《食品科學》：長沙理工大學文李教授、牟代臣博士等：谷維素制備及生物活性功能研究進展

近年來，我國谷維素原料藥市場規模顯著增長，究其原因主要是下游應用擴展、人口老齡化與健康意識增強以及技術創新提高了谷維素生產效率和產品純度，但仍然面臨著由于環保政策趨嚴、高純度原料藥依賴進口帶來的挑戰。目前制備谷維素的主要挑戰在于進一步提高谷維素的提取效率、開發綠色溶劑、解決溶劑殘留問題以及優化純化技術。

此外，谷維素因其眾多生物活性而受到廣泛研究，最新的研究表明其可作為多囊卵巢綜合征的輔助治療，調節激素水平并協同藥物治療更年期、圍絕經期帶來的焦慮、失眠、抑郁等癥狀。

長沙理工大學食品與生物工程學院的蘇娟、牟代臣*、文李*等系統地研究最新的谷維素提取方法及其生物活性功能和應用，旨在為進一步促進谷維素在食品、醫藥、化妝品、農業以及其他新興行業的發展具有重要指導意義。

01

谷維素的來源和結構

1.1 谷維素的來源

谷維素的來源可分為植物來源和油脂來源，植物來源有米糠（0.3%～0.5%）、玉米胚芽、小麥胚芽、稞麥糠以及菜籽，其中米糠是谷維素最直接的來源，而其他谷物含谷維素較少。如圖1所示，米糠是碾米過程中的主要副產品之一，富含油脂。由米糠、玉米胚芽等制成的植物油是谷維素的油脂來源，其中米糠油是谷維素最為豐富的濃縮來源（1%～3%），尤其是未精煉的米糠粗油，其中谷維素可高達3%，工業生產中主要是通過萃取或者冷壓榨米糠原料得到米糠粗油，再將米糠粗油經過物理和化學精煉得到精制的米糠油。在米糠油精煉的過程中產生的副產物如米糠油油腳（谷維素＜2%）、皂腳（谷維素＞6%）、米糠酸化油、米糠餅（谷維素0.5%～1.5%）中含有豐富的谷維素，也是谷維素的重要來源。

1.2 谷維素的結構

谷維素不是單一組分，而是多種三萜醇和植物甾醇的阿魏酸酯混合物，其中三萜醇類阿魏酸酯為主要成分，占75%～80%，谷維素的核心結構是阿魏酸和三萜醇通過酯鍵連接形成的酯類化合物。如圖2所示，谷維素主要成分包括菜油甾醇阿魏酸酯（圖2a）（占10%～12%）、環木菠蘿烯醇阿魏酸酯（圖2b）（占25%～30%）、24-亞甲基環木菠蘿烯醇阿魏酸酯（圖2c）（占35%～49%）和β-谷甾醇阿魏酸酯（圖2d）（占6%～8%）。研究人員基于Q-Trap特有的母離子掃描-信息依賴-增強型子離子掃描復合掃描模式，結合高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜聯用技術，共鑒定了6 種可能的阿魏酸酯類谷維素組分，其中包括4 種甾醇類谷維素和2 種三萜烯醇類谷維素。Sawada等推測并驗證了米糠油當中存在兩種新的谷維素組分，通過高效液相色譜-紫外檢測器-質譜聯用、核磁共振、紅外光譜分離并分析了它們的化學結構，他們推測這兩種新的組分可能是24-亞甲基環木菠蘿烯醇阿魏酸酯在酸性條件下異構形成。

02

谷維素的提取

谷維素提取方法主要分為溶劑提取法、堿溶酸沉法、超臨界CO2萃取法、亞臨界萃取法以及在傳統溶劑提取法的基礎上輔以微波、超聲波、歐姆加熱現代提取技術。傳統的溶劑提取法操作簡單、成本低但萃取時間長，谷維素提取效率低，且溶劑容易殘留。堿溶酸沉法是目前工業生產中谷維素提取最常用的方法，該方法具有工序少、設備簡單的優點。超臨界CO2萃取法和亞臨界萃取法是新型綠色提取技術，超臨界CO2萃取法具有環保、提取率高等優點，但成本較高。亞臨界萃取法較溶劑提取法溶劑消耗量低、節能、投資小，適合大規模生產。隨著提取方法的不斷改進，研究人員在傳統溶劑的基礎上使用微波、超聲波、歐姆加熱手段以縮短谷維素的提取時間和提高谷維素的提取率，這些技術受限于處理量小，無法規模化應用。

