发芽全谷物的营养品质及功能特性

李 忍 吴娜娜 李志江 谭 斌 李冬梅

(国家粮食和物资储备局科学研究院1，北京 100037)(黑龙江八一农垦大学食品学院2，大庆 163319)(黑龙江省五常金禾米业有限责任公司3，哈尔滨 150200)

近年来，发芽全谷物的功能特性和营养品质受到了国内外的广泛关注，相关研究与应用极大地推动了全谷物产品的开发[1]。2008年，美国国际谷物化学家协会(AACCI)提出:只要发芽的芽长不超过籽粒的长度，营养价值没有降低，含有所有麸皮、胚芽和胚乳的麦芽或发芽谷物应被视为全谷物，这些谷物应该被称为萌芽或发芽的全谷物[2]。

全谷物在发芽的过程中其营养组分会发生一系列的变化，如淀粉和蛋白质等大分子物质在不同酶的作用下被降解成小分子物质，促进了谷物的可消化性[3]，多酚类物质和维生素C含量大幅度增加，提高了谷物的抗氧化性[4]，不溶性纤维和可溶性纤维含量发生改变，一些抗营养因子被降解等。尽管有些营养成分在全谷物发芽过程中会有所损失，但随着现代可控制发芽技术的发展，发芽可能会成为改善全谷物功能特性和营养品质一种方式。目前的研究发现发芽全谷物对人体的生理健康有着积极的影响，如发芽小麦具有抗肿瘤作用[5]等。本文主要综述了全谷物在发芽过程中酚类、多糖、蛋白质、淀粉的变化及发芽全谷物的生理活性功能。

1 发芽全谷物的主要营养成分变化

1.1 酚类物质变化

植物酚类化合物作为一种次级代谢产物，在全谷物中含量较为丰富，具有较高的抗氧化活性[6]，其合成途径主要包括莽草酸途径和丙二酸途径，合成机制如图1所示[7]。

图1 植物酚类物质的生物合成途径[7]

全谷物发芽后，其酚类含量和种类会显著增加，抗氧化性也会随之升高。小麦中的阿魏酸含量会在发芽过程中大幅度升高[8]。Garzón等[9]研究发现，高粱在25 ℃萌发3 d时总酚类物质含量和抗氧化活性最高。Ti等[10]研究发现，发芽糙米的总酚类物质比发芽之前提高了63.2%，结合酚类减少了4.7%，阿魏酸、丁香酸和咖啡酸等含量均显著升高，抗氧化活性明显提高。

分析发芽全谷物酚类富集的主要原因包括:(1)萌发引起了类苯丙烷途径的酶被激活和细胞壁多糖的水解，导致细胞壁结合酚类物质释放[11]。(2)萌发时适宜的温度等其他条件提高了过氧化物酶(POX)和多酚氧化酶(PPO)等酶的活性[12]。因此，全发芽谷物酚类物质含量的显著提升，提高了谷物的抗氧化活性，对促进消费者机体健康具有广阔的应用前景。

1.2 多糖变化

发芽全谷物中多糖含量丰富，并且多糖结构差异较大，因此发芽全谷物多糖具有多种生物活性，如抗氧化、抗肿瘤和抗病毒等。徐磊等[13]研究发现，薏米在发芽过程中其果糖含量显著下降，麦芽糖和葡萄糖含量均大幅度提高，且具有高效的抗氧化活性。潘姝璇等[14]研究发现，利用微波辅助法提取的发芽糙米多糖具有较高的抗氧化活性，其中羟自由基清除率最高为88.41%。

研究表明，多糖具有很好的清除活性氧(ROS)的作用，其机理主要表现在以下三个方面[15]:(1)超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性在多糖的影响下显著提高；(2)生成ROS所必须的金属离子会与多糖发生络合反应；(3)多糖可以直接作用于ROS，减缓或阻断脂质过氧化过程。

1.3 蛋白质变化

全谷物在发芽过程中，蛋白酶和肽酶在水解蛋白质的过程中起到了主要的作用，蛋白酶把蛋白质水解成若干个多肽片段，之后在肽酶的作用下把多肽水解成氨基酸。

Yang等[16]研究得出，在高粱发芽3 d后其蛋白质含量下降了13%左右，原因是发芽过程中，在不同蛋白酶的作用下，部分蛋白质被水解成了不同分子量的肽类片段和氨基酸。在发芽全谷物蛋白质的生物活性研究方面，胡玲玲等[17]利用糙米在发芽过程中可以将从外界吸收的无机硒转化成有机硒的特性来制备富硒糙米，结果表明，经富硒后的发芽糙米其蛋白的抗氧化能力高于未发芽的糙米蛋白，原因是发芽加速了糙米对外界无机硒的吸收，从而促进了以硒代半胱氨酸为中心的硒蛋白的形成，富硒糙米的制备对生产具有抗氧化功能的发芽全谷物食品具有重要作用。

