杂粮多酚功能活性研究进展

谢佳函,刘回民,刘美宏,郑明珠,徐 倩,刘景圣,*(1.吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118; 2.小麦和玉米深加工国家工程实验室,吉林长春 130118; 3.吉林农业大学生命科学学院,吉林长春 130118)



杂粮多酚功能活性研究进展

谢佳函1,2,刘回民2,3,刘美宏1,2,郑明珠1,2,徐 倩1,2,刘景圣1,2,*
(1.吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118; 2.小麦和玉米深加工国家工程实验室,吉林长春 130118; 3.吉林农业大学生命科学学院,吉林长春 130118)

杂粮中多酚物质含量丰富,加大对杂粮多酚功能活性的深入研究对我国杂粮产业及国民健康具有十分深远的意义。本文综述了国内外杂粮多酚的抗氧化、抗癌、抗心脑血管疾病、降血糖、抗菌等功能活性的研究进展,为杂粮多酚的进一步研究和开发奠定理论基础。

杂粮,多酚,功能,抗氧化

杂粮,俗称五谷杂粮,主要包括高粱、谷子、大麦、燕麦、荞麦、红豆、绿豆、黑豆、豌豆、蚕豆、芸豆等,具有生长期短,种植面广、适应性强等优点[1]。中医古籍《黄帝内经》有言“五谷为养”,民间也有“吃五谷杂粮治百病”的说法,其营养价值可见一斑。杂粮中含有丰富的多酚物质,但是国内外对于杂粮多酚的研究与开发并不多见。因此,加大杂粮多酚功能活性的深入研究对我国国民健康及经济发展具有十分重要的意义[2-3]。

多酚具有治疗许多疾病的潜力,例如阿尔茨海默氏症、亨廷顿舞蹈症、高胆固醇血症、慢性疲劳综合症、自闭症、各种癌症、心脑血管疾病、帕金森、糖尿病、中风、白癜风、预防衰老等[4-5]。杂粮中多酚类物质含量可观,可以通过日常饮食摄入。因其来源的丰富性、生理功能的多样性及可利用领域的广泛性,逐渐成为天然产品研究和开发的热点。本文综述了国内外杂粮多酚的抗氧化性、抗癌、抗心脑血管疾病、降血糖、抗菌等功能活性的研究进展,为杂粮多酚的进一步研究和开发奠定理论基础。

1 多酚性质及组成成分

多酚(polyphenol)的基本碳架结构为2-苯基苯并吡喃和多羟基,是分子内苯环上的氢原子被一个或多个羟基取代而成的化合物,属于芳烃的羟基衍生物,在自然界中分布广泛[6]。由于分子中含有的酚羟基等活性官能团而极易被氧化,所以是良好的抗氧化剂。能溶于水,易溶于甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。

图1 杂粮多酚组分的分子结构Fig.1 Molecular structure of polyphenol components in coarse cereals

狭义上可以把多酚认为是分子量数千道尔顿的单宁(Tannins),但广义上还包括一些低分子量的如没食子酸(Gallic acid)、花青素(Anthocyanidins)、儿茶素(Catechins)等简单酚类[7]。因为其化学结构的多样性,多酚通常可以分为类黄酮类(Flavonoids)、酚酸类(Phenolic acids)、芪类(Stilbenes)以及木质素类(Lignans)。还可以进一步细分为黄酮类(Flavones)、黄酮醇类(Flavonols)、黄烷类(flavanoids)、黄烷酮类(Flavanones)、花青素类(Anthocyanidins)、羟基苯甲酸类(Hydroxybenzoic acids)、羟基桂皮酸(Hydroxycinnamic acids)、白藜芦醇(Resveratrol)、羟基酪醇(Hydroxytyrosol)等[8-9]。图1列出了比较常见的杂粮多酚组分的分子结构。

2 杂粮多酚的功能活性

2.1 抗氧化作用

自由基的合成和代谢与机体健康密切相关。自由基过剩会对机体组织和细胞产生氧化损伤,引发多种疾病,被称为“万病之源”[10]。目前已有大量研究表明,酚类中含有的酚羟基结构能够清除机体内过剩的自由基,阻止活性氧引起的生物大分子(如脂类、蛋白质、DNA)的氧化损伤从而表现出较强的抗氧化能力[11]。因此研究多酚的抗氧化作用对保护人体健康具有重要意义。

