高粱單寧研究進展

于文慧 王雅利 楊明川 張子路 康振輝

（四川輕化工大學，四川宜賓 644000）

高粱是重要的糧飼兼用作物。高粱含豐富的營養物質，高粱籽粒含蛋白質4.4%～21.1%、脂肪2.1%～7.6%、粗纖維1.0%～3.4%、碳水化合物57.0%～80.6%、淀粉 55.6%～75.2%和礦物質（灰分）1.3%～3.5%[1]，是釀酒和制醋、糖、淀粉等食品的重要原料。然而，單寧的存在限制了高粱食品的精深加工與利用。單寧是一種抗營養因子，是影響高粱開發利用的關鍵性制約因素，會降低飼料適口性和蛋白質、能量的利用率[2]。本文主要從高粱單寧的種類、結構、對高粱的影響以及檢測、去除方法等方面進行綜述。

1 高粱中單寧的分類

植物酚類化合物包括單寧、木質素、黃酮類化合物等，其結構可以是簡單的酚分子，也可以是復雜的高分子聚合物。酚類化合物的結構是其清除自由基和具有金屬螯合活性的關鍵因素，特別是羥基的數量、位置以及芳香環上的取代反應。這些化合物在植物生長繁殖過程中發揮重要作用，如抵御病原體和捕食者[3]。單寧又稱單寧酸、鞣質，是一種重要的植物次級代謝產物。高粱中的單寧根據其化學結構的不同可分為水解單寧和縮合單寧。

1.1 水解單寧

水解單寧，又稱棓酸，化學結構如圖1（a）所示。水解單寧易被酸、堿或酶水解而成酚酸和多元醇等簡單物質，從而失去單寧的特性[4]。根據水解所產生多元酚羧酸的不同，又可以將水解單寧分為棓單寧和鞣花單寧。

1.2 縮合單寧

縮合單寧，又稱原花青素，在不同高粱中含量也不同（范圍在0.01%～4.00%之間[5]），化學結構如圖1（b）所示。縮合單寧在酸、堿或加熱條件下，不分解成為簡單物質，但在氧化脫水后形成紅棕色沉淀。

2 單寧的抗營養性及利用價值

單寧是一種抗營養因子，具有收斂性，可以與蛋白質、糖類和金屬離子形成難以吸收的復合物，從而降低動物攝食率并影響營養物質的吸收利用率[6]。植物單寧與蛋白質結合的能力，主要取決于其化學結構特征，特別是聚合度的大小[7]。一般來說，單寧酸對蛋白質有很強的親和力，它們通過氫鍵、疏水相互作用、靜電吸引和與氧化相關的共價鍵與單寧相互作用。在一定條件下，高粱單寧能夠結合并沉淀12倍于自身重量的蛋白質。此外，膳食中的單寧還能抑制消化酶活力，從而進一步降低營養物質的消化率[8]。單寧會影響非血紅素鐵的生物利用度，導致人體和動物對鐵的吸收較差[9]。此外，單寧會影響人和動物對鈣的吸收。

低含量的縮合單寧在改善動物生產性能、抗菌和調節腸道菌群等方面有著顯著的效果。單寧具有較好的收斂、止血和抗氧化作用，可用作金屬離子螯合劑、蛋白質沉淀劑和抗氧化劑。因此，單寧現已被廣泛應用于醫藥、食品和日化用品等領域。此外，高粱用作釀酒原料時，籽粒中的單寧對酒的品質起著決定性作用，主要是由于單寧在釀酒過程中會產生丁香酸和丁香醛等風味物質，使得白酒具有獨特的風味。同時，在發酵過程中單寧可抑制有害微生物生長，提高出酒率[10]。高粱中的單寧具有抗癌、抗炎和減少碳水化合物攝入等作用，對于心血管病、糖尿病、肥胖等慢性病也有一定的緩解和預防作用。

3 單寧對高粱的影響

單寧的含量是判斷高粱品質的重要指標之一，高粱籽粒中的單寧自開花后積累，高粱的成熟籽粒中可能含有高達2%或更多的縮合單寧。一方面，高粱籽粒中單寧的存在受基因Tan1、Tan2不同天然等位基因的控制[11]。其中編碼WD40蛋白的Tan1基因單核苷酸多態性控制著高粱單寧的合成。有的高粱中含有突變的等位基因Tan1-a、Tan1-b，這類高粱中積累的花青素和縮合單寧化合物較少。另一方面，高粱品種、種植地區、施肥水平、栽培模式，均會對高粱中單寧的含量造成影響。從地理方位看，高粱中單寧含量從北向南隨緯度降低而逐漸增高；從施肥水平來看，高施肥量會明顯降低高粱籽粒中單寧的含量。單寧僅存在于有色高粱品種中，但不是所有的有色高粱都含有單寧[12]。高粱中單寧的含量因品種不同而異。種皮中單寧含量最高，胚乳次之，其變化范圍在0.2%～2.3%之間[13]，且高粱中單寧含量對種皮顏色也有一定影響。單寧含量與粒色具有一定關系[14]，高粱粒色越深，單寧含量越高。其中紅色籽粒的高粱單寧含量最高，白色和橙色籽粒的高粱單寧含量次之，而黑色籽粒的高粱單寧含量最低，但僅通過高粱種皮顏色判斷高粱中單寧的含量是不可行的。

