黑米的营养功能及综合利用研究进展

熊艳珍，黄紫萱，马慧琴，程建峰

（江西农业大学农学院，江西南昌 330045）

黑米是一种有色大米，因其麸皮富集的花色苷呈黑色或黑褐色而得名[1]。黑米是古老而名贵的特色水稻品种，在我国种植历史悠久，始于公元前145年，由2000多年前汉武帝时的张骞最先在陕西洋县发现[2]。在世界黑米资源411个品种中，我国拥有373个（占90.8%），其余分布在东亚和西亚；我国2018年产14887万吨，居世界首位，约占世界的1/3以上[1]。

黑米大多数表皮乌黑发亮，少数为紫色或红黑色，营养丰富，药食兼用，自古就有“药米”、“贡米”“黑珍珠”“世界米中之王”的美誉，最具代表性的有陕西黑米、贵州黑糯米和湖南黑米等[2-3]。近些年来，随着人们生活水平的不断提高和健康意识的不断增强，对药食兼用黑米的需求越来越大，科研工作者取得的相关研究成果也逐渐增多，不再停留在古代中医的“以色补色，以形补形”。本文在大量搜索和全面研读黑米相关文献资料的基础上，从黑米的营养成分、功能特性和综合利用三方面进行较系统地归纳和概述，以期为黑米的深入科学研究提供理论参考，为黑米的深度综合利用提供有益借鉴。

1 黑米的营养成分

稻米的营养成分包括基本营养成分（如淀粉、蛋白质、脂肪）和特殊营养成分（如维生素、氨基酸及有益矿物质）两大类，含量高低主要取决于品种自身的基因及其生长环境[4-5]。

1.1 基本营养成分

稻米蛋白质是低抗原性蛋白，是公认谷类蛋白中的佼佼者，氨基酸含量高，第一限制性氨基酸赖氨酸含量高，是其它植物蛋白所无法比拟的，可与鸡蛋、牛乳和牛肉相媲美[6]；稻米中平衡合理的氨基酸组成符合WTO/FAO推荐的理想模式易于被人体消化吸收，无过敏反应[6]。稻米脂肪多为优质的不饱和脂肪酸或淀粉脂肪的复合物，与维生素A、D、E、F、K共存，能明显降低血脂、血清胆固醇和动脉硬化，改善神经系统障碍[7]。表1表明，黑米的淀粉含量略低于白米，极差（最大值减去最小值）略高于白米，这表明黑米与白米在主食摄取上的最重要成分——淀粉含量上无明显差异，但黑米中淀粉含量的品种间差异略大；黑米的蛋白质、脂肪和不饱和脂肪酸含量明显高于白米，黑米中蛋白质的最低和最高含量分别是白米的1.25倍和1.51倍，黑米中脂肪的最低和最高含量分别是白米的2.96倍和1.56倍，黑米中脂肪的最低含量（2.37%）接近于白米的最高含量（2.50%），黑米中不饱和脂肪酸最低和最高含量分别是白米的3.45倍和2.40倍，黑米中不饱和脂肪酸的最低含量（1.90%）比白米的最高含量（1.73%）还高；这意味着黑米比白米含有较多的蛋白质和脂肪，尤其是不饱和脂肪酸含量。

1.2 特殊营养成分

1.2.1 矿物质 表2显示，黑米和白米中含量最高的常量元素均为P，其次为Mg和Ca，黑米的P、Ca和Mg含量的最低值均高于白米，黑米的P和Mg含量的最高值均小于白米，而黑米Ca含量的最高值大于白米，白米中P、Mg和Ca含量的幅度（极差）分别是黑米的1.53倍、1.06倍和1.66倍，这意味着黑米的P、Ca和Mg含量的分布相对集中，总体含量稳定性高于白米。

