苦荞中活性物质及其保健功效研究进展

蒲升惠,高 颖,赵志峰,林华松,刑 天,何学勤,*

(1.四川大学轻纺与食品学院,四川成都 610065;2.四川大学农产品加工研究院,四川成都 610065;3.成都市彭州银裕食品有限公司,四川成都 611930;4.四川三匠苦荞科技开发有限公司,四川成都 611630)

苦荞麦俗称苦荞,学名鞑靼荞麦(Tartarianbuckwheat),又名万年荞、野南荞、鞑靼荞,属双子叶蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyromesculentum)植物,是一种适合生长在较高海拔地区的耐寒抗旱作物,并耐贫瘠适应于山地种植[1]。中国是苦荞起源最早的地区之一,早在两千年以前的古书著作《诗经》、《神农书》和《齐民要术》中就有苦荞的栽培食用记载[2]。目前,对苦荞的研究主要包括:生物活性物质研究[3]、保健功效研究[4]、产品研发[5]等。因此,本文主要对苦荞生物活性物质和保健功效文献内容进行综合整理,希望为苦荞相关领域的研究和开发提供理论基础。

1 苦荞中主要活性物质

1.1 多酚

多酚是苦荞中研究最多的植物活性物质,主要包括黄酮、酚酸和醌类等化合物。

1.1.1 黄酮 黄酮是指两个具有酚羟基的苯环通过中央三碳原子相互连结而成的一系列化合物,属于酚类化合物中的一大类。天然存在的黄酮类化合物多以苷类形式存在。Qin等[6]利用氯化铝比色法比较了中国21种苦荞和18种普通荞麦的总黄酮含量,发现苦荞粉的黄酮含量大约是普通荞麦的10倍,并且发现苦荞品种间总黄酮含量差异较大(6.65～22.74 mg/g),其中以梅花山苦荞总黄酮含量最高(22.74 mg/g)。黄凯丰等[7]研究不同产地的35份苦荞资源在同一栽培条件下各苦荞籽粒的黄酮含量差异,发现35份苦荞资源的黄酮含量为2.19%～4.02%,平均为3.12%;其中贵州六盘水的苦荞种子中黄酮含量最高,产地间黄酮含量总体表现为四川>贵州>云南>甘肃>陕西。

由于组成基团的种类、数量、联接位置及联接方式不同可以组成各种各样黄酮苷类,苦荞中黄酮类物质包括芦丁、槲皮素、山奈酚和花青素等四种主要成分,其中芦丁含量最高,大约占四种黄酮化合物的85%左右[8]。通过HPLC-ESI-MS在苦荞麦的芽、茎和叶中鉴定出两种花青素,包括花青素-3-O-葡萄糖苷和花青素-3-O-芸香苷,并且花青素-3-O-芸香苷含量高于花青素-3-O-葡萄糖苷[9-10]。Wiesaw等[11]研究对比了5种野生苦荞麦和7种普通荞麦的黄酮类化合物组成及含量,结果发现野生苦荞麦和普通荞麦都含有黄酮醇—槲皮素3-O-半乳糖基鼠李糖苷。

1.1.2 酚酸 酚酸是一类含有酚环的有机酸,因其结构中含有酚环,也将其划分为多酚化合物中的一种。苦荞中包含多种酚酸,主要是原儿茶酸和对羟基苯甲酸,并且含量丰富,目前对于苦荞酚酸的研究主要集中在种类和生物活性。Guo等[12]对苦荞壳、粗麸、细麸和芯粉4种样品进行酚酸类物质检测,发现4种样品中游离酚酸含量远高于结合酚酸,并且在4种样品中均检测到对羟基苯甲酸、原儿茶酸、绿原酸、没食子酸、阿魏酸、对香豆酸、丁香酸和香草酸;此外,原儿茶酸是苦荞壳中主要的酚酸占65.54%,而对羟基苯甲酸是麸皮和芯粉的主要酚酸,占各自总酚酸含量的58.61%和78.82%。徐宝才等[13]利用反相液相色谱法结合二极管阵列检测器对苦荞籽粒各部分(壳、麸皮、外层粉、内层粉)的酚酸进行检测,发现苦荞中酚酸种类主要是原儿茶酸和对羟基苯甲酸,并且酚酸总量在94.61～1745.33 mg/kg。杨红叶等[14]利用反相液相色谱对不同地区的苦荞和甜荞中酚酸进行测定,发现苦荞和甜荞中均含有没食子酸、原儿茶酸、香草酸、咖啡酸、p-香豆酸和阿魏酸,并且苦荞中对羟基苯甲酸含量较甜荞丰富。

