谷物和豆类初级加工对其营养品质的影响

郭孝平，曾善荣，王玉财

（1.江西熙帝生物科技有限公司，江西赣州 341100；2.赣州市食品药品检验检测中心，江西赣州 341100）

几个世纪以来，谷物和豆类因其丰富的营养成分，一直是人类获得营养的重要来源之一。谷物在经过基本的清洁和分级后进一步加工，从而得到工业需要的最终产品。这些初级加工操作包括脱壳、研磨、精制、抛光，在不同程度上改变了所得产品的营养组成，有些还可以改变产品基质：营养物质嵌入谷物中，从而影响营养物质在体内的生物可及性。虽然一些谷物如大米会作为全谷物食用，但大多数谷物和豆类在使用前会加工为面粉。

碾磨被定义为研磨的行为或过程，尤其是指将谷物磨成面粉或粗粉[1]。这是粮食后期生产的重要中间步骤。碾磨过程的基本目的是去除果壳（有时也会去除麸皮层），并产生无杂质的可食用部分和具有不同粒度的粉末形式。必需营养素的浓度随着研磨程度的加深而降低，餐前和餐后的能量密度会因为咀嚼过程而发生细微变化[2]。在结构上，所有谷物都由胚乳，胚芽和麸皮组成。胚乳占全谷物的80%，而不同谷物胚芽和麸皮成分占的百分比不同。碾磨过程可以分为两种：（1）全谷物不损失任何部分的被转化成面粉；（2）对谷物的不同结构进行差别碾磨，以将谷物分成不同的部分。例如：小麦可以作为全麦面粉进行碾磨，或者经过碾磨，以生产精制小麦粉、麸皮、胚芽和粗面粉等多种产品。

谷物的营养成分和植物营养素呈不均匀分布状态，谷物外部含有大量营养成分，因此除淀粉外，研磨或精制会导致谷物中的营养成分流失[3]。谷物和豆类经过精细的研磨和精制后生成非常细的面粉。相比原料，这种面粉的营养成分减少。而谷物和豆类外层含有的抗营养素同样通过去壳的操作而减少。全谷物经过碾磨后减少了所有存储在谷物外层的营养物质，这些营养物质包括膳食纤维，纤维相关成分如植酸、单宁和多酚，酶抑制剂如胰蛋白酶抑制剂，矿物质，维生素[4-5]。在大多数研究中，植酸盐、单宁和酚类元素的减少可以提高矿物质的可用性和生物可及性、蛋白质和碳水化合物的消化率。然而，这些植物营养素也有很强的抗氧化性，可以阻止自由基活动并减少人体内的氧化应激[6]。去壳后的全米粒在抛光步骤之前保留所有的营养成分，而抛光的米粒根据抛光程度失去不同程度的营养成分和植物营养素。米粒抛光程度越高，营养成分和植物营养素的损失就越多。另一方面，谷物的发芽与营养成分的改善以及抗营养素的减少有关，从而提高了消化率和生物可及性。

本综述旨在探讨初级加工对谷物和豆类中碳水化合物、蛋白质、矿物质和植物化学含量的影响及其消化率、生物可及性的变化。

1 谷物、豆类的初级加工及其营养素变化

谷物和豆类是人类最重要的食物来源之一，谷物食品是世界人口的主要能量、蛋白质、B族维生素和矿物质来源。许多科学研究表明，全谷物摄入可以预防糖尿病、肥胖、便秘、心血管疾病和其他疾病[7]。在碾磨过程中，谷物成分和基质的变化可以解释为什么全谷物消费更为适宜。全谷物中与健康状态相关的元素包括木脂素、生育三烯酚、酚类化合物和包括植酸、单宁和酶抑制剂的抗营养素。在精制谷物的过程中，由于麸皮的分离而导致膳食纤维、维生素、矿物质、木脂素、植物雌激素、酚类化合物和植酸的损失。因为大部分麸皮和一些胚芽在精制过程中被除去，所以精制谷物含有更高比例的淀粉。因此，食用不筛分的全谷物及其磨碎的面粉或分离谷物的不同部分更有益于健康[8]。

