谷子營(yíng)養(yǎng)功能研究進(jìn)展

王鈺文，袁進(jìn)成，鐘 鑫，姚旭航，范光宇，劉穎慧，趙治海

（1.河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北張家口 075000）

廣義上谷子有五大類型，分別為糜子（Panicum miliaceumL.）、狗尾草［Setaria viridis（L.）Beauv.］、龍爪粟 （Eleusine coracanaGaertn.）、 珍珠谷［Pennisetum glaucum（L.）R.Br］、稗谷［Setaria italica（L.）Beauv.var.germanica（Mill.）Schrad］。谷子營(yíng)養(yǎng)均衡、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪以及維生素，既是糧食作物又是優(yōu)質(zhì)飼料，兼?zhèn)涫秤脙r(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。谷子產(chǎn)量高、抗旱性強(qiáng)，又是典型的環(huán)境友好作物，也有可能成為未來(lái)燃料作物。面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，谷子必將成為戰(zhàn)略儲(chǔ)備作物，具有重要的社會(huì)價(jià)值[2]。谷子的栽培期短、需水量少、對(duì)不利氣候條件適應(yīng)性強(qiáng)，在貧瘠土地上的生產(chǎn)力比水稻、玉米等其他主要禾谷類作物高。谷子對(duì)農(nóng)業(yè)氣候的高度適應(yīng)性使它們非常適于在非洲和亞洲的半干旱地區(qū)推廣種植。以上特性使谷子在應(yīng)對(duì)未來(lái)極端氣候變化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，由于缺乏資金、管理繁瑣等方面的因素，谷子被稱為“失去關(guān)注的作物”，它的很多價(jià)值沒(méi)有被充分開(kāi)發(fā)利用。為滿足當(dāng)前可持續(xù)糧食生產(chǎn)、適應(yīng)氣候變化、應(yīng)對(duì)干旱以及人口過(guò)剩等各方面的挑戰(zhàn)，人們對(duì)谷子的研究又產(chǎn)生了濃厚的興趣并寄予厚望。筆者綜述了谷子的營(yíng)養(yǎng)元素及活性物質(zhì)，并探討了谷子的生物可利用性和潛在的健康特性，旨在為綜合了解谷子營(yíng)養(yǎng)和功能特性提供參考。

1 谷子的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

谷粒的成分分析表明，它含有其他谷物所共有的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。谷子中的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括粗蛋白、粗脂肪、碳水化合物，各種成分比例合理，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值為禾谷類之首。根據(jù)品種、氣候條件、生長(zhǎng)條件和谷子類型的不同，谷粒通常含有65%～78%的碳水化合物、7%～11%的蛋白質(zhì)、1.5%～5.0%的粗脂肪（表1）。

表1 谷子的營(yíng)養(yǎng)成分

谷子的粗蛋白主要包括清蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和谷蛋白等，其含量明顯高于玉米、水稻和高粱，據(jù)統(tǒng)計(jì)谷子的粗蛋白比玉米高8%～60%[3]。不同谷子品種間蛋白含量差異較大，地方種質(zhì)資源的粗蛋白含量明顯優(yōu)于選育品種[4]。谷子中含有豐富的氨基酸，必需氨基酸含量相對(duì)平衡，總含量比水稻、小麥和玉米分別高41%、65%和51%，兩種必需氨基酸蛋氨酸和色氨酸含量在谷類作物中最高[5]。精氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸等必需氨基酸在谷子中的消化率均高于玉米[6]。

粗脂肪和脂肪酸不僅是谷子的重要營(yíng)養(yǎng)成分，也與其外觀和食用品質(zhì)密切相關(guān)。谷子粗脂肪主要存在于胚的油質(zhì)體中，含量高于水稻、小麥，低于玉米。我國(guó)作物種質(zhì)資源信息系統(tǒng)中2 038 份谷子品種的粗脂肪含量變化范圍在1.2%～6.2%，由于其粗脂肪含量受品種和種植環(huán)境影響較大，因此在谷子品種選育中脂肪含量并不是重點(diǎn)選擇性狀[7]。谷子中的脂肪酸類型多樣，主要包括棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸和花生酸等，其中47%～77%的脂肪酸為亞油酸[7]，這對(duì)預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化等心腦血管病有一定的效果，也是谷子一個(gè)重要的養(yǎng)生功效。但有報(bào)道表明，谷子中過(guò)多的亞麻酸可能會(huì)影響其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性，這也可以作為后期谷子耐儲(chǔ)藏遺傳改良的目標(biāo)性狀[8]。研究表明，珍珠谷富含OMEGA-3 脂肪酸、油酸（25%）、亞油酸（45%）和亞麻酸（4%），這些脂肪酸被認(rèn)為對(duì)健康最有益[8]，因此使珍珠谷廣受歡迎。

