有良好的輔助降血脂功效，添加10%和50%的小米均可有效減少高脂飲食大鼠肝臟中的脂肪積累，降低血清及肝臟中的甘油三酯和總膽固醇水平；降低血清低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）的水平，增加高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）的水平[46]；當小鼠維持飼料中小米比例為40%時，可使阿托伐他汀對高血脂小鼠的治療時間從28 d縮短至7 d[47]。

小米水提物、醇提物、小米谷糠油及膳食纖維等成分均具有降血脂的作用。SIREESHA等[36]研究發現，連續30 d給糖尿病大鼠按300 mg/kg體重灌胃小米水提物，表現出明顯的降血脂作用，可以顯著降低糖尿病大鼠的甘油三酯，總膽固醇、LDL-C和極低密度脂蛋白膽固醇的水平，增加HDL-C的水平（P<0.05）。谷子乙醇提取物能顯著降低HepG2細胞脂質積累、總膽固醇和甘油三酯水平（P<0.05）[46]。趙陳勇等[31]研究了小米谷糠油對高血脂型大鼠的血脂水平的影響，發現灌胃0.5 g/kg體重的小米谷糠油降血脂效果最好。小米糠膳食纖維經木聚糖酶催化水解后，對膽固醇的結合能力增強到原來的2.23倍[48]。發芽粟米也可有效調節高血脂小鼠的脂質代謝，它能顯著降低總膽固醇、甘油三酯及LDL-C水平，并顯著升高HDL-C水平（P<0.05）[49]。

小米可能通過調節脂質代謝相關基因的表達或腸道微生物組成來發揮降血脂作用：如，下調與肝臟脂質代謝相關的基因SREBP-1C、FAS及HMGCR的表達；增加短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸等）水平，改善了腸道菌群（降低了厚壁菌門的數量，增加了放線菌的數量）的組成等[46,50]。

脂質代謝障礙為動脈粥樣硬化的病變基礎。LIU等[51]研究發現，谷子麩皮中提取的一種過氧化物酶具有潛在的抗動脈粥樣硬化作用，它能夠減少ApoE-/-小鼠構建的動脈粥樣硬化模型的主動脈病變面積，抑制主動脈竇CD36和STAT3的表達，升高血清HDL-C濃度；同時抑制HASMCs和THP-1細胞的脂質吞噬作用，抑制效果分別為52%和49%。這些結果表明谷子麩皮過氧化物酶在預防動脈粥樣硬化發展方面有很大的潛力。

2.4 降血壓

糙小米及小米蛋白水解物均具有一定的降血壓效果。一項 為期12周的針對45例未經治療的輕度高血壓患者臨床干預研究發現，平均每天攝入約50 g糙小米代替部分常規主食，可顯著降低參與者的收縮壓（4.13 mmHg，P=0.022）和舒張壓（3.49 mmHg，P=0.002）；此外，他們的體重指數、體脂百分比、脂肪量也明顯減少；這說明糙小米是一個潛在的營養和功能食品的來源，可能改善高血壓和減輕相關的心血管疾病[35]。此外，CHEN等[52]研究也發現，將自發性高血壓大鼠連續4周按200 mg肽/kg體重灌胃小米蛋白水解物（特別是生的和擠壓的水解物）后，可改善其高血壓及相關心血管疾病；給自發性高血壓大鼠灌胃100 mg/kg體重的小米米糠蛋白水解物（<1 ku的組分）6 h后，可降低其收縮壓約37.8 mmHg[53]。

小米可通過其蛋白水解肽來抑制血管緊張素轉化酶（angiotensin converting enzyme, ACE）和腎素的活性，降低血漿血管緊張素II的含量，進而發揮降血壓的作用[52?53]。灌胃100 mg/kg體重的小米米糠蛋白水解物（<1 ku的組分），可使自發性高血壓大鼠ACE活性抑制率達73.667%，腎素抑制率為74%[53]；自發性高血壓大鼠連續4周灌胃小米蛋白水解物后，血漿血管緊張素II的含量由（2.85±0.29）ng/mL降低到（1.68±0.48）ng/mL[52]；且經擠壓處理的小米蛋白水解多肽ACE抑制活性顯著提高（P<0.05），IC50值為0.057 mg肽/mL[54]。鄒智鵬等[53]從小米米糠蛋白水解物中鑒定出7個ACE抑制小肽序列VALVR、VLER、VVRP、WVGK、FGPK、VLLF和LFGK，具有良好的降血壓活性。

2.5 抗腫瘤

小米提取物如多酚、類胡蘿卜素及活性蛋白組分等均具有抗腫瘤活性。小米糠內殼結合酚對氧化偶氮甲烷和葡聚糖硫酸酯誘導的小鼠結直腸癌有良好的抑制作用，它能減少腫瘤的數量和體積，保護上皮結構不受損傷[55]。小米糠結合酚對結腸癌細胞系HT-29及HCT-116細胞的增殖有明顯的抑制作用，且在裸鼠模型中也具有抗腫瘤細胞增殖活性[56?57]。小米提取物（多酚、類胡蘿卜素）具有抗惡性細胞增殖的作用，可有效抑制人乳腺癌MAD細胞和人肝癌HepG2細胞的增值[58]。單樹花[59]利用生物化學技術從米糠蛋白粗提液中獲得了單一的抗腫瘤活性蛋白組分，證實該蛋白在細胞水平和裸鼠體內均能發揮抗腸癌作用。

