全谷物食品的研究進展

全谷物食品的研究進展

20世紀初，由于腸道疾病的出現(xiàn)，人們意識到了精細的食品和其他精細的食物的缺點和不足。最初,全谷物被認為主要具有膳食纖維的功能。隨著維生素的發(fā)現(xiàn),促進了對谷物生物有效性的研究。在二戰(zhàn)期間出現(xiàn)強化B族維生素的面粉。20世紀90年代初期,研究人員開始對其它谷物生理活性組分,如抗氧化成分等進行研究,并很快意識到全谷物的價值不僅僅是膳食纖維與維生素或礦物質(zhì)的含量比精粉高。從20世紀中后期至今,歐美等發(fā)達國家對全谷物食品與慢性疾病的關(guān)系做了大量深入的研究。國內(nèi)外研究表明全谷物中大多數(shù)營養(yǎng)組分與生理活性物質(zhì)構(gòu)成的“全谷物營養(yǎng)包”的協(xié)同增效作用,比單個營養(yǎng)素更加有利于人體健康;全谷物與全谷物食品在疾病預(yù)防與營養(yǎng)方面的作用遠遠優(yōu)于精加工谷物,這已經(jīng)逐步成為國際上學術(shù)界的共識。國際上第一個全谷物的專題會議是1993年由美國農(nóng)業(yè)部、通用磨坊及美國膳食協(xié)會等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起,于華盛頓召開的。1997年在巴黎召開了第一個歐洲的全谷物會議;2011年4月,以“大力發(fā)展全谷物食品滿足公眾健康要求”為主題的“全谷物”食品發(fā)展國際論壇在北京召開。歐美發(fā)達國家全谷物食品正以每年30%左右的速度增長。我國很多食品加工企業(yè)也嗅到了全谷物食品發(fā)展的巨大商機。一場全球化的全谷物運動正在掀起。如何培育與選用高生理活性物質(zhì)含量的谷物食品加工原料,生理活性物質(zhì)在加工過程中的變化與生物有效性等問題是全谷物食品加工及其營養(yǎng)健康領(lǐng)域研究的重點。本文對全谷物中的幾種主要的生理活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分布、生理功能等進行綜述,希望引起學界對全谷物食品的關(guān)注,促進我國全谷物食品的發(fā)展。1種假谷物的基本結(jié)構(gòu)我國的主要谷物包括稻米、小麥、玉米及特色雜糧類。其中特色雜糧主要包括青稞、燕麥、谷子、高粱、薏苡等,此外還包括蕎麥與籽粒莧兩種假谷物。盡管谷物種類繁多,不同谷物的結(jié)構(gòu)有所不同,但其基本結(jié)構(gòu)特性是相同的,即主要由胚乳、外層胚芽與麩皮3個部分組成。全谷物富含很多生理活性物質(zhì),大體包括酚類、類胡蘿卜素、生育酚、木酚素、阿拉伯木聚糖與β-葡聚糖等非淀粉多糖、甾醇和植酸等。這些生理活性組分主要分布在胚芽與外層麩皮中,其種類與含量隨谷物種類和品種的不同而存在較大的差異。1.1苯代乙烯、香豆素、丹寧酚類物質(zhì)是指一類1個或多個芳香環(huán)上帶有1個或多個羥基的化合物,通常包括酚酸、黃酮、對稱二苯代乙烯、香豆素和丹寧等。全谷物中酚類物質(zhì)的含量分布取決于谷物種類以及谷物的結(jié)構(gòu)部位。這些化合物主要以配糖體連接到各種糖基上或以其它復(fù)合物連接到有機酸、有機胺、脂類、碳水化合物和其它酚上。全谷物中主要的酚類物質(zhì)包括酚酸、黃酮和烷基間苯二酚,結(jié)構(gòu)見圖1。1.1.1胞壁結(jié)構(gòu)組分酚酸主要包括水楊酸和羥基肉桂酸兩類衍生物。水楊酸衍生物包括對羥基苯甲酸、兒茶酸、香草酸、丁香酸和沒食子酸,它們通常以束縛態(tài)存在于植物體中,是木質(zhì)素和可溶性丹寧等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的典型組分。羥基肉桂酸衍生物包括香豆酸、咖啡酸、阿魏酸和芥子酸,它們主要以束縛態(tài)存在,通過酯鍵鏈接到細胞壁結(jié)構(gòu)組分中,如纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。