药食兼用高粱育种理论基础及其产业化的思考

王坚强，潘仲光，闫昊，马金成，成钟，4

（1.山西省农业科学院高粱研究所，山西晋中030600；2.山西农业大学图书馆，山西太谷030801；3.山西康禾非药物干预生命健康研究院，山西长治046000；4.山西医科大学基础医学院，山西太原030000）

药食兼用高粱育种理论基础及其产业化的思考

王坚强1，潘仲光2，闫昊1，马金成3，成钟1，4

（1.山西省农业科学院高粱研究所，山西晋中030600；2.山西农业大学图书馆，山西太谷030801；3.山西康禾非药物干预生命健康研究院，山西长治046000；4.山西医科大学基础医学院，山西太原030000）

以高粱的有效成分为基础，在经济用高粱的基础上，创新性地提出药食兼用高粱的新概念。针对目前国内慢性病多发的现状开发，通过研究在高粱品种选育阶段开发出药食兼用品种，赋予高粱更高的健康价值。以高粱资源的药用和食用价值开发为着眼点，提出以高粱资源的食用营养成分、药理活性物质为科学依据，以药用活性成分及食用营养成分为首要选育目标，选育药用价值和营养价值高的药食两用高粱新品种，以拓展现有的高粱育种模式，构建高粱药食用途育种技术体系的新设想，开辟以高粱为主要原材料的新型功能食品研究方向。

高粱；药食兼用；品种选育

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）又称蜀黍、红粱，广泛分布于干旱、半干旱、低洼易涝地区，是当今全球第五大谷类作物。高粱具有多种用途，可食用、饲用和酿造用，其中，食用是高粱的主要用途。据统计，在热带和亚热带地区，有超过30个国家的大约5亿人口以高粱为主食，全球42%的高粱用于食品被消耗。高粱的营养价值非常高，是一种富含植物化学物质的经济类农作物，包括单宁、酚酸、花青素、植物甾醇和普利醇等化合物，这些化合物具有抗氧化、抗肿瘤、降脂、预防心血管疾病和保护神经元的作用[1]。因此，如何把食用和药用相结合、开发出药食兼用品种，赋予高粱更高的经济价值和市场价值已引起了人们越来越多的关注。

高粱作为人类食品历史悠久，我国自古以来就有用高粱治疗高血压、高血脂、高血糖的习俗[2-3]。《中华本草》中记载，高粱味甘、涩，性温，具有健脾止泻、化痰安神的功效,主治脾虚泄泻、消化不良、痰湿咳嗽、失眠多梦等症；《全国中草药汇编》中记载，高粱能够燥湿祛痰、宁心安神，主治湿痰咳嗽、胃痞不舒、失眠多梦。国家卫生和计划生育委员会在2014年发布的《按照传统既是食品又是中药材物质目录管理办法》中，高粱米也作为一种药食同源的膳食原材料被列入目录。研究表明，谷物类食品能够显著影响人类营养结构，并且对于营养缺乏和营养过剩均有改善作用，特别是在营养过剩导致的慢性疾病方面[4-6]。作为一种谷物类粗粮，摄入高粱能降低多种疾病发生的风险，对消化道有保护作用，有助于控制体质量，最终达到防治慢性病的目的[7-8]。高粱中含有种类繁多的类黄酮化合物，这些化合物在其他种类的谷物中并不多见。其中，3-脱氧花青素（3-deoxyanthocyanins）、黄酮、黄烷酮类化合物分子能够显著预防心血管疾病的发生；一项为期6 a的流行病学调查数据显示，以小麦面粉和玉米为主食地区人口的食道癌死亡率是以高粱为主食地区人口的2.4～4.2倍[9]。高粱中含有大量的多酚类化合物，其中包括原花青素[10]、3-脱氧花青素[11-12]、酚酸[13]、植物甾醇[14]、甘蔗原素等。

通过应用多种技术如数量性状遗传学、性状位点精细定位、联合作图等，结合营养学和医学研究，可以充分开发高粱资源的药用和食用价值[15-17]，建立以有效化学成分为主要育种目标的育种技术新体系，旨在为下游保健功能食品奠定原材料生产基础。

