谷物多酚的富集方法研究進展

郭俊玲，黨 斌，張 杰

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省青藏高原農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，青海 西寧 810016)

谷物主要包括大麥、小麥、燕麥、蕎麥、稻米、薏米、高粱、玉米等[1]。其富含碳水化合物，是人體能量攝入的主要來源，且蛋白質(zhì)、維生素及一些微量元素也直接或間接的參與人體的新陳代謝，對人體健康狀態(tài)具有決定性的作用[2]。此外，谷物中功效性成分的存在也不容忽視，如活性肽、γ-氨基丁酸、多糖、膳食纖維、多酚等[3]。隨著大健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，谷物在日常飲食中的地位居高不下，功能活性成為研究熱點和消費賣點，尤其是多酚，相對含量較少卻具有高度的活性，在谷物中主要以游離態(tài)(包括游離態(tài)多酚和可溶性酯化態(tài)多酚)和結(jié)合態(tài)的形式存在于胚芽、麩皮等部位[4]，是一種可再生的綠色資源。多酚一般是由糖酵解和戊糖磷酸途徑產(chǎn)生的初級代謝物質(zhì)經(jīng)莽草酸途徑得到L-苯丙氨酸，再經(jīng)苯丙烷途徑而產(chǎn)生。目前，大量研究已證實谷物多酚具有抗氧化活性[5]、抑菌活性[6]、抗癌活性[7]、抗炎活性[8]、抗肥胖[9]及調(diào)節(jié)血糖、血脂[10]等功效。谷物中多酚多以酯鍵的形式與細胞壁多糖、蛋白質(zhì)結(jié)合[11]，故而不能充分發(fā)揮其功能活性，因此有必要采用相應(yīng)的富集技術(shù)手段對酚類化合物進行深入研究，促進其開發(fā)利用。

目前谷物中多酚的富集方法主要包括微生物發(fā)酵法和植物代謝法。微生物發(fā)酵法通常是指采用特定微生物，在適宜條件下發(fā)酵產(chǎn)生所需的酶系，再經(jīng)過一系列的代謝途徑得到人們所需的代謝產(chǎn)物。植物代謝法包括生長代謝和應(yīng)激代謝[12]，其中生長代謝法是指植物種子經(jīng)萌發(fā)處理，其體內(nèi)的多種酶被激活，從而促進植物的生長代謝；而應(yīng)激代謝法是借助微波、超聲波、鹽脅迫、紫外照射、超高壓及溫度變化等外界手段處理谷物，激發(fā)谷物為對抗外界惡劣環(huán)境而建立的自我防御機制，從而做出包括基因調(diào)控以及相關(guān)酶的表達等應(yīng)激反應(yīng)，繼而使體內(nèi)生理狀態(tài)發(fā)生變化?，F(xiàn)已有研究證實，采用應(yīng)激代謝法富集酚類物質(zhì)主要是通過調(diào)控莽草酸途徑以及苯丙烷途徑中參與多酚類化合物代謝關(guān)鍵酶的表達來促進目標成分的積累[13]。其中應(yīng)激代謝法以其方便高效且多元化的處理方式受到越來越多的關(guān)注，且與萌發(fā)復(fù)合的技術(shù)手段對酚類化合物代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控效果尤為突出。應(yīng)激代謝法不僅可以達到富集多酚的目的，更多研究旨在提高萌發(fā)谷物的抗逆性，提高谷物的綜合品質(zhì)。經(jīng)非生物脅迫處理后谷物具有更好的萌發(fā)特性和生理生化特性，γ-氨基丁酸、維生素等具有多重功能活性的物質(zhì)也得到有效富集。目前通過微生物發(fā)酵谷物、非生物脅迫谷物萌發(fā)富集γ-氨基丁酸的研究層出不窮，但當前國內(nèi)外學(xué)者針對谷物多酚富集研究缺乏系統(tǒng)性概括和分析，基于此，本文綜述了不同富集方法對谷物多酚積累的研究現(xiàn)狀，以期為富含多酚類化合物的食品開發(fā)利用提供參考。

