粟类作物植物化学物研究进展

郑 璐,韩 飞,李爱科,王兴国

(1 国家粮食局科学研究院，北京 100037；2 江南大学 食品学院,江苏 无锡 214122)

粟类作物植物化学物研究进展

郑 璐1,2,韩 飞1,李爱科1,王兴国2

(1 国家粮食局科学研究院，北京 100037；2 江南大学 食品学院,江苏 无锡 214122)

我国拥有丰富的粟类作物资源。粟类作物中富含的植物化学物具有潜在降低慢性疾病发病率的功能特性，是开发功能性食品或作为健康食品配料的良好资源。文章介绍了植物化学物的分类，综述了粟类作物中植物化学物在籽粒中的分布、种类、含量及功能特性，系统分析了不同加工方式对植物化学物的影响规律。

粟类作物；植物化学物；功能特性；加工方式

粟类作物是种子籽粒较小的一类作物的总称，常见的有珍珠粟(Pearl,Pennisetumglaucum)、龙爪稷(Finger,Eleusinecoracana)、谷子(Foxtail,Setariaitalica)、糜子(Proso,Panicummiliaceum)、小黍(Little,Panicumsumatrense)、圆果雀稗(Kodo,Paspalumscrobiculatum)、食用稗(Barnyard,Echinochloacrus-galli)、台夫(Teff,Eragrostistef)、马唐(Fonio,Digitariaexilis)、薏苡(Adlay,Coixlacryma-jobi)等[1-3]，是人类最早驯化的一类作物。考古学研究发现，远在10 000多年前新石器时期的中国北部，糜子就已经被作为主食食用[4]。

粟类作物中含有丰富的植物化学物，已鉴定的酚类物质达50余种，此外还含有丰富的植酸、植物甾醇和膳食纤维等，具有潜在降低慢性疾病发病率和促进人体健康的作用[1,5]，将其开发成为功能性食品或作为健康食品的配料，指导人们进行膳食搭配和适度烹饪可以对人体健康起到促进作用。然而近阶段对粟类作物中植物化学物的研究更加侧重于酚类物质含量及抗氧化性方面[5-7]，对于其他植物化学物的种类、含量报道不多[8]，关于功能特性及加工方式影响方面也有所报道[9]，但相对较少。随着人们对自身健康关注度的提高，对粟类作物植物化学物的研究将逐渐得到重视。本研究对粟类作物植物化学物的分布、种类、含量、功能特性和加工方式等方面的进展进行了综述，以期为粟类作物植物化学物的全面深入研究提供参考，并为粟类作物在功能性食品或健康食品配料中的应用开发提供理论依据。

1 植物化学物

植物化学物是指在水果、蔬菜、全谷物及其他作物中发现的一种具有生物活性的非营养化合物，迄今为止已发现的植物化学物超过5 000种，全谷物中植物化学物主要可分为酚类物质、类胡萝卜素、维生素E、木质素、植物甾醇、膳食纤维、植酸等，其中以酚类物质的研究为主[10]。酚类物质是谷物植物化学物的主要研究对象，可分为游离型和结合型2种。游离型酚类物质的存在形式包括自由酚类物质和共轭型酚类物质；结合型酚类物质则通常与细胞壁高分子聚合物相交联[11]。酚类物质按照构成分子基团的不同，又可分为酚酸、黄酮类、芪类、单宁和香豆素，具体分类及典型物质见表1。流行病学研究表明，这些植物化学物具有抗氧化作用，进而可以保护生物大分子如脂肪、蛋白质和DNA免受破坏，具有潜在的抗癌和降低一些慢性疾病发病率等功能[10,12-13]。

表1 酚类物质的分类及其典型物质名称Table 1 Classification and typical chemicals of phenolics

2 粟类作物中的植物化学物

2.1 植物化学物在粟类作物籽粒中的分布

粟类作物中的植物化学物主要分布于外壳及糊粉层中。对龙爪稷酚类物质的研究发现，其外壳中的酚类物质含量为62 g/kg，去壳籽粒的酚类物质含量仅为8 g/kg[14]。此外，谷壳颜色对植物化学物的含量也有影响。臧盛等[6]对15种糜子壳中酚类物质的检测发现，糜子外壳颜色越深，其中含有的酚类物质含量越高。

