綠色加工對全谷物結(jié)構(gòu)及膳食纖維、酚類物質(zhì)影響的研究進展

秦 宇，馬碩晗，徐恩波*，周建偉，陳健初，劉東紅，葉興乾

（1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學智能食品加工技術(shù)與裝備國家地方聯(lián)合工程實驗室，浙江 杭州 310058；3.浙大寧波理工學院機電與能源工程學院，浙江寧波 315100）

全谷物是膳食纖維、酚類物質(zhì)、甾醇、生育酚等功能成分與活性小分子的良好來源。流行病學數(shù)據(jù)表明，食用全谷物可有效降低機體的糖尿病、高血脂、高血壓等多種慢性疾病的發(fā)病率[1]。雖然谷物及其加工制品在物理或生理上對人體健康有益的確切機制尚未完全清晰，但20世紀80年代以來，大量研究顯示全谷物中膳食纖維具有增加飽腹感、促進胃腸蠕動，以及益生元的形成（包括抗性淀粉經(jīng)腸道微生物代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸），對體質(zhì)有增強效用。此外，全谷物還包括多酚、維生素等生理活性物質(zhì)，可以通過單個組分或者相互結(jié)合或協(xié)同增效的作用來產(chǎn)生有益因子[1-2]，從而構(gòu)成了比單營養(yǎng)素更加有利于人體健康的 “全谷物多元功能營養(yǎng)素”復(fù)雜體系?！吨袊用裆攀持改稀方ㄗh居民日常飲食要以谷物為主，其中攝入全谷物、雜豆類食物50～150 g/d。然而，由于全谷物皮層含有大量糠蠟和纖維物質(zhì)，造成口感粗糙、質(zhì)地緊密因而不易消化吸收，目前作為主食的接受度不高，有待新型食品加工技術(shù)對全谷物食品品質(zhì)優(yōu)化提升[4]。

過度加工的精制谷物是現(xiàn)代飲食模式的主要特征，是亞健康人群“富貴病”即慢性病的誘因之一[3]。隨著人們對于營養(yǎng)健康與高質(zhì)量生活的追求，越來越多的加工技術(shù)逐漸被應(yīng)用于全谷物，以求在保留或提升全谷物營養(yǎng)價值的同時，改善全谷物口感差、熟化不均等缺陷。作者所在團隊基于Web of Science 數(shù)據(jù)庫，對近20年來全谷物食品的研究進行了檢索 （使用以下關(guān)鍵詞：全谷物/谷物whole grain（s）/cereal（s）、結(jié)構(gòu)structure、分布distribution、加工技術(shù) process/treatment/technology、營養(yǎng)健康nutrition/health/intestine、靶向遞送targeted delivery、載體carrier）。統(tǒng)計顯示，谷物領(lǐng)域研究態(tài)勢穩(wěn)步提升，其中全谷物加工與營養(yǎng)健康是近年來的熱門研究方向（占約90%）。然而，全谷物的多層級結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組分分布不均，精準加工難度高、結(jié)構(gòu)調(diào)控不易，相關(guān)研究較少（＜20%），見圖1。此外，基于谷物和全谷物相關(guān)體系構(gòu)建的靶向遞送與載體等前沿研究尚未取得系統(tǒng)性的突破。

圖1 2001-2021年全谷物相關(guān)研究趨勢統(tǒng)計Fig.1 Research trends in whole grains from 2001 to 2021