1 高粱产业化现状

高粱产业对国民经济起着重要的作用，是我国酿造产业的重要原材料，我国名酒都是以高粱作为原料酿制。高粱也是经济类作物之一，具有抗旱、耐涝、耐盐碱等高抗逆性特点，成为恶劣生态区域的主要经济作物，具有良好的经济效益。作为植物生物学研究的模式作物之一，高粱全基因组已于2009年完成全测序工作[10]，并在2013年进行了重测序[11]，利用重测序可以得到遗传种系的变异信息，能对高粱的重要性状遗传位点进行快速定位。随着第3代测序技术的快速发展，这一系列的基因组测序工作能够应对高粱基因组杂合度和重复序列含量高的问题，从而大力推进高粱育种的品种改良[12]。

高粱产业也存在需要改进的问题。我国高粱消费用途单一，以酿造为主，全国高粱总产量的80%用作酿造工业原料。而美国饲料用途高粱占全美高粱总产量的36%。同时，高粱机械化栽培程度低，劳动力成本逐年提高，严重影响了高粱种植面积。而作为可再生能源作物的甜高粱，在储存、深加工等方面研究落后，使得该产业一直处于停滞不前的状态。饲用高粱是我国在“八五”期间选育的优质高粱新品种，但后续产业化加工技术相对落后，需要进一步提高与饲料工业的衔接，扩大高粱在饲料工业中的比例[13]。

2 药食兼用高粱新概念及其营养药用成分的功效

高粱中所含的丰富生物活性物质具有防止肥胖、糖尿病、血脂异常、心血管疾病、癌症和高血压的作用[14-18]。因此，通过遗传育种方式将高粱中的营养成分和有效化学成分定向培育新的品种，从品种源头把控整个产业链的育种方向，从产品端寻找具有市场潜力的高粱品种，将育种和产品有机结合在一起，贯穿整个产业链，根据不同的健康需求培育特定的药食兼用高粱新品种，发掘具有生物活性的化学成分，将会进一步改善我国居民膳食和营养结构，提高国民营养健康水平。

2.1 高粱中含有的营养成分及其功效

从结构上看，高粱的籽粒由外皮（果皮）、胚乳和胚芽3部分组成。有些种类的高粱还有第4层，即外种皮（testa），介于外皮和胚乳之间。高粱的籽粒结构比例和化学组分按照不同的高粱种类和生长条件有不一样的组成。一般来说，外皮含有非淀粉类的多糖、酚类化合物（3-脱氧花青素、单宁和酚酸等）和类胡萝卜素；淀粉、蛋白质、B族维生素和矿物质主要位于胚乳（贮藏组织）中；胚芽中一般包含有脂肪、脂溶性维生素等[19]。

高粱脱壳后即为高粱米，其主要营养成分按占干物质计，粗蛋白质9%，粗脂肪3.3%，碳水化合物85%，粗纤维1%，还含有钙、磷、铁等微量元素及维生素B族。其中，蛋白质以醇溶性蛋白质为多，色氨酸、赖氨酸等人体必需氨基酸是一种不易溶解的蛋白质，人体不易汲取[20]。100 g高粱中含有1 212.2～1 504.8 kJ的热量。高粱中含有单宁，有收敛固脱效果，患有慢性腹泻的病人常食高粱米粥有明显疗效，但大便燥结者应少食或不食高粱。高粱红色素是从高粱壳中提取的异黄酮半乳糖苷，是一种安全的天然食用色素,具有很强的抗氧化活性[21-22]。

2.1.1 多糖类高粱中的多糖类主要是淀粉，淀粉含量按照不同的品种和生长条件有所变化[23]。每100 g高粱中的淀粉含量为32.1～72.5 g，主要由支链淀粉和直链淀粉构成。二者的比例会影响高粱的流变性质和淀粉的消化吸收率。高粱是谷物中消化吸收率最小的，因为淀粉粒与单宁和蛋白会形成强相互作用[24]。

