發(fā)芽結(jié)合其他加工方式對(duì)全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)及感官特性的影響

李 忍 吳娜娜 李志江 譚 斌 李冬梅

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319) (國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院2，北京 100037) (黑龍江省五常金禾米業(yè)有限責(zé)任公司3，哈爾濱 150200) (北大荒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)省級(jí)培育協(xié)同創(chuàng)新中心4，大慶 163319)

2008年，美國國際谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)(AACCI)指出，如果發(fā)芽后的谷物含有麩皮、胚芽和胚乳，營養(yǎng)價(jià)值不降低，發(fā)芽的長度不超過籽粒的長度，那么它們應(yīng)被稱為發(fā)芽全谷物[1]。近年來，發(fā)芽作為一種新型的加工方式被廣泛應(yīng)用于全谷物加工中。全谷物在發(fā)芽過程中，淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被降解并產(chǎn)生一些新的營養(yǎng)物質(zhì)，因此發(fā)芽賦予了全谷物獨(dú)特的營養(yǎng)品質(zhì)和感官特性[2]。

近年來，麥芽餅干、發(fā)芽全谷物面包等發(fā)芽全谷物食品在市場(chǎng)上受到了廣大消費(fèi)者的歡迎。隨著我國食品工業(yè)的發(fā)展，為更好利用全谷物和促進(jìn)人體健康，全谷物的加工方式也在不斷創(chuàng)新，利用發(fā)芽與其他加工方式相結(jié)合的方法，探討全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)及感官特性受到了國內(nèi)外社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。與發(fā)芽結(jié)合的加工方式主要包括蒸煮、焙烤、擠壓、發(fā)酵、酶輔助處理等，這些加工方式會(huì)使發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)成分富集或損失，從而影響其食用功能。例如，蒸煮、發(fā)酵和酶輔助處理可以提高酚類和γ-氨基丁酸(GABA)含量、焙烤可以豐富風(fēng)味、擠壓處理可以提高還原糖含量，但由于蒸煮、焙烤和擠壓在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，對(duì)γ-谷維素和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)具有消極的影響。本文主要綜述了蒸煮、焙烤、擠壓、發(fā)酵、酶輔助處理等加工方式對(duì)發(fā)芽全谷物品質(zhì)特性的影響，為全谷物食品開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 加工方式對(duì)發(fā)芽全谷物品質(zhì)特性的影響

1.1 蒸煮處理

如表1所示，蒸煮處理可以改變發(fā)芽全谷物中的營養(yǎng)物質(zhì)含量和提高其抗氧化性。蒸煮可以使全谷物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破裂和纖維多糖部分水解，釋放結(jié)合酚類化合物，提高全谷物酚類含量和抗氧化活性[3]。例如，燕麥在蒸煮后，其香豆酸和阿魏酸含量會(huì)增加，這是由于羥基肉桂酸和纖維組分之間的鍵斷裂造成的[4]。但也有文獻(xiàn)表明，蒸煮可以降低酚類含量和抗氧化性的原因可能是：(1)蒸煮導(dǎo)致酚類與基質(zhì)中的大分子結(jié)合，降低了其溶解度[5]；(2)蒸煮會(huì)降解酚類分子，促進(jìn)了游離酚酸的脫羧和聚合[6]。同時(shí)，煮沸可使發(fā)芽糙米淀粉與蛋白質(zhì)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致其表觀直鏈淀粉含量下降，高溫破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了GABA的釋放，從而提高GABA含量[7]。蒸制處理能夠較為充分地糊化發(fā)芽糙米中的淀粉，對(duì)γ-谷維素等營養(yǎng)成分起到了保護(hù)作用；煮制處理容易導(dǎo)致γ-谷維素等營養(yǎng)成分的溶出；煎制處理時(shí)的高溫加速了γ-谷維素等營養(yǎng)物質(zhì)的降解[8][9]。因此，蒸煮處理對(duì)發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)影響差異較大，針對(duì)不同的發(fā)芽全谷物來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整蒸煮工藝條件，對(duì)提高其營養(yǎng)品質(zhì)具有重要作用。