目前，工業(yè)應(yīng)用的全谷物粗加工與精加工技術(shù)主要為傳統(tǒng)的碾磨、蒸煮、烘焙、膨化等方式?，F(xiàn)有研究表明，普通的蒸煮和碾磨處理會導(dǎo)致一些全谷物中的總酚含量下降[5-6]，降低了功能性化合物的可利用性。此外，全谷物制品如能量棒、面包等對于感官特性的改善也大多通過添加糖、脂肪或者鹽等調(diào)味劑來實現(xiàn)[7]，風味整體均衡度較弱，且過量引入添加劑會存在機體代謝隱患，無法真正達到改善全谷物口感與健康營養(yǎng)的平衡。有些化學加工法例如過氧化氫處理、酸處理等，盡管能有效改變膳食纖維的結(jié)構(gòu)和功能，但是會引起酚酸、類黃酮化合物含量的下降[8]，并使處理過的膳食纖維受到SO42-、Cl-等有害化學基團的污染[9]。綜上，發(fā)展綠色的新型加工技術(shù)是未來全谷物食品領(lǐng)域的重要方向之一。

1 全谷物組成

1.1 全谷物多層級結(jié)構(gòu)

全谷物一般指完整的、碾成粉狀、碎塊狀或壓成片狀的谷物穎果，具有復(fù)雜的層—層包裹型亞宏觀結(jié)構(gòu)。以稻米為例，完整的谷粒由谷殼、麩皮、胚乳和胚芽幾個主要部分組成，見圖2。外殼保護谷物基質(zhì)，由富含纖維素和二氧化硅的纖維組織構(gòu)成。脫殼后的剩余結(jié)構(gòu)部分為糙米，其麩皮部分由種皮、谷皮構(gòu)成，此處淀粉含量極低，富含膳食纖維、酚類物質(zhì)等功能性成分。外殼和麩皮在稻米精制過程中往往作廢棄或飼料化處理，缺乏高附加值產(chǎn)品。此外在加工過程中，如物料的胚乳、胚芽和糠麩的比例與其在完整穎果中的比例基本相同，也可稱其產(chǎn)品為全谷物制品。

圖2 糙米的層-層包裹型結(jié)構(gòu)與組分分布Fig.2 Layer-by-layer structure and component distribution of brown rice

1.2 全谷物功能與活性成分

全谷物中含有較為豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，其功能營養(yǎng)成分主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等。與精制谷物相比，全谷物保留了糊粉層、外皮層，具有大量膳食纖維和酚類物質(zhì)。而在不同種類的谷物中，功能組分和活性化合物成分有很大差異，表1總結(jié)了部分全谷物中膳食纖維以及酚類物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。

表1 全谷物中膳食纖維和酚類物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)Table 1 Content of dietary fiber and polyphenols in whole grains

1.2.1 膳食纖維膳食纖維是植物器官的結(jié)構(gòu)多糖，可分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，包含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、β-葡聚糖等。除此之外，抗性淀粉被定義為一種新型的膳食纖維，與常見膳食纖維的生理功能相似，目前主要分為5 類[17-18]。其中第一類為天然物理包埋的抗消化淀粉，主要存在于豆類以及全谷物，與細胞壁結(jié)構(gòu)結(jié)合或被細胞壁所包裹，因而限制了淀粉酶的水解作用。它們通常無法在人體小腸中消化吸收，到達大腸后才被完全或部分發(fā)酵，生成醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等短鏈脂肪酸并影響腸道菌群。因而，抗性低聚糖、果聚糖、半乳聚糖等部分膳食纖維被定義為益生元[19]。在Ross 等人進行的一項隨機交叉試驗中，將參與者分為全谷物飲食組（32 g/d）和精制谷物飲食組（19 g/d），前者體內(nèi)的共生梭狀芽孢桿菌產(chǎn)物乙酸鹽和丁酸鹽顯著增加[20]。另有Roager 等人在一項為期8周的人類交叉研究中發(fā)現(xiàn)，一類產(chǎn)丁酸鹽梭狀芽孢桿菌會在參與者全谷物高消耗量（179 g/d）期間增殖，并在全谷物低消耗量（13 g/d）期間下降[21]。