2.1 溶劑提取法

溶劑提取法利用谷維素在特定溶劑中的溶解度差異實現對谷維素的選擇性提取。根據溶劑種類的差異，谷維素的溶劑提取方法可細分為極性溶劑（適合極性較強的谷維素成分）提取和非極性溶劑（適合脂溶性成分，需結合脫蠟預處理）提取。傳統的溶劑提取法主要采用有機溶劑己烷萃取米糠，從而使谷維素隨米糠油一同萃取出來。據研究報道，在50 ℃條件下用己烷萃取紅米糠1 h，谷維素在米糠粗油中含量為1 046.10 mg/100 g，在60 ℃條件下用己烷和異丙醇混合萃取米糠，谷維素含量可提高至1 180 mg/100 g。由于傳統溶劑提取法提取谷維素時存在不足，如正己烷會對中樞神經系統和運動神經細胞造成損害，部分溶劑（芳香烴、鹵代烴、糠醛）有劇毒，毒性較低的有機溶劑（如乙醚、異丙醚、正庚烷）穩定性差、沸點高、回收難，因此研究人員開發由異丙醇、環己烷和正戊烷組成的混合溶劑（安全性高、低毒性、較穩定）提取谷維素，使用響應面法優化混合溶劑的提取條件，結果表明，在料液比5.5∶1、提取溫度45 ℃、時間12 min時，米糠油產量為85.8%，米糠油中谷維素含量達到2 500 mg/100 g。用玉米油替代有機溶劑，在加熱條件下使谷維素從米糠中轉移到玉米油中，其中谷維素在玉米油中的含量為79 mg/100 g。溶劑提取法操作簡單、成本低，但該方法萃取時間長、有機溶劑消耗量大，且具有溶劑殘留風險，用該方法提取的谷維素需進一步純化。

2.2 堿溶酸沉法

堿溶酸沉法的生產過程包括堿煉捕集和弱酸沉析分離兩大工序，其原理是利用谷維素易溶于堿性甲醇而不溶于酸性甲醇的性質，谷維素與氫氧化鈉混合生產鈉鹽，谷維素鈉鹽親水性顯著增加，易被堿性皂吸附一起下沉。毛糠油采用兩次堿煉法，得到含有80%～90%谷維素的堿性甲醇富集液，再通過弱有機酸調整溶液pH值至酸性，分解谷維素鈉鹽，還原谷維素鈉鹽，使谷維素從溶液中析出，過濾后就可以得到粗谷維素，但得到的粗谷維素還需要洗滌和精制才能得到合格的谷維素成品。在一道堿煉過程中保留不同酸價的頭道堿煉油，并選擇谷維素含量最高的頭道油進行二道堿煉，以二道堿煉皂腳中谷維素含量作為優化條件，得出二道堿煉皂腳中谷維素的最高含量為5.68 g/100 g。針對米糠油精煉過程中谷維素損失較大的問題，對二次堿煉脫酸工藝進行優化，米糠油中谷維素保留率高達89.8%，在堿煉脫酸之前，對米糠油進行脫蠟和磷酸-草酸輔助水化脫膠，蒸餾脫酸后得到的米糠油中谷維素的含量接近原油（2.15%）。堿溶酸沉法是工業提取谷維素的主要方法，具有工序少、設備簡單、成本低以及產品質量好的優勢，但提取時間長，一般為1～2 d。另外，皂腳在預皂化、全皂化時，高溫濃堿會導致谷維素的分解，造成谷維素最終得率較低。

2.3 超臨界CO2萃取法

超臨界CO2萃取谷維素原理是利用CO2在超臨界狀態下的強溶解性能，將谷維素從米糠等天然物質中提取出來。通過多因素試驗設計優化超臨界CO2萃取，可獲得富含谷維素和人體必須氨基酸的米糠油，由正交實驗得出優化方案：萃取溫度為50 ℃，萃取時間為100 min，萃取壓力為30 MPa，CO2流速為1.75 L/min，谷維素回收率可達73.34%。有研究表明超臨界流體萃取法提取的米糠油的質量顯著優于索氏提取法，在最大限度地不破壞提取物結構的前提下實現待萃取物的綠色提取，是親脂性溶劑提取的有效替代方案。研究發現，使用超臨界CO2萃取紅米糠中的谷維素，萃取條件為50 ℃，壓力68.9 MPa，谷維素含量為1 118.49 mg/100 g，顯著高于溶劑提取法（1 046 mg/100 g）。以10%乙醇作為共溶劑，可降低超臨界CO2萃取溫度（48.9 ℃）和壓力（23.9 MPa），同時谷維素含量顯著提高，為3 600 mg/100 g。超臨界CO2具有強滲透力，在提取谷維素時避免了潛在有毒試劑的殘留，是一種經濟環保又安全的方式，但是該方法成本高，不適合大規模生產。不同提取技術谷維素提取率及優缺點總結如表1所示。

