发芽糙米生物活性物质及生理功能研究进展

符 琼,周文化,2,黄卫文,王文龙,*

(1.湖南应用技术学院农林科技学院,湖南常德 415100;2.特医食品加工湖南省重点实验室,湖南长沙 411004)

糙米是稻谷砻谷后不加工或较少加工所获得的全谷粒米,发芽糙米是将糙米经发芽至一定芽长,由幼芽和带糠层的胚乳组成的糙米制品。水稻(OryzasativaL.)是一种重要的粮食作物,全球约65%的人口将其作为主食[1]。稻谷经砻谷处理去掉稻壳后获得保留胚芽、糠层和胚乳的糙米,糙米进一步加工去掉胚芽和糠层即得到日常食用的精白米。糙米营养价值丰富,含有许多精白米在加工过程中损失掉的生理活性物质[2],但由于其外表附着一层强韧的纤维质米糠层,使其口感粗糙,蒸煮不便,消费量远远低于精白米[3]。为了改善糙米的食用品质,可以对糙米进行发芽处理,糙米发芽的实质是糙米中以结合态存在的大量酶在适宜的温度和水分下被激活,转变成游离态,由此发生一系列酶和生化反应[4]。糙米发芽后,纤维质糠层外壳被酶解软化,方便蒸煮,部分蛋白质分解为氨基酸,淀粉转变为糖类,香甜味增加,食用品质明显提高[5]。

糙米发芽过程中由于众多酶被激活,能够产生并增加大量具有生理功能的生物活性物质[6],如γ-氨基丁酸,多酚及谷维素等的含量明显高于糙米[7-8],从而赋予发芽糙米具有抗氧化、降血脂、降血压等诸多生理功能[9]。近年来,发芽糙米作为一种功能性食品配料越来越受到关注,为了更好地总结发芽糙米生物活性物质及其生理功能的相关研究成果,明确该领域下一步的研究方向,促进发芽糙米在食品工业中的应用,本文在查阅大量文献的基础上介绍了发芽糙米中的主要生物活性物质,综述了发芽糙米生理功能的研究进展。

1 发芽糙米生物活性物质

糙米保留了稻谷的胚芽和糠层,含有大量的生物活性物质,如膳食纤维、γ-谷维素、维生素E、植物甾醇等。糙米发芽后会进一步提升这些生物活性物质的含量,同时产生一种重要的生物活性物质——γ-氨基丁酸。图1描述了发芽糙米中主要生物活性物质的化学结构[10]。

图1 发芽糙米中主要生物活性物质化学结构[10]Fig.1 Chemical structures of major bioactive substances in germinated brown rice[10]

1.1 γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid,GABA)是一种非蛋白质氨基酸(化学结构见图1(a)),由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase,GAD)催化生成,是一种重要的抑制性神经递质,对机体的神经传递、免疫调节、适应环境等生理功能具有调节作用[11]。GABA在生物体内的合成量会因环境胁迫提高,如缺氧、黑暗、热刺激、冷刺激等[12]。

糙米发芽后可以大幅度提升GABA的含量[13],发芽糙米中GABA含量是糙米的2倍,精白米的6～8倍[14]。糙米发芽之所以能够提高GABA含量,是因为发芽过程改变了GABA合成(如谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD))、谷氨酸(glutamic acid,GA)生成和GABA分解(如GABA-pyruvate transaminase)相关的酶活性[15]。

