燕麦生物碱及其潜在的保健作用

任 祎 马挺军 崔 林

(山西农业大学农学院1，太谷 030801)

(北京农学院食品科学学院2，北京 102206)

(山西省农科院农作物品种资源研究所3，太原 030031)

燕麦生物碱及其潜在的保健作用

任 祎1马挺军2崔 林3

(山西农业大学农学院1，太谷 030801)

(北京农学院食品科学学院2，北京 102206)

(山西省农科院农作物品种资源研究所3，太原 030031)

燕麦(Avena sativa L.)是一种公认的有益心脏健康的食品，其保健功能除归因于高含量的β－葡聚糖外，还因其富含多种功能成分，如植酸、维生素E、黄酮类和超过20种的燕麦生物碱等。燕麦生物碱是燕麦特有的酚酸类衍生物，具有多种生物活性，对人类和动物健康非常有益。最新研究表明，燕麦生物碱兼有抗炎、抗增殖和止痒等生物活性，对于冠心病、结肠癌和皮肤瘙痒等疾病的防治起到重要的作用。本文对燕麦生物碱的结构分布、保健作用及其生物合成作了系统的阐述，对于开发燕麦新产品、提高燕麦产品附加值具有重要意义。

燕麦生物碱 生物合成 保健作用

流行病学证据表明，摄入较多的全谷物食品可降低患冠心病、糖尿病和癌症的风险［1－3］，而燕麦(Avena sativa L.)是目前唯一的全谷物进食、有益健康的食品，Kelly［4］在其最新的文献综述中也指出全谷物进食中只有燕麦对冠心病的预防作用被临床试验所证实，而其他谷物的作用有待进一步验证。燕麦的这种保健功能除归因于高含量的β－葡聚糖外，还归因于它含有多种抗氧化物，其中一类独特的含氮酚酸类衍生物，由加拿大科学家Collins首次鉴定并命名为 Avenanthramides［5－6］，因其在谷类作物中唯一存在于燕麦中，所以译为燕麦生物碱，简称燕麦碱。最新研究表明，燕麦生物碱不仅具有很强的体外和体内抗氧化作用，还具有抗炎、抗增殖和止痒等多种生物活性，对于冠心病、结肠癌和皮肤瘙痒症的防治起到重要的作用［7－8］，近年来引起国内外学者的极大兴趣。

1 燕麦碱的结构与分布

从燕麦麸皮和籽粒中分离出来的不同形式的燕麦生物碱超过20多种，其中主要的三种是A、B和C，即 Bp、Bf和 Bc［5，9］，分别是 Bratt等［10］从燕麦提取物中分离出的2p、2f和2c，燕麦生物碱的结构与临床抗组胺及抗炎药物曲尼司特(Tranilast)的结构非常相似(见图1)。

图1 主要的三种燕麦碱的结构

燕麦生物碱是一种植物次生代谢产物，在叶片，小穗等组织中都有存在，但主要是以相对高的含量存在于籽粒中(300 mg/kg)，尤其是籽粒的外层部分(麸皮和次级糊粉层)［9－12］。不同品种燕麦生物碱含量差异很大［13］，且对冠锈病高抗的品种，含量相对较高［14，15］。这一研究结果可指导育种者考虑利用生长过程中的冠锈病胁迫来选育具有高燕麦碱含量的品种。通过对我国裸燕麦种质资源抗氧化特性做过初步评价，发现我国裸燕麦种质生物碱含量的变异幅度和变异系数远大于国外引进种质，而在国内种质中，地方种的变异幅度和变异系数大于选育品种［16］，这些广泛的变异，可为进一步的高生物碱燕麦品质育种提供物质基础。其次，燕麦碱含量受环境因素的影响也很大，并非所有对冠锈病具有高抗的品种生物碱含量都高，不同年份、地点、栽培条件以及施氮水平等都会影响籽粒中燕麦碱的含量［15］。