黑米中微量元素含量的大小基本为Fe＞Zn＞Mn＞Cu，Fe、Mn、Cu和Zn含量的最小值和最大值都高于白米，最小值分别为白米的3.14倍、1.17倍、1.10倍和1.38倍，最大值分别为白米的1.28倍、1.69倍、3.21倍和1.47倍，且Fe、Mn、Cu和Zn含量的幅度分别为白米的1.17倍、1.14倍、3.45倍和1.54倍（表2）；这表明着黑米的微量元素含量整体高于白米，尤其是Fe和Zn，也从另一个侧面也佐证了黑米自古以来被用于保健的原因，如铁有良好的补血作用、锰能促进骨骼生长改善机体造血功，铜能促进正常黑色素形成及维护毛发正常结构，锌能促进人体蛋白质的合成和消炎抗菌等[4,6]。

表1 黑米和白米的基本营养成分比较[8-14]Table 1 Comparison of basic nutritional components between black and white rice[8-14]

表2 黑米和白米的矿物质含量比较[9,10,12-16]Table 2 Comparison of mineral components between black and white rice[9,10,12-16]

1.2.2 必需氨基酸 由表3可知，黑米中除苏氨酸略低于白米外，其他7种必需氨基酸含量的最小值都高于白米，其高于白米的程度依次为色氨酸（1.55倍）＞蛋氨酸（1.37倍）＞缬氨酸（1.30倍）＞赖氨酸（1.28倍）＞苯丙氨酸（1.18倍）＞亮氨酸（1.16倍）＞异亮氨酸（1.13倍）；表3还表明，黑米中的人体必需氨基酸种类齐全且含量较高，与其他谷类作物比较，必需氨基酸总量基本上更高，明显较高的有蛋氨酸、缬氨酸、色氨酸和苏氨酸，可作为补充人体必需氨基酸的首选谷物来源。

表3 黑米[8-10,12,16-17]和白米[17]及其他谷物的必需氨基酸含量比较（g/kg）Table 3 The contents of essential amino acids for human body between black[8-10,12,16-17], white rice[17] and other grains (g/kg)

1.2.3 生物活性成分 维生素又名维他命，是维持人和动物的正常生理功能且必须从食物中获得的一类微量有机物质，在生长、代谢、发育过程中发挥着不可或缺的重要作用。根据维生素的外源性、微量性、调节性和特异性，大致分为脂溶性（维生素A、D、E、K）和水溶性（维生素B、C、H、P、PP、M、T和U）两大类[28]。从表4可以看出，黑米中含有主要的维生素A源物质——胡萝卜素，而白米中未检出，有利于治疗夜盲症、干眼病及上皮组织角化症，有助于维持免疫功能必需的膜受体状态和免疫调节分子的释放，具有防癌、抗癌、抗衰老、抵抗自由基、治疗心血管病及其他慢性病等作用[29]；黑米和白米中均含有维生素B1和B2，且黑米中的维生素B1和B2含量最高值分别是白米的1.91倍和2.79倍，维生素B1有助于消化、缓解疲劳、促进神经系统正常活动、减轻晕车、晕船症状和治疗脚气等，维生素B2有助于预防和消除口腔生殖综合症、结膜炎和脂溢性皮炎等，增进视力，减轻眼睛疲劳，促进人体对铁的吸收[30]；维生素C是人体内的高效抗氧化剂，用来减轻抗坏血酸过氧化物酶的氧化应激，凝血，促进人体胶原蛋白的合成，预防人体出现坏血病，黑米中可检测到维生素C（L-抗坏血酸）含量为23.93 mg/kg，而白米中很难检测到[31]。

