谷物多酚的富集方法研究进展

郭俊玲，党 斌，张 杰

(1.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016；2.青海省青藏高原农产品加工重点实验室，青海 西宁 810016)

谷物主要包括大麦、小麦、燕麦、荞麦、稻米、薏米、高粱、玉米等[1]。其富含碳水化合物，是人体能量摄入的主要来源，且蛋白质、维生素及一些微量元素也直接或间接的参与人体的新陈代谢，对人体健康状态具有决定性的作用[2]。此外，谷物中功效性成分的存在也不容忽视，如活性肽、γ-氨基丁酸、多糖、膳食纤维、多酚等[3]。随着大健康产业的发展，谷物在日常饮食中的地位居高不下，功能活性成为研究热点和消费卖点，尤其是多酚，相对含量较少却具有高度的活性，在谷物中主要以游离态(包括游离态多酚和可溶性酯化态多酚)和结合态的形式存在于胚芽、麸皮等部位[4]，是一种可再生的绿色资源。多酚一般是由糖酵解和戊糖磷酸途径产生的初级代谢物质经莽草酸途径得到L-苯丙氨酸，再经苯丙烷途径而产生。目前，大量研究已证实谷物多酚具有抗氧化活性[5]、抑菌活性[6]、抗癌活性[7]、抗炎活性[8]、抗肥胖[9]及调节血糖、血脂[10]等功效。谷物中多酚多以酯键的形式与细胞壁多糖、蛋白质结合[11]，故而不能充分发挥其功能活性，因此有必要采用相应的富集技术手段对酚类化合物进行深入研究，促进其开发利用。

目前谷物中多酚的富集方法主要包括微生物发酵法和植物代谢法。微生物发酵法通常是指采用特定微生物，在适宜条件下发酵产生所需的酶系，再经过一系列的代谢途径得到人们所需的代谢产物。植物代谢法包括生长代谢和应激代谢[12]，其中生长代谢法是指植物种子经萌发处理，其体内的多种酶被激活，从而促进植物的生长代谢；而应激代谢法是借助微波、超声波、盐胁迫、紫外照射、超高压及温度变化等外界手段处理谷物，激发谷物为对抗外界恶劣环境而建立的自我防御机制，从而做出包括基因调控以及相关酶的表达等应激反应，继而使体内生理状态发生变化。现已有研究证实，采用应激代谢法富集酚类物质主要是通过调控莽草酸途径以及苯丙烷途径中参与多酚类化合物代谢关键酶的表达来促进目标成分的积累[13]。其中应激代谢法以其方便高效且多元化的处理方式受到越来越多的关注，且与萌发复合的技术手段对酚类化合物代谢网络的调控效果尤为突出。应激代谢法不仅可以达到富集多酚的目的，更多研究旨在提高萌发谷物的抗逆性，提高谷物的综合品质。经非生物胁迫处理后谷物具有更好的萌发特性和生理生化特性，γ-氨基丁酸、维生素等具有多重功能活性的物质也得到有效富集。目前通过微生物发酵谷物、非生物胁迫谷物萌发富集γ-氨基丁酸的研究层出不穷，但当前国内外学者针对谷物多酚富集研究缺乏系统性概括和分析，基于此，本文综述了不同富集方法对谷物多酚积累的研究现状，以期为富含多酚类化合物的食品开发利用提供参考。

1 微生物发酵法富集谷物多酚的研究

近年来微生物发酵技术逐渐应用于改变谷物多酚组成及含量的研究中，通过微生物发酵产生的复合酶系，如木质素水解酶和纤维素水解酶等，能够破坏植物细胞壁纤维成分的结构或使多酚物质与其它物质间的共价键断裂，从而促使酚类物质的释放或转化，进而影响其生物活性[14]。研究表明微生物发酵也有利于次生物代谢途径的进行如苯丙烷代谢途径，从而促进酚类物质的累积。刘善鑫[15]利用冠突散囊菌对燕麦进行发酵处理，发现发酵后燕麦中的多酚、黄酮及阿魏酸含量明显提高，分别提升为未发酵燕麦的2.3倍、2.7倍及4.3倍，且体外抗氧化能力也有明显提高。同时阿魏酸含量与苯丙氨酸解氨酶、阿魏酸含量与阿魏酸酯酶活性呈显著正相关关系。黄士淇[16]等人研究发现米根霉、米曲霉、少孢根霉等常见菌种发酵后的墨江紫米总酚、总黄酮及体外抗氧化活性在适宜的发酵时间内均有明显提高。Dey等人[17]研究证实采用米根霉RCK2012固态发酵处理小麦能够很好地提高酚类化合物从基质中释放的效率。除利用单一菌株发酵富集多酚外，许多研究者也采用了复合菌种发酵技术，且效果良好。刘燕[18]利用红曲霉和枯草芽孢杆菌混合菌种对燕麦进行固态发酵，发现发酵后燕麦中总酚和总黄酮含量分别提高为未发酵燕麦的30.2倍和8.3倍，且发酵过程中酚类物质含量的变化与α-淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶的活力变化呈显著的正相关关系。