2.2 粟类作物中植物化学物的类别

2.2.1 酚类物质 酚类物质是植物的次级代谢产物，是植物化学物的主要组成部分，其存在形态和含量受到一系列因素的影响，如谷物的种类、品种、谷粒的组成部分、种植的气候条件和耕种水平[11]。

酚类物质的鉴定一般采用高效液相色谱法或液质联用法，其他鉴定手段包括核磁共振、紫外光谱等。目前，粟类作物中已鉴定的酚类物质有50余种(表2)。

表2 粟类作物中主要的酚酸及黄酮类物质Table 2 Major phenolic acids and flavonoids in millets

续表2 Continued table 2

酚类物质常用的定量测定方法主要有比色法和高效液相色谱法。比色法主要包括测定总酚含量的福林-酚比色法以及测定总黄酮含量的AlCl3法、SBC法[27]和Al(NO3)3-NaNO2-NaOH法。Anoma等[5]使用福林-酚比色法和高效液相色谱法测定了圆果雀稗、龙爪稷、谷子、糜子、小黍和珍珠粟中的酚类物质含量，发现6种粟类作物均含有丰富的酚类物质。以自由酚为例，6种粟类作物中测定并鉴定出36种酚类物质，结果表明谷子中的酚类物质种类最丰富，为19种，其中羟基苯甲酸衍生物最多，有10种，含量最高的为芹菜素，为125 μg/g；龙爪稷和圆果雀稗中的酚类物质以黄酮类物质为主，分别占96.3%和59.2%，其中龙爪稷中含有丰富的儿茶素，为1 611 μg/g，占酚类物质总量的85.0%，圆果雀稗以6-C-葡糖基-8-C-阿糖基芹菜素含量最高，为61.8 μg/g；糜子、珍珠粟和小黍中的酚类物质以酚酸为主，分别占98.4%，89.5%和81.2%，糜子中咖啡酸含量最高，为37.3 μg/g，珍珠粟中反式阿魏酸含量最高，为22.1 μg/g，小黍中对香豆酸含量最高，为64.3 μg/g；除谷子和龙爪稷外，结合酚类含量均明显高于游离酚类含量，其中圆果雀稗的自由酚类、酯化酚类、醚化酚类和结合型酚类含量分别达到16.2，2.02，1.55和81.6 μmol/g(微摩尔阿魏酸当量每克)[5]。

2.2.2 植 酸 植酸又称肌醇六磷酸，主要存在于皮壳中，因其可以络合锌、钙、镁、铁等微量元素形成不溶性物质，导致人体对这些微量元素的吸收率下降，故常被视为抗营养因子。然而近年来的研究发现，植酸具有减轻膳食中铅对机体的破坏、降低肝脂肪含量、预防心血管疾病等功能。在对植酸的进一步研究中发现，食物中的植酸含量在0.25 mg/g以下对健康最为有益[28]。

植酸广泛存在于粟类作物中。Azeke等[29]对糜子发芽过程中植酸含量的测定结果发现，在发芽10 d后糜子中植酸含量从5.7 mg/g降至 0.85 mg/g，表明发芽过程可以有效降低糜子的植酸含量。由于粟类作物中植酸含量均较高，因此在食用前需经适度的加工处理。

2.2.3 植物甾醇 植物甾醇是植物固醇和植物甾烷醇长期积累的产物，与胆固醇的结构相似，只是侧链基团不同。因为植物甾醇与胆固醇竞争形成胶束的形式，抑制了胆固醇的吸收。摄入植物固醇和植物甾烷醇可降低人类血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的含量[30]。粟类作物中含有较丰富的植物甾醇。El-Alfy等[23]对台夫乙醇提取物的鉴定发现，台夫中存在β-谷甾醇及其衍生物。韩军花等[31]使用气相色谱法对小米中的植物甾醇进行了测定，表明小米中含有β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾烷醇和菜油甾烷醇，其总和达761.4 mg/kg，这些物质的含量远高于小麦、大米。最新的研究还发现，β-谷甾醇具有抗癌[32]、抗炎[33]等功能。

