發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)及功能特性

李 忍 吳娜娜 李志江 譚 斌 李冬梅

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1，北京 100037)(黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院2，大慶 163319)(黑龍江省五常金禾米業(yè)有限責任公司3，哈爾濱 150200)

近年來，發(fā)芽全谷物的功能特性和營養(yǎng)品質(zhì)受到了國內(nèi)外的廣泛關注，相關研究與應用極大地推動了全谷物產(chǎn)品的開發(fā)[1]。2008年，美國國際谷物化學家協(xié)會(AACCI)提出:只要發(fā)芽的芽長不超過籽粒的長度，營養(yǎng)價值沒有降低，含有所有麩皮、胚芽和胚乳的麥芽或發(fā)芽谷物應被視為全谷物，這些谷物應該被稱為萌芽或發(fā)芽的全谷物[2]。

全谷物在發(fā)芽的過程中其營養(yǎng)組分會發(fā)生一系列的變化，如淀粉和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)在不同酶的作用下被降解成小分子物質(zhì)，促進了谷物的可消化性[3]，多酚類物質(zhì)和維生素C含量大幅度增加，提高了谷物的抗氧化性[4]，不溶性纖維和可溶性纖維含量發(fā)生改變，一些抗營養(yǎng)因子被降解等。盡管有些營養(yǎng)成分在全谷物發(fā)芽過程中會有所損失，但隨著現(xiàn)代可控制發(fā)芽技術的發(fā)展，發(fā)芽可能會成為改善全谷物功能特性和營養(yǎng)品質(zhì)一種方式。目前的研究發(fā)現(xiàn)發(fā)芽全谷物對人體的生理健康有著積極的影響，如發(fā)芽小麥具有抗腫瘤作用[5]等。本文主要綜述了全谷物在發(fā)芽過程中酚類、多糖、蛋白質(zhì)、淀粉的變化及發(fā)芽全谷物的生理活性功能。

1 發(fā)芽全谷物的主要營養(yǎng)成分變化

1.1 酚類物質(zhì)變化

植物酚類化合物作為一種次級代謝產(chǎn)物，在全谷物中含量較為豐富，具有較高的抗氧化活性[6]，其合成途徑主要包括莽草酸途徑和丙二酸途徑，合成機制如圖1所示[7]。

圖1 植物酚類物質(zhì)的生物合成途徑[7]

全谷物發(fā)芽后，其酚類含量和種類會顯著增加，抗氧化性也會隨之升高。小麥中的阿魏酸含量會在發(fā)芽過程中大幅度升高[8]。Garzón等[9]研究發(fā)現(xiàn)，高粱在25 ℃萌發(fā)3 d時總酚類物質(zhì)含量和抗氧化活性最高。Ti等[10]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米的總酚類物質(zhì)比發(fā)芽之前提高了63.2%，結合酚類減少了4.7%，阿魏酸、丁香酸和咖啡酸等含量均顯著升高，抗氧化活性明顯提高。

分析發(fā)芽全谷物酚類富集的主要原因包括:(1)萌發(fā)引起了類苯丙烷途徑的酶被激活和細胞壁多糖的水解，導致細胞壁結合酚類物質(zhì)釋放[11]。(2)萌發(fā)時適宜的溫度等其他條件提高了過氧化物酶(POX)和多酚氧化酶(PPO)等酶的活性[12]。因此，全發(fā)芽谷物酚類物質(zhì)含量的顯著提升，提高了谷物的抗氧化活性，對促進消費者機體健康具有廣闊的應用前景。

1.2 多糖變化

發(fā)芽全谷物中多糖含量豐富，并且多糖結構差異較大，因此發(fā)芽全谷物多糖具有多種生物活性，如抗氧化、抗腫瘤和抗病毒等。徐磊等[13]研究發(fā)現(xiàn)，薏米在發(fā)芽過程中其果糖含量顯著下降，麥芽糖和葡萄糖含量均大幅度提高，且具有高效的抗氧化活性。潘姝璇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，利用微波輔助法提取的發(fā)芽糙米多糖具有較高的抗氧化活性，其中羥自由基清除率最高為88.41%。

研究表明，多糖具有很好的清除活性氧(ROS)的作用，其機理主要表現(xiàn)在以下三個方面[15]:(1)超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性在多糖的影響下顯著提高；(2)生成ROS所必須的金屬離子會與多糖發(fā)生絡合反應；(3)多糖可以直接作用于ROS，減緩或阻斷脂質(zhì)過氧化過程。

