糧谷及其發(fā)芽物質(zhì)變化研究進展

劉 瑞,于章龍,柴永峰,孫元琳,宋 昱,周素梅,謝颯英,蔡 岳

(1.運城學(xué)院生命科學(xué)系,山西運城 044000; 2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,山西運城 044000; 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193)

近年來,隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和生活水平的進一步提高,人們越來越關(guān)注糧谷類作物中微量營養(yǎng)元素、功能性膳食纖維和植物生物活性物質(zhì)對人體營養(yǎng)和健康的作用[1-2]。國際上在21世紀初啟動了兩個影響較大的研究項目,其中之一就是倡導(dǎo)全谷物食品,旨在提高谷物中有助于降低膽固醇含量、調(diào)節(jié)血糖代謝作用的膳食纖維和降低心腦血管等疾病發(fā)病率的酚酸等植物生物活性物質(zhì)含量的健康谷物項目[3]。

糧谷類經(jīng)碾磨粉碎等傳統(tǒng)加工后,種皮糊粉層和大部分胚芽隨皮殼被去掉,且碾磨程度越高,產(chǎn)品淀粉含量越高,但蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、粗纖維和多種活性成分等營養(yǎng)物質(zhì)損失越多。因此,糧谷類經(jīng)精細加工后,失去了大部分營養(yǎng)物質(zhì)和活性物質(zhì),不利于人體健康。全谷物是完整、碾碎、破碎或壓片的谷物,其基本組成包括淀粉質(zhì)胚乳、胚芽與皮層,各組成部分的相對比例與完整穎果一致[4]。全谷物中含有大量的抗氧化活性物質(zhì),如酚類物質(zhì)、類胡蘿卜素、γ-谷維素、植物甾醇以及植酸鹽等[5]。全谷物攝入對慢性疾病的預(yù)防作用主要歸功于膳食纖維及其與之共價鍵連接的酚酸類物質(zhì),被稱為“膳食纖維-酚類抗氧化劑復(fù)合物”[6]。隨著人們生活質(zhì)量日漸提高,人類對食品的生理功能和營養(yǎng)價值要求也越來越高,而發(fā)芽谷物因其營養(yǎng)價值提高、功能成分富集以及原有害物質(zhì)或抗營養(yǎng)物質(zhì)降低或消除等多種有利變化,發(fā)芽谷物的開發(fā)利用正在引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注并成為研究熱點[7]。本文將對蕎麥、燕麥、黑小麥等三種特色糧谷類及發(fā)芽過程中營養(yǎng)物質(zhì)和活性物質(zhì)變化及應(yīng)用進行詳細分析探討,從而為蕎麥、燕麥、黑小麥及其芽類的第三代相關(guān)功能食品研發(fā)和在其他食品、醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用提供理論參考,對改善人類膳食結(jié)構(gòu)、預(yù)防慢性代謝疾病有著極其重要的意義。

1 糧谷類活性物質(zhì)研究現(xiàn)狀及分析

生理活性物質(zhì)是指植物次級代謝中產(chǎn)生的非營養(yǎng)成分的化合物,迄今發(fā)現(xiàn)的生理活性物質(zhì)已超過5000多種,主要包括類胡蘿卜素、酚類、阿拉伯木聚糖、生物堿、膳食纖維、甾醇、硫化物等。糧谷類(grain)主要是指禾本科植物的種子,包括谷(秈谷、粳谷、糯谷)、麥(大麥、小麥、蕎麥、元麥)和雜糧(玉米、甘薯、小米、蕎麥、燕麥、高粱)等[8]。糧谷類是食物金字塔第一層最重要的食物,占日常飲食中最大比重。糧谷類不僅含有豐富的膳食纖維、B族維生素,同時還含有許多直接或間接的抗氧化成分,主要包括多酚、類胡蘿卜素、生育酚、木酚素、植物甾醇、植酸等[4]。此外還含有一些果蔬中不具備的特有的抗氧化成分,如γ-谷維素、烷基間苯二酚以及燕麥蒽酰胺等[9]。糧谷類中多酚類物質(zhì)主要包括酚酸類和黃酮類。不同谷物中抗氧化活性物質(zhì)種類及含量各不相同[10-11],且均具有一定的自由基清除能力,可以通過螯合具有催化作用的金屬離子、調(diào)節(jié)體內(nèi)氧化酶類和抗氧化酶類的活性、促進內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)的形成等方式使機體免受氧化損傷[12-14]。因此,糧谷類食品特別是全谷物類食品對肥胖、心血管疾病、癌癥、Ⅱ型糖尿病、阿爾茨海默癥等在內(nèi)的人類慢性疾病預(yù)防越來越受重視[15-17]。