全谷物膳食纖維主要由植物細胞壁基質(zhì)組成，大量存在于全谷物的麩皮部分，例如麥麩中膳食纖維達到50%～53%[22]。已有大量研究顯示，富含膳食纖維的全谷物食品對人體健康有較大益處，但目前人們?nèi)匀粌A向于選擇精制谷物食品，相關(guān)調(diào)查表明原因大多集中在全谷物食品入口感官特性差、烹飪加工時間長等方面[23-24]。全谷物食品中含量較高的不溶性纖維是造成全谷物食品上述現(xiàn)狀的重要原因（除β-葡聚糖外，大多數(shù)膳食纖維是不溶性的），其存在會破壞面筋基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，或者與其他聚合物競爭性吸水，從而破壞面團的黏彈性或者延展性[25]。高纖維全谷物食品的口感質(zhì)量與營養(yǎng)功能之間存在“加工沖突”。目前，通過減小不溶性膳食纖維粒徑或者將其轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維來對該特性進行改善是主要策略，這可能會導(dǎo)致全谷物的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、比表面積等發(fā)生一定變化[26]。

1.2.2 酚類物質(zhì)酚類化合物為植物次生代謝物，主要通過莽草酸和苯丙烷途徑合成，包括酚酸、類黃酮、芪和木脂素、單寧以及多酚酰胺。相較于水果和蔬菜，谷物是人們獲取酚類物質(zhì)的重要來源。越來越多的證據(jù)表明，全谷物麩皮是酚類化合物的良好來源之一[27-28]。全谷物中的多酚按其存在形式可分為自由態(tài)、可溶酯化態(tài)和不溶結(jié)合態(tài)。自由態(tài)和可溶酯化態(tài)一般統(tǒng)歸為游離態(tài)酚類物質(zhì)，其在小麥、糙米等全谷物中占多酚質(zhì)量分數(shù)的30%～50%。結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)是全谷物酚類物質(zhì)存在的主要形式，其往往與細胞壁結(jié)構(gòu)中的碳水化合物、纖維素、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素成分共價結(jié)合（酯鍵、醚鍵），以酯、糖苷或聚合物的結(jié)合態(tài)形式存在。酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征在于其芳環(huán)帶有一個或多個羥基取代基，其生物活性與2 型糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等慢性疾病的發(fā)病率有關(guān)[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，高粱麩皮多酚提取物可促進正常個體及肥胖個體糞便樣本內(nèi)雙歧桿菌、乳酸桿菌、羅氏菌和普氏菌的生長[30]。研究者通過大鼠實驗發(fā)現(xiàn)，在高脂肪飲食中添加粗麥麩可使大鼠血清和肝臟總膽固醇水平、甘油三酯、丙二醛、血清低密度脂蛋白和血清葡萄糖降低，并改善血清高密度脂蛋白水平[31]。然而，谷物酚類物質(zhì)與營養(yǎng)代謝的構(gòu)效關(guān)系仍有待系統(tǒng)性研究。

谷物中的酚類物質(zhì)與膳食纖維多通過酯鍵或非共價相互作用連接，例如廣泛存在于谷物中的阿魏酸，結(jié)合阿拉伯木聚糖并改變其流變特性和物理結(jié)構(gòu)[32]。酚類化合物與膳食纖維共價結(jié)合后，在消化過程中難以從細胞壁基質(zhì)中釋放出來，對其在人體內(nèi)的生物活性及生物可及性有極大影響[33]。兩者之間的相互作用或絡(luò)合作用增加了膳食纖維理化性質(zhì)和酚類化合物代謝過程的復(fù)雜性。由于酚類物質(zhì)具有熱敏性的特點，對于加工條件要求較高，包括蒸煮、焙烤在內(nèi)的傳統(tǒng)熱加工在改善全谷物口感的同時往往會導(dǎo)致全谷物內(nèi)酚類物質(zhì)的大量損失。

2 全谷物綠色加工技術(shù)

