青稞生物活性成分及其生理功能研究进展

阚建全，洪晴悦

(西南大学 食品科学学院/农业农村部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)/中匈食品科学合作研究中心， 重庆 400715)

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)是百合纲(Liliopsida)莎草目(Cyperales)禾本科(Poaceae)大麦属(Hordeum)植物，亦称无壳大麦或裸麦，是我国青藏高原地区最主要的农作物之一，属于禾本科小麦族大麦属大麦的变种之一[1]。青稞在高寒缺氧、环境恶劣的青藏高原地区种植了3 500余年，最高种植海拔可达到4 500 m，具有抗寒、耐旱、耐瘠薄、生长期短、适应性强、抗逆性强、产量稳定、易栽培等优点，主要分布在我国西藏、青海、甘肃、四川和云南以及内蒙古等地区[2]。青稞是具有广泛应用前景的经济作物，现已被用于特色食品、功能食品、酿酒和饮料等多个领域，是生产“糌粑”、青稞酒等的原料[3]。近年来，青稞产量稳步上升，截至2019年，我国青稞的种植面积超过27万ha，其中青藏高原种植面积超过25万ha，产量超过110万t[4]。

近年来人们生活质量得到极大改善，但同时面临心脏病、糖尿病、冠心病、肥胖症等慢性病及相关代谢疾病的健康挑战[5]。多项流行病学研究结果表明，全谷物的摄入与多种疾病的发生率呈负相关，可降低诸多以氧化应激为致病根源的常见疾病的发生[1，5]。青稞是一种具有保健功能的特色谷物，有“三高两低”(高蛋白、高纤维、高维生素和低脂肪、低糖)的组分特性，食用全青稞符合人体营养膳食结构的需要。此外，全青稞的预测血糖指数(pGI)在39.4～47.5，被认为是低血糖指数食物，适合糖尿病人食用[6]。食用青稞的优异作用主要归因于其特殊的生长环境导致青稞具有极强的抗逆性，富含β-葡聚糖、膳食纤维、酚类化合物、维生素E和γ-氨基丁酸等生物活性成分[7]。这些生物活性成分使青稞具有良好的预防心血管疾病、预防糖尿病、抗氧化、抗癌、降血压、降血脂、改善肠道菌群等作用[8]。

青稞中突出的生物活性成分，使其在功能性产品等领域具有较好的应用前景[9]。我国青稞品种多且物种资源丰富，作为无壳大麦的一种，青稞具有显著的加工优势，迎合了消费者当前追求营养、健康的心理[7]。随着对青稞的营养价值和保健功能的研究不断深入，在关于不同品种青稞的营养组成、理化性质和具有抗氧化潜力的生物活性物质，以及青稞的热加工特性和在功能性食品中的应用等方面，已经积累了较多研究成果。因此，本文对青稞中膳食纤维、β-葡聚糖、戊聚糖、酚类化合物、维生素E和γ-氨基丁酸等主要活性成分最新的研究进展进行了全面的概述，对研究中现存的问题及其发展前景进行分析，以期对青稞的深入研究及其商业化、产业化推进提供指导。

1 青稞中的膳食纤维

1.1 青稞膳食纤维的生理功能

膳食纤维被称为“第七大营养素”，广泛存在于谷物和果蔬中，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)[10]。青稞中总膳食纤维质量分数可以达到21.5 g/100 g，高于高粱、糙米、荞麦中的膳食纤维质量分数6.19、3.6、12.7 g/100 g，是良好的膳食纤维来源[10]。其中，SDF质量分数为9.28 g/100 g，接近总膳食纤维含量的一半且高于黑麦、小米、高粱等作物，使青稞具有更好的吸水率、持水力和溶胀性[11]。邹青飞等[10]的研究表明：青稞膳食纤维可作为多酚的传递物质，在结肠发酵过程中缓慢释放多酚化合物，以提高多酚含量和抗氧化活性，且IDF中多酚黄酮含量在结肠发酵过程中呈现逐渐升高趋势，而SDF中多酚黄酮含量却在结肠发酵过程中呈先升高后降低趋势。多酚和黄酮可以通过共价键与细胞壁交联，以不溶性结合的形式存在于青稞膳食纤维中，Li等[12]测定青稞IDF中的总酚含量和总类黄酮含量是SDF的2.42～7.33倍和3.08～10.00倍。此外，膳食纤维中三糖和四糖的比例也会影响青稞的理化特性，何平伟[13]测定的青稞纤维三糖和四糖的比例为2.54，Zhang等[14]的研究表明：青稞中三糖和四糖占总膳食纤维的66.6%，较高的三糖和四糖含量使青稞具有更好的水溶性和胶凝特性。

