黑米的營養(yǎng)功能及綜合利用研究進展

熊艷珍，黃紫萱，馬慧琴，程建峰

（江西農業(yè)大學農學院，江西南昌 330045）

黑米是一種有色大米，因其麩皮富集的花色苷呈黑色或黑褐色而得名[1]。黑米是古老而名貴的特色水稻品種，在我國種植歷史悠久，始于公元前145年，由2000多年前漢武帝時的張騫最先在陜西洋縣發(fā)現[2]。在世界黑米資源411個品種中，我國擁有373個（占90.8%），其余分布在東亞和西亞；我國2018年產14887萬噸，居世界首位，約占世界的1/3以上[1]。

黑米大多數表皮烏黑發(fā)亮，少數為紫色或紅黑色，營養(yǎng)豐富，藥食兼用，自古就有“藥米”、“貢米”“黑珍珠”“世界米中之王”的美譽，最具代表性的有陜西黑米、貴州黑糯米和湖南黑米等[2-3]。近些年來，隨著人們生活水平的不斷提高和健康意識的不斷增強，對藥食兼用黑米的需求越來越大，科研工作者取得的相關研究成果也逐漸增多，不再停留在古代中醫(yī)的“以色補色，以形補形”。本文在大量搜索和全面研讀黑米相關文獻資料的基礎上，從黑米的營養(yǎng)成分、功能特性和綜合利用三方面進行較系統地歸納和概述，以期為黑米的深入科學研究提供理論參考，為黑米的深度綜合利用提供有益借鑒。

1 黑米的營養(yǎng)成分

稻米的營養(yǎng)成分包括基本營養(yǎng)成分（如淀粉、蛋白質、脂肪）和特殊營養(yǎng)成分（如維生素、氨基酸及有益礦物質）兩大類，含量高低主要取決于品種自身的基因及其生長環(huán)境[4-5]。

1.1 基本營養(yǎng)成分

稻米蛋白質是低抗原性蛋白，是公認谷類蛋白中的佼佼者，氨基酸含量高，第一限制性氨基酸賴氨酸含量高，是其它植物蛋白所無法比擬的，可與雞蛋、牛乳和牛肉相媲美[6]；稻米中平衡合理的氨基酸組成符合WTO/FAO推薦的理想模式易于被人體消化吸收，無過敏反應[6]。稻米脂肪多為優(yōu)質的不飽和脂肪酸或淀粉脂肪的復合物，與維生素A、D、E、F、K共存，能明顯降低血脂、血清膽固醇和動脈硬化，改善神經系統障礙[7]。表1表明，黑米的淀粉含量略低于白米，極差（最大值減去最小值）略高于白米，這表明黑米與白米在主食攝取上的最重要成分——淀粉含量上無明顯差異，但黑米中淀粉含量的品種間差異略大；黑米的蛋白質、脂肪和不飽和脂肪酸含量明顯高于白米，黑米中蛋白質的最低和最高含量分別是白米的1.25倍和1.51倍，黑米中脂肪的最低和最高含量分別是白米的2.96倍和1.56倍，黑米中脂肪的最低含量（2.37%）接近于白米的最高含量（2.50%），黑米中不飽和脂肪酸最低和最高含量分別是白米的3.45倍和2.40倍，黑米中不飽和脂肪酸的最低含量（1.90%）比白米的最高含量（1.73%）還高；這意味著黑米比白米含有較多的蛋白質和脂肪，尤其是不飽和脂肪酸含量。

1.2 特殊營養(yǎng)成分

1.2.1 礦物質 表2顯示，黑米和白米中含量最高的常量元素均為P，其次為Mg和Ca，黑米的P、Ca和Mg含量的最低值均高于白米，黑米的P和Mg含量的最高值均小于白米，而黑米Ca含量的最高值大于白米，白米中P、Mg和Ca含量的幅度（極差）分別是黑米的1.53倍、1.06倍和1.66倍，這意味著黑米的P、Ca和Mg含量的分布相對集中，總體含量穩(wěn)定性高于白米。

