生物加工與非熱加工對谷物及雜豆酚類物質(zhì)影響的研究進展

馬占倩 翟小童 譚 斌

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076；2. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037)

研究[1]表明谷物及雜豆中富含多種生理活性成分，如酚類物質(zhì)、植物雌激素、植物甾醇和一些微量元素等。酚類物質(zhì)作為自然存在的一類植物性化學(xué)成分，多年來因其具有對機體有益的抗氧化作用而備受關(guān)注[2]。酚類物質(zhì)和膳食纖維等活性成分多存在于谷物及雜豆的皮層中，但也是因為有皮層的存在，導(dǎo)致對谷物及雜豆類食品的加工品質(zhì)和食用品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。通常，谷物、雜豆類等糧食食品需經(jīng)過加工處理后食用，但加工過程中常伴隨著酚類物質(zhì)的釋放﹑降解和合成等反應(yīng)，使得谷物及雜豆中的酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生改變，從而影響其營養(yǎng)品質(zhì)。不同的加工方式對谷物及雜豆中酚類物質(zhì)的影響有所不同。研究[3]表明傳統(tǒng)熱處理方式會造成酚類物質(zhì)的降解流失，影響其營養(yǎng)價值。選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ú粌H可以有效提高谷豆的質(zhì)地結(jié)構(gòu)、改善食用品質(zhì)，還可以促進機體對酚類物質(zhì)等活性成分的吸收與利用，從而推動健康谷豆食品的開發(fā)與市場化進程。

近些年，一些生物加工和非熱加工方式因能較大限度地改善產(chǎn)品色澤、口感并保留谷物和雜豆類食品原有的營養(yǎng)成分而受到重視。生物加工技術(shù)主要包括微生物發(fā)酵、萌芽和生物酶輔助等方式?！靶滦头菬峒庸ぁ币辉~常用于指定具有滅活微生物能力的技術(shù)，如脈沖電場、超高壓、紫外線照射和低壓等離子體輝光技術(shù)等，具有處理溫度低、處理時間短、節(jié)能環(huán)保和效率高等優(yōu)點。大量研究[4-5]表明谷物和雜豆經(jīng)過適當(dāng)?shù)纳锛庸ぬ幚砗蟛粌H能顯著提高其制品的營養(yǎng)價值、增加其在人體中的消化吸收，而且還能改善其食用品質(zhì)和風(fēng)味、增強其功能活性等。同樣，與熱加工相比，非熱加工處理不僅可以明顯降低加工過程中酚類物質(zhì)的損失，還可以滅活谷物、雜豆中的微生物和腐敗酶，延長其貨架期。然而，從谷物及雜豆涉及的加工方式來看，目前多集中于研究單一熱處理、物理方式對酚類物質(zhì)的影響，而其他研究方式較少，且系統(tǒng)地比較各種加工方式之間酚類變化差異的研究較少。因此，擬對谷物及雜豆酚類物質(zhì)在不同生物加工(浸泡、萌芽、微生物發(fā)酵)和非熱處理方式[高壓脈沖電場(PEF)、超高壓、紫外線輻射(UV)和低壓等離子體輝光技術(shù)]中的變化以及如何更好地保留酚類物質(zhì)對營養(yǎng)健康領(lǐng)域具有的意義進行研究，以期為提高全民健康和促進營養(yǎng)保健食品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 酚類物質(zhì)

酚類物質(zhì)是一種含有一個或多個羥基的芳香環(huán)化合物。常見的酚類物質(zhì)包括類黃酮、花青素、酚酸及其醛類等，其中酚酸含量最為豐富，且主要來自羥基苯甲酸和羥基肉桂酸[6]。研究發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)在稻米、小麥、玉米及其他雜糧類谷物中的含量較為豐富，尤其是在種皮部位[7]，以自由態(tài)、可溶共軛態(tài)和結(jié)合態(tài)等形式存在，且以結(jié)合態(tài)為主[8]。酚類物質(zhì)對人體健康有諸多有益作用。大量流行病學(xué)研究表明，酚類物質(zhì)具有抗氧化、抗炎、抗高血壓以及對結(jié)腸癌、乳腺癌、肺癌和肝癌等幾種癌癥的化學(xué)預(yù)防作用[9-12]。大量研究[13-14]證實，分布在谷物糠層的酚類物質(zhì)還可降低患心血管疾病、2型糖尿病和肥胖等慢性疾病的風(fēng)險，并在抑制膽固醇氧化方面發(fā)揮重要作用。有臨床研究報告表明谷物酚類物質(zhì)可以增加腸道微生物的多樣性，提高有益菌(雙歧桿菌、乳酸桿菌等)的相對豐度，更好地構(gòu)建健康的宿主腸道微生態(tài)環(huán)境[15]，且能對包括焦慮、抑郁在內(nèi)的精神障礙性疾病具有重要保護作用[16]。