碳水化合物約占谷子總營(yíng)養(yǎng)成分的75%，且在品種間差異不大。其中淀粉是碳水化合物的主要形式，包含直鏈淀粉和支鏈淀粉兩大類，約占谷子干物質(zhì)總量的60%[9]。谷子富含一種獨(dú)特類型的抗性淀粉（RS），它被認(rèn)為是一種維持低血糖指數(shù)的功能性食品。RS 類似于可溶性可發(fā)酵纖維，可通過(guò)提高短鏈脂肪酸（如丁酸）的產(chǎn)量，幫助人類腸道中的友好細(xì)菌生長(zhǎng)[10]。丁酸酯在胃腸道健康中起關(guān)鍵作用，有助于預(yù)防和治療結(jié)腸癌。RS 有助于減肥和有益于心臟健康，能夠降低血壓，控制血糖水平、胰島素敏感性和消化健康。谷子米淀粉通常含有20%～30%的直鏈淀粉和70%～80%的支鏈淀粉，淀粉大多含有極性磷脂（占總脂質(zhì)含量的89%），主要成分是非極性脂質(zhì)的甘油三酯。這些脂質(zhì)與淀粉的直鏈淀粉部分形成復(fù)合物，并且由于其疏水鍵和內(nèi)聚性，降低淀粉的膨脹能力和流動(dòng)性[11]，從而使身體更好地吸收營(yíng)養(yǎng)。

谷子比其他谷物含有更多的纖維。纖維對(duì)腸道健康很重要，食物中適量提高纖維攝入可改善腸道健康。纖維在預(yù)防心臟病、結(jié)腸癌和糖尿病方面具有重要作用。谷子纖維含量高，可以成為肥胖、便秘和膽結(jié)石患者的飲食，此外由于其低消化特性，可以增加糖轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，從而降低了血液中葡萄糖的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，有助于非胰島素依賴型糖尿病患者[12]。谷子中的纖維素有助于減少有害膽固醇，同時(shí)增加有益膽固醇，它還可以防止膽汁酸的分泌。谷子的纖維素含量較高，有助于減緩食物從胃到腸道的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)使食物消化間隔時(shí)間變長(zhǎng)，從而防止肥胖。另外，谷子還含有7%～21%的膳食纖維，其中可溶性膳食纖維2.5%和不溶性膳食纖維19.5%[13]。據(jù)報(bào)告，珍珠粟中的中性洗滌劑（NDF）和酸性洗滌劑（ADF）分別約為140、62 g/kg，ADF 和NDF 水平對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)力和畜牧生產(chǎn)是至關(guān)重要的[14]。

2 谷子微量營(yíng)養(yǎng)素

谷子的微量元素主要由礦物質(zhì)和維生素組成，谷子富含維生素和人體必需的礦物質(zhì)元素。谷子含有的維生素包括VA、VB1、VB2、VE 及作為VA 前體的胡蘿卜素。研究表明，谷子的VA 和VE 含量顯著高于大米、小麥和玉米。谷子VB1、VB2和胡蘿卜素含量頗高，VB1含量幾乎是水稻和玉米的1.7 倍，是小麥的2.0 倍，胡蘿卜素含量更是玉米的2.0 倍[10，15]。我國(guó)居民膳食中VB1和VB2攝入量不能滿足人體需求，谷子可作為食補(bǔ)VB1和VB2的良好食材。VE 又稱生育酚，高含量的VE 是谷子被人們用來(lái)病后或生育后補(bǔ)養(yǎng)身體的依據(jù)，提高谷子VE 含量也可作為育種的指標(biāo)之一。亞洲人普遍缺少VA，而食用谷子可以彌補(bǔ)這種缺失[16]。珍珠谷由于含有高的油脂，也是脂溶性VE 的重要來(lái)源；苔芙谷VA 含量較高，是VA 的很好來(lái)源[17]。

