類胡蘿卜素含量對谷物蒸煮品質(zhì)的影響

趙 欣，梁克紅，朱 宏，王 靖

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營養(yǎng)發(fā)展研究所 北京 100081）

類胡蘿卜素是具有長共軛多烯鏈的C40 類異戊二烯，分為胡蘿卜素和葉黃素兩類[1]。類胡蘿卜素具有重要的營養(yǎng)價值，β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素和β-隱黃素是動物體內(nèi)合成維生素A 的前體物質(zhì)，缺乏維生素A 可導(dǎo)致夜盲癥、干眼癥、角膜潰瘍等[2]。玉米黃質(zhì)、葉黃素等葉黃素類物質(zhì)，可防止年齡相關(guān)的黃斑退化[3]。此外，類胡蘿卜素在調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、生長因子和細胞內(nèi)信號通路（縫隙連接通訊），調(diào)節(jié)細胞分化、細胞周期和凋亡、光保護抗腫瘤等方面發(fā)揮作用，降低患慢性病和某些類型癌癥的風(fēng)險等方面具有重要作用[4-5]?？深A(yù)防退行性眼損傷，如夜盲、干眼癥、角膜潰瘍和病變。然而，人體自身無法合成類胡蘿卜素，必須通過食用含有類胡蘿卜素的果蔬、糧食等食物進行補充。谷物是世界大部分人口的主食，為人體提供了大部分能量[6]。雖然谷物中的類胡蘿卜素含量低于大多數(shù)水果和蔬菜，但是作為主食的谷物目前仍是日常補充類胡蘿卜素的主要方式。蒸煮品質(zhì)是評價谷物食用品質(zhì)的一個重要指標。類胡蘿卜素含量直接影響谷物的外觀品質(zhì)。前期研究發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素含量與谷物蒸煮品質(zhì)具有一定的相關(guān)性[7]。了解谷物中類胡蘿卜素含量的組成與分布，研究類胡蘿卜素與蒸煮品質(zhì)的關(guān)系，對日常飲食中類胡蘿卜素的攝入、谷物的加工育種均具有重要的意義。本文綜述谷物中類胡蘿卜素含量與分布，類胡蘿卜素與谷物蒸煮品質(zhì)的關(guān)系，谷物中類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化與損失、吸收代謝及健康效應(yīng)，旨在為谷物的食用及加工利用提供一定的理論參考。

1 谷物中的類胡蘿卜素

谷物（包括小麥、玉米、水稻、高粱等）中的類胡蘿卜素主要由葉黃素組成，葉黃素含量最高，其次是玉米黃質(zhì)，此外還有少量的β-隱黃素，α-和β-胡蘿卜素，占比范圍為3%至5%[8]。通常黃色谷物中的胡蘿卜素含量較高，在傳統(tǒng)小麥中類胡蘿卜素的總含量為1.178～3.345 mg/kg（表1），葉黃素含量在0.22～12.64 mg/kg 之間，玉米黃質(zhì)含量在0.038～0.369 mg/kg 之間，不同顏色的小麥類胡蘿卜素含量差異顯著。袁園園等[9]研究表明，紫粒小麥和黃色小麥的類胡蘿卜素含量高于藍粒小麥。玉米類胡蘿卜素含量為9.55～62.96 mg/kg （表1），葉黃素含量在3.5～35.0 mg/kg 之間，玉米黃質(zhì)含量在18.5～26.95 mg/kg 之間，紅色玉米色素主要由花色苷、類胡蘿卜素組成，黃色玉米色素主要由類胡蘿卜素組成，黑色、紫色玉米色素主要由花色苷組成[10]。高粱類胡蘿卜素含量為3.82～19.50 mg/kg[11-12]（表1），而普通白色的稻米中幾乎不含有類胡蘿卜素。小米黃色素含量變幅較大，黃小米黃色素含量5.40～19.55 mg/kg，綠小米黃色素含量10.14～16.44 mg/kg，白小米黃色素含量較低，變幅為1.10～2.49 mg/kg[13]。本研究團隊對不同品種小米中的類胡蘿卜素含量進行測定，其中葉黃素含量為17.18～27.95 mg/kg，玉米黃質(zhì)含量為3.27～5.29 mg/kg。此外，在燕麥及大麥中也含有一定量的類胡蘿卜素。