1 微生物發(fā)酵法富集谷物多酚的研究

近年來微生物發(fā)酵技術(shù)逐漸應(yīng)用于改變谷物多酚組成及含量的研究中，通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生的復(fù)合酶系，如木質(zhì)素水解酶和纖維素水解酶等，能夠破壞植物細胞壁纖維成分的結(jié)構(gòu)或使多酚物質(zhì)與其它物質(zhì)間的共價鍵斷裂，從而促使酚類物質(zhì)的釋放或轉(zhuǎn)化，進而影響其生物活性[14]。研究表明微生物發(fā)酵也有利于次生物代謝途徑的進行如苯丙烷代謝途徑，從而促進酚類物質(zhì)的累積。劉善鑫[15]利用冠突散囊菌對燕麥進行發(fā)酵處理，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后燕麥中的多酚、黃酮及阿魏酸含量明顯提高，分別提升為未發(fā)酵燕麥的2.3倍、2.7倍及4.3倍，且體外抗氧化能力也有明顯提高。同時阿魏酸含量與苯丙氨酸解氨酶、阿魏酸含量與阿魏酸酯酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。黃士淇[16]等人研究發(fā)現(xiàn)米根霉、米曲霉、少孢根霉等常見菌種發(fā)酵后的墨江紫米總酚、總黃酮及體外抗氧化活性在適宜的發(fā)酵時間內(nèi)均有明顯提高。Dey等人[17]研究證實采用米根霉RCK2012固態(tài)發(fā)酵處理小麥能夠很好地提高酚類化合物從基質(zhì)中釋放的效率。除利用單一菌株發(fā)酵富集多酚外，許多研究者也采用了復(fù)合菌種發(fā)酵技術(shù)，且效果良好。劉燕[18]利用紅曲霉和枯草芽孢桿菌混合菌種對燕麥進行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后燕麥中總酚和總黃酮含量分別提高為未發(fā)酵燕麥的30.2倍和8.3倍，且發(fā)酵過程中酚類物質(zhì)含量的變化與α-淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶的活力變化呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

這些研究表明微生物發(fā)酵能夠顯著提高酚類物質(zhì)的含量及其生物活性，且與發(fā)酵過程中微生物代謝的系列酶活動密切相關(guān)。但目前應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)富集食品原料中的生物活性物質(zhì)的相關(guān)研究大多集中在提高活性物質(zhì)含量及生物效能，且不同菌種的發(fā)酵能力不盡相同，缺乏發(fā)酵富集酚類物質(zhì)的組成變化及相關(guān)機理的研究，造成發(fā)酵技術(shù)利用率低，難以實現(xiàn)工業(yè)化。隨著國內(nèi)外學(xué)者對多酚研究不斷深入，發(fā)酵富集植物多酚的機制還需進一步明確，且在靈敏度、通量及選擇性等相關(guān)性能不斷進化的背景下，代謝組學(xué)技術(shù)也將成為相關(guān)科研工作者探索研究的重要手段。

2 生長代謝法富集谷物多酚的研究

萌發(fā)是一種有效改善和增強谷物種子組織結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)特性及感官品質(zhì)的方法。谷物在適當?shù)臏囟葷穸葪l件下萌發(fā)能夠加速體內(nèi)各類生化代謝反應(yīng)的進程，并促進其營養(yǎng)品質(zhì)的提升，且其中的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)在萌發(fā)產(chǎn)生的蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶的作用下降解為小分子的氨基酸、葡萄糖等，因此更容易被人體消化吸收。此外，有研究證明萌發(fā)后谷物中的維生素含量也提高為原來的十幾倍[19]，且萌發(fā)后植物中的活性成分如多酚、GABA等含量也有所提高[20]，同時萌發(fā)后一些有毒有害物質(zhì)以及抗營養(yǎng)因子的含量也有降低[21]。