1.3 蛋白質(zhì)變化

全谷物在發(fā)芽過程中，蛋白酶和肽酶在水解蛋白質(zhì)的過程中起到了主要的作用，蛋白酶把蛋白質(zhì)水解成若干個多肽片段，之后在肽酶的作用下把多肽水解成氨基酸。

Yang等[16]研究得出，在高粱發(fā)芽3 d后其蛋白質(zhì)含量下降了13%左右，原因是發(fā)芽過程中，在不同蛋白酶的作用下，部分蛋白質(zhì)被水解成了不同分子量的肽類片段和氨基酸。在發(fā)芽全谷物蛋白質(zhì)的生物活性研究方面，胡玲玲等[17]利用糙米在發(fā)芽過程中可以將從外界吸收的無機硒轉化成有機硒的特性來制備富硒糙米，結果表明，經(jīng)富硒后的發(fā)芽糙米其蛋白的抗氧化能力高于未發(fā)芽的糙米蛋白，原因是發(fā)芽加速了糙米對外界無機硒的吸收，從而促進了以硒代半胱氨酸為中心的硒蛋白的形成，富硒糙米的制備對生產(chǎn)具有抗氧化功能的發(fā)芽全谷物食品具有重要作用。

含有硒代半胱氨酸的硒蛋白具有極高的抗氧化性，如谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等，其催化機制可由圖2來表示。硒醇(E-SeH)被過氧化物氧化生成次硒酸(E-SeOH)，E-SeOH在谷胱甘肽(GSH)的作用下被還原成硒酰硫化物(E-SeSG)，然后在另一分子GSH的作用下還原成初態(tài)的E-SeH[18]。

圖2 谷胱甘肽過氧化物酶催化循環(huán)機理[18]

1.4 淀粉變化

淀粉是全谷物中的一種重要的營養(yǎng)成分。種子萌發(fā)時，淀粉會被脫支酶、麥芽糖酶和淀粉酶等水解為葡萄糖，且直鏈淀粉僅需水解α-1,4-糖苷鍵后就可以水解為葡萄糖，而支鏈淀粉徹底水解為葡萄糖則需要水解α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵。除這兩種酶促水解外，在磷酸的參與下，淀粉磷酸化酶(P酶)也能夠把一些淀粉降解成1-磷酸葡萄糖，其過程如式(1)所示。

不同全谷物的淀粉在發(fā)芽過程中會發(fā)生不同程度的變化。Kalita等[19]研究得出，稻谷在發(fā)芽后其直鏈淀粉和還原糖含量均明顯增加，而總淀粉和支鏈淀粉含量則明顯下降。研究表明，在發(fā)芽過程中糙米和燕麥淀粉的峰值黏度略有增加，高粱和小米淀粉的峰值黏度則顯著下降，且高粱淀粉顆粒表面會形成空隙，而燕麥淀粉顆粒表面變化則不明顯(圖3)，分析原因是高粱淀粉中支鏈淀粉含量較多且為蠟質(zhì)型淀粉，而蠟質(zhì)型淀粉更容易受到淀粉酶的攻擊[20]。

圖3 發(fā)芽燕麥和高粱的淀粉表面變化[20]

(1)

綜上所述，全谷物在發(fā)芽過程中會動用種子內(nèi)的儲藏物質(zhì)，對蛋白質(zhì)、淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)會發(fā)生不同的降解作用，從而生成氨基酸、多糖等新的營養(yǎng)物質(zhì)以供自身生長，其整個發(fā)芽過程中的營養(yǎng)物質(zhì)轉變過程可由圖4來表示，種子在吸水后促進了GA的生成，隨后GA到達糊粉層并促進相關水解酶基因的表達，合成后的淀粉酶、蛋白酶等被分泌到胚乳中且酶抑制劑活性降低，之后在不同水解酶的作用下儲存組織中一些可用的營養(yǎng)基質(zhì)(淀粉、蛋白質(zhì)和甘油三酯等)被分解代謝，種子開始萌發(fā)生長。