这些研究表明微生物发酵能够显著提高酚类物质的含量及其生物活性，且与发酵过程中微生物代谢的系列酶活动密切相关。但目前应用发酵技术富集食品原料中的生物活性物质的相关研究大多集中在提高活性物质含量及生物效能，且不同菌种的发酵能力不尽相同，缺乏发酵富集酚类物质的组成变化及相关机理的研究，造成发酵技术利用率低，难以实现工业化。随着国内外学者对多酚研究不断深入，发酵富集植物多酚的机制还需进一步明确，且在灵敏度、通量及选择性等相关性能不断进化的背景下，代谢组学技术也将成为相关科研工作者探索研究的重要手段。

2 生长代谢法富集谷物多酚的研究

萌发是一种有效改善和增强谷物种子组织结构、营养特性及感官品质的方法。谷物在适当的温度湿度条件下萌发能够加速体内各类生化代谢反应的进程，并促进其营养品质的提升，且其中的淀粉、蛋白质、脂肪等物质在萌发产生的蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶的作用下降解为小分子的氨基酸、葡萄糖等，因此更容易被人体消化吸收。此外，有研究证明萌发后谷物中的维生素含量也提高为原来的十几倍[19]，且萌发后植物中的活性成分如多酚、GABA等含量也有所提高[20]，同时萌发后一些有毒有害物质以及抗营养因子的含量也有降低[21]。

Xu等人[22]研究发现薏仁种子萌发后具有更高的游离酚、总酚、类黄酮含量以及体外抗氧化活性，其中以游离态形式存在的多酚和类黄酮含量分别增加了112.5%和168.3%。Tian[23]等人研究发现发芽糙米比糙米含有更高的游离酚酸含量，结合酚含量也从糙米的18.47mg/100g增加到发芽糙米的24.78mg/100g。其中阿魏酸的含量由未发芽糙米的0.32mg/100g增加到0.48mg/100g，成为萌发糙米中最主要的酚类化合物单体；芥子酸含量也由0.02mg/100g增加到0.21mg/100g。朱雪洋[24]等人研究发现青稞萌发后总酚、总黄酮含量均有显著提高，且FRAP还原能力、DPPH·自由基和ABTS+·自由基清除能力也有明显提高。此外研究表明萌发藜麦中阿魏酸、对香豆酸、香草酸及对羟基苯甲酸等主要酚类化合物的含量均有提高[25]。目前，研究证实了萌发能够促进多酚类化合物的释放，且能够显著提高其生物活性，但其萌发机理还需进一步研究。

3 应激代谢法富集谷物多酚的研究

应激代谢法通常是指利用非生物胁迫手段对谷物进行处理，使其生理状态发生变化，严重时会导致性状的改变。常见的非生物胁迫类型有：温度胁迫(高温胁迫和低温胁迫)、水分胁迫、盐胁迫、超声胁迫、紫外胁迫、微波胁迫、等离子体胁迫和金属胁迫等。采用非生物胁迫手段干预谷物正常生理代谢，可以有效提高一些有益的植物次生代谢物质含量及其生物活性。

