生物加工对谷物中植酸结构及活性的影响研究

施宗情, 谭 斌, 张笃芹

(上海理工大学健康科学与工程学院1,上海 200000)

(国家粮食和物资储备局科学研究院2,北京 100037)

抗营养因子是指对营养物质消化、利用和吸收产生不利影响的一类物质。谷物中抗营养因子主要分为三类:第一类是植酸,能够降低矿物质和微量元素的生物利用率;第二类包括蛋白酶抑制剂和植物凝集素等,能够降低蛋白质和淀粉的消化率;第三类为β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖,能够降低能量利用率[1]。还有一些其他抗营养因子,例如降低动物摄食率的单宁、影响人体生长的皂苷和降低矿物质生物利用率的草酸等[2]。植酸作为谷物中最重要的抗营养因子,表现出有益和抗营养的双重特性,一方面,作为抗营养因子与蛋白质、淀粉和矿物质结合而降低这些营养物质的溶解性,影响功能性、消化和吸收[3];另一方面,植酸的抗氧化性和螯合特性使其具有抗炎、抗癌、抗糖尿病、预防阿尔兹海默症等有益效果[4]。

利用不同的生物加工方式对谷物进行处理,可以改变谷物的结构和组成、改善加工性能、增强功能活性[5]。生物发酵、萌芽和酶处理是应用最广泛的3种生物加工方式,不同生物加工方式对谷物结构、营养成分和功能活性的影响是不同的,但其降解植酸的本质都是利用植酸酶(微生物酶和植物内源酶)的作用[6]。

目前,国内外学者多聚焦于植酸降解及功能活性的研究,而对于植酸在谷物中的含量与分布,不同水平时功能活性差异,以及各种生物加工方式对植酸影响的报道相对较少。因此,文章综述了谷物中植酸的分子结构、物化性质、含量与分布,以及其对人体的功能活性,进一步归纳了生物发酵、萌芽和酶处理3种生物加工方式对谷物中植酸活性的影响以及植酸的应用,最后通过对谷物中植酸未来的研究热点及发展方向进行展望,期望为谷物中植酸的进一步研究和开发应用,探索合理利用植酸的谷物加工技术提供参考。

1 谷物中植酸的概述

1.1 植酸的分子结构与物化性质

谷物中的植酸通常与磷结合,以植酸磷的结合形态存在[7]。谷物种子中,植酸进一步与肌醇和钙、镁、铁等金属离子络合形成植酸肌醇六磷酸酯。植酸分子中有12个可解离的氢离子,可分三步电离而呈强酸性,外观为淡黄色或褐色的浆状液体,不耐热,易溶于水、95%乙醇和丙酮,难溶于无水乙醚、苯、氯仿,遇高温分解为肌醇和磷脂,浓度越高则越稳定[8]。

1.2 谷物中植酸的含量与分布

植酸主要分布于单子叶谷物种子(如小麦和水稻)的糊粉层和麸层中,约占植酸总质量的90%,另外的10%分布于胚芽[9]。在藜麦等双子叶植物中,植酸主要分布于整个胚乳中[10]。利用高效液相色谱法测定植酸磷或肌醇1,2,3,4,5,6-六烷基磷酸(IP6),发现植酸磷在稻米麸皮中含量最高,其次是糙米、谷壳和白米[7]。短、中、长3种粒型水稻中植酸含量存在显著差异,大部分位于稻米的麸皮和外胚乳部分[11]。谷物中植酸的分布与矿物质有一定相关性,糙米中植酸和镁、钙、锰、铁4种矿物质的分布与植酸均呈现从外层到内层逐渐递减的趋势[11]。植酸可被植酸酶降解,谷物中,黑麦、小麦和大麦的内源性植酸酶活性相对较高,不同谷物中总磷、植酸磷以及植酸酶活性的含量范围汇总见表1。

表1 谷物中总磷、植酸磷、植酸酶活性的范围[12-15]