2 生物加工和非熱加工對谷物及雜豆酚類物質(zhì)含量及抗氧化活性的影響

2.1 生物加工

利用微生物發(fā)酵、發(fā)芽等形式對谷物及雜豆進行加工，其本質(zhì)是利用微生物酶和植物內(nèi)源酶的作用改變谷物及雜豆的結(jié)構(gòu)和組成，改善其制品的加工性能及功能活性。不同的生物加工方法、工藝條件對谷物及雜豆?fàn)I養(yǎng)成分及功能活性的影響不同。探究不同生物加工方式對谷物及雜豆中酚類物質(zhì)含量及其抗氧化活性的影響，不僅可為滿足消費者對于營養(yǎng)健康食品的需求提供基礎(chǔ)研究支撐，還可為新型功能性食品的研發(fā)和谷豆資源的高值化利用提供一定的理論指導(dǎo)。

2.1.1 浸泡 浸泡處理是一種較為方便簡單的加工方式，同時常被作為生物加工的重要前處理環(huán)節(jié)。全谷物籽粒本質(zhì)是休眠的種子，通過浸泡可修復(fù)干燥籽粒皺縮的細(xì)胞膜，修復(fù)受損的細(xì)胞器，恢復(fù)全谷物籽?；钚?。

浸泡處理可影響谷物及雜豆中酚類物質(zhì)的含量及抗氧化活性，不同試劑浸泡可通過導(dǎo)致酚類物質(zhì)分子體積增大破裂，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，又或是加強酚類物質(zhì)分子間的互作效應(yīng)，從而改變酚類物質(zhì)含量及其性質(zhì)[6,10]。孫丹等[17]室溫浸泡苦蕎發(fā)現(xiàn)苦蕎總酚、總黃酮含量升高超過25%，抗氧化活性(DPPH·、ABTS·、FRAP)顯著提高。同樣，綠豆浸泡12 h后其總酚和總黃酮含量迅速增加[18]。浸泡過程激活植物中的多種酶，使結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)水解成游離態(tài)，從而增加可提取酚類物質(zhì)的含量。浸泡還可促進酚類物質(zhì)分子的流動性，增強與其他分子間的互作，提高酚類物質(zhì)含量及其抗氧化活性。但有研究[19-22]表明，室溫浸泡可使高粱、鷹嘴豆、蠶豆、綠豌豆、黃豌豆和小扁豆中酚酸、黃酮類化合物和抗氧化活性下降。這是因為浸泡可使部分可溶性酚類物質(zhì)溶于水中流失，或使分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使酚類物質(zhì)含量及其抗氧化活性降低?？傊?，浸泡處理對谷物及雜豆中的酚類物質(zhì)來說是一個酚類物質(zhì)單體有增有減的動態(tài)過程，僅利用單一的浸泡條件觀察對酚類物質(zhì)的影響，其研究層面不夠深入，建議結(jié)合其他加工方式進行聯(lián)合研究。

2.1.2 萌芽 萌芽是將種子浸泡在水中直至發(fā)芽的過程，在發(fā)芽過程中，種子代謝機制的重新激活導(dǎo)致胚根和胚芽的出現(xiàn)。種子在一定時間內(nèi)萌發(fā)，其水解酶活性增加，進一步分解淀粉、纖維和蛋白質(zhì)等主要化合物，從而改善其營養(yǎng)品質(zhì)[23]。另外，種子經(jīng)過萌發(fā)后，一些芳香環(huán)和羧基斷裂并重聚合，使得重要的單體酚結(jié)構(gòu)受到刺激發(fā)生改變，產(chǎn)生一種芳酰酸的甲氧基聚合因子，激活植物激素因子活性，從而促進生理活性[24]。研究[25]表明，萌芽黑、紅糯米和白蠟米的總酚含量和抗氧化活性(FRAP、DPPH·)均高于未萌芽樣品。同樣，萌芽可明顯提高糙米中酚類物質(zhì)含量和總抗氧化活性[26-28]?？赡艿脑蛴校孩?萌芽改變了分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，或使分子發(fā)生新的裂解組合，或是形成了新的具有酚羥基的抗氧化物質(zhì)，使酚類物質(zhì)含量及其抗氧化活性增加；② 萌芽促進了酚類物質(zhì)與其他膳食纖維等非淀粉多糖類分子的互作，從而使部分結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)；③ 在內(nèi)源酶的催化作用下，酚類物質(zhì)被降解，合成具有生物活性的二級代謝產(chǎn)物，從而提高酚類物質(zhì)抗氧化活性。另外，不同品種稻米進行萌芽處理后酚類物質(zhì)變化結(jié)果可能有所不同。Wang等[29]發(fā)現(xiàn)隨著萌芽時間的增加，白色谷粒游離型酚和總酚含量一直不斷增加，而紅色谷粒和黑色谷粒的游離型酚和總酚含量在24 h以內(nèi)快速下降，24 h以后卻持續(xù)上升。3種谷粒的結(jié)合型酚含量均隨萌芽時間增加而增加，DPPH·清除活性結(jié)果與之一致，而游離型酚和總酚的抗氧化活性呈先下降后上升的趨勢，且萌發(fā)過程中黑色谷粒的總酚和抗氧化能力均高于白色和紅色品種，導(dǎo)致該結(jié)果的原因可能是不同品種所含酚類物質(zhì)組成的差異性。綜上，萌芽處理在大多數(shù)情況下均能起到提高谷物及雜豆中酚類物質(zhì)含量與抗氧化活性的作用，是一種既安全環(huán)保又節(jié)省資源的處理方式。