Xu等人[22]研究發(fā)現(xiàn)薏仁種子萌發(fā)后具有更高的游離酚、總酚、類黃酮含量以及體外抗氧化活性，其中以游離態(tài)形式存在的多酚和類黃酮含量分別增加了112.5%和168.3%。Tian[23]等人研究發(fā)現(xiàn)發(fā)芽糙米比糙米含有更高的游離酚酸含量，結(jié)合酚含量也從糙米的18.47mg/100g增加到發(fā)芽糙米的24.78mg/100g。其中阿魏酸的含量由未發(fā)芽糙米的0.32mg/100g增加到0.48mg/100g，成為萌發(fā)糙米中最主要的酚類化合物單體；芥子酸含量也由0.02mg/100g增加到0.21mg/100g。朱雪洋[24]等人研究發(fā)現(xiàn)青稞萌發(fā)后總酚、總黃酮含量均有顯著提高，且FRAP還原能力、DPPH·自由基和ABTS+·自由基清除能力也有明顯提高。此外研究表明萌發(fā)藜麥中阿魏酸、對香豆酸、香草酸及對羥基苯甲酸等主要酚類化合物的含量均有提高[25]。目前，研究證實了萌發(fā)能夠促進多酚類化合物的釋放，且能夠顯著提高其生物活性，但其萌發(fā)機理還需進一步研究。

3 應(yīng)激代謝法富集谷物多酚的研究

應(yīng)激代謝法通常是指利用非生物脅迫手段對谷物進行處理，使其生理狀態(tài)發(fā)生變化，嚴重時會導(dǎo)致性狀的改變。常見的非生物脅迫類型有：溫度脅迫(高溫脅迫和低溫脅迫)、水分脅迫、鹽脅迫、超聲脅迫、紫外脅迫、微波脅迫、等離子體脅迫和金屬脅迫等。采用非生物脅迫手段干預(yù)谷物正常生理代謝，可以有效提高一些有益的植物次生代謝物質(zhì)含量及其生物活性。

3.1 超聲波脅迫富集多酚技術(shù)

超聲波是一種頻率高于20KHz的機械波，由于其在傳播介質(zhì)中產(chǎn)生的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)及機械效應(yīng)等多種物理化學(xué)效應(yīng)，使植物在超聲波刺激時會受到不同程度的熱和力的影響，進而引發(fā)其生理生化反應(yīng)進程的改變。超聲波用于天然活性成分的提取時，能夠加速活性成分進入溶劑，提高提取率，有效縮短提取時間[26]。此外，研究發(fā)現(xiàn)將超聲波技術(shù)應(yīng)用于功能性成分的富集時效果也非常顯著。Ding等人[27]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以提高燕麥中蒽酰胺的含量，其抗氧化活性也從39.34%增加到超聲處理樣品的67.84%。雷月等人[28]對發(fā)芽黑糙米進行超聲波輔助噴霧加濕法處理，發(fā)現(xiàn)在超聲波功率為144W，超聲時間為45min以及超聲溫度40℃的條件下，發(fā)芽黑糙米中的多酚含量明顯提高，而超過一定的超聲條件，多酚的積累量逐漸趨于平緩甚至下降。張祎等[29]在糙米發(fā)芽不同階段進行超聲波處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲處理組發(fā)芽10h后多酚含量顯著增加，且超聲發(fā)芽組比對照組多酚含量提高了8%，研究表明超聲波處理能縮短發(fā)芽時間，促進多酚的積累。

當前研究中關(guān)于超聲波對于酚類物質(zhì)的影響機制尚不明確，而值得注意的是，過度的超聲處理反而會引發(fā)活性氧的過度積累，導(dǎo)致某一類結(jié)構(gòu)的多酚類化合物氧化失活[30]。Fonteles[31]研究發(fā)現(xiàn)在相同的超聲功率下，低溫短時處理組的多酚降解率明顯高于高溫長時處理組，這可能是因為超聲波空穴效應(yīng)使水分子產(chǎn)生羥自由基，因而消耗了部分多酚[32]。因此，在后續(xù)研究中應(yīng)進一步明確超聲波富集多酚類化合物的工藝及機制，為超聲波技術(shù)的應(yīng)用提供理論支撐。

3.2 微波脅迫富集多酚技術(shù)