2 植酸的活性

谷物中的植酸以较高水平存在时,会与人体重要的矿物质结合,降低人体对这些矿物质的消化和吸收效率;当植酸以相对较低水平存在时,植酸对人体又会发挥有益健康的功能活性,但发挥不同功能特性时植酸具体的含量范围尚不清楚,有待进一步研究。

2.1 植酸的有利功能活性

2.1.1 抗氧化作用

植酸在不同生物体系中的抗氧化作用机制不同,一方面,植酸可以通过产氢破坏自氧化过程中生成的过氧化物,抑制酮、醛等产物的生成,另一方面,植酸中磷酸基团可以与金属离子螯合,阻止羟基游离基的生成,达到抗氧化作用。植酸的抗氧化活性使其具有多种药用价值,比如控制血糖和抑制癌症等。植酸的血糖控制作用表现在2个方面:1)富含植酸的谷物食品可减缓碳水化合物的消化速率,抑制血糖过快升高,从而延缓糖尿病发病[16];2)植酸与过渡金属结合,可预防和治疗由金属诱导的蛋白质糖基化[17]。大多数抗癌药物没有针对癌细胞的特异性靶点,而植酸与癌细胞可进行特异性结合,使正常细胞不受损伤,例如植酸可特异性抑制肝癌细胞HepG2的生长[18]。此外,国内外还有植酸及植酸去磷化代谢产物(四磷酸肌醇IP4和五磷酸肌醇IP5)抑制前列腺癌细胞端粒酶活性[19]和结直肠癌细胞增殖[20]等的研究报道。

2.1.2 螯合作用

钙和草酸的结晶是肾结石形成的主要因素,由于植酸对钙的亲和力比草酸更强,可降低肾结石疾病(泌尿系结石)的患病风险[21]。这种螯合特性还会抑制人体对一些金属离子的吸收而降低金属中毒几率,可用于阿尔兹海默、帕金森病神经退行性疾病的预防。例如,植酸通过抑制神经瘤细胞产生淀粉样蛋白-b-肽(Ab)而达到预防阿尔兹海默病的目的[22]。帕金森氏病与过量的铁积累有关,植酸可作为铁螯合剂降低脑铁负荷,并抑制1-甲基-4-苯基吡啶(MPP)诱导的多巴胺能细胞死亡[23]。

2.2 植酸的抗营养作用

植酸最主要的抗营养作用表现在对人体内重要微量矿物元素(包括钙、铁、锌)的结合作用,干扰人体对其的吸收和利用,使人体罹患缺铁性贫血症、佝偻病、骨质疏松症和免疫系统等疾病。此外,植酸与蛋白质、淀粉、脂肪等营养物质也会发生结合,改变这些营养元素在胃肠中的存在状态而影响人体消化[13]。

2.2.1 植酸与矿物质的相互作用

植酸结合矿物质的机制为,植酸中6个带负电的磷酸基团与2种及以上带正电的金属形成稳定的络合物[24]。谷物中植酸引起矿物质缺乏的程度取决于植酸与矿物质的摩尔比,当摩尔比大于1个临界标准值时,谷物中的锌、铁、钙的吸收就会受到抑制。植酸与矿物质的摩尔比可以作为谷物中矿物质生物有效性的指标[25]。植酸和钙的结合取决于两者的摩尔比,且具有pH依赖性,在碱性环境下(pH 8)植酸和钙的结合能力更大[26]。

植酸含量与锌吸收呈负相关,五磷酸和六磷酸的结合态植酸能显著抑制锌的吸收[27]。在植酸螯合的所有必需矿物质中,锌与植酸形成的络合物最为稳定[28]。因此,就生物利用度而言,锌可能是受植酸影响最大的矿物质[4]。钙含量也是影响锌吸收的因素之一,高钙高锌时,钙与锌共同竞争植酸分子上的结合位点,从而抑制植酸对锌的结合[29];高钙低锌时,钙会促进植酸对锌的沉淀,抑制锌的吸收[30]。

