全谷物的营养与健康调控

全谷物的营养与健康调控

全谷物是指“完整、破碎、破碎或压碎的谷物。基本组成包括淀粉酶、胚胎芽和皮层，每个组成部分的相对比例与完整的水果相同。”。全谷物食品由于高膳食纤维、低脂肪、低饱和脂、低胆固醇和低热量,具有一定的保健功能。过去十几年中,世界各国掀起了研究、消费全谷物食品的巨大浪潮,美国农业部呼吁美国人至少每天要吃3次全谷物食品,我国粮油工业“十二五”发展规划也明确提出要推进全谷物营养健康食品的研发和产业化。虽然近年来我国居民生活方式和饮食习惯有所改善,但整体营养健康状况不容乐观,营养缺乏和营养过剩同在,营养缺乏病和营养过剩相关的慢性病并存,在我国推广全谷物食品将是全民膳食结构的一次健康回归。营养基因组学研究认为,几乎所有的营养素都参与了基因的表达和调控,膳食因素与基因因素的相互作用对机体健康具有重要的影响。全谷物中由于富含膳食纤维、维生素、矿物元素和类胡萝卜素、叶酸、维生素E、甜菜碱、胆碱、植酸、木质素、木酚素、β-葡聚糖、甾醇等植物化学素,长期摄入,可有效降低心脑血管疾病、癌症、Ⅱ型糖尿病等慢性疾病的危险,同时有助于体重控制,全谷物已经成为一种重要的食品和食品原料。本文综述了全谷物中的营养因子及其对人体健康的调节机理,以期为全谷物食品进一步的深入研究和食品加工过程对这些营养素的保护提供参考依据。1全谷物食品的组成谷物自身的结构、组成和空间关系,表明其主要由淀粉质胚乳、胚芽、皮层3部分组成,具体如图1所示。全谷物食品含有所有这些成分,且比例保持一致。而精制粉中则主要是淀粉质胚乳,根据加工精度的不同,可能含有极少量的胚芽或者皮层部分成分,加工精度越高,营养成分损失也越严重。1.1营养方面的免疫活性以小麦为例,胚乳是谷物籽粒的最大植物组织,富含淀粉、蛋白质、β-葡聚糖、戊聚糖和少量的脂质、核酸和矿物质,它不仅是人类主要的食物来源,也是面筋蛋白质、麦芽糖和可溶性纤维的主要原材料。根据溶解性的不同,胚乳蛋白可分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白。其中醇溶蛋白和谷蛋白是贮藏蛋白,因其中的谷氨酸、脯氨酸等氨基酸组成和二硫键,赋予了面团特殊的凝聚性和弹性。然而,贮藏蛋白中特殊的谷氨酸和脯氨酸序列,产生了不必要的免疫活性。小麦蛋白,特别是麦醇溶蛋白和麦谷蛋白,能与金属离子、脂质和一些疏水性的信号分子结合,提高了其热稳定性和抗酶水解特性,导致大部分腹腔病患者的病情加剧,引发溃疡性结肠炎。产生这一现象的主要原因是来自胃肠道的转氨作用,在富含脯氨酸的面筋肽段,转胺酶把谷氨酰胺转化谷氨酸,这种蛋白质结构的改变刺激了宿主的免疫系统。动物模型研究表明,采用内切酶切断富含脯氨酸的醇溶蛋白肽段,可以显著降低这种免疫活性,这样一来,去除对面包体积有重要影响的脯氨酸、谷氨酰胺肽段,对面包生产者来说也将是一个新的挑战。胚乳细胞壁是膳食纤维的重要来源,燕麦和大麦中可溶性纤维由于其能够降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-胆固醇)、减少餐后血糖和胰岛素含量、延缓胃排空作用,已受到许多研究者的关注,研究表明,在结肠消化的可溶性膳食纤维,产生短链脂肪酸,刺激胃肠道的免疫系统,使淋巴的CD4/CD8+T细胞增加。β-葡聚糖是由β-(1,3)和β-(1,4)糖苷键连接葡萄糖单元形成的线性聚合物。