谷子的营养功能特性与加工研究进展

吴立根，屈凌波

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001；2.河南工业大学小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南郑州450001；3.郑州大学，河南郑州450001）

谷子在中国种植历史悠久，曾经是主要的粮食作物，因为产量低于小麦、水稻而属于杂粮，但是谷子相比较于主粮作物部分营养含量和功能特性更具有优势，如多酚含量，维生素E，维生素B1、B2含量均高于小麦和大米。利用谷子的营养和功能特性研究开发相关食品，特别是开发小米主食产品非常有意义，不仅小米食品主食化有利于中国居民健康水平的提高，而且如果谷子如能重归主食行业更能缓解中国粮食供给的压力，减少粮食的进口额度。

1 谷子的资源与分布

谷子[Setaria italica（L.）P.Beauv.]属禾本科狗尾草属，发源于8 700年前的中国黄河流域[1]，品种很多如黏米（proso millet）、黄小米（foxtail millet）、珍珠米（pearl millet）、稗小米（barnyard millet）、穇米（finger millet）、小粒小米（little millet）等[2]。谷子具有生育期仅80 d到130 d之间，具有耐旱、贫瘠土壤和耐储藏的优势[3]。

世界种植谷子月250万公顷，其中中国占80%，印度种植面积第二，其余地方极少量种植，中国有23个省区种植谷子其中西北地区的陕、晋、甘、宁夏、内蒙5省区占全国的15.6%，华北地区的冀、鲁、豫三省占64.3%，东北区三省占13.9%，此3个种植区占全国总量的96.9%，全国最大产量的3个省区合计占全国的一半以上，分别是河北占全国的25.3%、山西占全国的17.9%和内蒙古占全国的15%[4]。

全国各地谷子的产量产别很大，2012年的东北区和华北区的谷子平均产量为3000kg/hm2到5250kg/hm2，其中山东和吉林产量处全国高水平的位置，西北区谷子产量平均在2 250 kg/hm2到4 500 kg/hm2，其中陕西和甘肃两省产量处于全国最低水平；当然这些是大田的平均产量，有特殊高产情况，如科研人员在宁夏固原地区某示范村种植60.1 hm2的新品种晋谷43号平均产量高到7 175 kg/hm2，最高的单产量有10 470 kg/hm2[5]；还有内蒙古呼市种植实验品质14个平均产量7 544 kg/hm2，最高产量有9 628.05 kg/hm2[6]。当然，谷子的产量还与品种、种植技术和田间管理有关系，在此不再赘述。

受市场的牵引2014年谷子的价格曾经高到8元/kg以上，价格上扬带动种植面积的增加，2015年多种植面积比2014年增量15%，直接的结果是2015年谷子市场价格自8元/kg下跌至5.0元/kg，2016年掉到3.5 元/kg[7]。

2 谷子的营养和功能

谷子的蛋白质含量全国范围内变化较大9.28%～15.8%[8-9]，现有的报道的含量最高平均含量15.8%[10]，最低的平均含量10.7%，部分省份的平均含量有报道的更低些如2009年张敏等[11]报道黑龙江11个谷子蛋白质平均9.63%，谷子蛋白质的含量与种植区域有关，同一品种在不同区域的含量差异显著[12]，在不同的生态种植区蛋白质含量最高的是西北内陆，接下来是黄土高原，然后是华北平原和东北平原，最低的是内蒙古高原，育成品种与地方品质比较，蛋白质含量地方品质显著高于育成品种[13]，谷子中清、球、谷、醇溶4种蛋白质含量的平均水平分别是每100克谷子中含有0.34、1.17、1.39、1.22 g[14]。