2.4 亞臨界萃取法

與超臨界CO2萃取一樣，亞臨界萃取克服了傳統溶劑提取具有一定毒性的缺點，是一種更為環保且高效的萃取工藝。亞臨界萃取常用的溶劑有丙烷、丁烷、二甲醚、水和甲醇。相比于超臨界CO2萃取，亞臨界二甲醚萃取由于成本低，更適合大規模應用。二甲醚具有萃取溫度低、萃取產物質量好、產品中溶劑殘留低等優點。采用超臨界CO2或亞臨界二甲醚萃取米糠酸油時無需用己烷和乙酸乙酯溶劑進行預處理，且谷維素提取率和純度更高。亞臨界二甲醚萃取法是一種提取谷維素的有效方法，對米糠酸油中谷維素提取量為4 865.25 mg/100 g，顯著高于超臨界CO2萃取法（2 569.04 mg/100 g）。與超臨界CO2萃取法相比，亞臨界二甲醚法從米糠中提取到的谷維素含量更高。米糠酸油中含有的甘油酯會影響谷維素的提取，因此在提取谷維素之前，通常采用亞臨界水水解甘油酯，該方法可除去95%的甘油酯。亞臨界水-甲醇混合物也可以用于提取米糠中的谷維素，該方法又名濕法提取法，用該方法提取的谷維素含量最高為275 mg/100 g（米糠）。亞臨界萃取法克服了超臨界CO2萃取法成本高、應用規模受限制的缺點，但仍存在溶劑殘留的問題。

2.5 輔助提取技術

2.5.1 微波輔助提取

作為一種綠色、環境友好型輔助提取技術，微波加熱通常和溶劑提取法協同使用，以用來改善米糠油的提取率和成分。研究表明，在提取米糠油之前，微波加熱處理還可以起到穩定米糠原料的作用，這種方法通過將溶劑快速加熱至沸點以上并控制溫度縮短米糠油提取時間、減少提取過程中的能量和溶劑消耗，其在合適的溫度以及溶劑比條件下，可增加米糠油中的谷維素提取量。微波輔助溶劑提取法高效快速、節能環保、操作簡便，但設備成本高、不適合規模化應用。

2.5.2 超聲波輔助提取

同微波輔助提取方法一樣，超聲波處理也是一種符合綠色化學原則的可持續工藝，可最大限度地減少能源和時間的消耗，為工業生產減少有機溶劑的使用提供了新的視角。研究表明，與傳統溶劑提取法相比，超聲波提取谷維素具有更高的提取結果。以異丙醇為溶劑，超聲波輔助萃取米糠，Peleg模型進行的動力學評估結果發現溶劑提取在15 min后達到穩態，而超聲輔助萃取僅在1 min后達到穩態，兩種方法產生的米糠油和谷維素的產量非常接近，但該方法極大地縮短了谷維素的提取時間。超聲波輔助提取法具有高效快速、溶劑用量少的優點，但規模化受限，能耗較高。

2.5.3 歐姆加熱輔助提取

工業上將米糠加工制成米糠油通常采用機械提取冷壓的方法，這種方法生產的米糠油中不含溶劑且生物活性物質含量高，但是僅靠冷榨機械法榨取的米糠油的產量低，保質期有限，因此通常在冷壓之前應用諸如加熱的預處理工藝。但傳統的加熱所需時間長，對米糠油中谷維素的含量具有不利影響，因此研究人員利用歐姆加熱法取代傳統加熱預處理方法，通過破壞米糠分子膜提高米糠油的產量和溶解在米糠油中的谷維素含量，可解決因傳統方法預處理加熱時間長導致的谷維素損失問題。Sangpradab等采用機械壓榨法，以水和乙醇綠色溶劑作為介質，輔以歐姆加熱處理，通過優化水和乙醇比、溫度以及保持時間以獲得谷維素含量最高的米糠油。歐姆加熱輔助溶劑提取法高效節能，提取率高，溶劑消耗少，但設備成本高，物料導電性要求嚴格，工業適用性受限。

綜上所述，傳統的溶劑提取法操作簡單、成本低但萃取時間長，谷維素提取效率低，且溶劑容易殘留。堿溶酸沉法是目前工業生產中谷維素提取最常用的方法，該方法具有工序少、設備簡單的優點。超臨界CO2萃取法和亞臨界萃取法是新型綠色提取技術，具有環保、提取率高等優點，但是該方法成本高，不適合大規模生產。在傳統溶劑的基礎上使用微波、超聲波、歐姆加熱等手段能夠縮短谷維素的提取時間并提高谷維素的提取率，但無法實現大規模應用。

03

谷維素的分離純化

谷維素的分離純化方法可分為膜分離技術（包括納濾膜初步富集和無孔膜深度濃縮）、吸附技術（固相萃取法、分子印跡吸附法）、層析技術（包括柱層析、高效液相色譜法、高速逆流色譜法）、蒸餾與結晶技術（包括分子蒸餾法、結晶法）。其中膜分離技術操作簡單，但儀器維護成本高。吸附技術專一性強、制備簡單，但處理工藝復雜。層析技術純化效果最好，但不適合大規模制備。蒸餾與結晶技術純化處理量大，但設備要求和工藝要求高。

3.1 膜分離技術

3.1.1 納濾膜初步富集

膜分離技術通過精確控制膜孔徑，可高效截留米糠油中的谷維素，并分離出小分子雜質如甘油三酯。納濾膜處理米糠油，可達到米糠油精煉和谷維素富集的目的，但該方法只能實現谷維素在米糠油中的初步富集。