全谷物的加工結(jié)構(gòu)變化與其膳食纖維、酚類的狀態(tài)與分布息息相關(guān)。生物酶及發(fā)芽、發(fā)酵等綠色加工方式對全谷物多層級結(jié)構(gòu)的破壞相對較小，功能成分保留高。而從材料學的角度看，食品是一種亞穩(wěn)態(tài)多相體系，當全谷物系統(tǒng)在加工過程中受到熱、壓力或其他物理力的外部應(yīng)力時，易發(fā)生局部結(jié)構(gòu)位移甚至重組，并伴隨膳食纖維、酚類物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[33]。作者對全谷物食品中所應(yīng)用到的生物、物理加工技術(shù)以及其對全谷物食品產(chǎn)品質(zhì)量、營養(yǎng)特性的改變進行了總結(jié)，見表2。

表2 全谷物加工技術(shù)概覽Table 2 Overview of whole grain processing technologies

2.1 生物加工技術(shù)

2.1.1 發(fā)芽發(fā)芽處理是改善全谷物食用品質(zhì)，進一步提高其營養(yǎng)價值的有效方法，這一技術(shù)除局部膨脹、新長芽頭外不改變?nèi)任镎w結(jié)構(gòu)分布。目前常采用的發(fā)芽方式為浸泡法，按其吸水過程可細化分為3 個階段，即快速吸水期、平穩(wěn)期和后萌發(fā)期[34]。在第一階段中全谷物快速吸收水分，胚芽的吸收量高于谷物其他部分的吸收量；到達第二階段后谷物吸收水分速度降低，體系內(nèi)產(chǎn)生大量酶并發(fā)生代謝反應(yīng)，該階段結(jié)束后胚芽鞘從種皮內(nèi)長出。此時γ-氨基丁酸、酚類等活性物質(zhì)隨之遷移擴散；第三階段谷物吸水量又迅速上升，是胚芽及胚根的活躍生長期[35]。整個過程受浸泡溫度、浸泡時間、浸泡液酸堿度和添加劑、發(fā)芽溫度和發(fā)芽時間等工藝參數(shù)的影響，并最終影響膳食纖維和酚類物質(zhì)的再生成、轉(zhuǎn)化與分布。然而，過長的發(fā)芽時間可能導(dǎo)致微生物污染，或者出現(xiàn)根和芽的過度生長的問題，使全谷物不宜再作為食物材料。

全谷物在發(fā)芽的過程中營養(yǎng)組分會發(fā)生一系列的變化，并影響熱處理后風味、口感等性質(zhì)。Ti 等人發(fā)現(xiàn)發(fā)芽糙米的所含的酚類物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)比發(fā)芽之前提高了63.2%，其中阿魏酸、丁香酸和咖啡酸等含量均顯著升高，抗氧化活性明顯提高[36]。Mohan等人發(fā)現(xiàn)發(fā)芽后的糙米總膳食纖維質(zhì)量分數(shù)增加28.2%，可溶性膳食纖維質(zhì)量分數(shù)增加61.0%。不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化成為可溶性膳食纖維，同時釋放了結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)，使游離態(tài)酚質(zhì)量分數(shù)提升[37]。這在實現(xiàn)膳食纖維改性的同時提高了谷物的酚類物質(zhì)活性。另有研究證明，全谷物發(fā)芽后谷物的質(zhì)地和糊化特性等物理性質(zhì)發(fā)生改變。如Kaosa 等人對糙米進行發(fā)芽處理，發(fā)現(xiàn)其硬度減小，峰值黏度、分解黏度、最終黏度和回退黏度隨著發(fā)芽時間的增加而增加[38]。因此，利用可控的萌芽技術(shù)來改善全谷物質(zhì)構(gòu)及營養(yǎng)水平，在食品工業(yè)領(lǐng)域有著良好的前景。