发芽糙米中GABA含量受稻谷品种、糙米浸泡发芽条件、浸泡液组成等因素的影响。Roohinejad等研究了18个水稻品种糙米在30 ℃蒸馏水中浸泡72 h后GABA含量的变化,所有水稻品种糙米经浸泡后其GABA含量明显增加，但各品种之间增加幅度有差异[16],Saikusa等研究了浸泡对10个水稻品种糙米(8个粳稻品种和2个籼稻品种)GABA含量的影响,得到了相似的结论,所有研究品种糙米的GABA含量都有所提高,且Hokkai269水稻品种糙米增幅最大[17]。Choi等研究了浸泡pH和温度对发芽糙米GABA含量的影响,结果表明浸泡pH和温度分别为6.0和40 ℃时GABA含量增幅最大[18],Saikusa等的研究也得到相似的结果,认为pH5.0～6.0、温度40 ℃、浸泡时间4 h是发芽糙米富集GABA的适宜条件[17]。Komatsuzaki等认为浸泡后在空气中发芽要比单独浸泡发芽更有利于GABA的生成[19]。Oh等发现浸泡液中添加壳聚糖(100 ppm)能显著提高发芽糙米GABA含量,该处理组发芽糙米GABA含量是未发芽糙米的7.6倍、是对照组发芽糙米(未添加壳聚糖,用蒸馏水浸泡)的1.3倍,而且浸泡液中添加一定浓度的壳聚糖可以抑制浸泡和发芽过程中微生物的生长[20],Oh等报道在浸泡液中添加谷氨酸也具有提高GABA含量的效果,且提高幅度比添加壳聚糖更大[21],Lu等研究发现采用电解氧化水浸泡会使发芽糙米的芽生长变缓,但能成倍提高发芽糙米GABA含量,且电解氧化水能有效抑制发芽过程中微生物的生长[22],陈春旭等的实验结果表明,糙米在盐胁迫处理发芽3 d后,GABA含量达到最高,为121.714 9 mg/100 g,分别是未发芽和未胁迫处理同期的5.16 倍和1.12 倍[23]。曹晶晶等认为发芽糙米中γ-氨基丁酸的形成受GAD活性调节,并与GA含量呈显著正相关[24]。

1.2 脂溶性生物活性物质

发芽糙米中许多生物活性物质都是脂溶性的,如γ-谷维素、维生素E、植物甾醇等,这些脂溶性生物活性物质本身就存在于糙米的糠层和胚芽中,其含量在发芽过程中一般没有变化或有稍许增加[25-28]。

1.2.1γ-谷维素γ-谷维素(Gamma-oryzanol,γ-oryzanol)又称米糠素、谷维醇,是以环木菠萝醇为主体的阿魏酸酯和甾醇类的阿魏酸酯组成的一种天然混合物(化学结构见图1(e)),其中24-亚甲基环木菠萝醇阿魏酸酯、环木菠萝烯醇阿魏酸酯和甾醇类阿魏酸酯是发芽糙米γ-谷维素的主要成分(约占90%)[25]。γ-谷维素是美国的奥康纳(Oconnor)于1949年从米糠中首次发现的,是发芽糙米中重要的生物活性物质,具有抗氧化、抗炎、降血脂、降血糖等诸多生理功能[29]。

糙米中γ-谷维素的含量在发芽过程中一般变化不大,Lee等研究了Il-peum,Goami,Keunneun和Heugkwangbyeo几种韩国常见粳稻品种糙米发芽过程中γ-谷维素含量变化,发现Il-peum和Goami两个品种糙米的γ-谷维素含量没有明显变化,但Keunneun和Heugkwangbyeo两个品种糙米的γ-谷维素含量分别增加了1.5倍和1.9倍[27],Ohtsubo等也发现在韩国和日本普遍消费的水稻品种Koshihikari糙米在相同的发芽条件下其γ-谷维素含量没有显著变化[30]。Moongngarm和Saetung报道了籼稻品种糙米在浸泡发芽(30 ℃,24 h)和空气中发芽(30 ℃,24 h)其γ-谷维素含量都没有明显增加[31],Jayadeep等也研究了两个籼稻品种糙米在发芽过程中(120 h)γ-谷维素含量的变化,结果表明,γ-谷维素的含量和组成在发芽过程都没有显著变化,两个品种糙米和发芽糙米γ-谷维素的含量是其精白米的5倍[25]。