2.2.4 膳食纤维 膳食纤维通常被认为是一类不能为人体消化吸收，主要由可食性植物细胞壁残余物 (纤维素、半纤维素、木质素等)及与之缔合的相关物质组成的化合物，是膳食中必不可少的组成部分，对保持身体健康有重要意义。大量流行病学研究表明，膳食纤维能够降低便秘、憩室炎、肠癌、肥胖、Ⅱ型糖尿病、冠心病等慢性病的发生率[34]。Devi等[19]研究了5种粟类作物的膳食纤维含量，除珍珠粟和糜子外，龙爪稷、谷子和圆果雀稗的膳食纤维含量均在19%以上，其中圆果雀稗高达37.8%，远高于小麦、大米、高粱等作物。

3 粟类作物植物化学物的功能特性

3.1 抗氧化

全谷物中多种植物化学物被认为具有抗氧化活性，进而可以保护生物大分子如脂肪、蛋白质和DNA免受破坏[13]。近年来的研究表明，粟类作物中的植物化学物同样具有抗氧化活性。Chandrasekara等[35]研究发现，7种粟类作物的酚类提取物对低密度脂蛋白均有显著保护作用，其中圆果雀稗中酚类物质的氧化抑制作用最强，0.05 mg/mL圆果雀稗丙酮提取物相当于0.2 mg/mL丁基羟基茴香醚(BHA)。此外，他们还证实了这7种粟类作物酚类提取物对DNA有保护作用，可有效防止其氧化[36]。粟类作物植物化学物的抗氧化特性使其具有潜在的降低慢性疾病风险的能力。

3.2 抗 菌

粟类作物中的植物化学物具有抗菌功能。Viswanath等[20]对龙爪稷外壳和全粉中酚类物质提取物的抗菌能力进行了研究，结果表明，龙爪稷的酚类物质提取物对蜡样芽孢杆菌和黄曲霉具有抑制作用，其中外壳提取物具有更强的抑制能力。Banerjee等[37]对龙爪稷酚类物质抗菌作用的研究表明，龙爪稷酚类物质对大肠杆菌等10种常见菌的增殖均具有抑制作用。

3.3 降血糖

粟类作物中的植物化学物具有降血糖功能。Yallanki等[38]对谷子水提物的研究发现，在糖尿病大鼠饮食中加入300 mg/kg谷子水提物，喂养30 d后，试验组大鼠空腹血糖含量较加入水的对照组下降70.5%，而此剂量对正常大鼠的空腹血糖含量没有影响。Jain等[39]的研究发现，圆果雀稗提取物也具有降血糖作用，在糖尿病大鼠饮食中加入500 mg/kg圆果雀稗乙醇提取物，喂养15 d后空腹血糖含量较加入生理盐水的对照组下降了35.12%。

3.4 降血脂

粟类作物中的植物化学物具有降血脂功能。Lee等[40]在高血脂症大鼠饮食中加入相同比例的糜子、谷子或高粱，5周后糜子、谷子组大鼠的甘油三酯水平明显低于精白米对照组和高粱组，与精白米对照组相比分别降低29.6%和24.9%；此外，谷子组的总胆固醇含量、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白含量也低于精白米对照组。Yallanki等[38]的研究也表明，谷子水提物具有降血脂功能。

3.5 抑制白内障

白内障是导致失明的三大原因之一，糖性白内障发病机制之一是细胞内的高葡萄糖状态下，醛糖还原酶被激活，大量葡萄糖进入多元醇通路产生山梨醇，山梨醇因不能排出到晶体外而引起细胞膜通透性增加，导致还原型谷胱甘肽、肌醇等物质大量外漏，引起氧化应激，晶状体上皮细胞和纤维细胞受到严重损伤，最终形成了白内障[41]。Chethan等[18]发现，龙爪稷中的酚类物质可以有效抑制醛糖还原酶的活性，具有潜在抑制白内障发病的功能。

3.6 抗甲状腺肿

甲状腺肿主要是由缺碘引起的一种地方性疾病，可以导致呆小症。Sartelet等[26]的研究发现，马唐黄酮提取物中含有芹菜素和木犀草素，均具有很强的抗甲状腺过氧化物酶活性的作用，可以显著降低其激素生产能力，因而具有抗甲状腺肿的功能。