谷子鈣、鎂、鋅、硒、銅、鐵、磷等微量元素含量均高于水稻，鋅和硒的含量明顯高于玉米、小麥和高粱。缺鐵可導(dǎo)致嚴(yán)重的微細(xì)胞性貧血和免疫功能受損。PUJAR 等[18]研究表明，谷子鐵和鋅的含量分別為35～116、21～80 mg/kg。鋅是多種酶的輔酶，YAMUNARANI 等[19]對(duì)手指谷中的鋅濃度進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，319 個(gè)基因型中的鋅含量為10～86 mg/kg。印度科學(xué)家通過(guò)品種改良將谷子中的鋅含量提高到了35～40 mg/kg[20]。硒是人體必不可缺乏的微量元素之一，是許多硒蛋白生物合成中的重要成分，也是保證人體健康的重要抗氧化分子。硒代半胱氨酸已被公認(rèn)為第21 種氨基酸，在人體參與多種酶功能。硒含量與谷子的產(chǎn)地、籽粒顏色相關(guān)，與谷子籽粒中蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)。有報(bào)道表明，我國(guó)谷子的地方品種硒含量為0.100 3 mg/kg[21]，其中冀谷21 的硒含量高達(dá)0.190 0 mg/kg，為我國(guó)谷子硒含量最高紀(jì)錄[22]。 谷子的鈣含量是牛奶的3 倍，是小麥、糙米和玉米的10 倍，珍珠谷的鈣含量分別為45.6、48.6 mg/100 g[23]。磷是骨骼礦物質(zhì)基質(zhì)中的一種重要礦物質(zhì)，有助于骨骼生長(zhǎng)、發(fā)育和修復(fù)，珍珠谷含有大量的磷[24]。礦物質(zhì)可以提高人體免疫力，經(jīng)常食用谷子有助于對(duì)抗骨質(zhì)疏松癥，降低骨折風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)節(jié)心臟功能，增強(qiáng)記憶，降低阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)肌肉強(qiáng)度[25]。

3 谷子的生物活性物質(zhì)

谷子含有豐富的生物活性物質(zhì)，近年來(lái)越來(lái)越受到重視。據(jù)報(bào)道，谷子中含有的生物活性物質(zhì)主要包括阿魏酸、槲皮素、阿拉伯木聚糖、阿魏聚糖、木脂素、β-葡聚糖、菊糖、抗性淀粉、甾醇和植酸鹽[26]。其中，谷子的多酚類化合物含量較高，具有很強(qiáng)的抗氧化生理功效。谷子含有的多酚類物質(zhì)清除羥基自由基率高達(dá)91%，高于小麥、高粱和大米。這些生物活性物質(zhì)使谷子具有重要的健康效應(yīng)，如抗氧化、降血糖、降膽固醇、抗?jié)?、抗炎和抗菌特性[27]。不同類型的谷子含有不同的多酚類物質(zhì)（表2），研究表明，谷子酚更多地存在于種皮中，酚類化合物的分布和濃度因谷子的類型和品種而異，一般來(lái)說(shuō)，棕色或者深色的品種酚類含量要高一些[27]。多酚是植物天然存在的一類高效植物源性抗氧化劑。多酚類物質(zhì)參與多種生物調(diào)節(jié)系統(tǒng)而發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)作用，可以抵抗氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而降低慢性疲勞綜合征、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和鐮狀細(xì)胞貧血的發(fā)生率，多酚還參與抗癌、抗炎、抗病毒和神經(jīng)物質(zhì)保護(hù)作用的免疫過(guò)程[28]。谷子含有多種酚類化合物，主要是羥基苯甲酸、羥基肉桂酸和類黃酮[24，29]。羥基苯甲酸構(gòu)成谷子主要游離酚部分，占谷物酚酸的70%～71%[30]。羥基肉桂酸形成了谷子的大部分結(jié)合酚酸，包括咖啡酸、綠原酸、芥子酸、肉桂酸、香豆酸和阿魏酸，它們約占谷物酚酸的30%。其中，阿魏酸是谷子中含量最豐富的結(jié)合酚酸，其次是咖啡酸和香豆酸，含量分別為18.60、1.64、1.00 mg/100 g[31]。

表2 不同類型谷子主要多酚類物質(zhì)

谷子中還含有另一個(gè)重要的生物活性物質(zhì)，即黃酮類化合物，谷物中含有的多種黃酮類化合物通常位于果皮中。谷子中的黃酮類化合物主要包括花青素、查爾酮、氨基酚、黃酮醇和黃酮。據(jù)報(bào)道，有的谷子品種還含有原花青素，也稱縮合單寧，不同顏色的谷子品種單寧含量不同。谷物中常見(jiàn)的6 種花青素是矢車菊素、馬爾維納丁、天竺葵素、飛燕草素、佩圖尼丁和牡丹素?？s合單寧的主要功能是保護(hù)谷物不受霉菌的影響，防止谷物變質(zhì)[32]。單寧會(huì)降低蛋白質(zhì)的消化率，降低碳水化合物和礦物質(zhì)的含量，還具有抗癌、胃保護(hù)、抗?jié)兒徒档湍懝檀嫉奶匦訹33]。