1.2.2 维生素E 维生素E(Vitamin E)是重要的脂溶性链终止抗氧化剂,由8种化合物组成,包括4种生育酚和4种生育三烯酚(α、β、γ及δ)。生育酚和生育三烯酚的结构相似,都由一个头(色满环)和一个尾(植基尾)组成,差别在于生育酚的植基尾是饱和的而生育三烯酚的植基尾是不饱和的类异戊二烯结构[10](化学结构见图1c)。常见植物油(如小麦胚芽油、葵花籽油)和坚果中的维生素E主要是生育酚,生育三烯酚存在于特定的植物油(如稻谷胚芽油、棕榈油)和谷物中。研究报道维生素E具有抗氧化[32]、维持生育[33]、增强免疫[34]、抗炎[35]等生理功能。

发芽糙米中含量最高的维生素E是γ-生育三烯酚,其次为α-生育酚、α-生育三烯酚和γ-生育酚[25]。糙米中维生素E的组成和含量在发芽过程中会发生变化,变化情形基本不依赖于稻谷品种。Jayadeep等研究发现在其研究的水稻品种中,γ-生育三烯酚的含量在发芽过程中会显著增加;除水稻品种IR 64外,α-生育酚的含量在发芽过程中会增加;除水稻品种Ilpum和Heugkwang外,γ-生育酚的含量在发芽过程中会减少[25],β-生育酚和β-生育三烯酚在谷物中的含量几乎可以忽略不计[10]。

1.2.3 高级脂肪醇 高级脂肪醇是长链(通常为20～34个碳原子)脂肪族伯醇的统称,主要包括1-二十四烷醇、1-二十六烷醇、1-二十七烷醇、1-二十八烷醇、1-二十九烷醇、1-三十烷醇、1-三十二烷醇和1-三十四烷醇。许多植物的叶、果实、种子或果皮中都含有高级脂肪醇,并从蜂蜡、高粱、糙米等原料中分离出了高级脂肪醇混合物[36]。研究认为高级脂肪醇具有降低血液中总胆固醇(TC)含量[37]及抗疲劳[38]等生理功能。

Kim等测定了韩国种植的15种水稻品种糙米的高级脂肪醇含量,其范围为2.4～10.7 mg/100 g,主要成分是1-二十八烷醇(化学结构见图1(b))和1-三十烷醇[39]。Kwak等人研究了糙米中高级脂肪醇含量在发芽过程中的变化,结果表明,虽然高级脂肪醇总含量在发芽过程中没有显著性变化,但其中个别组分的含量在发芽过程中发生了变化,如1-二十二烷醇的含量增加了61%,而1-二十五烷醇的含量却有所下降[28]。1-二十八烷醇是发芽糙米中最主要的高级脂肪醇组分,也是研究最深入的高级脂肪醇组分,目前已广泛应用于食品、医药、化妆品、饲料等多个领域[40]。

1.2.4 其它脂溶性生物活性物质 发芽糙米中的脂溶性生物活性物质除了上述的γ-谷维素、维生素E和高级脂肪醇外,还包括植物甾醇、角鲨烯、神经酰胺等,它们的含量通常比较小,但同样具有重要的生理功能,赋予发芽糙米众多健康效应。此外,发芽对这些成分的含量、组成及功能的影响还没有得到全面研究。

植物甾醇(Phytosterol)广泛存在于植物的根、茎、叶、果实和种子中,是植物细胞膜的组成部分,最常见的植物甾醇包括β-谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇(化学结构见图1(d))[41],目前的研究证明了植物甾醇在降低血液胆固醇含量[42]、抑制肿瘤[43]、抗炎[44]及调节免疫[45]等方面都有重要作用。Jung等报道了发芽对糙米(包括普通糙米、糯糙米、红米糙米及黑米糙米)植物甾醇含量的影响,在发芽过程中豆甾醇的含量会增加而谷甾醇和菜油甾醇的含量基本没有变化[26]。

