谷子营养功能研究进展
时间：2023-04-17 17:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王钰文，袁进成，钟 鑫，姚旭航，范光宇，刘颖慧，赵治海
（1.河北北方学院，河北 张家口 075000；
2.张家口市农业科学院，河北张家口 075000）
广义上谷子有五大类型，分别为糜子（Panicum miliaceumL.）、狗尾草［Setaria viridis（L.）Beauv.］、龙爪粟 （Eleusine coracanaGaertn.）、 珍珠谷［Pennisetum glaucum（L.）R.Br］、稗谷［Setaria italica（L.）Beauv.var.germanica（Mill.）Schrad］。谷子营养均衡、营养价值高，含有丰富的蛋白质、脂肪以及维生素，既是粮食作物又是优质饲料，兼备食用价值和经济价值[1]。谷子产量高、抗旱性强，又是典型的环境友好作物，也有可能成为未来燃料作物。面对日益严峻的环境压力，谷子必将成为战略储备作物，具有重要的社会价值[2]。谷子的栽培期短、需水量少、对不利气候条件适应性强，在贫瘠土地上的生产力比水稻、玉米等其他主要禾谷类作物高。谷子对农业气候的高度适应性使它们非常适于在非洲和亚洲的半干旱地区推广种植。以上特性使谷子在应对未来极端气候变化方面具有明显优势。然而，由于缺乏资金、管理繁琐等方面的因素，谷子被称为“失去关注的作物”，它的很多价值没有被充分开发利用。为满足当前可持续粮食生产、适应气候变化、应对干旱以及人口过剩等各方面的挑战，人们对谷子的研究又产生了浓厚的兴趣并寄予厚望。笔者综述了谷子的营养元素及活性物质，并探讨了谷子的生物可利用性和潜在的健康特性，旨在为综合了解谷子营养和功能特性提供参考。
谷粒的成分分析表明，它含有其他谷物所共有的主要营养物质。谷子中的主要营养物质包括粗蛋白、粗脂肪、碳水化合物，各种成分比例合理，营养价值为禾谷类之首。根据品种、气候条件、生长条件和谷子类型的不同，谷粒通常含有65%～78%的碳水化合物、7%～11%的蛋白质、1.5%～5.0%的粗脂肪（表1）。
表1 谷子的营养成分
谷子的粗蛋白主要包括清蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和谷蛋白等，其含量明显高于玉米、水稻和高粱，据统计谷子的粗蛋白比玉米高8%～60%[3]。不同谷子品种间蛋白含量差异较大，地方种质资源的粗蛋白含量明显优于选育品种[4]。谷子中含有丰富的氨基酸，必需氨基酸含量相对平衡，总含量比水稻、小麦和玉米分别高41%、65%和51%，两种必需氨基酸蛋氨酸和色氨酸含量在谷类作物中最高[5]。精氨酸、苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸等必需氨基酸在谷子中的消化率均高于玉米[6]。
粗脂肪和脂肪酸不仅是谷子的重要营养成分，也与其外观和食用品质密切相关。谷子粗脂肪主要存在于胚的油质体中，含量高于水稻、小麦，低于玉米。我国作物种质资源信息系统中2 038 份谷子品种的粗脂肪含量变化范围在1.2%～6.2%，由于其粗脂肪含量受品种和种植环境影响较大，因此在谷子品种选育中脂肪含量并不是重点选择性状[7]。谷子中的脂肪酸类型多样，主要包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸和花生酸等，其中47%～77%的脂肪酸为亚油酸[7]，这对预防动脉粥样硬化等心脑血管病有一定的效果，也是谷子一个重要的养生功效。但有报道表明，谷子中过多的亚麻酸可能会影响其储藏稳定性，这也可以作为后期谷子耐储藏遗传改良的目标性状[8]。研究表明，珍珠谷富含OMEGA-3 脂肪酸、油酸（25%）、亚油酸（45%）和亚麻酸（4%），这些脂肪酸被认为对健康最有益[8]，因此使珍珠谷广受欢迎。