4 展望

全球人口爆炸、快速城市化、土壤鹽堿化、可耕地減少、地下水資源和氣候條件惡化，導(dǎo)致糧食短缺問(wèn)題在干旱和半干旱地區(qū)愈加嚴(yán)重，糧食安全迫在眉睫。在全球范圍內(nèi)，谷子是僅次于水稻、小麥、玉米、大麥和高粱的第六大重要谷物作物，廣泛種植在亞洲和非洲干旱和半干旱地區(qū)[33]。谷子通常被稱為“饑荒儲(chǔ)備”作物，具有灌溉需求較少、生長(zhǎng)和生產(chǎn)力較好的特性，以及較強(qiáng)的氣候適應(yīng)性和廣泛的生態(tài)適應(yīng)性，即使在年平均降水量<250 mm，溫度高達(dá)42 ℃的干旱易發(fā)地，也能維持糧食產(chǎn)量[34]。發(fā)育不良、消瘦和體重不足/超重是全球兒童營(yíng)養(yǎng)不良的主要問(wèn)題，亞洲近一半的兒童都消瘦，同樣，有一半的國(guó)家超重兒童人數(shù)激增，其原因主要是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不均衡，其中鐵和鋅缺乏是最嚴(yán)重的。與其他谷物相比，谷子是一種營(yíng)養(yǎng)豐富、增產(chǎn)潛力巨大且未充分利用的作物，由于它能提供30%～40%的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)素，并可提供價(jià)格合理的主食及充足的鐵和鋅，因此具有消除發(fā)展中國(guó)家微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏癥的巨大潛力[25]。珍珠谷在纖維、鈣、鐵、鋅、磷和鉀含量等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值方面優(yōu)于水稻和小麥[16]，通過(guò)生產(chǎn)富含營(yíng)養(yǎng)元素的谷子，可以立即解決營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題。國(guó)際農(nóng)業(yè)研究咨詢小組（CGIAR）針對(duì)營(yíng)養(yǎng)素不足實(shí)施生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)計(jì)劃（BCP），鐵、鋅和VA 生物強(qiáng)化是一種經(jīng)濟(jì)上可行的基于食品戰(zhàn)略安全的計(jì)劃，通過(guò)將營(yíng)養(yǎng)豐富的作物帶到資源貧乏地區(qū)來(lái)解決營(yíng)養(yǎng)不足和營(yíng)養(yǎng)不良者的“隱性饑餓”問(wèn)題[35]，可以在世界糧食問(wèn)題上具有重要意義。谷子之所以被選為生物強(qiáng)化遺傳改良的一個(gè)非常有前景的作物，是因?yàn)樵诜侵藓蛠喼拶Y源貧乏的國(guó)家，谷子是能量的主要來(lái)源。乳糜瀉是一種由食用麩質(zhì)引發(fā)的遺傳易感問(wèn)題，全球范圍內(nèi)，患有麩質(zhì)過(guò)敏癥的人數(shù)正在增加，尤其是在發(fā)達(dá)國(guó)家，這些患者不能食用小麥、大麥或黑麥制品，麩質(zhì)過(guò)敏癥患者對(duì)無(wú)麩質(zhì)食品和飲料的需求日益增長(zhǎng)，無(wú)麩質(zhì)谷物需求正在急劇增加。因?yàn)楣茸优c小麥、大麥或黑麥不同，它不含麩質(zhì)[17]，因此，食用谷子能夠減少含有麩質(zhì)的普通谷物引起的刺激，可以為乳糜瀉患者提供正常飲食。

谷子的作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有深入開(kāi)發(fā)和研究，因此首先應(yīng)該對(duì)所有的谷子種質(zhì)資源進(jìn)行篩選，以了解谷子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遺傳多樣性，然后必須通過(guò)育種/快速育種技術(shù)利用這種自然變異。如利用育種策略，在高產(chǎn)性狀的背景下，印度培育出了高鐵（70～75 mg/kg）、高鋅（35～40 mg/kg）的珍珠谷，這些谷子不僅保證了極端氣候條件下的糧食安全，還能夠在防止?fàn)I養(yǎng)不良中發(fā)揮重要作用。此外，必須在目標(biāo)群體中仔細(xì)研究谷子的生物功效和生物利用度，可以利用遺傳資源和基因組序列識(shí)別候選基因，以及利用CRISPR-Cas9 技術(shù)來(lái)改善谷子營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，從而為安全的食品、飼料和食品工業(yè)鋪平道路?？傊?，隨著人們消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，改良谷子品質(zhì)性狀，使其具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值將是谷子育種的熱點(diǎn)課題。