角鲨烯(Squalene)是一种天然三萜烯类、多不饱和脂肪族烃类化合物,含有6个非共轭双键(化学结构见图1(f)),广泛存在于多种动物和植物组织中,具有抗氧化[46]、抗癌[47]、抗疲劳[48]及抗感染[49]等多种生理功能。糙米中角鲨烯的含量约为17～31 mg/kg,发芽过程中角鲨烯含量的变化情况会因为水稻品种、发芽条件的不同而不同[26,28]。

神经酰胺(Ceramide)是由鞘氨醇长链碱基与脂肪酸组成的神经鞘氨脂质的一种(化学结构见图1(g)),1884年第一次在人脑组织中发现[50],目前主要通过合成或从植物(如小麦、大米)中提取制备。大米神经酰胺因具有保湿、抗色素沉着及抑制酪氨酸酶活性等皮肤健康效应而用作化妆品功能成分[50]。

1.3 膳食纤维

膳食纤维(DF)是不被人体小肠消化酶消化的可食性碳水化合物聚合物的统称,根据其在水中溶解性的不同可分为可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维,膳食纤维具有降血脂、降低血液胆固醇含量、改善血糖、改善大肠功能等生理功能[51]。

糙米外部的米糠层含有大量的膳食纤维,约为糙米干重的1.4%～3.3%,糙米膳食纤维的组成和含量在发芽过程中根据发芽条件的不同会产生不同的变化。Ohtsubo等报道水稻品种Koshihikari糙米在浸泡72 h后其膳食纤维含量增加了1.5倍[30]。Mohan等研究了籼稻和粳稻品种糙米膳食纤维含量在发芽过程中的变化,结果表明总膳食纤维含量分别增加了28.2%和40.0%、可溶性膳食纤维含量分别增加了61.0%和79.0%[52]。但是采用浸泡后空气中发芽的方法,糙米中膳食纤维的含量会减少,Jayadeep等报道采用简单浸泡(16 h)后发芽(120 h)的方法,水稻品种IR 64 和BPT糙米不溶性膳食纤维含量分别由41.5 g/kg减少至36.8 g/kg和由37.0 g/kg 减少至 31.7 g/kg[25]。Kim等研究发现采用空气中发芽的方法,糙米中膳食纤维含量在发芽第5 d时基本没有变化,但发芽第6 d时急剧降低[53]。此外,Rao等的研究发现糙米膳食纤维的组成成分在发芽过程中也会发生变化[54]。

2 发芽糙米生理功能

发芽糙米含有丰富的上述生物活性物质,从而赋予了发芽糙米众多的生理功能。近年来,发芽糙米的生理功能受到较为广泛的关注。许多研究者通过动物实验或临床试验证明发芽糙米具有抗氧化、降血脂、降血压、预防和治疗癌症等生理功能。

2.1 抗氧化作用

抗氧化作用通常被认为是发芽糙米发挥其生理功能的基础,研究表明糙米发芽过程中能明显提高其抗氧化性。刘雅晴等以湘晚籼13和星2号两种稻谷品种为原料,采用糙米快速发芽技术,研究糙米发芽过程中抗氧化活性变化,结果表明,随着糙米的发芽,其抗氧化活性在发生改变,此变化过程中会达到一个最佳状态,得出发芽14 h的湘晚籼13糙米和发芽12 h的星2号糙米抗氧化活性最好[55],郑艺梅等的研究也发现发芽过程中,发芽糙米的抗氧化活性一直增强[56]。Chotimarkorn C等及Xu等的研究表明发芽糙米可以保护低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)不被氧化[57-58]。

发芽糙米的抗氧化活性可能与其富含的抗氧化生物活性物质有关,如前所述,这些生物活性物质的含量在发芽过程中会发生变化,所以糙米的抗氧化活性在发芽过程中也会发生变化。发芽糙米中的γ-谷维素[59]、维生素E[60]等生物活性物质可能对其抗氧化作用有重要贡献。