大多数维生素和矿物质（44.45%）存在于谷物的胚芽和麸皮部分。谷物的碾磨导致硫胺素、生物素、维生素B6、叶酸、核黄素、烟酸和泛酸的大量减少，钙、铁和镁元素也会大量损失[9]。当谷物被碾磨时，70%～80%的原始维生素会丢失。即去除的谷物部分越大，营养物质损失越大。当小麦被碾磨成小麦粉时，大约70%的维生素和矿物质（25%～90%）和纤维素损失，25%蛋白质损失，90%锰元素损失，85%锌元素和亚油酸损失，80%的镁、钾、铜元素和维生素B6损失[10]。

精制降低了小麦粉中几乎所有营养成分的含量。例如，Oghbaei等[11]发现，精制减少了小麦粉中的蛋白质、脂肪、灰分以及钙、铁、锌等元素，可溶性和不溶性膳食纤维也显著减少。相反，在有差别的研磨过程中，分离的麦麸在所有这些成分中更丰富。小麦面粉精制过程中硫胺素、核黄素和单宁含量的损失量分别为48%、38%和67%；相反，与全麦面粉相比，麦麸中这些成分的增加分量别为36%、110%和51%。

Prodanov等[12]研究了浸泡对蚕豆、鹰嘴豆和扁豆中维生素含量的影响。经过不同程度的浸泡，其硫胺素（6.2%～17.1%）、核黄素（2.5%～34.2%）和烟酸（2.0%～61.2%）均有所损失。豆类浸泡在碱性介质中的损失高于酸性介质或水中。这种损失显然是由于浸泡介质中水溶性维生素的浸出导致的。

煮沸、膨化和剥落的过程导致米粒营养成分的改变。米粒经过热水浸泡和辊压过程之后，可以进行不同厚度压片。片状米可以原样食用或用于制备以大米为原料的小吃或其他烹饪食品。片状米中的磷、植酸磷和膳食纤维含量有所改变，变化程度与薄片厚度相关，厚度越小，成分越低，而铁和钙的含量不受影响。

2 初级加工对碳水化合物及其消化率的影响

碳水化合物是谷物和豆类的主要成分，是人体内主要的能量来源。脱壳和碾磨的过程改善了谷物的淀粉含量及其消化率[5]。研磨方法和粒度与面粉的淀粉含量有关。研究表明，随着用于研磨的筛网尺寸减小，淀粉含量增加。这可能是由于随着筛网尺寸减小，更多的纤维部分被分离，更高淀粉含量的面粉通过筛子。由于与具有较高淀粉含量的胚乳相比，纤维难以粉碎，因此将其分离为粗粒部分。Oghbaei和Prakash[13]报道了全麦和精制小麦粉的体外淀粉消化率分别为42%和51%。麸皮含有大量不溶性膳食纤维、抗单宁素和植酸盐等抗营养素，能够结合酶和蛋白质并降低其活性。在大米片中，不同厚度的薄片中淀粉消化率从78.1%到84.1%不等，米粉薄片程度对淀粉消化率的影响不显著。

浸泡、脱壳、发酵、发芽和烹饪等操作有效地提高了豆类的营养价值。Ghavidel等[14]报道，豇豆、小扁豆和鹰嘴豆的发芽和脱壳显着改善了淀粉的消化率（36.3%～39.2%）。抗营养素含量和淀粉酶活性的降低可分别解释淀粉消化率的提高和总淀粉的减少。由于去壳，可溶性和不溶性膳食纤维、植酸和单宁显著下降。根据Egounlety等[15]的研究，浸泡、脱壳和烹饪的综合效果在很大程度上影响了低聚糖的水平。大约50%的棉子糖和超过55%～60%的蔗糖和水苏糖都损失了，表明这些处理在豆类加工中的重要性。

