糙小米中功能活性物质及其健康功效的研究进展

孙雅男,赵文华,李书国

(1.河北科技大学食品与生物学院,河北 石家庄 050018;2.河北黑马面粉有限责任公司,河北 辛集 052300)

谷子是禾本科的一种小粒谷类作物,是亚非半干旱温热带地区的重要农作物,品种有珍珠谷、指谷子、谷子、小米、椰子谷子等,其中小米和珍珠谷占全球谷子产量的近50%。谷子生产主要分布在中国和印度,中国占全球谷子产量的80%,据统计,2020年中国谷子种植面积约150万hm2[1],现主要种植于华北、西北、东北等地。中国谷子品种众多,历史上四大名品有沁州黄、桃花米、龙山小米和金谷米[2],其品种优异、营养丰富,深受人们喜爱。谷子脱壳后剩余部分为糙小米,糙小米再精制为小米,目前我国小米的年产量约为500万t,产生的小米糠约为40万t[3],谷子加工主要以小米粥为主,对于副产物小米糠的加工利用尚处于初级阶段,除少部分用于小米糠油的制取,大部分则作为废弃物或生产饲料,而糙小米作为一种全谷物食品资源,未得到充分利用,造成了资源浪费和环境污染。小米糠中富含蛋白质、膳食纤维、维生素、矿物质等营养成分,还含有多酚、类黄酮、甾醇、谷维素、维生素E、黄色素等多种生物活性成分,对人体健康有重要作用,研究表明这些功能性成分具有抗氧化、防止衰老、调节糖脂代谢以及抑菌等多种功效。本文对糙小米中营养成分及生物活性物质的保健功效及在食品和其他领域的应用进行综述,以期提高我国谷物加工副产物的附加值。

1 糙小米的结构及营养成分

1.1 糙小米的结构

糙小米是谷子脱去谷壳后剩余的全籽粒,由糠层、胚和胚乳三部分组成;糙小米的糠层又称小米糠,是谷子脱壳加工中产生的副产物,由果皮层、糊粉层和珠心层组成,其质量约占糙小米质量的6%～10%[4],常用于生产饲料或作为废弃物;小米又称精米是由糙小米脱去糠层和胚后的剩余胚乳部分,直径约1 mm,其质量占糙小米质量的90%左右,是未得到充分利用的次要谷类作物,常以粥和其他传统食品的形式食用。图1为小米切面结构图[5]。

图1 糙小米的结构示意图

1.2 糙小米的营养成分

1.2.1碳水化合物

植物性食物是人体获得碳水化合物的主要来源,小米中碳水化合物含量为50%～55%,小米糠中碳水化合物含量为18%～23%,主要成分为淀粉,其血糖指数(GI)低于小麦和大米,是糖尿病患者的理想食物。小米淀粉通常含有约20%～30%的直链淀粉和70%～80%的支链淀粉且含有较多抗性淀粉,抗性淀粉在满足饱腹感的同时,可以避开消化过程,直接到达结肠发酵,并作为有益于消化过程的益生菌。Qi等[6]通过分析我国8种小米的淀粉成分,结果表明抗性淀粉的含量约为2.9%,适合作为高血糖患者的食品原料。

1.2.2蛋白质和氨基酸

小米蛋白质含量为7%～9%,小米糠中蛋白质含量为16%～20%,高于小米蛋白质含量。小米蛋白质中包含清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白等多种蛋白,其中醇溶蛋白为主要成分。小米蛋白质中还含有亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等人体必需氨基酸,谷氨酸、脯氨酸、丙氨酸等主要的非必需氨基酸,谷氨酸和亮氨酸含量最多,其中必需氨基酸占氨基酸总量的44.70%[7],高于小麦和大米,与粮农组织参考蛋白(33.9%)相比相当高。

1.2.3脂类

小米中粗脂肪含量为5%～7%,脂肪含量较低,但其中不饱和脂肪酸含量可达82%以上[8-9],小米糠中脂肪含量较高,其粗脂肪含量为16%～18%,与大豆的含油率相接近,不饱和脂肪酸的含量可达70%以上,其中主要有油酸和亚油酸两种,而亚油酸含量较高。李艳福等[10]通过分析不同产地的小米细糠油中脂肪酸组分,结果表明小米细糠油中亚油酸的含量可高达60%以上。此外,小米糠油中的α-亚麻酸与亚油酸的比例为1∶6.5,与WHO推荐的1∶5～1∶10的比例标准相符[11]。小米糠油含有的谷甾醇、维生素E、谷维素等多种生物活性成分,具有较好的抗氧化作用,可作为一种天然的美容原料。