1.1 蕎麥活性物質(zhì)研究現(xiàn)狀及分析

蕎麥是一種重要的雜糧作物,屬于蓼科蕎麥屬,主要有甜蕎和苦蕎兩個品種。蕎麥富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、不飽和脂肪酸及維生素等營養(yǎng)物質(zhì),富含七大營養(yǎng)素,有“藥食兼用”的美譽[18]。且蕎麥蛋白質(zhì)中八種必需氨基酸含量充足,尤其富含一般谷類比較缺乏的賴氨酸而具有比較高的營養(yǎng)價值。此外,蕎麥含有其他大多數(shù)谷類作物所沒有的黃酮類化合物,如蘆丁、槲皮素等功能成分,在預(yù)防和治療糖尿病、心腦血管疾病及高血壓等方面有較好的療效[19],因而蕎麥被作為加工相關(guān)人群食品的主要原料?？嗍w的抗氧化能力是甜蕎的3～4倍,苦蕎中蘆丁含量是甜蕎蘆丁含量的100倍。此外,苦蕎中游離態(tài)酚含量分別是玉米和小麥的23～45倍和25～50倍[20]。Li等[21]從苦蕎殼中提取酚類物質(zhì),研究了自由態(tài)酚類物質(zhì)和結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)的含量及組成成分,結(jié)果顯示苦蕎殼中自由態(tài)酚類物質(zhì)作為功能成分有更強的氧自由基清除能力、細胞抗氧化能力和抗癌細胞增殖能力。楊旭等[22]采用紫外光譜和HPLC-ESI/MS鑒定純化的苦蕎殼活性組分,結(jié)果表明其主要成分為槲皮素和微量的槲皮素-3-鼠李糖苷和山奈酚,顯示出良好的DNA損傷保護作用。另有研究表明[23],谷物中酚類物質(zhì)主要存在于糊粉層,其總酚含量比脫殼粉中高出500 mg/kg。Jindal等[24]研究認為全蕎麥粉對DPPH清除力、抗脂質(zhì)過氧化力和金屬螯合力都好于脫殼蕎麥粉。

1.2 燕麥活性物質(zhì)研究現(xiàn)狀及分析

燕麥富含多酚、燕麥葡聚糖等多種生物活性成分,具有抗氧化、降血脂、清除自由基等多種生理功能[25-26]。多酚是燕麥中主要的抗氧化成分,以游離和結(jié)合態(tài)存在。β-葡聚糖是燕麥中主要的功能因子之一,具有降低血液中膽固醇水平、調(diào)節(jié)血糖濃度、增強機體免疫力及調(diào)節(jié)腸道菌群等重要的生理功能[27-28],膳食纖維在調(diào)節(jié)血脂、血糖和益生菌群等方面具有較強的作用,而不溶性膳食纖維主要是有助于腸道通便[29-30]。燕麥中的酚類化合物主要包括簡單的酚類(如各種酚酸)、燕麥蒽酰胺和黃酮類化合物[31]。燕麥蒽酰胺是一系列羥基肉桂酸及其衍生物和鄰氨基苯甲酸及其衍生物通過酰胺鍵(-HNCO-)連接而成的物質(zhì),是燕麥中特有的抗氧化成分,其大部分存在于籽粒外層麩皮和次級糊粉層[32]。燕麥多酚含量和抗氧化能力受品種、貯藏及加工條件的影響而降低[33]。國外對燕麥酚類物質(zhì)的組成及抗氧化活性進行了大量研究,而國內(nèi)主要集中在酚類物質(zhì)的提取和活性研究上,但目前對燕麥的開發(fā)利用技術(shù)一直停留在較低水平上,其經(jīng)濟價值不能充分體現(xiàn)。