大麦是世界上第四大禾谷类作物,其中多酚含量高达1200～1500 mg/kg,是多酚含量较高的杂粮之一。Gangopadhyay N等[12]对大麦多酚的抗氧化活性进行了研究。通过DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼清除能力)、FRAP(铁离子清除能力)以及ORAC(氧化自由基吸收能力)三种方法鉴定出黄烷醇(儿茶素、原花青素B、原花青素C)和儿茶素二己糖苷具有最强的抗氧化活性。徐元元等[13]比较了6种杂粮及两种主粮的多酚含量,含量高低依次为:苦荞、甜荞、燕麦、薏米、玉米、小米、粳性糜米、小麦、糯性糜米、大米,发现这些粮食作物的抗氧化活性与总酚含量之间具有良好的线性关系,其中抗氧化能力最强的是苦荞,甜荞次之,杂粮的抗氧化能力普遍高于主粮。每千克燕麦中含有6.42 g多酚化合物,与每千克苹果中含有2 g相比[14],其含量更可观。Ryan L[15]等采用FRAP和DPPH两种方法对30种市售早餐燕麦片的抗氧化活性进行研究。他们发现平均每种早餐燕麦片约含多酚物质40 g,与蔬果中的含量相当,且都具有良好的抗氧化能力。

2.2 抗癌作用

近年来,多酚具有的防癌抗癌功效已得到证明,其优势在于只对肿瘤细胞产生作用,从而避免了合成类药物对正常细胞引起的诱导损伤。多酚类化合物能够抑制癌细胞DNA的生物合成,从而让DNA双链断裂,加速癌细胞凋亡[16]。目前已发现多酚具有抑制多种癌症(包括肺癌、胃癌、乳腺癌、皮肤癌、直肠癌、结肠癌、前列腺癌和白血病等)的作用,并且能够起到很好的预防和治疗效果[17-18]。

薏米,又称薏苡仁,是传统的药食兼用谷物资源,被誉为“世界禾本科植物之王”,其多酚含量为48.58 mg/100 g。王立峰等[19]以肝癌细胞HepG2为模型,测定三种薏米多酚对细胞毒性的中位浓度CC50值和细胞抗增殖作用的半最大效应浓度EC50值。实验结果表明薏米中多酚含量丰富,且结合型多酚抗氧化活性高于游离型,加大对结合型多酚的提取力度将有助于提高抗氧化能力,薏米多酚无细胞毒性且对HepG2具有显著的抑制作用。高粱是世界上产量仅次于稻米、小麦、玉米及大麦的第5大粮食作物。高粱多酚是自然界中广泛存在的可再生资源,它与人类的消化、营养、健康具有重要联系。Darvin P等[20]研究了高粱提取物(HSE,Hwanggeumchal sorghum extracts,主要为多酚)对结肠癌细胞的抑制作用。通过使用一定剂量的HSE诱导G1期(DNA合成期)细胞凋亡从而抑制结肠癌细胞增殖,同时也抑制了Jak2/STAT3和PI3K/AKT/mTOR通路[21],从而有效治疗癌症。因此,可以将高粱作为预防癌症的功能性食品,且无副作用。

2.3 抗心脑血管疾病

心脑血管疾病严重危害人体健康,目前我国每年死于心脑血管病患者人数已达到300万人,居各种死因首位。其病因复杂,主要是血脂浓度过高、血小板功能异常以及血液流变性下降等。心脑血管疾病主要包括高血压、高血脂、动脉粥样硬化、血液粘稠等,具有复发率高,并发症多,病死率高的特点[22]。多酚类化合物能够阻断脂质过氧化,改善血液流变性、抑制血小板聚集、粘连和诱导血管舒张等多种免疫调节作用,从而有效缓解心脑血管疾病的发生。