1.2.4维生素

小米糠中含有多种维生素,包括维生素B、维生素C、维生素D、维生素E以及叶酸等,其含量都明显高于小米。糙小米中B族维生素含量丰富,维生素B1、B2含量明显高于大米,且维生素B2的含量高于一般谷物,还含有一般粮食作物中缺少的胡萝卜素[12]。维生素E属于脂溶性维生素,一般存在于小米糠油中,刘玉兰等[13]采用压榨法和溶剂浸出法提取细糠、抛光粉和混合糠中的油脂,结果显示小米糠油中8种维生素E组分齐全,α-生育酚和γ-生育酚含量较高,维生素E总含量可达789～1 287 mg/kg。

1.2.5矿物质

人体所需的矿物质需从食物中获取,小米中含有钙、铁、镁、锌、硒、磷等多种微量元素,此外珍珠小米在印度曾被列为铁生物强化的首选作物。闫晨静等[14]对11种冀产小米的营养成分进行分析,发现河北省小米P、K、Mg含量较高,其中K最高。小米较其他粮食作物相比,硒含量丰富,小米中硒含量可达3.04 mg/100 g左右,高于大米、小麦中硒含量。这些微量元素的存在使小米具有补血益气、强身壮体、防治克山病等功效,对人体健康具有重要作用。

2 糙小米的功能活性物质

2.1 膳食纤维和多糖

糙小米中的多糖可分为水溶性多糖和水不溶性多糖,水溶性多糖主要是阿拉伯糖、木糖以及少量的甘露糖、半乳糖和葡萄糖组成,水不溶性多糖主要包括膳食纤维,小米糠含有大量的优质纤维,其含有50%～60%的膳食纤维,水溶性膳食纤维约占5%,包括果胶、β-葡聚糖、低聚糖等;不溶性膳食纤维约为95%,包括纤维素、半纤维素、抗性淀粉等[15-16],小米糠是膳食纤维的重要来源之一,其膳食纤维含量比大米、小麦和玉米等主粮高出好几倍。膳食纤维作为一种健康的功能食品原料,具有抗癌、降低胆固醇含量、调节糖脂代谢以及预防肥胖的功效,可用于医药、保健品等领域。

2.2 多酚类物质

多酚类物质通常以游离态或结合态存在于麸皮富含纤维素、蛋白质和脂肪的层中,它可以通过共价键、疏水相互作用、氢键与谷物中的蛋白质、脂类、纤维素等基质结合[17-21],多酚与膳食纤维还可通过酯键、醚键或碳-碳键等结合形成共价化合物,通常不溶性膳食纤维中酚类物质含量要明显高于可溶性膳食纤维含量。研究表明不同米色小米多酚含量有明显差异,延莎等[22]通过实验研究了6种不同米色多酚含量,结果表明除黑小米和黄金米多酚含量差异不显著,白小米、沁州黄、晋谷21、绿小米多酚含量有明显差异,其中晋谷21多酚含量最多,为52.12 mg/100 g。小米糠中的多酚含量较多,李晓君等[23]以晋谷21号小米糠为原料,比较超声法、微波法、冷浸法、热回流以及闪式法对小米糠多酚得率的影响,结果表明,超声提取多酚的得率最高,在优化最佳提取工艺条件下小米糠多酚得率为1.726%。

2.3 谷维素

谷维素又称γ-谷维素,它是植物甾醇或三萜醇的阿魏酸酯的混合物[24],具有脂溶性,是存在于小米糠中不皂化部分的生物活性物质,常伴随小米糠油的制取而被提取出来,是一种极富有价值的副产物。刘玉兰等[13]提取了小米细糠、抛光粉和混合糠中的油脂,结果显示小米糠毛油中谷维素含量为0.40%～0.59%。原敏等[25]通过对小米谷糠油中活性成分的分析,测得小米谷糠油中谷维素含量为1.95%。

