谷糠营养活性成分及药理功能研究进展

2019-01-13侯召华傅茂润任贵兴

特产研究 2019年2期

侯召华，傅茂润，任贵兴

〔1.齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，济南 250353；2.中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081〕

谷子（Setaria italica）起源于中国，约公元前6 000年就已开始种植，广泛栽培于全世界，其营养丰富，可用于粮食和饲料[1-2]。在我国，谷子是主要粮食来源之一，主要种植在内蒙古、吉林、黑龙江、辽宁、河北、山东、河南、陕西和山西等省、自治区，种植面积约1400km2，年产量达400万t。

谷糠是谷子在碾米过程中被褪下的种皮、糊粉层和米胚芽的混合物[3]，年产约40万t，大部分用于动物饲料。谷糠富含蛋白质、脂肪、矿物质、维生素、半纤维素和纤维素等营养成分，其粗油（9.39±0.17）、粗蛋白（12.48±0.41）、粗纤维（51.69±2.14）、膳食纤维（45%）含量较高[4-6]，富含生物碱、酚类、酚酸和黄酮等活性成分，具有抗炎、抗癌、抗菌和抗衰老等广泛药理学特性。目前，谷糠已公认为抗氧化剂和抗氧剂，米糠中植酸均表现出较强抑制结肠癌的特性[1-2,7-8]，尤其谷糠中的多酚，具有清除自由基、金属螯合物、抗糖尿病、抗高血压和抗氧化活性，此外，还可用于治疗氧化应激相关疾病[7]。谷糠活性成分引起了越来越多的关注，具有巨大开发潜力。本文综述了谷糠的营养活性成分以及药理活性方面的研究进展，旨在为谷糠的进一步研究提供参考。

1 谷糠主要营养活性成分

近几年来，随着检测技术的进步，对谷糠的研究也不断深入。谷糠的化学成分比较复杂，目前已知有上百种，其主要化学成分有纤维素、蛋白质、脂类、氨基酸、多糖、植酸、矿物质、黄色素等活性成分。张爱霞等[9]评价了冀谷19种谷糠成分，其中，蛋白质（16.20%）、脂肪（14.90%）、粗纤维（26.81%）和碳水化合物（30.83%）是制备小米油、米糠蛋白和膳食纤维的优质原料；-胡萝卜素（0.248 mg/kg）、VB1（14.0 mg/kg）、VB2（0.9 mg/kg）、VE（19.0 mg/kg）是制备天然维生素的良好原料；Ca、Mg、Fe、Zn、Se含量分别为 771.80、4 800、202.4、48.0和0.020 mg/kg，是补充机体矿物质元素的安全材料；检测到17种氨基酸，氨基酸总量为14.47%，其中人体必需氨基酸（EAA）含量5.70%、非必需氨基酸（NEAA）含量 8.77%，EAA/TAA=0.39，EAA/NEAA=0.65，必需氨基酸组成接近FAO/WHO标准模式，其蛋白质接近于理想蛋白质的要求。

1.1 蛋白质多肽类

研究表明，谷糠中多肽和蛋白质在防治癌症中起到了重要作用。谷糠中生物活性多肽对预防结肠癌、乳腺癌、肺癌和肝癌有效。Shan等[1]首次从谷糠水溶性提取物中纯化出一种35ku蛋白质（FMBP），其与过氧化物酶同源，这种新蛋白能抑制结肠癌细胞增殖和诱导癌细胞凋亡，但并不抑制人体结肠正常上皮细胞，且这种蛋白能显著抑制裸鼠异种移植DLD1肿瘤的生长。FMBP具有治疗结肠癌的潜力[1]。许洁[6]研究表明，脱脂谷糠中谷糠清蛋白提取的最佳条件为pH 9.0、55°C、提取2次，在此条件下提取率为47.34%；通过固定酵母发酵法除去还原性糖，超滤法除去灰分等杂质，谷糠清蛋白纯度可达73.6%，还原糖降至1.12%，灰分降至7.44%。谷糠清蛋白等电点pH=3.5，分子量为l0～90 ku，其中相对分子量为25.l、15.2 ku的亚基含量较高。谷糠清蛋白氨基酸种类齐全，谷氨酸含量最高，其次是亮氨酸，必需氨基酸（除色氨酸外）占41.2%。高经梁等[10]采用盐析法得到脱脂米糠蛋白质的最佳提取条件为柠檬酸钠饱和度80%、pH 4、温度45℃，上清液浓缩4倍，在此条件下蛋白质得率达87.52%，等电点为3.5。