1.1.3 醌类 醌类是一类具有醌式结构的化学成分,在中药材中含量丰富,苦荞种子中也存在多种醌类物质。目前对于苦荞中醌类物质的研究主要在醌类物质的提取鉴定和对其生物活性的探讨。Wu等[15]采用选择性加速溶剂萃取(溶剂为甲醇∶丙酮=50∶50,v/v);,吸附剂为硅胶)结合超高效液相色谱-光电二极管阵列检测法(UPLC-DAD),同时测定了6种蒽醌类化合物,包括橙黄决明、芦荟大黄素、大黄酸、大黄素、大黄酚和大黄素甲醚,这些蒽醌类化合物可能以苷的形式自然存在于种子中。Peng等[16]使用HPLC-DAD对苦荞种子大黄素进行了简单的鉴定,4种中国苦荞品种大黄素含量在1.72～2.71 mg/kg。

1.2 蛋白质

苦荞蛋白也是苦荞主要的生物活性成分之一,同时也是目前的一个重要研究方向,尤其在防癌和免疫研究等方面[17]。左光明[18]对苦荞麸皮蛋白进行了研究,发现苦荞麸皮中蛋白组分包括清蛋白占总蛋白的51.22%左右,球蛋白占13.69%,谷蛋白占17.07%,醇溶蛋白占8.83%,四种蛋白总量超过蛋白总量的90%。郭晓娜等[19]研究了苦荞蛋白的分级制备,发现苦荞蛋白组分中清蛋白含量最高(43.82%),其次为谷蛋白(14.58%),醇溶蛋白(10.50%)和球蛋白(7.82%);并且通过还原实验发现4种蛋白组分中均有二硫键,与FAO/WHO推荐的氨基酸模式相比,除了球蛋白中一些必需氨基酸缺乏之外,其余3种组分均含有充足的必需氨基酸。Zheng等[20]研究苦荞种子中蛋白质组分发现,Fag t2是苦荞种子中一种16 kDa蛋白过敏原,具有与免疫球蛋白结合的能力和对胃蛋白酶的抗性,并具有热稳定性;并且经过鉴定证实天然Fag t2蛋白属于2S白蛋白家族,仅存在于胚胎中。

1.3 多糖

苦荞是一种传统的谷类作物,其碳水化合物含量是最多的,多以多糖的形式存在,包括淀粉、膳食纤维和一些具有生物活性的多糖大分子等。目前对于苦荞活性多糖的分离纯化和生物活性研究是苦荞研究方向中的一个重点。时政等[21]研究了不同原产地的35份苦荞样品籽粒中可溶性糖含量,发现可溶性糖含量变化范围为7.23%～9.96%,平均值为8.17%;其中以贵州威宁产苦荞种子T374中可溶性糖含量最高,达9.96%;贵州威宁产种子苦荞T330中可溶性糖含量最低,仅为为7.23%。Bonafaccia等[22]研究苦荞面粉和麸皮的成分,发现苦荞膳食纤维是以不溶性膳食纤维为主,且麸皮中膳食纤维含量是面粉中的4倍。根据Zhu[23]对苦荞淀粉结构和性质的文献检索发现,苦荞直链淀粉含量在20%～28%,而支链淀粉中具有超长单元链(DP>100);淀粉颗粒结构为A型多态性,其大小范围在2～15 μm。

