粟類作物植物化學(xué)物研究進展

鄭 璐,韓 飛,李愛科,王興國

(1 國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037；2 江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

粟類作物植物化學(xué)物研究進展

鄭 璐1,2,韓 飛1,李愛科1,王興國2

(1 國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037；2 江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

我國擁有豐富的粟類作物資源。粟類作物中富含的植物化學(xué)物具有潛在降低慢性疾病發(fā)病率的功能特性，是開發(fā)功能性食品或作為健康食品配料的良好資源。文章介紹了植物化學(xué)物的分類，綜述了粟類作物中植物化學(xué)物在籽粒中的分布、種類、含量及功能特性，系統(tǒng)分析了不同加工方式對植物化學(xué)物的影響規(guī)律。

粟類作物；植物化學(xué)物；功能特性；加工方式

粟類作物是種子籽粒較小的一類作物的總稱，常見的有珍珠粟(Pearl,Pennisetumglaucum)、龍爪稷(Finger,Eleusinecoracana)、谷子(Foxtail,Setariaitalica)、糜子(Proso,Panicummiliaceum)、小黍(Little,Panicumsumatrense)、圓果雀稗(Kodo,Paspalumscrobiculatum)、食用稗(Barnyard,Echinochloacrus-galli)、臺夫(Teff,Eragrostistef)、馬唐(Fonio,Digitariaexilis)、薏苡(Adlay,Coixlacryma-jobi)等[1-3]，是人類最早馴化的一類作物?？脊艑W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，遠在10 000多年前新石器時期的中國北部，糜子就已經(jīng)被作為主食食用[4]。

粟類作物中含有豐富的植物化學(xué)物，已鑒定的酚類物質(zhì)達50余種，此外還含有豐富的植酸、植物甾醇和膳食纖維等，具有潛在降低慢性疾病發(fā)病率和促進人體健康的作用[1,5]，將其開發(fā)成為功能性食品或作為健康食品的配料，指導(dǎo)人們進行膳食搭配和適度烹飪可以對人體健康起到促進作用。然而近階段對粟類作物中植物化學(xué)物的研究更加側(cè)重于酚類物質(zhì)含量及抗氧化性方面[5-7]，對于其他植物化學(xué)物的種類、含量報道不多[8]，關(guān)于功能特性及加工方式影響方面也有所報道[9]，但相對較少。隨著人們對自身健康關(guān)注度的提高，對粟類作物植物化學(xué)物的研究將逐漸得到重視。本研究對粟類作物植物化學(xué)物的分布、種類、含量、功能特性和加工方式等方面的進展進行了綜述，以期為粟類作物植物化學(xué)物的全面深入研究提供參考，并為粟類作物在功能性食品或健康食品配料中的應(yīng)用開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 植物化學(xué)物

植物化學(xué)物是指在水果、蔬菜、全谷物及其他作物中發(fā)現(xiàn)的一種具有生物活性的非營養(yǎng)化合物，迄今為止已發(fā)現(xiàn)的植物化學(xué)物超過5 000種，全谷物中植物化學(xué)物主要可分為酚類物質(zhì)、類胡蘿卜素、維生素E、木質(zhì)素、植物甾醇、膳食纖維、植酸等，其中以酚類物質(zhì)的研究為主[10]。酚類物質(zhì)是谷物植物化學(xué)物的主要研究對象，可分為游離型和結(jié)合型2種。游離型酚類物質(zhì)的存在形式包括自由酚類物質(zhì)和共軛型酚類物質(zhì)；結(jié)合型酚類物質(zhì)則通常與細胞壁高分子聚合物相交聯(lián)[11]。酚類物質(zhì)按照構(gòu)成分子基團的不同，又可分為酚酸、黃酮類、芪類、單寧和香豆素，具體分類及典型物質(zhì)見表1。流行病學(xué)研究表明，這些植物化學(xué)物具有抗氧化作用，進而可以保護生物大分子如脂肪、蛋白質(zhì)和DNA免受破壞，具有潛在的抗癌和降低一些慢性疾病發(fā)病率等功能[10,12-13]。