表1 谷物中的類胡蘿卜素含量Table 1 Carotenoids in cereals

類胡蘿卜素在籽粒中的定位和分布也因谷類而異。玉米籽粒中，超過70%的類胡蘿卜素位于玻璃質(zhì)胚乳，其余的分布在粉質(zhì)胚乳、胚芽和麩皮部分[14]，不同顏色的玉米類胡蘿卜素具有相似的分布[10]。高粱中類胡蘿卜素在胚乳和果皮中積累的比例也較高[15-16]。大麥、小麥和燕麥的胚芽類胡蘿卜素含量分別比其全麥的總類胡蘿卜素含量高4.0，3.5 倍和3.3 倍，其類胡蘿卜素主要集中在胚芽中[17]，而胚乳和麩皮成分中的含量相對較少。生糙米中，類胡蘿卜素包括葉黃素、玉米黃質(zhì)，胡蘿卜素和/或番茄紅素在麩皮和外胚乳中積累，而含有核心胚乳的碾磨部分通常不含類胡蘿卜素[18]。玉米的葉黃素主要分布在胚乳和糊粉層中，小麥、大麥和燕麥的葉黃素分布在糊粉層和胚芽中。小麥的玉米黃質(zhì)集中在胚芽部分[8]，玉米則集中在胚乳中[19]。

2 類胡蘿卜素與谷物蒸煮品質(zhì)的關(guān)系

不同谷物具有不同的蒸煮特性，谷物的蒸煮品質(zhì)一般受到直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量等因素的影響，而支鏈淀粉與總淀粉的比率、粗淀粉含量對蒸煮食用綜合評分影響較小[26]。

與普通稻米相比，深色稻米的蒸煮性較差，難以消化吸收[27]，這說明谷物的色澤也是影響谷物蒸煮品質(zhì)的一個重要因素。谷物的色澤通常由類胡蘿卜素、花青素等色素產(chǎn)生，顏色是衡量谷物外觀品質(zhì)的重要因素，決定谷物的商品價值，也是谷物品質(zhì)育種的重要指標。與其它顏色相比，黃色谷物通常具有較好的蒸煮特性。小米米色與蒸煮后米飯的香味、色澤、適口性等呈顯著正相關(guān)，米色越黃，米飯香味越濃，適口性越好[25]。在小麥面條制作中加入類胡蘿卜素泥，可以顯著提高面條中的類胡蘿卜素含量，使其硬度（27.06%）、彈性（79.78%）和內(nèi)聚性（0.74%）降低，蒸煮品質(zhì)較優(yōu)[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素含量與全麥粉黃度呈極顯著正相關(guān)，與全麥粉白度呈極顯著負相關(guān)。Ren 等[29]研究表明類胡蘿卜素含量與高峰黏度、低谷黏度、稀懈值、最終黏度、容重、形成時間呈極顯著負相關(guān)。張曉等[30]研究表明淀粉糊化參數(shù)中，峰值黏度、低谷黏度、稀懈值、最終黏度和峰值與小麥粉及鮮面片黃度值b 呈負相關(guān)。濕面筋色澤與全麥粒類胡蘿卜素含量呈正相關(guān)[31]。楊成元等[32]研究表明小米色度越黃其滋氣味、黏彈性、適口性越好。王玉文等[33]研究表明，小米色澤越黃，米色的評分越高，其適口性越好；米色與米飯的香味、色澤、適口性呈極顯著正相關(guān)，米色與米飯的香味、色澤、適口性有極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.630，0.824，0.6965，米色越黃，米飯的香味、色澤和適口性越好，色澤與香味的相關(guān)系數(shù)高達0.9250?？梢?，谷物類胡蘿卜素含量與谷物蒸煮食用品質(zhì)可能存在一定的相關(guān)性。本研究團隊對9個品種的小米中的類胡蘿卜素含量與蒸煮品質(zhì)（直鏈淀粉和膠稠度）進行相關(guān)性分析[7]，結(jié)果與已有報道[34]一致，葉黃素、玉米黃質(zhì)、總類胡蘿卜素含量與膠稠度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表2）。蒸煮品質(zhì)通常包括直鏈淀粉、膠稠度、糊化特性等指標，是決定其市場接受度和加工特性的重要因素。直鏈淀粉含量影響谷物的食味品質(zhì)，直鏈淀粉含量低的軟米食味品質(zhì)優(yōu)于直鏈淀粉含量高的硬米。直鏈淀粉含量的改變影響淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，使淀粉糊化品質(zhì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致稻米蒸煮食味品質(zhì)的差異。膠稠度反映糊化的淀粉粒冷卻后復(fù)原的趨向，是直鏈淀粉與支鏈淀粉兩類分子綜合作用的結(jié)果，膠長越長，米飯越軟，蒸煮性越好[34]。蒸煮食味品質(zhì)好的稻米一般峰值黏度大、崩解值大、最終膠黏度小、消減值小，起始糊化溫度低[35]。對不同米色小米與糯玉米籽粒的研究表明類胡蘿卜素含量與淀粉含量呈顯著負相關(guān)。部分有色谷物中雖含有較高含量的類胡蘿卜素，但低于其花色苷含量，表明高花色苷和色素含量與粗淀粉呈正相關(guān)，較高含量的淀粉使有色谷物蒸煮性較差[36]。此外，在木薯中發(fā)現(xiàn)，總類胡蘿卜素含量與淀粉糊化溫度、峰值時間、回生值、峰面積呈顯著負相關(guān)，與淀粉含量呈顯著負相關(guān)[37]。