SDF包括果胶、树胶、果糖聚糖、葡聚糖和部分半纤维素，具有较高的生理活性和较强的抗氧化性，在降低胆固醇和心脏病风险，改善免疫力、预防糖尿病和结肠癌、影响代谢和炎症性肠疾病等方面发挥着重要作用[15]。IDF由木质素、纤维素和部分半纤维素组成，具有多孔性，能吸附油脂、胆固醇、胆酸钠和亚硝酸盐，增加粪便体积，刺激肠排泄，改善肠道功能，且表现出了抗氧化活性[15]。大多数IDF在结肠无法发酵，而SDF在结肠中可选择性分解和发酵，并代谢产生短链脂肪酸[16]。这些短链脂肪酸不但能够降低人体肠道pH值，还能够促进有益菌增长，为结肠细胞提供能量来源，防止肠道功能紊乱[17]。但也有研究认为，IDF能减少食物摄入量，预防高脂饮食诱导的肥胖，与全谷物降低糖尿病风险密切相关。青稞中的IDF可能通过与SDF不同的机制发挥预防糖尿病作用，在降低2型糖尿病风险方面更有效[18]。

1.2 青稞膳食纤维的加工特性

膳食纤维的摄入量与人体肠道微生物群落的丰富度正相关，同时对微生物群落的稳定性产生影响[17]。成年女性和男性的膳食纤维推荐摄入量分别为21～25 g/d和30～38 g/d，其中不溶性膳食纤维的摄入量应达到总膳食纤维的20%～30%[19]。与IDF相比，SDF具有更好的生理、功能特性和质地，在食品加工中应用更广泛，对于功能性食品的开发，IDF和SDF的推荐比例是1.0～2.3[20]。大多数原始的食物原料中膳食纤维组成不符合这种比例，但可通过物理、化学和生物技术方法来调整其膳食纤维的组成比例，增加SDF含量和改善SDF的理化性质和生理功能[15]。研究报道，微细化粉碎、动态高压微流化、超声波、机械剪切等物理改性的方法可直接对青稞膳食纤维进行处理，超微粉碎能有效将青稞IDF粉碎至亚微米级，增加SDF含量，促进β-葡聚糖等具有生物活性的膳食纤维的生物利用度[21]。酶解- 超声波联合改性，能提高青稞SDF得率(质量分数)到12.59 g/100g，并有效改善青稞膳食纤维的持水性、持油性和膨胀性[22]。挤压膨化、蒸煮、焙烤和油炸等热加工处理也能增加IDF与SDF含量和分子质量，改善膳食纤维的溶胀能力、胆固醇和胆酸钠的吸附能力，其中焙烤后青稞SDF可增加53.91%，蒸煮后可增加68.08%[23-24]。此外，交联、羧甲基化和羟丙基化等化学处理方法也能改变谷物的IDF和SDF比例[15]。

2 青稞中的β-葡聚糖

2.1 青稞β-葡聚糖的生理功能

β-葡聚糖是青稞SDF的主要成分，是籽粒胚乳细胞、糊粉层和亚糊粉层细胞壁的主要成分之一[1]。2011年，欧洲食品安全局(European Food Safety Agency，EFSA)提出将谷物β-葡聚糖作为常规饮食的一部分，以减少餐后血糖反应[25]。欧美等国家和地区培植的大麦中β-葡聚糖质量分数在3.7 g/100 g至4.5 g/100 g，而我国种植的青稞β-葡聚糖质量分数占籽粒重的3.66～8.62 g/100 g[26]。西藏青稞的β-葡聚糖平均质量分数为5.25 g/100 g，其中普遍种植的喜马拉22号品种和藏青2000品种青稞的β-葡聚糖质量分数在5 g/100 g至5.96 g/100 g左右，质量分数最高的藏青25号品种青稞为8.62 g/100 g，是小麦的50多倍[8，27]。作为β-葡聚糖含量最高的麦类作物，青稞是食物中SDF的最佳来源，与其他谷物相比具有独特优势[28-29]。

