综述：黑米作为新兴功能性食品：生物活性化合物、治疗潜力及工业应用

《Frontiers in Nutrition》：Black rice as the emerging functional food: bioactive compounds, therapeutic potential and industrial applications

本综述系统阐述了黑米（Oryza sativa L.）作为营养密集型功能性食品的最新研究进展。文章聚焦其丰富的生物活性化合物（如花青素C3G、P3G、GABA、γ-谷维素），深入探讨了其在糖尿病（抑制α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶、调节SGLT1/GLUT2）、心血管疾病（调控NPC1L1、ABCG5/8、激活PI3K/Akt/eNOS通路）及癌症（抑制MMP-9、u-PA）等方面的分子机制（涉及NF-κB、Nrf2/HO-1等通路）与临床证据，同时分析了加工工艺对营养成分的影响及其在功能性食品工业（如烘焙、饮料、 gluten-free 产品）中的创新应用。综述指出，黑石全球市场预计至2030年将达到151.4亿美元，未来需加强临床转化与产业化研究。

　　

1 引言

稻米（Oryza sativa L.）是全球半数人口的主食，而黑米作为其特殊品类，历史悠久，曾因专供皇室而被称为“禁米”。黑米富含多种生物活性化合物，其深紫色泽源于果皮中积聚的花青素，主要是矢车菊素-3-葡萄糖苷（C3G）和芍药素-3-葡萄糖苷（P3G）。近年来，科学界对黑米的关注度急剧上升，因其非凡的植物化学物质密度，比白米高出约35倍。全球黑米市场正以8.3%的年复合增长率快速增长，预计到2030年市值将达到151.4亿美元，这反映了消费者对营养密集型超级食品日益增长的需求。

2 黑米的营养成分和生物活性化合物

黑米是一种营养丰富的谷物，其宏量营养素组成均衡，微量营养素含量可观。每100克煮熟的黑米约含356千卡热量、8.9克蛋白质、3.3克脂肪、75.6克碳水化合物和2.2克膳食纤维。此外，黑米是铁、锌、锰、钙、磷、硒等矿物质以及B族维生素和维生素E的良好来源。其蛋白质部分含有人体所需的所有必需氨基酸，包括赖氨酸和色氨酸。

黑米的营养益处主要归功于其完整的麸皮层，该层含有超过80%的生物活性化合物。这些化合物包括：

2.1 花青素

黑米中的花青素，特别是C3G和P3G，是其深紫色的来源，具有强大的抗氧化、抗炎、抗糖尿病和调脂特性。其含量（高达850毫克/千克）甚至超过蓝莓。

2.2 酚酸和类黄酮

最主要的酚酸包括阿魏酸、p-香豆酸、原儿茶酸和丁香酸，它们具有显著的抗氧化和抗炎作用。黑米的氧自由基吸收能力（ORAC）值可超过20,000 μmol TE/100克，是糙米的六倍。

2.3 γ-氨基丁酸（GABA）

GABA是一种非蛋白质氨基酸神经递质，在发芽过程中浓度显著增加，可达300毫克/千克，与改善葡萄糖代谢调节和神经认知益处（如改善记忆和情绪）相关。

2.4 γ-谷维素和生育酚

谷维素是阿魏酸酯的混合物，与生育酚（维生素E组分）共同存在于麸皮层中，浓度估计为100-200毫克/千克。这些亲脂性抗氧化剂通过抑制胆固醇吸收和升高高密度脂蛋白（HDL）水平来降低低密度脂蛋白（LDL）水平和心血管疾病风险。

2.5 膳食纤维和抗性淀粉

黑米含有约2-3克/100克的膳食纤维，高直链淀粉品种的抗性淀粉含量可达约15%。这些成分对胃肠道健康、血糖调节和饱腹感至关重要，并与生物活性化合物相互作用，延缓葡萄糖释放并增强微生物多样性。

3 治疗潜力的机制和临床证据

3.1 抗糖尿病作用

抗糖尿病作用主要归因于花青素介导的碳水化合物水解酶（α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶）抑制以及肠道葡萄糖转运蛋白（SGLT1和GLUT2）的抑制，共同使餐后血糖峰值降低30-35%。研究表明，黑米提取物能改善胰岛素抵抗大鼠的血糖稳态和血脂谱。

3.2 血脂异常管理

在胆固醇管理方面，黑米中的花青素通过下调Niemann-Pick C1-like 1（NPC1L1）转运蛋白抑制肠道胆固醇吸收，并通过上调ATP结合盒亚家族G成员5/8（ABCG5/ABCG8）增强粪便甾醇排泄。动物模型显示LDL胆固醇可降低22%。

3.3 心血管健康

心血管益处超越胆固醇管理。其作用机制涉及通过PI3K/Akt通路刺激内皮型一氧化氮合酶（eNOS），导致血管扩张增强和血流介导的舒张增加12%，这表明内皮功能改善。花青素还能中和活性氧（ROS），抑制NF-κB转位，并增强Nrf2/HO-1通路，以减轻大脑中的氧化损伤。