表1 蒸煮方式對(duì)發(fā)芽全谷物中營養(yǎng)成分及理化性質(zhì)的影響

此外，蒸煮處理對(duì)改善發(fā)芽全谷物的感官特性也有著積極作用。Lee等[10]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽大麥經(jīng)蒸煮15 min后，其硬度明顯降低，適口性顯著提高。原因可能是大麥在發(fā)芽過程中，淀粉表面產(chǎn)生裂紋，水分在蒸煮過程中容易被吸收，促進(jìn)了淀粉的糊化，改善了其感官特性。Ren等[11]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽糙米經(jīng)加壓蒸煮(115 ℃，20 min)后，其硬度明顯降低，味覺價(jià)值顯著提高，且對(duì)其風(fēng)味也有一定的改善作用。研究表明，發(fā)芽糙米(發(fā)芽2 d)經(jīng)蒸煮處理處理后，其硬度降低約428 g，彈性和黏性分別增加約0.04%和18 g·s，且在發(fā)芽糙米(發(fā)芽2～5 d)飯中檢測(cè)到了具有甜玉米風(fēng)味的物質(zhì)二甲基硫醚，但隨著發(fā)芽時(shí)間的增長，蒸煮對(duì)其增香效果并不明顯，原因可能是隨著發(fā)芽時(shí)間的延長使得發(fā)芽糙米中醛、酸、酚類等物質(zhì)和一些含硫化合物含量不斷的增加，影響了蒸煮風(fēng)味[12]。因此，蒸煮處理可以較大的改善發(fā)芽全谷物的感官特性，對(duì)生產(chǎn)不同風(fēng)味的發(fā)芽全谷物食品具有重要意義。

1.2 焙烤處理

由于焙烤處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫和發(fā)生美拉德反應(yīng)，因此焙烤處理對(duì)發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)物質(zhì)水平具有不同的作用。發(fā)芽糙米經(jīng)焙烤后(150 ℃，15 min)，谷維素含量和植酸降解率分別提高了21.54%和43.53%，但GABA和一些氨基酸含量略有損失，且隨著焙烤溫度(125～175 ℃)的升高和焙烤時(shí)間(15～30 min)的延長，其抗氧化性顯著下降，原因可能是焙烤過程中GABA和一些氨基酸參與了美拉德反應(yīng)而發(fā)生了部分降解[14]。Cornejo等[15]研究得出，與未發(fā)芽的糙米面包相比，用發(fā)芽48 h的糙米粉焙烤(175 ℃，35 min)制出的面包，其蛋白質(zhì)、脂類、游離葡萄糖含量分別增加了約1.78、0.76、0.68 g/100 g，植酸含量降低了約0.28 g/100 g，且血糖指數(shù)(GI)顯著降低了約22.34。

圖1 美拉德反應(yīng)中形成香氣物質(zhì)的主要途徑[19]

此外，焙烤處理可以也改善發(fā)芽全谷物的感官特性。與普通面包相比，利用發(fā)芽3 d后的小麥粉焙烤(150 ℃，13 min)制出的面包，面包的體積、色澤和GABA含量均有所增加[16]。Wunthunyarat等[17]研究發(fā)現(xiàn)，利用發(fā)芽糙米粉焙烤制出的面包與對(duì)照組相比，面包的體積增加了約4%，硬度降低約34%，極大的改善了面包的感官特性。Wu等[18]利用氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)法分析后發(fā)現(xiàn)，在小麥粉中添加經(jīng)焙烤(130 ℃，15 min)后的發(fā)芽小麥粉(添加量為3%)所制作出的面包，其酯類、雜環(huán)芳香烴和醛酮等含量明顯增加，原因可能是發(fā)芽導(dǎo)致了小麥中還原糖含量的提高(約提高50 mg/g)，促進(jìn)了焙烤過程中的美拉德反應(yīng)，從而豐富了面包的風(fēng)味。因此，焙烤處理可以極大地改善發(fā)芽全谷物的風(fēng)味，這對(duì)于開發(fā)特色風(fēng)味的發(fā)芽全谷物食品具有指導(dǎo)意義。