1.4 糖醇与D-手性肌醇

苦荞含有较多的荞麦糖醇和D-手性肌醇(D-CI)[24-25]。荞麦糖醇是D-CI和半乳糖的衍生物,可在半乳糖苷酶的作用下,转化为D-CI和半乳糖;同时,D-CI和半乳糖可以在荞麦糖醇合成酶和半乳糖醇合成酶作用下转化为荞麦糖醇[26-27]。Yang等[28]在高效液相色谱-蒸发光耦合的基础上,开发了一种快速测定苦荞麦中D-手性肌醇(D-CI)的简单方法——散射检测器,并且成功检测出D-CI,检测限为100 ng。

1.5 脂溶性物质

苦荞中重要的生物活性物质还包括一些脂溶性物质,特别是维生素E,全国苦荞品种籽粒的维生素E含量为2.0～45.8 mg/kg,平均值为9.5 mg/kg[29]。Zhang等[30]对五黑鞑靼荞麦种子油进行生物活性分析,这些油中主要的生物活性物质是脂肪酸、叶黄素和生育酚。Tuan等[31]研苦荞豆芽中类胡萝卜素生物合成基因和类胡萝卜素积累所需的最佳光波长,发现在播种后8 d用白光照射的芽中类胡萝卜素比用蓝光和红光照射后有更高的表达;并且相对于蓝光和红光下分别生长的芽苗(分别为940.86和985.54 μg·g-1),在白光下生长的豆芽中观察到的类胡萝卜素总量最丰富(1282.63 μg/g干重)。

2 苦荞的保健功效

2.1 降血糖

糖尿病是目前现代社会中一个重要的健康问题,影响着全世界3亿多人,寻找具有降血糖效果的天然产物也是目前研究的一个热点。康敏等[32]研究黑苦荞粉对四氧嘧啶致小鼠糖尿病的降糖作用,发现高剂量、粒度为200目筛、干燥方式为冻干的黑苦荞粉能显著降低糖尿病小鼠的血糖值,同时还能改善小鼠外观和尿量大的症状。Hu等[33]研究发现纯化苦荞类黄酮组分可以改善肝脏中的胰岛素信号传导分子和Nrf2信号途径,纯化苦荞类黄酮组分的摄入可有效预防高果糖诱导胰岛素抵抗和肝氧化应激转化。Tao等[34]研究苦荞麦黄酮体外消化对其抗氧化和抗糖尿病性质的影响,发现消化和未消化的黄酮类化合物都能显著增加HepG2细胞中葡萄糖消耗和糖原含量。因此,通过研究可以发现,苦荞中的活性物质(如黄酮),它们可以通过增加葡萄糖消耗量、糖原生成量和辅助调节胰岛素等方法来降低血糖含量。

2.2 降血脂

人体内高水平的胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇,会使得人体血脂异常,使得多种慢性疾病(如心血管疾病和动脉硬化)存在较高的发生率[35]。目前,多种苦荞产品在动物实验和人体临床试验中显示出一定的降血脂作用[36-37]。喻辉辉[38]研究苦荞提取物对大鼠血糖及血脂的影响,发现经过喂养苦荞提取物的大鼠,其血糖、甘油三酯、胆固醇的降低程度与对照组差异有统计学意义(p<0.05)。Lee等[39]研究调查了苦荞麦提取物对3T3-L1细胞脂肪形成和炎症反应的影响,结果发现苦荞麦提取物在3T3L1细胞的脂肪细胞分化过程中具有抑制脂质积累、甘油三酯含量和甘油-3-磷酸脱氢酶(GPDH)活性的能力。