3.1 超声波胁迫富集多酚技术

超声波是一种频率高于20KHz的机械波，由于其在传播介质中产生的热效应、空化效应及机械效应等多种物理化学效应，使植物在超声波刺激时会受到不同程度的热和力的影响，进而引发其生理生化反应进程的改变。超声波用于天然活性成分的提取时，能够加速活性成分进入溶剂，提高提取率，有效缩短提取时间[26]。此外，研究发现将超声波技术应用于功能性成分的富集时效果也非常显著。Ding等人[27]研究发现超声波处理可以提高燕麦中蒽酰胺的含量，其抗氧化活性也从39.34%增加到超声处理样品的67.84%。雷月等人[28]对发芽黑糙米进行超声波辅助喷雾加湿法处理，发现在超声波功率为144W，超声时间为45min以及超声温度40℃的条件下，发芽黑糙米中的多酚含量明显提高，而超过一定的超声条件，多酚的积累量逐渐趋于平缓甚至下降。张祎等[29]在糙米发芽不同阶段进行超声波处理，结果发现超声处理组发芽10h后多酚含量显著增加，且超声发芽组比对照组多酚含量提高了8%，研究表明超声波处理能缩短发芽时间，促进多酚的积累。

当前研究中关于超声波对于酚类物质的影响机制尚不明确，而值得注意的是，过度的超声处理反而会引发活性氧的过度积累，导致某一类结构的多酚类化合物氧化失活[30]。Fonteles[31]研究发现在相同的超声功率下，低温短时处理组的多酚降解率明显高于高温长时处理组，这可能是因为超声波空穴效应使水分子产生羟自由基，因而消耗了部分多酚[32]。因此，在后续研究中应进一步明确超声波富集多酚类化合物的工艺及机制，为超声波技术的应用提供理论支撑。

3.2 微波胁迫富集多酚技术

微波是一种波长介于1mm-1000mm之间的电磁波，其频率为300MHz-3000GHz，具有多种生物效应。据报道微波作用于植物时发出的电磁波能够对细胞产生一定的电压力，影响细胞壁以及各细胞器的正常运作，从而影响到植物的生理代谢过程[33]。Wang[34]等人研究发现适当的微波预处理能够一定程度提高苦荞种子的萌发率，且对总黄酮含量及体外抗氧化活性具有明显的提升效果。陈培栋[35]对糙米进行微波处理，结果显示当微波条件为4.0KW/Kg，处理时间为60s时，糙米中总黄酮和总多酚含量最高，其含量均提高为未处理糙米的50%，且抗氧化活性也保持较高水平。汪建飞[36]的研究表明适当的微波处理有利于苦荞芽中多酚类物质的富集，如微波300W、75S的条件下荞麦芽的总酚和总黄酮分别比对照组提高了20.58%和14.12%。但过高的功率(350W)或时间(120S)都会使总黄酮含量骤减，可能是因为破坏了PAL黄酮合成途径中相关酶的活性。

3.3 紫外胁迫富集多酚技术

研究表明适当的紫外线处理对酚类化合物尤其是黄酮类物质具有明显的积累效果，主要是通过影响合成途径中相关基因及酶的表达所致。Huang等人[37]研究发现UV-B辐射是一种有效的非生物诱导子，UV-B照射处理可显著改变苦荞毛状根中PAL、CHI、CHS、F3H和FLS-1的转录丰度。生长期的苦荞芽经UV-B辐射处理后，芦丁及槲皮素含量有明显增加。陈旭等人[38]以波长为310nm的紫外灯管为UV-B光源处理发芽大豆，发现紫外辐照能有效促进发芽大豆异黄酮的积累，同时也发现PAL活力与大豆异黄酮含量的上升趋势呈现良好的线性关系。此外，研究人员发现不同波段的紫外线处理对多酚积累的效果存在差异，且UV-B处理的积累效果更好。Tsurunaga等[39]采用不同波段的紫外线对萌发荞麦进行处理，发现300nm的UV-B能够显著提高荞麦芽中花青素和芦丁的含量，其DPPH自由基清除能力也有明显提高，UV-A效果次之，而260nm的UV-C却导致了荞麦芽的枯萎死亡。董新纯[40]研究发现低剂量的辐照更利于类黄酮的形成和维持，可能是因为高剂量的紫外辐照产生了过度的活性氧破坏细胞结构和生物大分子。

目前紫外胁迫植物生长富集黄酮类物质的研究主要集中在富含黄酮类化合物的豆科、蔷薇科、菊科、葡萄科及柑橘类水果中。在谷物中的相关研究主要包括荞麦以及豆类谷物，而一些含有较高的黄酮类化合物含量的谷物如高粱、青稞等相关研究较少。此外由于紫外线处理是否存在辐射残留，且对人体健康尚不明确，因此，该方式在实际生产应用中利用率较低。