1.2 脂类成分

Liang等[5]研究发现，谷糠中含原油（9.39±0.17）%；谷糠油的比重、折射率、皂化值和非皂化物质含量分别为（0.918 5 ± 0.000 3）g/cm3（d2020）、1.467 6 ±0.000 2（n40D）、（186.29±0.51）mg/g 和（36.2±1.90）g/kg。生育酚含量为（648.3±8.30） mg/kg，主要是-生育酚（487.9±4.60）mg/kg和-生育酚（155.3 ±3.10）mg/kg；谷糠油富含亚油酸（66.5%）和油酸（13.0%）；饱和脂肪酸包括棕榈酸（6.4%）和硬脂酸（6.3%）；游离脂类包括烃类、甾醇酯、三酰甘油、二酰甘油和游离脂肪酸，其中，脂肪酸主要是亚油酸、油酸和棕榈酸；结合脂类含单半乳糖甘油二酯、二半乳糖甘油二酯、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷酸酰胆碱。

郝志萍等[11]研究了高酸价小米糠毛油醇法脱酸的最佳工艺，即常压环境下料液比1.0∶2.3、乙醇体积分数80%、脱酸温度35℃，按此条件脱酸2次，所得油的酸价为2.637 mg/g、VE保存率为51.02%。减压低氧条件下脱酸对脱酸油品质的影响为氧气体积分数低于8.5%时，随氧气体积分数的增大酸价明显升高，但VE保存率变化不大；氧气体积分数大于8.5%时，酸价升高缓慢，但VE保存率迅速降低；过氧化值随着氧气体积分数的增大而增大；而氧气体积分数对醇法脱酸油保存率影响不大。蒋勇等[12]采用微波加热对重庆糯小米米糠进行稳定化处理，当料层厚度为1 cm时，水分含量27%、微波功率600 W、处理时间90 s，在此条件下，样品37℃贮藏42d后，脂肪酸值为21.40 mg/g，远小于空白组的171.00 mg/g。在脱脂温度59℃、脱脂时间17min、料液比1.0∶2.5（g/mL）、超声功率60W时，脱脂率为90.89%，脱脂效果较好。赵陈勇等[13]研究发现，异丙醇提取谷糠油得率比正己烷高4.83%，达25.32%。在异丙醇提取温度70℃、提取时间4 h、提取4次时，小米谷糠油得率最高（25.61%）；在提取温度60℃、提取时间4 h、提取3次时，谷糠油中甾醇含量为1.394%，油得率为24.75%。

1.3 碳水化合物

许洁[6]采用热水浸提法提取小米谷糠多糖，在温度80°C、料液比1∶20、提取5 h、pH 3时多糖的提取率为2.63%。吴海霞等[14]采用超声波辅助提取脱脂小米谷糠多糖，在料液比1∶20（g/mL）、超声时间46min、超声功率400 W、超声温度80℃时，谷糠多糖提取率为4.66%。