1.3 小麥活性物質(zhì)研究現(xiàn)狀及分析

小麥中常見的植物生物活性物質(zhì)包括酚酸和黃酮、葉酸、植物固醇、生育酚、生育三烯酚等[3]。酚酸和黃酮是小麥中含量最多的酚類化合物,抗氧化能力強,可維持人體內(nèi)氧化劑和抗氧化劑平衡。酚酸的主要成分包括阿魏酸、咖啡酸和香草酸、水楊酸,分別屬于肉桂酸和苯甲酸衍生物;黃酮的主要成分包括花青素、黃烷-3-醇類、黃酮醇、類黃酮和異黃酮,二者在小麥中均主要以結(jié)合態(tài)存在,通過酯鍵或糖苷鍵與細胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等連接,在小腸中經(jīng)微生物發(fā)酵后被消化吸收[34-35]。黑小麥是一種珍貴的黑籽粒小麥品種,屬于優(yōu)質(zhì)特色谷物資源。與普通小麥相比,黑小麥含有更豐富的膳食纖維、酚酸、花色苷、B族維生素和微量元素等生物活性物質(zhì),以其特殊的營養(yǎng)價值而備受關(guān)注。然而,很長一段時間以來,黑小麥主要作為標記性狀在小麥遺傳育種研究中被廣泛應(yīng)用,在食品、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用較少。孫元琳等[36]對黑小麥麩皮中的主要酚酸物質(zhì)進行制備和定性分析,提取了游離態(tài)酚酸和結(jié)合態(tài)酚酸,并確定了二者具有與阿魏酸相似的分子結(jié)構(gòu),且研究結(jié)果顯示黑小麥麩皮中阿魏酸含量顯著高于普通小麥麩皮。但是,國內(nèi)外對黑小麥研究依然處于初始階段,對黑麥粉的加工特性研究較多,對活性物質(zhì)研究報道較少。因此加強黑小麥活性物質(zhì)開發(fā)研究有利于促進黑小麥品種改良,帶動良種生產(chǎn)、種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,從而提高黑小麥食品加工業(yè)的發(fā)展。

1.4 其他糧谷類活性物質(zhì)研究進展

研究表明[37-38],大麥中含有50～120 μg/g的酚酸類物質(zhì),苦蕎中含有1.54%～2.40%的黃酮,小麥中含有33～43 mg/kg的β-生育三烯酚等。Renuka等[39]通過對脫脂米慷的甲醇提取物進行了分析,發(fā)現(xiàn)其中存在的植物活性物質(zhì)有谷維素、生育酚、生育三烯酚、阿魏酸、麥黃酮和β-谷甾醇。Bu等[40]對小麥、大麥和燕麥三種全麥中的總酚含量和抗氧化能力進行了研究,認為在全麥粉中酚類物質(zhì)以結(jié)合態(tài)或游離態(tài)存在形式對其總抗氧化能力方面有重要影響。Sosulski等[41]報道了大米、燕麥、小麥和玉米中的游離態(tài)和結(jié)合態(tài)酚酸含量、受限制酚酸含量及其抗氧化性。Shahidi等[42]對小米中酚類物質(zhì)進行了闡述,認為小米中酚類物質(zhì)主要以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)酚酸存在,酮類物質(zhì)含量相對較少。但是其中酚類物質(zhì)生物可利用率高,對多種病理狀態(tài)具有生物療效,并且可以作為食品和生物系統(tǒng)中天然抗氧化物質(zhì)使用。Chandrasekara等[43]以谷康、谷子、小米和經(jīng)蒸煮處理后的小米為研究對象,研究了酚類提取物的抗氧化活性等。藜麥富含不飽和脂肪酸、類黃酮、B族維生素和維生素E、膽堿、甜菜堿、葉酸、α-亞麻酸、β-葡聚糖等多種有益化合物;膳食纖維素含量高達7.1%[44]。

總之,目前國內(nèi)外科研人員對谷物中酚類物質(zhì)研究主要集中在酚類物質(zhì)提取方法、總酚含量、總酚抗氧化能力方面,少數(shù)人對谷物中酚類物質(zhì)存在形式進行了研究,但對谷物特別是發(fā)芽谷物中不同存在形式的酚類物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)研究鮮見報道。因此,以谷物特別是發(fā)芽谷物中酚類物質(zhì)及其與之相結(jié)合的膳食纖維作為天然保健食品功能因子,對改善人類膳食結(jié)構(gòu)、預(yù)防慢性代謝疾病有著極其重要的意義。