谷子中碳水化合物含量在70%左右，各种报道有不少的差异，小米的纤维素含量是大米的2.5倍，D.B.Wankhede等[15]报道小米碳水化合物63%～70%含量，淀粉56%～61%，有报道小米中碳水化合物含量74.61%[11]，淀粉含量 63%～78%，平均 71%[16]，其中直链淀粉含量19.54%～32.55%，抗性淀粉含量1.32%～3.61%，慢速消化淀粉占淀粉含量40.68%，2 h内不被消化的淀粉值16.18%，这些淀粉特征值影响谷子的消化性能，直链淀粉含量和支链淀粉的重结晶性对谷子消化性影响同样大，不同品种、不同产地区域性差异大，当然受种植技术中施肥和环境因素的影响[17]。不同的谷子的糊化特性差异性较大，由于小米的食用方式熬粥占大比例，在选择原料时谷子的糊化特性显得很重要，值得指出的是内蒙古产区的谷子较其他地方的谷子糊化最难，谷子的糊化时间10.82 min比较容易糊化的山东谷子长了2.07 min、糊化温度达到81.80℃比山东谷子的糊化温度高了6.4℃，产地不同小米糊化温度和糊化时间差距不小[12]。

谷子的脂肪含量平均值在3.1%～5.2%之间变动[18]，这里是平均值，其实个别品种的脂肪含量可达到6.78%如靠山红[9]，谷子的产地对脂肪含量的影响相对较小，与蛋白质含量不同的是谷子的脂肪含量在育成品种和当地品种之间没有显著差异，谷子的脂肪酸组成有16.81%的饱和脂肪酸，以棕榈酸和硬脂酸最多，不饱和脂肪酸含量高于80%的比例，其中亚油酸占绝大多数，含量65%以上[19]。

维生素E又称生育酚是谷子被人们用来病后或生育后补养身体的依据，其含量范围在39.66 μg/g～95.84 μg/g，谷子的维生素E含量是作为育种的指标之一，经过20年的努力谷子的维生素E含量大幅度提高了，但是，不同品种的维生素E含量存在差异，不同的种植生态区的谷子维生素E含量差异较大，其中来自陕西的谷子维生素E含量显著高于其他省区，为平均82.84 μg/g，甘肃产区的谷子维生素E含量处于较低水平平均 61.56 μg/g，两者平均含量相差 21.28 μg/g[20]。

谷子中维生素B1和B2含量颇高[21-22]，其中维生素B1含量0.57 mg/100 g，而小麦的维生素B1含量为0.46 mg/100 g，高出0.11 mg/100 g，而谷子中的维生素B2含量为0.12 mg/100 g，是小麦维生素B2的含量的2倍，中国居民膳食中维生素B1和维生素B2摄入量不能满足需要，因此，小米是居民食补维生素B1和VB2的良好食材。然而，谷子维生素B1和维生素B2含量虽然丰富如果加工方法不合理损失还是较多的，蒸和煮都对小米维生素B1和维生素B2有显著影响，蒸的方式处理小米减少81%维生素B1含量，可是煮的方式要好于蒸，可少减少3%的维生素B1含量；对于维生素B2来说蒸和煮处理的影响效果差异非常大，蒸小米27%的维生素B2损失了，而煮小米损失维生素B2高到73%[23]。

谷子中含有丰富的类胡萝卜素其含量在1.10μg/g～19.55 μg/g[24]，且不同产区的谷子类胡萝卜素含量差异很大[25]，辽宁的谷子类胡萝卜素含量是黑龙江谷子的1倍还多[20]，谷子的类胡萝卜素含量与籽粒的外观品质有关，外观越好看类胡萝卜素含量越高，因为类胡萝卜素是维生素A的前体，谷子里的含量高于柑橘等水果可以作为良好的天叶黄素食补来源，当然，人体单纯吸收类胡萝素的比例较低且变化较大，最小吸收率为2%，最大为50%，不过油脂可促进其吸收[26]。

