雜糧營養物體內和體外消化研究現狀及其產物的功能性

姜 鵬, 劉 念,3, 戴凌燕, 阮長青, 張東杰,3, 王長遠, 李志江,3

(黑龍江八一農墾大學食品學院1，大慶 163319) (黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心2，大慶 163319) (國家雜糧工程技術研究中心3，大慶 163319) (黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院4，大慶 163319)

雜糧是指除了玉米、小麥、水稻、薯類、大豆等五大作物以外的糧食作物，與傳統的主糧相比，雜糧含有膳食纖維、維生素、礦物質(鐵、鋅等微量元素)和氨基酸等豐富的營養物質[1]。體外消化模型是用來模擬營養物質在體內的消化吸收情況的一種模型，雜糧中的功能性成分如β-葡聚糖、多糖、酚類和纖維素等，在預防各種癌癥、提高機體免疫力及降低糖尿病發病率等方面發揮著重要的作用。為評價雜糧營養物的研究現狀，本文綜述了雜糧在體內外消化過程中淀粉、蛋白質、酚類、多糖等營養物質的變化，并概述了雜糧消化產物的功能。

1 體內和體外消化產物的研究現狀

1.1 體內和體外消化的方法學

體外消化模型是一種用來模擬口腔-胃-腸道中食物的結構變化、消化吸收率和釋放的一種模型，根據目前現有的研究方法可將其分為靜態模型、動態模型以及細胞培養模型[2](表1)，其中雙室/多室動態體外模型具有較好的模擬特性，對蛋白質的消化應用較廣。Miller等[3]通過模擬鐵元素在人體中的消化吸收情況提出了體外消化模型的概念，隨后體外消化模擬逐漸得到應用。Sun等[4]詳細地介紹了肉類、魚類、乳制品等食物在體外消化模型中的應用并對體外消化條件進行了分析。Hollebeeck等[5]采用響應面的方法進一步對消化過程中的pH、時間、酶濃度等三個因素進行了條件優化。Minekus等[6]提出了一種通用的、標準化的靜態體外消化模型并得到了廣泛的應用。食物在體內的消化吸收往往會受到食物本身的相互作用以及消化環境的影響，研究時首先要考慮各消化部位所需的條件(如pH、溫度、酶的類型)，其次要明確各消化部位在消化食物的過程中所吸收的營養物及生物活性化合物的量[7]。劉江寧等[8]以8種雜糧混合粉為原料，通過模擬體外消化確定了發酵雜糧粉中多酚和黃酮的最佳釋放時間為胃消化1 h、腸消化2 h，在此條件下，多酚和黃酮的生物利用率為11%左右，為酚類物質的體外消化條件提供了一定的參考。

體內消化系統條件復雜，體內實驗存在周期長、費用高、結果的重復性較差，且存在著倫理道德等問題，因此模擬體外消化成為學者們研究食物消化吸收過程的一個重要手段[9]。由于在模擬體外消化過程中很難控制其消化條件，導致實驗結果與真實值之間會存在一定的差異，所以應當進行驗證性實驗，確保體外實驗結果與體內實驗結果的一致性，從而提高實驗結果的準確性。

1.2 雜糧與主糧營養物的主要差異

雜糧營養物質較為豐富，如薏米中膳食纖維含量是大米的7倍；蕎麥中賴氨酸的含量是大米的3.1倍、小麥的2.3倍；小米脂肪組成中含有70%的亞油酸，而大米和小麥中僅含31%和42%[13]。因此，相比于主糧，雜糧具有較優的營養價值和良好的保健效果，對豐富主糧膳食組成具有重要的意義。

徐元元等[14]研究發現蕎麥、燕麥等6種雜糧中總酚含量顯著高于小麥、大米2種主糧，薏米、燕麥中黃酮含量顯著高于小麥等主糧。通過對抗氧化能力測定發現，除糜米外，雜糧的抗氧化活性均高于主糧。Alvarez-Jubete等[15]通過研究也證實了蕎麥、藜麥等雜糧的酚含量與抗氧化能力高于小麥等主糧。因此，食用雜糧比主糧可能將攝入更多的營養和功能成分，有益機體健康。

1.3 雜糧與主糧的體內與體外消化差異

雜糧與主糧中營養物質在體外消化過程中也存在著差異，研究發現雜糧中抗性淀粉含量顯著高于大米，且經過蒸煮、微波、加壓等加工方式處理后進行體外消化，雜糧中淀粉的消化率顯著低于大米，原因可能是抗性淀粉的存在降低了淀粉的消化率[16]。