黑米中微量元素含量的大小基本為Fe＞Zn＞Mn＞Cu，Fe、Mn、Cu和Zn含量的最小值和最大值都高于白米，最小值分別為白米的3.14倍、1.17倍、1.10倍和1.38倍，最大值分別為白米的1.28倍、1.69倍、3.21倍和1.47倍，且Fe、Mn、Cu和Zn含量的幅度分別為白米的1.17倍、1.14倍、3.45倍和1.54倍（表2）；這表明著黑米的微量元素含量整體高于白米，尤其是Fe和Zn，也從另一個側面也佐證了黑米自古以來被用于保健的原因，如鐵有良好的補血作用、錳能促進骨骼生長改善機體造血功，銅能促進正常黑色素形成及維護毛發(fā)正常結構，鋅能促進人體蛋白質的合成和消炎抗菌等[4,6]。

表1 黑米和白米的基本營養(yǎng)成分比較[8-14]Table 1 Comparison of basic nutritional components between black and white rice[8-14]

表2 黑米和白米的礦物質含量比較[9,10,12-16]Table 2 Comparison of mineral components between black and white rice[9,10,12-16]

1.2.2 必需氨基酸 由表3可知，黑米中除蘇氨酸略低于白米外，其他7種必需氨基酸含量的最小值都高于白米，其高于白米的程度依次為色氨酸（1.55倍）＞蛋氨酸（1.37倍）＞纈氨酸（1.30倍）＞賴氨酸（1.28倍）＞苯丙氨酸（1.18倍）＞亮氨酸（1.16倍）＞異亮氨酸（1.13倍）；表3還表明，黑米中的人體必需氨基酸種類齊全且含量較高，與其他谷類作物比較，必需氨基酸總量基本上更高，明顯較高的有蛋氨酸、纈氨酸、色氨酸和蘇氨酸，可作為補充人體必需氨基酸的首選谷物來源。

表3 黑米[8-10,12,16-17]和白米[17]及其他谷物的必需氨基酸含量比較（g/kg）Table 3 The contents of essential amino acids for human body between black[8-10,12,16-17], white rice[17] and other grains (g/kg)

1.2.3 生物活性成分 維生素又名維他命，是維持人和動物的正常生理功能且必須從食物中獲得的一類微量有機物質，在生長、代謝、發(fā)育過程中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。根據維生素的外源性、微量性、調節(jié)性和特異性，大致分為脂溶性（維生素A、D、E、K）和水溶性（維生素B、C、H、P、PP、M、T和U）兩大類[28]。從表4可以看出，黑米中含有主要的維生素A源物質——胡蘿卜素，而白米中未檢出，有利于治療夜盲癥、干眼病及上皮組織角化癥，有助于維持免疫功能必需的膜受體狀態(tài)和免疫調節(jié)分子的釋放，具有防癌、抗癌、抗衰老、抵抗自由基、治療心血管病及其他慢性病等作用[29]；黑米和白米中均含有維生素B1和B2，且黑米中的維生素B1和B2含量最高值分別是白米的1.91倍和2.79倍，維生素B1有助于消化、緩解疲勞、促進神經系統正常活動、減輕暈車、暈船癥狀和治療腳氣等，維生素B2有助于預防和消除口腔生殖綜合癥、結膜炎和脂溢性皮炎等，增進視力，減輕眼睛疲勞，促進人體對鐵的吸收[30]；維生素C是人體內的高效抗氧化劑，用來減輕抗壞血酸過氧化物酶的氧化應激，凝血，促進人體膠原蛋白的合成，預防人體出現壞血病，黑米中可檢測到維生素C（L-抗壞血酸）含量為23.93 mg/kg，而白米中很難檢測到[31]。

黃酮類化合物具有防治心血管疾病、止咳、祛痰、平喘、抗菌、抗炎、鎮(zhèn)痛、保肝、護肝、降壓、降血脂、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤、抗衰老和提高免疫力等廣泛的生物活性[32]；黑米中黃酮類含量為0.10%～1.70%，是白米的5倍之多（表4）?；ㄉ帐且渣S酮核為基礎的類黃酮物質，由花色素與糖以糖苷鍵結合而成，能清除體內自由基、增殖葉黃素、抗腫瘤、抗癌、抗炎、抑制脂質過氧化和血小板凝集、預防糖尿病、減肥及保護視力等[33]；黑米中花色苷含量高達0.65～14.98 mg/kg，而在白米中難以檢測到（表4）。黑米還含有大量酚酸類化合物，能有效清除損傷脂質、蛋白質和DNA 等生物大分子的自由基，降低氧化應激和抑制脂質氧化等[34]。黑米中酚類含量為2.31～4.84 mg/g，最低值是白米（0.13 mg/g）的17.7倍，最高值是白米（0.49 mg/g）的9.88倍（表4）。