黑麦和燕麦中的可溶性β-葡聚糖已经用于刺激单核细胞以产生肿瘤坏死因子(TNFa)和白细胞介素1(IL-1),活化巨噬细胞、嗜中性白血球,清除体内变异细胞和细胞碎片,控制有传染性的病原、胰岛素敏感性以及与心血管疾病和肥胖相关的炎症。1.2麦胚凝集素和氨基酸胚芽是胚体在最适生长环境下发芽而成的,含有多种营养成分,包括碳水化合物(45%,蔗糖、戊聚糖)、蛋白质(25%,清蛋白、球蛋白)、脂类(10%)、核酸(4%)和少量的酶(如植酸酶)。胚芽蛋白含有人体必需的8种氨基酸,其中亮氨酸、苏氨酸、赖氨酸等氨基酸含量较高,此外,小麦胚芽中各类氨基酸的构成比例与FAO/WHO推荐的模式值以及大豆、牛肉、鸡蛋的氨基酸构成比例也非常接近。胚芽中脂类物质主要是亚麻酸、亚油酸、油酸、棕榈酸和磷脂,其中不饱和脂肪酸含量高达84%,血清中亚油酸含量的高低又直接影响到动脉粥样硬化的发生,所以胚芽是一种理想的营养油脂补充剂。胚芽比胚乳的成分更为复杂,其中含有较多的微量营养元素,如B族维生素、矿物元素镁、磷、钾、锌、铁等和多酚化合物。麦胚凝集素与脂肪细胞反应,能激活葡萄糖氧化酶,降低血糖含量,与细胞膜血型糖蛋白上的NcuNAc和GlcNAc结合,能封闭并阻止恶性疟疾裂殖子的识别附着,抑制其入侵红细胞。目前,已被证实胚芽中存在大量的抗氧化剂和抗菌化合物,但还有很多仍不能鉴别。1.3糖、胰岛素和植物雄激素皮层是在谷物中最复杂的组织,其中含有多种高浓度的生物活性物质。皮层中至少含有7种不同的组织,每种都含有不同的组分和生物活性物质,包含了大量的水溶性和水不溶性的膳食纤维,主要以戊聚糖、细胞壁纤维素和交联β-葡聚糖的形式存在。皮层储存的甾醇类和植物雄激素,在与荷尔蒙相关的癌症中,发挥着重要的作用。糊粉层,占重量皮层的50%~70%,是已知天然烟酸最丰富的来源,同时还含有许多B族维生素、矿物质、富含精氨酸和赖氨酸的蛋白质、不饱和脂肪酸以及集中主要的抗氧化剂桂皮酸、黄酮类物质、维生素E、木质素、花青素和原花青素等。糊粉层是所有谷物和全谷物产品的生物活性物质的主要来源,然而皮层由于其特殊的组织结构,也是谷物中难以消化的成分,并且抗氧化剂含量的升高使其产生苦味、颜色变深而难以直接食用,也是全谷物食品开发要解决的重点内容。2其它营养健康因子全谷物几乎含有影响人体健康的所有营养素,除了蛋白质和淀粉外,其它的营养健康因子主要存在于其胚芽和皮层中,下面对其中部分营养素及其生物活性做简单综述。2.1纤维素与同型半胱氨酸维生素E是一种脂溶性维生素,是最主要的抗氧化剂之一,可以改善动物和人类体内的各种氧化应激参数。最近的研究表明维生素E预处理引起的氧化应激可以保护大鼠免受肝致癌物质N-亚硝基二乙胺的影响,给肥胖大鼠喂食含有维生素E的食物小麦胚芽、小麦胚芽油或早餐麦片,其血浆中8-异构前列腺素F2α含量会显著减少,谷物中维生素E的生物利用率相当令人满意。全谷物玉米和黑麦中含有丰富的维生素E,而小麦、大麦、燕麦、小米、高粱和荞麦维生素E含量相对较少。维生素E主要分布在谷物的胚芽中,每100g小麦胚芽含有大约25mg维生素,谷物加工精度越高,维生素E损失就越严重。谷物皮层中含有丰富的B族维生素。烟酸和其他水溶性B族维生素如硫胺素、核黄素、叶酸、泛酸构成了糊粉层维生素的主要成分,大多数烟酸作为酯质复合物存在于糊粉层中,简单的预处理能够切断与烟酸连接的酯键,可以提高烟酸生物利用率,尽管如此,烟酸及其复合物仍然具有较强的抗氧化性。叶酸能够有效降低血浆中同型半胱氨酸的浓度,减少同型半胱氨酸血症引起的心血管疾病,与小麦相比,黑麦和玉米中的叶酸含量较高。