注:(a)種子吸水促進生成GA；(b)GA到達糊粉層促進相關水解酶基因的表達；(c)水解酶被分泌到胚乳中；(d)儲存組織中一些營養(yǎng)基質(zhì)被分解代謝；(e)種子萌發(fā)出根和芽。

2 發(fā)芽全谷物的功能特性

2.1 抗氧化作用

由于全谷物在發(fā)芽過程中酚類、多糖和維生素等營養(yǎng)成分含量會增加，因此發(fā)芽賦予了谷物高效的抗氧化性。Cáceres等[21]研究得出，在34 ℃，發(fā)芽96 h的條件下所制備的發(fā)芽糙米具有最高的抗氧化活性。Hidalgo等[22]研究得出，發(fā)芽后的大麥總酚含量顯著增加，且加入10%左右的發(fā)芽大麥粉所制成的餅干具有良好的抗氧化性。研究表明，從小麥芽中提取的小麥胚芽油具有降低氧化應激電位的作用，對緩解或消除耦合器引起的氧化應激具有積極的作用，原因是小麥在發(fā)芽過程中酚類物質(zhì)和維生素E含量的增加提高了其抗氧化作用[23]。

酚類等營養(yǎng)成分在發(fā)芽全谷物的抗氧化過程中起到了重要的作用?？Х人岬确宇惢衔锴宄杂苫臋C制是抽氫反應，而山奈酚等清除自由基的機制是電子伴隨質(zhì)子轉移，以清除DPPH自由基為例，如式(2)和式(3)所示，兩種機制最終都會生成一個苯氧自由基，它在共振作用下較為穩(wěn)定，最終會減緩或終止自由基鏈式反應[24]。

DPPH·+ROH→DPPHH+RO·

(2)

DPPH·+ROH→DPPH-+RO·+H+→DPPHH+RO·

(3)

2.2 預防糖尿病作用

發(fā)芽全谷物中的γ-氨基丁酸(GABA)、酚類等營養(yǎng)成分對糖尿病及其并發(fā)癥的預防和治療有著明顯的改善作用。Lee等[25]研究得出，用發(fā)芽糙米的粗提液喂養(yǎng)糖尿病小鼠8周后，小鼠體內(nèi)的糖化血紅蛋白(HbA1c)、空腹血糖值均明顯降低。Adamu等[26]研究得出，用高脂飼料喂養(yǎng)妊娠大鼠易導致大鼠子代產(chǎn)生胰島素抵抗，而在高脂飼料中加入發(fā)芽糙米來喂養(yǎng)妊娠大鼠可減輕大鼠子代的胰島素抵抗，原因可能是發(fā)芽糙米中GABA的攝入促進了大鼠體內(nèi)INSR和IRS 1的轉錄從而增強了胰島素信號傳導，降低了mTOR、MAPK 1、MAPK 8、SOCS 1、IKBKB和Prkcz的基因表達，從而抑制了大鼠后代胰島素抵抗[27]，其可能機制可由圖7來表示。在臨床實驗方面，Hsu等[28]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米能夠有效的控制糖尿病患者體內(nèi)血糖和血脂水平，對改善糖尿病及其并發(fā)癥具有明顯的作用。趙桐等[29]研究發(fā)現(xiàn)，相較于以饅頭或大米粥為早餐，以發(fā)芽糙米粥為早餐可以有效的降低2型糖尿病患者的餐后血糖值，對預防和治療2型糖尿病具有促進作用。

注:INSR:胰島素受體；IRS 1:胰島素受體底物1；SOCS 1:細胞因子信號抑制因子 1；mTOR:雷帕霉素的作用靶點；MAPK:有絲分裂原活化蛋白激酶；IKBKB:核因子抑制劑-κB激酶β；Prkcz:蛋白激酶Cξ亞型。

有研究表明，用殼寡糖(COS)和海洋蛋白水解物(GP)處理大麥芽2～6 d可以有效提高其游離酚含量和抗氧化活性，抑制α-葡萄糖苷酶的活性，對2型糖尿病的治療和預防有著關鍵的作用[30]。