膳食纤维为植物或类似碳水化合物的可食部分，能抵抗人体小肠的消化和吸收。谷物是膳食纤维的重要来源，尤其是不溶性纤维。常见谷物，如小麦、大米、黑麦和燕麦中膳食纤维组成已众所周知，然而对我国本土小米的膳食纤维信息了解很少。加工方法合适，谷糠可作为一种膳食纤维来源[3]。刘倍毓等[3,15]采用酶-化学法提取糯性小米麸皮、非糯性小米麸皮中的膳食纤维，结果表明，糯性麸皮中膳食纤维达76.58%、不溶性膳食纤维为69.09%、可溶性膳食纤维为7.49%；非糯性小米麸皮中膳食纤维为73.18%，其中不溶性膳食纤维为65.55%、可溶性膳食纤维为7.63%；糯性和非糯性小米麸皮膳食纤维中不溶性膳食纤维质量分数分别达91.35%、89.55%。且从小米麸皮中提取出来的膳食纤维均具有良好的物化特性，37℃下，糯性、非糯性小米麸皮膳食纤维膨胀力分别为4.80、4.61mL/g。同时，2种膳食纤维表现出明显持水力和对胆固醇吸附作用。Zhu等[16]利用酶法提取谷糠膳食纤维，结果表明，谷糠膳食纤维持水力和溶胀力分别为3.24g/g和2.06mL/g。同时，谷糠膳食纤维表现出对脂类物质的良好吸附能力，如猪油（3.34 g/g）、花生油（2.32 g/g）和胆固醇（5.19mg/g）。胆盐吸附能力（143.03mmol/g胆酸钠和76.65 mmol/g牛磺胆酸钠）间接反映了降低胆固醇作用。郑红艳等[17]利用酶与化学结合法提取非糯性小米麸皮膳食纤维，在65℃条件下用4%的混合酶（-淀粉酶∶糖化酶=1∶4）酶解100 min，再用5%NaOH在100℃下处理70 min，膳食纤维纯度为92%[17]。

1.4 植酸

植酸是一种用途广泛的有机酸，化学名称是肌醇六磷酸，其分子式为C16H18O24P6，淡黄色或红褐色透明糖浆液体，易溶于水、丙二醇、甘油等，主要用于有机磷添加剂、抗氧化剂、保鲜剂，广泛应用于化工、食品、医药等行业。植酸以植酸钙镁钾的形式广泛存在于植物种子内，也存在于动物有核红细胞内。陈蓓颖等[18]优化确立了小米麸皮植酸提取工艺条件：液料比14∶1（V/W，mL/g）、提取时间68min、提取温度34℃。在此条件下提取了 38个小米品种麸皮的植酸，含量为3.13～8.75 mg/g，DC小米麸皮植酸的平均含量相对较高，晋谷小米麸皮植酸的平均含量相对较低且波动较大；不同品系、同一品系不同品种小米麸皮的植酸含量差异较大。

1.5 多酚类物质

谷糠含有植物化学成分，其中多酚表现出广泛药理和药用特性。谷糠中多酚既有游离酚也有结合态酚，其中主要以结合态为主。谷糠中结合态多酚表现出较高生物活性，如抗氧化、抗癌、免疫调节、抗真菌和抗高血糖。付丽红等[19]采用有机溶剂提取“沁州黄”小米黄酮化合物，在颗粒大小100目、料液比1∶50、乙醇浓度50%、浸提时间0.5 h、pH 4条件下黄酮类物质的提取率为87.60%。史江颖等[20]将谷糠内、外壳粉碎后分别采用80%丙酮提取自由态多酚，残渣加入氢氧化钠消化后，用乙酸乙酯去脂提取结合态多酚。Bijialwan等[21]从5种印度谷糠中提取得到羧肉桂酸结合阿拉伯氧基（HCA-AXs），最佳提取条件：时间61 min、温度 66℃、料液比 12（mL/g）。

1.6 黄色素

小米黄色素的主要成分为天然类胡萝卜素。杨延兵等[22]将不同地区的169份谷子品种（系），包括黄米材料154份、白米材料12份、绿米材料3份，种植在海南省三亚南滨农场，成熟收获后测定小米黄色素含量，鉴定小米外观品质。结果表明，小米黄色素含量变幅较大，黄小米黄色素含量为5.40～19.55 mg/kg，绿小米含量为 10.14～16.44 mg/kg，白小米含量较低为1.10～2.49 mg/kg。小米黄色素含量地区之间差异较大，赤峰、大同、兰州、呼和浩特等地的谷子小米黄色素含量较低，低于10 mg/kg；汾阳、保定、安阳、石家庄等地的谷子小米黄色素含量较高，高于13 mg/kg。不同地区小米的外观品质差异较大，太原、长治、大同、延安等地的谷子小米外观品质较差，优质米所占比例较低；而衡水、沧州、保定、安阳、石家庄等地谷子小米外观品质较好，优质米所占比例较高。小米的黄色素含量与外观品质呈显著相关，黄色素含量是衡量小米外观品质的重要因素，可作为品质育种的重要指标。