2 發(fā)芽谷物主要物質(zhì)變化研究現(xiàn)狀及分析

發(fā)芽是糧谷類無害化、低成本提升植物種子營養(yǎng)價值和功能性質(zhì)的重要手段。發(fā)芽包括谷物從浸泡開始的一系列有序的生理過程和形態(tài)變化過程,分為吸脹、萌發(fā)和出苗三個階段。研究表明,谷物吸水萌發(fā)后發(fā)生了許多生理代謝變化,主要表現(xiàn)在酶的活化、生成,細胞生理活性的恢復(fù),同時伴隨著復(fù)雜的生化代謝,使谷物的營養(yǎng)成分和理化性質(zhì)發(fā)生了重大的變化[32,45-46]。谷物種子萌發(fā)技術(shù)在食品中的應(yīng)用已經(jīng)成了研究熱點。發(fā)芽食品包括發(fā)芽谷物的直接利用,或者利用發(fā)芽谷物為原料生產(chǎn)加工出的系列產(chǎn)品。分析發(fā)芽過程中營養(yǎng)成分、功能組分的變化,以組分變化為依據(jù)開發(fā)利用發(fā)芽谷物,對于發(fā)展發(fā)芽食品具有重要意義。

2.1 發(fā)芽促使谷物營養(yǎng)成分改善

研究表明,谷物發(fā)芽過程中多種酶活力激增,還原糖、維生素、葉綠素等含量均大幅提高[47-48]。大麥發(fā)芽過程中由于淀粉酶活性激增使還原糖含量大幅升高,從而導(dǎo)致發(fā)芽大麥粉中有較強甜味[49]。蛋白質(zhì)含量在谷物發(fā)芽過程中則呈下降趨勢,但可溶性蛋白含量、總氨基酸含量和必需氨基酸含量增加。張雨薇等[50]探討了發(fā)芽對蕎麥蛋白質(zhì)和氨基酸的影響,結(jié)果表明,發(fā)芽處理可顯著提高蕎麥蛋白質(zhì)質(zhì)量、總氨基酸含量和大部分氨基酸的含量。Bohn等[51]研究發(fā)現(xiàn),谷物發(fā)芽過程中植酸酶活性增強,植酸被分解,因而,發(fā)芽能夠提高谷物中礦物質(zhì)元素的生物有效性。谷物芽含有豐富的葉綠素和葉酸。葉綠素與人體內(nèi)的血液成分很類似,能快速溶入紅血球使人恢復(fù)活力,也能進入組織中清除殘留的藥物和毒素,中和不利于健康的化學(xué)物質(zhì),有清肝、活血、強心臟、降血糖、加速傷口愈合的作用,所以谷物芽被稱為“綠色的血液”。Hefni等[47]發(fā)現(xiàn),發(fā)芽可以使小麥的葉酸含量增加4～6倍,即使隨后對發(fā)芽小麥進行烘干(50 ℃)磨粉也不會影響葉酸的含量。

2.2 發(fā)芽降低或消除谷物原有害物質(zhì)或抗營養(yǎng)物質(zhì)含量

發(fā)芽可以降低或消除谷物和豆類中有毒、有害或抗營養(yǎng)物質(zhì)的含量,提高蛋白質(zhì)和淀粉的消化率以及某些谷物中限制氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的含量,使得原本不能食用的谷物或只能部分食用的谷物大大提高可食用性和營養(yǎng)價值[52-54]。比如由于蕎麥中含有單寧、植酸和蛋白酶抑制劑等抗營養(yǎng)因子,蕎麥蛋白質(zhì)消化率低,生物利用率不高。同時,蕎麥中的蛋白酶抑制劑可導(dǎo)致過敏反應(yīng)[55-56]。而研究認為[57],發(fā)芽處理能夠顯著降低蕎麥蛋白酶抑制劑的含量,提高蛋白質(zhì)的質(zhì)量。糙米在發(fā)芽之前,鈣、鎂等礦物質(zhì)元素大部分與植酸結(jié)合在一起,人體無法吸收,經(jīng)發(fā)芽處理后植酸酶活性增強,促使礦物質(zhì)元素呈游離態(tài),從而大大提高生物有效性[51],且一些原來不能消化的營養(yǎng)組分也能被有效地吸收,糙米品質(zhì)得到較大改善。