2 燕麦碱的保健作用

2.1 抗氧化性能

富含燕麦生物碱的提取物以及合成的燕麦生物碱都表现很强的抗氧化活性［10，17－18］。其中 Bc 的活性最高，而Bp含量最高，往往占总燕麦碱的三分之一［17］。燕麦生物碱是构成燕麦抗氧化物的主要成分，其活性是其他酚类抗氧化成分(如香兰素和咖啡酸)的10～30倍［13，19］。富含燕麦生物碱的燕麦提取物，可增加骨骼肌、肝脏和肾脏的超氧化物歧化酶(SOD)的活性，增强心脏和骨骼肌谷胱甘肽过氧化酶活性，降低由运动诱导的氧化应激系统(ROS)的损伤［20，21］。早期，中国农业科学院的研究人员开展富含燕麦生物碱提取物(ARE)对衰老小鼠抗氧化和降血脂作用的研究，发现ARE不仅可增强肝组织抗氧化酶活性，减少丙二醛(MDA)含量，降低血总胆固醇和低密度胆固醇水平［22］，还可上调肝组织 SOD酶，谷胱甘肽酶以及脂蛋白脂酶基因的表达水平［23］。

2.2 抗炎作用

燕麦生物碱可以通过与细胞因子的相互作用和信号通路介导炎症细胞反应。燕麦生物碱通过抑制血管内皮细胞黏附分子－1(ICAM－1)、血管细胞黏附因子－1(VCAM－1)和E－selectin的表达，从而抑制单核细胞黏附分子作用，降低人主动脉内皮细胞(HAEC)的产物——炎性细胞因子白介素IL－6、IL －8，和单核细胞趋化蛋白 －1(MCP －1)［24］，产生的炎性细胞因子，趋化因子和黏附分子的内皮细胞已被证明是通过核转录因子NF－kB受氧化还原敏感的信号转导［25－26］。Guo 等［27］的一系列研究结果也表明，燕麦碱可抑制内皮细胞炎性细胞因子的表达，其作用机理是通过抑制IKK和抑制蛋白(IkB)的磷酸化以及降低内皮细胞的IkB的活性而实现的。最近研究表明，一种合成的燕麦生物碱的类似物(DHAv)，可以通过抑制核基因NF－kB的表达，进而保护胰腺B细胞受到损伤［28］。

2.4 抗增殖作用

药物曲尼司特(Tranilast)具有抗血管平滑肌细胞(VSMCs)增殖的作用，在临床上可防止经皮冠状动脉腔内成形术后的再狭窄［29－33］。像曲尼司特一样，燕麦生物碱也可抑制血管平滑肌细胞的增殖［34］，防止引发动脉粥样硬化和血管成形术后的再狭窄［35－36］。Nie 等［37］研究表明，燕麦碱抑制血管平滑肌细胞增殖的分子机制是通过调节细胞周期调节蛋白 p53、p21cip1、p27kip1、D1 和 pRb，抑制细胞周期从G1期向S期的过渡而实现的。最近，美国Turfs大学营养和衰老研究小组发现富含燕麦碱的燕麦提取物，以及合成的燕麦生物碱Bc及Bc－甲酯，均对结肠癌、前列腺癌和乳腺癌细胞的生长有抑制作用，但对结肠癌细胞增殖的抑制作用更明显［38］。这一新的发现，为进一步揭示富含高纤维和高生物碱的燕麦降低患结肠癌风险的分子机制提供了理论基础。

2.5 血管舒张作用

燕麦碱对心血管系统的另一个潜在的生物学效应是依赖于一氧化氮(NO)的舒张血管功能。Nie等［34］报道，燕麦生物碱可增加血管内皮细胞与血管平滑肌细胞NO合成酶的表达水平，释放出大量的NO，从而舒张血管，促进血液循环。这一研究对于早期人类进食燕麦和燕麦片后可引起血管扩张和血压降低的现象做出了正确的解释。