含有硒代半胱氨酸的硒蛋白具有极高的抗氧化性，如谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)等，其催化机制可由图2来表示。硒醇(E-SeH)被过氧化物氧化生成次硒酸(E-SeOH)，E-SeOH在谷胱甘肽(GSH)的作用下被还原成硒酰硫化物(E-SeSG)，然后在另一分子GSH的作用下还原成初态的E-SeH[18]。

图2 谷胱甘肽过氧化物酶催化循环机理[18]

1.4 淀粉变化

淀粉是全谷物中的一种重要的营养成分。种子萌发时，淀粉会被脱支酶、麦芽糖酶和淀粉酶等水解为葡萄糖，且直链淀粉仅需水解α-1,4-糖苷键后就可以水解为葡萄糖，而支链淀粉彻底水解为葡萄糖则需要水解α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键。除这两种酶促水解外，在磷酸的参与下，淀粉磷酸化酶(P酶)也能够把一些淀粉降解成1-磷酸葡萄糖，其过程如式(1)所示。

不同全谷物的淀粉在发芽过程中会发生不同程度的变化。Kalita等[19]研究得出，稻谷在发芽后其直链淀粉和还原糖含量均明显增加，而总淀粉和支链淀粉含量则明显下降。研究表明，在发芽过程中糙米和燕麦淀粉的峰值黏度略有增加，高粱和小米淀粉的峰值黏度则显著下降，且高粱淀粉颗粒表面会形成空隙，而燕麦淀粉颗粒表面变化则不明显(图3)，分析原因是高粱淀粉中支链淀粉含量较多且为蜡质型淀粉，而蜡质型淀粉更容易受到淀粉酶的攻击[20]。

图3 发芽燕麦和高粱的淀粉表面变化[20]

(1)

综上所述，全谷物在发芽过程中会动用种子内的储藏物质，对蛋白质、淀粉等营养物质会发生不同的降解作用，从而生成氨基酸、多糖等新的营养物质以供自身生长，其整个发芽过程中的营养物质转变过程可由图4来表示，种子在吸水后促进了GA的生成，随后GA到达糊粉层并促进相关水解酶基因的表达，合成后的淀粉酶、蛋白酶等被分泌到胚乳中且酶抑制剂活性降低，之后在不同水解酶的作用下储存组织中一些可用的营养基质(淀粉、蛋白质和甘油三酯等)被分解代谢，种子开始萌发生长。

注:(a)种子吸水促进生成GA；(b)GA到达糊粉层促进相关水解酶基因的表达；(c)水解酶被分泌到胚乳中；(d)储存组织中一些营养基质被分解代谢；(e)种子萌发出根和芽。

2 发芽全谷物的功能特性

2.1 抗氧化作用

由于全谷物在发芽过程中酚类、多糖和维生素等营养成分含量会增加，因此发芽赋予了谷物高效的抗氧化性。Cáceres等[21]研究得出，在34 ℃，发芽96 h的条件下所制备的发芽糙米具有最高的抗氧化活性。Hidalgo等[22]研究得出，发芽后的大麦总酚含量显著增加，且加入10%左右的发芽大麦粉所制成的饼干具有良好的抗氧化性。研究表明，从小麦芽中提取的小麦胚芽油具有降低氧化应激电位的作用，对缓解或消除耦合器引起的氧化应激具有积极的作用，原因是小麦在发芽过程中酚类物质和维生素E含量的增加提高了其抗氧化作用[23]。

酚类等营养成分在发芽全谷物的抗氧化过程中起到了重要的作用。咖啡酸等酚类化合物清除自由基的机制是抽氢反应，而山奈酚等清除自由基的机制是电子伴随质子转移，以清除DPPH自由基为例，如式(2)和式(3)所示，两种机制最终都会生成一个苯氧自由基，它在共振作用下较为稳定，最终会减缓或终止自由基链式反应[24]。

DPPH·+ROH→DPPHH+RO·

(2)

DPPH·+ROH→DPPH-+RO·+H+→DPPHH+RO·

(3)