大米、玉米、小麦等谷物的皮层的去除,会直接导致饮食缺陷综合症,如脚气病和糙皮病。2.2“植酸晶体混合物”对面包品质的影响谷物中大多数矿物质是以植酸晶体复合物的形式存在其皮层和胚芽中,因谷物种类和存在位置的不同,含量差别也很大,小麦中的矿物质主要集中在其糊粉层中。典型的植酸晶体复合物由一个富含磷酸盐的肌醇骨架螯合金属离子组成,包括钾、镁、钙、铁、锌和钠。也正是因为植酸的这种螯合作用,降低了矿质元素的生物利用率,而谷物自身的植酸酶发酵过程又可以降解植酸,释放矿质元素,如在pH值5.0~5.5条件下,面包发酵时会分解植酸,从而显著提高了其中铁和锌的生物利用率。由于矿质元素主要存在于谷物的皮层中,全谷物比精制谷物含有更多的矿物质,弥补了植酸带来的不利影响,而精制过程会损失70%的铁,75%~80%的锌和锰。2.3小麦中木酚素的氨基酸木酚素也是全谷物的主要组成部分,占皮层重量的3%~7%,由4种醇单体(对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物。由于其具有雌激素样生理效应,也成为一个重要的膳食组成部分。木酚素能够在哺乳动物细胞中结合雌激素受体,从而改变荷尔蒙的平衡,研究表明,摄入含有木酚素的膳食有助于降低乳腺癌和前列腺癌的发病风险,也可能减少冠心病的危险性。最近在黑麦麸皮中发现了高浓度的左旋落叶松脂醇、右旋异落叶松树脂酚、松脂醇、消旋-丁香树脂酚等木酚素,而小麦中的木酚素却主要集中在糊粉,MazurW和AdlerkreutzH研究指出糊粉层中的开环异落叶松树脂酚和马台树脂醇值是全麦淀粉的10倍,是胚乳淀粉的40倍,更重要的是,开环异落叶松树脂酚和马台树脂醇值只占小麦麸皮总木酚素含量的5%,其他的如丁香脂素则更加丰富,小麦麸皮,尤其是糊粉层,是小麦中木酚素的主要来源。木酚素也是有效的抗氧化剂。长期以来,人们一直认为木酚素在消化道内没有生物活性。然而,它们的多酚结构赋予了其潜在的抗氧化能力,研究表明大鼠可以代谢木酚素在肠道内生成哺乳类动物木脂素。喂食年轻大鼠木酚素开环异落叶松树脂酚二葡萄糖苷表明,木酚素代谢产物肠二醇和肠内酯有很好的抗氧化效果。2.4玉米中植酸的分布植酸(肌醇六磷酸)是谷物中主要的磷化物,主要分布在谷物的皮层,尤其是糊粉层。小麦和大米中84%~88%的植酸分布在糊粉层,胚芽部分植酸约占10%,而淀粉质胚乳几乎不含植酸,玉米与其他谷物不同,88%的植酸聚集在胚芽部分。长期以来,人们一直认为植酸是一种抗营养因子,必须从谷物中将其去除,因为它具有很强的螯合矿物元素能力,然而,其潜在的抗氧化性也已经得到公认。由于植酸具有螯合自由铁的能力,在体内是一个有效的抗氧化剂,它能够抑制铁催化氧化反应、脂质过氧化和黄嘌呤氧化酶诱导超氧对DNA产生损伤。同样,植酸可降低结肠癌的发病率,并防止其他肠道炎症性疾病的发生。2.5ars生物活性烷基间苯二酚(ARs)只存在于谷物的皮层中,胚乳中不含有ARs,利用这种性质,可以将ARs作为全谷物的一种生物标记。在众多谷物中,小麦和黑麦及制品中ARs含量较高,大麦和荞麦中也含有一定量的ARs。ARs的生物活性与其烷基链链长有关,链长越长,溶解性越差,其生物活性也相对较低。ARs具有抗氧化性,并且在生物膜中抗氧化性相对较高,是由于ARs苯环上两个间位的羟基具有清除自由基和给出质子的能力,在生物膜上时,它能够插入到膜中,与相邻的磷脂以氢键的方式结合,增强了其抗氧化性。