发芽糙米及其在糖尿病功能性食品中的应用进展

刘 晨，沈心一，高海燕，沈路一,

（1.上海大学生命科学学院食品工程系，上海 200444；2.曼尼托巴大学内科和食物和人类营养科学系，曼尼托巴温尼伯 R3E 3P4）

糖尿病是一种慢性疾病，当胰腺不再能够分泌足够的胰岛素，或者身体无法充分利用其分泌的胰岛素时，就会发生这种疾病。国际糖尿病联合会最新的研究数据表明：在2019年，全世界大约有4.63亿成年人（20～79岁）患有糖尿病；预计到2045年，这个数字将会增加到7亿[1]。在大多数国家，Ⅱ型糖尿病患者占人口总数的比例逐年增加，与此同时有79%的糖尿病患者生活在低收入和中等收入国家。中国的糖尿病患病率也逐年增加，根据最近的《中国Ⅱ型糖尿病防治指南》[2]，国内的糖尿病患者以Ⅱ型糖尿病为主，患病率男性高于女性，未诊断糖尿病患者比例高，占总数的63%。肥胖和超重人群糖尿病患病率显著增加，肥胖人群糖尿病患病率升高了2倍。综上所述，在人民生活水平逐年提高的今天，Ⅱ型糖尿病已成为威胁人类健康不容忽视的一个危险因素。

导致Ⅱ型糖尿病的原因有很多[3]，其中包括家族遗传、不良的饮食习惯、年龄、种族差异、生活环境、缺乏锻炼等。通过改变生活方式和适当控制餐后血糖浓度可以减少一些因素的影响。不健康的生活方式会发生由人体下丘脑内质网应激引起的胰岛素抵抗，从而导致Ⅱ型糖尿病的病情进一步恶化，进而发生失明，慢性肾功能衰竭，心肌梗塞，中风或截肢等并发症。有研究表明，餐后高血糖比空腹高血糖对心血管疾病风险的影响更大[4]。因此，改善饮食和增强运动从而控制餐后血糖水平对于预防和治疗Ⅱ型糖尿病非常重要。有研究表明：在中国和日本，精白米的摄入量增加与Ⅱ型糖尿病风险显著增加有关[5]。在过去的二十年中，全谷物糙米引起了人们的极大关注，这主要是由于与同等量的精制米相比，它的餐后血糖响应较低，可以降低Ⅱ型糖尿病的风险[6]。然而糙米作为一种全谷物，其令人不愉快的气味、烹饪的难度以及适口性，使糙米产品难以被大众所接受。

发芽糙米是指挑选饱满糙米在一定温度下进行胚芽诱导而制作的具有一定芽长的产品。发芽可以改善糙米质地，在增加糙米GABA(γ-氨基丁酸)、谷维素、膳食纤维等活性成分的同时更易被市场消费者所接受。殷俊等[7]研究发现，在半年内，每日替代精白米摄入150 g发芽糙米，能减轻Ⅱ型糖尿病患者的肥胖症状，有效降低空腹血糖、餐后两小时血糖、总胆固醇、甘油三酯、低密度胆固醇水平，并改善高血脂症。发芽糙米因为其中的GABA、膳食纤维等功能性成分含量丰富，具有降血糖、预防肥胖、预防高血脂等作用。因此发芽糙米对于Ⅱ型糖尿病患者健康的干预作用引起了学术界的广泛关注。本文综述了发芽糙米的经典制作工艺、发芽糙米所含的营养成分与活性成分、发芽糙米作为糖尿病功能性食品的临床研究以及与发芽糙米相关的食品开发四方面内容，以期为发芽糙米的进一步开发利用奠定理论基础。

