粮谷及其发芽物质变化研究进展

刘 瑞,于章龙,柴永峰,孙元琳,宋 昱,周素梅,谢飒英,蔡 岳

(1.运城学院生命科学系,山西运城 044000; 2.山西省农业科学院棉花研究所,山西运城 044000; 3.中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193)

近年来,随着经济社会的发展和生活水平的进一步提高,人们越来越关注粮谷类作物中微量营养元素、功能性膳食纤维和植物生物活性物质对人体营养和健康的作用[1-2]。国际上在21世纪初启动了两个影响较大的研究项目,其中之一就是倡导全谷物食品,旨在提高谷物中有助于降低胆固醇含量、调节血糖代谢作用的膳食纤维和降低心脑血管等疾病发病率的酚酸等植物生物活性物质含量的健康谷物项目[3]。

粮谷类经碾磨粉碎等传统加工后,种皮糊粉层和大部分胚芽随皮壳被去掉,且碾磨程度越高,产品淀粉含量越高,但蛋白质、矿物质、维生素、粗纤维和多种活性成分等营养物质损失越多。因此,粮谷类经精细加工后,失去了大部分营养物质和活性物质,不利于人体健康。全谷物是完整、碾碎、破碎或压片的谷物,其基本组成包括淀粉质胚乳、胚芽与皮层,各组成部分的相对比例与完整颖果一致[4]。全谷物中含有大量的抗氧化活性物质,如酚类物质、类胡萝卜素、γ-谷维素、植物甾醇以及植酸盐等[5]。全谷物摄入对慢性疾病的预防作用主要归功于膳食纤维及其与之共价键连接的酚酸类物质,被称为“膳食纤维-酚类抗氧化剂复合物”[6]。随着人们生活质量日渐提高,人类对食品的生理功能和营养价值要求也越来越高,而发芽谷物因其营养价值提高、功能成分富集以及原有害物质或抗营养物质降低或消除等多种有利变化,发芽谷物的开发利用正在引起国内外广泛关注并成为研究热点[7]。本文将对荞麦、燕麦、黑小麦等三种特色粮谷类及发芽过程中营养物质和活性物质变化及应用进行详细分析探讨,从而为荞麦、燕麦、黑小麦及其芽类的第三代相关功能食品研发和在其他食品、医药领域应用提供理论参考,对改善人类膳食结构、预防慢性代谢疾病有着极其重要的意义。

1 粮谷类活性物质研究现状及分析

生理活性物质是指植物次级代谢中产生的非营养成分的化合物,迄今发现的生理活性物质已超过5000多种,主要包括类胡萝卜素、酚类、阿拉伯木聚糖、生物碱、膳食纤维、甾醇、硫化物等。粮谷类(grain)主要是指禾本科植物的种子,包括谷(籼谷、粳谷、糯谷)、麦(大麦、小麦、荞麦、元麦)和杂粮(玉米、甘薯、小米、荞麦、燕麦、高粱)等[8]。粮谷类是食物金字塔第一层最重要的食物,占日常饮食中最大比重。粮谷类不仅含有丰富的膳食纤维、B族维生素,同时还含有许多直接或间接的抗氧化成分,主要包括多酚、类胡萝卜素、生育酚、木酚素、植物甾醇、植酸等[4]。此外还含有一些果蔬中不具备的特有的抗氧化成分,如γ-谷维素、烷基间苯二酚以及燕麦蒽酰胺等[9]。粮谷类中多酚类物质主要包括酚酸类和黄酮类。不同谷物中抗氧化活性物质种类及含量各不相同[10-11],且均具有一定的自由基清除能力,可以通过螯合具有催化作用的金属离子、调节体内氧化酶类和抗氧化酶类的活性、促进内源性抗氧化物质的形成等方式使机体免受氧化损伤[12-14]。因此,粮谷类食品特别是全谷物类食品对肥胖、心血管疾病、癌症、Ⅱ型糖尿病、阿尔茨海默症等在内的人类慢性疾病预防越来越受重视[15-17]。