2.2 预防糖尿病作用

发芽全谷物中的γ-氨基丁酸(GABA)、酚类等营养成分对糖尿病及其并发症的预防和治疗有着明显的改善作用。Lee等[25]研究得出，用发芽糙米的粗提液喂养糖尿病小鼠8周后，小鼠体内的糖化血红蛋白(HbA1c)、空腹血糖值均明显降低。Adamu等[26]研究得出，用高脂饲料喂养妊娠大鼠易导致大鼠子代产生胰岛素抵抗，而在高脂饲料中加入发芽糙米来喂养妊娠大鼠可减轻大鼠子代的胰岛素抵抗，原因可能是发芽糙米中GABA的摄入促进了大鼠体内INSR和IRS 1的转录从而增强了胰岛素信号传导，降低了mTOR、MAPK 1、MAPK 8、SOCS 1、IKBKB和Prkcz的基因表达，从而抑制了大鼠后代胰岛素抵抗[27]，其可能机制可由图7来表示。在临床实验方面，Hsu等[28]研究发现，发芽糙米能够有效的控制糖尿病患者体内血糖和血脂水平，对改善糖尿病及其并发症具有明显的作用。赵桐等[29]研究发现，相较于以馒头或大米粥为早餐，以发芽糙米粥为早餐可以有效的降低2型糖尿病患者的餐后血糖值，对预防和治疗2型糖尿病具有促进作用。

注:INSR:胰岛素受体；IRS 1:胰岛素受体底物1；SOCS 1:细胞因子信号抑制因子 1；mTOR:雷帕霉素的作用靶点；MAPK:有丝分裂原活化蛋白激酶；IKBKB:核因子抑制剂-κB激酶β；Prkcz:蛋白激酶Cξ亚型。

有研究表明，用壳寡糖(COS)和海洋蛋白水解物(GP)处理大麦芽2～6 d可以有效提高其游离酚含量和抗氧化活性，抑制α-葡萄糖苷酶的活性，对2型糖尿病的治疗和预防有着关键的作用[30]。

此外，也有一些研究表明发芽全谷物中的维生素E和矿物质[31]、膳食纤维[32]对糖尿病的预防和治疗起到了关键的作用。

2.3 抗炎作用

全谷物在发芽过程中维生素、氨基酸和脂肪酸等营养成分的增加，使得发芽全谷物具有高效的抗炎和修复机体损伤的功能。Kanauchi等[33]研究得出，发芽大麦能够有效的降低结肠炎小鼠体内白细胞介素 6(IL-6)含量和抑制信号转导及转录激活因子 3(STAT 3)的表达，减少了小鼠的结肠黏膜损伤。这与Zhong等[34]研究结果相类似，发芽大麦具有抗大鼠肠炎的作用，原因是大麦芽能够调节大鼠肠内Toll样受体和紧密连接蛋白的基因表达，使大鼠盲肠和门脉血清中产生高水平的丁酸和谷氨酰胺，而丁酸和谷氨酰胺又是肠黏膜上皮细胞的主要燃料，因此具有抗炎作用。

研究表明，从小麦芽中提取的小麦胚芽油能够明显降低肝肾损伤小鼠体内丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)和碱性磷酸酶(ALP)等酶的含量，原因可能是小麦胚芽油中富含大量的不皂化物质、甾醇、不饱和脂肪酸、必需脂肪酸和维生素E等功能性物质[35]。

此外，世界卫生组织(WHO)指出，从小麦芽中提取的小麦胚芽油等功能性食品的摄入会导致脑、肝、心、肺、肾和脾中维生素E含量迅速增加，而发芽谷物中的维生素E等可以减少机体氧化应激从而起到了保护肝肾等器官和抗炎作用[36]。

2.4 保护神经作用

发芽全谷物对神经的保护作用一直是近年来研究的热点，且也有诸多的研究表明发芽全谷物中的GABA、维生素E等对预防和治疗精神类疾病具有良好的效果。Ismail等[37]研究得出，发芽糙米能够有效的抑制H2O2诱导的人神经母细胞瘤细胞周期G0/G1期阻滞来修复DNA损伤，从而达到抑制细胞毒性和细胞死亡的作用，原因可能是与发芽糙米中的GABA有关。Mamiya等[38]研究得出，发芽糙米能够有效增加抑郁症小鼠额叶皮质5-羟色胺(5-HT)水平从而达到抗抑郁效果，原因可能是发芽糙米中含有丰富的GABA，而GABA参与了调节大脑中抑制性和兴奋性平衡系统。

研究表明，从小麦芽中提取的小麦胚芽油对记忆障碍小鼠具有增进其记忆力的作用，原因可能是小麦胚芽油中含有大量的维生素E，而维生素E可以减少小鼠脑部中β-淀粉样蛋白(Aβ)的沉积和肿瘤坏死因子(TNF-α)的含量，从而达到对神经细胞的保护作用，且对阿尔兹海默症(AD)的预防和治疗具有着重要作用[39]。

此外，研究发现，GABA对于治疗边缘性脑炎引起的癫痫等疾病也具有良好的效果[40]；发芽全谷物中的阿魏酸、生育三烯酚、γ-谷维素和植酸也具有保护脑部神经的功能[41]。