表1 酚類物質(zhì)的分類及其典型物質(zhì)名稱Table 1 Classification and typical chemicals of phenolics

2 粟類作物中的植物化學(xué)物

2.1 植物化學(xué)物在粟類作物籽粒中的分布

粟類作物中的植物化學(xué)物主要分布于外殼及糊粉層中。對龍爪稷酚類物質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，其外殼中的酚類物質(zhì)含量為62 g/kg，去殼籽粒的酚類物質(zhì)含量僅為8 g/kg[14]。此外，谷殼顏色對植物化學(xué)物的含量也有影響。臧盛等[6]對15種糜子殼中酚類物質(zhì)的檢測發(fā)現(xiàn)，糜子外殼顏色越深，其中含有的酚類物質(zhì)含量越高。

2.2 粟類作物中植物化學(xué)物的類別

2.2.1 酚類物質(zhì) 酚類物質(zhì)是植物的次級代謝產(chǎn)物，是植物化學(xué)物的主要組成部分，其存在形態(tài)和含量受到一系列因素的影響，如谷物的種類、品種、谷粒的組成部分、種植的氣候條件和耕種水平[11]。

酚類物質(zhì)的鑒定一般采用高效液相色譜法或液質(zhì)聯(lián)用法，其他鑒定手段包括核磁共振、紫外光譜等。目前，粟類作物中已鑒定的酚類物質(zhì)有50余種(表2)。

表2 粟類作物中主要的酚酸及黃酮類物質(zhì)Table 2 Major phenolic acids and flavonoids in millets

續(xù)表2 Continued table 2

酚類物質(zhì)常用的定量測定方法主要有比色法和高效液相色譜法。比色法主要包括測定總酚含量的福林-酚比色法以及測定總黃酮含量的AlCl3法、SBC法[27]和Al(NO3)3-NaNO2-NaOH法。Anoma等[5]使用福林-酚比色法和高效液相色譜法測定了圓果雀稗、龍爪稷、谷子、糜子、小黍和珍珠粟中的酚類物質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)6種粟類作物均含有豐富的酚類物質(zhì)。以自由酚為例，6種粟類作物中測定并鑒定出36種酚類物質(zhì)，結(jié)果表明谷子中的酚類物質(zhì)種類最豐富，為19種，其中羥基苯甲酸衍生物最多，有10種，含量最高的為芹菜素，為125 μg/g；龍爪稷和圓果雀稗中的酚類物質(zhì)以黃酮類物質(zhì)為主，分別占96.3%和59.2%，其中龍爪稷中含有豐富的兒茶素，為1 611 μg/g，占酚類物質(zhì)總量的85.0%，圓果雀稗以6-C-葡糖基-8-C-阿糖基芹菜素含量最高，為61.8 μg/g；糜子、珍珠粟和小黍中的酚類物質(zhì)以酚酸為主，分別占98.4%，89.5%和81.2%，糜子中咖啡酸含量最高，為37.3 μg/g，珍珠粟中反式阿魏酸含量最高，為22.1 μg/g，小黍中對香豆酸含量最高，為64.3 μg/g；除谷子和龍爪稷外，結(jié)合酚類含量均明顯高于游離酚類含量，其中圓果雀稗的自由酚類、酯化酚類、醚化酚類和結(jié)合型酚類含量分別達到16.2，2.02，1.55和81.6 μmol/g(微摩爾阿魏酸當量每克)[5]。

2.2.2 植 酸 植酸又稱肌醇六磷酸，主要存在于皮殼中，因其可以絡(luò)合鋅、鈣、鎂、鐵等微量元素形成不溶性物質(zhì)，導(dǎo)致人體對這些微量元素的吸收率下降，故常被視為抗營養(yǎng)因子。然而近年來的研究發(fā)現(xiàn)，植酸具有減輕膳食中鉛對機體的破壞、降低肝脂肪含量、預(yù)防心血管疾病等功能。在對植酸的進一步研究中發(fā)現(xiàn)，食物中的植酸含量在0.25 mg/g以下對健康最為有益[28]。