1.1 荞麦活性物质研究现状及分析

荞麦是一种重要的杂粮作物,属于蓼科荞麦属,主要有甜荞和苦荞两个品种。荞麦富含蛋白质、碳水化合物、不饱和脂肪酸及维生素等营养物质,富含七大营养素,有“药食兼用”的美誉[18]。且荞麦蛋白质中八种必需氨基酸含量充足,尤其富含一般谷类比较缺乏的赖氨酸而具有比较高的营养价值。此外,荞麦含有其他大多数谷类作物所没有的黄酮类化合物,如芦丁、槲皮素等功能成分,在预防和治疗糖尿病、心脑血管疾病及高血压等方面有较好的疗效[19],因而荞麦被作为加工相关人群食品的主要原料。苦荞的抗氧化能力是甜荞的3～4倍,苦荞中芦丁含量是甜荞芦丁含量的100倍。此外,苦荞中游离态酚含量分别是玉米和小麦的23～45倍和25～50倍[20]。Li等[21]从苦荞壳中提取酚类物质,研究了自由态酚类物质和结合态酚类物质的含量及组成成分,结果显示苦荞壳中自由态酚类物质作为功能成分有更强的氧自由基清除能力、细胞抗氧化能力和抗癌细胞增殖能力。杨旭等[22]采用紫外光谱和HPLC-ESI/MS鉴定纯化的苦荞壳活性组分,结果表明其主要成分为槲皮素和微量的槲皮素-3-鼠李糖苷和山奈酚,显示出良好的DNA损伤保护作用。另有研究表明[23],谷物中酚类物质主要存在于糊粉层,其总酚含量比脱壳粉中高出500 mg/kg。Jindal等[24]研究认为全荞麦粉对DPPH清除力、抗脂质过氧化力和金属螯合力都好于脱壳荞麦粉。

1.2 燕麦活性物质研究现状及分析

燕麦富含多酚、燕麦葡聚糖等多种生物活性成分,具有抗氧化、降血脂、清除自由基等多种生理功能[25-26]。多酚是燕麦中主要的抗氧化成分,以游离和结合态存在。β-葡聚糖是燕麦中主要的功能因子之一,具有降低血液中胆固醇水平、调节血糖浓度、增强机体免疫力及调节肠道菌群等重要的生理功能[27-28],膳食纤维在调节血脂、血糖和益生菌群等方面具有较强的作用,而不溶性膳食纤维主要是有助于肠道通便[29-30]。燕麦中的酚类化合物主要包括简单的酚类(如各种酚酸)、燕麦蒽酰胺和黄酮类化合物[31]。燕麦蒽酰胺是一系列羟基肉桂酸及其衍生物和邻氨基苯甲酸及其衍生物通过酰胺键(-HNCO-)连接而成的物质,是燕麦中特有的抗氧化成分,其大部分存在于籽粒外层麸皮和次级糊粉层[32]。燕麦多酚含量和抗氧化能力受品种、贮藏及加工条件的影响而降低[33]。国外对燕麦酚类物质的组成及抗氧化活性进行了大量研究,而国内主要集中在酚类物质的提取和活性研究上,但目前对燕麦的开发利用技术一直停留在较低水平上,其经济价值不能充分体现。

1.3 小麦活性物质研究现状及分析

小麦中常见的植物生物活性物质包括酚酸和黄酮、叶酸、植物固醇、生育酚、生育三烯酚等[3]。酚酸和黄酮是小麦中含量最多的酚类化合物,抗氧化能力强,可维持人体内氧化剂和抗氧化剂平衡。酚酸的主要成分包括阿魏酸、咖啡酸和香草酸、水杨酸,分别属于肉桂酸和苯甲酸衍生物;黄酮的主要成分包括花青素、黄烷-3-醇类、黄酮醇、类黄酮和异黄酮,二者在小麦中均主要以结合态存在,通过酯键或糖苷键与细胞壁结构物质纤维素、木质素和蛋白质等连接,在小肠中经微生物发酵后被消化吸收[34-35]。黑小麦是一种珍贵的黑籽粒小麦品种,属于优质特色谷物资源。与普通小麦相比,黑小麦含有更丰富的膳食纤维、酚酸、花色苷、B族维生素和微量元素等生物活性物质,以其特殊的营养价值而备受关注。然而,很长一段时间以来,黑小麦主要作为标记性状在小麦遗传育种研究中被广泛应用,在食品、医药等方面的应用较少。孙元琳等[36]对黑小麦麸皮中的主要酚酸物质进行制备和定性分析,提取了游离态酚酸和结合态酚酸,并确定了二者具有与阿魏酸相似的分子结构,且研究结果显示黑小麦麸皮中阿魏酸含量显著高于普通小麦麸皮。但是,国内外对黑小麦研究依然处于初始阶段,对黑麦粉的加工特性研究较多,对活性物质研究报道较少。因此加强黑小麦活性物质开发研究有利于促进黑小麦品种改良,带动良种生产、种植业结构调整,从而提高黑小麦食品加工业的发展。