β-葡聚糖具有多种生理活性，如预防高血压、调节血糖、血脂、胆固醇、防止便秘、改善肠道环境、调节肠道菌群，抗感染、改善胰岛素敏感性、降低直肠癌、心血管疾病发病率[17]。青稞β-葡聚糖呈致密蜂窝状小孔结构，使其油脂、胆固醇和葡萄糖吸附能力优于燕麦β-葡聚糖和酵母β-葡聚糖，在降血糖和降低血脂方面具有综合优势[30]。用添加5%的青稞β-葡聚糖的饮食喂食高胆固醇小鼠，能促进其肠道中总脂和胆固醇的排泄，降低血浆胆固醇浓度[31]。此外，青稞β-葡聚糖能提高肝脏中胆固醇7-α羟化酶(CYPA1)的活性，从而促进胆固醇的排除[32]。通过水酶法提取的青稞β-葡聚糖能抑制α-葡苷糖酶、α-淀粉酶和果糖苷酶活性，具有作为天然辅助降血糖添加剂的潜力[30]。β-葡聚糖在肠道中发酵产生丁酸、丙酸、乙酸等短链脂肪酸，能够调节肠道菌群，促进肝脂质的代谢，降低心血管疾病和病毒性传染病的发生率[17，33]。研究表明：青稞β-葡聚糖的体外结合特性及其对α-淀粉酶和胰脂肪酶的抑制活性与其分子质量呈正相关，而抗炎活性与其呈负相关[34]。

2.2 青稞β-葡聚糖的加工特性

青稞β-葡聚糖的含量和聚合度取决于其品种及生长、加工和储存条件[35]。β-葡聚糖的结构和分子特征如β-(1→3)/β-(1→4)键的比例和分子质量大小会影响其溶解性、黏度和流变学特性及其在水溶液中的存在状态，进而影响其生理功能的发挥[36]。研究表明：高分子量的β-葡聚糖可使低密度脂蛋白胆固醇降低 0.2 mmol/L，而低分子质量β-葡聚糖的功效低于高分子质量的β-葡聚糖[33]。青稞β-葡聚糖的分子质量在46.14×104Da，高于大麦的20.19×104Da和燕麦的3.05×104Da，较高的分子质量使青稞具有更好的黏性和凝胶特性，能增强其生理效果[26]。

青稞β-葡聚糖可通过水提法、碱提法、酸提法、酶提法提取，其中水提法和酶提法提取的β-葡聚糖的提取率和纯度最好[29]。与超声、热水、微波提取法相比，高压水提法提取的青稞β-葡聚糖具有最高的分子质量和聚合度，同时具有更高的抗氧化活性和降血脂活性[37]。硫酸化修饰也能显著影响青稞β-葡聚糖的水溶性、表观黏度、分子质量和物质的量比，是提高青稞β-葡聚糖生物活性的有效方法[38]。羧甲基化修饰可影响青稞β-葡聚糖的结构特性，提高青稞β-葡聚糖的生物活性，且能对金黄色葡萄球菌产生抗菌作用[39]。高温会引起IDF降解生成新的β-葡聚糖并可能使β-葡聚糖分子质量发生改变，汽爆、焙烤、炒制和挤压膨化等热加工方式可显著增加青稞中β-葡聚糖含量[29]。Hong等[40]的研究表明汽爆处理能增加青稞SDF含量，降低IDF含量，其中β-葡聚糖质量分数从39.3 mg/g增加至44.5 mg/g。此外，发芽也能提高β-葡聚糖含量，增强抗氧化能力和总酚含量[41]。植物乳杆菌dy-1发酵也能提高大麦β-葡聚糖的体外生物活性，改变其分子质量和微观结构，增强α-淀粉酶抑制活性和胆固醇吸附能力[42]。