表1 常見的體外消化模型及優缺點

此外，雜糧中淀粉可以延緩餐后血糖的上升，體外及體內實驗均證明了小麥和玉米中葡萄糖的生成量高于蕎麥，因此蕎麥淀粉的消化吸收速率較慢，對維持餐后血糖具有積極意義。通過對比發現，在采用高壓蒸煮模擬胃消化時，燕麥中蛋白的消化率(49.03%)低于大米(THXM秈米78.29%、JJGM粳米77.17%、JZM秈米68.47%)，這可能與高壓蒸煮的條件有關，也可能由于燕麥中的蛋白主要在腸中被消化(燕麥在小腸中蛋白消化率為78.84%)，具體原因還有待進一步證實[17,18]。

2 雜糧體內和體外消化研究現狀

2.1 宏量營養物的消化

2.1.1 淀粉

淀粉的結構對消化具有一定的影響。王竹等[19]通過體內、體外實驗結合的方法證實，2 h以內在小腸內被消化吸收的是可消化淀粉(包括RDS和SDS)，而2 h后在小腸內不被消化吸收的淀粉為抗性淀粉，抗性淀粉通過降低小腸內葡萄糖的含量刺激類胰高糖肽-1的分泌，從而抑制胃液的分泌。淀粉對消化酶的易感性可影響淀粉在腸道中的消化率和吸收速度，研究表明淀粉在口腔中初步被唾液淀粉酶消化，在α-淀粉酶和黏膜α-葡萄糖苷酶的作用下在小腸中轉化為葡萄糖，因此α-淀粉酶和黏膜α-葡萄糖苷酶共同決定淀粉的消化速率[20]。此外，細胞壁結構對淀粉的消化率也有一定程度的影響，由于淀粉通常存在于胚乳的細胞壁內，細胞壁主要是由纖維素、葡聚糖、木聚糖等非淀粉多糖構成，而葡聚糖對淀粉酶具有一定的抗性，但細胞壁在經過研磨等工藝被破壞后，淀粉顆粒會更易與酶接觸，從而提高消化率[21]。

圖1 高靜水壓處理對蕎麥淀粉結構影響電鏡掃描圖[23]

發芽、擠壓、高靜水壓等加工方式對淀粉的消化率也有一定程度的影響(表2)，如高溫促進燕麥RDS含量提升、高壓處理降低蕎麥RDS含量等。研究表明，種子發芽過程中包裹在淀粉外層的蛋白質和纖維基質等會發生松動，從而有利于淀粉酶對淀粉的水解作用，萌發過程也會使淀粉酶抑制劑活性變弱，α-淀粉酶活性增強，因此發芽可以提高淀粉的消化率[22]。一定的外界壓力對淀粉消化率也有影響，在120～480 MPa壓力作用下，蕎麥淀粉的晶型沒有變化，而在600 MPa下蕎麥淀粉晶型由“A”型變成“B”型，因此高壓可以破壞淀粉晶型，影響內部的有序性，從而增加α-淀粉酶的水解位點，提高淀粉的消化率(圖1)[16,23]。因此，不同的加工方式會改變淀粉內部的結構，使淀粉內部的有序性、結晶結構發生變化，利于α-淀粉酶對淀粉的作用，使淀粉消化率升高或降低，進而利于開發適于不同類型人群食用的淀粉類食品。

表2 加工方式對淀粉體外消化率的影響

2.1.2 蛋白質

雜糧中蛋白質含量豐富，具有增強身體抵抗力、形成新的組織、參與物質代謝與能量代謝、提供能量等功能特性[27]。但其氨基酸組成不均衡，如高粱、燕麥、薏仁中第一限制性氨基酸為賴氨酸[28]。研究多集中于加工方式對雜糧蛋白質的消化率的影響(表3)，如熱處理、超高壓處理、脫酰胺處理、堿處理等，其中蒸煮可以降低紅、白高粱全蛋白質和蛋白質消化率，發芽可提升糜子與燕麥中蛋白質消化率。范冬雪等[29]研究蒸、煮、擠壓等熱處理對小米中蛋白質消化率的影響，小米中蛋白質消化率分別降低31.00%、17.15%、11.02%，原因可能是小米中醇溶蛋白經過熱處理后二硫鍵作用增強，小分子蛋白質發生聚集，造成蛋白質溶解性降低，疏水作用增強，影響蛋白酶對蛋白質的水解；Oria等[30]發現高粱蒸煮20 min后蛋白質消化率降低25%左右，加入還原劑(亞硫酸氫鈉)處理后，蒸煮和未經蒸煮的蛋白消化率分別升高23.8%和12.6%，說明蒸煮可以使高粱蛋白消化率降低，而還原劑的加入可以使難溶的醇溶蛋白間的二硫鍵斷裂，蛋白消化率升高。

