高粱单宁研究进展

于文慧 王雅利 杨明川 张子路 康振辉

（四川轻化工大学，四川宜宾 644000）

高粱是重要的粮饲兼用作物。高粱含丰富的营养物质，高粱籽粒含蛋白质4.4%～21.1%、脂肪2.1%～7.6%、粗纤维1.0%～3.4%、碳水化合物57.0%～80.6%、淀粉 55.6%～75.2%和矿物质（灰分）1.3%～3.5%[1]，是酿酒和制醋、糖、淀粉等食品的重要原料。然而，单宁的存在限制了高粱食品的精深加工与利用。单宁是一种抗营养因子，是影响高粱开发利用的关键性制约因素，会降低饲料适口性和蛋白质、能量的利用率[2]。本文主要从高粱单宁的种类、结构、对高粱的影响以及检测、去除方法等方面进行综述。

1 高粱中单宁的分类

植物酚类化合物包括单宁、木质素、黄酮类化合物等，其结构可以是简单的酚分子，也可以是复杂的高分子聚合物。酚类化合物的结构是其清除自由基和具有金属螯合活性的关键因素，特别是羟基的数量、位置以及芳香环上的取代反应。这些化合物在植物生长繁殖过程中发挥重要作用，如抵御病原体和捕食者[3]。单宁又称单宁酸、鞣质，是一种重要的植物次级代谢产物。高粱中的单宁根据其化学结构的不同可分为水解单宁和缩合单宁。

1.1 水解单宁

水解单宁，又称棓酸，化学结构如图1（a）所示。水解单宁易被酸、碱或酶水解而成酚酸和多元醇等简单物质，从而失去单宁的特性[4]。根据水解所产生多元酚羧酸的不同，又可以将水解单宁分为棓单宁和鞣花单宁。

1.2 缩合单宁

缩合单宁，又称原花青素，在不同高粱中含量也不同（范围在0.01%～4.00%之间[5]），化学结构如图1（b）所示。缩合单宁在酸、碱或加热条件下，不分解成为简单物质，但在氧化脱水后形成红棕色沉淀。

2 单宁的抗营养性及利用价值

单宁是一种抗营养因子，具有收敛性，可以与蛋白质、糖类和金属离子形成难以吸收的复合物，从而降低动物摄食率并影响营养物质的吸收利用率[6]。植物单宁与蛋白质结合的能力，主要取决于其化学结构特征，特别是聚合度的大小[7]。一般来说，单宁酸对蛋白质有很强的亲和力，它们通过氢键、疏水相互作用、静电吸引和与氧化相关的共价键与单宁相互作用。在一定条件下，高粱单宁能够结合并沉淀12倍于自身重量的蛋白质。此外，膳食中的单宁还能抑制消化酶活力，从而进一步降低营养物质的消化率[8]。单宁会影响非血红素铁的生物利用度，导致人体和动物对铁的吸收较差[9]。此外，单宁会影响人和动物对钙的吸收。

低含量的缩合单宁在改善动物生产性能、抗菌和调节肠道菌群等方面有着显著的效果。单宁具有较好的收敛、止血和抗氧化作用，可用作金属离子螯合剂、蛋白质沉淀剂和抗氧化剂。因此，单宁现已被广泛应用于医药、食品和日化用品等领域。此外，高粱用作酿酒原料时，籽粒中的单宁对酒的品质起着决定性作用，主要是由于单宁在酿酒过程中会产生丁香酸和丁香醛等风味物质，使得白酒具有独特的风味。同时，在发酵过程中单宁可抑制有害微生物生长，提高出酒率[10]。高粱中的单宁具有抗癌、抗炎和减少碳水化合物摄入等作用，对于心血管病、糖尿病、肥胖等慢性病也有一定的缓解和预防作用。

3 单宁对高粱的影响

单宁的含量是判断高粱品质的重要指标之一，高粱籽粒中的单宁自开花后积累，高粱的成熟籽粒中可能含有高达2%或更多的缩合单宁。一方面，高粱籽粒中单宁的存在受基因Tan1、Tan2不同天然等位基因的控制[11]。其中编码WD40蛋白的Tan1基因单核苷酸多态性控制着高粱单宁的合成。有的高粱中含有突变的等位基因Tan1-a、Tan1-b，这类高粱中积累的花青素和缩合单宁化合物较少。另一方面，高粱品种、种植地区、施肥水平、栽培模式，均会对高粱中单宁的含量造成影响。从地理方位看，高粱中单宁含量从北向南随纬度降低而逐渐增高；从施肥水平来看，高施肥量会明显降低高粱籽粒中单宁的含量。单宁仅存在于有色高粱品种中，但不是所有的有色高粱都含有单宁[12]。高粱中单宁的含量因品种不同而异。种皮中单宁含量最高，胚乳次之，其变化范围在0.2%～2.3%之间[13]，且高粱中单宁含量对种皮颜色也有一定影响。单宁含量与粒色具有一定关系[14]，高粱粒色越深，单宁含量越高。其中红色籽粒的高粱单宁含量最高，白色和橙色籽粒的高粱单宁含量次之，而黑色籽粒的高粱单宁含量最低，但仅通过高粱种皮颜色判断高粱中单宁的含量是不可行的。