2.6 止痒作用

国外，燕麦片长期以来被用于治疗晒伤、湿疹和医治牛皮癣等皮肤损伤，含燕麦生物碱的胶状提取物经证实有抗组胺和抗炎活性［39］。Sur等［40］报道表明，低浓度的燕麦生物碱(10－6mg/mL)可抑制角质形成细胞中NF－kB的活化，减少炎性细胞因子IL－8的释放。此外，局部施用(1～3)×10－3mg/mL的燕麦生物碱，可缓解接触性过敏皮炎和神经性炎症小鼠的症状。这些研究表明燕麦生物碱是燕麦用于抗炎和止痒的有效成分，其机理是通过抑制组胺信号转导来实现的。DHAvn(二羟基－燕麦生物碱)，一种合成的燕麦生物碱衍生物，现已被开发为药物，用于治疗与组胺有关的一些皮肤疾病，如瘙痒、红斑及水疱等［41］。

3 燕麦碱的生物合成

燕麦生物碱是通过苯丙氨酸途径和酪氨酸途径合成的，PAL、4CL和HHT是其合成途径中关键的酶［42－43］。PAL(苯丙氨酸解氨酶，phenylalanine ammonia－lyase)可催化苯丙氨酸转化为肉桂酸，促进黄酮、花色素、生物碱等次生代谢物的生成，在燕麦碱生物合成中，PAL是处于合成途径上游的关键酶，燕麦PAL基因(AsPAL)已被克隆［44］，但PAL对燕麦生物碱合成的作用少有报道。4CL(对－香豆酸:辅酶A连接酶，4－coumarate:CoA ligase)也是苯丙烷类代谢途径的限速酶之一，在合成燕麦生物碱途径中催化对香豆酸得到燕麦生物碱前体物质——对香豆酰辅酶A，燕麦4CL基因还未被克隆。HHT(羟基－肉桂酰辅酶A:羟基氨基苯甲酸盐N－羟基－肉桂酰转移酶)是催化缩合氨基苯甲酸和羟基－肉桂酸辅酶A酯生成燕麦碱最后一步反应所需要的酶，国外对燕麦HHT酶的研究比较多，如Matsukawa等［45］在燕麦种子的胚和胚乳中都检测到了这种酶的活性，Bryngelsson等［46］对干种子和浸泡种子中此酶的活性进行比较，发现浸泡10 h的种子和处于萌发阶段的种子，该酶的活性和燕麦生物碱的含量均有提高。各种生物和非生物逆境可诱导燕麦生物碱含量增加，如利用寡聚－N－乙酰壳糖－低聚寡糖、维多利长蠕孢毒素C、重金属离子和钙离子载体A23187处理叶片，可诱导HHT酶的活性，提高叶片中燕麦碱的水平［43，45］。Peterson 等［47］曾对大田不同地区和不同品种燕麦叶子和小穗中生物碱含量做了检测分析，发现HHT酶活性和燕麦碱含量之间存在一定的关系，但没有显著相关性。美国农业部谷物研究中心化学家Wise等［48］多年来致力于各类型燕麦碱化学合成和生物合成的研究，建立了燕麦细胞悬浮培养法，为研究其合成途径提供了细胞培养平台。前人研究结果表明，影响燕麦生物碱合成的因素很多，有关机制还不是很清楚，研究有待进一步深入。