2 药理功能

2.1 抗癌

谷糠中生物活性多肽对预防结肠癌、乳腺癌、肺癌和肝癌有效。Shan等[1-2]从谷糠中分离得到新型35ku抗癌蛋白（FMBP）。体内、外抗肿瘤试验结果表明，FMBP蛋白对结肠癌具有抑制作用，能够抑制裸鼠异种移植肿瘤的生长，并显示出对人体结肠癌细胞DLD1的抗迁移作用。FMBP对于正常的结肠上皮细胞毒性较低。单树花等[23]纯化小米米糠蛋白，并结合细胞增殖抑制试验（MTT法），筛选、纯化出米糠中抗肿瘤活性蛋白（FMB）。体外抗肿瘤活性试验结果表明，不同浓度（0.025、0.050、0.075、0.100g/L）的FMB均可抑制人结肠癌细胞株DLD1和人宫颈癌细胞株HeLa的增殖，且具有明显的剂量依赖性；而对正常人肝细胞HL-7702无明显抑制作用。显微镜下观察细胞形态特征发现，经FMB处理48 h后，DLD1和HeLa细胞出现细胞核明显皱缩、部分细胞漂浮死亡等凋亡特征；而对正常肝细胞株HL-7702无明显影响。于书佳等[24]用菠萝蛋白酶水解小米谷糠得到多肽，当多肽为50mg/mL时，S180和 H22肿瘤细胞的抑制率可达56.28%和53.73%。史江颖等[7,20]研究谷糠内壳结合态多酚（BPIS）的抗肿瘤活性，结果表明，BPIS表现出广谱抗肿瘤性，能诱导多种癌症细胞凋亡，如结肠癌、乳腺癌和肝癌。BPIS能够显著抑制人肝癌细胞HepG2、人宫颈癌细胞HeLa、人乳腺癌细胞MCF-7、人结肠癌细胞HCT-116细胞的增殖；BPIS长期处理可显著减少癌细胞的克隆存活；随着BPIS浓度的增加，细胞凋亡率增加。此外，BPIS对HepG2和HeLa细胞的抑制作用与其浓度和作用时间呈正相关。

2.2 抗氧化

赵陈勇等[25]研究小米谷糠油（MBO）对高脂血型大鼠的血脂水平和抗氧化能力的影响。结果表明，灌胃0.5 g/kg MBO后，大鼠血清胆固醇、三酰甘油较模型组显著降低（P＜0.01），高密度脂蛋白胆固醇显著升高（P＜ 0.01）；灌胃1.0、5.0g/kg MBO后，大鼠丙二醛含量较高脂组显著降低（P＜0.05），超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化氢酶活力显著升高（P＜0.01），同时，肝脏病理切片显示，中、高剂量组大鼠的高脂血症性脂肪肝得到改善。MBO能有效降低患高脂血脂症、动脉粥样硬化等病症的概率。从印度谷糠中提取得到羧肉桂酸结合阿拉伯氧基（HCA-AXs）对HCA-AXs抗氧化性研究表明，酚酸成分和阿拉伯氧基结构与抗氧化能力相关[21]。

2.3 抗炎

谷子中植物源多酚包括阿魏酸、香豆酸、肉桂酸和龙胆酸。天然多酚主要是结合态，具有抗炎作用，是非常有效的抗炎剂。促炎和抗炎失调已经被认为是炎症疾病甚至癌症的主要原因之一。Shi等[8]研究表明，在LPS诱导 HT-29细胞和裸鼠中谷糠内壳结合态多酚（BPIS）能抗炎。机理上，BPIS控制各种促炎细胞因子（IL-1 、IL-6、IL-8）水平，且增强抗炎细胞因子（IL-10）表达水平，阻止NF-B迁移。通过BPIS诱导ROS累积可提升miR-149表达。研究表明，谷糠中BPIS是一种潜在抗炎治疗剂，降低LPS诱导炎症。