植物来源的铁在人体中的吸收率较低,当植酸存在时,铁的吸收情况更差[31]。铁的吸收还会受到钙的影响,无钙条件下,植酸会降低非血红素铁的生物利用度;有钙条件下,植酸对空腹非血红素铁的生物利用度都没有影响[32]。此外,植酸与镁的结合性较差,对锰的吸收只有轻微的抑制作用,对铜的吸收没有抑制作用[33]。

2.2.2 植酸与蛋白质、淀粉、脂肪等营养物质的相互作用

植酸对多种消化酶,如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等的活性具有抑制作用,能够降低蛋白质、淀粉和脂肪这些营养物质的消化和吸收。

植酸可以与各种蛋白质结合引起胃肠状态的改变而影响人体消化。植酸与蛋白质的结合形式根据pH的不同可分为2种:当pH低于蛋白质等电点时,植酸及其盐可与蛋白质分子的组成单位氨基酸结合,形成植酸-蛋白质二元不溶复合物;当pH高于蛋白质等电点时,二价金属阳离子可作为“桥梁”形成植酸-金属阳离子-蛋白质三元复合物。植酸和蛋白质形成的复合物改变了蛋白质结构而降低了其溶解度,不仅影响蛋白质的利用率,还会影响其功能特性[34]。除此之外,植酸盐会干扰胃蛋白酶在调节和启动蛋白质消化过程中的双重作用,导致蛋白质消化率降低。

植酸既可以通过氢键与淀粉直接结合,又可以与淀粉-蛋白质复合物发生相互作用而与淀粉间接结合。植酸对淀粉的消化率无影响,因为植酸可被植酸酶降解,从而不会对淀粉消化的相关酶(如α淀粉酶)活性产生影响[37]。

与脂肪的相互作用方面,研究者在玉米中发现一种由钙/镁-植酸盐、脂和肽组成的复合体“脂联素”,植酸钙和脂类在家禽肠道中形成的金属肥皂影响了脂类能量的利用[38]。

3 不同生物加工方法对植酸活性的影响

通过生物加工可以减少植酸的含量,进而降低其对矿物质等营养物质生物利用率的影响。目前国内外关于生物加工(主要包括生物发酵、萌芽和酶处理)对谷物中植酸含量影响的研究报道汇总见表2。

表2 不同生物加工方式对谷物中植酸的影响

3.1 生物发酵

谷物中的植酸、胰蛋白酶抑制剂、单宁和低聚糖等抗营养因子可通过生物发酵分解形成多肽、游离氨基酸、酚类化合物和可溶性纤维等物质,从而被降解甚至完全去除[49]。多数微生物在发酵过程中都可以降解植酸,例如乳酸菌、黑曲霉和无花果霉等,曲霉菌种的微生物中植酸酶活性最高[50]。微生物对谷物中植酸的降解机制体现在3个方面:一是,谷物中内源性植酸酶的降解作用,内源性植酸酶的最适pH为5,发酵过程中的酸化可以激活内源性植酸酶的活性。二是发酵过程中,微生物的生长代谢可分泌产生外源性植酸酶,对植酸有明显的降解效果。三是微生物中的磷酸酶也可以水解植酸[51]。Manini等[52]对高压灭菌的小麦麸皮进行了生物发酵处理,发现尽管高压灭菌抑制小麦麸皮中内源性植酸酶的活性,发酵后小麦麸皮中的植酸含量仍出现显著降低,这是因为相比内源性植酸酶,外源性植酸酶在发酵过程更活跃。

在实际生产中,生物发酵法存在发酵时间长、菌种安全性难以评定和菌种活性难以控制等问题,整个发酵过程难以达到稳定的效果。有研究提出,通过两步温度诱导固态发酵的方法可显著缩短发酵时间[53],此外,多种微生物混合发酵比单一菌种发酵对植酸的降解效果更高效[40]。

