全谷物食品安全、營養(yǎng)功能提升關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

傘惟琳，楊書林，任晨剛，杜昱蒙，張瑞雪，李 沿

(1.中糧國際(北京)有限公司，北京 100020；2.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京 100020)

目前，世界范圍內(nèi)還沒有對全谷物統(tǒng)一的定義，學(xué)術(shù)界普遍采用美國谷物化學(xué)家協(xié)會(AACC)對全谷物的定義，即：完整、碾碎、破碎或壓片的穎果，基本的組成包括淀粉質(zhì)胚乳、胚芽與麩皮，各組成部分的相對比例與完整穎果一樣。美國食品與醫(yī)藥管理局(FDA)對全谷物定義幾乎相同，只是進(jìn)一步明確了全谷物的范圍[1]。中國營養(yǎng)學(xué)會2021-06-04發(fā)布的《全谷物及全谷物食品判定及標(biāo)識通則》(T/CNSS 008—2021)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)將全谷物定義為“經(jīng)過清理但未經(jīng)進(jìn)一步加工，保留了完整穎果結(jié)構(gòu)的谷物籽粒；或雖經(jīng)碾磨、粉碎、擠壓等加工方式，但皮層、胚乳、胚芽的相對比例仍與完整穎果保持一致的谷物制品?；谑称钒踩唾|(zhì)量控制的考慮，加工過程中允許有少量組分的損失，皮層損失不應(yīng)超過3%”。

20世紀(jì)80年代以來，世界各國對全谷物食物的營養(yǎng)價值進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)其大多富含宏量營養(yǎng)素、微量營養(yǎng)素及生理活性物質(zhì)，如膳食纖維、葉酸、維生素E、酚類化合物、木質(zhì)素和植物固醇等，這些物質(zhì)可以降低心腦血管疾病、2型糖尿病、結(jié)腸癌等疾病的發(fā)病率[2-4]，且主要分布于谷物的胚和外層麩皮中，因此全谷物食品相較于精加工谷物食品具有更全面的營養(yǎng)功能和健康性。同時，全谷物食品由于高膳食纖維、低脂肪、低飽和脂、低膽固醇和低熱量，具有一定的保健功能。一項針對7萬名以上女性，長達(dá)12年的長期健康研究表明，每天增加全谷物攝入量的女性比普通女性平均體重減少約1.5 kg，說明全谷物食品有助于增加人體的飽腹感，減少了人體對脂肪和糖攝入量，達(dá)到控制體重和減肥的目的，符合當(dāng)代消費(fèi)者需求[5]。美國FDA、英國聯(lián)合健康聲稱計劃、瑞典均發(fā)布健康聲稱，指出食用全谷物食品是一種健康的生活方式，可以有效減少一些疾病的發(fā)病率[6-8]。

在中國，谷物一直是傳統(tǒng)膳食的主體，是人體每天攝入能量的主要來源，是膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)中非常重要的一部分。近年來，國人對于健康的需求越來越迫切，全麥粉、燕麥片、糙米等全谷物食品銷量也隨之提升，但是現(xiàn)有谷物產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不適應(yīng)消費(fèi)者需求的情況較為突出，全谷物食品市場仍面臨著營養(yǎng)功能損失較大、食品安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失、貨架期較短、加工精度低等問題，與發(fā)達(dá)國家全谷物食品市場平均水平仍有一定差距[9-11]。由于全谷物食品等營養(yǎng)健康產(chǎn)品不同于傳統(tǒng)食品，屬于非剛性需求，消費(fèi)者的購買欲望往往產(chǎn)生于糧食加工企業(yè)及全谷物食品相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新力和產(chǎn)品吸引力，行業(yè)的引導(dǎo)及產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。

全谷物產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)有許多技術(shù)難點需要攻關(guān)。保質(zhì)期延長、微生物污染防控、營養(yǎng)和功能成分的保留及生物有效性提升都是目前面臨的技術(shù)難題?，F(xiàn)有的加工技術(shù)在解決某一方面問題的同時，往往又導(dǎo)致其他問題的產(chǎn)生。如何實現(xiàn)全谷物食品營養(yǎng)與美味的統(tǒng)一是目前行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。本文著重介紹全谷物食品安全、營養(yǎng)功能提升關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，以期為攻克全谷物加工與產(chǎn)品開發(fā)難點提供參考和啟發(fā)，進(jìn)一步促進(jìn)全谷物發(fā)展[12]。