3 青稞中的戊聚糖

3.1 青稞戊聚糖的生理功能

戊聚糖主要由阿拉伯糖和木糖组成，是青稞中另外一种重要的膳食纤维，通常是水不溶性的[43]。戊聚糖具有高持水、高黏度和氧化交联等特性，是影响谷物加工过程及其产品质量的重要功能性成分[17]。夏雪娟[7]测定的青稞中戊聚糖质量分数为10.74 g/100 g，高于小麦、大麦、燕麦和黑麦全粉的6.6、6.6、5.8、9.0 g/100 g，具有良好的应用开发前景。与作为SDF重要来源的β-葡聚糖相比，有关青稞戊聚糖的研究较少，但戊聚糖对降低胆固醇、降低血糖指数、改善矿物质吸附、预防结肠癌和减肥等也有很大的作用，具有开发新型食品和功能性食品的价值[9，17]。以阿魏酸为主的酚类化合物能在阿拉伯糖上被酯化，增加戊聚糖的抗氧化能力，且较高阿魏酸含量的戊聚糖具有更高的固有黏度[9]。作为一种新型益生元，戊聚糖能在结肠中被微生物选择性地分解，产生短链脂肪酸，促进益生菌如双歧杆菌的生长，抑制有害菌如大肠杆菌的生长，具有调节肠道菌群的功能[43]。

3.2 青稞戊聚糖的加工特性

不同的提取方法会影响青稞戊聚糖结构、物理和化学性质，如分子质量、黏度、水结合能力和凝胶性质[43]。研究表明：戊聚糖在谷物加工过程中易被氧化或水解，改变其结构性质和生理功能[44]。碾磨和挤压能降低戊聚糖的聚合度，增加其溶解度，促进人体健康[45]。与热水提取的青稞戊聚糖相比，碱提取的戊聚糖主要由阿拉伯糖(30.13%)和木糖(51.55%)组成，总酚含量更高且具有更好的抗氧化能力。此外，加入戊聚糖能提高面粉的吸水能力，其中水溶性戊聚糖能更好地改善面粉的吸水能力、硬度和稳定性，水不溶性戊聚糖则能更好地改善面粉的感官性质[46]。

4 青稞中的酚类化合物

4.1 青稞酚类化合物的生理功能

酚类化合物具有较强的抗氧化性能和清除自由基潜力，是有益于人体健康的主要生物活性化合物，人们一般通过谷物尤其是全谷物进行膳食多酚的摄取[47]。谷物中酚类化合物主要有游离和结合两种存在形式，结合型酚类化合物主要包括阿魏酸、香豆酸等，是能与结构蛋白、淀粉、脂肪、纤维素、半纤维素等结构成分共价结合的酚类化合物，游离型酚类化合物主要包括黄酮类、酚酸和木质素等，多存在于植物细胞液泡中[48]。研究表明：谷物的抗氧化能力与酚类化合物含量呈正相关，天然的植物多酚因其特殊的化学结构，能够阻断脂质的过氧化反应，有效缓解心脑血管疾病的发生，还具有抗肿瘤、抗菌消炎、调节糖脂代谢、抗衰老等作用[49]。通常认为，青稞具有抗氧化、清热解毒、活血化痰、清除自由基、抗衰老、抗癌、增强免疫力等功效，与青稞富含天然多酚类物质有关[50]。