3.1.2 無孔膜深度濃縮

進一步分離谷維素，則需要利用無孔膜技術。該方法利用無孔高分子復合疏水膜對親水物質的排斥作用，并在正己烷不斷稀釋條件下，濃縮米糠油中的谷維素。膜分離法無需使用有毒化學試劑，可減少環境污染，且膜系統操作簡單具有靈活性，低溫處理環境可以減少谷維素的熱降解，但該方法存在預處理要求高、膜污染于維護成本高、規模化應用挑戰以及分離純度受到限制的局限性，因此該方法目前在谷維素分離純化中應用極少。

3.2 吸附技術

3.2.1 固相萃取法

固相萃取提取谷維素的原理是利用固相吸附劑將樣品中的目標化合物吸附，與樣品的基體和干擾化合物分離，然后再用洗脫液洗脫，達到分離和富集的目的。固相萃取的核心是對吸附劑的選擇，二醇基吸附劑用于分離谷維素與其他中性脂質，而二氧化硅則通過極性相互作用吸附谷維素。有研究表明二醇固相萃取吸附劑可以分離谷維素與甾醇等中性脂質，但是這種商業方法并不經濟，因此需要開發新型且經濟高效的吸附劑用于提取分離谷維素。二氧化硅作為一種簡單、高效和經濟的吸附劑，可以簡化固相萃取程序和減少有毒氯化溶劑的使用，已被用于在固相萃取中制備谷維素，且谷維素的平均回收率為86.1%～110.6%。Lv Lei等利用二氧化硅提取和純化谷物及其產品中的谷維素并結合超高效液相色譜-質譜/質譜聯用法分析定量谷物及其產品中谷維素（環木菠蘿烯醇阿魏酸酯回收率為86.93%，24-亞甲基環木菠蘿烯醇阿魏酸酯回收率為108.75%），但二氧化硅的替換成本高，因此該方法不適合工業上的大規模生產。

3.2.2 分子印跡吸附法

分子印跡吸附法最早可追溯至1940年，其制備過程可分為3 個步驟。首先，在合適的溶劑中，模板分子和功能單體通過化學鍵或分子間作用力的方式形成模板分子-功能單體復合物。然后，在溶液中加入引發劑和交聯劑，通過交聯聚合反應得到了內部含有模板分子的結構穩定的聚合物。最后使用適當的方法將模板分子從聚合物中除去，從而在聚合物內部留下印記空腔。根據模板分子和功能單體形成化學鍵或分子間相互作用力不同，可將分子印跡技術分為共價鍵法、非共價鍵法和半共價鍵法3 種。以甲基丙烯酸為功能單體，通過加入致孔劑甲苯、引發劑過氧化苯甲酰以及交聯劑二乙烯基苯合成高分子聚合物，通過熱聚合方法合成分子印跡聚合物。當除去模板分子谷維素之后，聚合物因為空穴中形成了谷維素的構型，因此對谷維素具有特殊的識別能力，在最佳條件下谷維素吸附率可達36.50%。分子印跡法分離谷維素的優點在于分離相對快速且易于進行、專一性強、制備簡單、成本低廉。缺點在于印記過程復雜，且此方法識別能力比生物識別弱，因此限制了這一方法的進一步發展。

3.3 層析技術

3.3.1 柱層析法

柱層析法是利用色譜柱中固定相對谷維素的吸附差異實現對谷維素的分離，固定相常選擇硅膠或者氯化鋁，用洗脫溶液（正己烷-乙酸乙酯梯度）洗脫后兩次結晶即得到谷維素產物。柱層析法分離谷維素的產率約為70%～80%，初始純度為50%～60%，結晶結束后，谷維素純度可達到90%以上。柱層析法分離純化谷維素具有快速高效、分離效果好的優點，但該方法需要預先對含有谷維素的樣品進行濃縮預處理，操作較為繁瑣、困難。

3.3.2 高效液相色譜法

正相色譜是一種基于極性差異的液相色譜法，正相色譜柱通常是使用一些極性較高的固體相進行填充，如硅膠和氧化鋁。谷維素結構中含極性基團（羥基、酚羥基），使用正相模式可用于分離谷維素和中性脂質（如甘油三酯）。研究表明，使用半制備正相色譜法純化谷維素，以己烷、乙酸乙酯為流動相洗脫谷維素，谷維素回收率可達84%，純度為95%。但正相高效液相色譜法會導致繁瑣的平衡步驟、較低的穩定性或較差的再現性。反相液相色譜法通常使用非極性材料作為固定相，以極性溶劑作為流動相，谷維素分子質量較大且含疏水結構（長鏈烷基），反相模式可用于分離谷維素與極性雜質（有機酸）。反相色譜法能實現復雜混合物中谷維素的高純度分離，將谷維素的純度提高至90%以上。Tangpromphan等采用色譜法分離谷維素和α-生育酚，并基于色譜分離建立了三區模擬移動床工藝分離谷維素和α-生育酚混合物的方法，通過利用吸附模型對三區模擬移動床工藝進行優化，最終獲得的產物中谷維素的純度高達99.24%。高效液相色譜法可以快速得到高純度的產物，但設備昂貴且制備規模較小，僅適合小量純化。