谷子中矿物元素特别需要指出的是其硒元素的含量平均 0.053 3 μg/g[16]，GB/T 22499-2008《富硒稻谷》规定富硒稻谷的硒含量在0.04 μg/g～0.30 μg/g，谷子的硒含量与产地相关，与籽粒的颜色相关，其中，西北谷子含量最高，接下来是黄土高原，再接下来是华北、东北平原、最后是内蒙古产区，红色谷子的硒含量最高，其次是黄色谷子，青色谷子，最低的是褐色谷子，硒含量与谷子籽粒中蛋白质含量呈现正向相关[10]。

小米含多酚主成分是酚酸和丹宁，酚类在谷子籽粒中分布不均匀，种皮层含总量60%的多酚，主要的结合态的酚是阿魏酸（18.60 mg/100 g）[27]和香豆酸，此两种酚的游离态只有它们总量4%和1%[28-29]，小米中游离酚原儿茶酸35.73 mgGAE/100 gDW～45.0 mgGAE/100 gDW、结合酚 64.40 mgGAE/100 gDW[30]，小米清除羟基自由基率高达91%，高于小麦、高粱和大米[31]，提示小米中酚类化合物的含量可能更高，小米酚类化合物有很强的抗氧化活性生理功效[32]。蒸的处理能使小米结合酚的比例分别提高8和16个百分点，减少游离酚、结合酚的绝对含量58%和40%，煮小米中减少游离酚59%、结合酚6%，游离酚在蒸煮加工环节损失过半，小米中游离黄酮379.83 mg GAE/100 g DW和结合黄酮240.94 mgGAE/100 g DW，蒸处理减少游离黄酮61%和总黄酮33%，煮加工减少游离黄酮81%和总黄酮47%，煮的加工方式对黄酮损失很严重，无论是蒸还是煮的处理对游离态的黄酮的破坏是非常严重，因此，加工方式的选择需要科学指导[23]。

研究发现谷子中的蛋白质能显著[33]提高血浆中高密度脂蛋白的浓度，同时并不升高低密度脂蛋白的浓度[34]，这说明摄入小米能有助于调整胆固醇代谢，具有抗动脉粥样化的功能，小米蛋白过敏性较低，是一种安全的优质蛋白质。

3 谷子和小米的储藏

谷子耐储藏，其原因是其外壳能抵御虫害侵袭，且水分低，谷壳能阻止外界水分迁移到米仁中，所以，谷子除防鼠外不需要特别的储藏条件就能储藏很长时间。

谷子脱壳后即为小米，与谷子不一样小米的耐储藏特性很差，失去谷壳的保护，外界空气湿度的变化带来小米的储藏急剧的变化，因为小米内部水分含量极易随环境湿度而变化；小米粮堆空隙小含杂量较大，粮堆空气流动小极易发热和霉变[35]；小米储藏期间发生霉变对小米品质有较严重的影响，大面积或长时间的霉变可能导致较为严重的食品安全风险，小米储藏产热导致小米内源酶活力升高产生脂肪酸败或氧化酸败和致小米籽粒的颜色褪色等问题，严重影响小米的食用品质[36]。

董力将水分含量分别为12%、13.2%和14.1%的3种小米处于常规包装、充氮包装和真空包装3种包装状态下，储藏180 d，所有的样品分别安排在15、22、30℃的温度环境中，考察小米的品质变化情况，上述9个小米试验样品的电导率和丙二醛含量以及脂肪酸值随储藏时间逐渐上升，由原来的电导率150 μS/（cm.g）～163 μS/（cm.g）上升到180天后的175 μS/（cm.g）～213 μS/（cm.g），上升了16.74%～30.7%，储藏温度越高电导率升高比率越大；水分含量14.2%的小米脂肪酸值储藏180 d升高到原来441倍多，从50 mg KOH/100 g升高到270.52 mg KOH/100 g；但是值得指出的是水分12%的小米储藏180 d脂肪酸值最高到44 mg KOH/100 g；13%的水分含量是小米储藏的安全水分线，这也说明安全水分以下的小米储藏安全性远高于水分含量在13%以上的小米；储藏期间小米的营养品质变化明显，其中粗脂肪和直链淀粉含量升高，总淀粉、支链淀粉、总蛋白质含量降低，对于这些变化小米含水量和储藏温度是最为主要的影响因素，在这两者一致的前提下充氮和真空能起到更好效果，因此，控制好小米储藏温度和水分含量就确保小米品质在可控范围，气调有一定的延缓其劣变作用[37]。