1 发芽糙米制作工艺

挑选饱满的优质糙米，在一系列清洗、杀菌步骤后，在恒定的温度下进行浸泡诱导发芽，即可得到具有一定芽长的发芽糙米。不同的发芽条件会影响发芽糙米的活性成分含量，其中GABA作为发芽糙米中重要的活性成分，如何提高GABA含量，是制作工艺优化的热点。在工艺优化过程中，一些学者将今年来新兴的物理技术手段加入其中。张良晨等[8]发现，将发芽糙米的脉冲强光杀菌耦合γ-氨基丁酸富集的最优工艺为：光照强度0.45 kJ，照射次数395次，照射距离9.0 cm，在此条件下发芽糙米灭菌率为91.15%，发芽糙米的GABA含量为170.10 mg/100 g。Xia等人[9]用高静水压力处理糙米，研究发现当施加压力为50 Mpa，施加压力时间为20 min时，GABA含量相较于未处理的对照组提升了21.9%～27.4%，并且在该处理下，发芽糙米更易被人体消化，且在一定程度延长了其保质期。Zhang等[10]研究发现，在酸性浸泡条件下添加1.0 g/L的L-谷氨酸（L-Glu）和0.25 mg/L的赤霉素A3（GAs）可以显著增加GABA的含量。Zhang等[11]开发了一种新型的发芽糙米制作方法，他将糙米在50 mg/mL纤维素酶溶液处理90 min后，GABA含量有显著提升，然后在30 °C下萌发32 h制成发芽糙米产品，进一步将其煮熟后，研究发现经循环纤维素酶处理的发芽糙米口感有明显改善。时至今日，国内外仍有许多学者致力于优化发芽糙米中的GABA含量作为工艺优化的重点，但由于糙米品种的不同，GABA检测方法与设备的不统一，尚未出现世界公认的最优发芽工艺，在已有的研究中Roohinejad等[12]将马来西亚糙米品种HGR浸泡发芽96 h，所得发芽糙米的GABA含量为181 mg/100 g，是所能检测到文献中GABA含量最高的。现阶段GABA作为评价发芽糙米营养性最重要的指标，许多学者在优化发芽工艺时将提高GABA含量作为唯一的评价标准。笔者认为这不够全面，今后的研究方向应将发芽糙米中例如膳食纤维、谷维素等其他活性成分的含量综合考虑作为优化的响应值，从而进一步全面提高发芽糙米的营养功能性成分。

2 发芽糙米基本营养物质

发芽糙米的基本营养物质包括淀粉、直链淀粉、还原糖、蛋白质、氨基酸等物质。淀粉、还原糖等碳水化合物作为谷物中占比最大的一部分，它们在发芽过程中的变化直接或间接影响了糙米的感官品质和糙米其它成分的含量，蛋白质和各种游离氨基酸更是评价发芽糙米营养价值不可忽略的重要部分。Abubakar等[13]研究发现，糙米品种的差异会导致相应发芽糙米基本营养物质的含量发生变化。发芽会使糙米的碳水化合物含量下降，蛋白质含量上升，而直链淀粉的含量在白米、糙米、发芽糙米三者中并无显著差异。Li等[14]的研究表明，糙米发芽后的淀粉在淀粉颗粒的表面上显示出凹坑和孔洞，并且随着发芽时间的增加，粒径尺寸会逐渐减小，而发芽糙米淀粉颗粒的相对分子质量并无显著变化。Veluppillai等[15]研究发现，随着发芽时间的延长，发芽糙米的蛋白酶和淀粉酶活性得到提升，发芽糙米的还原糖、游离氨基酸含量会有显著提高，然而发芽会消耗糙米的总蛋白质和可溶性蛋白质含量，使其呈下降趋势。这与前文Abubakar等[13]的研究结果有所差异，他们认为发芽会升高糙米中的蛋白质含量，造成这种差异的原因可能是糙米品种和发芽时间的不同。鲍会梅等[16]将糙米在25 ℃下将糙米发芽72 h后发现，可溶性蛋白先增加后减少，谷胱甘肽含量由3.74 mg/100 g上升到9.58 mg/100 g，游离氨基酸72 h含量最高达881.45 μg/g。综合分析可知，糙米发芽会使碳水化合物含量下降，有研究证明[17]，低碳水化合物饮食能明显改善Ⅱ型糖尿病患者血糖控制的效果。大米作为一种谷物类主食，较低的碳水化合物含量对于Ⅱ型糖尿病患者有积极意义。糙米发芽会使糙米中可溶性蛋白质发生改变，游离氨基酸含量上升，从而营养分布更均匀易消化吸收。