综上所述，国外对于燕麦的营养成分和功能特性开展了长期持续的研究，但对于我国特有的裸燕麦资源，国内外的研究还不够系统深入，研究人员曾经对我国裸燕麦种质资源抗氧化性做过初步评价，但未考虑环境因素对抗氧化物组成的影响作用［16］。燕麦生物碱虽然具有较强的有益健康的作用，但其含量在燕麦籽粒中甚微，随着经济发展和人民生活水平的提高，人们对燕麦的营养价值和医疗保健作用也越来越重视，对燕麦产品的期望也愈来愈高。依据新形势下市场对燕麦产品、燕麦品种的新要求，今后一个时期内燕麦育种工作的重点内容应该放在高功效成分的品种选育上，即面向食品、医药和化工企业的发展需要，筛选专用型的品种，对其进行深加工和利用。因此，利用我国裸燕麦种质资源优势，加大对裸燕麦生物碱的基础研究，分析生物和非生物因素对其生物合成的影响，探索其生物合成诱导机制，通过基因工程技术改良燕麦品质、增加此种次生代谢产物的积累，对于提高燕麦产品的附加值和拓展燕麦生物碱的工业应用具有重要的意义。

［1］Fardet A，Rock E，Remesy C.Is the in vitro antioxidant potential of whole－grain cereals and cereal products well reflected in vivo?［J］.Journal of Cereal Science，2008，48:258 － 276

［2］Anderson J W.Whole grains protect against atherosclerotic cardiovascular disease［J］.Proceeding of the Nutriton Society，2003，62:135 － 142

［3］Truswell A S.Cereal grains and coronary heart disease［J］.European Journal of Clinical Nutrition，2002，56:1 －14

［4］Kelly S A，Summerbell C D，Brynes A，et al.Whole grain cereals for coronary heart disease［J］.Cochrane Database Systematic Reviews，2007，2:CD005051

［5］Collins F W.Oat phenolics:avenanthramides，novel substituted N－cinnamoylanthranilate alkaloids from oat groats and hulls［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1989，37(1):60－66

［6］Peterson D M.Oat antioxidants［J］.Journal Cereal Science，2001，33:115 －129

［7］Ryan D，Kendall M，Robards K.Bioactivity of oats as it relates to cardiovascular disease［J］.Nutrition Research Reviews，2007，20(2):147 －162

［8］Meydani M.Potential health benefits of avenanthramides of oats［J］.Nutrition Reviews，2009，67(12):731 － 735

［9］Dimberg L H，Theander O，Lingnert H.Avenanthramides－ A group of phenolic antioxidants in oats［J］.Cereal Chemistry，1993，70(6):637 －641

［10］Bratt K.Avenanthramides in oats(Avena sativa L.)and structure － antioxidant activity relationships［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2003，51(3):594 －600

［11］Peterson D M，Hahn M J，Emmons C L.Oat avenanthramides exhibit antioxidant activities in vitro［J］.Food Chemistry，2002，79:473 －478

［12］Peterson D M，Emmons C L，Hibbs A H.Phenolic antioxidants and antioxidant activity in pearling fractions of oat groats［J］.Journal Cereal Science，2001，33:97 － 103

［13］Emmons C L，Peterson D M.Antioxidant activity and phenolic content of oat as affected by cultivar and location［J］.Crop Science，2001，41:1676 －1681

［14］Wise M L，Doehlert D C，McMullen M S.Association of avenanthramide concentration in oat(Avena sativa L.)grain with crown rust incidence and genetic resistance［J］.Cereal Chemistry，2008，85(5):639 －641

［15］Dimberg L H，Peterson D M.Phenols in spikelets and leaves of field－grown oats(Avena sativa)with different inherent resistance to crown rust(Puccinia coronate f.sp.avenae)［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2009，89:1815－1824

［16］任祎，平华，任贵兴.裸燕麦核心种质抗氧化特性研究［J］.作物学报，2010，36(6):988 －994

［17］Peterson D M，Hahn M J，Emmons C L.Oat avenanthramides exhibit antioxidant activities in vitro［J］.Food Chemistry，2002，79:473 －478

［18］Chen C Y，Milbury P E，Kwak H K，et al.Avenanthramides and phenolic acids from oats are bioavailable and act synergistically with vitamin C to enhance hamster and human LDL resistance to oxidation［J］.Journal of Nutrition，2004，134:1459－1466