小米糠內殼結合酚通過改變如COX-2、EMRI、PCNA和caspase-3等結直腸癌形成相關的生物標志物；使小鼠腸道菌群趨于正常，并對幾個負責17條信號通路的基因進行調控[55]；還可通過抑制結直腸癌細胞增殖，促進細胞凋亡，并通過抑制HCT-8/Fu細胞耐藥蛋白表達，增加化療藥物積累，從而顯著提高化療藥物的敏感性[60]。谷子麩皮中的結合多酚還可通過重編程miR-149介導的有氧糖酵解，在HT-29和DLD1細胞中顯示出抗增殖活性[56?57]。米糠蛋白組分通過誘導腫瘤細胞內產生過量的活性氧發揮其靶向抗腸癌效應；通過誘導結腸癌DLD1在細胞周期G0/G1期阻滯而抑制其細胞增殖；通過caspase介導的內源性和外源性凋亡途徑誘導結腸癌細胞凋亡；通過拮抗STAT3介導的EMT通路來抑制結腸癌細胞轉移[59,61]。小米糠過氧化物酶通過阻斷甘油磷脂代謝來抑制結腸炎相關結直腸癌的發生[62]。

2.6 免疫調節作用

全谷物小米、小米麩皮醇提物及小米多肽在細胞水平和動物實驗水平均表現出一定的免疫調節作用。如，王菁[50]研究發現，全谷物小米可有效改善胰島素抵抗狀態下大鼠的血清炎性因子水平，可以降低高脂飲食大鼠血清的脂多糖（LPS）、高敏C-反應蛋白（hs-CRP）及白介素6（IL-6）的濃度。HOSODA等[63]研究發現小米麩皮甲醇提取物對脂多糖誘導的巨噬細胞（RAW264.7）具有免疫調節作用，能夠抑制NO及炎性細胞因子，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和IL-6的產生。劉劍利等[64]將小米多肽分為高、中、低劑量組喂飼小鼠，研究了小米多肽對小鼠的免疫調節作用，發現不同劑量的小米多肽有明顯的刺激淋巴細胞轉化的作用，進而使小鼠淋巴細胞增殖，增強細胞的免疫作用，小鼠巨噬細胞的吞噬功能及脾臟指數也顯著提升。

全谷物小米可能通過改善腸道菌群，降低LPS的滲透，改善糖脂代謝及炎性因子的關鍵基因和蛋白的表達，從而降低由高脂高膽固醇膳食誘導的機體炎性水平[50]。小米多肽可能主要通過促進機體的細胞免疫水平、增強白細胞吞噬能力、促進免疫器官發育、提高脾臟指數、増加血清溶血素中抗體的含量等，進而調節細胞免疫和體液免疫能力[64?65]。

2.7 保護肝臟

小米蛋白、小米谷糠蛋白及多肽對肝損傷小鼠的肝臟均具有較好的保護作用。MOHAMMAD[66]研究發現，攝入未加熱小米蛋白膳食和未加熱強化小米蛋白膳食，可顯著降低D-半乳糖苷誘導的肝損傷小鼠體重，提高其肝重；且小鼠血漿和肝中HDLC顯著提高（P<0.05），總膽固醇、LDL-C和甘油三酯顯著下降（P<0.05）；肝臟組織病理學顯示，小鼠肝細胞壞死和惡化現象有所緩解。小米糠多肽對AP-NaNO2導致小鼠肝癌有明顯的抑制作用，可通過輔助提高機體抗氧化能力、促進肝臟酶活性、保護肝細胞膜，從而減輕肝細胞的病變程度[65]。小米谷糠清蛋白對CCl4所致的化學性肝損傷及酒精所致酒精性肝損傷具有保護作用，且呈劑量關系；水解谷糠蛋白對酒精所致酒精性肝損傷具有保護作用。這對開發小米保肝食品，預防肝損傷發生及緩解肝損傷病癥都有積極的作用[67]。

此外，動物實驗表明，小米糠膳食纖維對便秘模型小鼠具有一定的增加腸蠕動和促進排便的作用[68]；同時，腸粘膜與糞便的接觸時間減少還可降低某些致癌物質的產生，對消化道疾病有一定的預防作用。

3 結論與展望

大量研究表明，谷子及其功能成分（主要是酚類物質、活性肽、膳食纖維、類胡蘿卜素、脂肪酸等）具有抗氧化、降血糖、降血脂、降血壓、抗腫瘤、免疫調節、保護肝臟等多種保健作用。但是，目前關于小米保健功能的研究，主要還是在細胞水平或動物（小鼠、大鼠）實驗水平；雖然也有少數的人群實驗報道，但樣本量不夠多，實驗周期不夠長；此外，目前的動物實驗基本都是基于人工造模，對于正常的健康群體是否同患病群體具有一樣的保健效果并不十分明確。因此，谷子及其功能成分對正常健康群體的保健作用還有待進一步闡釋；長期食用小米對人群健康的保護作用也有待進一步深入研究。

綜上所述，在日常飲食中經常食用小米和以小米為基礎的產品有助于保持和增進人體健康。小米和以小米為基礎的強化功能產品對各種與健康有關的問題和慢性疾病可能是一個福音。

為更好地發揮谷子的保健作用，今后應充分利用和發揮我國豐富的谷子資源優勢，綜合開展谷子功能活性成分的高效分離純化技術研究，深入揭示谷子功效成分的化學結構及其構效關系，并發掘更多的功能活性成分；同時，加強我國谷子深加工產品的開發與利用，研發針對不同人群具有營養與保健作用的新型小米食品，實現谷子資源的高效利用和生產的可持續發展。