3 发芽糙米的活性物质

发芽糙米中与降糖有关的活性成分包括GABA、γ-谷维素、膳食纤维等，活性成分含量的变化是导致发芽糙米具有降糖、降血脂作用的重要依据。

3.1 GABA

GABA是一种非蛋白质氨基酸，它哺乳动物的大脑皮质中起主要抑制神经递质的作用。半世纪前GABA在植物中被发现，它通常称为“GABA分流器”的代谢途径合成。在植物中，谷氨酸（Glu）通过谷氨酸脱羧酶（GAD）催化而产生了GABA[18]，低氧胁迫、低温胁迫、高盐胁迫、高温胁迫、超声处理等都会使其中的GABA含量升高[19]。Wang等[20]研究发现，在巨型胚稻种子中，多胺途径和GABA分解代谢基因在GABA积累中起着关键作用。Choat等[21]研究发现，GABA可以减轻Ⅰ型糖尿病的患者的胰腺炎症，保护β细胞免受自身免疫破坏，并增强新β细胞的再生。Soltani等[22]研究发现，GABA可以对胰岛β细胞起保护作用，并在人体内起抗炎作用，从而可以改善已有的糖尿病症状。

Kamjijam等[23]将品种为KDML 105和Riceberry的糙米发芽，结果显示这两种糙米的GABA和谷氨酸含量随时间的升高而增加，在发芽时间为96 h时，两种物质的含量到达最高值。Chu等[24]研究发现在中国野生稻发芽过程中GABA含量的升高与四个谷氨酸脱羧酶（Zlat_10003612，Zlat_10000241，Zlat_10031009和Zlat_10002989）的显著上调（FC＞1.5，P≤0.05）有关。Kim等[25]认为不仅发芽糙米可以用作GABA的生产来源，糙米米糠，一种用于生产白米的副产品，也可以用作GABA生产的来源。将湿米糠在缺氧的环境下存储并适度加热，从而诱导GAD活化，进一步合成GABA。以上研究说明发芽过程会使糙米中GABA含量显著提升，糙米具有活性的米胚和附着在表面的米糠是其GABA含量升高的重要因素。

3.2 γ-谷维素

γ-谷维素[26]是三萜烯醇和甾醇的阿魏酸酯的天然混合物，是米糠油中存在的重要生物活性成分。Son[27]的研究证明，γ-谷维素可以改善血糖代谢，在糖尿病高血糖症的治疗中可能发挥作用。Hiroaki[28]等研究发现，γ-谷维素在高脂饮食诱导和链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠的胰岛中，可以改善内质网应激并保护β细胞免于凋亡，并且可以减弱肥胖者对高脂饮食的偏好，从而对Ⅱ型糖尿病患者的饮食调控具有积极作用。

Jayadeep等[29]将两个不同品种的糙米发芽，发现其中的谷维素含量相较于糙米未发芽时并无显著变化，然而Kim[30]却得出了不同结果，研究观察了两个糙米品种Ilpum和Dasan，发现在糙米发育期间，γ-谷维素的总含量是稳步增长的，但γ-谷维素异构体组成有所不同，并不是全部程增长趋势的。对于有色发芽糙米来说，结果却相反，在30 ℃时，随着时间增长，γ-谷维素总含量呈下降趋势，发芽时间为20 h时γ-谷维素含量明显降低。然而在40 ℃时，γ-谷维素总含量随着时间呈上升趋势。由此可见，发芽糙米发芽时γ-谷维素总含量与发芽温度和糙米品种有关，这也许可以解释前文Jayadeep等[29]对于γ-谷维素总含量有不同的实验结果。Kim等[31]将糙米发芽后分成芽，胚、谷皮三个部分，研究发现，发芽后全米和米胚的γ-谷维素总含量有显著增加，谷皮中的γ-谷维素总含量增加不明显，胚芽中的γ-谷维素总含量为991 mg/100 g。以上研究结果表明，大多数学者证明发芽使糙米中γ-谷维素的含量显著上升，唯有Jayadeep有不同研究结果，这种研究差异与糙米品种和不同的发芽工艺有关，作为一种改善血脂模式的功能性成分，发芽进一步提高了γ-谷维素在糙米中的富集含量。