青稞总酚质量分数在132.15～912.51 mg/100 g干质量(没食子酸当量)，总黄酮质量分数在32～58 mg/100 g干质量(芦丁当量)之间，高于玉米、大米、小麦和燕麦含量[7]。此外，青稞原花青素质量分数在2.54 mg/g左右，总花色苷质量分数在9.55 mg/100g左右[51]。青稞酚类化合物的含量和组成受其品种、生长环境、提取方法的影响较大[52]。青稞中80%左右的总酚分布在麸皮和胚芽部位，其中黑色品种青稞的总酚、总黄酮和花青素含量最高[53]。Ge等[54]对白、黄、黑、蓝4种颜色青稞的酚类化合物进行研究，共鉴定出156种酚类物质，有色青稞的酚类化合物更丰富，并指出青稞含有独特的酚类化合物，具有潜在的健康益处。阿魏酸是大麦中存在的最主要酚类化合物之一，对炎症、糖尿病、心血管疾病、细胞凋亡、癌症和神经退行性疾病具有有益作用[55]。龚凌霄[28]将阿魏酸作为青稞的特征性酚类化合物进行研究，表明青稞中阿魏酸质量分数可以达到340 mg/100g，占总酚的68%。青稞的多酚和黄酮以结合型为主，平均百分比为56.84%和52.23%，高于高粱的47.12%和49.82%以及紫米的21.70%和40.51%，相比于其他谷物具有更高的清除DPPH、ABTS能力和总抗氧化能力[56]。Yang等[57]测定的蓝色青稞的游离酚类化合物抗氧化能力的主要贡献成分是绿原酸和香草酸，结合酚类化合物的是阿魏酸、p-香豆素和原儿茶酸，且结合酚类化合物抗氧化能力更高。与小麦、燕麦等谷物相比，青稞中丰富的阿魏酸和p-香豆素使其对血脂有显著的调节作用[58]。在消化过程中，酚类化合物必须以生物可利用的形式(游离型酚类化合物)从基质中释放出来，才能被吸收和转移到血液中发挥作用[59]。青稞结合型多酚可在体外模拟胃肠道消化和体外发酵过程中被释放出来，改善青稞中酚类化合物的生物有效性，提高青稞的抗氧化活性，促进胃肠消化，降低结肠癌的患病概率，在全谷物食品的营养功能中具有重要作用[10，52]。

4.2 青稞酚类化合物的加工特性

热加工可以诱导谷物酚类化合物的理化结构的变化，高温高压的环境引起酚类物质的释放与降解，同时影响酚类物质尤其是游离酚类化合物的稳定性，从而改变酚类化合物含量，影响其生物利用度和生物有效性，且影响程度与酚类物质的化学结构差异有关[17]。研究表明：蒸汽爆炸和挤压膨化技术能使青稞总酚质量分数增加30.5%和12.5%，与青稞传统的炒制工艺相比，汽爆技术使青稞具有更好的膨胀性，更有效的保留了青稞的活性成分和抗氧化能力[40]。发芽、酸碱处理、酶处理和固态发酵等加工方式也可将结合型酚类化合物转化为可利用的酚类化合物，增加谷物游离酚类化合物含量，提高谷物多酚的生物利用度[60]。

5 青稞中的维生素E

维生素E在谷物中一般存在于胚芽和皮层，包含α、β、γ、δ生育酚和α、β、γ、δ三烯生育酚两类共8种化合物[28]。维生素E可通过抑制不饱和脂肪酸的氧化，充当自由基清除剂来保护细胞膜，从而减少前列腺癌、动脉硬化、急性心肌梗死等疾病的发生率和死亡率，严重缺乏维生素E会妨碍基本的生育功能[10]。青稞是维生素E的重要来源，米糠、小麦和全麦麦胚中维生素E的质量分数分别为30、4、16 mg/100 g，罗静采用亚临界萃取法对青稞维生素E的提取进行优化，得到总维生素E的提取质量分数为221 mg/100g[61]。邢玉晓[62]对青稞α-维生素E质量分数的测定在0.37～0.71 mg/100 g，α-生育酚能够与单线态氧发生反应，是青稞中一种重要的抗氧化剂。由于维生素E是一种脂溶性物质，需要通过胶束载体才能被人体吸收，酸性环境会降低胶束中维生素E的含量[63]。不同的样品处理方法也会影响维生素E的生物有效性，有学者对常压蒸制、高压蒸制和热风干燥处理的谷物的维生素E的研究表明：高压处理会导致生育酚和生育三烯酚的含量增加，其中β-生育酚的增幅最高(4 350%)[64]。在另一项研究中发现蒸煮处理对5种小麦的维生素E同源物具有不同的影响，其中α-生育酚，α-生育三烯酚和β-生育三烯酚分别降低了10.8%、14.1%和14.7%[65]。热加工一方面导致脂质球状结构的丧失和脂质分布方式的改变，以及一些结合的生育酚分子从细胞组分中的释放导致生育酚含量的增加。另一方面，一些对热敏感的维生素E异构体会降解，每种效应的程度取决于物种、品种以及特定的热处理条件[48]。此外，浸泡发芽也会影响青稞维生素E含量[66]。