2.2 降血脂作用

在发芽糙米诸多的生理功能中,降血脂作用是被研究的热点之一。Roohinejad 等研究发现发芽糙米能够改善高血脂SD大鼠的血脂水平,提高高血脂兔子血液中高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)水平并降低低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的含量[61]。Miura等人的研究结果表明发芽糙米和糙米都能通过调节胆固醇的代谢来改善肝癌细胞诱导的高血脂症状[62]。Cha发现发芽糙米的水提取物能改善肥胖小鼠的血脂水平[63]。Kawana-Ebizuka等人研究了发芽糙米对人体血脂水平的影响,发现连续十周以发芽糙米为主食可以降低女大学生体内总胆固醇(TC)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的含量[64]。国内王嘉怡等研究了发芽糙米米糠(GBRB)的降血脂功效研究,发现GBRB的摄入能显著降低食用高脂饲料大鼠的血清 TC、总甘油三酯(TG)以及 LDL-C 水平,显示出 GBRB 的降血脂功效[65]。胡玲玲等的研究结果也表明富硒发芽糙米具有调节小鼠血脂和保护肝组织作用[66]。

发芽糙米的降血脂功效可能与其含有的γ-GABA、γ-谷维素、膳食纤维、植物甾醇等生物活性物质有关。Oh等人发现高含量γ-GABA的发芽糙米能够有效抑制酒精引起的LDL-C增加,并认为γ-GABA是主要贡献成分[67],但Roohinejad等人认为γ-GABA不是发芽糙米具有降血脂作用的贡献成分[68]。Wilson等研究表明γ-谷维素能够降低高胆固醇血症仓鼠的血浆TG和TC水平,并抑制主动脉胆固醇酯的积累,其效果优于阿魏酸[69]。袁列江等发现发芽糙米膳食纤维能显著改善高脂小鼠的TC、TG、HDL-C、LDL-C指标[70]。王华等研究表明植物甾醇显示出对血脂异常人群的改善作用[71]。

2.3 降血压作用

发芽糙米中诸多生物活性物质赋予了其具有降血压的生理功能。Choi等用含50%发芽糙米的饲料喂食自发性高血压小鼠,发现发芽糙米能够降低自发性高血压小鼠的收缩压[72]。Ebizuka等也发现给高血压大鼠喂食含40%发芽糙米的食物能有效抑制自发性高血压大鼠血压的升高[73]。Mitsuo等[74]综合分析了发芽糙米膳食对高血压大鼠及病人的降血压效果,建议可以将发芽糙米作为一种对高血压辅助治疗的食物。

发芽糙米的降血压作用可能是其含有的γ-GABA、γ-谷维素、角鲨烯、生物活性肽等多种生物活性物质共同作用的结果。Shimada等认为γ-GABA可以作用于延髓的血管运动中枢,使血压降低,同时抑制抗利尿激素后叶加压素的分泌,扩张血管、降低血压[75]。Akama等用富含γ-GABA的转基因大米(γ-GABA含量约为普通非转基因大米30倍)喂养自发性高血压大鼠,6周后其血压降低20 mmHg[76]。许多研究表明γ-谷维素中的阿魏酸组分具有很好的降血压效果[77-78]。Kim等认为角鲨烯能够增加高密度脂蛋白(HDL)和增加携氧细胞体,人体摄入后有助于降低血压[49]。糙米发芽过程中自身蛋白酶活性增加[79],水解蛋白质生成多种生物活性肽,如血管紧张素转化酶(ACE)抑制肽,可能也对发芽糙米的降血压作用有贡献[80]。

2.4 预防和治疗癌症作用

许多实验证据表明发芽糙米具有预防和治疗癌症的作用。Latifah等研究了发芽糙米对氧化偶氮甲烷诱发结肠癌大鼠的作用,结果表明发芽糙米能显著降低大鼠肠黏膜异常隐窝灶的数量,并减少β-连环蛋白(β-catenin)、环氧化酶-2(COX-2)表达的异常,表明发芽糙米对结肠癌具有良好的化学防治作用,认为发芽糙米是一种预防结肠癌很有前途的膳食补充剂[81]。Tian等认为糙米发芽后增加了不溶但可被水解的酚类成分,具有降低癌变促进健康的作用[82]。Oh等发现发芽糙米提取物具有抑制小鼠白血病癌细胞的增殖及刺激癌细胞凋亡的作用[83]。