微摩尔浓度的谷物烷基间苯二酚,就可以保护红细胞膜以免发生过氧化氢诱导的脂质过氧化,然而,ARs很容易在挤压、发酵或烘烤过程中分解。2.6玉米和小麦中类胡萝卜素含量的差异全谷物中的类胡萝卜素主要是指叶黄素、玉米黄质、β-隐黄素,α-胡萝卜素和β-胡萝卜素,这些物质在谷物生长过程中主要是提供颜色并保护谷物机体减少内部的氧化损伤。所研究的全谷物中,玉米的类胡萝卜素含量相对较高,达1515μg/100g,其中,叶黄素和玉米黄质含量最高,而小麦中则含有更多的叶黄素。Adom等研究了11种不同的软质和硬质小麦品种中类胡萝卜素的分布情况,发现3种硬质小麦的叶黄素含量在26~143μg/g,8种软质小麦的叶黄素含量在80~110μg/g,11种小麦中玉米黄素含量在8~27μg/100g,β-隐黄素的含量则是1.0~13.5μg/100g。这种品种之间营养素的差距,可以指导育种工作者开发出营养价值更高的全谷物产品。2.7结合式纤维素图1谷物是酚酸类物质的重要原料,谷物种类不同,酚酸的含量也不同,其中玉米中酚酸含量较高,大米、黑麦中含量相对较少。谷物中的酚酸以游离和结合两种形式存在,其中绝大多数以结合形式存在(玉米85%、小麦75%、燕麦75%、大米62%)。香豆酸、原儿茶酸、没食子酸、咖啡酸,芥子酸主要以游离态存在,而阿魏酸主要以结合形式存在,这些都是潜在的抗氧剂。最近研究表明,谷物中的酚酸类物质可能激活或抑制某种特定基因,通过转录子(如激活Nrf2),表达出新的抗氧化剂如谷胱甘肽,起到抗氧化作用。此外,阿魏酸等酚酸类物质在结肠内被吸收后,会以其共轭形式(如葡萄糖醛酸)跨越结肠上皮细胞在血浆的水相中发挥其抗氧化作用。2.8不同麦粉层的哌醇水平传统理论认为,植物甾醇主要存在于大豆油、菜籽油、葵花籽油等植物油中,而最近的证据表明,小麦和其它谷物的皮层中也含有大量的植物甾醇,小麦糊粉层中的总甾醇水平比其它谷物皮层或全麦粉中要高出很多,而全籽粒黑麦中的甾醇含量可以达到1mg/g以上。美国食品和药品管理局指出,每天摄入1.3~3.4g植物甾醇,可以有效降低血清胆固醇和结肠癌患病率。全谷物含有相当高的甾醇水平(50~100mg/g),可为补充甾醇的有效食品或者食品配料。2.9同型半胱氨酸甲基类化合物抗氧化谷物也含有丰富生物碱,谷物皮层中甜菜碱含量高达1%,焙烤过的小麦胚芽中仍含有152mg/100g的胆碱和1240mg/100g的甜菜碱。作为谷物抗氧化剂,这两种生物碱长期以来一直被忽视。甜菜碱是同型半胱氨酸的甲基供体,可以将其转化为蛋氨酸,而高浓度的同型半胱氨酸是心血管疾病的危险因素,并导致氧化应激反应,甜菜碱的存在会降低体内同型半胱氨酸的含量,增加蛋氨酸的供应。胆碱作为甜菜碱的前体,也同样参与了机体的氧化防御。谷物中类似的生物碱在体内氧化防御方面潜在的作用仍需要进一步研究。3全谷物养分的调节机制是人体健康3.1纤维在人体中的作用合理的膳食摄入是控制体重、保障健康的重要前提,全谷物食品是控制体重的首选膳食。有数据显示,体重增加与全谷物摄入量之间呈显著的反比关系。一项针对74091位女性为期12年的健康研究报告表明,每天增加全谷物摄入量的女性比普通女性平均体重减少1.5kg左右。全谷物含有大量的膳食纤维,膳食纤维进入人体后,通过刺激胃肠激素调节内分泌系统,增加胃肠道消化膜黏度,从而减缓进食速度。膳食纤维具有吸水作用,在胃肠道中吸收水分后,体积增大,增加人体的饱腹感,减少了人体对脂肪和糖摄入量,达到控制体重和减肥的目的。