3.4 氧化应激管理

黑米花青素在动物模型和细胞培养中均被证明能有效中和自由基并减轻氧化应激，是主要的抗氧化剂。例如，Kum Akha黑米的丁醇部分可显著降低巨噬细胞中促炎细胞因子的产生，并能在SARS-CoV-2刺突蛋白诱导的肺细胞模型中减轻细胞因子风暴。

3.5 抗癌特性

黑米中丰富的抗氧化剂和纤维有助于减少氧化应激，从而可能抑制致癌作用。其主要花青素C3G和P3G已显示出通过显著抑制SKHep-1细胞侵袭和运动，以及降低基质金属蛋白酶-9（MMP-9）和尿激酶型纤溶酶原激活物（u-PA）的表达来发挥抗转移特性。

4 在食品工业中的应用

4.1 加工对营养素和植物化学物质完整性的影响

加工方法显著影响黑米中生物活性化合物的保存或降解。发芽可以提高GABA、γ-谷维素和酚类化合物的水平，而碾磨会导致花青素大量损失（抛光超过4%可损失50-90%）。高温高压处理可确保微生物安全，但可能影响代谢物水平。发酵和紫外线C照射等新技术可以部分增强生物活性水平。

4.2 功能性食品产品和感官考量

黑米在食品工业中有多样化的应用：

4.2.1 面包和烘焙产品

用10-40%的黑米粉替代小麦粉可以降低面包的血糖指数约25%，同时增强抗氧化能力。

4.2.2 早餐谷物和零食

黑米中的抗性淀粉可延缓消化过程中的葡萄糖释放。在高达115°C的温度下加工可使膨化零食中的花青素保留率达到70-80%。

4.2.3 发酵功能性饮料

传统亚洲曲发酵黑米饮料中的GABA含量高达156毫克/100克，具有神经保护特性。乳酸菌发酵可使花青素的抗氧化能力吸收提高40%。

4.2.4 花青素注入饮料

黑米提取物可作为功能性饮料（如碳酸饮料和功能果汁）中的天然着色剂，替代人工色素。

4.2.5 无麸质意大利面

用20-35%的黑米粉替代小麦意粉面粉可以增加膳食纤维含量，并将预测的血糖指数降低20点。

4.2.6 方便面和亚洲主食

在方便面中加入15-25%的黑米粉可以增强其营养 profile，并在油炸过程中减少18%的吸油量，这归因于其高直链淀粉含量。

5 新兴临床证据和人体试验

人体试验证据虽然仍在不断积累，但已显示出积极迹象。一项针对88名肥胖韩国绝经后妇女的12周随机对照试验显示，食用黑米提取物可显著减少躯干脂肪、总脂肪量和体脂百分比。另一项针对健康泰国成年人的8周试验表明，每日摄入1克发芽黑米提取物可显著改善工作记忆任务中的反应时间、增强注意力控制。急性摄入黑米（30-180分钟）可提高血浆抗氧化能力，而长期消费（12-24周）可适度降低体重和空腹血糖水平。黑米生物活性化合物的商业化产品，如用于血糖调节的胶囊和富含花青素的早餐混合物，也已进入市场。

6 研究差距与未来方向

尽管前景广阔，但将黑米有效转化为临床实践和大规模商业食品网络仍存在关键信息缺口。目前人体研究结果受样本量小和结局指标一致性限制，需要标准化、有足够把握度的长期干预研究。关于剂量反应关系尚不明确，动物研究中的剂量往往不切实际，因此需要进行人体药代动力学和生物利用度研究。在产业方面，尽管通过发芽和高温高压处理在保留生物活性方面取得了进展，但仍存在可扩展性、成本、感官兼容性和储存等挑战。黑米的低产量、光敏感性和长营养生长期等农艺性状也限制了其普及。未来研究需要关注生物活性化合物的生物可及性和生物利用度，开发创新加工技术，进行纵向临床试验，并推动符合循环经济原则的可持续生产实践。

7 结论

黑米是一种具有深厚文化底蕴、营养丰富且得到科学支持的功能性食品。其富含的花青素、酚类化合物、膳食纤维、抗性淀粉、GABA和γ-谷维素等成分，在调节血糖、改善血脂、保护心血管、增强认知、抗炎抗氧化等方面展现出巨大潜力。虽然其作用机制已在临床前模型中得到验证，但仍需更多设计严谨的人体研究来确认其疗效。在食品工业中，黑米作为创新配料广泛应用于烘焙、饮料、无麸质产品等领域。随着消费者需求的增长，黑米的未来发展依赖于深入的临床研究、清晰的生物利用度数据、可扩展的加工技术、可持续的生产模式以及一致的农艺表现，从而充分发挥其作为预防和治疗营养策略组成部分的潜力。