米色是评价小米品质的重要指标，小米的米色与小米品种有关并与外观品质呈正相关，更为令人关注的是优质米越多小米产区的小米色泽越好[24]。研究不同代表性小米品种在储藏期间的米色、总类胡萝卜素含量和脂氧合酶活性发现小米的基因型对米色有显著影响，基因型显著影响总类胡萝b素的含量，各个品种间小米褪色的程度有差异但不显著，小米米色的b*值正相关于小米类胡萝卜素含量，各个小米品种的脂氧合酶活性均呈现先增高后降低[38]；小米陈化试验证实小米色素含量具有其脂氧合酶的活性相同的变化趋势，且髙温能引起小米品质劣变[38]。

4 谷子小米的加工

目前我国谷子消费区域主要集中在黄河以北地区如华北区冀、晋、京、津、豫、鲁，西北地区甘、陕、宁夏和内蒙等省区，南方销售小米较少[39]，谷子的加工以脱壳产小米，即原粮状态上市居多，这部分多用来熬粥[40]占小米总量的80%以上，谷子的深加工产品多为传统性食品如挂面[41]、酒、醋、营养速溶粉[42]、方便粥[43]、煎饼、雪饼[44]、锅巴、冰淇淋、饼干、小米茶[16]和小米米线[45]等形式[7]，当然随着全谷物食品[46]的兴起全谷物[47]小米产品[8，48]也现身市场，网上调查结果表明谷子市场需求逐步扩大发展迅速。

初级加工的优质小米全国有103个绿色认证产品和161个有机认证产品，并且有33个地理标识保护产品，万吨产能的深加工企业在晋冀地区有张家口北宗黄酒酿造有限公司的小米黄酒产品（产能5万吨），山西沁州黄小米集团有限公司的小米营养粉产品（产能5万吨），山西柏图啤酒公司的小米啤酒（产能10万吨）[41]。还有一些具有浓郁地方特色小米产品的深加工如河南的小米油茶粉、甘甜的河南南阳黄酒[49]、云南的小米鮓、山东的小米煎饼以及台湾地区的小米酒、小米营养粉和小米饮料等[4]，其中颇具特色的南阳小米黄酒已成为中国黄酒的重要产区之一，主要集中在镇平、西峡、邓州、内乡、新野等地，拥有黄酒生产许可证的企业就有60多家，以当地特有的红小米酿造的黄酒，呈琥珀色，晶莹明亮，口感绵甜醇香，中正平和，颇受消费者青睐，具有很好的前景[66]。

小米中除含有丰富营养成分外还有居多的生理活性物质，如活性蛋白质、膳食纤维、肌醇、谷维素、糠蜡等[50]，尤其在被忽视的小米糠中除了小米糠油利用外，其余的资源效益未加充分发挥出来[51]，国家和政府部门已经相当重视小米等杂粮的利用和开发，2016年4月，农业部制定下发《全国种植业结构调整规划（2016年～2020年）》，明确提出谷子等杂粮的结构调整目标，依托农业公益性行业科研专项，启动“杂粮初加工技术装备及综合利用研究与示范”和“活性稻米、杂粮食品加工关键技术及装备研究与示范”等行业科研项目，各地研究部门也先后开展了“荞麦高效利用技术集成与产业化示范”、“燕麦生物碱加工技术中试转化”、“燕麦荞麦产业技术体系荞麦加工岗位建设项目”、“杂粮加工品质评价系统构建”、“杂粮初加工技术装备及综合利用研究与示范”、“现代杂粮食品加工关键技术研究与示范”等国家国家科技支撑计划课题、国家现代农业产业体系建设、农业部公益性行业专项和科技部农转资金等项目。