人体的荷尔蒙水平会在餐后发生变化,刺激机体产生饥饿感,诱发易感个体食物量的增加,全谷物对体重的调节就是因为摄入其中的低能量密度膳食纤维,形成饱腹感,减少了总能量摄入。机体摄入食物后,通过刺激胃肠道内相应受体,释放胃肠激素如胆囊收缩素(CCK)或者胃泌素。CCK是由短肽瘦素、酪氨酸和苯丙氨酸组成,可作为短期食欲控制剂使用。研究表明,高纤维含量的谷物膳食与低纤维食物相比,能在更大程度上刺激肠胃生成CCK。此外,碳水化合物与高血糖增加了胰岛素的需求,而膳食纤维能够降低血清胰岛素和血糖浓度,改变胰岛素的敏感性,从而减轻胰岛β细胞负担,使胰岛得以修复,保持人体内血糖水平稳定,这也间接起到控制体重增加的作用。3.2对心血管的作用全谷物中的活性成分,如膳食纤维、维生素、矿物质、抗氧化剂、木酚素、植物甾醇等,会通过糖、血脂、脂蛋白的代谢以及血管内皮功能影响心血管的健康,每天摄入3份全谷物食品,可以降低29%心血管疾病的患病风险。全谷物食品富含可溶性纤维和植物甾醇,大量研究表明,人体内低密度脂蛋白(LDL)胆固醇含量与可溶性纤维的摄入量成反比。可溶性纤维会在消化道内形成类似胶状的物质,与胆固醇结合,阻碍了胆固醇的再吸收,减少了低密度脂蛋白的合成,进而导致肝低密度脂蛋白受体的负转录调控。另外,植物甾醇也会与胆固醇竞争酯化酶,使之不能酯化,减少肠道对胆固醇的吸收,并通过促进胆固醇异化或在肝脏内阻止胆固醇的生物合成等途径,降低血清胆固醇含量。因此,全谷物摄入可以作用于大量的脂质中间体(包括低LDL-胆固醇、HDL-胆固醇和甘油三酯),有益于心血管健康,减少动脉粥样硬化。血管内皮功能性障碍是动脉粥样硬化病理的早期症状,全谷物可以改善血管反应性和血管内皮功能。全谷物中富含木酚素,可以改善血脂的异常现象,减少心血管病变,有益于血管内皮细胞正常代谢。此外,全谷物还含有丰富的抗氧化剂,如维生素E等,可抑制低密度脂蛋白的氧化,增加NO的生物利用率,从而改善内皮依赖性血管扩张功能。维生素E通过降低黏附分子的表达,阻滞单核细胞的迁移而抑制白细胞黏附内皮细胞。长期补充维生素E还可提高胰岛素的敏感性,这本身也提高糖尿病患者血管内皮功能。除了对胰岛素的敏感性、血脂和血管内皮功能的影响,全谷物食品还可能对人体血压、体内血浆同型半胱氨酸含量等产生影响。总之,全谷物种类繁多,通过食用这类食品,能够从多方面保护心血管的健康。3.3两组小鼠血糖及胰岛素代谢变化全谷物食品有助于预防Ⅱ型糖尿病(T2DM)。流行病学研究发现,长期摄入27%~30%全谷物食品或者28%~37%膳食纤维,可以有效降低T2DM的发病风险。全谷物食品的摄入可以预防T2DM,主要是因为其较低的饭后血糖供应和非消化性碳水化合物。与精制谷物相比,全谷物食品消化速度相对较慢,这会诱发饭后GLP-1应答延迟,减缓了胃的排空速度,降低了单位时间内营养物质的摄入量,从而产生较低的血糖反应。另外,全谷物食品含有丰富的膳食纤维和难以消化的抗性淀粉,这些不易消化的碳水化合物可以通过结肠微生物菌群代谢,生成短链脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸),丁酸盐的增加,提高了外周胰岛素的敏感性,增加了血糖的分解速度。其次,全谷物食品中含有许多微量营养素和植物化学物质,其中有些是强抗氧化剂。最近发现,氧化应激可以诱导胰岛素抵抗。因此,全谷物中的抗氧化剂降低体内的氧化应激,从而可以间接降低Ⅱ型糖尿病的发病率。3.4对肠道生长的影响全谷物食品中多种生物活性物质包括膳