［19］Peterson D M，Emmons C L，Hibbs A H.Phenolic antioxidants and antioxidant activity in pearling fractions of oat groats［J］.Journal of Cereal Science，2001，33:97 －103

［20］Ji L L，Lay D，Chung E，et al.Effect of avenathramides on oxidant generation and antioxidant enzyme activity in exercised rats［J］.Nutrition Research，2003，23:1579 －1590

［21］O'Moore K M，Vanlandschoot C M，Dickman J R，et al.Effect of avenanthramides on rat skeletal muscle injury induced by lengthening contraction［J］.Medician and Science in Sports and Exercise，2005，37(Suppl):S466

［22］任祎，马挺军，牛西午，等.燕麦麸皮提取物的抗氧化与降血脂作用研究［J］.中国粮油学报，2008，23(6):103－106

［23］Ren Y，Yang X S，Niu X W，et al.Chemical characterization of Avenanthramides－rich extract from oat and its effect on D －galactose induced－oxidative stress in mice［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59(1):206 －211

［24］Liu L，Zubik L，Collins F W，et al.The antiatherogenic potential of oat phenolic compounds［J］.Atherosclerosis，2004，175:39 －49

［25］Collins T.Biology of disease:endothelial nuclear factor－kB and the initiation of the atherosclerotic lesion［J］.Lab Invest，1993，68:499 －508

［26］Collins T，Cybulsky M I.NF － kB:pivotal mediator or innocent bystander in atherosclerosis?［J］.Journal of Clinical Investigation，2001，107:255 －264

［27］Guo W，Wise M L，Collins F W，et al.Avenanthramides，polyphenols from oats，inhibit IL－1beta－induced NF－kappaB activation in endothelial cells［J］.Free Radical Biology and Medicine，2008，44:415 －429

［28］Lv N，Song M Y，Lee Y R，et al.Dihydroavenanthramide protects pancreatic beta－cells from cytokine and streptozotocin toxicity［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2009，387:97 －102

［29］Tanaka K，Honda M，Kuramochi T，et al.Prominent inhibitory effects of Tranilast on migration and proliferation of and collagen synthesis by vascular smooth muscle cells［J］.Atherosclerosis，1994，107:179 －185

［30］Tamai H，Katoh O，Suzuki S，et al.Impact of tranilast on restenosis after coronary angioplasty:tranilast restenosis following angioplasty trial(TREAT)［J］.American Heart Journal，1999，138:968 －975

［31］Suzawa H，Kikuchi S，Ichikawa K，et al.Inhibitory action of Tranilast，an anti－ allergic drug，on the release of cytokines and PGE2 from human monocytes － macrophages［J］.Japanese Journal of Pharmacology，1992，60:85 －90

［32］Isaji M，Miyata H，Ajisawa Y.Tranilast:a new application in the cardiovascular field as an antiproliferative drug［J］.Cardiovascular Drug Reviews，1998，16:288 －299

［33］Azuma H，Banno K，Yoshimura T.Pharmacological properties of N － (3'，4'－ dimethoxycinnamoyl)anthranilic acid(N － 5')，a new anti－ atopic agent［J］.British Journal of Pharmacology，1976，58:483 －488

［34］Nie L，Wise M L，Peterson D M，et al.Avenanthramide，a polyphenol from oats，inhibits vascular smooth muscle cell proliferation and enhances nitric oxide production［J］.Atherosclerosis，2006，186:260 －266

［35］Libby P.Inflammation in atherosclerosis［J］.Nature，2002，420:868－874

［36］Ross R.Atherosclerosis:an inflammatory disease［J］.New England Journal of Medicine，1999，340:115 －126

［37］Nie L，Wise M L，Peterson D M，et al.Mechanism by which avenanthramide－ c，a polyphenol of oats，blocks cell cycle progression in vascular smooth muscle cells［J］.Free Radical Biology and Medicine，2006，41:702 －708