此外，也有一些研究表明發(fā)芽全谷物中的維生素E和礦物質(zhì)[31]、膳食纖維[32]對糖尿病的預防和治療起到了關鍵的作用。

2.3 抗炎作用

全谷物在發(fā)芽過程中維生素、氨基酸和脂肪酸等營養(yǎng)成分的增加，使得發(fā)芽全谷物具有高效的抗炎和修復機體損傷的功能。Kanauchi等[33]研究得出，發(fā)芽大麥能夠有效的降低結腸炎小鼠體內(nèi)白細胞介素 6(IL-6)含量和抑制信號轉導及轉錄激活因子 3(STAT 3)的表達，減少了小鼠的結腸黏膜損傷。這與Zhong等[34]研究結果相類似，發(fā)芽大麥具有抗大鼠腸炎的作用，原因是大麥芽能夠調(diào)節(jié)大鼠腸內(nèi)Toll樣受體和緊密連接蛋白的基因表達，使大鼠盲腸和門脈血清中產(chǎn)生高水平的丁酸和谷氨酰胺，而丁酸和谷氨酰胺又是腸黏膜上皮細胞的主要燃料，因此具有抗炎作用。

研究表明，從小麥芽中提取的小麥胚芽油能夠明顯降低肝腎損傷小鼠體內(nèi)丙氨酸轉氨酶(ALT)、天冬氨酸轉氨酶(AST)和堿性磷酸酶(ALP)等酶的含量，原因可能是小麥胚芽油中富含大量的不皂化物質(zhì)、甾醇、不飽和脂肪酸、必需脂肪酸和維生素E等功能性物質(zhì)[35]。

此外，世界衛(wèi)生組織(WHO)指出，從小麥芽中提取的小麥胚芽油等功能性食品的攝入會導致腦、肝、心、肺、腎和脾中維生素E含量迅速增加，而發(fā)芽谷物中的維生素E等可以減少機體氧化應激從而起到了保護肝腎等器官和抗炎作用[36]。

2.4 保護神經(jīng)作用

發(fā)芽全谷物對神經(jīng)的保護作用一直是近年來研究的熱點，且也有諸多的研究表明發(fā)芽全谷物中的GABA、維生素E等對預防和治療精神類疾病具有良好的效果。Ismail等[37]研究得出，發(fā)芽糙米能夠有效的抑制H2O2誘導的人神經(jīng)母細胞瘤細胞周期G0/G1期阻滯來修復DNA損傷，從而達到抑制細胞毒性和細胞死亡的作用，原因可能是與發(fā)芽糙米中的GABA有關。Mamiya等[38]研究得出，發(fā)芽糙米能夠有效增加抑郁癥小鼠額葉皮質(zhì)5-羥色胺(5-HT)水平從而達到抗抑郁效果，原因可能是發(fā)芽糙米中含有豐富的GABA，而GABA參與了調(diào)節(jié)大腦中抑制性和興奮性平衡系統(tǒng)。

研究表明，從小麥芽中提取的小麥胚芽油對記憶障礙小鼠具有增進其記憶力的作用，原因可能是小麥胚芽油中含有大量的維生素E，而維生素E可以減少小鼠腦部中β-淀粉樣蛋白(Aβ)的沉積和腫瘤壞死因子(TNF-α)的含量，從而達到對神經(jīng)細胞的保護作用，且對阿爾茲海默癥(AD)的預防和治療具有著重要作用[39]。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，GABA對于治療邊緣性腦炎引起的癲癇等疾病也具有良好的效果[40]；發(fā)芽全谷物中的阿魏酸、生育三烯酚、γ-谷維素和植酸也具有保護腦部神經(jīng)的功能[41]。

2.5 抗腫瘤作用

發(fā)芽全谷物中含有眾多的活性物質(zhì)，對治療和預防腫瘤具有重要的作用。Zhang等[42]研究得出，用發(fā)酵發(fā)芽小麥提取物處理結腸癌細胞(HT-29細胞)可以有效地提高HT-29細胞的凋亡率(60%左右)，其機制可能是發(fā)酵發(fā)芽小麥提取物可以促進Bax和Caspase-3凋亡基因的表達，抑制B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl-2)和細胞周期蛋白D1基因(CyclinD1)的表達。之后Zhang等[43]又提出，發(fā)酵發(fā)芽大麥提取物也具有促進HT-29細胞凋亡的作用，其作用機制與發(fā)酵發(fā)芽小麥提取物的作用機制相一致。研究表明，經(jīng)富集GABA后的發(fā)芽糙米對小鼠白血病L 1210細胞增殖具有抑制作用，原因可能是富集GABA的發(fā)芽糙米提取物能夠調(diào)節(jié)小鼠體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)活性，促進脾臟和胸腺細胞的產(chǎn)生，且一氧化氮和干擾素含量的提高對抑制細胞增殖和促進細胞凋亡具有積極作用[44]。