3.3 膳食纤维

膳食纤维[32]是一种相当复杂的混合物，从水溶性的角度分为水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维。水溶性膳食纤维是由半纤维素多糖构成的，多见于豆类、水果、大麦和燕麦中的凝胶和果胶；水溶性膳食纤维一般具有亲水、非结晶的特性，其和脂质以及碳水化合物代谢有密切的关系，容易被肠道液润湿，所以其具有易于在肠道中被微生物利用的特点。水不溶性膳食纤维主要由植物细胞壁构成，例如木质素、纤维素以及半纤维素，在大麦以及大多数蔬菜和谷物中常见，水不溶性膳食纤维能够减少食物在肠道的停留时间并且有利于肠道的蠕动。Taiichiro等[33]将含有相同量的可用碳水化合物（1.5 g）的白米食物，发芽糙米食物，脱脂的发芽糙米麸皮食物，喂入Wistar品系大鼠(Nip-pon Bio-Suppl)，结果发现喂入脱脂发芽糙米麸皮的大鼠餐后血糖浓度低于喂白米的大鼠，并且喂入发芽糙米和脱脂发芽糙米麸皮的大鼠之间血糖浓度和没有差异。以此证明了不溶性纤维是降低发芽前糙米餐后血糖浓度的主要成分。

Cáceres等[34]将六种不同品种的发芽糙米发芽96 h，结果证明每种糙米中所含的可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维含量均随时间的增长而升高，其中F50这个品种的不溶性膳食纤维的含量提高了2倍多。Mohan等[35]发现，品种为“Jaya”的印度糙米和品种为“Yamadanishiki”的日本糙米经过五天的胚芽诱导，两者总膳食纤维含量相较于未发芽时膳食纤维均有显著提高。Roohinejad[36]将糙米发芽24和48 h用于制备饮食干预大鼠的材料，发现发芽48 h的发芽糙米膳食纤维为含量有明显上升。于晓晓[37]将来自于国内的三个不同品种的糙米镇籼，南粳、盐糯发芽5 d，研究发现三种糙米的总膳食纤维含量分别提高了33.33%，34.48%，40%。以上国内外研究结果均表明，糙米经发芽过程，膳食纤维含量均有明显升高。而膳食纤维作为降低Ⅱ型糖尿病患者血糖的重要功能性成分，其含量的升高是评价其具有降血糖功能性的重要指标。

4 发芽糙米与糖尿病

发芽糙米因其所含有各种降血糖的活性成分，对于糖尿病病人来说具有一定的保健作用，国内外学者从血糖指数与血糖负荷、体外实验、动物实验、临床实验各方面证明了其作为糖尿病的功能性食品具有深远的研究意义。

4.1 发芽糙米的血糖指数与血糖负荷

GI（Glycemic index）即血糖指数，它能反应食物对人体血糖水平的影响程度。在临床营养学上，GI主要被用于指导糖尿病人的日常饮食[38]。GI＞70为高GI食物，55＜GI≤70为中GI食物，GI≤55的食物为低GI食物[39]。大量研究表明，低GI食品可以有效改善餐后血糖负荷，帮助控制糖尿病患者病情。调配糖尿病病人膳食时添加低GI食物，能够有效地控制病人的体重，在一定程度内缓解糖尿病症状[40]。任军丽等[41]对发芽糙米的GI值进行了测定，结果表明，发芽糙米的GI值为54，属于低GI食物。苏勋[42]的研究结果表明，发芽糙米相较于精白米，其GI值有明显下降。Chungcharoen等[43]的研究表明发芽糙米经热风干燥后的GI值与未处理的糙米略有下降，但并不显著。GI值在不同糙米中的含量，也许与糙米的品种有关[13]。