2.5 抗肿瘤作用

发芽全谷物中含有众多的活性物质，对治疗和预防肿瘤具有重要的作用。Zhang等[42]研究得出，用发酵发芽小麦提取物处理结肠癌细胞(HT-29细胞)可以有效地提高HT-29细胞的凋亡率(60%左右)，其机制可能是发酵发芽小麦提取物可以促进Bax和Caspase-3凋亡基因的表达，抑制B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl-2)和细胞周期蛋白D1基因(CyclinD1)的表达。之后Zhang等[43]又提出，发酵发芽大麦提取物也具有促进HT-29细胞凋亡的作用，其作用机制与发酵发芽小麦提取物的作用机制相一致。研究表明，经富集GABA后的发芽糙米对小鼠白血病L 1210细胞增殖具有抑制作用，原因可能是富集GABA的发芽糙米提取物能够调节小鼠体内免疫调节活性，促进脾脏和胸腺细胞的产生，且一氧化氮和干扰素含量的提高对抑制细胞增殖和促进细胞凋亡具有积极作用[44]。

此外，研究表明，植物中的β-葡聚糖[45]、酚类化合物[46]，如酚酸和黄酮类化合物，具有显著的抗肿瘤活性；植物中的阿拉伯木聚糖对肿瘤患者具有自然杀伤细胞(NK)免疫功能[47]，但利用NK细胞免疫疗法治疗肿瘤目前仍处于研究阶段。

2.6 降血糖、降血脂功能

发芽全谷物中的GABA、植物甾醇、维生素E和γ-谷维素等营养物质对预防和治疗高血糖、高血脂等慢性疾病具有重要作用[48]。研究表明，发芽糙米具有良好的降低小鼠体内血清甘油三酯(TGS)和总胆固醇(TC)功能，原因是发芽糙米的摄入能够下调小鼠体内过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPAR-γ)、CCAAT增强子结合蛋白-α(C/EBP-α)、胆固醇调节元件结合蛋白(SREBP-1c)相关基因的表达[49]。Lim等[50]研究发现，发芽糙米的摄入能够明显降低高脂大鼠体内的脂肪细胞的数量、大小和瘦素水平，抑制高脂大鼠的微泡性脂肪变性和大泡性脂肪变性。此外在临床实验方面，Ito等[51]研究得出，以发芽糙米为主食可以有效的降低高血糖患者体内的餐后血糖值，原因可能是发芽糙米的摄入促进了患者体内的胰岛素的分泌。

此外，研究表明，发芽全谷物可以通过调节脂质代谢来达到降血糖、降血脂的效果，如植物甾醇能够有效降低高血脂患者体内低密度脂蛋白胆固醇和血清总胆固醇水平[52]；发芽全谷物中的膳食纤维等成分对血糖和血脂的调节也有一定的作用[53]。

2.7 其他生理功能

发芽全谷物还有一些其他的生理功能。例如，Sakamoto等[54]研究发现，发芽糙米具有增强人体免疫功能。Mohd等[55]研究发现，发芽糙米具有治疗和预防动脉粥样硬化的功能，原因可能与发芽糙米中的γ-谷维素、生育酚和单不饱和脂肪酸含量有关。Roohinejad等[56]研究发现，发芽糙米高胆固醇血症SD雄性大鼠具有较高的心脏保护作用，原因可能与发芽糙米中的GABA、γ-谷维素、膳食纤维有关。

3 展望

发芽全谷物具有良好的应用前景。但利用可控制的萌芽技术来提高全谷物营养水平和在营养医学、食品工业中的应用均不足。为促进发芽全谷物的广泛应用，仍存在一些问题需要研究：

萌芽是一种可控的技术，虽然全谷物在发芽过程中的营养成分变化已经得到广泛的研究，但其营养成分变化机制尚未完全揭示清楚，针对不同的营养需求，需要探索出不同全谷物的最优发芽条件，来增加其特定的营养价值；发芽全谷物在预防一些疾病及其并发症等方面具有潜在的应用价值，利用生物代谢组学和基因组学来研究发芽全谷物中的生物活性物质在体内的作用机制将是今后研究的热点。

此外，虽然发芽全谷物具有较高的营养品质，且近年来国际上一直在大力推广全谷物食品，但由于发芽全谷物仍含有麸皮层和胚芽等结构，其口感品质仍不如精制谷物，因此，相对于精制谷物，发芽全谷物在世界范围内的利用率较低。随着加工技术的不断创新，在利用萌芽技术来改善发芽全谷物营养品质的同时，探索新型的加工方式来提高发芽全谷物的口感品质也将是今后研究的热点。