GoupyP等曾測定大麥中主要酚酸類物質(zhì)的含量一般在50~120μg/g,但提取方法對結(jié)果也有較大影響。在全谷物中發(fā)現(xiàn)的酚酸主要有阿魏酸、香草酸、葉酸、p-香豆酸和咖啡酸。阿魏酸是全谷物中發(fā)現(xiàn)的最常見的酚酸類物質(zhì),它廣泛存在于各種谷物的糊粉層、皮層以及胚細胞壁部分,與多糖和蛋白質(zhì)結(jié)合為細胞壁的骨架,而在胚乳部分僅有少量存在。阿魏酸以水溶態(tài)、脂溶態(tài)和束縛態(tài)存在于全谷物中。在玉米、小麥、燕麥以及稻谷中束縛態(tài)的阿魏酸(總量>93%)顯著高于水溶態(tài)和脂溶態(tài),阿魏酸含量排序為玉米>小麥>燕麥>稻谷。玉米和小麥中水溶態(tài)、脂溶態(tài)和束縛態(tài)阿魏酸的比例為0.1∶1∶100。全谷物中阿魏酸的含量因品種不同而存在很大的差異性。對11個小麥樣品進行阿魏酸含量測定顯示,不同的小麥品種其阿魏酸含量存在很大的差異,但都以束縛態(tài)存在。另外,谷物中阿魏酸含量明顯受谷物的生長環(huán)境影響。1.1.2黃酮類化合物黃酮類物質(zhì)是以黃酮(2-苯基色原酮)為母核而衍生的一類黃色色素,其中包括黃酮的同分異構(gòu)體及其氫化的還原產(chǎn)物,即以C6-C3-C6為基本碳架的一系列化合物。黃酮類化合物在植物界分布很廣,主要存在于植物的皮層和綠葉中。在植物體內(nèi)大部分黃酮類化合物與糖結(jié)合成苷類或碳糖基的形式存在,也有以游離形式存在。天然黃酮類化合物母核上常含有羥基、甲氧基、烴氧基、異戊烯氧基等取代基。由于這些助色團的存在,使該類化合物大多呈黃色。又由于分子中γ-吡酮環(huán)上的氧原子可與強酸生成鹽而表現(xiàn)為弱堿性,因此被稱為黃堿素類化合物。谷物中以玉米和蕎麥中含量居高。彭鐮心等測得17個品種苦蕎麥中的黃酮含量在1.54%~2.40%范圍。1.1.3小麥及黑麥ars烷基鏈的碳原子數(shù)烷基間苯二酚(ARs)是Wenkert等首次在小麥、黑麥類中發(fā)現(xiàn)的一類特殊的酚類類脂,具有兩親性。ARs是1,3間苯二酚苯環(huán)5位被含奇數(shù)個碳原子的烷基取代的一類衍生物的總稱,其在谷物酚中占有很大的比重。麥類中AR烷基碳原子個數(shù)大都在16~27之間,且其烷基鏈基本是飽和的。90%~95%的小麥ARs烷基鏈的碳原子個數(shù)在17~25之間,其中大部分為C21:0。黑麥ARs烷基鏈碳原子數(shù)則介于15~25之間,其中主要為C19:0。也有少量的C27存在于黑麥及大麥中。研究顯示,不同的小麥及黑麥中ARs含量不同,大概范圍為54~3200μg/g。諸多谷物中,僅小麥、黑麥、黑小麥等麥類中含有大量的ARs,干燥的麥粒中其含量約為0.015%~0.3%。谷物中ARs含量不同可能與基因和環(huán)境等因素有關(guān)。麥類的不同結(jié)構(gòu)部位ARs含量也不同,ARs以高含量存在于全麥的外層糊粉層,而胚及胚乳中不含有ARs。利用這個性質(zhì),Ross等提出將ARs作為食用全麥食品的一種生物標記物。1.1.4防治心血管疾病酚類是植物的次生代謝產(chǎn)物,在植物的生長過程中主要有抗病、抗蟲以及防御等功能,同時也參與植物顏色的形成。另外,在人們的日常飲食中,攝入的酚類物質(zhì)還有助于降低患各種慢性疾病的風險。多酚可以通過清除自由基和抗脂質(zhì)過氧化來預(yù)防、治療心腦血管疾病;通過抑制血小板的聚集粘連,誘導血管舒張和抑制脂新陳代謝中的酶作用來防止冠心病、動脈粥樣硬化和中風等常見心腦血管疾病的發(fā)生。攝入多酚類物質(zhì)可以加強免疫細胞的功能,起到消炎作用,從而降低心血管疾病的危險。如黃酮類化合物主要有抗菌,擴張冠狀動脈,降壓,降低膽甾醇,抗癌,增強腎上腺素,增強維生素C的作用等功能。ARs主要有抑菌作用,酶抑制作用,對生物膜的作用,腫瘤抑制作用以及抗氧化作用。