红豆,又名红小豆,是一种高蛋白质、低脂肪、高碳水化合物的杂粮类食物,营养丰富,可加工成许多食品,素有“粮食中红珍珠”的美誉。红豆皮中多酚的含量为103 mg/g。Mukai Y等[23]研究了红豆提取物(ABE,azuki bean extract,主要为多酚)对SHR(一种用于检测原发性高血压的动物模型)的影响。饲喂八周后,测定慢性高血压大鼠收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、心率(HR)以及脏器指数,主动脉和肾脏中一氧化氮(NO)、一氧化氮合酶(eNOS)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)以及微囊蛋白1的表达量。他们发现ABE能够显著降低SHR的SBP和DBP,但对心率没有显著影响。经过ABE作用后的SHR尿液中NO的含量显著高于未给药组,主动脉和肾脏中eNOS、iNOS表达量显著下降,微囊蛋白1合成增加。实验证明红豆多酚能够起到降血压作用。此外,高血压疾病的形成或许与SHR主动脉和肾脏中eNOS、iNOS的蛋白表达机制有关。青稞属禾本科大麦属,是青藏高原地区一年一熟的高寒河谷种植的标志性作物,是藏区农牧民的主要口粮,是青藏高原最具特色的农作物,青稞中结合酚的含量为325.104 mg/100 g。Shen Y等[24]提取出的黑青稞多酚(BHLPE,polyphenols extracted from blackhighland barley)含量为171.7 mg/g,通过建立高脂大鼠模型来研究黑青稞多酚的降血脂作用。他们发现与高脂膳食组相比,600 mg BHLPE/kg剂量组的总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、动脉粥样硬化指数显著降低,高密度脂蛋白胆固醇含量显著增加。这些结果表明BHLPE具有降血脂作用,并且能够促进人体健康,减少患病风险。

2.4 降血糖作用

糖尿病已经成为继心脑血管疾病、癌症之后威胁人类健康的第三大疾病。2013年《美国医学会杂志》公布数据,中国糖尿病患病率为11.6%,患者总人数达到了1.14亿,给中国的公共健康系统带来了巨大的压力[25]。研究表明多酚能够提高胰岛素敏感性,抑制小肠内葡萄糖运转载体的活性,延缓糖的吸收。同时多酚作为一种天然产物能够避免人工合成药物带来的副作用[26]。

Ji Hae Lee等[27]研究了大麦芽提取物BS(主要含多酚)对C57BL/6J小鼠胆固醇和血糖的代谢作用。BS通过激活磷酸腺苷活化的蛋白激酶(AMPK,AMP-activated protein kinase)从而抑制3羟基3甲基戊二酸辅酶A还原酶(HMGCR,3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA reductase)的表达使小鼠血浆以及HepG2细胞中的胆固醇浓度降低。BS降低了胆固醇调节原件结合蛋白-2(SREBP2,sterol regulatory element binding protein-2)的核转位,从而降低HMGCR的表达水平。BS通过激活AMPK和抑制SREBP2通路,从而降低小鼠胆固醇和血糖浓度,改善肝脂肪变性症状。Sato S等[28]研究了红豆皮提取物(ABSC,azuki beanseed coats,主要含多酚)对链脲霉素(STZ)诱发的糖尿病大鼠模型的抑制作用。10周后,检测巨噬细胞动力学、肾小球纤维化程度以及单核细胞趋化因子-1(MCP-1)的mRNA表达水平。ABSC组较之未给药组,血糖水平无明显差异,血浆中丙二醛(MDA)水平、肾小球纤维化程度、肾小球和肾小管间质单核巨噬细胞抗原-1(ED-1)以及MCP-1的表达水平都呈下降趋势。因此他们认为ABSC能够抑制由STZ诱发的糖尿病大鼠的肿瘤巨噬细胞增殖、MCP-1的mRNA表达水平以及糖尿病性肾病的肾小球扩张现象。

2.5 抗菌作用

食品安全是引起全世界共同关注的重要话题。食品腐败的两个主要原因是食品中的脂质氧化和食源性致病菌的生长,从而引起中毒。为了抑制这种现象,许多人工合成的食品防腐剂广泛应用于加工行业[29],然而一些合成类食品防腐剂如叔丁基羟基茴香醚(BHA)等会对人体产生的副作用。因此,探索具有抗氧化和抗菌效果的天然食品防腐剂引起了食品行业的高度重视[30]。多酚类化合物对多种细菌、真菌、酵母菌都有明显的抑制作用,例如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、革兰氏阳性菌等等,且在一定浓度下不会对动植物体细胞产生伤害。

黑豆,又称乌豆,营养十分丰富,其中含有大量对身体健康至关重要的黄酮和花色苷等酚类物质。张花利[31]等研究证明黑豆黄酮对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌均具有不同程度的抑制作用,最低抑菌浓度分别为40.0、2.5和5.0 mg.mL-1。Gan R Y等[32]系统地研究了红小豆、绿豆、蚕豆、豇豆、菜豆、扁豆、豌豆等28种色素类豆皮提取物的多酚含量、抗氧化活性和抗菌效果。实验发现大多数豆类提取物的酚类含量可观,其中最多的是红刀豆,为(5798±119) mg/100 g。豆皮提取物中主要的酚类成分是类黄酮和原花青素。抗氧化活性甚至高于一些常见的水果、蔬菜和谷物[33]。它们中的大多数显示了抗菌效果,主要是对革兰氏阳性细菌的抑制,效果优于苯酚,类黄酮和原花青素是具有这些生物活性的有效成分。因此,具有抗氧化和抗菌效果的色素类豆皮多酚可以作为天然的食品防腐剂。