2.1.3 微生物發(fā)酵 發(fā)酵因有利于人體吸收一些難以被充分利用的營養(yǎng)物質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，尤其是對生物活性化合物的生產(chǎn)、提取和改性方面。它不僅能提高食品的保質(zhì)期、營養(yǎng)和感官特性，還能增強生物活性物質(zhì)的抗氧化活性[6]。通常在微生物發(fā)酵過程中，會產(chǎn)生一些有利于人體健康的小分子物質(zhì)，因其具有獨特的生理活性功能而受到親睞。發(fā)酵通過微生物與環(huán)境之間的相互作用使物質(zhì)成分發(fā)生重要的生物轉(zhuǎn)化，賦予其更好的功能特性，使高分子發(fā)生聚合，促進一些健康的生物活性化合物(游離阿魏酸等)的溶出，并增加其生物利用度[30]。大米和鷹嘴豆、紫扁豆混合粉固態(tài)發(fā)酵后其總酚含量、抗氧化活性均顯著增加[31-32]。同樣，發(fā)酵使脫脂小麥胚芽、燕麥麩皮的總酚含量顯著提高，且發(fā)酵提高了游離酚含量和抗氧化活性[33-34]。綜上所述，發(fā)酵處理能明顯提高谷物及雜豆酚類物質(zhì)含量和抗氧化活性，分析可能是發(fā)酵能夠溶解部分的丹寧，或酚類物質(zhì)在酸性環(huán)境中發(fā)生分子重排，以及與其他大分子之間發(fā)生相互作用等原因。植物活性物質(zhì)種類、品種、菌種、發(fā)酵因素(接種量、水分、溫度、時間)等亦是影響發(fā)酵效果的重要因素[5]。

2.2 非熱加工

傳統(tǒng)的熱加工處理雖然能夠殺滅谷物及雜豆中的微生物，延長其保質(zhì)期，但也造成谷物及雜豆中熱敏性成分的損失，并對谷物及雜豆制品的色澤、風(fēng)味和口感等產(chǎn)生不良影響。隨著人們對食品微生物安全性要求的提升，新型非熱加工技術(shù)應(yīng)運而生。非熱加工技術(shù)主要通過非傳統(tǒng)加熱的方法來達到殺菌與鈍酶的目的，不僅有利于保持谷物及雜豆中多酚等功能性成分的生物活性，還能避免出現(xiàn)由傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)帶來的營養(yǎng)成分被破壞、揮發(fā)性風(fēng)味化合物喪失和非酶褐變等問題，在工業(yè)應(yīng)用中具備巨大潛力。因此，研究非熱加工技術(shù)對谷物及雜豆中酚類物質(zhì)含量的影響及其抗氧化活性的變化，對針對性地增強酚類物質(zhì)的穩(wěn)定性，保持糧食食品食用感官品質(zhì)及營養(yǎng)特性具有重要意義。