植酸廣泛存在于粟類作物中。Azeke等[29]對糜子發(fā)芽過程中植酸含量的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在發(fā)芽10 d后糜子中植酸含量從5.7 mg/g降至 0.85 mg/g，表明發(fā)芽過程可以有效降低糜子的植酸含量。由于粟類作物中植酸含量均較高，因此在食用前需經(jīng)適度的加工處理。

2.2.3 植物甾醇 植物甾醇是植物固醇和植物甾烷醇長期積累的產(chǎn)物，與膽固醇的結(jié)構(gòu)相似，只是側(cè)鏈基團不同。因為植物甾醇與膽固醇競爭形成膠束的形式，抑制了膽固醇的吸收。攝入植物固醇和植物甾烷醇可降低人類血清總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇的含量[30]。粟類作物中含有較豐富的植物甾醇。El-Alfy等[23]對臺夫乙醇提取物的鑒定發(fā)現(xiàn)，臺夫中存在β-谷甾醇及其衍生物。韓軍花等[31]使用氣相色譜法對小米中的植物甾醇進行了測定，表明小米中含有β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾烷醇和菜油甾烷醇，其總和達761.4 mg/kg，這些物質(zhì)的含量遠高于小麥、大米。最新的研究還發(fā)現(xiàn)，β-谷甾醇具有抗癌[32]、抗炎[33]等功能。

2.2.4 膳食纖維 膳食纖維通常被認為是一類不能為人體消化吸收，主要由可食性植物細胞壁殘余物 (纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等)及與之締合的相關(guān)物質(zhì)組成的化合物，是膳食中必不可少的組成部分，對保持身體健康有重要意義。大量流行病學(xué)研究表明，膳食纖維能夠降低便秘、憩室炎、腸癌、肥胖、Ⅱ型糖尿病、冠心病等慢性病的發(fā)生率[34]。Devi等[19]研究了5種粟類作物的膳食纖維含量，除珍珠粟和糜子外，龍爪稷、谷子和圓果雀稗的膳食纖維含量均在19%以上，其中圓果雀稗高達37.8%，遠高于小麥、大米、高粱等作物。

3 粟類作物植物化學(xué)物的功能特性

3.1 抗氧化

全谷物中多種植物化學(xué)物被認為具有抗氧化活性，進而可以保護生物大分子如脂肪、蛋白質(zhì)和DNA免受破壞[13]。近年來的研究表明，粟類作物中的植物化學(xué)物同樣具有抗氧化活性。Chandrasekara等[35]研究發(fā)現(xiàn)，7種粟類作物的酚類提取物對低密度脂蛋白均有顯著保護作用，其中圓果雀稗中酚類物質(zhì)的氧化抑制作用最強，0.05 mg/mL圓果雀稗丙酮提取物相當于0.2 mg/mL丁基羥基茴香醚(BHA)。此外，他們還證實了這7種粟類作物酚類提取物對DNA有保護作用，可有效防止其氧化[36]。粟類作物植物化學(xué)物的抗氧化特性使其具有潛在的降低慢性疾病風險的能力。

3.2 抗 菌

粟類作物中的植物化學(xué)物具有抗菌功能。Viswanath等[20]對龍爪稷外殼和全粉中酚類物質(zhì)提取物的抗菌能力進行了研究，結(jié)果表明，龍爪稷的酚類物質(zhì)提取物對蠟樣芽孢桿菌和黃曲霉具有抑制作用，其中外殼提取物具有更強的抑制能力。Banerjee等[37]對龍爪稷酚類物質(zhì)抗菌作用的研究表明，龍爪稷酚類物質(zhì)對大腸桿菌等10種常見菌的增殖均具有抑制作用。