2.4 植物甾醇

植物甾醇主要是由β-谷甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇以及豆甾醇等组成,β-谷甾醇的含量最高,占甾醇总量的60%～90%[26]。甾醇存在于小米糠油的不皂化物中,在皂脚和脱臭馏出物中富集,从皂脚中提取谷维素时通过甲醇碱液皂化,会使甾醇浓集在析出的皂渣中,皂渣就成为提取甾醇的好原料。刘玉兰等[13]研究了小米糠细糠和抛光粉和混合糠油脂,结果显示甾醇质量分数为1.68%～2.08%,其中谷甾醇含量最高为779～932 mg/100 g,其次是谷甾烷醇。

2.5 黄色素

黄色素是小米呈黄色的主要原因,黄色素主要存在于胚乳中,因此小米糠中的含量较少,黄色素主要成分为天然类胡萝卜素,主要含有叶黄素、玉米黄质素以及少量的隐黄质素、β-胡萝卜素等[27-28]。可采用乙醇、乙酸乙酯、正丁醇等不同溶剂提取黄色素,朱洪梅等[29]通过研究料液比、乙醇体积分数和提取时间对提取液中小米黄色素含量的影响,建立了二次回归方程,结果表明当料液比为1∶3.4,提取时间为2.7 h,乙醇体积分数为96%时,提取液中小米黄色素含量达到理论极大值0.336 mg/100 g。

2.6 植酸

植酸又称肌醇六磷酸,一般与钙、镁、钾结合以复盐的形式存在于植物中,其在胚层和谷皮中的含量较高[30]。陈蓓颖等[31]通过实验优化小米麸皮植酸提取条件:料液比1∶14,提取时间68 min,提取温度34℃,在此工艺条件下提取了38个小米品种麸皮的植酸,结果表明38个小米品种麸皮植酸的含量范围为3.13～8.75 mg/g,且小米麸皮中植酸含量受不同品种、不同品系的影响。

3 糙小米中功能性物质的保健功效

研究表明,糙小米中含有的多种生物活性成分具有重要的药理功效,它们可以清除人体自由基,调节血糖血脂代谢以及预防心血管相关疾病,对人体健康有积极的影响。

3.1 抗氧化作用

许多疾病的发生都与人体中的氧自由基有关,它可以攻击神经细胞中的线粒体,使细胞遭受损伤,造成神经性疾病[32],羟基自由基较其他自由基反应活性高,易与其他分子反应,从而对DNA分子造成损伤[33]。糙小米中γ-谷维素、甾醇、黄色素、多酚类物质、维生素E等成分都具有抗氧化作用,对DPPH·自由基、·OH自由基、超氧阴离子自由基(·O2-)、ABTS自由基有较强的清除能力。

多酚类物质含有酚羟基,可以直接断裂氢原子与自由基结合,达到清除自由基的目的;类胡萝卜素中含有-OH和多个不饱和键,可以直接断裂氢原子或者不饱和键断裂后会释放大量自由基,可以与氧自由基结合达到清除自由基的目的[34]。维生素E除了通过氢原子转移外,还可通过顺序质子损失电子转移与自由基结合从而清除自由基[35]。此外多酚类物质还可以协同其他抗氧化剂如VC、VE产生协同增效的作用。

3.2 调节血糖作用

近年来糖尿病患病率在全球呈上升趋势,研究表明餐后血糖浓度高与患2型糖尿病和代谢综合征的风险增加有关。因此,控制餐后血糖水平被认为是减轻和预防高血糖和糖尿病的重要而有效的方法。其降血糖机理可分为:(1)抑制非糖物质转化为葡萄糖糖或糖原,减少葡萄糖的生成;(2)促进胰岛细胞分泌胰岛素;(3)具有吸收葡萄糖的功效,调节糖代谢。

α-淀粉酶是消化系统中的一种关键酶,可将淀粉催化分解为低聚糖,α-葡萄糖苷酶位于空肠细胞刷状缘,它可以催化未被吸收的低聚糖和双糖的α-1,4键的水解,并将其转化为单糖,这些单糖被空肠上部吸收,会导致高血糖[36-37]。二肽基肽酶IV可参与灭活肠促胰素,胰高血糖素样肽-1作为一种重要的肠促胰素,可以抑制胰岛α细胞分泌胰高血糖素,促进胰岛β细胞分泌胰岛素[38],因此抑制二肽基肽酶IV的活性,可减缓胰高血糖素样肽-1的降解从而降低血糖。王瑾[39]采用酶-抑制剂模型实验,表明了谷糠结合态多酚对α-葡萄糖苷酶有明显的抑制作用,并阐明了谷糠结合态多酚改善血糖的分子机制:谷糠结合态多酚可通过上调HepG2细胞中的miR-1-3P表达抑制糖异生关键限速酶蛋白络氨酸磷酸酶PTP1B的表达,从而调节糖代谢紊乱。