1 食品安全

全谷物由于種皮和胚的存在，會造成細(xì)菌、霉菌、放線菌的存在，還會有農(nóng)藥殘留的富集或粘附，相較于精制小麥粉可能含有更多的污染物，如真菌毒素、重金屬、抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)和致癌物等[13]。因此，為了保證全谷物食品的品質(zhì)，全谷物處理需要對加工方式、加工過程進(jìn)行控制，以達(dá)到降低微生物數(shù)量和控制農(nóng)殘、重金屬含量的目的。低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于全谷物領(lǐng)域，可以通過引入活性氧(ROS)如單線態(tài)氧、臭氧和活性氮(RNS)，使腐敗微生物和食源性病原體在內(nèi)的微生物失活，實現(xiàn)無損高效的滅菌目標(biāo)，減少表面的真菌毒素和農(nóng)藥殘留，降低產(chǎn)品的二次污染，有利于保障全谷物的食品安全[14]。Lee等[15]對全谷物糙米表面進(jìn)行了一系列低溫等離子體技術(shù)處理，并對多種細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行了測定，實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫等離子體處理20 min后，糙米表面存在的蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌菌落總數(shù)顯著降低，這表明低溫等離子體技術(shù)對糙米表面的細(xì)菌具有有效的控制效果。有研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體技術(shù)可以有效去除有機(jī)磷酸酯類的農(nóng)藥殘留，包括有機(jī)磷、敵敵畏以及氧化樂果等[16-17]，表明低溫等離子體技術(shù)可以用于去除食品中有毒化學(xué)物質(zhì)，發(fā)展前景廣闊。

全谷物粉中通常具有一定含量的油脂，全谷物在制粉的過程中，全谷物籽粒不同部位間的區(qū)隔被打斷，儲藏在胚和麩皮細(xì)胞中的脂肪和酶會被釋放出來，釋放出來的酶中具有分解/氧化脂肪能力的酶會以脂肪為底物，水解生成游離脂肪酸，游離脂肪酸進(jìn)一步被氧化為氫過氧化物，氫過氧化物分解產(chǎn)生含羰基的化合物(醛、酮類化合物)，最終分解成小分子的醛、酮化合物，從而產(chǎn)生了哈敗風(fēng)味，影響全谷物粉的貨架期。研究表明，脂肪的分解及氧化是影響全谷物粉貨架期長短的最關(guān)鍵因素[18]。低溫環(huán)境可以明顯減緩脂肪分解的速度，如果溫度降低至-20℃以下，脂肪酶作用的速率將明顯下降[19]。但冷鏈運(yùn)輸在糧食行業(yè)的應(yīng)用范圍受限，明顯受到成本因素的制約。真空包裝和氣調(diào)包裝對脂肪酶的抑制沒有明顯的效果，因為脂肪酶的水解作用通常不需要氧氣的參與[20]。國內(nèi)外對于抑制全谷物中脂肪酶、脂肪氧化酶活性的研究報道比較多。目前，滅酶的工藝主要包括:熱處理(干熱或濕熱)、微波處理、擠壓處理、射線等[21]。根據(jù)滅酶處理針對的原料的不同，也可以將處理分為全籽粒滅酶處理及部分組分滅酶處理。研究表明，蒸汽處理小麥籽粒240 s，可以降低小麥粉脂肪酶活性84%[22]。邱婷婷等[23]的研究表明，滾筒干燥和擠壓膨化這兩種加工方式對脂肪酶和脂肪氧化酶的鈍化效果明顯，經(jīng)過擠壓膨化及滾筒干燥加工后，3種黑色谷物(黑麥、黑米、黑豆)在45 d的加速儲藏實驗過程中，游離脂肪酸含量與過氧化值始終低于未加工樣品，因此，能夠改善谷物在儲藏期間因油脂氧化帶來的品質(zhì)劣化，從而延長產(chǎn)品的貨架期。由于許多谷物如小麥、燕麥等，脂肪酶主要集中分布在籽粒的麩皮部分，有研究對麩皮部分進(jìn)行單獨(dú)處理后，再與胚乳部分混合制成全谷物粉[24]。韓雪[25]的研究表明，擠壓處理可使不同含粉量麩皮的脂肪酶滅酶率達(dá)80%以上。