1.2哈薩克斯坦木聚糖谷物中的非淀粉多糖(不包括纖維素)主要包括阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖、果膠與阿拉伯半乳糖等,約占谷物的2%~8%。1.2.1哈薩克斯坦木聚糖的分布阿拉伯木聚糖是一種由戊聚糖組成的碳水化合物的聚合物,通常也稱之為戊聚糖(結(jié)構(gòu)見圖2)。盡管阿拉伯木聚糖僅占谷物較少的部分,但是它是禾本科糧食作物細胞壁的一種主要多糖。Hoffman與Gortner于1927年首次從小麥粉中鑒定出阿拉伯木聚糖,因其一些重要的加工特性,而備受谷物化學家與食品加工研究人員的關(guān)注。阿拉伯木聚糖主要分布于小麥、大麥、燕麥、稻米、高粱與谷子等糧食作物的淀粉質(zhì)胚乳的細胞壁、糊粉層、麩皮及一些谷物的外殼中(玉米),因作物種類與品種的不同而含量各異。通常在所有谷物中,黑麥中阿拉伯木聚糖含量最高,其次是小麥與大麥。小麥、高粱、大麥、燕麥與黑麥的糊粉層中的阿拉伯木聚糖含量要高于淀粉質(zhì)胚乳中的含量,通常占阿拉伯木聚糖總量的60%~70%(稻米糊粉層中阿拉伯木聚糖含量僅占40%),而淀粉質(zhì)胚乳中通常含有阿拉伯木聚糖總量的20%~40%。此外,不同來源的阿拉伯木聚糖的結(jié)構(gòu)組成也有所不同,例如谷物的外殼與麩皮中含有酸性阿拉伯木聚糖(除阿拉伯糖和木糖殘基外,還有葡萄糖醛酸)。研究表明,阿拉伯木聚糖對谷物制粉、發(fā)酵、烘焙等糧食加工有非常顯著的影響。阿拉伯木聚糖具有可溶性與不溶性膳食纖維的重要營養(yǎng)功能。當阿拉伯木聚糖與一些多酚類化合物結(jié)合時,其具有一定的抗氧化特性。1.2.2-葡聚糖資源β-葡聚糖是葡萄糖單元由β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的線性非淀粉多糖,其結(jié)構(gòu)主要由β-(1→3)糖苷鍵連接的纖維三糖基片斷(58%~72%)和纖維四糖(20%~34%)單位組成,另外還含有少量的,達到14個葡糖基甚至還要長的纖維素糊精,結(jié)構(gòu)見圖3。大麥和燕麥被認為是主要的β-葡聚糖資源。大麥子粒中β-葡聚糖的含量為4%~11%,燕麥為3%~8%,小麥為1%左右,高粱為0.1%~1.0%。谷物中β-葡聚糖的含量主要受基因型與環(huán)境條件的影響。大麥與燕麥的β-葡聚糖主要分布在淀粉質(zhì)胚乳細胞壁中,約占細胞壁總量的75%,而糊粉層細胞壁中的含量較少。燕麥麩皮中β-葡聚糖的含量在10%左右。β-葡聚糖的相對分子質(zhì)量與分子對其溶解性、鏈的構(gòu)型及溶液的流變特性有著非常重要的影響。加工條件參數(shù)對β-葡聚糖分離物、濃縮物及應(yīng)用產(chǎn)品的溶解性、提取特性、黏度與相對分子質(zhì)量等也有著很大的影響。而β-葡聚糖的溶解性與黏度直接影響其生理功能。β-葡聚糖主要的生理功能包括降低血液膽固醇水平,控制血糖以及增強免疫系統(tǒng)功能。1.3維生素類1.3.1糊粉維生素類全谷物是膳食中B族維生素的主要來源,其中泛酸、煙酸、硫胺素、核黃素的含量均較高。維生素B是水溶性維生素,主要存在于谷物的糊粉層。B族維生素是推動體內(nèi)代謝,將糖、脂肪、蛋白質(zhì)等轉(zhuǎn)化成熱量時不可缺少的物質(zhì)。如果缺少維生素B,則細胞功能降低,引起代謝障礙,這時人體就會出現(xiàn)怠滯和食欲不振。B族維生素有調(diào)節(jié)新陳代謝,維持皮膚和肌肉健康,增進免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的功能。1.3.2維生素e的測定維生素E(生育酚)是一種脂溶性的抗氧化劑,主要有生育酚和生育三烯酚兩類結(jié)構(gòu),同時這兩類結(jié)構(gòu)按甲基位置又分為α、β、γ和δ4種。Panfili曾對全谷物中維生素E的含量進行了測定。在軟麥和大麥中生育酚的總含量為75mg/kg干基質(zhì)量,在帶殼和去殼的小麥中β-生育三烯酚含量為33~43mg/kg干基質(zhì)量,在玉米中δ-生育酚的含量為45mg/kg干基質(zhì)量,在燕麥和和大麥中α-生育三烯酚的含量分別是56mg/kg和40mg/kg干基質(zhì)量。