1.4 其他粮谷类活性物质研究进展

研究表明[37-38],大麦中含有50～120 μg/g的酚酸类物质,苦荞中含有1.54%～2.40%的黄酮,小麦中含有33～43 mg/kg的β-生育三烯酚等。Renuka等[39]通过对脱脂米慷的甲醇提取物进行了分析,发现其中存在的植物活性物质有谷维素、生育酚、生育三烯酚、阿魏酸、麦黄酮和β-谷甾醇。Bu等[40]对小麦、大麦和燕麦三种全麦中的总酚含量和抗氧化能力进行了研究,认为在全麦粉中酚类物质以结合态或游离态存在形式对其总抗氧化能力方面有重要影响。Sosulski等[41]报道了大米、燕麦、小麦和玉米中的游离态和结合态酚酸含量、受限制酚酸含量及其抗氧化性。Shahidi等[42]对小米中酚类物质进行了阐述,认为小米中酚类物质主要以游离态和结合态酚酸存在,酮类物质含量相对较少。但是其中酚类物质生物可利用率高,对多种病理状态具有生物疗效,并且可以作为食品和生物系统中天然抗氧化物质使用。Chandrasekara等[43]以谷康、谷子、小米和经蒸煮处理后的小米为研究对象,研究了酚类提取物的抗氧化活性等。藜麦富含不饱和脂肪酸、类黄酮、B族维生素和维生素E、胆碱、甜菜碱、叶酸、α-亚麻酸、β-葡聚糖等多种有益化合物;膳食纤维素含量高达7.1%[44]。

总之,目前国内外科研人员对谷物中酚类物质研究主要集中在酚类物质提取方法、总酚含量、总酚抗氧化能力方面,少数人对谷物中酚类物质存在形式进行了研究,但对谷物特别是发芽谷物中不同存在形式的酚类物质形态结构研究鲜见报道。因此,以谷物特别是发芽谷物中酚类物质及其与之相结合的膳食纤维作为天然保健食品功能因子,对改善人类膳食结构、预防慢性代谢疾病有着极其重要的意义。

2 发芽谷物主要物质变化研究现状及分析

发芽是粮谷类无害化、低成本提升植物种子营养价值和功能性质的重要手段。发芽包括谷物从浸泡开始的一系列有序的生理过程和形态变化过程,分为吸胀、萌发和出苗三个阶段。研究表明,谷物吸水萌发后发生了许多生理代谢变化,主要表现在酶的活化、生成,细胞生理活性的恢复,同时伴随着复杂的生化代谢,使谷物的营养成分和理化性质发生了重大的变化[32,45-46]。谷物种子萌发技术在食品中的应用已经成了研究热点。发芽食品包括发芽谷物的直接利用,或者利用发芽谷物为原料生产加工出的系列产品。分析发芽过程中营养成分、功能组分的变化,以组分变化为依据开发利用发芽谷物,对于发展发芽食品具有重要意义。

2.1 发芽促使谷物营养成分改善

研究表明,谷物发芽过程中多种酶活力激增,还原糖、维生素、叶绿素等含量均大幅提高[47-48]。大麦发芽过程中由于淀粉酶活性激增使还原糖含量大幅升高,从而导致发芽大麦粉中有较强甜味[49]。蛋白质含量在谷物发芽过程中则呈下降趋势,但可溶性蛋白含量、总氨基酸含量和必需氨基酸含量增加。张雨薇等[50]探讨了发芽对荞麦蛋白质和氨基酸的影响,结果表明,发芽处理可显著提高荞麦蛋白质质量、总氨基酸含量和大部分氨基酸的含量。Bohn等[51]研究发现,谷物发芽过程中植酸酶活性增强,植酸被分解,因而,发芽能够提高谷物中矿物质元素的生物有效性。谷物芽含有丰富的叶绿素和叶酸。叶绿素与人体内的血液成分很类似,能快速溶入红血球使人恢复活力,也能进入组织中清除残留的药物和毒素,中和不利于健康的化学物质,有清肝、活血、强心脏、降血糖、加速伤口愈合的作用,所以谷物芽被称为“绿色的血液”。Hefni等[47]发现,发芽可以使小麦的叶酸含量增加4～6倍,即使随后对发芽小麦进行烘干(50 ℃)磨粉也不会影响叶酸的含量。