焙烤可以改善發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)和感官特性，這是因?yàn)樵诒嚎具^程中發(fā)生了美拉德反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)制過程如圖1所示。目前，國內(nèi)外對(duì)發(fā)芽糙米和發(fā)芽小麥的焙烤處理研究報(bào)道較多，但對(duì)其他發(fā)芽全谷物的焙烤處理研究卻鮮有報(bào)道。

1.3 擠壓處理

由于發(fā)芽全谷物中含有較高含量的淀粉，因而具有良好的擠壓膨化特性，因此發(fā)芽全谷物常常是被用作擠壓膨化食品的主要原料。擠壓膨化的主要機(jī)理過程主要有四個(gè)方面[20]：原料淀粉結(jié)構(gòu)由有序變?yōu)闊o序；形成氣核；膨脹;氣泡生長；氣泡塌陷。

利用擠壓加工改變發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)一直是近年來研究的熱點(diǎn)。研究表明，發(fā)芽糙米經(jīng)擠壓后，其淀粉、粗脂肪、蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降約5.35%、16.10%、20.40%，還原糖含量增加了1.36倍，原因可能是擠壓導(dǎo)致淀粉降解成為小分子還原糖，脂類與淀粉、蛋白質(zhì)等發(fā)生復(fù)合作用，蛋白質(zhì)分解成肽類和氨基酸[21]。Ohtsubo等[22]研究得出，與糙米相比，發(fā)芽糙米經(jīng)擠壓(螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，擠壓溫度150 ℃，喂料速率100 g/min)處理后，其總阿魏酸、總膳食纖維含量分別提高了約8、0.4 mg/100 g，而谷維素含量卻降低了28.5 mg/100 g。何榮等[23]研究發(fā)現(xiàn)，雖然富硒后的發(fā)芽糙米粉經(jīng)擠壓膨化(水分含量17%，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，喂料速率16 r/min)后其營養(yǎng)物質(zhì)略有損失，但有機(jī)硒含量和GABA含量仍比原料糙米高出29倍和5倍。Gong等[24]研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于原生玉米粉，發(fā)芽玉米在擠壓(水分含量14%，螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min，擠壓溫度120 ℃，喂料速率300 g/min)處理后，其可溶性膳食纖維和游離酚含量提高，抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性均顯著提升，但總氨基酸含量略有下降，可能是擠壓促進(jìn)不溶性膳食纖維和結(jié)合酚等分解，氨基酸參與美拉德反應(yīng)，而游離酚的增加提高了抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性。

擠壓加工也可以改善發(fā)芽全谷物的感官特性。Singkhornart等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在擠壓發(fā)芽小麥過程中注入CO2，不同的模具溫度(90、130 ℃)和螺桿轉(zhuǎn)速(150、200 r/min)影響顯著膨脹率、體積密度、彈性、顏色等物理性能，但對(duì)營養(yǎng)成分含量影響較小，可能是CO2的注入可能會(huì)影響美拉德反應(yīng)。

淀粉在發(fā)芽全谷物擠壓中起到了非常重要的作用，淀粉在剪切力和高溫等作用下膨脹糊化，最終降解形成低聚糖等，其作用機(jī)理如圖2表示。以玉米淀粉為例，由圖3可以看出，玉米淀粉在擠壓前形態(tài)光滑且呈顆粒狀，擠壓過程中淀粉開始發(fā)生凝膠化，表面粗糙無序，經(jīng)過擠壓后淀粉膨脹糊化且結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞[26]。擠壓可以增加可溶性膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，但對(duì)GABA、總氨基酸、酚類含量和抗氧化性等具有不同的作用，主要原因可能是：高溫和剪切力使一些大分子物質(zhì)發(fā)生降解或分子重排，促進(jìn)了不同分子之間產(chǎn)生縮合等作用；擠壓參數(shù)的變化和物料品種的不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也不相同。

圖2 淀粉在擠壓過程中降解示意圖[26]

圖3 玉米淀粉在擠壓前后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[26]