此外，淀粉對蛋白質的消化率也有一定程度的影響。Duodu等[31]研究發現，預先用α-淀粉酶處理的紅、白兩種高粱，其蛋白質的消化率分別升高20%和15%，原因可能是蛋白質表面包裹的淀粉被分解后，蛋白質的酶作用位點會暴露出來，易于蛋白酶的水解。此外，一些抗營養因子的存在也會影響蛋白質的消化率。Duodu等[32]發現，高粱中的單寧會與蛋白質形成復合物，植酸會與蛋白質形成不溶性絡合物，均會使高粱蛋白質消化率降低。

蛋白質的消化率不僅與外界因素有關，植物本身成分發生的相互作用也會對其產生一定的影響，應綜合多個方面對雜糧中的蛋白質進行加工和利用。

表3 加工方式對蛋白質體外消化率的影響

2.1.3 脂肪

脂肪在雜糧中的含量顯著高于主糧，其不飽和脂肪酸對動脈粥樣硬化等疾病具有預防作用，近年來，國內外關于雜糧中脂肪的體內、體外消化的研究比較少，雜糧中的淀粉、酚類含量都會對脂肪的分解造成影響。單甘油酯會與直鏈淀粉形成絡合物，這種絡合作用會隨著脂肪酸的鏈長和飽和程度的增加而增加，進而降低淀粉的消化率，因此含有高直鏈淀粉的食物可以降低血糖和胰島素水平[35]。Wang等[36]發現擠壓(120 ℃，120 r/min)可以使直鏈淀粉與脂肪形成直-脂復合物，使脂肪質量分數降低78%。胰脂肪酶參與脂肪分解的過程，而多酚對胰蛋白酶具有抑制作用，因此多酚可以抑制脂肪的分解，起到降低血脂的作用。此外，葡萄糖作為脂肪合成的主要原料，當其含量過高時會有助于脂肪的合成，對降脂有不利的影響[37]。燕麥油可以增強飽腹感，這與燕麥中的極性脂質有關，燕麥中極性脂質主要由半乳脂質和甘油磷脂組成，而甘油磷脂中含有大量對胰脂肪酶具有抑制作用的磷脂酰膽堿[38]，Lindberg等[39]通過建立人體腸道脂解簡化模型，即未模擬脂肪在口腔和胃部的消化，使脂肪直接進入十二指腸消化，證實了燕麥中的極性脂質可減緩脂肪分解，使脂解率降低(極性脂質質量分數為4%、15%、40%時，脂解率分別降低約5.0%、5.5%、6.2%)，但其并未考慮到其他營養成分的消化對脂肪分解是否會有影響。因此，影響脂肪分解的主要因素是淀粉、酚類以及分解脂肪的酶類，對于其他因素是否產生影響還有待研究。

2.1.4 纖維素

纖維素在燕麥、大麥中含量較高[40,41]。由于人體腸道內不存在纖維素酶，故纖維素在小腸中通常不被消化吸收，但部分會在大腸中微生物的作用下被發酵。纖維素在胃中可以吸收水分，遇水會形成黏稠狀物質，增強飽腹感，對胃排空具有延緩作用，并可以抑制葡萄糖的釋放，減緩淀粉的消化率，進而影響胰島素水平和血糖水平，且其抑制淀粉水解的作用顯著高于脂肪和蛋白質[42,43]。李楠等[44]通過體外消化研究發現在餅干中添加纖維豐富的燕麥麩可抑制蛋白水解和葡萄糖的釋放。因此，作為主食的有益補充，雜糧提供了豐富的膳食纖維素，達到為機體控制肥胖和降血糖等作用。