2.1.2 固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵定義為在不存在或幾乎不存在自由水的情況下于固體基質(zhì)中進行的發(fā)酵過程[39]。與傳統(tǒng)的深層發(fā)酵系統(tǒng)相比，全谷物固態(tài)發(fā)酵具有對水和能源的需求更低、生產(chǎn)力更高以及對無菌要求更低等優(yōu)勢。但是固體發(fā)酵工藝容易受到微小變化的影響，需要仔細考慮到pH、溫度、水分活度、濕度、粒度、固體基質(zhì)類型等各種參數(shù)的影響，需要篩選出可用的全谷物基質(zhì)。大多數(shù)固態(tài)發(fā)酵工藝使用絲狀真菌，也不乏其他食品級酵母和細菌菌株，不同菌種在發(fā)酵過程中遵循不同的代謝途徑和運輸機制。在發(fā)酵過程中，這些微生物可以產(chǎn)生大量水解酶（酯酶、蛋白酶、果膠酶、纖維素酶、α-淀粉酶、木聚糖酶、β-葡糖苷酶等），它們能夠催化底物細胞壁中結(jié)構(gòu)多糖和蛋白質(zhì)的分解，釋放出可供微生物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)[40]。全谷物固態(tài)發(fā)酵過程見圖3。

圖3 全谷物固態(tài)發(fā)酵過程Fig.3 Solid-state fermentation process of whole grains

全谷物固態(tài)發(fā)酵對于改善全谷物食品整體結(jié)構(gòu)、感官特性以及提升功能性化合物含量都有明顯作用。發(fā)酵過程中可通過酶促反應(yīng)破壞植物細胞壁，在實現(xiàn)不溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化的同時釋放結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)[41]，并可利用植酸酶和磷酸酶進行植酸降解。另外發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)，可改善全谷物食品的最終風味特性，提高感官質(zhì)量。Zhao 等人利用含保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的發(fā)酵劑對小麥麩皮進行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的麩皮水溶性阿拉伯木聚糖、可溶性膳食纖維含量以及植酸降解率提高[42]。而隨著膳食纖維由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性狀態(tài)，游離態(tài)酚類物質(zhì)的含量也隨之提高，同時水合特性也得到改善。有研究者用鼠李糖乳桿菌菌株發(fā)酵麥麩，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的樣品中植酸減少近37%，而水溶性阿拉伯木聚糖升高了3倍[43]，此外還在發(fā)酵麥麩的揮發(fā)性成分中檢測出了具有面包香氣特征的呋喃衍生物。綜上，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是改善全谷物的結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)與感官特性的有效途徑。

2.1.3 酶技術(shù)酶制劑是一種天然綠色食品添加劑，其安全性高，在改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時不會對人體產(chǎn)生危害。研究表明，戊聚糖酶可促進阿拉伯木聚糖由不可溶態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)；纖維素酶可降解纖維素；葡萄糖氧化酶可將巰基氧化為二硫鍵，并促進可溶性阿拉伯木聚糖氧化凝膠[44-46]。劉麗婭等人利用以上3 種酶處理全麥粉，膳食纖維發(fā)生了結(jié)構(gòu)的改變或由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維，全谷物面粉質(zhì)地變軟，所制成的饅頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯改善，氣孔均勻、質(zhì)地疏松、富有彈性、粗糙感顯著降低，證明該方法對于全谷物食品感官特性提升有效[46]。另有研究團隊利用中性蛋白酶處理全谷物燕麥后顯著提高燕麥中可溶性β-葡聚糖含量，推斷其原因可能是蛋白質(zhì)在中性蛋白酶的作用下被分解，細胞壁整體結(jié)構(gòu)被破壞，進而釋放出可溶性膳食纖維[47]。

2.2 物理加工技術(shù)