2.1.2 蛋白高粱蛋白分为醇溶性蛋白和非醇溶性蛋白两大类，其中，醇溶性蛋白占80%左右，其余的是白蛋白、球蛋白和谷蛋白。高粱的醇溶性蛋白主要由kafirins组成，而kafirins分为α-kafirins（66%～84%），β-kafirins（8%～13%）和γ-kafirins（9%～21%）3类，它的构象结构决定了高粱蛋白的消化吸收率。高粱蛋白消化吸收率比小麦和玉米都低，蛋白中由二硫键形成的稳定蛋白结构能够抵抗肽酶的消化，这一分子机制是高粱消化吸收率低的主要原因[25]。

在单宁含量丰富的高粱品种中，单宁和高粱醇溶性蛋白的复合体可以将消化吸收率降到50%。因此，工业上使用发酵和发芽的方法使高粱的消化吸收率提高了2倍，被广泛用于酒、醋酿造业。人们为了提高高粱的可食用性，通过减少kafirins的β和γ亚基，并且增加麦谷蛋白和球蛋白的比例[26]。基因改造后的高粱籽粒体外试验结果表明，其消化吸收率提高了80%。Kafirins蛋白的α亚基由于有大量冗余，它在小肠内是最不容易被消化的，这些蛋白都是高粱不容易被消化的原因，因此，可以采用基于关联的方法针对可溶性蛋白设计新品种高粱，在不使用转基因高粱的同时提高高粱的可食用性。另外，高粱醇溶性蛋白不会引起人体的自免疫反应，因此，它被用来作为乳糜泻病人的安全食品。

2.1.3 脂肪、矿物质和维生素高粱中的脂肪主要由不饱和脂肪酸构成，每100 g高粱含量大约为1.24～3.07 g，多聚不饱和脂肪酸含量比单不饱和脂肪酸含量要高。高粱中脂肪有亚麻油酸、油酸、棕榈酸、亚麻酸等。高粱由于生长环境不同其所含的矿物质种类也不同，其中，锌和铁被人们研究较多[27]。高粱中的B族维生素和脂溶性维生素含量较高。

2.2 高粱中有效化学成分及其生物利用度

高粱中的主要生物活性物质为酚类化合物，其中包括酚酸、单宁和类黄酮。酚类化合物的消化吸收一直是研究热门。然而这个方向的研究一直进展缓慢，主要原因是它的代谢产物没有标准化的鉴定方法。另外，一些因素也会影响人体对于酚类化合物的吸收效率，例如环境因素、食品加工、食品基质和其他化合物的交互作用。肠道系统的吸收、代谢以及在不同人体组织的分布都是酚类化合物在生物利用度方向上的科研方向。例如，有些酚类化合物不能被小肠吸收，却能在大肠内影响结肠癌的菌群生态环境[28]。

2.2.1 酚酸及其生物利用度高粱中的酚酸含量在135～479 μg/g，具有抗氧化活性。与葡萄酒、水果和蔬菜中生物利用度非常高的酚酸不同，高粱中的酚酸与糖链和木质素结合，使其在肠道中无法被人体消化酶系统水解，大大降低了高粱的生物利用度。因此，工业上采用发酵的方式提高其生物利用度，打断酚酸与其他物质的链接关系，从而释放酚酸到系统中被水解利用。

2.2.2 单宁及其生物利用度单宁作为一种植物抗毒素广泛存在于植物中，但是在经济类谷物如大米、小麦和玉米中没有，却在高粱籽粒的外皮层中聚集，由S和Tannin1基因调控[29]。高粱籽粒中单宁含量为0.2～48.0 mg/g，在黑高粱中含量最高。高粱中的单宁从结构上分为多聚体和单聚体2类。多聚体由于会和淀粉、蛋白结合而降低其生物利用度；单聚体单宁具有清除自由基的作用，能够产生抗氧化活性、抗癌活性、抗辐射和抗炎症活性。大部分的单宁化合物会通过大肠被肠道菌群转化为酚酸类化合物继而加以利用。工业上通过加热的方式（95℃，20 min）解除复合体状态下的单宁，以增加其生物利用度。