2.2 发芽降低或消除谷物原有害物质或抗营养物质含量

发芽可以降低或消除谷物和豆类中有毒、有害或抗营养物质的含量,提高蛋白质和淀粉的消化率以及某些谷物中限制氨基酸和维生素等营养物质的含量,使得原本不能食用的谷物或只能部分食用的谷物大大提高可食用性和营养价值[52-54]。比如由于荞麦中含有单宁、植酸和蛋白酶抑制剂等抗营养因子,荞麦蛋白质消化率低,生物利用率不高。同时,荞麦中的蛋白酶抑制剂可导致过敏反应[55-56]。而研究认为[57],发芽处理能够显著降低荞麦蛋白酶抑制剂的含量,提高蛋白质的质量。糙米在发芽之前,钙、镁等矿物质元素大部分与植酸结合在一起,人体无法吸收,经发芽处理后植酸酶活性增强,促使矿物质元素呈游离态,从而大大提高生物有效性[51],且一些原来不能消化的营养组分也能被有效地吸收,糙米品质得到较大改善。

2.3 发芽富集谷物功能活性成分

燕麦、荞麦、糙米等谷物发芽后,抗氧化活性显著增强。Kim等[58]对甜荞麦芽与苦荞麦芽中酚类物质进行了比较研究,研究结果认为,发芽6～10 d的荞麦芽单体酚含量显著提高,而苦荞芽中单体酚含量变化不明显。苦荞芽中的芦丁含量却显著高于普通荞麦。Sawai[59]研究了光照强度对荞麦芽和苦荞芽中黄酮类物质的影响,研究认为随着光照强度的提高荞麦芽和苦荞芽中芦丁含量相应提高,而荭草素等其他黄酮类物质含量变化不明显。付晓燕等[25]研究了燕麦多酚纯化、发芽燕麦不同组分的多酚分布及抗氧化活性,结果表明,燕麦发芽后蒽酰胺的含量显著提高。徐建国[60]以山西产裸燕麦为原料,对燕麦发芽过程中多酚含量及其抗氧化活性的变化进行了研究,结果表明燕麦发芽过程中游离酚、结合酚及总酚含量均有不同程度增加,清除自由基能力显著增强。Szwajgier等[61]研究结果表明,小麦发芽后酚酸含量,特别是阿魏酸含量显著增加。甘人友等[62]对发芽黑小麦的研究结果认为,发芽3～8 d可显著提高黑小麦可溶性和结合性提取物的抗氧化活性和总酚含量,可溶性提取物主要是黄酮类,结合性提取物主要是阿魏酸和香豆酸。

发芽谷物中其他功能性成分含量也有较大提升。糙米发芽后谷胱甘肽等含量呈现显著增加[63-65]。大豆发芽后可溶性膳食纤维含量增加,使大豆的营养价值提高且更适宜于人体的消化吸收[66]。糙米发芽后不溶性膳食纤维的含量下降,而可溶性膳食纤维的含量则有较大增加,生理活性有较大提升[46]。Kanauchi等[67]研究表明,发芽大麦可保持大肠内高水分环境,具有改善通便、防治腹泻、增加短链脂肪酸和改善溃疡性大肠炎的效果。此外研究发现[68],发芽可以提高谷物中γ-氨基丁酸的含量。

因此,利用谷物萌发技术可以对其特定营养成分进行转化,从而加工某一成分含量高或低的产品。但是,在提高谷物营养、功能和风味品质的同时,发芽也可能造成某种程度的营养缺陷。张端莉等[49]发现,大麦发芽过程中β-葡聚糖、胱氨酸和脯氨酸等含量会随发芽时间的延长而下降,这对发芽大麦的营养价值也产生了一定的负面影响。这是在发展萌动食品时所需要注意的,可以通过合理的调整工艺,避免有益成分的过度消耗。

3 结论及展望

综上国内外研究现状及发展动态分析,国内外研究者对谷物营养物质和活性成分进行了大量研究,且发芽谷物活性成分研究成为热点,但主要集中在酚类物质提取和活性研究上,对多种发芽谷物活性成分系统、对比研究非常有限,特别是对包括黑小麦在内的发芽谷物主要抗氧化活性成分结构鉴定研究更是鲜有报道。结构研究是天然活性成分一项重要的研究内容,且高级功能食品的开发对功能成分结构研究是必需的。随着质谱技术和核磁共振波谱技术的迅速发展,结合高效液相色谱联用,发芽谷物中主要活性成分的结构研究已成为可能。因此,加强发芽谷物“膳食纤维-酚类抗氧化剂复合物”结构及功能解析将成为新的研究方向。

创新发芽方式亦将成为新的研究热点。电解水因其杀菌高效、绿色环保、制取方便和成本低廉等优点而被广泛应用于食品加工、植病防治和医疗卫生等领域[69]。且微酸性电解水对芽苗菜类有促进种子萌发、提高营养成分和活性物质作用[70-71]。因此,用电解离子水对谷物种子浸泡不仅可以免除单独杀菌消毒环节,还可以提高发芽种子的营养品质和特殊成分活性,具有较大的应用空间。