黄酮类化合物具有防治心血管疾病、止咳、祛痰、平喘、抗菌、抗炎、镇痛、保肝、护肝、降压、降血脂、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、抗衰老和提高免疫力等广泛的生物活性[32]；黑米中黄酮类含量为0.10%～1.70%，是白米的5倍之多（表4）。花色苷是以黄酮核为基础的类黄酮物质，由花色素与糖以糖苷键结合而成，能清除体内自由基、增殖叶黄素、抗肿瘤、抗癌、抗炎、抑制脂质过氧化和血小板凝集、预防糖尿病、减肥及保护视力等[33]；黑米中花色苷含量高达0.65～14.98 mg/kg，而在白米中难以检测到（表4）。黑米还含有大量酚酸类化合物，能有效清除损伤脂质、蛋白质和DNA 等生物大分子的自由基，降低氧化应激和抑制脂质氧化等[34]。黑米中酚类含量为2.31～4.84 mg/g，最低值是白米（0.13 mg/g）的17.7倍，最高值是白米（0.49 mg/g）的9.88倍（表4）。

1.2.4 膳食纤维 膳食纤维是一种多糖，既不能被胃肠道消化吸收，也不能产生能量，被营养学界补充认定为第七类营养素，和传统的六类营养素——蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质与水并列，具有治疗糖尿病、冠心病、肥胖症和便秘及降血压、抗癌、减肥和清除外源有害物质等功能[36]。黑米中膳食纤维含量（0.88%～5.00%）的最小值和最大值分别为白米的1.26倍和1.11倍。

2 黑米的营养功能

黑米不仅具有稻米的最基本食物属性，且因含有丰富的特殊营养成分而具有一些独自的功能特性，自古以来就将其作为“药食兼用型”食物。近些年来，随着人们健康意识的增强，对黑米营养功能的探究取得了大量的创新特色成果，将极大推动黑米的产业化生产和规模化利用。

表4 黑米和白米的生物活性成分比较[8-10,12-14,35]Table 4 Comparison of bioactive components between black and white rice[8-10,12-14,35]

2.1 抗炎症作用

黑米可作为一种潜在的抗炎、抗过敏的食品成分及作为治疗和预防慢性炎症相关疾病的治疗剂[37]。补充黑米色素组分显著降低血浆可溶性血管细胞黏附分子-1（sVCAM-1）、可溶性CD40配体（sCD40L）和高敏C反应蛋白（hs-CRP），通过抑制炎症因子来保护冠心病患者的心脏[38]。黑米提取物具有最广泛的抗炎活性，其中所含的矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）可能被代谢为花青素和/或原花青素，后者可降低细胞核转录因子kappa B（NF-κB）活性，促进调节性T（Treg）细胞增多和分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）的活化，抑制免疫球蛋白（Ig）E介导的肥大细胞活化、组胺、促炎细胞因子肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-1β、4、5、6、干扰素（INF）-γ、二十烷类白三烯（LT）B（4）[和前列腺素（PGE）E（2）等炎症介质释放来实现有效的抗炎作用[39-41]。

2.2 抗过敏作用

黑米色素（花色苷）提取物对体外过敏反应的抑制体现在抑制嗜碱性RBL-2H3细胞释放组胺和细胞内部钙离子的摄入、β-己糖胺酶、促炎细胞因子基因表达和细胞因子释放，减少TNF-α、IL-1β、IL-4和IL-6的mRNA表达[40,42,43]。

2.3 抗哮喘作用

黑米花色苷提取物对哮喘小鼠具有保护作用，其机制与显著减少支气管周围区域嗜酸性粒细胞的积累、降低支气管炎肺泡灌洗液（BAFL）中炎症细胞计数、降低血清总IgE和BALF中 IgE、抑制p38 MAPK磷酸化和NF-κB的表达、减少Th2类细胞因子IL-4和IL-5的分泌，提高Th1类细胞因子INF-r的表达，调节IL-4/INF-γ平衡失调和减轻炎症细胞浸润等有关[44-47]。