碳水化合物约占谷子总营养成分的75%，且在品种间差异不大。其中淀粉是碳水化合物的主要形式，包含直链淀粉和支链淀粉两大类，约占谷子干物质总量的60%[9]。谷子富含一种独特类型的抗性淀粉（RS），它被认为是一种维持低血糖指数的功能性食品。RS 类似于可溶性可发酵纤维，可通过提高短链脂肪酸（如丁酸）的产量，帮助人类肠道中的友好细菌生长[10]。丁酸酯在胃肠道健康中起关键作用，有助于预防和治疗结肠癌。RS 有助于减肥和有益于心脏健康，能够降低血压，控制血糖水平、胰岛素敏感性和消化健康。谷子米淀粉通常含有20%～30%的直链淀粉和70%～80%的支链淀粉，淀粉大多含有极性磷脂（占总脂质含量的89%），主要成分是非极性脂质的甘油三酯。这些脂质与淀粉的直链淀粉部分形成复合物，并且由于其疏水键和内聚性，降低淀粉的膨胀能力和流动性[11]，从而使身体更好地吸收营养。
谷子比其他谷物含有更多的纤维。纤维对肠道健康很重要，食物中适量提高纤维摄入可改善肠道健康。纤维在预防心脏病、结肠癌和糖尿病方面具有重要作用。谷子纤维含量高，可以成为肥胖、便秘和胆结石患者的饮食，此外由于其低消化特性，可以增加糖转运时间，从而降低了血液中葡萄糖的运转速率，有助于非胰岛素依赖型糖尿病患者[12]。谷子中的纤维素有助于减少有害胆固醇，同时增加有益胆固醇，它还可以防止胆汁酸的分泌。谷子的纤维素含量较高，有助于减缓食物从胃到肠道的运动，这会使食物消化间隔时间变长，从而防止肥胖。另外，谷子还含有7%～21%的膳食纤维，其中可溶性膳食纤维2.5%和不溶性膳食纤维19.5%[13]。据报告，珍珠粟中的中性洗涤剂（NDF）和酸性洗涤剂（ADF）分别约为140、62 g/kg，ADF 和NDF 水平对动物生产力和畜牧生产是至关重要的[14]。
谷子的微量元素主要由矿物质和维生素组成，谷子富含维生素和人体必需的矿物质元素。谷子含有的维生素包括VA、VB1、VB2、VE 及作为VA 前体的胡萝卜素。研究表明，谷子的VA 和VE 含量显著高于大米、小麦和玉米。谷子VB1、VB2和胡萝卜素含量颇高，VB1含量几乎是水稻和玉米的1.7 倍，是小麦的2.0 倍，胡萝卜素含量更是玉米的2.0 倍[10，15]。我国居民膳食中VB1和VB2摄入量不能满足人体需求，谷子可作为食补VB1和VB2的良好食材。VE 又称生育酚，高含量的VE 是谷子被人们用来病后或生育后补养身体的依据，提高谷子VE 含量也可作为育种的指标之一。亚洲人普遍缺少VA，而食用谷子可以弥补这种缺失[16]。珍珠谷由于含有高的油脂，也是脂溶性VE 的重要来源；
苔芙谷VA 含量较高，是VA 的很好来源[17]。
谷子钙、镁、锌、硒、铜、铁、磷等微量元素含量均高于水稻，锌和硒的含量明显高于玉米、小麦和高粱。缺铁可导致严重的微细胞性贫血和免疫功能受损。PUJAR 等[18]研究表明，谷子铁和锌的含量分别为35～116、21～80 mg/kg。锌是多种酶的辅酶，YAMUNARANI 等[19]对手指谷中的锌浓度进行了评估，结果表明，319 个基因型中的锌含量为10～86 mg/kg。印度科学家通过品种改良将谷子中的锌含量提高到了35～40 mg/kg[20]。硒是人体必不可缺乏的微量元素之一，是许多硒蛋白生物合成中的重要成分，也是保证人体健康的重要抗氧化分子。硒代半胱氨酸已被公认为第21 种氨基酸，在人体参与多种酶功能。硒含量与谷子的产地、籽粒颜色相关，与谷子籽粒中蛋白质含量呈正相关。有报道表明，我国谷子的地方品种硒含量为0.100 3 mg/kg[21]，其中冀谷21 的硒含量高达0.190 0 mg/kg，为我国谷子硒含量最高纪录[22]。
谷子的钙含量是牛奶的3 倍，是小麦、糙米和玉米的10 倍，珍珠谷的钙含量分别为45.6、48.6 mg/100 g[23]。磷是骨骼矿物质基质中的一种重要矿物质，有助于骨骼生长、发育和修复，珍珠谷含有大量的磷[24]。矿物质可以提高人体免疫力，经常食用谷子有助于对抗骨质疏松症，降低骨折风险，调节心脏功能，增强记忆，降低阿尔茨海默病风险，增强肌肉强度[25]。
谷子含有丰富的生物活性物质，近年来越来越受到重视。据报道，谷子中含有的生物活性物质主要包括阿魏酸、槲皮素、阿拉伯木聚糖、阿魏聚糖、木脂素、β-葡聚糖、菊糖、抗性淀粉、甾醇和植酸盐[26]。其中，谷子的多酚类化合物含量较高，具有很强的抗氧化生理功效。谷子含有的多酚类物质清除羟基自由基率高达91%，高于小麦、高粱和大米。这些生物活性物质使谷子具有重要的健康效应，如抗氧化、降血糖、降胆固醇、抗溃疡、抗炎和抗菌特性[27]。不同类型的谷子含有不同的多酚类物质（表2），研究表明，谷子酚更多地存在于种皮中，酚类化合物的分布和浓度因谷子的类型和品种而异，一般来说，棕色或者深色的品种酚类含量要高一些[27]。