2.4 皮肤保护

原敏等[26]研究表明，小米谷糠油对酪氨酸酶的生成有较强的抑制作用，进而对黑色素的生成有一定的抑制效果，12 mg/mL时抑制作用最大，抑制率为92.32%；小米谷糠油在1.5～6.0mg/mL时抗氧化稳定性较好，可作为一种天然美白剂开发利用。动物试验进一步探讨了小米谷糠油对小鼠皮肤光老化的保护作用。将小白鼠分为基础组、模型组、基质组、小米谷糠油（MBO）低及高剂量组。MBO低、高剂量组喂食含低、高剂量MBO的饲料，其他组喂食基础饲料。各组小鼠每天依次在背部皮肤上涂抹蒸馏水、基质乳液和MBO乳液（高、低剂量组涂抹剂量相同）。除基础组外，各组小鼠每天均用UVA和UVB照射背部皮肤，共84 d。结果显示，与模型组相比，MBO高剂量组皮肤的MDA含量显著降低（P＜0.01），CAT活力、HYP含量显著升高（P＜0.01），表皮和真皮层受损程度得到明显改善，表明口服同时外涂MBO可以起到抗皮肤光老化的作用[27]。

2.5 免疫调节

Hosoda等[28]评价了日本传统谷糠Foxtail millet（Awain Japanese）、Barnyard millet（Hie）和 Proso millet（Mochi-kibi）提取物的免疫调节作用及在脂多糖诱导的大鼠巨噬细胞（RAW264.7 cells）中对NO和免疫细胞因子的影响。在LPS诱导的巨噬细胞中，谷糠甲醇提取物表现出对NO和炎症因子的抑制作用，炎症因子如肿瘤坏死因子（TNF-）和白细胞介素（IL-6），这些因子对细胞毒性没有作用；免疫抑制活性与提取物中酚类化合物含量约呈正比。特别是 Proso millet的提取物表现出较强的抑制作用，这与其酚类物质含量最高有关。然而，在同一巨噬细胞培养系统中，提取物未表现出对抗炎细胞因子IL-10显著抑制作用。这表明，传统日本谷物在巨噬细胞中对NO和细胞因子具有潜在免疫调节作用。

2.6 肝损伤保护

于书佳等[24]研究了小米谷糠多肽的抑制化学性肝损伤作用。菠萝蛋白酶水解的谷糠多肽10 g（/kg·d）剂量可显著降低小鼠肝脏丙二醛（MDA）含量和血清谷草转氨酶（AST）、谷丙转氨酶（ALT）活性（P＜0.01），并提高肝脏谷胱甘肽过氧化物酶活性（P＜0.01）。组织切片显示，模型组小鼠肝细胞损伤严重，谷糠多肽高剂量组动物的肝细胞形态基本正常。许洁[6]把掺入谷糠清蛋白的饲料喂养CCl4化学性肝损伤模型小鼠和酒精性肝损伤模型小鼠，结果表明，小米谷糠清蛋白对CCl4所致的化学性肝损伤和酒精性肝损伤都具有保护作用，且呈剂量关系。谷糠油（FMBO）对小鼠急性酒精性肝损伤具有抗氧化性和肝保护作用。GC-MS研究表明，不饱和脂肪酸（UFAs）占总脂肪酸的83.76%，尤其是亚油酸（C18∶2）是最主要的多不饱和脂肪酸（PUFA），同时，在FMBO非皂化部分中确定了角鲨烯和 6种植物甾醇（或植物甾烷醇）。体外FMBO抗氧化活性检测表明，其抗氧化能力强，能清除DPPH和HO自由基作用。此外，FMBO对小鼠急性酒精性肝损伤有很强保护作用。在研究中，给急性酒精性小鼠灌胃不同剂量FMBO能明显阻止增加小鼠血清中ALT、AST、TG和肝脏MDA含量，以及增加肝脏SOD活性。肝脏组织学观察证明，FMBO能减轻酒精性肝损伤[29]。