发芽糙米中富含的γ-谷维素、植物甾醇、维生素E及角鲨烯等生物活性物质可能对发芽糙米的预防和治疗癌症生理功能有重要贡献。Yasukawa等报道指出米糠中的谷维素能够抑制皮肤癌小鼠癌细胞的增殖[84]。Awad等研究发现植物甾醇可延缓实验小鼠乳腺肿瘤的生长和扩散[43]。Wada认为维生素E可以抑制人结直肠癌、胃癌、肝癌等多种肿瘤细胞的生长[85]。Bhilwade等经临床观察发现角鲨烯对胃癌、食道癌、肺癌总有效率可达88.4%,且无不良反应[47]。因发芽糙米中富含这些生物活性物质,故可以推测这些物质对发芽糙米的预防和治疗癌症作用有贡献。

2.5 预防糖尿病及其并发症

发芽糙米具有很好的预防糖尿病及其并发症的生理功能。Hus等对比了以发芽糙米饭和普通精白米饭作为主食对糖尿病人血糖和血脂水平的影响,结果表明发芽糙米饭作为主食能够明显改善糖尿病人的血糖和血脂水平[86]。Hagiwara等和Usuki等的研究发现发芽糙米不仅具有较好的改善糖尿病人血糖水平的效果,而且能够预防糖尿病血管并发症、缓解糖尿病精神病变和外周神经障碍[87-88]。Cho等采用Caco-2细胞系研究了发芽糙米的降血糖效果,结果表明发芽糙米提取物不仅能够降低体内α-葡萄糖苷酶活性,而且能够减少通过葡萄糖转运蛋白1钠依赖途径的葡萄糖吸收。进一步的研究发现发芽糙米提取物能够显著抑制肝细胞核受体因子-1α(HNF-1α)和1β(HNF-1β)基因表达,从而调节小肠钠依赖葡萄糖转运蛋白1的表达[89]。此外,Ito、Choi、Torimitsu、赵桐等的研究均表明发芽糙米具有预防糖尿病及其并发症的功能[90-93]。

Seiki等人认为发芽糙米良好的预防糖尿病及其并发症功能主要是由于发芽糙米中富含的膳食纤维[94]。除此之外,发芽糙米中的其它生物活性物质如γ-GABA[95]、γ-谷维素[96]、植物甾醇[97]等也可能对发芽糙米的预防糖尿病及其并发症功能有重要贡献。

2.6 其它生理功能

除上述生理功能外,目前文献报道的发芽糙米生理功能还包括:改善记忆[98]、预防老年痴呆[98]、醒酒[99]、调节情绪[100]、改善皮肤[101]及改善肠道菌群[102-103]等。

3 结论

发芽糙米中含有多种对人体有益的生物活性成分,从而赋予了发芽糙米的多种生理功能,使其成为非常有潜力的功能性食品配料。在今后发芽糙米生物活性物质及生理功能的研究中以下三个方面值得进一步探索:生物活性物质在发芽过程中的变化规律及变化机理;发芽糙米发挥各种生理功能的物质基础;从分子营养学和营养基因组学角度研究发芽糙米中特定生物活性物质发挥某种生理功能的作用机理及构效关系。

此外,虽然发芽处理一定程度改善了糙米的口感,但其适口性仍不及精白米,加之价格原因,消费者一般不会长期将发芽糙米作为主食消费。食品企业一般将发芽糙米作为一种功能性食品配料添加到其它常见食品(如面包、馒头、面条等)中,故添加发芽糙米对这些产品品质及生产工艺的影响也值得进一步研究。