血糖指数只能评价某种食物中碳水化合物转变成葡萄糖的速度和能力，而不能够准确地表示在摄入一定数量的某种食物以后，所引起的血糖应答的真实情况[41]。GL（Glycemic load）即血糖负荷，是指事物的GI值与可利用碳水化合物量的乘积，及全天饮食GL=Σ（食物GI×全天从该食物中获得的碳水化合物的量），反映的是碳水化合物的“质”和“量”，因此更能全面评估日常膳食的血糖效应[44]。一般来说，GL≤10的食物为低GL食物，10＜GL＜20的食物是中GL食物，而GL≥20的食物是高GL食物[45]。任军丽[41]对发芽糙米的GL值进行了测定，结果表明，发芽糙米的GL值为7.78。根据相关定义，发芽糙米属于低GL食物，低GL食物的摄入在Ⅱ型糖尿病的预防和治疗中有重要作用[46]。

4.2 体外实验

体外实验[47]是指在体外使用从正常生物学环境中分离的组分进行研究，影响因素较单一，具有易控制、操作简单方便、易进行深入分析、可实现物种特异性等特点，因而被广泛运用于分子生物学和细胞生物学等领域。Lim等[48]深入研究发芽糙米的七种不同培养液（正己烷，甲苯，二氯甲烷，乙酸乙酯，无水甲醇，80%甲醇和去离子水）培养的发芽糙米，对3T3-L1脂肪细胞中脂肪形成和脂解的影响。研究发现极性较小和中等极性的溶剂提取物，对胰腺脂肪酶具有抑制作用，可通过抑制脂肪细胞分化来减少脂肪积聚，并刺激脂肪细胞上的脂解作用。该研究提示发芽糙米的提取物可以通过减少脂肪积聚来改善Ⅱ型糖尿病患者的肥胖症状，减轻Ⅱ型糖尿病患者的体重。Chen等[49]用DMEM培养基培养HepG2细胞，培养基中加入TNF-α，发现TNF-α抑制了葡萄糖对胰岛素处理细胞的摄取，进一步的实验中，他们将发芽糙米提取物与胰岛素和TNF-α加入细胞中，结果显示，发芽糙米提取物改善了TNF-α诱导的肝细胞胰岛素抵抗。以上研究结果均表明，发芽糙米提取物可以提高细胞抗氧化性，抑制细胞死亡并刺激细胞脂解作用，进一步的研究证明其具有改善细胞胰岛素抵抗的作用，体外实验证明发芽糙米作为糖尿病功能性食品确有保健作用。