国内外的学者也开展了小米中活性组分的相关研究，在小米蛋白方面，Choi等[52]利用基因Ⅱ型糖尿病KK-Ay小鼠，研究小米或粟蛋白（foxtail millet protein，FMP）的吸收对血脂、血糖、胰岛素和脂连蛋白（脂肪细胞因子或脂联素）水平的影响，发现FMP可能通过脂联素浓度的增加改善胰岛素敏感性和胆固醇代谢；Hosoda等[53]发现小米麸皮提取物具有有效的免疫调节活性；许洁等发现小米谷糠蛋白和水解蛋白对化学性和酒精性肝损伤具有保护作用[54]。小米蛋白质无过敏性且提高血浆中高密度脂蛋白胆固醇水平[55]；小米糠膳食纤维血糖和血脂具有一定的调解作用，刘小鸣[56]提取4种商业小米膳食纤维，志愿者摄食，3个月后其粪便乳酸杆菌和双歧杆菌分别达到9%～12%和3%～5%，证实小米膳食纤维可以作为益生菌群的良好碳源，刘倍毓等研究酶-化学法[57]提取糯性和非糯性小米麸皮中膳食纤维的特性发现从小米麸皮中提取出来的膳食纤维均具有良好的物化特性，这些都标示着小米麸皮可作为富含大量优质膳食纤维的潜在来源；在小米酚类研究方面不少，如田志琴[58]利用微博辅助乙醇提取小米多酚，其小米酚类提取率达到105.38 mg/100 g且是分子量为300 Da～500 Da一类小米多酚类，自由基的清除能力较好，Pradeep P.M等[59]研究从全谷物小米和小米的壳、粉提取的可溶性多酚和结合态多酚具有很强的抗氧化活性，同时具备阻抗α-淀粉酶和葡萄糖苷酶的活性，提示可以作为糖尿病人功能食品的配料，控制血糖水平；小米谷糠的研究集中在米糠油的提取和谷糠的稳定化技术，如抑制脂肪酶类的活力[60]和干热法处理及挤压膨化法处理的小米谷糠过氧化物酶残余活力；超临界CO2提取谷糠油[61]等。

不同的加工处理对小米的成分和功效有显著影响，如利用Lactobacillus paracasei Fn032对小米发酵和湿热处理（high moisture treatment，HMT）显著提高了总的化学成分如慢消化淀粉比例提高了11.59%（原来含量6.83%），抗性淀粉提高14.07%（原来含量7.61%），小米蛋白肽显示显著地DPPH自由基和超氧阴离子自由基的清除能力以及对细菌Escherichia coli ATCC 8099的抑制其生长的能力，同时具备抗胃蛋白酶水解1 h的活性[62]；挤压技术影响小米糊化特性[63]，且挤压产品的吸水性指数、水溶性指数、粘度和膨化率之间的相关性显著[64]，蒸和煮的处理对小米的维生素B1和B2产生破坏，对小米中酚类含量也产生明显的影响[23，65]。

5 展望

谷子的种植规模小、产业化程度低，除东北和内蒙古地区外，其他谷子糜子产区多数是农户小面积分散种植，并且加工企业参与生产过程也少；谷子加工多数为原粮加工，规模化和效益化不足[66]。加工企业产品市场定位趋同，缺乏细分[48]；开发功能性和生态性、文化性丰富内涵的小米产品鲜见。需要加大研究谷子营养和加工基础特性，以主食食品、方便食品、饮料等为开发方向，研发新型具有丰富文化内涵、生态理念的小米食品，满足人们对营养、健康、感官、口味和消费方式的需求，促进高附加值谷子制品的开发。