［38］Guo W，Nie L，Wu D，et al.Avenanthramides inhibit proliferation of human colon cancer cell lines in vitro［J］.Nutrition Cancer，2010，62(8):1007 －1016

［39］Kurtz E S，Wallo W.Colloidal oatmeal:history，chemistry and clinical properties［J］.Journal of Drugs in Dermatology，2007，6:167 －170

［40］Sur R，Nigam A，Grote D，et al.Avenanthramides，polyphenols from oats，exhibit anti－ inflammatory and anti－ itch activity［J］.Archives of Dermatology Research，2008，300:569－574

［41］Heuschkel S，Wohlrab J，Schmaus G，et al.Modulation of dihydroavenanthramide release and skin penetration by 1，2 －alkanediols［J］.European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2008，70:239 －247

［42］Ishihara A，Ohtsu Y，Iwamura H.Biosynthesis of oat avenanthramide phytoalexins［J］.Phytochemistry，1999，50:237 －242

［43］Ishihara A，Ohtsu Y，Iwamura H.Induction of biosynthetic enzymes for avenanthramides in elicitor－treated oat leaves［J］.Planta，1999，208:512 －518

［44］Chawade A，Sikora P，Brutigam M，et al.Development and characterization of an oat TILLING－population and identification of mutations in lignin and β－glucan biosynthesis genes［J］.BMC Plant Biology，2010，10:86

［45］Matsukawa T，Isobe T，Ishihara A，et al.Occurrence of avenanthramides and hydroxycinnamoyl－CoA:hydroxyanthranilate N－hydroxycinnamoyltransferase activity in oat seeds［J］.Zeitschrift fur Naturforschung，2000，55:30 －36

［46］Bryngelsson S，Ishihara A，Dimberg L H.Levels of avenanthramidesand activity ofhydroxycinnamoyl－CoA:hydroxyanthranilate hydroxycinnamoyl transterase(HHT)in steeped or germinated oat samples［J］.Cereal Chemistry，2003，80(3):356 －360

［47］Peterson D M，Dimberg L H.Avenanthramide concentrations and hydroxycinnamoyl－CoA:hydroxyanthranilate N－hydroxycinnamoyl transferase activities in developing oats［J］.Journal of Cereal Science，2008，47:101 －108

［48］Wise M L，Sreenath，H K，Skadsen R W，et al.Biosynthesis of avenanthramides on suspension cultures of oat(Avena sativa)［J］.Plant cell，Tissue and Organ Culture，2009，97:81－90.

Avenanthramides and their Potential Health Benefits in Oats

Ren Yi1Ma Tingjun2Ren Guixing3
(Shanxi Agriculture University，college of agronomy1，Taigu 030801)
(Beijing University of Agriculture，college of food science2，Beijing 102206)
(Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Institute of Crop Germplasm Resources3，Taiyuan 030031)

Oats(Avena sativa L.)are a well－ known healthy food benefiting the heart mainly due to their high β － glucan content.In addition，they contain other functional compounds，such as phytic acid，flavonoids，vitamins E，and more than 20 avenanthramides.Avenanthramides are phenolic compounds uniquely produced in oats and have many beneficial properties related to human and animal health.The avenanthramides of oats have also recently been shown to exhibit anti－ inflammatory，antiproliferative，and anti－ itching activity，which may provide additional protection against coronary heart disease，colon cancer，and skin irritation.In this paper，the structural distribution，biosynthesis and health benefits of avenanthramides were overviewed systematically，which was helpful for developing the new products and increasing the additional value of oats.

avenanthramides，biosynthesis，health benefit

A

1003－0174(2012)01－0124－05

现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS－08－A－1－6)，山西省回国留学人员科研资助项目(2010045)

2011－3－21

任祎，女，1972年出生，副教授，谷物功能成分研究与开发

马挺军，男，1972年出生，副教授，硕士生导师，农产品加工和利用