1.4 發(fā)酵處理

發(fā)酵處理可以顯著改善發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)。在含有發(fā)芽大麥的混合物中添加5%嗜酸乳桿菌凝乳(1.0×106個(gè)/mL)進(jìn)行發(fā)酵(37 ℃，12 h)后，其還原糖、硫胺素、煙酸、賴氨酸和可溶性膳食纖維含量顯著增加，而粗蛋白、粗纖維、淀粉、總膳食纖維和不溶性膳食纖維含量均顯著下降[27]。Montemurro等[28]得出，發(fā)芽小麥經(jīng)酵母菌(7.0 logcfu/g)發(fā)酵(30 ℃，24 h)后，其多肽、游離氨基酸和酚類含量顯著提高，植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子顯著降低，用其制作成的面包具有蛋白質(zhì)消化率高、淀粉利用率低和感官特性良好等特點(diǎn)。Cáceres等[29]研究發(fā)現(xiàn)，添加發(fā)芽糙米粉發(fā)酵(發(fā)酵劑2.0×107cfu/g，42 ℃，pH=(4.4±0.2)時(shí)停止發(fā)酵)制備的酸奶可以有效的提高酸奶中酚類(15.2 mg/100 g)、GABA(1.9 mg/100 g)的含量及抗氧化性，且對(duì)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶具有良好的抑制作用(抑制率為61.5%)。

此外，發(fā)酵處理也可以顯著改善發(fā)芽全谷物的感官特性。Hiran等[30]研究發(fā)現(xiàn)，利用長雙歧桿菌發(fā)酵(接種量10 mL/100 g，37 ℃，72 h)的發(fā)芽玉米中有12種揮發(fā)性物質(zhì)，主要為吡嗪類和3-羥基扁桃酸類，更加豐富了其風(fēng)味。因此，發(fā)酵處里可以改善發(fā)芽全谷物的風(fēng)味，對(duì)促進(jìn)風(fēng)味型發(fā)芽全谷物食品的開發(fā)具有重要的作用。

綜上所述，發(fā)酵溫度、時(shí)間、菌株及其接種量等因素對(duì)發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)和感官特性有著很大的影響。分析機(jī)理為：1)發(fā)酵可以引起全谷物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破裂，蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物從細(xì)胞內(nèi)溶出；2)發(fā)酵為一些酶提供了最適的pH環(huán)境，加快了一些營養(yǎng)物質(zhì)的合成。例如，在發(fā)酵發(fā)芽黑麥過程中，阿魏酸的含量急劇增加，是因?yàn)榘l(fā)酵為黑麥肉桂酰酯酶提供了最適的pH 7[31]；3)細(xì)菌的代謝活性可能導(dǎo)致各種生物酶系統(tǒng)被激活。例如，酵母菌能夠使發(fā)芽小麥中的內(nèi)源酶和谷氨酸脫羧酶(GAD)等有關(guān)的酶系統(tǒng)被激活，從而降解淀粉和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分并產(chǎn)生一些次級(jí)代謝物，如GABA等[32]。

1.5 酶輔助處理

酶輔助處理可以改善發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)和感官特性。如表2所示，酶輔助處理可以顯著降低發(fā)芽糙米的硬度，改善其口感品質(zhì)，原因可能是酶輔助處理破壞了其皮層的粗纖維結(jié)構(gòu)，從而提高了口感質(zhì)量[33]。研究表明，酶輔助處理也可以顯著提高發(fā)芽糙米中GABA含量，分析原因?yàn)椋?)纖維素酶處理過程中的酸性環(huán)境增加了GAD的活性，從而促進(jìn)GABA的生成[34]；2)酶輔助處理使糙米皮層結(jié)構(gòu)遭到破壞，加強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的交換，促進(jìn)了糙米的萌發(fā)，提高了 GABA等營養(yǎng)物質(zhì)的富集程度[35]；3)纖維素酶與GAD的最適溫度(30～35 ℃)相近，利用纖維素酶處理發(fā)芽糙米時(shí)，為GAD提供適宜的溫度，從而增加了其活性，促進(jìn)了GABA的產(chǎn)生[36]。

此外，發(fā)芽紅糙米和發(fā)芽黑糙米經(jīng)纖維素酶酶處理后，兩者的總酚含量會(huì)顯著升高，分別提高了約298.7、319.0 mg/kg，抗氧化活性也隨之增強(qiáng)[37]。利用木聚糖酶和纖維素酶處理(濃度0.1%，5 h，45 ℃)發(fā)芽糙米，顯著提高酶解液中的葡萄糖含量(8.39 mg/mL)，且其蒸煮后的感官品質(zhì)均高于發(fā)芽糙米和糙米[38]。因此，酶輔助處理可以提高發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)和感官特性，對(duì)功能性發(fā)芽全谷物食品的開發(fā)具有重要作用。