2.2.1 高壓脈沖電場 高壓脈沖電場是利用對兩電極的流態(tài)物料進行反復(fù)施加高電壓短脈沖處理，從而將微生物殺滅，使得食品得到長期貯藏的一種技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場對谷豆酚類物質(zhì)等生物活性成分也有一定影響，可用于生物活性物質(zhì)的保留，有效防止其在貯藏過程中的褐變，抑制酚類物質(zhì)含量及抗氧化活性的降低。Xu等[35]研究表明，高壓脈沖電場處理能夠使鷹嘴豆、小扁豆和黃豌豆種子細(xì)胞膜穿孔并促進細(xì)胞內(nèi)酚類物質(zhì)的釋放，進而提高其抗氧化活性。同樣，Quagliariello[36]發(fā)現(xiàn)糙米經(jīng)過高壓脈沖電場處理后，不僅能提高抗氧化物如γ-谷維素、總酚及酚酸單體的得率和抗氧化活性，而且還能抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞的基因表達和白細(xì)胞介素的產(chǎn)生。說明高壓脈沖電場處理對谷物及雜豆有很好的殺菌效果，還可以很好地保留谷豆中的營養(yǎng)成分，比較適合谷豆的實際加工應(yīng)用。但是物料在加工過程中因直接接觸電極而有可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，不僅會導(dǎo)致電極腐蝕，甚至可能會產(chǎn)生有毒的化合物，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量安全，因此今后可能需要重點考慮通過弱化電極腐蝕來解決產(chǎn)品的安全問題。此外，未來可將脈沖電場預(yù)處理技術(shù)整合到谷豆生物活性物質(zhì)的溶劑提取工藝中，也是一種很有前景的提高谷物生物活性的方法。由此看來，脈沖電場作為一項新型的低耗能耗時的加工技術(shù)，對谷物及雜豆生物活性物質(zhì)含量及其抗氧化性產(chǎn)生了一定的積極作用，在實現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用方面具有可行性。

2.2.2 超高壓處理 超高壓加工是指將食品密封在容器內(nèi)放入液體介質(zhì)中或直接將液體食品泵入處理槽中，然后進行100～1 000 MPa的加壓處理，導(dǎo)致微生物的傷害或死亡，從而達到殺菌保存的目的。超高壓處理對谷物及豆類酚類物質(zhì)含量及抗氧化活性也能產(chǎn)生一定影響。糙米高壓處理10 min后總酚、總黃酮含量(最大保留率分別為96.7%和97.4%)在100～300 MPa范圍內(nèi)隨著處理壓力的增大而增加，DPPH·和ABTS·清除率變化趨勢與酚類物質(zhì)含量變化趨勢一致[37]。同樣，超高壓處理對萌芽糙米中所選營養(yǎng)素的生物可及性有顯著影響，不僅能提高γ-氨基酸和酚類物質(zhì)含量，而且還能提高萌芽糙米的抗氧化活性[38]。研究[39]表明，連續(xù)式超高壓處理反復(fù)多次的升壓降壓過程能夠產(chǎn)生更強的沖擊和剪切效果，加強微生物的滅活，更顯著提高酚類物質(zhì)含量及其抗氧化活性。超高壓處理技術(shù)在一定程度上提高了谷物及豆類中酚類物質(zhì)等活性物質(zhì)的提取率及抗氧化活性，可使得酚類物質(zhì)在超高壓條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其組成成分的改變，從而影響其抗氧化活性。

2.2.3 紫外線輻射 紫外線輻射是指將食品(原料或加工后的產(chǎn)品)暴露于電離或非電離輻射條件下，以抑制或破壞微生物的新陳代謝和生長發(fā)育而達到殺菌目的的一種技術(shù)。Sultan等[40]研究發(fā)現(xiàn)，輻射可對植物性食物中的生物活性物質(zhì)產(chǎn)生一定的積極影響，如通過射線或電場的刺激，改變糙米中酚類物質(zhì)的分布及排列，從而促進游離型酚酸的釋放，增加抗氧化活性。目前紫外線輻射技術(shù)在谷物或雜豆中的應(yīng)用研究較少，在蔬菜和水果中的應(yīng)用較為廣泛。Dyshlyuk等[41]研究表明，番茄紫外UV-A輻射后酚酸類化合物、類胡蘿卜素和黃酮類化合物含量和抗氧化活性在不同波長處(353，365，400 nm)均呈上升趨勢。Ito等[42]報道稱γ射線擁有可以更好地保留蘋果中酚類化合物含量及抗氧化活性的潛力。隨著干燥溫度的升高，紅外線能使大蒜總酚含量和類黃酮含量有所下降，50～70 ℃條件下能提高其抗氧化活性[43]，其原因可能是紅外干燥造成了酚類物質(zhì)與其他生物分子的再結(jié)合，從而提高了抗氧化活性。輻射處理在加工過程中不會顯著提高食品的溫度，因此幾乎不會造成植物性食物中生物活性化合物的損失，或其損失非常小可忽略不計，其在谷物及豆類中的應(yīng)用具有一定的利用價值。