3.3.3 高速逆流色譜法

高速逆流色譜法是一種基于液-液分配的分離技術，無需固體載體，僅依靠兩相溶劑的極性差異和流體動力學平衡實現物質的純化，可避免固體載體對樣品的吸附損失，尤其適合分離易吸附變性的天然產物-谷維素。通過調節非極性相與極性相溶劑的比例形成穩定的兩相系統，疏水性較強的谷維素優先分配至非極性相，而有機酸則分配至極性相。高速逆流色譜法通過液-液分配原理和動態離心場平衡，實現對谷維素的高效、高純度分離。其核心在于溶劑體系優化與分配系數調控，是天然產物純化領域的重要技術，尤其適用于實驗室制備及中小規模生產。高速逆流色譜法最常用的溶液體系為由正己烷、二氯甲烷、乙腈組成的混合體系，研究表明，向該溶劑體系中添加少量的離子液體顯著提高谷維素分離效率，其中谷維素中的主要組分（谷甾醇阿魏酸酯、環木菠蘿烯醇阿魏酸酯、24-亞甲基環木菠蘿烯醇阿魏酸酯、菜油甾醇阿魏酸酯）純度均在90%以上。通過調節正己烷-二氯甲烷-乙腈-1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽溶劑體系，最終從400 mg大米米糠油中分離得到10.7 mg環木菠蘿烯醇阿魏酸酯（純度96.98%）、11.9 mg 24-亞甲基環木菠蘿烯醇阿魏酸酯（純度93.39%）、1.6 mg菜油甾醇阿魏酸酯（純度94.11%）、3.1 mg谷甾醇阿魏酸酯（純度95.47%）。高速逆流色譜法不需要使用固相吸附，因此可以處理較大量的樣品，但溶劑體系的選擇和優化較為復雜，操作技術要求高，設備成本也不低，分離時間較長。

3.4 蒸餾與結晶技術

3.4.1 分子蒸餾法

分子蒸餾法是一種基于分子運動平均自由程差異的分離技術，通過在高真空下，利用不同組分蒸發溫度的差異來分離高純度谷維素。該方法可將谷維素從米糠油脫臭餾出物中分離，且操作溫度低，物料受熱時間短，可確保谷維素不受到破壞，結合預處理技術（如溶劑萃取、膜分離）富集谷維素粗提物，再通過分子蒸餾進一步純化，可提升谷維素純度至98%以上。但分子蒸餾需要高真空系統和高精度控溫裝置，設備投資及維護成本高，且對操作人員技術要求嚴格，限制其在小規模或低成本生產中的應用。

3.4.2 結晶法

結晶法通過溶解性差異實現谷維素的分離和純化，其核心步驟包括溶解-過飽和-成核-晶體生長。首先將含有谷維素的粗提取物（如米糠油堿溶酸析后的混合物）溶于適當溶劑（如甲醇、乙醇或正己烷），通過調節溫度或蒸發溶劑使溶液達到過飽和狀態，由于谷維素分子含疏水長鏈烷基和極性羥基，在特定溶劑中溶解度較低，優先析出晶體，而雜質（如甘油三酯、甾醇）因溶解度較高保留在母液中，通過多次溶解-結晶循環，逐步去除殘留雜質，提升純度。結晶法相較于膜分離或分子蒸餾，能耗較低，但需消耗大量有機溶劑（如甲醇），且工藝時間較長，應用兩步結晶法從米糠油中分離谷維素，在最佳條件下，谷維素的純度可達到93%～95%，回收率為59%。結晶法是工業上分離純化谷維素最常用的方法，該方法成本低適合大規模應用，但結晶選擇性不足，難以有效分離谷維素，需結合其他純化手段。

總之，谷維素的分離純化方法可分為膜分離技術、吸附技術、層析技術、蒸餾與結晶技術。目前用于谷維素分離純化方法中純化效果最好的是柱層析法、高效液相色譜法和高速逆流色譜法。柱層析法成本低，操作簡單。高效液相色譜法分離效率高，適合復雜混合物的分離。高速逆流色譜法的樣品回收率高，且適合熱敏性物質，這3 種方法適合制備高純度谷維素。而工業上谷維素分離純化最常用的方法是結晶法，該方法適合大規模應用，但純化效果不穩定，不如柱層析法、高效液相色譜法和高速逆流色譜法。