2 營養(yǎng)功能

全谷物為達(dá)到可食用標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過多種加工處理，如超微粉碎、擠壓膨化、酶解、蒸煮、烘烤等，這些過程會改變?nèi)任镏袪I養(yǎng)成分如酚類物質(zhì)、膳食纖維和淀粉的特性，降低植物活性物質(zhì)含量和抗氧化能力，因此選擇合適的加工方式有助于保留全谷物的營養(yǎng)物質(zhì)，更有效地發(fā)揮全谷物的健康功能。

2.1 超微粉碎技術(shù)

超微粉碎能夠利用機(jī)械力或流體動力將全谷物顆粒從3 mm以上粉碎至10～25 μm，且保證其主要化學(xué)結(jié)構(gòu)不受破壞，同時隨著全谷物粒徑的減小，其營養(yǎng)成分如黃酮類化合物、總多酚、可溶性蛋白質(zhì)和多糖的溶出度逐漸提高，有利于人體的吸收[26]。Li等[27]研究表明，經(jīng)微波處理的全谷物小麥粉中多酚氧化酶含量和菌落總數(shù)顯著下降，其制成的全谷物面條保質(zhì)期延長了3倍以上。李菁等[28]研究表明，經(jīng)超微粉碎的豆渣中水不溶性膳食纖維和酸-堿不溶性膳食纖維的持水性、持油性和膨脹力均有所改善，同時以葡萄糖吸附能力、葡萄糖透析延遲指數(shù)和α-淀粉酶抑制作用表征豆渣膳食纖維的體外降血糖特性，發(fā)現(xiàn)其體外降血糖能力均有明顯提高。易建華等[29]研究表明，超微粉碎處理提高了黑米粉粉體中陽離子的交換率，使其更容易降低血液中的Na+/K+比值，從而起到降低血壓的作用。同時，黑米中的多酚、黃酮等抗氧化活性物質(zhì)釋放率提高，使得黑米粉的自由基清除率和抗氧化活性都增大，更有利于人體的營養(yǎng)健康。

2.2 擠壓膨化技術(shù)

擠壓膨化技術(shù)一般采用外施加熱和壓力使物料結(jié)構(gòu)膨大并改變其某些理化性質(zhì)，膨化過程中高溫高剪切等作用可以最大限度地促進(jìn)全谷物中大分子類聚合物(如淀粉、蛋白質(zhì))的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)變成小分子的可溶性物質(zhì)，改善全谷物消化特性，增強(qiáng)其在大宗食品中的應(yīng)用，提高食物營養(yǎng)價值[30]。通過擠壓膨化使麩皮品質(zhì)得到改善，氨基酸、膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)含量明顯提高，植酸含量下降[31-33]，蛋白質(zhì)的體外消化率有所提高，淀粉體外消化率明顯提高。馮進(jìn)等[34]研究表明，擠壓膨化可以促進(jìn)不溶性膳食纖維(IDF)向可溶性膳食纖維(SDF)轉(zhuǎn)變，雜糧膨化營養(yǎng)粉的碳水化合物水解指數(shù)(HI)、血糖生成指數(shù)(EGI)、血糖負(fù)荷指數(shù)(EGL)等參數(shù)均顯著低于原料，部分指標(biāo)達(dá)到了低血糖生成指數(shù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，用來部分替代主食，可以起到補(bǔ)充膳食纖維和微量營養(yǎng)素、延長飽腹感的作用。

2.3 生物加工技術(shù)