2.2.3 黄酮化合物及其生物利用度高粱中类黄酮分子主要存在于种皮外层中，因此，外皮的颜色和厚度影响高粱中类黄酮化合物的含量和种类。高粱中的类黄酮分子分为花青素、黄酮和黄烷酮3类。高粱总黄酮的含量为0～386 μg/g，其中，主要的糖苷配基是木樨草素和芹黄素。花青素的生物利用度比黄酮类化合物要低很多。食物中的花青素可以被加速吸收，但是在血浆和尿液中浓度非常低。原因可能是由于花青素的代谢产物无法被快速准确地解析。在饭后4 h左右，人体肠道内的花青素有60%～90%会消失。研究显示，肠道内的寄生菌群对于花青素的吸收和生物利用有着重要的作用[30]。

3 药食兼用高粱育种体系及产业化

高粱有益于人体健康的功能是与其所含化合物密切相关的，体外和动物试验表明，高粱中的多酚类和脂溶性化合物对于肠道寄生菌具有良好的影响，同时对于慢性疾病如肥胖、糖尿病、高血脂、心脏病、癌症和高血压具有调控作用。因此，通过各种育种手段定向培育具有药用价值的高粱新品种将成为高粱产业化的新方向。例如，研究者通过杂交育种的方法提高了高粱中3-脱氧花青素的含量，在叶片中由于3-脱氧花青素的表达含量高使得整个叶片呈现红色，其浓度增加了1 000多倍[31]。

高粱的栽培历史超过了5 000 a，高粱是我国重要的旱地农作物之一，曾在我国困难时期解决人们口粮问题中发挥了重要作用。通过HPLC-色谱技术构建高粱有效化合物指纹图谱，系统鉴定高粱中的有效化合物分子群，针对其中疗效明确、生物合成途径相对清晰的化合物分子进行定向育种，结合高粱基因组重测序技术关联目的基因及表型之间的遗传关系，有希望将高粱改造成为旱地植物中适宜开发的植物生物反应器，从育种端控制下游产业链方向，使其朝着需要的方向发展。慢性病已经成为目前蔓延全国的健康杀手，从“治未病”角度思考疾病治疗方法将治病时间段前置已经成为专家共识，通过构建药食用高粱育种体系，以优质高粱不同药效部位指纹图谱为核心制定高粱产品生产质量标准，应用在高粱系列产品生产质量标准及产品功效质量控制跟踪环节，从而达到从育种端到产品端全程控制产品质量，最后达到预期的慢性病干预效果。这一育种思路也开辟了新的高粱产业方向，充分发掘其药食用价值，有利于改善高粱产业结构，拓宽高粱产业的经济价值。

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Thoughts on Theoretical Basis of Grain and Edible Sorghum Breeding and Its Industrialization

WANGJianqiang1，PANZhongguang2，YANHao1，MAJincheng3，CHENGZhong1，4
（1.Institute ofSorghum，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Jinzhong 030600，China；2.Library ofShanxi Agricultural University，Taigu 030801；China；3.Institute ofShanxi-Kongho Health and Life Sciences，Changzhi 046000，China；4.College ofBasic Medical，Shanxi Medical University，Taiyuan 030000，China）

Sorghum bicolor is widely accepted as a traditional food for thousand years,and it values with medical effect for human health.It is worthy ofcombining its food-like and drug-like effects in the process ofbreeding,and this will increase the values ofsorghum planting.Based on the nutritional ingredients and pharmacological chemicals in sorghum,the novel sorghum lines will be identified with increased concentration ofeffective pharmacological-active chemicals for the purpuse ofmanufacturing functionalized food.

sorghum;medicine and food combination;variety breeding

S514

：A

：1002-2481（2017）07-1184-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.36

2017-04-25

山西省优秀青年基金项目（201601D021008）

王坚强（1968-），男，山西文水人，副研究员，硕士，主要从事杂粮研究和相关产品开发工作。成钟为通信作者。