2.2 痕量營養物的消化

2.2.1 酚類物質

酚類具有調節腸道菌群、降低血糖及心腦血管疾病等功效[45,46]，可以分為游離態(多存在于種子的外種皮中)和結合態(多存在于細胞壁中)，雜糧中酚類主要以結合態形式存在[47]。多酚類物質主要以聚合物、糖基化以及酯類的形式存在，多酚通常由胃中的胃消化酶、小腸上皮黏膜的刷狀緣酶(LPH)以及大腸中微生物群落的作用下斷裂糖苷鍵并釋放苷元，隨后以主動運輸或被動擴散的形式進入小腸或大腸的上皮細胞被吸收，在Ⅰ相代謝(主要是在CYPs酶系的作用下發生)和Ⅱ相代謝[主要包括葡糖醛酸化、硫酸鹽化及由COMT(兒茶酚氧位甲基轉移酶)介導的甲基化反應]的作用下，部分進入血液循環，剩余部分被外排至腸腔。酚酸類物質主要在胃中吸收，游離態多酚主要在小腸中吸收，而結合態多酚主要在結腸中菌群的作用下被吸收[48]。此外多酚可以抑制淀粉酶、葡糖苷酶和葡萄糖轉運體，減少麥芽糖、糊精的生成和葡萄糖的轉運，進而減少胰島素的分泌，降低血糖[49]。

陳壁等[50]通過體外實驗模擬研究發現，青稞經過胃腸消化后總酚含量升高92.87%，生物有效性升高93.17%，且在結腸發酵前期(前30 h)總酚含量升高117%，生物有效性升高110.14%，因此結腸發酵可促進多酚的釋放，提高其生物有效性。

2.2.2 黃酮類物質

黃酮類化合物包括類黃酮、黃烷酮類、黃酮等，是雜糧中常見的多酚物質，具有調節腸道菌群、抑制炎癥等功效[51]。許芳溢等[52]研究發現，添加4%～12%苦蕎芽粉的饅頭中，黃酮在胃腸道中的含量達到最大值，為苦蕎原粉饅頭的7～8倍，可能是因為經過胃腸道中消化酶的作用后細胞壁等結構遭到破壞或者是包裹在酚類外側的蛋白質被胃蛋白酶水解為肽，黃酮類物質被釋放出來，使消化液中黃酮類物質增加[53]。黑色的雜糧食品與淺顏色的雜糧食品相比有較多的花色苷(Cy-3-G、Cy-3-R和Pe-3-G)以及花青素等，因而黃酮含量較高、抗氧化能力也較強[54,55]。陸俊等[56]通過對黑麥、黑蕎麥等6種黑色雜糧體外活性過程中發現，經胃和腸消化后，其黃酮釋放量與對照組相比顯著增加，其中黑麥和黑綠豆的最高；且胰蛋白酶、胃蛋白酶、膽汁可以促進黃酮的釋放量和抗氧化能力，以黑米的變化最為顯著，其中DPPH+、FRAP和ABTS+·在經胃腸消化后，比對照組分別增加了200%、171%和383%。

2.2.3 多糖物質

青稞、燕麥的麩皮中含有豐富的非淀粉多糖——β-葡聚糖，近年來研究多集中于β-葡聚糖降低膽固醇、降血糖、抗腫瘤研究，但對于其抑制機理還有待進一步探討[57,58]。雜糧中的多糖可以維持體重、減弱氧化應激，苦蕎中的多糖可以作為胰脂肪酶抑制因子來控制肥胖，且具有一定的保健功效[59]。丁麗婷等[60]預先喂食高劑量的燕麥多糖與直接口服70%乙醇相比，燕麥多糖可以減弱乙醇對小鼠細胞膜上H+-K+-ATP酶刺激，使胃液pH提升、胃蛋白酶活性增強，減輕胃黏膜損傷，由于乙醇刺激會產生大量的氧自由基，當其超過細胞的抗氧化能力時會產生氧化應激，而燕麥多糖會減緩小鼠胃內超氧化物歧化酶、谷胱甘肽活性的下降及丙二醛(MDA)的增加，減弱氧化應激反應，進而起到保護胃黏膜的作用。

3 雜糧消化產物的功能研究進展

3.1 抗氧化

由活性氧(ROS)引起的氧化應激是導致衰老、心血管疾病等病癥的重要原因。朱仁威等[61]通過模擬體外消化實驗對消化前后的黑米復配粥進行黃酮、酚類以及抗氧化能力的測定，發現經過消化后，多酚、黃酮、DPPH自由基清除等活性均升高，且黑米與紫米、紅米的復配米粥會產生協同抗氧化作用。雜糧在復配后會產生協同抗氧化作用，經過體外消化后這種作用會增強，主要是由于黃酮與酚類物質發生了相互作用，但是在此過程中產生協同抗氧化作用的物質還有待進一步研究。復配的雜糧食品在經過體外消化后抗氧化能力升高，這為食用雜糧與主糧復配產品，進而預防及緩解由氧化應激引起的疾病提供了參考。