2.2.1 擠壓擠壓加工技術(shù)是一種集混合、剪切、加熱、輸送、高壓為一體的加工手段，具有快速、高效、綠色、節(jié)能的特點，食品工業(yè)常用單螺桿或雙螺桿擠壓機。單螺桿的摩擦力較強，雙螺桿擠壓可以在非常低的進料水分下運行，并可更加靈活地控制時間、溫度和螺桿速度等變量。當谷物物料進入擠壓設(shè)備機筒后，通過螺桿逐漸輸送到模頭，在此過程中樣品逐漸變得更加致密、黏稠，塑性增強。降低進料水分會削弱水分子引起的潤滑作用，并增強谷物基質(zhì)與螺桿/機筒之間的摩擦力；提高螺桿速度可能會產(chǎn)生更高的輸入機械能[48]。提高擠出溫度有利于淀粉的解聚，加速破壞纖維分子之間的糖苷鍵，將大分子的不可溶膳食纖維轉(zhuǎn)化為小分子可溶膳食纖維[49]。全谷物擠壓重構(gòu)與功能組分轉(zhuǎn)化見圖4。

圖4 全谷物擠壓重構(gòu)與功能組分轉(zhuǎn)化Fig.4 Structure reorganization and functional component transformation of whole grains under extrusion

全谷物在擠壓加工過程中所發(fā)生的反應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化主要為淀粉顆粒瓦解與糊化、膳食纖維的改性以及酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和保留。擠壓后谷物的糊化度得到較大幅度提高，吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)也不同程度提高，這些都有利于谷物產(chǎn)品的消化吸收[51]。同時相對較為溫和的生物加工技術(shù)，擠壓機械作用對全谷物亞宏觀結(jié)構(gòu)的破壞徹底，而微觀分子鏈結(jié)構(gòu)變化主要取決于水分、溫度等協(xié)同效應(yīng)。由于加工過程中存在的高溫、高壓、高剪切等作用，全谷物的植物細胞壁破裂，膳食纖維粒徑減小，部分由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性，結(jié)合在細胞壁上的酚類物質(zhì)則得以釋放。Sun 等人對全蕎麥面粉進行了熱擠壓處理，其可溶性膳食纖維的質(zhì)量分數(shù)從3.13%提升至4.73%[52]；當樣品水分質(zhì)量分數(shù)為40%時，總酚含量和總黃酮含量的保留率較高。擠壓后全蕎麥的糊化度也有大幅度提升，抗性淀粉含量隨著擠壓溫度的升高和含水率的降低而升高。然而，過高的擠壓溫度會導(dǎo)致淀粉徹底糊化和酚類物質(zhì)損失，對全谷物的深加工產(chǎn)生不利影響[50]。

2.2.2 3D 打印目前食品領(lǐng)域應(yīng)用的3D 打印技術(shù)有：擠出式3D 打印、選擇性燒結(jié)3D 打印、黏合劑噴射3D 打印和噴墨打印。其中擠出式3D 打印為目前主要研究方向，包括了氣體驅(qū)動、活塞驅(qū)動以及螺桿驅(qū)動3 種方式，見圖5。擠壓式3D 打印與傳統(tǒng)擠壓不同，主要關(guān)注成形樣品的精度、形狀恢復(fù)能力和結(jié)構(gòu)支撐性能，這些特性與原材料的性能息息相關(guān)。華南理工大學陳玲團隊對3D 打印淀粉基食品進行了研究，總結(jié)了淀粉基食品的淀粉結(jié)構(gòu)、流變性能和可打印性之間的關(guān)系，為淀粉基3D 打印食品材料的選擇和優(yōu)化提供了指導(dǎo)，這對于全谷物3D 打印也具有借鑒意義[53-54]。