4.3 动物实验

动物实验是指在实验室内，为了获得有关生物学、医学等方面的新知识或解决具体问题而使用动物进行的科学研究[50]。是临床前研究的重要组成部分，作为连接基础研究和临床研究的桥梁，其质量影响着众多领域课题研究的成果和水平的高低[51]。Imam等[52]等将大鼠喂入高脂肪饮食，诱导Ⅱ型糖尿病，随后将大鼠分为白米、糙米、发芽糙米、二甲双胍、对照组来探究饮食干预对空腹血糖和糖原异生基因的影响，研究发现发芽糙米以与二甲双胍类似但更有效的方式下调了糖异生基因。进一步的实验表明在Ⅱ型糖尿病大鼠中发芽糙米具有更好的血糖控制作用，因此发芽糙米的降糖特性还涉及其他机制。发芽糙米作为主食可能比二甲双胍更好的控制Ⅱ型糖尿病的血糖。日本学者Mariko等[53]将Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty （OLETF）大鼠作为Ⅱ型糖尿病模型，从第4到35周开始喂发芽糙米和白米，研究结果证明相较于白米，服用发芽糙米可以改善Ⅱ型糖尿病导致的胰岛素抵抗和糖尿病并发症。Usuki等[54]也做了发芽糙米的饮食干预实验，他们将大鼠用链脲佐菌素诱导，使大鼠产生糖尿病神经病变，用白米、糙米、发芽糙米饮食干预三周。结果证明与糙米或白米饮食相比，发芽糙米治疗对防止糖尿病恶化和改善大鼠糖尿病性神经病的生理参数具有显著功效。以上动物实验均表明，用发芽糙米相较于二甲双胍或其他主食可以更好的控制Ⅱ型糖尿病患者血糖，动物实验的研究结果证实了发芽糙米对Ⅱ型糖尿病具有一定的改善作用。

4.4 临床实验

临床研究是现代医学最基本的、不可缺乏的研究手段，是连接基础科学研究和临床应用的关键环节[55]。现阶段发芽糙米的临床干预实验较少，同时存在着干预样本量少，干预时间较短等问题。Hsu等[56]征集了11名空腹血糖受损或患有Ⅱ型糖尿病的志愿者，对他们进行了长达14周的饮食干预，前六周每个受试者每天食用3包煮熟的白米或者发芽糙米，中间间隔分离两周后交换干预的米种类，在干预期内采集血样四次。结果表明含有发芽糙米的饮食可能对控制血糖水平有显著作用。Ratchanee等[57]将糙米发芽36 h，对6名女性，6名男性糖尿病患者进行饮食干预，在食用干预食品和对照食品后0、15、30、45、60、90、120 min后测量志愿者的血糖，研究发现食用发芽糙米米饭的志愿者餐后血糖显著低于食用白米米饭和饮用葡萄糖溶液的餐后血糖。任军丽[41]也进行了一组针对患有Ⅱ型糖尿病的患者的干预实验，有81人参与了为期三个月的干预实验，干预组被要求每人每天服用发芽糙米100 g，对照组被要求每人每天服用等量的白米。干预2个月后，干预组的血糖下降显著，干预3个月后，两组血糖含量差异显著。两组糖化血红蛋白指标均显著性下降。以上临床干预实验证明，发芽糙米相较于精白米具有更好的控制血糖水平的作用，对Ⅱ型糖尿病患者有一定的保健作用。

5 讨论与展望

在经济日益发展的今天，不健康的生活习惯使得中国患Ⅱ型糖尿病人数日益增长。我国人口基数大，以稻谷作为主食的地区分布广泛，糙米易得，且发芽糙米的制作方法简单易工厂化大批量生产。相较于其他糖尿病的功能性食品，例如银杏叶[58]、人参[59]、黄芪[60]、苦瓜[61-62]、生姜[63]等，发芽糙米具有价格低廉，易加工，无毒副作用、口感易于被消费者接受等优点。本文对发芽糙米的制作工艺、基本营养物质、活性成分、糖尿病相关的临床前和临床实验几个方面进行综述。以上研究均说明，发芽糙米作为糖尿病功能性食品具备不容忽视的发展潜力和广阔的研究前景。但发芽糙米的产业化生产大多仍停留在实验室阶段，大规模工业化生产不够高效，对于Ⅱ型糖尿病干预的机理研究不够深入透彻，生物活性及其作用机制不够明确，临床实验样本量少且系统性差等问题。制约着发芽糙米作为Ⅱ型糖尿病功能性食品的进一步发展。因此，建立易于开发且以多种活性成分为响应值的高效发芽糙米制作工艺，阐明发芽糙米生物活性成分作用机制以及扩大临床实验规模与标准化发芽糙米制品生产工艺等对指导发芽糙米生产应用将起到积极的推动作用。