1.2.4 膳食纖維 膳食纖維是一種多糖，既不能被胃腸道消化吸收，也不能產生能量，被營養(yǎng)學界補充認定為第七類營養(yǎng)素，和傳統的六類營養(yǎng)素——蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質與水并列，具有治療糖尿病、冠心病、肥胖癥和便秘及降血壓、抗癌、減肥和清除外源有害物質等功能[36]。黑米中膳食纖維含量（0.88%～5.00%）的最小值和最大值分別為白米的1.26倍和1.11倍。

2 黑米的營養(yǎng)功能

黑米不僅具有稻米的最基本食物屬性，且因含有豐富的特殊營養(yǎng)成分而具有一些獨自的功能特性，自古以來就將其作為“藥食兼用型”食物。近些年來，隨著人們健康意識的增強，對黑米營養(yǎng)功能的探究取得了大量的創(chuàng)新特色成果，將極大推動黑米的產業(yè)化生產和規(guī)?；谩?/p>

表4 黑米和白米的生物活性成分比較[8-10,12-14,35]Table 4 Comparison of bioactive components between black and white rice[8-10,12-14,35]

2.1 抗炎癥作用

黑米可作為一種潛在的抗炎、抗過敏的食品成分及作為治療和預防慢性炎癥相關疾病的治療劑[37]。補充黑米色素組分顯著降低血漿可溶性血管細胞黏附分子-1（sVCAM-1）、可溶性CD40配體（sCD40L）和高敏C反應蛋白（hs-CRP），通過抑制炎癥因子來保護冠心病患者的心臟[38]。黑米提取物具有最廣泛的抗炎活性，其中所含的矢車菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）可能被代謝為花青素和/或原花青素，后者可降低細胞核轉錄因子kappa B（NF-κB）活性，促進調節(jié)性T（Treg）細胞增多和分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）的活化，抑制免疫球蛋白（Ig）E介導的肥大細胞活化、組胺、促炎細胞因子腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細胞介素（IL）-1β、4、5、6、干擾素（INF）-γ、二十烷類白三烯（LT）B（4）[和前列腺素（PGE）E（2）等炎癥介質釋放來實現有效的抗炎作用[39-41]。

2.2 抗過敏作用

黑米色素（花色苷）提取物對體外過敏反應的抑制體現在抑制嗜堿性RBL-2H3細胞釋放組胺和細胞內部鈣離子的攝入、β-己糖胺酶、促炎細胞因子基因表達和細胞因子釋放，減少TNF-α、IL-1β、IL-4和IL-6的mRNA表達[40,42,43]。

2.3 抗哮喘作用

黑米花色苷提取物對哮喘小鼠具有保護作用，其機制與顯著減少支氣管周圍區(qū)域嗜酸性粒細胞的積累、降低支氣管炎肺泡灌洗液（BAFL）中炎癥細胞計數、降低血清總IgE和BALF中 IgE、抑制p38 MAPK磷酸化和NF-κB的表達、減少Th2類細胞因子IL-4和IL-5的分泌，提高Th1類細胞因子INF-r的表達，調節(jié)IL-4/INF-γ平衡失調和減輕炎癥細胞浸潤等有關[44-47]。

2.4 抗氧化作用

黑米比白米具有更強的抗氧化活性，呈濃度依賴性，是天然抗氧化劑的良好來源[48]；總抗氧化活性與花青素-3-葡萄糖苷、氰苷-3-蕓香苷和芍藥苷3-葡萄糖苷含量顯著正相關[49]。黑米提取物（BRE）的抗氧化是通過減少體內和體外自由基的生成、增加SOD和CAT活性、改善血漿抗氧化劑狀態(tài)及保護氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）引起血管內皮細胞的過氧化損傷來介導的[50-52]。Han等[53]認為，BRE還能降低p38和c-Jun N-末端激酶的活性和抑制UV誘導激活蛋白-1（AP-1）的產生，減少人永生化角質形成細胞（HaCaT）細胞中UV誘導的活性氧產生，減弱UV引起的細胞外基質損傷，預防皮膚光老化。