2.2.4 低壓等離子體輝光技術(shù) 除高壓脈沖電場、超高壓處理和紫外線輻射外，低壓等離子體輝光技術(shù)的應(yīng)用也是獲得延長食品保質(zhì)期和保留食物中酚類物質(zhì)最大化的最佳解決方案之一。等離子體可以描述為一種電中性氣體，低壓等離子體輝光技術(shù)可通過利用體系中大量帶電粒子和活性粒子的作用實現(xiàn)產(chǎn)品的加工，是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型非熱加工技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料、微電子、生物醫(yī)療器械、航天航空和食品加工等領(lǐng)域[44-45]。低壓等離子體輝光技術(shù)作為一種非熱處理技術(shù)可為食品加工領(lǐng)域開辟一條新的環(huán)保加工方式，是一種很有前景的預(yù)處理技術(shù)。Chen等[46]將糙米暴露于3 kV 低壓等離子體中10 min，發(fā)現(xiàn)糙米萌芽率、幼苗長度和吸水率顯著提高，與對照組相比，預(yù)發(fā)芽24 h糙米經(jīng)等離子體處理后其多酚含量可提升至2.30 mg GAE/g，抗氧化能力顯著提升(ABTS·和DPPH·清除能力分別為10.54，20.60 mg Trolox/g)。說明低壓等離子體輝光處理在促進糙米生長和抗氧化物質(zhì)積累的過程中是有效的。等離子體處理巴斯馬蒂大米后，所有樣品酚類物質(zhì)含量同樣顯著提升，將功率從30 W升高到40 W，處理時間由10 min縮短為5 min，可獲得最高的酚含量(0.44 mg GAE/100 g)[47]。這與Sarangapani等[48]研究結(jié)論相一致，即對照預(yù)煮米粉樣品總酚含量經(jīng)低壓等離子體輝光處理(30 W或40 W處理5 min)后明顯增加。低壓等離子體輝光處理后谷物酚類物質(zhì)含量的增加主要歸因于醛苷類物質(zhì)的釋放和大分子酚類物質(zhì)的降解，其對谷物中酚類物質(zhì)含量及抗氧化活性的影響取決于設(shè)備配置、處理條件和原料等因素。

3 結(jié)論與展望

酚類物質(zhì)是一種植物性食物中具有保健功能的生物活性物質(zhì)，也是谷豆中重要的生物活性組分之一，是近些年來研究的重點與熱點。谷物及雜豆中的酚類物質(zhì)穩(wěn)定性差，極易受到外界條件干擾發(fā)生降解，影響其生理功效的發(fā)揮。隨著消費者對營養(yǎng)健康糧食食品需求的日益增長，人們越來越重視和趨向于尋求既能提升生物活性成分含量與功效又安全有效的加工處理技術(shù)。生物加工和非熱加工技術(shù)是提高食品質(zhì)量快速、有效和可靠的替代方法，在全谷物等糧食食品開發(fā)中也具有非常大的潛力。多數(shù)情況下，生物加工和非熱加工技術(shù)均可增加酚類物質(zhì)的含量及其抗氧化活性，但在某些極端條件下也會導(dǎo)致酚類物質(zhì)的降解。采用不同的加工技術(shù)處理會產(chǎn)生不同程度的影響結(jié)果，這可能是生物加工和非熱加工改變了酚類物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)所致，也可能是分子重聚，亦或是原料本身的不同所致。因此，開展不同加工技術(shù)在糧食食品中的作用機制及應(yīng)用調(diào)控技術(shù)研究十分必要，可為根據(jù)不同的原料特性、合理選用不同加工技術(shù)方法改善谷物及雜豆類食品品質(zhì)提供支撐依據(jù)。但目前的研究多集中于探究單一生物加工技術(shù)或非熱加工技術(shù)對谷豆中酚類物質(zhì)的影響，尚未有相關(guān)文獻系統(tǒng)地對比探究多種加工方式對酚類物質(zhì)的作用效果。此外，針對酚類物質(zhì)經(jīng)過不同加工技術(shù)處理后其結(jié)構(gòu)變化情況的研究非常有限，相關(guān)作用機制分析也不夠深入和全面，未來應(yīng)加強兩種或多種加工技術(shù)在谷豆加工中聯(lián)合應(yīng)用的研究，分析不同加工技術(shù)條件對谷豆中酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生物活性的影響，明確其構(gòu)效關(guān)系。同時，建議通過探究谷豆活性組分間的相互作用關(guān)系，進一步探討加工技術(shù)對谷豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的影響效果，以期得到具有良好品質(zhì)的新型營養(yǎng)谷物及雜豆類食品。