表2 酶輔助處理對(duì)發(fā)芽糙米中GABA含量和其他理化性質(zhì)的影響

GABA的合成機(jī)制如圖4表示，L-谷氨酸在GAD的作用下脫羧生成GABA，接著在GABA轉(zhuǎn)氨酶(GABA-T)的作用下，GABA與α-酮戊二酸發(fā)生轉(zhuǎn)氨反應(yīng)生成谷氨酸(Glu)和琥珀酸半醛(SSA)，最后在琥珀酸半醛脫氫酶(SSADH)的作用下SSA被氧化成琥珀酸并進(jìn)入三羧酸循環(huán)，且該反應(yīng)使三羧酸循環(huán)中α-酮戊二酸氧化琥珀酸的途徑稱為GABA支路[43]。由此可看出GAD、GABA-T和SSADH三種酶共同調(diào)控植物體內(nèi)GABA的含量。有研究表明，降低胞質(zhì)間的pH[44]和增加胞質(zhì)間的Ca2+含量[45]均可以提高GAD的活性促進(jìn)GABA的積累，而厭氧處理[46]和改變GAD和GABA-T離體活性比[47]等方法，也可以抑制GABA-T和SSADH的活性從而累積GABA。

圖4 γ-氨基丁酸的合成機(jī)制圖解[48]

1.6 發(fā)芽全谷物的其他加工方式

其他加工方式對(duì)發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)品質(zhì)及感官特性也有一定的影響。Shen等[49]通過微波處理發(fā)芽糙米后發(fā)現(xiàn)，3～4 W/g的微波強(qiáng)度可以在發(fā)芽糙米的表面增加3～4個(gè)裂隙，導(dǎo)致其可以適度的吸水和淀粉糊化，有利于提高其蒸煮質(zhì)量和口感品質(zhì)。Chen等[50]研究得出，利用低溫等離子體(3 kV，10 min)和發(fā)芽聯(lián)合處理糙米，提高GABA含量9 mg/100 g，增加α-淀粉酶活性，提升抗氧化活性。Xia等[51]利用高靜壓處理發(fā)芽糙米10 min，可使其鈣和銅含量分別增加12.59%～52.17%和2.87%～23.06%，淀粉體外消化率降低約15%。Ding等[52]利用超聲波(25 kHz，16 W/L，5 min)處理發(fā)芽糙米和發(fā)芽紅米，可使兩者的硬度分別降低39.2%和43.4%，改善了兩者的蒸煮特性。研究表明，利用Ca2+和紫外線-B(UV-B)聯(lián)合處理4 d發(fā)芽小麥，可以顯著提高發(fā)芽小麥中的總酚含量，原因是外源Ca2+參與了UV-B輻射下發(fā)芽小麥的酚類代謝和生理調(diào)控[53]。

2 展望

近年來，加工方式對(duì)發(fā)芽全谷物的研究已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)，如何通過不同的加工方式來提高營養(yǎng)成分或盡可能降低營養(yǎng)成分的損耗越來越受到關(guān)注，但仍有一些問題等待解決。目前大多數(shù)的研究只停留在對(duì)發(fā)芽全谷物進(jìn)行單一方式加工處理，在一定條件下可以利用不同加工處理方式相結(jié)合的方法，通過優(yōu)化聯(lián)合處理方式的加工工藝來盡可能更多的保留一些有益的營養(yǎng)成分；研究加工方式對(duì)發(fā)芽全谷物營養(yǎng)成分的影響變化機(jī)制和其分子結(jié)構(gòu)的變化對(duì)新的功能性食品的開發(fā)具有重要意義；探索應(yīng)用各種新型加工技術(shù)手段對(duì)發(fā)芽全谷物的營養(yǎng)與活性組分的影響，尚需進(jìn)一步加強(qiáng)，從而更加科學(xué)高效地利用發(fā)芽全谷物(粉)制備美味的健康全谷物食品。