2.5 抗腫瘤作用

黑米花青素提取物（AEBR）通過激活caspase級聯、裂解多聚（adp-核糖）聚合酶（PARP）、去極化線粒體膜電位和磷酸化等途徑，降低腫瘤組織中血管生成因子基質金屬蛋白酶（MMP-2、MMP-9和尿激酶型纖溶酶原激活物（u-PA）的表達，阻礙AP-1的DNA結合活性和核轉位，阻滯G0/G1期，增加單核細胞（CD11b）、巨噬細胞和T細胞的增殖，促進外周血單核細胞的巨噬細胞吞噬和降低B細胞增殖，抑制多種癌細胞（如SKHep-1、SCC-4、HeLa、HER2、HL-60和Huh-7）的侵襲、活性和生長，表現在瘤體積、瘤組織微血管密度值、促血管生成因子的表達水平和核抗原Ki-67表達強陽性細胞數的顯著減少、巨噬細胞釋放的TNF-α、IL-1β和IL-6增加等[54-58]。

2.6 減肥降脂作用

黑米花青素（BRA）可使高脂飲食C57BL/6小鼠在12周內體重下降9.6%，通過腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）途徑降低過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）γ、膽固醇調節(jié)元件結合蛋白（SREBP）-1c、脂肪酸合成酶（FASN）、乙酰輔酶A羧化酶（ACC）、3-羥基-3-甲基-戊二酰輔酶A還原酶（HMGCORA）、TNF、ILl-6、誘導型一氧化氮合酶（iNOS）、NFκF、NPC1類細胞內膽固醇轉運蛋白1（NPC1L）、乙酰輔酶a乙酰轉移酶2（ACAT2）和微粒體甘油三酯轉移蛋白（MTTPO）的表達，增加肝臟X受體（LXR）α、PPARα和肉毒堿棕櫚酰轉移酶（CPT）1α的基因表達水平，增加PPARα、p-乙酰輔酶a羧化酶（ACC）/ACC和p-AMPKα/AMPKα的蛋白表達水平，降低高膽固醇血癥小鼠中的血清谷丙轉氨酶（ALT）、谷草轉氨酶（AST）和γ-谷氨酰轉肽酶（GGT）水平及甘油三酸酯（TG）、總膽固醇（TC）、非高密度脂蛋白膽固醇水平（non-HDL-C），增加高密度脂蛋白（HDL）水平，增強血小板穩(wěn)定，有效提高糞便固醇排泄和盲腸短鏈脂肪酸，提高肝臟的SOD（超氧物歧化酶）和GPX（谷胱甘肽氧化酶）活性，減少脂質過氧化反應[59-63]。黑米麩皮花青素提取物的穩(wěn)定膽固醇能力大于玉米醇提取物，可通過上調小腸三磷酸腺苷結合盒轉運體G5/8（ABCG5/8）和ATP結合盒轉運蛋白重復序列A1（ABCA1）基因表達，降低膠束膽固醇溶解度，抑制胰脂肪和細胞對膽固醇的吸收，通過增加小腸中膽固醇的排泄；抑制活性與提取物中花青素[矢車菊素-3-糖苷（Cy-3-G）和芍藥素-3-糖苷（Pn-3-G）]含量呈正相關[64-66]。發(fā)芽黑糯米甲醇提取物（GBR）通過促進解偶聯蛋白2的 mRNA水平升高來抑制小鼠體重增加和體脂（白色脂肪、肝臟重量及血清甘油三酯）顯著降低，部分通過減少轉錄因子來控制脂肪生成，改善血脂水平，降低血漿瘦素和胰島素水平，提高脂聯素水平，可作為一種潛在的抗肥胖藥物[67-68]。