2.3 發(fā)芽富集谷物功能活性成分

燕麥、蕎麥、糙米等谷物發(fā)芽后,抗氧化活性顯著增強。Kim等[58]對甜蕎麥芽與苦蕎麥芽中酚類物質(zhì)進行了比較研究,研究結(jié)果認為,發(fā)芽6～10 d的蕎麥芽單體酚含量顯著提高,而苦蕎芽中單體酚含量變化不明顯?？嗍w芽中的蘆丁含量卻顯著高于普通蕎麥。Sawai[59]研究了光照強度對蕎麥芽和苦蕎芽中黃酮類物質(zhì)的影響,研究認為隨著光照強度的提高蕎麥芽和苦蕎芽中蘆丁含量相應(yīng)提高,而葒草素等其他黃酮類物質(zhì)含量變化不明顯。付曉燕等[25]研究了燕麥多酚純化、發(fā)芽燕麥不同組分的多酚分布及抗氧化活性,結(jié)果表明,燕麥發(fā)芽后蒽酰胺的含量顯著提高。徐建國[60]以山西產(chǎn)裸燕麥為原料,對燕麥發(fā)芽過程中多酚含量及其抗氧化活性的變化進行了研究,結(jié)果表明燕麥發(fā)芽過程中游離酚、結(jié)合酚及總酚含量均有不同程度增加,清除自由基能力顯著增強。Szwajgier等[61]研究結(jié)果表明,小麥發(fā)芽后酚酸含量,特別是阿魏酸含量顯著增加。甘人友等[62]對發(fā)芽黑小麥的研究結(jié)果認為,發(fā)芽3～8 d可顯著提高黑小麥可溶性和結(jié)合性提取物的抗氧化活性和總酚含量,可溶性提取物主要是黃酮類,結(jié)合性提取物主要是阿魏酸和香豆酸。

發(fā)芽谷物中其他功能性成分含量也有較大提升。糙米發(fā)芽后谷胱甘肽等含量呈現(xiàn)顯著增加[63-65]。大豆發(fā)芽后可溶性膳食纖維含量增加,使大豆的營養(yǎng)價值提高且更適宜于人體的消化吸收[66]。糙米發(fā)芽后不溶性膳食纖維的含量下降,而可溶性膳食纖維的含量則有較大增加,生理活性有較大提升[46]。Kanauchi等[67]研究表明,發(fā)芽大麥可保持大腸內(nèi)高水分環(huán)境,具有改善通便、防治腹瀉、增加短鏈脂肪酸和改善潰瘍性大腸炎的效果。此外研究發(fā)現(xiàn)[68],發(fā)芽可以提高谷物中γ-氨基丁酸的含量。

因此,利用谷物萌發(fā)技術(shù)可以對其特定營養(yǎng)成分進行轉(zhuǎn)化,從而加工某一成分含量高或低的產(chǎn)品。但是,在提高谷物營養(yǎng)、功能和風(fēng)味品質(zhì)的同時,發(fā)芽也可能造成某種程度的營養(yǎng)缺陷。張端莉等[49]發(fā)現(xiàn),大麥發(fā)芽過程中β-葡聚糖、胱氨酸和脯氨酸等含量會隨發(fā)芽時間的延長而下降,這對發(fā)芽大麥的營養(yǎng)價值也產(chǎn)生了一定的負面影響。這是在發(fā)展萌動食品時所需要注意的,可以通過合理的調(diào)整工藝,避免有益成分的過度消耗。

3 結(jié)論及展望

綜上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析,國內(nèi)外研究者對谷物營養(yǎng)物質(zhì)和活性成分進行了大量研究,且發(fā)芽谷物活性成分研究成為熱點,但主要集中在酚類物質(zhì)提取和活性研究上,對多種發(fā)芽谷物活性成分系統(tǒng)、對比研究非常有限,特別是對包括黑小麥在內(nèi)的發(fā)芽谷物主要抗氧化活性成分結(jié)構(gòu)鑒定研究更是鮮有報道。結(jié)構(gòu)研究是天然活性成分一項重要的研究內(nèi)容,且高級功能食品的開發(fā)對功能成分結(jié)構(gòu)研究是必需的。隨著質(zhì)譜技術(shù)和核磁共振波譜技術(shù)的迅速發(fā)展,結(jié)合高效液相色譜聯(lián)用,發(fā)芽谷物中主要活性成分的結(jié)構(gòu)研究已成為可能。因此,加強發(fā)芽谷物“膳食纖維-酚類抗氧化劑復(fù)合物”結(jié)構(gòu)及功能解析將成為新的研究方向。

創(chuàng)新發(fā)芽方式亦將成為新的研究熱點。電解水因其殺菌高效、綠色環(huán)保、制取方便和成本低廉等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于食品加工、植病防治和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[69]。且微酸性電解水對芽苗菜類有促進種子萌發(fā)、提高營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)作用[70-71]。因此,用電解離子水對谷物種子浸泡不僅可以免除單獨殺菌消毒環(huán)節(jié),還可以提高發(fā)芽種子的營養(yǎng)品質(zhì)和特殊成分活性,具有較大的應(yīng)用空間。