2.3 抗氧化

物质的体外抗氧化活性是最常被测量的生物活性,通过各种化学分析自由基清除,如DPPH,ORAC,FRAP和ABTS等,可以测试苦荞的抗氧化和清除自由基的能力。Zhang等[40]利用黑曲霉CJ-1对苦荞叶片进行发酵处理,研究了发酵时间对抗氧化能力和化学成分的影响,发现苦荞叶片的抗氧化能力在发酵过程中呈现三个阶段的变化趋势:发酵初期增大,发酵中期减少,最后阶段略有变化,并与其化学成分变化相对应,其中芦丁和槲皮素被确定为发酵中的显著贡献者,总多酚、芦丁和槲皮素均与苦荞叶片的抗氧化活性呈正相关。Liu等[41]比较了普通荞麦和苦荞两种荞麦芽的基本组成、功能成分和抗氧化能力,发现苦荞麦芽乙醇提取物比普通荞麦芽具有更高的还原力和清除自由基能力,其中芦丁是这两种荞麦芽中发现的主要黄酮类化合物,并且苦荞芦丁含量比普通荞麦高5倍。Li等[42]通过乙醇提取和水解工艺制备了来自苦荞麦麸的两种黄酮类提取物,并通过自由基清除实验发现85%乙醇提取物主要由芦丁和高压水解产物组成,并且有较强的DPPH清除能力。尽管,在体外抗氧化和清除自由基实验中,苦荞提取物具有显著效果,但是,如果要实际做成产品应用到人体中,还需要进一步的进行体内实验和动物实验等,来确保安全性。

2.4 防癌抗肿瘤

癌症一直以来都是医学上一个难以彻底解决的难题,寻找能够防癌抗癌的物质和方法也一直是生物医学等领域的重点。将苦荞中提取制成的蛋白产品饲喂1,2-二甲肼诱导的结肠瘤大鼠,发现荞麦蛋白能通过减少细胞的增殖,使结肠癌的发病率减少47%(p<0.05)[43]。薛长晖等[44]体外试验研究了苦荞粉提取液对亚硝酸离子的清除作用及不同条件对清除率的影响,结果发现,苦荞粉提取液在一定浓度范围内,室温下作用30 min,可几乎100%的清除亚硝酸根,因此可以减少由亚硝酸盐引发的患癌几率。李玉英等[45]从苦荞中提取制备异槲皮苷,并且研究其对人胃癌细胞SGC-7901的影响,结果发现苦荞异槲皮苷能够诱导SGC-7901细胞发生凋亡,阻断细胞周期并抑制细胞增殖和迁移。尽管,目前的一些研究表示苦荞提取物具有一定的防癌作用,但是为了能够实际使用这些化合物,还应该实验测量它们对正常人细胞系的细胞毒性,确保其临床应用的安全性。

2.5 维持肠道菌群平衡

许多天然植物材料对于一系列食源性病原体、腐败微生物和致病物生物都显示出一定的抗菌活性。因此,通过动物实验和微生物实验可以验证苦荞对微生物的作用。申瑞玲等[46]通过给予小鼠不同剂量的苦荞粉,在35 d后考察其对小鼠结肠中大肠杆菌、乳酸杆菌以及双歧杆菌的影响,发现与对照组相比,苦荞粉的灌胃剂量大于3.250 g/(kg·d)时,小鼠肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌数量均显著增加,同时大肠杆菌的数量显著下降。陈蕾[47]以山西苦荞粉为原料,通过建立小鼠肠道菌群发酵体外模型,研究其对肠道菌群的影响,结果发现苦荞组均对益生菌具有一定增殖作用,同时对致病菌(拟杆菌、肠球菌和肠杆菌)的生长具有一定抑制作用。Zhou等[48]研究苦荞麦蛋白预防血脂异常与肠道微生物数量变化之间的关系,发现苦荞麦蛋白能促进乳酸杆菌、双歧杆菌和肠球菌的生长并抑制高脂肪饮食喂养的小鼠中大肠杆菌的生长。

2.6 对肝细胞的保护作用

肝损伤作为一种慢性疾病,主要是由活性氧、活性氮和各种化学物质(如酒精)引起的。Hu等[49]研究了富含D-CI的苦荞麦提取物对肝细胞的保护作用,并且通过组织病理学实验证实了富含D-CI的苦荞麦提取物具有肝保护作用。Hu等[50]发现苦荞类黄酮纯化物质可以降低高三甲胺-N-氧化物喂养小鼠的血清AST、ALT活性及肝脏NEFA、MDA水平,并增加肝脏GSH-Px和SOD活性,从而可预防由高三甲胺-N-氧化物引起的血管功能障碍和肝损伤。