在非洲半干旱的熱帶地區和世界上的一些其他地區，鳥類對高粱破壞嚴重，單寧含量低的高粱品種較單寧含量高的高粱品種受損更嚴重。高粱中的單寧對稻瘟病菌、玉米瘟病菌和小麥瘟病菌等的發育有顯著的不利影響，因而單寧的存在使高粱不易受到真菌污染而導致采前種子變質和胎生。在存貯過程中，單寧的存在顯著減少了昆蟲的攝食，主要表現為抑制成蟲羽化和延長發育時間，從而能夠保護糧食少受昆蟲的侵害[15]。

4 測定高粱中單寧含量的方法

單寧可溶于水和甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑。單寧的測定方法主要是利用了單寧的還原性質，可以用高錳酸鉀、鐵氰化鉀、鈰等氧化劑對單寧直接進行氧化測定[16-17]。此外，還可以利用單寧與蛋白質和某些重金屬結合形成沉淀的特性達到間接測定單寧含量的目的。定量測定高粱中單寧含量的方法較多，主要包括香草醛法、檸檬酸鐵銨法、普魯士藍法、釩顯色法、酸正丁醇法、蛋白質沉淀法等（表1）。

表1 6種測定高粱中單寧含量的方法比較分析

香草醛法是基于香草醛與高粱單寧發生縮合反應生成較穩定紅色復合物的性質，以鹽酸為催化劑[18]，通過分光光度法測定高粱中單寧含量的一種方法。該復合物穩定性受光照影響較大，因而反應須避光進行。反應過程中的關鍵因素為酸的用量、反應時間、香草醛濃度等。此方法只涉及一步反應，干擾因素較少，因而該方法靈敏度和回收效率高[19]，但該方法由于缺乏合適的標準品，無法準確測量單寧含量。

檸檬酸鐵銨法是根據《高粱單寧含量的測定》（ISO 9648：1988）測定高粱中的單寧含量。該方法用75%二甲基甲酰胺（DMF）提取高粱中的單寧，使用單寧酸（TA）制作標準曲線來測量高粱中單寧的含量。該方法精密性和重復性良好，較穩定[20]，但該方法特異性較差，單寧酸與高粱單寧在結構上有較大差異，因而該方法無法準確測量單寧含量[21]。同時二甲基甲酰胺會對消化系統和腎臟功能造成一定影響。改良后的檸檬酸鐵銨法采用花青素（PA）作為標準品，用70%丙酮溶液代替75%二甲基甲酰胺溶液，具有更高的準確性和安全性[22]。

普魯士藍法的原理是單寧與鐵氰化鉀發生氧化還原反應生成亞鐵氰化物，然后亞鐵氰化物與三價鐵離子發生復分解反應生成亞鐵氰化鐵，即普魯士藍。該方法與其他方法相比靈敏度更高，但在測定過程中易受溫度、光源、顯色條件等影響，因而應對反應條件嚴格控制，才能保證試驗結果的準確性[23]。

釩顯色法是利用在26%二甲基甲酰胺的水溶液中，單寧與釩可以生成穩定的藍紫色絡合物的原理來測定單寧含量的方法[24]。該方法回收率較高，達96%～102%。

酸正丁醇法受加熱方式、是否添加催化劑以及反應過程是否隔絕空氣的影響很大。標準品的選擇對單寧含量的測定有一定影響，當使用原花青素作為標準品時專一性較好，但穩定性和重復性較差。

蛋白質沉淀法是利用單寧可以與蛋白質通過氫鍵作用和疏水作用結合產生沉淀的原理來測定高粱中單寧的含量，使用的蛋白主要為牛血清蛋白。蛋白質沉淀法操作繁瑣、誤差較大，且樣品的用量相對較多。在測定過程中可能存在沉淀不完全的現象，且沉淀穩定性也較差，導致結果偏差較大。

5 高粱中單寧的去除方法

高粱中的單寧含量可以通過稀氨水、強堿、甲醛或脫皮處理谷物來減少。堿處理法是將高粱種子放在30℃、一定濃度的氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液中浸泡24 h。該方法可去除鞣質75%～85%，在100℃條件下可以提高提取率，并將鞣質浸出75%～85%所需的時間從24 h縮短到20 min[25]。

高粱中的單寧主要集中在種皮中，通過機械處理去除種皮可以有效降低單寧含量。但是，機械處理的同時也會降低高粱蛋白質的含量而造成浪費，并且進行大規模去殼處理會增加成本[26]。

6 結語

目前，高粱中單寧測定方法研究已取得一定的進展，但從高粱中制備純單寧標準品既困難又耗時。在測定過程中單寧易與金屬離子、蛋白質或其他生物大分子形成復合物，因而對高粱中單寧含量進行測定時，定量分析較困難。采用液質聯用等方法可以準確測量高粱中酚類化合物的含量，但無法準確測定高粱中單寧的含量。因此，對于如何定性、定量測定高粱中的單寧還需要深入研究。