2.4 抗氧化作用

黑米比白米具有更强的抗氧化活性，呈浓度依赖性，是天然抗氧化剂的良好来源[48]；总抗氧化活性与花青素-3-葡萄糖苷、氰苷-3-芸香苷和芍药苷3-葡萄糖苷含量显著正相关[49]。黑米提取物（BRE）的抗氧化是通过减少体内和体外自由基的生成、增加SOD和CAT活性、改善血浆抗氧化剂状态及保护氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）引起血管内皮细胞的过氧化损伤来介导的[50-52]。Han等[53]认为，BRE还能降低p38和c-Jun N-末端激酶的活性和抑制UV诱导激活蛋白-1（AP-1）的产生，减少人永生化角质形成细胞（HaCaT）细胞中UV诱导的活性氧产生，减弱UV引起的细胞外基质损伤，预防皮肤光老化。

2.5 抗肿瘤作用

黑米花青素提取物（AEBR）通过激活caspase级联、裂解多聚（adp-核糖）聚合酶（PARP）、去极化线粒体膜电位和磷酸化等途径，降低肿瘤组织中血管生成因子基质金属蛋白酶（MMP-2、MMP-9和尿激酶型纤溶酶原激活物（u-PA）的表达，阻碍AP-1的DNA结合活性和核转位，阻滞G0/G1期，增加单核细胞（CD11b）、巨噬细胞和T细胞的增殖，促进外周血单核细胞的巨噬细胞吞噬和降低B细胞增殖，抑制多种癌细胞（如SKHep-1、SCC-4、HeLa、HER2、HL-60和Huh-7）的侵袭、活性和生长，表现在瘤体积、瘤组织微血管密度值、促血管生成因子的表达水平和核抗原Ki-67表达强阳性细胞数的显著减少、巨噬细胞释放的TNF-α、IL-1β和IL-6增加等[54-58]。

2.6 减肥降脂作用

黑米花青素（BRA）可使高脂饮食C57BL/6小鼠在12周内体重下降9.6%，通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）途径降低过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）γ、胆固醇调节元件结合蛋白（SREBP）-1c、脂肪酸合成酶（FASN）、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶A还原酶（HMGCORA）、TNF、ILl-6、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、NFκF、NPC1类细胞内胆固醇转运蛋白1（NPC1L）、乙酰辅酶a乙酰转移酶2（ACAT2）和微粒体甘油三酯转移蛋白（MTTPO）的表达，增加肝脏X受体（LXR）α、PPARα和肉毒碱棕榈酰转移酶（CPT）1α的基因表达水平，增加PPARα、p-乙酰辅酶a羧化酶（ACC）/ACC和p-AMPKα/AMPKα的蛋白表达水平，降低高胆固醇血症小鼠中的血清谷丙转氨酶（ALT）、谷草转氨酶（AST）和γ-谷氨酰转肽酶（GGT）水平及甘油三酸酯（TG）、总胆固醇（TC）、非高密度脂蛋白胆固醇水平（non-HDL-C），增加高密度脂蛋白（HDL）水平，增强血小板稳定，有效提高粪便固醇排泄和盲肠短链脂肪酸，提高肝脏的SOD（超氧物歧化酶）和GPX（谷胱甘肽氧化酶）活性，减少脂质过氧化反应[59-63]。黑米麸皮花青素提取物的稳定胆固醇能力大于玉米醇提取物，可通过上调小肠三磷酸腺苷结合盒转运体G5/8（ABCG5/8）和ATP结合盒转运蛋白重复序列A1（ABCA1）基因表达，降低胶束胆固醇溶解度，抑制胰脂肪和细胞对胆固醇的吸收，通过增加小肠中胆固醇的排泄；抑制活性与提取物中花青素[矢车菊素-3-糖苷（Cy-3-G）和芍药素-3-糖苷（Pn-3-G）]含量呈正相关[64-66]。发芽黑糯米甲醇提取物（GBR）通过促进解偶联蛋白2的 mRNA水平升高来抑制小鼠体重增加和体脂（白色脂肪、肝脏重量及血清甘油三酯）显著降低，部分通过减少转录因子来控制脂肪生成，改善血脂水平，降低血浆瘦素和胰岛素水平，提高脂联素水平，可作为一种潜在的抗肥胖药物[67-68]。