多酚是植物天然存在的一类高效植物源性抗氧化剂。多酚类物质参与多种生物调节系统而发挥营养作用，可以抵抗氧化应激反应，从而降低慢性疲劳综合征、神经退行性疾病、心血管疾病和镰状细胞贫血的发生率，多酚还参与抗癌、抗炎、抗病毒和神经物质保护作用的免疫过程[28]。谷子含有多种酚类化合物，主要是羟基苯甲酸、羟基肉桂酸和类黄酮[24，29]。羟基苯甲酸构成谷子主要游离酚部分，占谷物酚酸的70%～71%[30]。羟基肉桂酸形成了谷子的大部分结合酚酸，包括咖啡酸、绿原酸、芥子酸、肉桂酸、香豆酸和阿魏酸，它们约占谷物酚酸的30%。其中，阿魏酸是谷子中含量最丰富的结合酚酸，其次是咖啡酸和香豆酸，含量分别为18.60、1.64、1.00 mg/100 g[31]。
表2 不同类型谷子主要多酚类物质
谷子中还含有另一个重要的生物活性物质，即黄酮类化合物，谷物中含有的多种黄酮类化合物通常位于果皮中。谷子中的黄酮类化合物主要包括花青素、查尔酮、氨基酚、黄酮醇和黄酮。据报道，有的谷子品种还含有原花青素，也称缩合单宁，不同颜色的谷子品种单宁含量不同。谷物中常见的6 种花青素是矢车菊素、马尔维纳丁、天竺葵素、飞燕草素、佩图尼丁和牡丹素。缩合单宁的主要功能是保护谷物不受霉菌的影响，防止谷物变质[32]。单宁会降低蛋白质的消化率，降低碳水化合物和矿物质的含量，还具有抗癌、胃保护、抗溃疡和降低胆固醇的特性[33]。
全球人口爆炸、快速城市化、土壤盐碱化、可耕地减少、地下水资源和气候条件恶化，导致粮食短缺问题在干旱和半干旱地区愈加严重，粮食安全迫在眉睫。在全球范围内，谷子是仅次于水稻、小麦、玉米、大麦和高粱的第六大重要谷物作物，广泛种植在亚洲和非洲干旱和半干旱地区[33]。谷子通常被称为“饥荒储备”作物，具有灌溉需求较少、生长和生产力较好的特性，以及较强的气候适应性和广泛的生态适应性，即使在年平均降水量<250 mm，温度高达42 ℃的干旱易发地，也能维持粮食产量[34]。发育不良、消瘦和体重不足/超重是全球儿童营养不良的主要问题，亚洲近一半的儿童都消瘦，同样，有一半的国家超重儿童人数激增，其原因主要是营养物质不均衡，其中铁和锌缺乏是最严重的。与其他谷物相比，谷子是一种营养丰富、增产潜力巨大且未充分利用的作物，由于它能提供30%～40%的无机营养素，并可提供价格合理的主食及充足的铁和锌，因此具有消除发展中国家微量营养素缺乏症的巨大潜力[25]。珍珠谷在纤维、钙、铁、锌、磷和钾含量等营养价值方面优于水稻和小麦[16]，通过生产富含营养元素的谷子，可以立即解决营养不良问题。国际农业研究咨询小组（CGIAR）针对营养素不足实施生物强化挑战计划（BCP），铁、锌和VA 生物强化是一种经济上可行的基于食品战略安全的计划，通过将营养丰富的作物带到资源贫乏地区来解决营养不足和营养不良者的“隐性饥饿”问题[35]，可以在世界粮食问题上具有重要意义。谷子之所以被选为生物强化遗传改良的一个非常有前景的作物，是因为在非洲和亚洲资源贫乏的国家，谷子是能量的主要来源。乳糜泻是一种由食用麸质引发的遗传易感问题，全球范围内，患有麸质过敏症的人数正在增加，尤其是在发达国家，这些患者不能食用小麦、大麦或黑麦制品，麸质过敏症患者对无麸质食品和饮料的需求日益增长，无麸质谷物需求正在急剧增加。因为谷子与小麦、大麦或黑麦不同，它不含麸质[17]，因此，食用谷子能够减少含有麸质的普通谷物引起的刺激，可以为乳糜泻患者提供正常饮食。
谷子的作用还远远没有深入开发和研究，因此首先应该对所有的谷子种质资源进行筛选，以了解谷子营养物质的遗传多样性，然后必须通过育种/快速育种技术利用这种自然变异。如利用育种策略，在高产性状的背景下，印度培育出了高铁（70～75 mg/kg）、高锌（35～40 mg/kg）的珍珠谷，这些谷子不仅保证了极端气候条件下的粮食安全，还能够在防止营养不良中发挥重要作用。此外，必须在目标群体中仔细研究谷子的生物功效和生物利用度，可以利用遗传资源和基因组序列识别候选基因，以及利用CRISPR-Cas9 技术来改善谷子营养品质，从而为安全的食品、饲料和食品工业铺平道路。总之，随着人们消费结构转型升级，改良谷子品质性状，使其具有较高的营养价值和经济价值将是谷子育种的热点课题。
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