2.7 降血糖作用

富含花青素的黑米提取物可防止大鼠高果糖誘導的胰島素抵抗，改善葡萄糖耐受不良和高脂血癥，通過降低肝細胞的核因子（HNF）1α、1β和4α及參與調節(jié)鈉依賴葡萄糖轉運體1（SGLT1）和葡萄糖轉運蛋白（GLUT）的轉錄因子表達來減少其基因和蛋白質表達，增加骨骼肌中的磷酸肌醇的磷酸化3-kinase（PI3K）、蛋白激酶B（PKB Akt）和糖原合成酶（GS）1的活性，降低糖原合酶激酶（GSK）3β，從而抑制血液中的氧化應激，改善葡萄糖清除率，降低血糖水平[69-71]。

3 黑米的綜合利用

3.1 食品行業(yè)

黑米的營養(yǎng)成分及功能使其在食品行業(yè)的綜合利用前景廣闊，極具市場價值，尤其是用于營養(yǎng)保健食品或功能性食品配方中。目前，黑米在食品方面的開發(fā)由發(fā)酵類食品、黑米發(fā)酵乳、黑米發(fā)酵飲料和酒類四個方面[72-74]，黑米的發(fā)酵類食品開發(fā)主要包括黑米饅頭、面包、煎餅及黑米醬和黑米膳食纖維餅干等，這些大多可作為早餐食用，飽腹感強且不易長胖；黑米的發(fā)酵乳產品主要包括黑米發(fā)酵酸奶、花色苷酸奶和黑米黑豆混合發(fā)酵酸奶等，制成發(fā)酵乳后的產品更易被人體吸收，營養(yǎng)豐富口感極佳；黑米還可作為制作食醋、醬油和釀酒的原料，可制成黑米保健醋、醬油、清酒、甜釀酒、黃酒和啤酒等，香醇濃郁品質優(yōu)良，乃餐桌之必備。

3.2 醫(yī)藥行業(yè)

近些年來，隨著人們對黑米醫(yī)藥價值地逐步關注和深入探究，黑米及其提取物在科學研究和臨床實踐上的應用也越來多，良好地效果也層出不窮，極大地推動了黑米在醫(yī)藥上的綜合利用。劉靜[75]采用醇溶液浸提法提取黑米花色苷來制備膠囊（含50mg AREBR）應用于輔助降血脂。陳璐[76]以黑米花青素為原料開發(fā)了黑米花青素片劑，并對其制備工藝及質量標準進行研究。王夢姝等[77]以黑米花色苷和大豆卵磷脂為原料制備黑米花色苷磷脂復合物，延長了黑米花色苷在體內的半衰期，提高了最大血藥濃度和生物利用度。劉文燕[78]以黑米花色苷為原料，首次采用干法制粒的方式制備黑米花色苷薄膜包衣片劑，起到避光、防潮和隔絕空氣等作用，增加片劑中黑米花色苷的穩(wěn)定性和延長制劑有效期。李雯等[79]將黑米花青苷、西洋參皂苷、二苯乙烯苷及靈芝多糖含量復配生產出黑米花青苷復方軟膠囊。Chomean等[80]用天然染料黑糯米提取液代替蘇木精對精子細胞核進行染色，染色效果與快速Papanicolaou（PAP）有較好的一致性和較強的相關性，以減少購買合成染料的昂貴費用及其副作用。

3.3 化工行業(yè)

有一些科技人員將黑米應用于化工染色上。徐靜等[81]在80 ℃下采用50%乙醇提取30 min獲得黑米色素（固液比1:8），用于后媒法染色，最佳染色工藝為媒染劑濃度1%。賈艷梅等[82]在50 ℃下采用蒸餾水提取60 min獲得黑米色素（固液比1:20，以醋酸-醋酸鈉調節(jié)浸提液的pH為3），80 ℃直接染色柞蠶絲綢60 min，具有較好的耐皂洗及耐摩擦色牢度，但耐光色牢度較差。于學智等[83]在60～70 ℃下采用蒸餾水提取120min獲得黑米色素（固液比1:20），將其應用于桑蠶絲織物的直接染色（pH=4、100 ℃和80 min），媒染織物的耐皂洗及耐摩擦色牢度達到3級，能抵御紫外線，但耐日曬色牢度較差。