微波是一種波長介于1mm-1000mm之間的電磁波，其頻率為300MHz-3000GHz，具有多種生物效應(yīng)。據(jù)報道微波作用于植物時發(fā)出的電磁波能夠?qū)毎a(chǎn)生一定的電壓力，影響細胞壁以及各細胞器的正常運作，從而影響到植物的生理代謝過程[33]。Wang[34]等人研究發(fā)現(xiàn)適當?shù)奈⒉A(yù)處理能夠一定程度提高苦蕎種子的萌發(fā)率，且對總黃酮含量及體外抗氧化活性具有明顯的提升效果。陳培棟[35]對糙米進行微波處理，結(jié)果顯示當微波條件為4.0KW/Kg，處理時間為60s時，糙米中總黃酮和總多酚含量最高，其含量均提高為未處理糙米的50%，且抗氧化活性也保持較高水平。汪建飛[36]的研究表明適當?shù)奈⒉ㄌ幚碛欣诳嗍w芽中多酚類物質(zhì)的富集，如微波300W、75S的條件下蕎麥芽的總酚和總黃酮分別比對照組提高了20.58%和14.12%。但過高的功率(350W)或時間(120S)都會使總黃酮含量驟減，可能是因為破壞了PAL黃酮合成途徑中相關(guān)酶的活性。

3.3 紫外脅迫富集多酚技術(shù)

研究表明適當?shù)淖贤饩€處理對酚類化合物尤其是黃酮類物質(zhì)具有明顯的積累效果，主要是通過影響合成途徑中相關(guān)基因及酶的表達所致。Huang等人[37]研究發(fā)現(xiàn)UV-B輻射是一種有效的非生物誘導(dǎo)子，UV-B照射處理可顯著改變苦蕎毛狀根中PAL、CHI、CHS、F3H和FLS-1的轉(zhuǎn)錄豐度。生長期的苦蕎芽經(jīng)UV-B輻射處理后，蘆丁及槲皮素含量有明顯增加。陳旭等人[38]以波長為310nm的紫外燈管為UV-B光源處理發(fā)芽大豆，發(fā)現(xiàn)紫外輻照能有效促進發(fā)芽大豆異黃酮的積累，同時也發(fā)現(xiàn)PAL活力與大豆異黃酮含量的上升趨勢呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)不同波段的紫外線處理對多酚積累的效果存在差異，且UV-B處理的積累效果更好。Tsurunaga等[39]采用不同波段的紫外線對萌發(fā)蕎麥進行處理，發(fā)現(xiàn)300nm的UV-B能夠顯著提高蕎麥芽中花青素和蘆丁的含量，其DPPH自由基清除能力也有明顯提高，UV-A效果次之，而260nm的UV-C卻導(dǎo)致了蕎麥芽的枯萎死亡。董新純[40]研究發(fā)現(xiàn)低劑量的輻照更利于類黃酮的形成和維持，可能是因為高劑量的紫外輻照產(chǎn)生了過度的活性氧破壞細胞結(jié)構(gòu)和生物大分子。

目前紫外脅迫植物生長富集黃酮類物質(zhì)的研究主要集中在富含黃酮類化合物的豆科、薔薇科、菊科、葡萄科及柑橘類水果中。在谷物中的相關(guān)研究主要包括蕎麥以及豆類谷物，而一些含有較高的黃酮類化合物含量的谷物如高粱、青稞等相關(guān)研究較少。此外由于紫外線處理是否存在輻射殘留，且對人體健康尚不明確，因此，該方式在實際生產(chǎn)應(yīng)用中利用率較低。

3.4 鹽脅迫富集多酚技術(shù)

鹽脅迫是指谷物在高鹽濃度的環(huán)境下由于細胞滲透勢的改變影響到細胞穩(wěn)態(tài)，從而影響到其正常的生理代謝。Yin等人[41]研究發(fā)現(xiàn)褪黑素聯(lián)合氯化鈉脅迫萌發(fā)大麥能夠顯著提高對香豆酸、阿魏酸、羥基苯甲酸及總酚酸的含量，同時提高了PAL和C4H的酶活性，而且上調(diào)了它們在萌發(fā)過程中的相對基因表達量。馬燕[42]研究發(fā)現(xiàn)濃度為60mol/L的NaCl脅迫大麥萌發(fā)后對羥基苯甲酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、香豆酸、阿魏酸和芥子酸7種酚酸含量顯著增加，且抗氧化能力也有一定程度的增強。Lim等[43]探究蕎麥芽經(jīng)1、3、5和7d鹽脅迫后其營養(yǎng)品質(zhì)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同濃度的NaCl(10、50、100和200mol/L)溶液處理能夠促進蕎麥芽中酚類化合物和類胡蘿卜素的含量增加，且通過NaCl溶液處理提高了蕎麥芽的抗氧化活性。上述研究表明適當?shù)柠}脅迫能夠誘導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物的積累，這主要是由于谷物在鹽溶液的環(huán)境下體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基，產(chǎn)生一定的氧化壓力，從而激發(fā)植物的抗逆境防御機制。但當鹽溶液濃度達到一定閾值時鹽離子可能會對谷物產(chǎn)生毒害作用，反而影響到谷物的正常生長發(fā)育。

