高粱單寧研究進(jìn)展

于文慧 王雅利 楊明川 張子路 康振輝

（四川輕化工大學(xué)，四川宜賓 644000）

高粱是重要的糧飼兼用作物。高粱含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，高粱籽粒含蛋白質(zhì)4.4%～21.1%、脂肪2.1%～7.6%、粗纖維1.0%～3.4%、碳水化合物57.0%～80.6%、淀粉 55.6%～75.2%和礦物質(zhì)（灰分）1.3%～3.5%[1]，是釀酒和制醋、糖、淀粉等食品的重要原料。然而，單寧的存在限制了高粱食品的精深加工與利用。單寧是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，是影響高粱開發(fā)利用的關(guān)鍵性制約因素，會降低飼料適口性和蛋白質(zhì)、能量的利用率[2]。本文主要從高粱單寧的種類、結(jié)構(gòu)、對高粱的影響以及檢測、去除方法等方面進(jìn)行綜述。

1 高粱中單寧的分類

植物酚類化合物包括單寧、木質(zhì)素、黃酮類化合物等，其結(jié)構(gòu)可以是簡單的酚分子，也可以是復(fù)雜的高分子聚合物。酚類化合物的結(jié)構(gòu)是其清除自由基和具有金屬螯合活性的關(guān)鍵因素，特別是羥基的數(shù)量、位置以及芳香環(huán)上的取代反應(yīng)。這些化合物在植物生長繁殖過程中發(fā)揮重要作用，如抵御病原體和捕食者[3]。單寧又稱單寧酸、鞣質(zhì)，是一種重要的植物次級代謝產(chǎn)物。高粱中的單寧根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可分為水解單寧和縮合單寧。

1.1 水解單寧

水解單寧，又稱棓酸，化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。水解單寧易被酸、堿或酶水解而成酚酸和多元醇等簡單物質(zhì)，從而失去單寧的特性[4]。根據(jù)水解所產(chǎn)生多元酚羧酸的不同，又可以將水解單寧分為棓單寧和鞣花單寧。

1.2 縮合單寧

縮合單寧，又稱原花青素，在不同高粱中含量也不同（范圍在0.01%～4.00%之間[5]），化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示?？s合單寧在酸、堿或加熱條件下，不分解成為簡單物質(zhì)，但在氧化脫水后形成紅棕色沉淀。

2 單寧的抗?fàn)I養(yǎng)性及利用價值

單寧是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，具有收斂性，可以與蛋白質(zhì)、糖類和金屬離子形成難以吸收的復(fù)合物，從而降低動物攝食率并影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用率[6]。植物單寧與蛋白質(zhì)結(jié)合的能力，主要取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，特別是聚合度的大小[7]。一般來說，單寧酸對蛋白質(zhì)有很強(qiáng)的親和力，它們通過氫鍵、疏水相互作用、靜電吸引和與氧化相關(guān)的共價鍵與單寧相互作用。在一定條件下，高粱單寧能夠結(jié)合并沉淀12倍于自身重量的蛋白質(zhì)。此外，膳食中的單寧還能抑制消化酶活力，從而進(jìn)一步降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化率[8]。單寧會影響非血紅素鐵的生物利用度，導(dǎo)致人體和動物對鐵的吸收較差[9]。此外，單寧會影響人和動物對鈣的吸收。

低含量的縮合單寧在改善動物生產(chǎn)性能、抗菌和調(diào)節(jié)腸道菌群等方面有著顯著的效果。單寧具有較好的收斂、止血和抗氧化作用，可用作金屬離子螯合劑、蛋白質(zhì)沉淀劑和抗氧化劑。因此，單寧現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和日化用品等領(lǐng)域。此外，高粱用作釀酒原料時，籽粒中的單寧對酒的品質(zhì)起著決定性作用，主要是由于單寧在釀酒過程中會產(chǎn)生丁香酸和丁香醛等風(fēng)味物質(zhì)，使得白酒具有獨特的風(fēng)味。同時，在發(fā)酵過程中單寧可抑制有害微生物生長，提高出酒率[10]。高粱中的單寧具有抗癌、抗炎和減少碳水化合物攝入等作用，對于心血管病、糖尿病、肥胖等慢性病也有一定的緩解和預(yù)防作用。