3.3 调节血脂作用

糙小米中的多酚、黄酮、小米糠油、膳食纤维都具有调节血脂的作用,其调节血脂机制可从调节脂质的合成与分解进行研究:(1)抑制脂质的合成:脂质合成相关的酶有脂肪酸合酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、苹果酸酶、乙酰辅酶A羧化酶、甘油-3-磷酸脱氢酶等。(2)促进脂质的分解:脂肪分解相关酶有甘油三酯脂肪酶、脂肪酶、脂蛋白脂酶、肉碱酯酰转移酶等。(3)促进脂质排除体外。

Ikeda等[40]研究表明,茶儿茶素没食子酸酯可以降低大鼠内脏脂肪、肝脏三酰甘油沉积及与脂肪酸合成相关的肝酶活性。有研究表明小米谷糠油可通过改变脂蛋白脂酶活性使血液中甘油三酯降解为甘油和脂肪酸从而调节血脂水平[41]。此外,多酚类物质、多糖、膳食纤维对脂肪酶都有明显的抑制作用。膳食纤维还可包裹胆汁酸排除体外,减少其在体内的重吸收,使胆固醇更多的转化为胆汁酸从而降低胆固醇含量。

3.4 调节神经、安眠的作用

近年来越来越多的人患有慢性疲劳综合症,主要表现是四肢酸痛、疲劳乏力、食欲不振并伴有失眠、情绪低落等精神问题[42]。研究表明,慢性疲劳综合症与色氨酸的代谢水平有密切关系,色氨酸在色氨酸羟化酶2的作用下可促进大脑神经细胞分泌5-羟色胺,5-羟色胺能促进人体产生镇定、放松、自信等情绪并具有催眠、延长睡眠时间的效果[43],此外5-羟色胺可进一步转化为具有镇静诱发睡眠功效的褪黑素。

小米中的色氨酸含量在所有谷物中首屈一指,含量约为202 mg/100 g,明显高于FAO/WHO推荐量和大米、小麦、玉米中含量,在晚餐中加入小米有利于提高脑内色氨酸的含量。另外,小米中含有的碳水化合物能促进胰岛素分泌,胰岛素能进一步促进色氨酸转化为具有安眠作用的5-羟色胺[44],其富含的胡萝卜素和维生素B也能提高脑内色氨酸的含量。

4 糙小米食品的开发及应用

目前我国糙小米的主要利用途径是直接食用(小米)、用于生产饲料或者作为废弃物处理(小米糠),对于小米糠的开发利用大部分还仅停留在初级阶段,这些副产品的处理已经成为一个严重的问题,未使用的副产品一般在野外焚烧,造成经济浪费以及空气污染、雾霾等环境问题。而国外一些国家对于农副产品尤其是米糠的利用已能达到深加工水平,若将小米糠应用到食品及其他领域的开发,定能大大提高农副产品的附加值。

4.1 小米的开发及应用

对于小米的食用最原始的做法是熬制小米粥,其对脾胃都具有很好的保健作用,而小米中还含有多种功能性成分对人体健康十分有益,一些研究人员已经开始探索在各种各样的食品中添加小米粉来补充主要谷物,如烘焙产品、挤压膨化产品、酒精及非酒精性饮料、发酵食品等。

Shimray等[45]研究了添加不同水平(30%～50%)的天然小米粉和发芽小米粉饼干的理化特性,感官分析表明,用天然小米粉和发芽小米粉替代小麦粉的可接受性高达40%。Shukla[46]研究了以30%～50%的糙小米粉替代部分精制小麦粉对面条品质的影响,感官分析表明,30%的糙小米粉掺入量改善了面条品质,与对照组相比,调和面的血糖指数为45.13,表明其在糖尿病和肥胖症方面的治疗应用。谷子也常被用来生产饮料,指谷子在撒哈拉以南非洲的郊区被广泛使用,用于制备一种民族糖化饮料“Togwa”,通常使用发芽的谷子、玉米、红薯、高粱和香蕉制成[47],此饮料富含蛋白质、碳水化合物、粗纤维和矿物质(钙、铁、锌和磷)。此外小米中的黄色素是一种极具潜力的植物色素化合物,主要为类胡萝卜素类物质,可用于各类食品、饮料、糖果的着色剂,其作为食品添加剂添加到食品中,可以改善食品的口感和品质,延长食品的保质期。