3.2 提高免疫力

多糖可以通過激活信號通路以及提高相關細胞因子的表達來提高免疫力[62]，富含多糖的雜糧具有增強免疫力的功能。Fan等[63]通過飼喂免疫力匱乏的小鼠一定劑量的藜麥多糖(QPS)，發現每天喂食50、100 mg/kg的QPS對白細胞介素-6(1L-6)及腫瘤壞死因子(IFN-ɑ)的分化有促進作用，且每天喂食100 mg/kg的QPS小鼠體內免疫球蛋白(IgM)、溶菌酶(LYSO)含量增加，巨噬細胞含量上升，這是由于免疫力匱乏的小鼠體內會暴露大量的環磷酰胺，降低細胞因子含量，而一定劑量的QPS能明顯提高免疫低下小鼠血清中細胞因子的水平，因此藜麥多糖可以調節機體的免疫力。

3.3 預防心血管疾病

心血管疾病主要是由于心臟及血管功能障礙引發的，近年來死亡率、發病率呈上升的趨勢，已經嚴重威脅到人類的健康。預防低密度脂蛋白(LDL)氧化是防治心血管疾病發生的有效手段，雜糧中某些酚類成分(蘆丁、黃酮等)對LDL氧化起到一定的抑制作用，如Pasko等[64]通過動物體內實驗表明，喂食藜麥后的Wistar大鼠低密度脂蛋白、甘油三酯、血清總膽固醇含量均降低。姚軼俊等[65]對蕎麥、薏仁等4種雜糧的體外消化后的多酚提取物，建立HepG2細胞高脂模型，發現隨著多酚含量的增加，甘油三酯、低密度脂蛋白的含量也呈現下降的趨勢，其中蕎麥組甘油三酯含量與模型組相比降低1/3、LDL含量下降至0.025 mmol/g prot。LDL可將膽固醇攜帶到細胞外圍被氧化，形成氧化性低密度脂蛋白，當其積累量過高時，大量的膽固醇會附著在血管壁，長時間會導致動脈硬化，而體內外消化實驗證明，添加酚含量豐富的雜糧，對降低LDL、甘油三酯含量具有顯著效果。因此雜糧中的酚類物質可以降低血脂含量，并可改善由脂代謝異常引起的心血管疾病。

3.4 降血糖

血糖生成指數(GI)反映了人體攝入食物后引起血糖的變化程度，低GI的食物具有消化、吸收慢，延緩血糖上升等特點，可以較好的控制血糖指標。王鵬等[16]通過體外模擬實驗發現燕麥、蕎麥等雜糧有較低的GI，這是由于雜糧中含有豐富的抗性淀粉，在消化過程中抗性淀粉會由于吸水作用形成溶膠，既增強了飽腹感，減少食物攝入量，又對血糖起到了一定的調節作用。Yang等[66]發現燕麥中的膳食纖維可以降低小鼠體內血糖水平，這是由于膳食纖維可以通過阻礙葡萄糖的擴散和吸收，降低小腸內葡萄糖濃度，從而降低餐后血糖水平。因此，引起血糖上升的主要原因是人體對食物中糖類的快速消化吸收，而雜糧中的膳食纖維、抗性淀粉等可以控制糖類的吸收，延緩血糖上升。

3.5 其他功能

研究發現雜糧還有其他功能，比如燕麥或大麥中的可溶性膳食纖維對預防結腸癌、肥胖等具有顯著效果[67]。此外，燕麥中的β-葡聚糖具有保護2型糖尿病大鼠的腸黏膜免受損傷、改善腎功能、豐富腸道菌群結構的功能。為肝功能損傷的小鼠服用蕎麥，甘油三酯、膽固醇含量降低，GSH-Px與SOD活性升高，說明蕎麥可以治療由氧化應激引起的肝臟損傷[68]。

4 小結與展望

雜糧富含纖維素、多糖、黃酮、多酚等活性成分，且雜糧的抗氧化能力、氨基酸含量、膳食纖維含量等顯著高于主糧，具有預防癌癥、心血管疾病、降血糖、降血脂等多種功能，不同比例的雜糧混合食用還有助于人體的營養平衡。體外消化模擬實驗具有周期短、成本低、操作簡單、結果可重復強等優點，但目前關于模擬雜糧體外消化過程中也存在著一些問題：研究主要以單個營養成分消化吸收為主，對攝入體內的食物是否會產生相互作用的研究較少；體外消化模型一般模擬胃和小腸的消化過程居多，但進入人體的營養物質如纖維素等會在結腸中微生物的作用下被分解，關于此方面的研究較少；研究應與體內的真實消化環境相接近，但目前關于不同種類食物的體內消化數據較少，因此其一致性有待進一步研究。