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谷維素的生物活性功能

谷維素生物活性功能按生物學過程可分為代謝調節、免疫調節以及神經保護。代謝調節包括降血糖、降血脂；免疫調節包括抗氧化應激和抗炎癥功能；神經保護功能包括調節神經遞質平衡（抗抑郁、抗焦慮、運動功能）、保護神經元和突觸可塑性（改善認知功能）以及調節自主神經系統（改善更年期綜合征）。谷維素的生物活性功能以抗氧化應激和抗炎癥的免疫調節為核心，通過靶點機制影響代謝、免疫、消化等系統。

4.1 代謝調節

4.1.1 降血糖

隨著生活水平不斷提高，高脂、高膽固醇飲食導致越來越多的人患上糖尿病。據統計，中國糖尿病患者已達1.4億，且患病人數仍在不斷增長，抗糖尿病藥物應用廣泛，但是具有一定的副作用。值得注意的是，稻谷中的生物活性物質谷維素可以預防人類2型糖尿病的發作。最新研究指出谷維素可以通過增加肥胖動物骨骼肌中葡萄糖轉運體的表達減弱胰島素抵抗，從而降低動物體內血糖水平（圖3）。人體血糖調節主要依賴兩種腸促胰島素激素（胰高血糖素樣肽和葡萄糖依賴的促胰島素多肽）增加環磷酸腺苷水平調節葡萄糖刺激胰島素分泌的關鍵調節因子，進而激活環磷酸腺苷/蛋白激酶A通路。環磷酸腺苷/蛋白激酶A通路激活后會促使胰腺β細胞分泌胰島素，從而提高葡萄糖的代謝，降低血糖水平。長期高脂、高糖飲食導致胰島衍生多巴胺通過D2多巴胺受體降低人體體內環磷酸腺苷水平，導致胰島素分泌不足，血糖調節受到抑制。谷維素抑制D2多巴胺受體信號傳導，激活環磷酸腺苷/蛋白激酶A途徑增強，提高胰島素的敏感性，進而促進胰島素的分泌。除此之外，谷維素還可以通過抑制炎癥因子（腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6）的表達、改善內質網應激和保護胰腺β細胞免于凋亡、下調磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶、改善腸代謝和抑制腸道α-葡萄糖苷酶活性等多種作用聯合降低血糖水平。

4.1.2 降血脂

近年來，全球范圍內高脂血癥發病率持續上升。《中國居民營養與慢性病狀況報告2020》中數據顯示，我國血脂異常人數有2億，高脂血癥患者1億。高脂飲食會導致人體腸道脂肪酶和羧甲基戊二酰輔酶A活性增強，腸道脂肪酶的功能是在小腸中水解膳食脂肪為游離脂肪酸和單酰甘油，促進脂肪吸收，腸道脂肪酶活性升高會導致血液中乳糜微粒和極低密度脂蛋白水平升高，可能加重高脂血癥。羧甲基戊二酰輔酶A活性增強會導致更多膽固醇和低密度脂蛋白生成，進而升高血脂，尤其是低密度脂蛋白膽固醇。低密度脂蛋白膽固醇的升高會增加膽固醇在血管壁的沉積，加速動脈粥樣硬化進程，而活性低則相反，能降低膽固醇水平。谷維素作為稻米油中提取的天然活性物質，其降血脂研究歷經數十年，從最初的膽固醇排泄的單一靶點，逐步拓展至脂代謝酶活性、抗氧化應激以及腸道菌群等多維途徑（圖4）。最新研究表明，谷維素可通過調節腸道菌群及其代謝物、緩解腸道損傷改善高脂肪、高膽固醇飲食引起的高脂血癥。

4.2 免疫調節

4.2.1 抗氧化應激

氧化應激是指細胞內外環境產生過多的活性氧和活性氮導致氧化應激反應。在正常情況下，機體通過抗氧化系統清除活性氧和活性氮，維持氧化還原平衡。氧化應激在神經損傷中的作用主要是通過對神經細胞的直接和間接損傷來體現。在直接損傷方面，氧化應激會導致神經細胞膜脂質過氧化；在間接損傷方面，氧化應激可觸發神經性炎癥反應，引發炎癥細胞因子（白細胞介素-1β、白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α）的釋放，進一步導致神經細胞的損傷和凋亡。谷維素作為天然抗氧化物質，可降低由于抗氧化應激導致的神經細胞損傷和凋亡。研究表明，谷維素發揮抗氧化應激作用主要是通過激活核因子E2相關因子2信號通路和抑制絲裂原活化蛋白激酶通路，具體包括清除活性氧/活性氮，以抑制脂質過氧化；上調超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶等抗氧化酶活性以抑制肝臟氧化應激（圖5）；下調還原性輔酶II氧化酶活性以抑制內皮細胞過早衰老和功能障礙。