2.7 镇痛抗炎

研究发现,苦荞麦的乙醇提取物(芦丁)可以降低炎症介质的mRNA水平(如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6),单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)),减少一氧化氮产生,因此推测具有抑制炎症反应的能力[39]。Choi等[51]研究了苦荞麦有机溶剂提取馏分对脂多糖和干扰素-γ刺激的RAW264.7细胞促炎介质产生的影响,发现这4种馏分和芦丁提取物都能有效抑制活性氧、一氧化氮和白细胞介素-6的产生;并且经过4种馏分处理后,脂多糖和干扰素-γ刺激的RAW264.7细胞中促炎因子的mRNA表达水平下调;由此可知苦荞有一定的抗炎作用。

2.8 降血压

通过控制pH将不含芦丁的苦荞麦提取物分成三个部分,并利用大鼠的收缩胸主动脉环测试它们的血管舒张作用,发现其酸性部分是最有效的[52-53]。Hou等[54]研究了苦荞提取物纯化后的黄酮馏分与高血压之间的关系,确定槲皮素为黄酮馏分的主要活性成分,在抑制高血压过程中能降低血管氧化应激反应,调节血管胰岛素信号通路,并在6周大的雄性自发高血压大鼠中具有恢复血管舒张的反应。因此,可以发现,苦荞提取物可以通过辅助调节血管收缩和舒张作用,来体现降血压的保健作用。

2.9 镇静催眠

苦荞具有镇静催眠的效果,胡一冰等[55]通过动物实验发现苦荞醇提物能延长戊巴比妥钠阈上剂量引起的小鼠睡眠持续时间,增加戊巴比妥钠阈下剂量引起的小鼠睡眠数量,且能明显减少小鼠自主活动次数,因此表明苦荞有镇静催眠的作用。

3 结论与展望

苦荞的不同器官中(如种子、叶、花和芽)含有不同类型和含量的生物活性成分。其生物活性物质包括多酚、活性蛋白、活性多糖、D-手性肌醇、类胡萝卜素和植物甾醇等,其中又以多酚中黄酮类物质含量最高。除了活性物质外,苦荞还含有丰富的维生素和矿物质元素。因此,食用苦荞可以补充其他主食谷物中含量较少的营养物质,如小麦和大米,以获得均衡的营养。通过体外、体内试验和动物实验发现,由于苦荞中独特生物活性物质种类和含量苦荞具有对人类健康产生积极影响的巨大潜力。这些健康益处包括抗氧化及清除自由基、降血糖、降血脂、降血压、防癌抗癌维护肠道菌群平衡和镇痛抗炎等作用(如表1所示)。

表1 苦荞中部分活性物质与其保健功效Table 1 Some bioactive componentsintartary buckwheat and their health effects

对苦荞中生物活性物质的研究,主要体现在苦荞提取产物。苦荞提取产物显示出比单一化合物更高的生物活性,表明化合物之间的协同相互作用和苦荞提取物产品实际具有开发应用的巨大可能性。但是,开发出的苦荞提取物产品,需要进行严苛的毒理性实验、动物模型实验和临床实验来证明其安全性。苦荞中含量较高的生物活性物质是多酚中的黄酮类物质,而且由于苦荞品种不同、生长环境差异大等因素的影响,苦荞中黄酮类物质在种类和含量上差异较大。因此,关于苦荞遗传育种资源的优选培育工作是未来一个具有重大意义的研究方向,可达到使某些重要生物活性物质含量最大化的目的。在以往研究中,因为缺乏科学先进的物质分离纯化技术和物质鉴定技术,所以导致一些苦荞提取物没有任何结构和组成信息。这对于研究苦荞生物活性物质深挖掘造成了一定的困难。苦荞在我国食用历史悠久,但是由于其具有明显苦味且口感粗糙,发展一直受到限制。因此,在后续苦荞产品的研发中,不仅要重视开发具有保健功效的苦荞产品,而且还可改善产品口味,开发出适合大众口味的保健功效苦荞产品。