生物技術(shù)加工主要指利用微生物發(fā)酵、酶制劑水解及發(fā)芽處理等形式對谷物進(jìn)行加工，其本質(zhì)是利用酶(微生物酶，商業(yè)外源酶以及植物內(nèi)源酶)的作用，實現(xiàn)改變谷物及其制品的結(jié)構(gòu)和組成，改善其加工性能，增強(qiáng)其功能活性，經(jīng)過生物技術(shù)加工的全谷物也會在營養(yǎng)價值及健康功能上有所改善[35]。Cornejo等[36]研究得出，發(fā)芽48 h的糙米粉焙烤(175℃，35 min)制出的面包，與未發(fā)芽的糙米烘焙制成面包相比，其蛋白質(zhì)、脂類、游離葡萄糖含量增加，植酸含量降低，且血糖指數(shù)(GI)顯著降低，更適合于人體食用。研究發(fā)現(xiàn)發(fā)芽對小麥營養(yǎng)價值有一定的影響，葉酸、可溶性膳食纖維、總蛋白質(zhì)及游離脂質(zhì)含量會隨著發(fā)芽時間的延長而顯著增加，功能性必需氨基酸包括苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、γ-氨基丁酸等含量會有不同倍數(shù)的增長[37]。陳東方[38]研究發(fā)現(xiàn)，用淀粉酶、蛋白酶和纖維素酶水解燕麥粉均能顯著提高燕麥粉中的可提取性總多酚與單體酚含量，增強(qiáng)其總抗氧化活性，燕麥粉提取物清除ABTS、DPPH自由基的能力顯著提高，還原三價鐵離子能力得到增強(qiáng)。

3 應(yīng)用特性

隨著加工技術(shù)的發(fā)展，對全谷物的處理方式不同對其作為原材料進(jìn)行深加工應(yīng)用特性造成一定影響。程佳鈺等[39]研究發(fā)現(xiàn)，苦蕎麥粉經(jīng)過超微粉碎后，隨著粒徑的減小，苦蕎麥粉的破損淀粉含量明顯升高，白度從72%升至77%，峰值黏度、谷值黏度和最終黏度都出現(xiàn)了明顯上升。同時，超微粉碎技術(shù)的應(yīng)用提升了苦蕎麥粉的整體糊化特性，使得面團(tuán)能夠更快成型，穩(wěn)定時間增加，面團(tuán)的黏彈性增強(qiáng)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈發(fā)均勻致密。采用超微粉碎處理后的苦蕎麥粉制成的苦蕎麥面條，其斷條率下降了12%～18%，最佳蒸煮時間和蒸煮損失最多下降50%，其質(zhì)構(gòu)特性也有了顯著性改善[40-41]。吉夢瑩[42]的研究表明，擠壓膨化后的燕麥粉加入到小麥面團(tuán)后可以增加面包的出品率。

4 總結(jié)與展望

近年來，通過廣大科技工作者、全谷物加工企業(yè)等的不斷努力，全谷物及其制品存在的食品安全、營養(yǎng)功能等問題正逐漸得到改善和解決，相關(guān)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于全谷物及其制品的開發(fā)和加工生產(chǎn)中，全谷物相關(guān)的創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)呈蓬勃發(fā)展趨勢，有多種類別的全谷物食品陸續(xù)出現(xiàn)，如全谷物發(fā)酵飲料、全谷物餅干、全谷物面包等[43-45]，為消費(fèi)者提供了日益豐富的全谷物食品選擇。同時，也應(yīng)看到許多研究還停留在實驗室階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有不小的差距，還有的研究偏向于針對某一方面的問題進(jìn)行攻關(guān)，而技術(shù)的系統(tǒng)性、完整性不足，還存在許多不能適應(yīng)實際生產(chǎn)需要的方面。今后，一要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的中試和產(chǎn)業(yè)化研究，提高技術(shù)的成熟度；二要加強(qiáng)相關(guān)新技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的集成研究，開發(fā)系統(tǒng)化的成套技術(shù)；三要加強(qiáng)全谷物加工核心裝備和成套生產(chǎn)線的研發(fā)創(chuàng)新，裝備是技術(shù)的載體，沒有成熟的裝備，就難以真正進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣[46]。