4.2.2 抗炎癥

谷維素抑制神經炎癥的研究聚焦于其對經典炎癥信號通路的干預。研究表明，谷維素可通過抑制核因子κB核轉位及絲裂原活化蛋白激酶通路磷酸化，顯著降低促炎因子（白細胞介素-1β、白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α）的表達（圖6）。在阿爾茨海默病動物模型中，谷維素干預后，腦內小膠質細胞的核因子κB活性下降40%～60%，同時海馬區炎癥因子水平降低，神經元凋亡減少。在脂多糖刺激的人結腸癌細胞細胞實驗中，谷維素通過調節Toll樣受體4和核因子κB信號通路減弱脂多糖刺激的炎癥反應。實驗顯示，在腦缺血再灌注損傷模型中，谷維素干預使氧化應激標志物丙二醛水平降低35%，同時炎癥因子白細胞介素-6減少50%。近年研究發現，谷維素可通過調節腸道菌群間接抑制神經炎癥，其促進益生菌（如雙歧桿菌）增殖，增加短鏈脂肪酸生成，短鏈脂肪酸通過血腦屏障激活小膠質細胞5’-磷酸腺苷活化蛋白激酶通路，抑制核因子κB活性。在肥胖相關神經炎癥模型中，谷維素干預后腸道菌群多樣性提升20%，腦內炎癥因子水平同步下降，揭示了“腸-腦軸”在神經炎癥調控中的新機制。

4.3 神經保護

4.3.1 調節神經遞質平衡（抗抑郁、抗焦慮、運動功能）

谷維素調節神經遞質平衡的早期研究聚焦于其對單胺類遞質的代謝干預。研究發現，谷維素可通過抑制單胺氧化酶活性，減少5-羥色胺和去甲腎上腺素的降解，從而提升突觸間隙遞質濃度。此外，谷維素還可通過調節下丘腦-垂體-腎上腺軸功能，降低皮質醇水平，間接減少去甲腎上腺素的過度釋放，緩解焦慮和應激反應（圖7）。近年研究揭示了谷維素對多巴胺系統的調控作用，以發揮其在輕度應激誘導的男性果蠅抑郁模型中的抗抑郁作用。隨著對谷維素鎮靜助眠作用的深入研究，研究人員發現了谷維素通過對組胺H1受體的拮抗作用來增加小鼠的非快速眼動睡眠并減少睡眠潛伏期。最新研究表明，谷維素可通過調節神經遞質平衡，促進小鼠脊髓損傷模型中小鼠運動功能的恢復，谷維素治療可改善損傷部位的脫髓鞘，并伴有與運動功能相關的軸突保留和疤痕減少。

4.3.2 保護神經元和突觸可塑性（改善認知功能）

谷維素已被證明能以完整的形式穿過血腦屏障并對腦功能產生有益作用，研究表明谷維素對成年小鼠的認知功能有積極影響，影響突觸可塑性和神經保護，同時谷維素還能夠調節神經分化，在人神經母細胞瘤細胞中刺激神經突生長、上調生長關聯蛋白43、腦源性神經營養因子和酪蛋白激酶B基因表達。動物實驗顯示，谷維素干預后，阿爾茨海默病模型小鼠的空間記憶能力顯著恢復，突觸傳遞效率提升。另外谷維素可通過影響突觸可塑性和神經元運輸的蛋白表達水平（鈣調蛋白1、蛋白酶體26S亞基、ATP酶6、α-突觸核蛋白、同型核蛋白和N-乙馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白）改善成年小鼠認知能力。

4.3.3 調節自主神經系統

谷維素調節自主神經系統包括調節交感與副交感神經平衡、改善心率變異性、緩解晝夜節律紊亂相關癥狀、治療心臟自主神經功能失調、減少炎癥與氧化應激對自主神經的損傷。其中谷維素通過作用于下丘腦及中樞神經系統，調節自主神經（交感神經與副交感神經）的功能平衡以緩解更年期綜合征帶來的潮熱、易激動、失眠等癥狀；通過調節植物神經功能，緩解焦慮、抑郁等情緒波動，同時減輕頭痛、頭暈等軀體化癥狀。在心臟自主神經功能失調的臨床研究中，谷維素注射液聯合其他藥物（如心痛口服液）顯著改善心率變異性指標（如QT間期離散度QTd），降低交感神經活性并增強副交感神經張力，從而減少心律失常風險。

05

谷維素的應用

目前，谷維素生物活性功能在食品、醫藥、化妝品以及農業領域有了突破性進展，部分生物活性功能例如抗炎癥、降血糖、降血脂、抗抑郁已經用于臨床實驗，而抗腫瘤目前還在研究階段，未來的研究進一步揭示其抗腫瘤的分子機制及應用價值。

5.1 谷維素在食品領域中的應用

谷維素在食品領域中的應用主要是基于谷維素的抗氧化應激、降血脂功能。例如利用谷維素與魚油制備納米乳，可解決魚油在儲存過程中容易變質的問題。將谷維素添加到菜花籽油中可以延緩菜花籽油過氧化值的升高，抑制油中不飽和脂肪酸的氧化，從而提高菜花籽油的貨架期穩定性。除此之外，谷維素作為天然的抗氧化活性物質還可以添加到食用油中，以提高熱氧化穩定性，研究表明將谷維素微膠囊化可顯著提高豬油熱氧化穩定性。谷維素的摻入可減小乳化液滴晶體尺寸，從而減少植物甾醇的結晶，進而盡可能提高植物甾醇與膽固醇競爭與膽汁鹽結合能力以減少人體對膽固醇的吸收，充分發揮谷維素降血脂作用。