2.7 降血糖作用

富含花青素的黑米提取物可防止大鼠高果糖诱导的胰岛素抵抗，改善葡萄糖耐受不良和高脂血症，通过降低肝细胞的核因子（HNF）1α、1β和4α及参与调节钠依赖葡萄糖转运体1（SGLT1）和葡萄糖转运蛋白（GLUT）的转录因子表达来减少其基因和蛋白质表达，增加骨骼肌中的磷酸肌醇的磷酸化3-kinase（PI3K）、蛋白激酶B（PKB Akt）和糖原合成酶（GS）1的活性，降低糖原合酶激酶（GSK）3β，从而抑制血液中的氧化应激，改善葡萄糖清除率，降低血糖水平[69-71]。

3 黑米的综合利用

3.1 食品行业

黑米的营养成分及功能使其在食品行业的综合利用前景广阔，极具市场价值，尤其是用于营养保健食品或功能性食品配方中。目前，黑米在食品方面的开发由发酵类食品、黑米发酵乳、黑米发酵饮料和酒类四个方面[72-74]，黑米的发酵类食品开发主要包括黑米馒头、面包、煎饼及黑米酱和黑米膳食纤维饼干等，这些大多可作为早餐食用，饱腹感强且不易长胖；黑米的发酵乳产品主要包括黑米发酵酸奶、花色苷酸奶和黑米黑豆混合发酵酸奶等，制成发酵乳后的产品更易被人体吸收，营养丰富口感极佳；黑米还可作为制作食醋、酱油和酿酒的原料，可制成黑米保健醋、酱油、清酒、甜酿酒、黄酒和啤酒等，香醇浓郁品质优良，乃餐桌之必备。

3.2 医药行业

近些年来，随着人们对黑米医药价值地逐步关注和深入探究，黑米及其提取物在科学研究和临床实践上的应用也越来多，良好地效果也层出不穷，极大地推动了黑米在医药上的综合利用。刘静[75]采用醇溶液浸提法提取黑米花色苷来制备胶囊（含50mg AREBR）应用于辅助降血脂。陈璐[76]以黑米花青素为原料开发了黑米花青素片剂，并对其制备工艺及质量标准进行研究。王梦姝等[77]以黑米花色苷和大豆卵磷脂为原料制备黑米花色苷磷脂复合物，延长了黑米花色苷在体内的半衰期，提高了最大血药浓度和生物利用度。刘文燕[78]以黑米花色苷为原料，首次采用干法制粒的方式制备黑米花色苷薄膜包衣片剂，起到避光、防潮和隔绝空气等作用，增加片剂中黑米花色苷的稳定性和延长制剂有效期。李雯等[79]将黑米花青苷、西洋参皂苷、二苯乙烯苷及灵芝多糖含量复配生产出黑米花青苷复方软胶囊。Chomean等[80]用天然染料黑糯米提取液代替苏木精对精子细胞核进行染色，染色效果与快速Papanicolaou（PAP）有较好的一致性和较强的相关性，以减少购买合成染料的昂贵费用及其副作用。

3.3 化工行业

有一些科技人员将黑米应用于化工染色上。徐静等[81]在80 ℃下采用50%乙醇提取30 min获得黑米色素（固液比1:8），用于后媒法染色，最佳染色工艺为媒染剂浓度1%。贾艳梅等[82]在50 ℃下采用蒸馏水提取60 min获得黑米色素（固液比1:20，以醋酸-醋酸钠调节浸提液的pH为3），80 ℃直接染色柞蚕丝绸60 min，具有较好的耐皂洗及耐摩擦色牢度，但耐光色牢度较差。于学智等[83]在60～70 ℃下采用蒸馏水提取120min获得黑米色素（固液比1:20），将其应用于桑蚕丝织物的直接染色（pH=4、100 ℃和80 min），媒染织物的耐皂洗及耐摩擦色牢度达到3级，能抵御紫外线，但耐日晒色牢度较差。