4.2 小米糠的开发及应用

在我国关于小米糠的产品并不多,最常见的是小米糠油,其营养价值丰富,小米糠中富含多种功能性成分,可开发将其应用到食品及其他领域。糙小米中含有天然的酚酸、类黄酮、维生素E、γ-谷维素能有效抑制脂质的氧化,若将其替代一些合成的抗氧化剂,能防止食品变质并减少化学合成防腐剂的使用[48],这些天然化合物还可作为营养强化剂添加到食品中,满足人们对营养健康饮食的需求。

将小米糠应用到化妆品当中也是一个新的研究方向,国外一些发达国家已将稻米加工产生的副产物应用到化妆品行业,在日本的市场上已能见到一些米糠化妆品,如洗面奶、润唇膏、粉底液等[49]。小米糠中含有的活性成分与米糠中较为相似,可将小米糠中的γ-谷维素和维生素E应用到防晒、抗氧化抗衰老以及美白祛斑的化妆品中,如植酸可用于治疗痤疮粉刺、改善肤色、促进毛发生长;植物甾醇可用于调理皮肤、抗炎和愈合伤口等[50]。此外,小米糠中富含的植酸、γ-谷维素、植物甾醇、多酚类物质具有抗癌活性、抗炎性、抑制胆固醇生成以及调节糖脂代谢的功效,可将其考虑应用在医药等领域。将含有促进人体健康和预防疾病所需的药用成分食品替代合成的化学药品可以减少药物对人体的伤害,同时也可保持对癌细胞的效力[51]。

5 结束语及建议

综上,作为五谷之首的谷子营养丰富,具有较高的滋补功效和保健功能,《本草纲目》记载:“养肾气,去脾胃中热,益气,治胃热消渴,利小便”,常吃小米还能降血压、防治消化不良、补血健脑、安眠等功效。与大宗主粮小麦、水稻、玉米等相比,谷子的育种、品质改良、加工工艺技术、设备、产品开发及营养保健功效等的研究明显不足,阻碍了谷子深加工及应用推广,因此需要从以下方面加强研究。

(1)充分发挥我国谷子种质资源丰富的优势,利用现代全基因组选择育种技术与传统杂交育种技术相结合培育高产、品优、抗虫、抗病的新型谷子品种,提高谷子的育种效率,尤其是适合不同食品品质特征要求的专用化谷子新品种,为高品质营养健康谷子食品提供资源支撑,以实现我国谷子产业可持续健康发展。

(2)利用现代分析技术、品质分析技术研究不同区域、不同品种谷子的营养成分、功能性活性物质含量水平、物理、化学特性、品质特征等,构建我国谷子品质特征数据库;利用发芽、发酵、酶工程等生物富集技术或改性技术提高发芽糙小米或小米的营养物质和生物活性物质如多酚类抗氧化物质、黄酮类物质、γ-氨基丁酸、植酸、蛋白活性肽等的含量,同时也可以改进其口感和风味,以促进新型谷子食品的开发。

(3)基于谷子的籽粒特征、物理特征尤其是力学特征,研究开发谷子加工专用设备和品质调控技术,以提高小米、糙小米及其他小米产品的出品率和食用品质、营养物质及功能活性物质的保留率,同时研究其副产物如小米糠、胚、谷壳等深加工和综合利用,延长其产业链,提高其附加值,促进加工企业经济效益的提高。

(4)深入研究谷子的功能性活性物质(多酚、黄酮、多糖、谷维素、活性蛋白肽等)的保健功效及其量效关系,如多酚物质在调节糖脂代谢、抑制黄嘌呤氧化酶活性、抗氧化、蛋白活性肽调节睡眠等方面的效果及量效关系,为新型谷子食品如低GI指数谷子食品、调节血糖、血脂、改善睡眠等功能性谷子食品的开发提供技术基础。