3.2 萌芽

萌芽技术可以减少谷物中植酸等[54]抗营养因子的含量,这是因为谷物中的植酸酶在萌芽过程中被激活,加速植酸的水解;同时释放出无机磷、肌醇和矿物质等有利于幼苗的生长[55]。萌芽对植酸的降解作用取决于多个因素,包括萌发时间、温度、pH以及浸泡处理等。

近年来,萌芽对谷物的营养物质、抗氧化性和食用品质相关的研究较多,但通过萌芽降解谷物中植酸等抗营养因子活性的相关机制仍需更加系统而深入的研究。

3.3 酶处理

谷物中的内源性植酸酶主要存在于子叶(54.15%～60.81%)和胚中(39.19%～45.85%),酸性磷酸酶仅存在子叶中(92.57%～97.51%)[56]。谷物种类不同,内源性植酸酶活性的最适条件也不同,一般来说,谷物中内源性植酸酶的最适温度范围为25～80 ℃,最适pH范围为4.5～7.5[57];内源性植酸酶与谷物的生长生理密切相关。

酶处理主要通过外源性植酸酶添加对谷物中的植酸水平进行调控。目前已进行商业化推广应用的植酸酶根据酶切位点的不同可分为3-植酸酶和6-植酸酶[58],两者游离的磷酸根是相同的,但水解终产物肌醇磷酸衍生物存在差别[59]。3-植酸酶和6-植酸酶的主要来源分别是真菌(曲霉属和青霉属等)和细菌(大肠杆菌和布氏柠檬酸杆菌等)[60]。植酸酶对植酸的降解机制为:酶作用下植酸分子结构上排列在肌醇环上的6个磷酸基团逐个被去除[12],使植酸水解成无机磷酸和肌醇磷酸衍生物而失去活性。外源植酸酶的添加不仅可以快速的去除谷物中植酸,还可以有效保持谷物产品中相对较多的干物质和矿物质含量及活性,目前主要应用于饲料加工业、食品工业和农业领域。

4 生物加工降解植酸的应用

4.1 婴幼儿膳食中的降解

谷物作为主要的婴幼儿膳食原料,可提供必须的膳食纤维,蛋白质、碳水化合物和维生素。然而,谷物中的抗营养因子植酸与矿物质结合,导致婴幼儿矿物质缺乏。有研究显示,婴儿谷物粉中植酸与铁、锌和锰呈负相关,相关指数分别为-0.916 5、-0.995 0、-0.966 5[29,61]。生物加工可有效降解婴幼儿膳食的谷物原料中的植酸水平,在低植酸婴儿豆基配方粉的制备技术研究中提出:在大豆蛋白提取物中添加1%(质量分数)植酸酶,在pH 5.15、温度50 ℃条件下酶解60 min,可使植酸降解率接近90%[62,63],通过脱植处理可以增加铁的生物利用率,提高大豆婴儿配方奶粉的营养价值。

4.2 植酸与肠道微生态

目前,已有一些动物实验表明植酸可能与肠道微生态密切相关。植酸摄入量能够影响高蔗糖饮食SD大鼠的肝脏脂质代谢和肠道微生物群,降低其肝脏总脂、甘油三酯的水平以及肝脏活性和脂肪生成酶的表达[64]。植酸对脂肪肝的预防功效主要与肠道微生物群中乳酸菌比例增加有关。例如,对于低脂饲料喂养大鼠,植酸可提高其乳杆菌粪便中乳酸杆菌的比例,增加盲肠琥珀酸水平[65];鼠李糖乳杆菌可通过调节肠道有益细菌,抑制高果糖饮食小鼠脂肪堆积诱发的非酒精性脂肪肝[66];琼氏乳杆菌BS15也可通过调节肠道微生物群来预防小鼠患非酒精性脂肪肝[67]。此外,还有研究显示,在喂养高脂肪、富含矿物质的饲料的大鼠中,植酸可以提高盲肠中有机酸(乙酸、丙酸和正丁酸等)的水平,以及乳酸菌比率、肠粘膜黏蛋白和粪便β-葡萄糖苷酶活性,并降低血清促炎细胞因子的水平[68]。