李倩楠等[16]报道了绿豆处理对淀粉消化率的影响，未经处理的绿豆其水解和血糖指数分别为17.0%和49.1%，浸泡处理后为19.1%和50.2%，发芽后为26.8%和54.4%。Sinha等[17]研究了浸泡和脱壳对牛豌豆的影响，发现浸泡和去除干豆中植酸含量下降了16.3%和30.1%。对照样品每100 g谷粒含有836 mg植酸，在谷物发芽72 h后观察到植酸减少了47.8%。此外，在每100 g谷物中未处理样品、浸泡样品、去壳样品和发芽样中多酚的含量分别为517 mg、476 mg、254 mg和349 mg。脱壳后多酚的损失率最大，表明全谷物具有更高的抗氧化成分含量。

3 初级加工对蛋白质及其消化吸收率的影响

谷物和豆类价格低廉，是蛋白质的主要来源之一。蛋白质的营养价值取决于蛋白质含量、氨基酸组成情况以及蛋白质的生物可利用率。其中生物可利用率是指蛋白质被消化、吸收利用的程度。谷物外层含有丰富的植酸盐和多酚，可以结合作为辅助因子所必需的矿物质从而干扰几种必需代谢过程，尤其是蛋白质的利用[18]。具有较高分子量结构的酚类化合物通常被称为单宁，这是指其与蛋白质相互作用且不能被人体吸收的能力。单宁被定义为沉淀蛋白质的水溶性酚类聚合物[19]。

脱壳后不同品种的水稻经历不同程度的碾磨。与较小程度碾磨的大米相比，高度碾磨后大米的水分、蛋白质、脂质和灰分含量较低[20]。这可能是由于去除了具有高灰分、脂质的固有层、糊粉层和亚石榴树层。Kamaraddi等人[21]研究了水稻品种差异对膨化大米营养特性的影响，发现蛋白质消化率的范围是69.7%～76.2%。抛光度较高的大米具有更好的烹饪质量，这是由于加工过程去除了膳食纤维，降低了蛋白质的含量，从而导致大米质地发生变化。而精制大米中的碳水化合物和蛋白质的消化率均高于半精制大米。据Pedersen等[22]报道，虽然氨基酸组成和蛋白质的利用没有受到影响，但是高度精制的大米蛋白质含量降低。在大米片中，剥落程度影响蛋白质消化率，厚的大米片蛋白质消化率百分比最低（39.2%），其次是中等大米片（43.2%）、薄大米片（55.2%）和非常薄大米片（66.2%）。

有报道表明去壳和油炸谷物后，3种绿豆品种的平均体外蛋白质消化率从68.22%提高到74.72%[5]。分析4种不同品种脱壳豇豆的体外蛋白质消化率，发现脱粒谷物的单宁含量显著降低，但并没有发现4种脱壳豇豆（75.5%～78.0%）或去壳豇豆（77.4%～78.4%）存在显著差异。胚乳是一种丰富的蛋白质来源，因此去除壳体部分可以增加蛋白质含量，并减少单宁和植酸盐结合蛋白质消化所需的蛋白质和酶，导致更高的蛋白质消化率。陈安玮等[23]也报道了未去壳的绿豆中蛋白质含量比去壳样品高4.3%。

4 初级加工对矿物质及其生物利用度的影响

碾磨是影响谷物及其所制备食品中无机元素浓度的关键过程。与胚乳淀粉相比，籽粒的外部部分，尤其是糊粉层和胚芽，富含矿物质，传统的研磨减少了其在面粉中的含量并将其浓缩在研磨残渣中。甚至在外胚乳和内胚乳之间也存在矿物质含量的差异[24]。碾磨的颗粒形状和质地以及技术条件，对矿物质的损失量起着重要作用。然而，当所有这些变量都是固定时，各种研磨馏分中矿物的分布最终取决于元素在核内的不均匀分布。虽然研磨减少了矿物质含量，但由于抗营养素含量降低，其可用性得到改善[11]。

植酸是谷物和豆类中磷的主要储存形式，可以螯合矿物质，防止肠道吸收。浸泡、发酵、发芽、用植酸酶处理谷物等预处理可以降低谷物中的植酸含量[25]。多酚有可能结合带正电的蛋白质、氨基酸以及食品中的多价阳离子如铁、锌和钙等矿物质，从而降低了必需矿物质的生物利用度，通过降低多酚含量可以改善这些营养素的吸收。