3 單寧對高粱的影響

單寧的含量是判斷高粱品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，高粱籽粒中的單寧自開花后積累，高粱的成熟籽粒中可能含有高達(dá)2%或更多的縮合單寧。一方面，高粱籽粒中單寧的存在受基因Tan1、Tan2不同天然等位基因的控制[11]。其中編碼WD40蛋白的Tan1基因單核苷酸多態(tài)性控制著高粱單寧的合成。有的高粱中含有突變的等位基因Tan1-a、Tan1-b，這類高粱中積累的花青素和縮合單寧化合物較少。另一方面，高粱品種、種植地區(qū)、施肥水平、栽培模式，均會對高粱中單寧的含量造成影響。從地理方位看，高粱中單寧含量從北向南隨緯度降低而逐漸增高；從施肥水平來看，高施肥量會明顯降低高粱籽粒中單寧的含量。單寧僅存在于有色高粱品種中，但不是所有的有色高粱都含有單寧[12]。高粱中單寧的含量因品種不同而異。種皮中單寧含量最高，胚乳次之，其變化范圍在0.2%～2.3%之間[13]，且高粱中單寧含量對種皮顏色也有一定影響。單寧含量與粒色具有一定關(guān)系[14]，高粱粒色越深，單寧含量越高。其中紅色籽粒的高粱單寧含量最高，白色和橙色籽粒的高粱單寧含量次之，而黑色籽粒的高粱單寧含量最低，但僅通過高粱種皮顏色判斷高粱中單寧的含量是不可行的。

在非洲半干旱的熱帶地區(qū)和世界上的一些其他地區(qū)，鳥類對高粱破壞嚴(yán)重，單寧含量低的高粱品種較單寧含量高的高粱品種受損更嚴(yán)重。高粱中的單寧對稻瘟病菌、玉米瘟病菌和小麥瘟病菌等的發(fā)育有顯著的不利影響，因而單寧的存在使高粱不易受到真菌污染而導(dǎo)致采前種子變質(zhì)和胎生。在存貯過程中，單寧的存在顯著減少了昆蟲的攝食，主要表現(xiàn)為抑制成蟲羽化和延長發(fā)育時間，從而能夠保護(hù)糧食少受昆蟲的侵害[15]。

4 測定高粱中單寧含量的方法

單寧可溶于水和甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。單寧的測定方法主要是利用了單寧的還原性質(zhì)，可以用高錳酸鉀、鐵氰化鉀、鈰等氧化劑對單寧直接進(jìn)行氧化測定[16-17]。此外，還可以利用單寧與蛋白質(zhì)和某些重金屬結(jié)合形成沉淀的特性達(dá)到間接測定單寧含量的目的。定量測定高粱中單寧含量的方法較多，主要包括香草醛法、檸檬酸鐵銨法、普魯士藍(lán)法、釩顯色法、酸正丁醇法、蛋白質(zhì)沉淀法等（表1）。

表1 6種測定高粱中單寧含量的方法比較分析

香草醛法是基于香草醛與高粱單寧發(fā)生縮合反應(yīng)生成較穩(wěn)定紅色復(fù)合物的性質(zhì)，以鹽酸為催化劑[18]，通過分光光度法測定高粱中單寧含量的一種方法。該復(fù)合物穩(wěn)定性受光照影響較大，因而反應(yīng)須避光進(jìn)行。反應(yīng)過程中的關(guān)鍵因素為酸的用量、反應(yīng)時間、香草醛濃度等。此方法只涉及一步反應(yīng)，干擾因素較少，因而該方法靈敏度和回收效率高[19]，但該方法由于缺乏合適的標(biāo)準(zhǔn)品，無法準(zhǔn)確測量單寧含量。