5.2 谷維素在醫藥領域的應用

谷維素在醫藥領域中的應用主要是基于谷維素代謝調節（降血糖、降血脂）以及神經保護與調節（抑制神經炎癥、調節自主神經功能）。如利用谷維素降血糖功能活性治療糖尿病，抗氧化應激功能治療腸炎、咽炎和腸易激綜合征。谷維素調節自主神經功能活性在醫藥領域集中于治療更年期、女性圍絕經期帶來的抑郁、焦慮和失眠。除此之外，谷維素還可以治療神經衰弱、失眠、神經性尿頻等癥狀。

5.3 谷維素在化妝品領域的應用

谷維素在化妝品領域中的應用主要是基于谷維素的抗氧化功能。人類的皮膚極易受到外部的侵害尤其是來自太陽光的紫外線輻射而加劇衰老，因此使用具有適當紫外線防護能力或抗氧化或抗炎的制劑延緩皮膚的衰老很有必要。谷維素是一種植物來源的天然抗氧化劑，具有潛在的皮膚保護作用，能吸收紫外線，表現出強大的抗衰老作用。谷維素公認是皮膚的特殊美容素材，早在1960年就用于化妝品產品開發當中。目前谷維素廣泛用于日化用品，例如洗凈皂、膏、液，化妝乳液、粉底霜、防曬霜等。有研究表明，將谷維素添加到凝膠和霜膏類化妝品中，發現產品在寒熱條件下無油水分離現象，穩定性良好，具有良好的保濕和抗氧化能力且對皮膚無刺激性，這表明谷維素在化妝品領域具有廣泛的應用前景。

5.4 谷維素在農業領域和新興領域的潛力

盡管谷維素在食品、醫藥、化妝品領域已形成成熟應用，但其在農業上和新興醫療材料中展現出潛力。可將谷維素添加到家禽或水產飼料中以改善動物生長性能、抗氧化狀態及肉質，或探索利用谷維素抗炎和促修復特性并將其用于生物可降解材料或傷口敷料。

06

研究挑戰與未來方向

經過幾十年的探索發展，谷維素的提取和分離純化效率得以顯著提升。未來谷維素的提取方法可以從以下幾個方面提高谷維素提取效率、降低成本、減少環境污染并提高產品質量：1）開發環境友好型綠色溶劑以替代傳統有機溶劑（如正己烷），減少毒性和揮發性有機化合物的排放；2）結合酶解或微生物發酵技術，破壞植物細胞壁結構，釋放谷維素。目前已有通過微生物發酵提高米糠中谷維素含量的研究，但研究較少；3）多技術協同集合，將現有綠色提取技術如超臨界CO2萃取、微波、超聲波等進行多級聯用或動態耦合，以突破單一技術的局限性，實現增效降耗；根據現有的谷維素分離純化方法的不足，未來谷維素的分離純化方法可以從開發新型吸附材料方面著手以提高吸附材料對谷維素的選擇性，減少過柱次數并縮短分離時間。在生物活性方面，谷維素通過抗氧化應激與抗炎癥的核心機制，展現出代謝調節、神經保護等多重功能，其降糖、降脂及抗抑郁活性已進入臨床驗證階段，而抗腫瘤機制尚待深入解析。谷維素的生物活性功能未來方向將圍繞基礎研究深化、應用領域拓展、跨學科技術交融以及臨床轉化優化展開。

07

結 語

谷維素的提取方法中，超臨界CO2萃取法和亞臨界萃取法克服了傳統溶劑提取法、堿溶酸沉法操作繁瑣、溶劑使用量大、萃取時間長、谷維素提取率低的缺點，具有綠色環保、高效節能、成本低、規模化潛力的優點。隨著環保法規趨嚴，未來超臨界CO2萃取法在食品和制藥行業的滲透率將持續提升，亞臨界萃取法可能與超臨界技術結合，形成互補工藝。高純度谷維素可通過高效液相色譜法和高速逆流色譜法制備，未來可通過開發新的吸附材料減少谷維素純化時間，提高獲取高純度谷維素產品的效率。在生物活性功能及應用方面，目前谷維素已經應用于多項臨床試驗，并在農業以及新興醫藥材料方面表現出潛力，未來可進一步拓展谷維素在該方面的應用。

引文格式：

蘇娟, 牟代臣, 吳昊, 等. 谷維素制備及生物活性功能研究進展[J]. 食品科學, 2025, 46(17): 385-397. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250228-162.

SU Juan, MU Daichen, WU Hao, et al. Recent advances in the preparation and bioactive properties of γ-oryzanol[J].Food Science, 2025, 46(17): 385-397. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250228-162.

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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