4 展望

黑米是一種傳統的水稻品種，品種繁多，在東南亞有悠久的栽培歷史和相對較廣的種植面積，綠色革命前被印度普通民眾和世界上幾乎所有的大米食糧地區(qū)用作一種潛在的食物來源；更因其具有較高的次生代謝物含量、抗氧化活性和氨基酸營養(yǎng)全面，具有較好保健、預防和治療作用，古代醫(yī)學中常作為藥食兼用的膳食補充劑，目前被廣泛應用于功能性保健食品和藥品的生產，服務于有代謝障礙的人（如糖尿病人）[1-4]。隨著科技工作人員的試驗研究推進和公眾消費黑米的健康意識增強，雖取得了一些成果，但依然還有許多問題有待深入探究，筆者認為目前最亟待解決的主要有如下方面：

4.1 黑米生物強化的遺傳改良和品種培育

作物生物強化是指在作物常規(guī)生長過程中利用生物科技來特意提高作物中某種必需營養(yǎng)素，改善產品供應的營養(yǎng)質量、提升產品附加值和滿足農民增收需求，并以最低的健康風險獲取公眾健康收益[84]。黑米含有豐富的營養(yǎng)成分，尤其是一些獨特活性成分（如花色苷），若想更好地發(fā)揮其醫(yī)療保健價值，就必須利用遺傳學、組學、分子設計育種和聚合育種等不同學科的先進技術交叉融合來針對性地進行黑米的遺傳改良和品種培育，實現本質上的生物強化。賴來展等[85]改進了周光宇的外源DNA直接導入法，將黑糯P9（蛋白質含量14.03%）的DNA導入高產品種中選育出黑優(yōu)粘96。周斗等[86]采用多重雜交法（復交和回交）聚合了多份水稻（桂黑1號、農家常規(guī)黑秈稻E3和白殼占）的優(yōu)異基因選育出海亞黑稻1號和2號品種及多個品系，平均畝產超450 kg。Kim等[70]是通過常規(guī)育種培育出的一種新型黑米品種C3GHi，其氰苷-3-糖苷（C3G）含量比普通黑米高，抗氧化能力強，用于糖尿病患者的功能材料或替代餐開發(fā)。

4.2 黑米生物強化的栽培技術和體系集成

以作物營養(yǎng)強化技術體系為核心，培育富含各種維生素、礦物質及功能因子的農作物新品種的農業(yè)方式被稱為“營養(yǎng)型農業(yè)”[87]。提高黑米營養(yǎng)成分的根本途徑是良種培育，但良種離不開良法，良種需要通過最適宜的栽培技術和種植體系才能完美發(fā)揮出其潛勢。而目前對黑米生物強化的栽培技術研究和種植體系的集成極少，導致黑米產量較低、種植面積零星和生產效益低下，基本停留在種植者的自給自足上，未達到種植的規(guī)?；彤a業(yè)化及產品的商品化和流通化，要想解決目前的現實問題，就需積極開展黑米的生物強化栽培技術和體系集成方面的研究。

4.3 黑米功能特性的深入挖掘和機理研究

古代醫(yī)學典籍中有很多黑米功能特性的記載，為現代醫(yī)療保健提供了重要的文獻資料，但因生存環(huán)境和所處時代不同導致疾病的發(fā)生及實施的策略就不一樣，這就要求科技工作者必須深入挖掘新環(huán)境、新時代和新形勢下可能賦予黑米的更多功能特性，闡明其現代意義上的作用機理，尤其是黑米中特殊營養(yǎng)的功能解析及分子機制，為黑米的綜合利用提供理論基礎和參考依據。

4.4 黑米綜合利用的產品選擇和生產工藝

黑米豐富的特殊營養(yǎng)成分解析和較高的醫(yī)療保健功能確證為其綜合利用提供了廣闊的市場前景和可觀的利潤價值。目前大部分產品集中食品，以黑米為主料或輔料進行附加值較低的產品開發(fā)和生產。倘若要發(fā)揮出黑米的最大價值，應該在醫(yī)藥行業(yè)進行深度綜合利用，生產出性價比高的保健品來預防一些疾病的發(fā)生，最有價值的是研制出能應用于臨床治療的高效藥物。當然，也應該積極推進在其他行業(yè)的上作用，如化學試劑（如花青素）的提純和黑色染料的加工等。