檸檬酸鐵銨法是根據(jù)《高粱單寧含量的測定》（ISO 9648：1988）測定高粱中的單寧含量。該方法用75%二甲基甲酰胺（DMF）提取高粱中的單寧，使用單寧酸（TA）制作標(biāo)準(zhǔn)曲線來測量高粱中單寧的含量。該方法精密性和重復(fù)性良好，較穩(wěn)定[20]，但該方法特異性較差，單寧酸與高粱單寧在結(jié)構(gòu)上有較大差異，因而該方法無法準(zhǔn)確測量單寧含量[21]。同時二甲基甲酰胺會對消化系統(tǒng)和腎臟功能造成一定影響。改良后的檸檬酸鐵銨法采用花青素（PA）作為標(biāo)準(zhǔn)品，用70%丙酮溶液代替75%二甲基甲酰胺溶液，具有更高的準(zhǔn)確性和安全性[22]。

普魯士藍(lán)法的原理是單寧與鐵氰化鉀發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成亞鐵氰化物，然后亞鐵氰化物與三價鐵離子發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成亞鐵氰化鐵，即普魯士藍(lán)。該方法與其他方法相比靈敏度更高，但在測定過程中易受溫度、光源、顯色條件等影響，因而應(yīng)對反應(yīng)條件嚴(yán)格控制，才能保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性[23]。

釩顯色法是利用在26%二甲基甲酰胺的水溶液中，單寧與釩可以生成穩(wěn)定的藍(lán)紫色絡(luò)合物的原理來測定單寧含量的方法[24]。該方法回收率較高，達(dá)96%～102%。

酸正丁醇法受加熱方式、是否添加催化劑以及反應(yīng)過程是否隔絕空氣的影響很大。標(biāo)準(zhǔn)品的選擇對單寧含量的測定有一定影響，當(dāng)使用原花青素作為標(biāo)準(zhǔn)品時專一性較好，但穩(wěn)定性和重復(fù)性較差。

蛋白質(zhì)沉淀法是利用單寧可以與蛋白質(zhì)通過氫鍵作用和疏水作用結(jié)合產(chǎn)生沉淀的原理來測定高粱中單寧的含量，使用的蛋白主要為牛血清蛋白。蛋白質(zhì)沉淀法操作繁瑣、誤差較大，且樣品的用量相對較多。在測定過程中可能存在沉淀不完全的現(xiàn)象，且沉淀穩(wěn)定性也較差，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。

5 高粱中單寧的去除方法

高粱中的單寧含量可以通過稀氨水、強(qiáng)堿、甲醛或脫皮處理谷物來減少。堿處理法是將高粱種子放在30℃、一定濃度的氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液中浸泡24 h。該方法可去除鞣質(zhì)75%～85%，在100℃條件下可以提高提取率，并將鞣質(zhì)浸出75%～85%所需的時間從24 h縮短到20 min[25]。

高粱中的單寧主要集中在種皮中，通過機(jī)械處理去除種皮可以有效降低單寧含量。但是，機(jī)械處理的同時也會降低高粱蛋白質(zhì)的含量而造成浪費(fèi)，并且進(jìn)行大規(guī)模去殼處理會增加成本[26]。

6 結(jié)語

目前，高粱中單寧測定方法研究已取得一定的進(jìn)展，但從高粱中制備純單寧標(biāo)準(zhǔn)品既困難又耗時。在測定過程中單寧易與金屬離子、蛋白質(zhì)或其他生物大分子形成復(fù)合物，因而對高粱中單寧含量進(jìn)行測定時，定量分析較困難。采用液質(zhì)聯(lián)用等方法可以準(zhǔn)確測量高粱中酚類化合物的含量，但無法準(zhǔn)確測定高粱中單寧的含量。因此，對于如何定性、定量測定高粱中的單寧還需要深入研究。