Luo等人[26]研究了浸泡和发芽两种初级处理下，绿色和白色蚕豆中铁和锌的有效性，发现与对照组（32.2%）相比，浸泡和发芽时绿豆中铁的有效性增加，分别为50.5%和51.2%；而在白豆中，浸泡和发芽谷物的相应值分别为58.8%和58.9%，而对照组为28.6%。在锌的供应中，观察到绿豆增加百分比为38.4%和49.3%，白豆增加44.2%和58.7%，而对照值分别为31.6%和33.4%。

研磨全绿豆以获得富含蛋白质部分、富含纤维部分以及富含蛋白质和纤维部分的直磨面粉，将其用于面包配方。直磨面粉的蛋白质含量为25.7%，富含蛋白质的部分蛋白质含量增加至29.8%。类似地，直磨面粉的纤维含量为8.2%，而在富含纤维的部分中增加至68.5%。因此，差异研磨既可根据需要分离颗粒的特定成分，又可用于产品配方。

解舒乐等人[27]研究了5种水稻基因型的未抛光、抛光和麸皮部分的铁生物利用度。发现在所有5种基因型中，抛光的样品与未抛光的和麸皮部分的样品相比具有最高的铁可用性。铁的有效性与糙米和麸皮部分中的总可萃取酚含量显著相关，而与抛光谷物中的含量无显著相关。在高度精制的米中，糙米的锌含量减少一半，矿物质含量达到相应水平的23%。

5 初级加工对植物化学物质的影响

植物化学物质是有助于植物性食物的抗氧化活性和健康益处的成分。有些是常见的植物性食物，有些是谷物产品专有的[28]。全谷物特别富含植物化学物质，其中一些与膳食纤维一起存在。在消化过程中，由于酶的作用，它们从纤维复合物中释放出来。消化酶处理的富含纤维的谷物和谷物面粉部分表现出比未经处理的对应物更高的抗氧化成分和活性，表明谷物和小米可能含有纤维结合的酚类物质，它们在消化过程中释放出来[23]。碾磨和精炼可以提高抗氧化剂化合物的可用性及活性，因为碾磨可以破坏细胞壁和谷物基质，并改善消化酶对与食物基质结合的成分的可及性。

其中谷氨酸含量高的植酸一直被认为是一种抗营养素。然而，最近的研究表明其对健康有益，可有效预防冠状动脉疾病以及结肠癌、肝癌、肺癌和皮肤癌等，已被证明可以防止超氧化物的产生并增强免疫能力。多酚已被公认为人们饮食中最丰富的抗氧化剂来源。植物性食品中存在的多酚数量和质量可能因植物遗传、土壤成分、生长条件、成熟状态以及收获后条件等因素而有很大差异。食品中多酚和单宁的含量和数量受加工的影响，因为其具有高反应性，可能影响其抗氧化活性和食品的营养价值[29]。多酚不均匀地分布在植物组织中，在加工过程中会因食物分馏而导致一些酚类化合物的损失或富集。小麦籽粒中的多酚主要包含在外层中，如糊粉层细胞、种皮，并在面粉精制过程中损失。

6 展望

对谷物和豆类进行不同的初级加工，为其进一步的产品生产和烹饪提供了方便。一些初级加工产品同时也是即食形式，例如膨化大米产品。通常，加工会改变谷物营养质量，全谷物可以保留所有营养素和植物营养素，谷物任一部分的丢弃都会减少营养成分。所有谷物中的营养物质和植物营养素都分布不均，谷物外部往往含有更多营养物质和纤维含量。碾磨对谷物营养质量有双重影响：一方面，碾磨使谷物的细胞壁破裂从而改善营养基质中结合的营养素的生物可及性；另一方面，在碾磨期间麸、壳的分离减少了营养成分，但提高了消化率或生物可及性。通过筛分面粉、分离麸皮部分等机械方法也可以降低筛分面粉的营养含量。谷物的浸泡和发芽等过程会降低抗营养素含量，并增加营养素特别是矿物质的生物可及性。谷物的营养质量受到预处理过程的影响，这些处理和过程会影响到全谷物中所有对健康有益成分的保留程度，因此不鼓励消费高度精制的产品。