3.3 降血糖

粟類作物中的植物化學(xué)物具有降血糖功能。Yallanki等[38]對谷子水提物的研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病大鼠飲食中加入300 mg/kg谷子水提物，喂養(yǎng)30 d后，試驗組大鼠空腹血糖含量較加入水的對照組下降70.5%，而此劑量對正常大鼠的空腹血糖含量沒有影響。Jain等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，圓果雀稗提取物也具有降血糖作用，在糖尿病大鼠飲食中加入500 mg/kg圓果雀稗乙醇提取物，喂養(yǎng)15 d后空腹血糖含量較加入生理鹽水的對照組下降了35.12%。

3.4 降血脂

粟類作物中的植物化學(xué)物具有降血脂功能。Lee等[40]在高血脂癥大鼠飲食中加入相同比例的糜子、谷子或高粱，5周后糜子、谷子組大鼠的甘油三酯水平明顯低于精白米對照組和高粱組，與精白米對照組相比分別降低29.6%和24.9%；此外，谷子組的總膽固醇含量、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白含量也低于精白米對照組。Yallanki等[38]的研究也表明，谷子水提物具有降血脂功能。

3.5 抑制白內(nèi)障

白內(nèi)障是導(dǎo)致失明的三大原因之一，糖性白內(nèi)障發(fā)病機制之一是細胞內(nèi)的高葡萄糖狀態(tài)下，醛糖還原酶被激活，大量葡萄糖進入多元醇通路產(chǎn)生山梨醇，山梨醇因不能排出到晶體外而引起細胞膜通透性增加，導(dǎo)致還原型谷胱甘肽、肌醇等物質(zhì)大量外漏，引起氧化應(yīng)激，晶狀體上皮細胞和纖維細胞受到嚴重損傷，最終形成了白內(nèi)障[41]。Chethan等[18]發(fā)現(xiàn)，龍爪稷中的酚類物質(zhì)可以有效抑制醛糖還原酶的活性，具有潛在抑制白內(nèi)障發(fā)病的功能。

3.6 抗甲狀腺腫

甲狀腺腫主要是由缺碘引起的一種地方性疾病，可以導(dǎo)致呆小癥。Sartelet等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，馬唐黃酮提取物中含有芹菜素和木犀草素，均具有很強的抗甲狀腺過氧化物酶活性的作用，可以顯著降低其激素生產(chǎn)能力，因而具有抗甲狀腺腫的功能。

4 加工方式對粟類作物植物化學(xué)物的影響

不同加工方式會對粟類作物中的植物化學(xué)物含量及功能特性產(chǎn)生影響，粟類作物的加工方式一般有脫殼、熱處理、發(fā)芽等。

4.1 脫 殼

由于植物化學(xué)物主要存在于粟類作物的外殼中，脫殼將使植物化學(xué)物含量不同程度地因皮殼廢棄而降低，對其抗氧化性也有較大影響。Anoma等[42]的研究結(jié)果表明，與全籽粒相比，脫殼分別導(dǎo)致圓果雀稗、龍爪稷、谷子、糜子、小黍和珍珠粟中的總酚含量降低78%，21%，65%，72%，35% 和2%，然而對抗氧化性的影響則無明顯的規(guī)律性，除羥基自由基清除能力均有所下降外，部分粟類作物脫殼后DPPH、過氧化氫、氧自由基等的清除能力反而有所上升。