維生素E在人體中最重要的功能是抗氧化活性和維護細胞膜的完整性。另外,維生素E在免疫功能、DNA復(fù)制和其它代謝過程中也起著重要的作用。1.4抗高溫酸質(zhì)食品1982年Englyst在進行非淀粉多糖的體外分析時發(fā)現(xiàn)一些淀粉不能被酶水解。后來經(jīng)研究證實類似的淀粉在胃和小腸中也不會被消化,但可以在人體大腸內(nèi)發(fā)酵。這些淀粉被叫作“抗性淀粉”。谷物食品淀粉含量非常豐富,在70%左右。據(jù)有關(guān)資料報道,經(jīng)蒸煮后冷卻的谷物食品、部分碾磨的谷物以及未加工的禾谷類物質(zhì)中都有較高含量的抗性淀粉?？剐缘矸叟c膳食纖維一樣不被小腸吸收,能原封不動地進入大腸,部分為腸道菌發(fā)酵利用產(chǎn)生短鏈脂肪酸,如乙酸、丙酸、丁酸等,且比同等膳食纖維產(chǎn)生的丁酸要多。據(jù)文獻報道,丁酸可阻止癌細胞的生長與繁殖,與直腸癌的防治密切相關(guān)。另外,抗性淀粉可增加糞便體積,促進腸道蠕動,對于便秘、腸道炎癥、痔瘡、結(jié)腸癌等疾病具有良好的預(yù)防效果。攝入高含量的抗性淀粉食物,可減少胰島素反應(yīng),延緩餐后血糖上升,可有效地控制糖尿病病情。同時,抗性淀粉還能增加脂質(zhì)排泄,將食物中脂質(zhì)部分排除,從而減少熱量的攝取?？剐缘矸墼谛∧c中不被消化,產(chǎn)熱較少,可作為低熱量添加劑添加到食物中,從而有效控制體重。1.5以成分配的氧化應(yīng)用-乙醇法植酸于1872年由Pfeffer首先發(fā)現(xiàn),至今已有100多年的歷史,是自然界中普遍存在的較為重要的天然物質(zhì)。它作為種子中磷酸鹽和肌醇的主要貯存形式,廣泛存在于谷類植物中。植酸的基本結(jié)構(gòu)是由肌醇環(huán)和6個磷酸鹽基團組成,它易溶于水、95%乙醇和甘油,溶于乙醇一醚的水溶液,微溶于無水乙醇、甲醇,不溶于無水乙醚、苯、氯仿等有機溶劑。它是P元素最穩(wěn)定的化合物。植酸在植物體中不是獨立存在的,種子、豆、麥和谷物類富含植酸,它同二價、三價陽離子結(jié)合形成不溶性復(fù)合物。雖然各種谷類食品的植酸含量不同,但總體來說,含麩皮的谷類食品植酸含量最高。小米的植酸含量3.54~7.96mg/g,大米的植酸含量1.0~1.35mg/g,全麥粉的植酸含量6~10mg/g,精粉植酸含量2~4mg/g,玉米面、小米面及高粱米面中植酸的平均含量10mg/g,燕麥、裸麥及大麥的植酸含量介于4~7mg/g之間,小麥麩皮的植酸含量25~58mg/g,燕麥糠的植酸含量20mg/g,大米米糠的植酸含量58mg/g。谷物中的植酸具有鰲合作用、抗氧化作用,同時也是一種抗營養(yǎng)因子。1.6亞麻籽與金屬粉素含量的比較木酚素是谷物細胞中構(gòu)成細胞壁成分木質(zhì)素的原始物質(zhì)。谷物食品是人類食物中木酚素的最重要來源。谷物中木酚素含量為2~7mg/kg,比其在亞麻籽中木酚素含量要低,但比蔬菜中木酚素含量要高得多。木酚素不僅對內(nèi)源性激素的新陳代謝和生物活性起作用,而且還會影響細胞內(nèi)的酶、蛋白質(zhì)的合成以及細胞增生和細胞分化?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在乳腺癌發(fā)病率較低的地區(qū),人們食物中的木酚素含量較高。1.7類胡蘿卜素和菊糖全谷物中還含有其它許多生理活性物質(zhì),如類胡蘿卜素(Carotenoids)、葉酸(Folate)、植物甾醇(Phytosterol)和菊糖(Inulin)等。類胡蘿卜素是自然界分布最廣的一類色素,有黃色、橙色、紅色等。因其具有維生素原和抗氧化性質(zhì)而備受人們的關(guān)注。類胡蘿卜素被分為烴類及其氧化衍生物類。有600多種類胡蘿卜被確認,它們廣泛存在于植物、微生物和動物體中。胡蘿卜素是由