圖5 全谷物生物墨水與擠出式3D 打印Fig.5 Bio-ink and extruded 3D print of whole grains

Lai 等人將麩皮添加到小麥粉中，發(fā)現(xiàn)由于麩皮富含不溶性膳食纖維而結(jié)合大量水分，因此面筋水合程度不足，導(dǎo)致復(fù)配全谷物微觀結(jié)構(gòu)分布不均[55]。具有較低水合度的面筋使食品材料在適當?shù)募羟辛ο赂菀讖拇蛴C噴嘴中擠出，并且能夠在擠出后快速恢復(fù)凝固結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，Zheng 等人對比了精制小麥粉和全小麥粉的可打印性，通過外觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、黏合結(jié)構(gòu)、流變性等性能的分析，發(fā)現(xiàn)全小麥粉比精制小麥粉更適合擠出式3D 打印[56]。全麥粉由蛋白質(zhì)、脂肪、纖維和淀粉組成多種復(fù)合物，增強了凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)，顯著延緩了淀粉的老化，提高了水的結(jié)合能力。使用全麥的打印樣品在長時間存放后仍具有柔軟和有彈性的質(zhì)地。此外，雖然全谷物3D 打印在酚類物質(zhì)方面探究較少，但外源多酚作為結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形成制劑或呈色劑已在食品3D 打印中逐漸成為熱點。Zeng 等人將兒茶素和原花青素引入到大米淀粉凝膠當中，發(fā)現(xiàn)隨著多酚濃度的增加，復(fù)合淀粉凝膠表現(xiàn)出更高的相對結(jié)晶度、致密性和不均勻性，優(yōu)于單純的大米淀粉凝膠[57]。Ahmed 等人研究了花青素/馬鈴薯淀粉復(fù)合凝膠的打印性能，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控pH 可以實現(xiàn)打印產(chǎn)品顏色的改變，這對于改善打印產(chǎn)品的感官性能有重要作用[58]。目前，3D 打印技術(shù)在全谷物加工領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但是隨著該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，未來針對全谷物個性化營養(yǎng)膳食及其宏微觀結(jié)構(gòu)、色澤調(diào)控等方面具有更加廣泛的應(yīng)用價值。

2.2.3 超微粉碎粉末化過程在全谷物粉的生產(chǎn)中至關(guān)重要，是減少麩皮和胚芽對最終產(chǎn)品破壞性影響的關(guān)鍵步驟之一。超微粉碎是減小粒度和改善細粉表面活性的新興技術(shù)，包括高速氣流粉碎、微流化、超聲波粉碎、高壓均質(zhì)等[59]，可產(chǎn)生微米級甚至亞微米級的細粉顆粒。與傳統(tǒng)粉碎方法相比，應(yīng)用于全谷物加工的超微粉碎技術(shù)可有效減小谷物纖維尺寸，使研磨后產(chǎn)品擁有更好的流動性和界面張力，釋放出結(jié)合的酚類物質(zhì)，提高抗氧化性或生物活性。

Zhu 等人發(fā)現(xiàn)超細粉碎可以有效地將麥麩纖維顆粒粉碎至亞微米級，且隨著粒度減小，部分不溶性膳食纖維可轉(zhuǎn)化為可溶性狀態(tài)[60]。同時，粉碎后的谷物面粉由于粒徑減小、表面積增加釋放出部分共價結(jié)合在纖維上的酚類物質(zhì)，因而總酚含量、DPPH自由基清除活性和鐵還原抗氧化能力等增強。另外由于不溶性膳食纖維的改性，面粉溶脹能力和亞硝酸根離子吸收能力顯著增加，所制面團整體表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和單軸延伸性[61-63]。盡管研究顯示了超細研磨對于全谷物面粉改性的有效性，但由于規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、成本等原因，目前在全谷物加工領(lǐng)域中的應(yīng)用仍有限。

2.3 復(fù)合加工技術(shù)

除基于上述生物及物理作用的全谷物加工技術(shù)之外，輻照、超聲、超高壓等越來越多的高新技術(shù)也逐漸應(yīng)用到全谷物加工領(lǐng)域。陶虹等人比較了超聲波和超高壓處理對于糙米蒸煮品質(zhì)和抗氧化性的影響，結(jié)果表明兩種處理方式均使糙米的硬度、膠黏性和咀嚼性下降12%以上，且均顯著提高了糙米抗氧化活性[64]。有研究者利用γ 輻射處理糙米，處理后的糙米持水性顯著提高，峰值黏度、最終黏度和回退黏度降低，延緩淀粉的回生[65]。Geng 等人用超聲輔助纖維素酶法處理糙米，處理后糙米粉的不溶性膳食纖維含量和粒徑降低，可溶性膳食纖維含量增加[66]；糊化和流變學性質(zhì)改善，具有更好的質(zhì)地和烹飪品質(zhì)。Gong 等人對全玉米進行了發(fā)芽/擠壓聯(lián)合處理，總酚酸和類黃酮質(zhì)量分數(shù)分別為原料的260%和249%，顯著高于單一的發(fā)芽或者擠壓加工方式處理后的全玉米[67]。