4.2 熱處理

粟類作物的熱處理方法一般為煮、蒸和焙烤。沸水煮會降低粟類作物中的植物化學(xué)物含量及抗氧化性。Anoma等[42]研究發(fā)現(xiàn)，除龍爪稷煮后的總酚含量明顯降低外，其他粟類作物總酚含量并沒有顯著降低，其抗氧化活性下降與總酚含量降低呈正相關(guān)。N’Dri等[22]對珍珠粟和馬唐等作物煮制過程中酚類組成及抗氧化性的研究表明，煮后2種作物中游離酚類、結(jié)合酚類含量均有所降低，抗氧化活性也有所下降，但部分酚酸含量卻有所升高。蒸和焙烤則表現(xiàn)出相反的趨勢。Pradeep等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，蒸和焙烤使小黍中的總酚、總黃酮和單寧含量顯著升高，并使其抗氧化活性增強，其中焙烤對小黍植物化學(xué)物含量升高及抗氧化性增強的影響更明顯，在壓力為1.5 kg/cm2下蒸15 min會導(dǎo)致小黍中的總酚、總黃酮和單寧含量分別上升13.0%，22.5%和8.9%，DPPH清除能力由90.2%提高到93.4%；165 ℃焙烤75 s則導(dǎo)致其總酚、總黃酮和單寧含量分別上升21.2%，25.5%和18.8%，DPPH清除能力由90.2%提高到95.5%。

4.3 發(fā) 芽

發(fā)芽處理是粟類作物中常用的加工方式，發(fā)芽會導(dǎo)致其游離型酚類含量增加及結(jié)合型酚類含量降低。Subba等[43]的研究發(fā)現(xiàn)，龍爪稷發(fā)芽96 h后游離酚類含量增加，但結(jié)合酚類含量則降低了2倍，相應(yīng)地游離酚類抗氧化活性增加了1.2倍，結(jié)合酚類抗氧化活性則下降了21.4%。Pradeep等[24]則發(fā)現(xiàn)，小黍發(fā)芽48 h后總酚含量上升5.4%，DPPH清除能力由90.2%提高到91.7%。此外，發(fā)芽還會導(dǎo)致低聚木糖含量升高、抗氧化活性增強[44]及植酸含量降低[29]。

5 研究展望

粟類作物具有良好的抗旱性，籽粒中含有豐富的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)及植物化學(xué)物，具有潛在降低慢性疾病發(fā)病率等功能特性，但并未得到很好的利用，尤其在發(fā)達國家常被用作飼料[9,45]。目前將粟類作物開發(fā)成為功能性食品或健康食品的配料，指導(dǎo)人們進行合理的膳食搭配和適宜的烹飪加工，可以促進人體健康并增加食物來源，因此具有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段的研究對粟類作物中植物化學(xué)物的組成、含量及其功能特性研究報道不全面，對于粟類作物的研究也更加側(cè)重于珍珠粟、龍爪稷等，還需要更系統(tǒng)深入研究，以期為開發(fā)功能性食品提供堅實的理論基礎(chǔ)。此外，加工方式對粟類作物中植物化學(xué)物及其功能特性影響方面的報道不多，如何在加工過程中保護植物化學(xué)物不被破壞，是發(fā)揮粟類作物植物化學(xué)物功能特性的前提。

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Research progress of phytochemicals from millets

ZHENG Lu1,2,HAN Fei1,LI Ai-ke1,WANG Xing-guo2

(1AcademyofStateAdministrationofGrain,Beijing100037,China;2SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The millets resources are rich in China.Phytochemicals in millets with the potential to reduce the incidence of chronic disease are good resources of nutraceuticals or health food ingredients.In this paper,recent research progresses on the distribution in grains,major categories,contents,health benefits and processing effects of phytochemicals from millets are systematically reviewed,aiming to provide a theoretical basis for food processing industry,home cooking and diet nutritional balance.

millets;phytochemicals;health benefits;processing methods

2014-01-17

國家糧食公益性行業(yè)科研專項(201313011-6)

鄭 璐(1990-)，男，浙江溫嶺人，在讀碩士，主要從事糧油營養(yǎng)研究。

韓 飛(1973-)，女，內(nèi)蒙古包頭人，副研究員，博士，主要從事糧油營養(yǎng)研究。

時間:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.004

S515

A

1671-9387(2015)08-0109-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.004.html