表2 Pearson 相關(guān)性Table 2 Pearson correlation coefficient

蒸煮品質(zhì)是一個復(fù)雜的綜合性狀，直鏈淀粉含量、膠稠度和糊化溫度三者之間是關(guān)聯(lián)的。谷物中淀粉的合成對蒸煮品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控很好地解釋了3 個品質(zhì)指標的相關(guān)性[38]。有研究表明，β 胡蘿卜素含量影響谷物中淀粉含量。Ven1 是編碼β-胡蘿卜素羥化酶3（HYD3，一種調(diào)節(jié)淀粉體包膜類胡蘿卜素組成的酶）的基因。Ven1 主要在總冠籽粒中心的淀粉型胚乳細胞中表達，使β-紫羅蘭酮環(huán)α-/β-胡蘿卜素，產(chǎn)生葉黃素（如葉黃素、玉米黃質(zhì)）。Ven1 編碼的缺失使非極性類胡蘿卜素，如植物烯、番茄紅素、α-和β-胡蘿卜素的累積水平顯著提高，而HYD3 下游的葉黃素、玉米黃質(zhì)等極性類胡蘿卜素的水平降低。高水平的β-胡蘿卜素似乎可以阻止淀粉質(zhì)體膜的分解，并影響干燥胚乳細胞中脂質(zhì)的數(shù)量和組成。Ven1 高表達，使非極性類胡蘿卜素含量降低，淀粉體膜形態(tài)規(guī)則且易降解，從而有利于蛋白體及細胞質(zhì)在淀粉粒表面的濃縮，形成致密的蛋白基質(zhì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這是硬質(zhì)胚乳形成的重要基礎(chǔ)，可能是導(dǎo)致谷物淀粉含量較高的原因[39]。

3 谷物中類胡蘿卜素的合成及分解

植物中，類胡蘿卜素的合成主要存在于質(zhì)體中。目前類胡蘿卜素的合成途徑較為明確，包括縮合、脫氫、環(huán)化、羥基化及環(huán)氧化5 個環(huán)節(jié)。相比于類胡蘿卜素的生物合成，關(guān)于其酶促降解的研究報道較少，相關(guān)調(diào)控機理尚未解析。類胡蘿卜素通過酶促降解可以轉(zhuǎn)化成小分子致香物質(zhì)以及一些香味物質(zhì)的前體物[40]。類胡蘿卜素降解有3 條途徑：①β-胡蘿卜素羥化酶途徑（BCH 途徑），是β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素羥化酶的作用下經(jīng)一系列反應(yīng)最終氧化生成ABA 的過程[41]；②脂氧合酶降解途徑（LOX 途徑），LOX 通過特異性地作用于含順，順-1，4-異戊二烯結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸，使氧分子插入，生成氫過氧化物脂肪酸后共氧化引起類胡蘿卜素的降解[42]；③雙加氧酶裂解途徑（CCD 途徑），CCDs 是一種非血紅素加氧酶[43]，可催化裂解類胡蘿卜素不同位置的雙鍵，形成一系列脫輔酶類胡蘿卜素，多為揮發(fā)性萜類化合物，參與香氣和風(fēng)味的形成。CCDs 家族有9 個成員（CCD1、4、7、8 和NCED2、3、5、6、9），其中NCED2、3、5、6、9 參與植物激素ABA 的合成，CCD7、8 參與調(diào)節(jié)側(cè)枝的生產(chǎn)和發(fā)育，CCD1、4 參與風(fēng)味物質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)的形成[44]。

谷物中參與類胡蘿卜素合成調(diào)控的基因包括ZmLCYB、ZmLCYE、SiPSY1、SiCCDla 等，這些基因往往通過調(diào)控類胡蘿卜素的合成降解來影響谷物顏色形成。SiPSY1 基因?qū)︻惡}卜素具有降解作用，是白米米色形成的主要原因；SiHYD 的表達促使β-胡蘿卜素大量轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)，是谷物玉米黃質(zhì)積累的主要原因[13]。Bai 等[45]認為ZmLCYB和ZmLCYE 轉(zhuǎn)錄本的相對積累與最初番茄紅素環(huán)化產(chǎn)物高度相關(guān)，即LYCE/LYCB 兩種環(huán)化酶表達豐度的相對強弱決定底物轉(zhuǎn)化為α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的比例，進而決定由α-胡蘿卜素生成葉黃素和β-胡蘿卜素生成玉米黃質(zhì)、新黃質(zhì)等產(chǎn)物在類胡蘿卜素總量中所占比例。SiLCYB 與降解基因SiHYD 和SiCCD1 共同作用，通過影響β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素在籽粒中的積累，進而影響米色的形成[46]。PSY1 和LCYE 對甜玉米中類胡蘿卜素的合成有重要影響[47]。lcyE 和zep1 基因可以影響類胡蘿卜素的組成，被發(fā)現(xiàn)與色度計的值有關(guān)。