2.6 其他功能活性

多酚物质的生理功能多种多样。除了上述功能外,多酚还具有减肥、防辐射、抗抑郁、延缓衰老、治疗白内障等功能。黑米花色苷(anthocyanin)是由花青素(anthocyanidin)与各种糖以糖苷键结合形成的糖苷,存在于黑米的果实、茎、叶器官的细胞液中。胡艳等[34]发现通过喂食黑米花色苷对高脂大鼠模型体重的升高以及脂肪组织生长产生了显著的抑制作用,甘油三酯水平下降,因此他们认为黑米花色苷能够改善肥胖症状。Hamed Amani等[35]从分子机制水平上研究多酚延缓衰老的作用机理,通过将多酚化合物作用于雷帕霉素靶蛋白mTOR及其他相关信号通路从而达到抗衰老的效果,并提供一个安全的、非侵入性的手段来延长寿命,降低随着年龄增长导致的发病率和死亡率的升高。

3 结论及展望

我国杂粮资源丰富,品种多,素有“世界杂粮王国”之称。因其具有生长期短,来源广泛等一系列优点,是作为开发酚类等功能活性成分的优质原料。但是目前国内外关于杂粮中酚类物质的提取大多数仅限于游离态,而结合态酚类常常被忽视,所以,加大对杂粮中结合态多酚的开发才能更加有效的提高资源利用率。杂粮多酚单体结构的分离和鉴定也亟待增加,对于杂粮品种、不同产地以及不同组织部位中酚类物质的组成、结构等数据有待进一步完善,为进一步研究不同单体的功能评价奠定可靠基础。

杂粮是人类膳食多酚的重要来源之一,相比于蔬菜水果,杂粮中酚类物质的功能活性长期被低估,因此国内外对于杂粮多酚功能活性的研究需要不断深入到细胞、分子水平。可以结合基因组学、蛋白质组学、营养组学、代谢组学等研究手段,这对研究杂粮多酚不同功能活性的作用机理具有积极的影响,并且能够更加全面、清晰地认识其综合生物活性。

杂粮多酚作为一种绿色可再生资源,其在各个领域的应用范围也将不断拓展,充分发挥其有益作用。将杂粮多酚功能活性的研究与现代科学手段充分结合,从而更加充分、科学的将其应用于保健食品、食品添加、医用材料以及化妆品开发等行业,争取更多有意义的应用和创新。我国杂粮资源优势明显,对于其功能活性的深入研究有助于为合理开发杂粮资源提供理论基础,对推动国家杂粮产业的发展,国民膳食结构的合理性具有深远意义。

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Research progress of functional activities of polyphenols in coarse cereals

XIE Jia-han1,2,LIU Hui-min2,3,LIU Mei-hong1,2,ZHENG Ming-zhu1,2,XU Qian1,2,LIU Jing-sheng1,2,*

(1.College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China; 2.National Engineering Laboratory on Wheat and Corn Further Processing,Changchun 130118,China; 3.College of Life Science,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China)

The content of polyphenols in coarse cerealswas abundant,and the further study on the function of polyphenols in coarse cereals was of far-reaching significance to our country’s coarse cereals industry and national health. The research progress of antioxidant,anti-cancer,anti-cardiovascular,cerebrovascular diseases,hypoglycemic and antibacterial activities of coarse cereals at home and abroad was reviewed,which provided a theoretical basis for the further research and development of coarse cereals.

coarse cereals;polyphenols;function;antioxidant

2016-11-08

谢佳函(1993-),女,硕士研究生,主要从事食品生物化学与功能性食品方面的研究,E-mail:xiejiahann0127@163.com。

*通讯作者:刘景圣(1964-),男,硕士,教授,主要从事粮食深加工方面的研究,E-mail:liujs1007@vip.sina.com。

“十三五”国家重点研发计划(2016YFD0400700,2016YFD0400702)。

TS210.1

A

1002-0306(2017)14-0326-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.064