此外，研究表明，植物中的β-葡聚糖[45]、酚類化合物[46]，如酚酸和黃酮類化合物，具有顯著的抗腫瘤活性；植物中的阿拉伯木聚糖對腫瘤患者具有自然殺傷細胞(NK)免疫功能[47]，但利用NK細胞免疫療法治療腫瘤目前仍處于研究階段。

2.6 降血糖、降血脂功能

發(fā)芽全谷物中的GABA、植物甾醇、維生素E和γ-谷維素等營養(yǎng)物質(zhì)對預防和治療高血糖、高血脂等慢性疾病具有重要作用[48]。研究表明，發(fā)芽糙米具有良好的降低小鼠體內(nèi)血清甘油三酯(TGS)和總膽固醇(TC)功能，原因是發(fā)芽糙米的攝入能夠下調(diào)小鼠體內(nèi)過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(PPAR-γ)、CCAAT增強子結合蛋白-α(C/EBP-α)、膽固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白(SREBP-1c)相關基因的表達[49]。Lim等[50]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米的攝入能夠明顯降低高脂大鼠體內(nèi)的脂肪細胞的數(shù)量、大小和瘦素水平，抑制高脂大鼠的微泡性脂肪變性和大泡性脂肪變性。此外在臨床實驗方面，Ito等[51]研究得出，以發(fā)芽糙米為主食可以有效的降低高血糖患者體內(nèi)的餐后血糖值，原因可能是發(fā)芽糙米的攝入促進了患者體內(nèi)的胰島素的分泌。

此外，研究表明，發(fā)芽全谷物可以通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝來達到降血糖、降血脂的效果，如植物甾醇能夠有效降低高血脂患者體內(nèi)低密度脂蛋白膽固醇和血清總膽固醇水平[52]；發(fā)芽全谷物中的膳食纖維等成分對血糖和血脂的調(diào)節(jié)也有一定的作用[53]。

2.7 其他生理功能

發(fā)芽全谷物還有一些其他的生理功能。例如，Sakamoto等[54]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米具有增強人體免疫功能。Mohd等[55]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米具有治療和預防動脈粥樣硬化的功能，原因可能與發(fā)芽糙米中的γ-谷維素、生育酚和單不飽和脂肪酸含量有關。Roohinejad等[56]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米高膽固醇血癥SD雄性大鼠具有較高的心臟保護作用，原因可能與發(fā)芽糙米中的GABA、γ-谷維素、膳食纖維有關。

3 展望

發(fā)芽全谷物具有良好的應用前景。但利用可控制的萌芽技術來提高全谷物營養(yǎng)水平和在營養(yǎng)醫(yī)學、食品工業(yè)中的應用均不足。為促進發(fā)芽全谷物的廣泛應用，仍存在一些問題需要研究：

萌芽是一種可控的技術，雖然全谷物在發(fā)芽過程中的營養(yǎng)成分變化已經(jīng)得到廣泛的研究，但其營養(yǎng)成分變化機制尚未完全揭示清楚，針對不同的營養(yǎng)需求，需要探索出不同全谷物的最優(yōu)發(fā)芽條件，來增加其特定的營養(yǎng)價值；發(fā)芽全谷物在預防一些疾病及其并發(fā)癥等方面具有潛在的應用價值，利用生物代謝組學和基因組學來研究發(fā)芽全谷物中的生物活性物質(zhì)在體內(nèi)的作用機制將是今后研究的熱點。

此外，雖然發(fā)芽全谷物具有較高的營養(yǎng)品質(zhì)，且近年來國際上一直在大力推廣全谷物食品，但由于發(fā)芽全谷物仍含有麩皮層和胚芽等結構，其口感品質(zhì)仍不如精制谷物，因此，相對于精制谷物，發(fā)芽全谷物在世界范圍內(nèi)的利用率較低。隨著加工技術的不斷創(chuàng)新，在利用萌芽技術來改善發(fā)芽全谷物營養(yǎng)品質(zhì)的同時，探索新型的加工方式來提高發(fā)芽全谷物的口感品質(zhì)也將是今后研究的熱點。