6 其他活性成分

6.1 青稞中的γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(分子式C4H9NO2，缩写GABA)是一种四碳非蛋白游离氨基酸化合物，通常由禾本科作物中谷氨酸脱羧酶将L-谷氨酸脱羧而合成[25]。作为广泛存在于多种植物的活性成分，γ-氨基丁酸是脊椎动物交感神经细胞结合点重要的抑制性神经递质，在降血压、增强免疫力、改善大脑功能、延缓智力退化方面可发挥有效作用[37]。高原藏青稞γ-氨基丁酸的平均质量分数为19 mg/100g，高于其他地区的大麦和青稞品种，且深色青稞γ-氨基丁酸含量显著高于浅色品种[61]。目前的研究表明：青稞可以作为GABA补充剂的原料进行开发利用，应用于食品、医药等领域[59]。浸泡、发芽和发酵是常见的提高青稞γ-氨基丁酸含量的方法，并可同时提高青稞的抗氧化性能和总酚含量[41]。不同的发芽阶段对青稞γ-氨基丁酸影响较大，发芽后青稞的γ-氨基丁酸质量分数可增加1.95～4.51倍，且热风干燥和真空干燥会影响发芽青稞γ-氨基丁酸的保留率[67]。

6.2 青稞中的麦绿素

青稞麦绿素被称为碱性食物之王,是指将一定生长期的青稞麦苗中的有效成分分离提取出来，采取特定加工工艺制备的绿色物质，碱性度为66.4[68]。麦绿素能促进细胞修复和再生，具有增强人体免疫力、缓解炎症、抗氧化、降低血糖血脂、促进肠道吸收等作用，是具有潜力的功能食品原材料[35]。有学者对150种幼叶的麦绿素进行测定，青稞(裸大麦)幼叶的麦绿素有效成分最佳[66]。目前研究表明：青稞麦绿素主要通过浸提法提取，采用冷冻和喷雾两种干燥方式，但麦绿素的提取和干燥工艺还缺乏深入研究，关于麦绿素在提取和干燥过程中的品质变化也有待研究[69]。

7 研究展望

青稞作为我国独特的谷类作物之一，能预防多种慢性疾病的发生。因此，在食品加工行业和保健行业越来越受重视。目前，对青稞的膳食纤维、β-葡聚糖、戊聚糖、酚类化合物和维生素E等生物活性成分及其生理功能已进行了较多的研究[58]，但仍有许多问题亟待深入探讨。

青稞生物活性成分的具体组成和作用的分子机制以及新的生物活性成分发现等方面的研究还比较浅，如关于青稞可溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维，游离多酚与结合多酚的生物活性和功能特性的差别不清楚，β-葡聚糖和游离多酚与结合多酚等的具体组成、结构、对其生物活性的影响以及与其他谷物中相同生物活性成分的区别等也不够清楚。

目前，青稞中活性成分的研究大部分集中在青稞原料或直接将活性物质通过有机溶剂或酸碱提取后分析其含量及抗氧化性的相关变化[62]，但这种研究方法存在较大的问题，如无法反映酚类化合物等活性成分在胃肠道消化及发酵过程中的存在形式、释放量以及抗氧化活性的变化。此外，对于青稞的生理功效与其肠道菌群的关系大多集中于单一组分(如膳食纤维、β-葡聚糖、戊聚糖等)对细菌生长代谢的影响，关于青稞整体经肠道菌群发酵后的生理活性及抗氧化性的研究较少。

仍然缺少关于青稞在不同加工过程中生物活性成分变化有关的基础研究。谷物在摄入前，需要经过加工熟化来达到更好的色泽口感、质地和外观，并易于被人体消化吸收。在不同的热加工过程中，其品质和有效成分往往受到不同程度的影响，加工对营养素的损失程度随食品、加工类型和营养素性质的不同而变化，但在这方面对青稞的研究很少。