4 加工方式对粟类作物植物化学物的影响

不同加工方式会对粟类作物中的植物化学物含量及功能特性产生影响，粟类作物的加工方式一般有脱壳、热处理、发芽等。

4.1 脱 壳

由于植物化学物主要存在于粟类作物的外壳中，脱壳将使植物化学物含量不同程度地因皮壳废弃而降低，对其抗氧化性也有较大影响。Anoma等[42]的研究结果表明，与全籽粒相比，脱壳分别导致圆果雀稗、龙爪稷、谷子、糜子、小黍和珍珠粟中的总酚含量降低78%，21%，65%，72%，35% 和2%，然而对抗氧化性的影响则无明显的规律性，除羟基自由基清除能力均有所下降外，部分粟类作物脱壳后DPPH、过氧化氢、氧自由基等的清除能力反而有所上升。

4.2 热处理

粟类作物的热处理方法一般为煮、蒸和焙烤。沸水煮会降低粟类作物中的植物化学物含量及抗氧化性。Anoma等[42]研究发现，除龙爪稷煮后的总酚含量明显降低外，其他粟类作物总酚含量并没有显著降低，其抗氧化活性下降与总酚含量降低呈正相关。N’Dri等[22]对珍珠粟和马唐等作物煮制过程中酚类组成及抗氧化性的研究表明，煮后2种作物中游离酚类、结合酚类含量均有所降低，抗氧化活性也有所下降，但部分酚酸含量却有所升高。蒸和焙烤则表现出相反的趋势。Pradeep等[24]的研究发现，蒸和焙烤使小黍中的总酚、总黄酮和单宁含量显著升高，并使其抗氧化活性增强，其中焙烤对小黍植物化学物含量升高及抗氧化性增强的影响更明显，在压力为1.5 kg/cm2下蒸15 min会导致小黍中的总酚、总黄酮和单宁含量分别上升13.0%，22.5%和8.9%，DPPH清除能力由90.2%提高到93.4%；165 ℃焙烤75 s则导致其总酚、总黄酮和单宁含量分别上升21.2%，25.5%和18.8%，DPPH清除能力由90.2%提高到95.5%。

4.3 发 芽

发芽处理是粟类作物中常用的加工方式，发芽会导致其游离型酚类含量增加及结合型酚类含量降低。Subba等[43]的研究发现，龙爪稷发芽96 h后游离酚类含量增加，但结合酚类含量则降低了2倍，相应地游离酚类抗氧化活性增加了1.2倍，结合酚类抗氧化活性则下降了21.4%。Pradeep等[24]则发现，小黍发芽48 h后总酚含量上升5.4%，DPPH清除能力由90.2%提高到91.7%。此外，发芽还会导致低聚木糖含量升高、抗氧化活性增强[44]及植酸含量降低[29]。

5 研究展望

粟类作物具有良好的抗旱性，籽粒中含有丰富的蛋白质等营养物质及植物化学物，具有潜在降低慢性疾病发病率等功能特性，但并未得到很好的利用，尤其在发达国家常被用作饲料[9,45]。目前将粟类作物开发成为功能性食品或健康食品的配料，指导人们进行合理的膳食搭配和适宜的烹饪加工，可以促进人体健康并增加食物来源，因此具有良好的应用前景。现阶段的研究对粟类作物中植物化学物的组成、含量及其功能特性研究报道不全面，对于粟类作物的研究也更加侧重于珍珠粟、龙爪稷等，还需要更系统深入研究，以期为开发功能性食品提供坚实的理论基础。此外，加工方式对粟类作物中植物化学物及其功能特性影响方面的报道不多，如何在加工过程中保护植物化学物不被破坏，是发挥粟类作物植物化学物功能特性的前提。

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Research progress of phytochemicals from millets

ZHENG Lu1,2,HAN Fei1,LI Ai-ke1,WANG Xing-guo2

(1AcademyofStateAdministrationofGrain,Beijing100037,China;2SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The millets resources are rich in China.Phytochemicals in millets with the potential to reduce the incidence of chronic disease are good resources of nutraceuticals or health food ingredients.In this paper,recent research progresses on the distribution in grains,major categories,contents,health benefits and processing effects of phytochemicals from millets are systematically reviewed,aiming to provide a theoretical basis for food processing industry,home cooking and diet nutritional balance.

millets;phytochemicals;health benefits;processing methods

2014-01-17

国家粮食公益性行业科研专项(201313011-6)

郑 璐(1990-)，男，浙江温岭人，在读硕士，主要从事粮油营养研究。

韩 飞(1973-)，女，内蒙古包头人，副研究员，博士，主要从事粮油营养研究。

时间:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.004

S515

A

1671-9387(2015)08-0109-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.004.html