在非洲半干旱的热带地区和世界上的一些其他地区，鸟类对高粱破坏严重，单宁含量低的高粱品种较单宁含量高的高粱品种受损更严重。高粱中的单宁对稻瘟病菌、玉米瘟病菌和小麦瘟病菌等的发育有显著的不利影响，因而单宁的存在使高粱不易受到真菌污染而导致采前种子变质和胎生。在存贮过程中，单宁的存在显著减少了昆虫的摄食，主要表现为抑制成虫羽化和延长发育时间，从而能够保护粮食少受昆虫的侵害[15]。

4 测定高粱中单宁含量的方法

单宁可溶于水和甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。单宁的测定方法主要是利用了单宁的还原性质，可以用高锰酸钾、铁氰化钾、铈等氧化剂对单宁直接进行氧化测定[16-17]。此外，还可以利用单宁与蛋白质和某些重金属结合形成沉淀的特性达到间接测定单宁含量的目的。定量测定高粱中单宁含量的方法较多，主要包括香草醛法、柠檬酸铁铵法、普鲁士蓝法、钒显色法、酸正丁醇法、蛋白质沉淀法等（表1）。

表1 6种测定高粱中单宁含量的方法比较分析

香草醛法是基于香草醛与高粱单宁发生缩合反应生成较稳定红色复合物的性质，以盐酸为催化剂[18]，通过分光光度法测定高粱中单宁含量的一种方法。该复合物稳定性受光照影响较大，因而反应须避光进行。反应过程中的关键因素为酸的用量、反应时间、香草醛浓度等。此方法只涉及一步反应，干扰因素较少，因而该方法灵敏度和回收效率高[19]，但该方法由于缺乏合适的标准品，无法准确测量单宁含量。

柠檬酸铁铵法是根据《高粱单宁含量的测定》（ISO 9648：1988）测定高粱中的单宁含量。该方法用75%二甲基甲酰胺（DMF）提取高粱中的单宁，使用单宁酸（TA）制作标准曲线来测量高粱中单宁的含量。该方法精密性和重复性良好，较稳定[20]，但该方法特异性较差，单宁酸与高粱单宁在结构上有较大差异，因而该方法无法准确测量单宁含量[21]。同时二甲基甲酰胺会对消化系统和肾脏功能造成一定影响。改良后的柠檬酸铁铵法采用花青素（PA）作为标准品，用70%丙酮溶液代替75%二甲基甲酰胺溶液，具有更高的准确性和安全性[22]。

普鲁士蓝法的原理是单宁与铁氰化钾发生氧化还原反应生成亚铁氰化物，然后亚铁氰化物与三价铁离子发生复分解反应生成亚铁氰化铁，即普鲁士蓝。该方法与其他方法相比灵敏度更高，但在测定过程中易受温度、光源、显色条件等影响，因而应对反应条件严格控制，才能保证试验结果的准确性[23]。

钒显色法是利用在26%二甲基甲酰胺的水溶液中，单宁与钒可以生成稳定的蓝紫色络合物的原理来测定单宁含量的方法[24]。该方法回收率较高，达96%～102%。

酸正丁醇法受加热方式、是否添加催化剂以及反应过程是否隔绝空气的影响很大。标准品的选择对单宁含量的测定有一定影响，当使用原花青素作为标准品时专一性较好，但稳定性和重复性较差。

蛋白质沉淀法是利用单宁可以与蛋白质通过氢键作用和疏水作用结合产生沉淀的原理来测定高粱中单宁的含量，使用的蛋白主要为牛血清蛋白。蛋白质沉淀法操作繁琐、误差较大，且样品的用量相对较多。在测定过程中可能存在沉淀不完全的现象，且沉淀稳定性也较差，导致结果偏差较大。

5 高粱中单宁的去除方法

高粱中的单宁含量可以通过稀氨水、强碱、甲醛或脱皮处理谷物来减少。碱处理法是将高粱种子放在30℃、一定浓度的氢氧化钠和氢氧化钾溶液中浸泡24 h。该方法可去除鞣质75%～85%，在100℃条件下可以提高提取率，并将鞣质浸出75%～85%所需的时间从24 h缩短到20 min[25]。

高粱中的单宁主要集中在种皮中，通过机械处理去除种皮可以有效降低单宁含量。但是，机械处理的同时也会降低高粱蛋白质的含量而造成浪费，并且进行大规模去壳处理会增加成本[26]。

6 结语

目前，高粱中单宁测定方法研究已取得一定的进展，但从高粱中制备纯单宁标准品既困难又耗时。在测定过程中单宁易与金属离子、蛋白质或其他生物大分子形成复合物，因而对高粱中单宁含量进行测定时，定量分析较困难。采用液质联用等方法可以准确测量高粱中酚类化合物的含量，但无法准确测定高粱中单宁的含量。因此，对于如何定性、定量测定高粱中的单宁还需要深入研究。