虽然植酸对肠道微生态菌群具有有益的调节作用,但植酸盐的存在不仅破坏肠道酸碱平衡,还会对钠依赖的共转运机制造成不利影响。第一,赖氨酸是一种碱性氨基酸,在酸碱平衡的代谢调节中起着至关重要的作用[69],植酸对钠进入肠道的影响也会阻碍赖氨酸的吸收,进而影响体内的酸碱平衡。第二,钠依赖的共转运机制与肠道对葡萄糖和某些氨基酸的吸收有关,植酸可增加动物对矿物质和氨基酸的排泄,降低矿物质和氨基酸的吸收[70]。

4.3 工业生产中的应用

植酸在工业添加剂方面也有广泛应用。关于植酸的毒性实验数据表明,植酸得安全性极高,小鼠口服半致死量(LD50)为4 192 mg/kg,与食盐(LD50为4 000 mg/kg)基本持平[71],因此植酸可作为发酵促进剂、生长促进剂和消毒剂等各种工业添加剂使用。

植酸作为发酵促进剂,主要用于一些果酒酿造业和微生物发酵食品中,可以加快菌体繁殖速度,增加产物的量,提高原料的利用率。在微生物发酵过程中,植酸含量减少,可能是由于植酸分解代谢产物具有促进微生物繁殖的作用[72]。而将植酸用于刺梨果酒发酵中,当质量分数为0.08%时可促进酵母菌增殖,缩短发酵周期,提高酒精度[73]。

植酸具有促生长功能,一方面因为植酸是磷的良好来源,另一方面因为植酸的次生代谢产物肌醇是一种促生长和生物活性因子。在植酸酶的辅助下,添加植酸可使酵母产量从45.1%提高到71.7%[74],对淡水微藻的生长也有促进作用[75]。在杜氏盐藻培养基中添加0.05%(质量分数)肌醇(植酸降解物)可使细胞密度增加约1.4倍,生物量增加1.48倍[76]。从米糠中提取的植酸作为细小裸藻的生长促进剂,当植酸体积分数为0.05%时,生物量最大增幅为对照组的1.6倍(P<0.05)[77]。

大多数灭活食源性致病菌的消毒剂都是以氯化反应为基础的[78],但是氯化有毒,还会产生对人体有害的副产物,例如致癌物三卤甲烷(THMs)[79]。植酸可与柠檬酸和苹果酸混合形成天然有机酸,通过协同作用机制对各种革兰氏阳性和阴性病原菌进行高效表面杀菌[80]。游离氯和植酸的混合物可有效杀灭曲霉菌属,且组合使用的杀菌效率高于单独使用的效率总和[81]。

5 总结与展望

植酸主要分布于单子叶谷物种子的糊粉层和麸层中,以及双子叶植酸的胚乳中。植酸以较高水平存在时,降低人体对营养物质的消化和吸收效率;以较低水平存在时,对人体发挥有益健康的功能活性。生物加工技术,包括生物发酵、萌芽和酶处理等,会显著降低谷物中植酸的含量,降低其抗营养作用。植酸的抗营养特性对婴幼儿膳食以及肠道微生态产生不利影响,需要严格控制;而其抗氧化及螯合功效可作为发酵促进剂、生长促进剂和消毒剂等而广泛应用于工业生产中。

随着国内外对植酸的研究日趋成熟,相关研究与应用也愈加广泛,但仍有提升空间:对于植酸的研究主要集中于其单体分子水平,在复杂谷物体系中,植酸与其他营养物质,如蛋白质、膳食纤维、多酚等物质的相互作用方式及强度,需要进一步系统而深入的研究;谷物中植酸对人体发挥不利和有益功效时的含量范围尚不清晰;植酸对于谷物食品感官品质以及营养元素生物利用率的影响需要进一步系统研究;不同谷物加工技术对谷物中植酸含量与分布的影响,谷物加工过程中植酸结构及功能的变化、植酸抗营养作用的消除以及抗氧化和螯合等有益功能活性的保留将成为今后的研究热点。