3.4 盐胁迫富集多酚技术

盐胁迫是指谷物在高盐浓度的环境下由于细胞渗透势的改变影响到细胞稳态，从而影响到其正常的生理代谢。Yin等人[41]研究发现褪黑素联合氯化钠胁迫萌发大麦能够显著提高对香豆酸、阿魏酸、羟基苯甲酸及总酚酸的含量，同时提高了PAL和C4H的酶活性，而且上调了它们在萌发过程中的相对基因表达量。马燕[42]研究发现浓度为60mol/L的NaCl胁迫大麦萌发后对羟基苯甲酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、香豆酸、阿魏酸和芥子酸7种酚酸含量显著增加，且抗氧化能力也有一定程度的增强。Lim等[43]探究荞麦芽经1、3、5和7d盐胁迫后其营养品质的变化。结果发现不同浓度的NaCl(10、50、100和200mol/L)溶液处理能够促进荞麦芽中酚类化合物和类胡萝卜素的含量增加，且通过NaCl溶液处理提高了荞麦芽的抗氧化活性。上述研究表明适当的盐胁迫能够诱导植物次生代谢产物的积累，这主要是由于谷物在盐溶液的环境下体内会产生大量活性氧自由基，产生一定的氧化压力，从而激发植物的抗逆境防御机制。但当盐溶液浓度达到一定阈值时盐离子可能会对谷物产生毒害作用，反而影响到谷物的正常生长发育。

3.5 温度胁迫富集多酚技术

不同程度的环境温度胁迫会导致植物体内活性氧的产生[44]。低温冷害是自然界中常见的一种自然灾害，作为一种连通逆境与植物抗逆境防御机制的信号因子，活性氧的产生能够进一步刺激多酚、黄酮等抗氧化物质的生成[45]。Jin等[46]人研究发现苦荞在低温胁迫处理后对羟基苯甲酸和阿魏酸在低温处理8天后分别提高为对照组的1.25倍和1.54倍，同时发现苯丙氨酸途径的关键基因PAL、C4H和4CL在冷胁迫后表达水平明显上调，其诱导水平分别超过3.3倍、3.2倍和3.1倍。Swigonska等人[47]发现大豆中的酚类化合物代谢活动在应对寒冷和渗透胁迫时大大加强，并在解除胁迫恢复期内保持在较高水平。从上述研究中发现，在维持植物稳定的生理特性及正常生理代谢条件下，适当的温度胁迫确实能够有效诱导植物活性物质的产生。但目前利用低温逆境刺激植物多酚代谢产生的研究主要集中在烟草及茶叶等植物中，对谷物的相关研究较少。可能是植物叶片具有更多的感官细胞，在低温环境下具有更为灵敏的感应度，更容易激发植物的抗逆境防御机制，而低温冷害对萌发谷物是否具有同样的功效有待研究。

4 总结与展望

多酚作为谷物中重要的活性物质，多与多糖、蛋白、淀粉、纤维等大分子结合，存在形式以结合态为主，多数被细胞壁束缚，不能直接提取出来，通过不同富集手段能够有效释放其结合态多酚物质，促进其开发利用。近年来对于谷物中多酚的富集研究大多以微生物发酵法、生长代谢法及应激代谢法为主，且目前相关研究表明发酵技术、萌发技术、非生物胁迫技术对谷物多酚的富集具有一定的促进作用，但相同的处理手段对不同结构的酚类物质影响不同[48]。值得注意的是超声波处理对很多谷物多酚的富集具有积极作用，但也有不少研究表明经过超声处理，多酚含量有所下降，有学者指出超声波产生的高温、高压以及诱导产生的羟基自由基和过氧化氢会氧化多酚，严重威胁着多酚的稳定性[49]。因此，今后的研究可进一步探究不同富集技术对多酚提取程度及稳定性的影响。此外，目前缺乏关于谷物多酚富集研究存在不同富集技术对谷物中酚类化合物代谢途径相关酶以及基因的表达与调控机制、初级代谢系统与次级代谢系统之间调控枢纽与衔接机制的研究。因此，在后续研究中应更加关注采用富集方法的方式、剂量及多酚稳定性，针对不同谷物选择最有效的富集方式，并进一步明确富集机制，为精准控制植物酚类化合物的合成及富含酚类化合物食品的研发提供理论基础。