4 類胡蘿卜素的吸收利用

類胡蘿卜素與一系列生物功能有關(guān)，這些功能包括抗氧化活性，調(diào)節(jié)解毒酶，增強免疫系統(tǒng)，上調(diào)細胞間通訊，誘導(dǎo)細胞凋亡和調(diào)節(jié)基因表達。在人體中類胡蘿卜素只有溶解在水相中才能在胃腸道消化并被吸收利用。類胡蘿卜素的生物利用度非常低，β-胡蘿卜素的生物利用度為4%～14%，葉黃素酯的相對利用度為18.55%[48]。谷物中類胡蘿卜素的生物利用度受各種因素的限制，如：類胡蘿卜素種類和分子間結(jié)構(gòu)、類胡蘿卜素所在基質(zhì)、類胡蘿卜素的異構(gòu)化等。研究表明，類胡蘿卜素和醇溶蛋白（如玉米醇溶蛋白）的關(guān)聯(lián)可改變這些非維生素A 源（pVA）類胡蘿卜素的穩(wěn)定性和生物可利用性[49]。不同類胡蘿卜素間的競爭可能影響pVA 類胡蘿卜素的生物利用率。不同濃度的葉黃素對β-胡蘿卜素的吸收有一定的抑制或促進作用。二價礦物質(zhì)的存在，特別是鎂和鈣，限制了蔬菜、水果中膳食脂肪的攝入，從而直接影響植物來源的類胡蘿卜素的生物利用度，而對谷物的影響較小。

蒸煮后可以提高類胡蘿卜素的生物利用度，粥中的類胡蘿卜素具有較高的膠束化率 （40%～63%），來自植物材料（例如菠菜）的色素的溶解性較低，可通過微流態(tài)化[50]、煮沸[51]或在試驗餐中加入脂肪來增強[52]。這可能是因為一些處理方法破壞細胞壁，促進類胡蘿卜素的釋放和吸收，熱處理將一些天然β-胡蘿卜素反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為順式構(gòu)型[53]。不同谷物的結(jié)合可提高谷物中類胡蘿卜素的生物利用度，與玉米（45%～47%）相比，高粱（63%～81%）的類胡蘿卜素生物利用率普遍較高，谷物的混合及擠壓可提高類胡蘿卜素的生物利用率[54-55]。作為經(jīng)常食用的食物，富含葉黃素的餅干、松餅和面包有可能提高葉黃素的攝入量，且餅干和松餅的葉黃素生物利用率高于面包[56]。向消化混合物中添加油，提高了葉黃素在葉黃素-葉黃素（蕨類植物）中的生物可利用性，與葉黃素補充劑或菠菜相比，蛋黃中葉黃素的生物利用度更高[52]。在一份關(guān)于玉米面包制品的報告中，面包的葉黃素生物利用率高達85%[57]。在某些情況下，根據(jù)血漿反應(yīng)，補充劑中的類胡蘿卜素比全食品中的類胡蘿卜素具有更高的生物利用度，同時由于生物分子之間的相互作用，口服高水平的單一類胡蘿卜素成分可明顯改變其它類胡蘿卜素的生物利用度[58]。

5 問題與展望

類胡蘿卜素是一種重要的植物色素，目前并沒有統(tǒng)一的膳食推薦量。基于其在人體中的重要作用，受到越來越多的關(guān)注。谷物是我國主要的糧食作物，在飲食結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[42-43]。隨著人們對食用品質(zhì)及營養(yǎng)需求的提高，谷物的蒸煮品質(zhì)及健康功效廣受重視。今后需要開展的研究包括以下幾個方面：

1）研究谷物中類胡蘿卜素含量與蒸煮品質(zhì)的相關(guān)性，為谷物育種及提高谷物商業(yè)價值提供理論支撐。

2）制定谷物類胡蘿卜素含量測定國家標準，加強產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管。

3）開發(fā)谷物中類胡蘿卜素的新型加工和貯藏技術(shù)，提高其生物利用率。

4）研究、評估食品中類胡蘿卜素在人類健康中發(fā)揮的重要作用。