生物加工技術(shù)的相關(guān)研究證明了酶在加工過程中對于全谷物質(zhì)量的提升具有重要作用，因而越來越多研究者嘗試將酶引入到全谷物物理加工過程。Xu 等人將擠壓機作為酶反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)酶法擠壓能夠顯著改善劇烈擠壓過程中多酚類和類黃酮等物質(zhì)的過度損失[68-69]。在α-淀粉酶質(zhì)量分數(shù)為0～6.0%時，整粒大米受到高壓高剪切作用后，植物細胞壁破裂釋放出游離態(tài)酚，同時酶解淀粉物料柔性保護使游離態(tài)與結(jié)合態(tài)酚保留率均得到提升（比對照保留率分別提高21%和12%）。對于谷物而言，擠壓過程中引入的淀粉酶可實現(xiàn)物料淀粉基質(zhì)的高效解鏈化，擠壓反應(yīng)環(huán)境更為溫和，總多酚活化能降低50%左右[70-71]。酶解后還原糖含量增加，體系黏度更低，高溫、機械做功等引發(fā)的酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與降解情況得到顯著改善。此外，適量金屬陽離子的引入對加酶擠壓過程中多酚物質(zhì)的保留起到積極作用。Xu 等人報道了二價金屬陽離子Mg2+、Ca2+、Mn2+對擠壓碎米中多酚的間接保護，特別是當添加1.8 mmol/hg 的Ca2+后，總酚保留率和DPPH 值分別為對照的113%和134%[72]。一方面，金屬陽離子提高了淀粉酶酶活，促進了擠壓過程中淀粉酶解，淀粉黏度下降，熱機械能對多酚的影響隨之下降[73]；另一方面，金屬陽離子能夠與兒茶素等多酚通過金屬-配體相互作用結(jié)合，從而降低總酚損失[74]?？傊用笖D壓在制備具有高營養(yǎng)價值的全谷物產(chǎn)品方面具有良好的應(yīng)用前景。

3 展 望

我國是糧食生產(chǎn)與消費大國，糧食加工業(yè)是國民生計與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的重要支撐。盡管目前全谷物適度精深加工還處在起步階段，但是隨著全谷物結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)研究的日益增多和先進加工技術(shù)的出現(xiàn)，全谷物食品在糧食加工領(lǐng)域?qū)絹碓街匾?。然而，由于全谷物麩皮部分膳食纖維的含量較高，導(dǎo)致其感官特性不佳，利用傳統(tǒng)的熱加工方式蒸煮、烘焙等對全谷物進行處理，盡管在一定程度能改善該特性，但同時造成了全谷物中功能性化合物的大量損失，而化學加工方式易造成化學試劑的污染。在食品加工過程中可以預(yù)見，利用發(fā)芽、發(fā)酵或擠壓、3D 打印等現(xiàn)代綠色加工手段，針對目標物的精細化差異加工（如淀粉的適度糊化降解、膳食纖維的可溶性轉(zhuǎn)化、活性酚類小分子的穩(wěn)態(tài)化保留等），從而解決全谷物食品在處理、食用過程中存在的質(zhì)地不足與營養(yǎng)品質(zhì)受損問題，改善全谷物口感、保留/提升功能成分，從而開發(fā)出高品質(zhì)的全谷物制品是未來食品的重要發(fā)展方向。