3.5 溫度脅迫富集多酚技術(shù)

不同程度的環(huán)境溫度脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[44]。低溫冷害是自然界中常見的一種自然災(zāi)害，作為一種連通逆境與植物抗逆境防御機制的信號因子，活性氧的產(chǎn)生能夠進一步刺激多酚、黃酮等抗氧化物質(zhì)的生成[45]。Jin等[46]人研究發(fā)現(xiàn)苦蕎在低溫脅迫處理后對羥基苯甲酸和阿魏酸在低溫處理8天后分別提高為對照組的1.25倍和1.54倍，同時發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸途徑的關(guān)鍵基因PAL、C4H和4CL在冷脅迫后表達水平明顯上調(diào)，其誘導(dǎo)水平分別超過3.3倍、3.2倍和3.1倍。Swigonska等人[47]發(fā)現(xiàn)大豆中的酚類化合物代謝活動在應(yīng)對寒冷和滲透脅迫時大大加強，并在解除脅迫恢復(fù)期內(nèi)保持在較高水平。從上述研究中發(fā)現(xiàn)，在維持植物穩(wěn)定的生理特性及正常生理代謝條件下，適當?shù)臏囟让{迫確實能夠有效誘導(dǎo)植物活性物質(zhì)的產(chǎn)生。但目前利用低溫逆境刺激植物多酚代謝產(chǎn)生的研究主要集中在煙草及茶葉等植物中，對谷物的相關(guān)研究較少。可能是植物葉片具有更多的感官細胞，在低溫環(huán)境下具有更為靈敏的感應(yīng)度，更容易激發(fā)植物的抗逆境防御機制，而低溫冷害對萌發(fā)谷物是否具有同樣的功效有待研究。

4 總結(jié)與展望

多酚作為谷物中重要的活性物質(zhì)，多與多糖、蛋白、淀粉、纖維等大分子結(jié)合，存在形式以結(jié)合態(tài)為主，多數(shù)被細胞壁束縛，不能直接提取出來，通過不同富集手段能夠有效釋放其結(jié)合態(tài)多酚物質(zhì)，促進其開發(fā)利用。近年來對于谷物中多酚的富集研究大多以微生物發(fā)酵法、生長代謝法及應(yīng)激代謝法為主，且目前相關(guān)研究表明發(fā)酵技術(shù)、萌發(fā)技術(shù)、非生物脅迫技術(shù)對谷物多酚的富集具有一定的促進作用，但相同的處理手段對不同結(jié)構(gòu)的酚類物質(zhì)影響不同[48]。值得注意的是超聲波處理對很多谷物多酚的富集具有積極作用，但也有不少研究表明經(jīng)過超聲處理，多酚含量有所下降，有學(xué)者指出超聲波產(chǎn)生的高溫、高壓以及誘導(dǎo)產(chǎn)生的羥基自由基和過氧化氫會氧化多酚，嚴重威脅著多酚的穩(wěn)定性[49]。因此，今后的研究可進一步探究不同富集技術(shù)對多酚提取程度及穩(wěn)定性的影響。此外，目前缺乏關(guān)于谷物多酚富集研究存在不同富集技術(shù)對谷物中酚類化合物代謝途徑相關(guān)酶以及基因的表達與調(diào)控機制、初級代謝系統(tǒng)與次級代謝系統(tǒng)之間調(diào)控樞紐與銜接機制的研究。因此，在后續(xù)研究中應(yīng)更加關(guān)注采用富集方法的方式、劑量及多酚穩(wěn)定性，針對不同谷物選擇最有效的富集方式，并進一步明確富集機制，為精準控制植物酚類化合物的合成及富含酚類化合物食品的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。