4 展望

黑米是一种传统的水稻品种，品种繁多，在东南亚有悠久的栽培历史和相对较广的种植面积，绿色革命前被印度普通民众和世界上几乎所有的大米食粮地区用作一种潜在的食物来源；更因其具有较高的次生代谢物含量、抗氧化活性和氨基酸营养全面，具有较好保健、预防和治疗作用，古代医学中常作为药食兼用的膳食补充剂，目前被广泛应用于功能性保健食品和药品的生产，服务于有代谢障碍的人（如糖尿病人）[1-4]。随着科技工作人员的试验研究推进和公众消费黑米的健康意识增强，虽取得了一些成果，但依然还有许多问题有待深入探究，笔者认为目前最亟待解决的主要有如下方面：

4.1 黑米生物强化的遗传改良和品种培育

作物生物强化是指在作物常规生长过程中利用生物科技来特意提高作物中某种必需营养素，改善产品供应的营养质量、提升产品附加值和满足农民增收需求，并以最低的健康风险获取公众健康收益[84]。黑米含有丰富的营养成分，尤其是一些独特活性成分（如花色苷），若想更好地发挥其医疗保健价值，就必须利用遗传学、组学、分子设计育种和聚合育种等不同学科的先进技术交叉融合来针对性地进行黑米的遗传改良和品种培育，实现本质上的生物强化。赖来展等[85]改进了周光宇的外源DNA直接导入法，将黑糯P9（蛋白质含量14.03%）的DNA导入高产品种中选育出黑优粘96。周斗等[86]采用多重杂交法（复交和回交）聚合了多份水稻（桂黑1号、农家常规黑籼稻E3和白壳占）的优异基因选育出海亚黑稻1号和2号品种及多个品系，平均亩产超450 kg。Kim等[70]是通过常规育种培育出的一种新型黑米品种C3GHi，其氰苷-3-糖苷（C3G）含量比普通黑米高，抗氧化能力强，用于糖尿病患者的功能材料或替代餐开发。

4.2 黑米生物强化的栽培技术和体系集成

以作物营养强化技术体系为核心，培育富含各种维生素、矿物质及功能因子的农作物新品种的农业方式被称为“营养型农业”[87]。提高黑米营养成分的根本途径是良种培育，但良种离不开良法，良种需要通过最适宜的栽培技术和种植体系才能完美发挥出其潜势。而目前对黑米生物强化的栽培技术研究和种植体系的集成极少，导致黑米产量较低、种植面积零星和生产效益低下，基本停留在种植者的自给自足上，未达到种植的规模化和产业化及产品的商品化和流通化，要想解决目前的现实问题，就需积极开展黑米的生物强化栽培技术和体系集成方面的研究。

4.3 黑米功能特性的深入挖掘和机理研究

古代医学典籍中有很多黑米功能特性的记载，为现代医疗保健提供了重要的文献资料，但因生存环境和所处时代不同导致疾病的发生及实施的策略就不一样，这就要求科技工作者必须深入挖掘新环境、新时代和新形势下可能赋予黑米的更多功能特性，阐明其现代意义上的作用机理，尤其是黑米中特殊营养的功能解析及分子机制，为黑米的综合利用提供理论基础和参考依据。

4.4 黑米综合利用的产品选择和生产工艺

黑米丰富的特殊营养成分解析和较高的医疗保健功能确证为其综合利用提供了广阔的市场前景和可观的利润价值。目前大部分产品集中食品，以黑米为主料或辅料进行附加值较低的产品开发和生产。倘若要发挥出黑米的最大价值，应该在医药行业进行深度综合利用，生产出性价比高的保健品来预防一些疾病的发生，最有价值的是研制出能应用于临床治疗的高效药物。当然，也应该积极推进在其他行业的上作用，如化学试剂（如花青素）的提纯和黑色染料的加工等。