小米功能成分及新产品研发进展

高 婧 梁志宏

(中国农业大学北京食品营养与人类健康高精尖创新中心；食品科学与营养工程学院，北京 100083)

小米(Setariaitalica)，又称粟米，是禾本科(Gramineae)狗尾草属(Setaria)一年生草本“粟”(亦称“谷子”)的种仁，直径约1mm，属杂粮作物，是世界上最古老的农作物之一[1]。小米的生育期短且抗逆性强，籽粒易于储藏，故主要种植区为干旱贫瘠、对粮食需求量较大的非洲中部、东南亚、中亚等地，我国小米产量居世界第一，占总产量的4/5。小米是一种药食两用的优质杂粮，富含蛋白质、糖类、脂肪、多种维生素及矿物质，营养素配比合理，人体消化利用率高[2]，随着人们对绿色、健康生活的追求，以小米为主要原料的复合新型食品，以及对小米功能成分(如多肽、多酚、黄色素等)的提取、纯化、加工已具备成熟的技术并逐步向产业链方向发展，小米的药用以及功能性食品开发的价值得以体现。

1 小米的分类

1.1 粳小米

粳小米即常称的小米，未去壳前为谷子，稃壳有白、红、黄、黑、橙、紫等，俗称“粟有五彩”，遗传特性和种植环境是影响米色的重要因素，随着海拔增高米色加深，在适宜且多雨的环境下谷子色泽光亮，不同品种小米的色素成分与含量不同，可分为黄小米、白小米、黑小米及绿小米等。黄小米是最常见的小米，淀粉的平均消化吸收率高达99%以上，膳食纤维含量高[3]，熬汤可巩固小肠功能，养心安神，还可酿制小米酒、加工饴糖等。除食用外，黄小米中的黄色素可被提取用作天然色素应用到食品工业中。黑小米含有稳定的天然黑色素，具有良好的稳定性和抗氧化能力[4]，且蛋白质、油脂和矿物盐(铁、铜、锌)等方面都优于普通黄小米[5]。黑小米具有黑色作物普遍具备的治疗贫血、防止动脉粥样硬化、抑制肿瘤活性等功效，可作为老年人保健食品[6]。绿小米是吉林省国家级农业科技园区选育出的新品种，除了小米中共有的营养成分外，还存在一种独特的功能物质辅酶Q10，常食可起到调节血糖、降血脂、提高机体免疫力、预防心血管疾病等作用，是一类营养型、功能型米种[7]。由于初加工小米产品不需过度精制，从而保存了许多的营养物质，所以针对小米的功能食品开发也是极具潜力的。

1.2 糯小米

根据小米的感官特性习惯上分出糯小米，但常见的糯小米一般指糜子(PanicummiliaceumL.)，是与小米同属禾本科，但为黍属(Panicummiliaceum)的一年生草本第二禾谷类作物[8]。糜子籽实为“黍”，淡黄色，磨米去皮后称“黄米”，直径大于粟米，故部分地区也称之为“大黄米”。糜子生育期短，耐旱、耐瘠薄，是干旱半干旱地区的主要粮食作物之一，蛋白质质量分数12%左右，最高可达14%，脂肪质量分数3.6%，淀粉质量分数70%左右，其中的直链淀粉含量很低[9]。此外糜子还含有β-胡萝卜素、维生素E、维生素B6、B1、B2等多种维生素和丰富的钙、镁、磷、铁、锌、铜等矿物质元素。糜子是著名的陕北米酒的原料，磨成面粉还可做糕点，如陕北的炸糕、枣糕等，有独特软糯香甜的口感。

2 小米的营养物质

2.1 碳水化合物

小米属于常见的杂粮之一，碳水化合物含量低于大米、小麦和玉米。Qi等[10]研究比较了我国8个小米品种的淀粉成分，发现小米的直链淀粉质量分数在16.8%～26.8%，抗性淀粉质量分数约为2.9%。淀粉中直链淀粉和支链淀粉的比例对小米的食用品质及加工性能有直接影响，直链淀粉含量低则小米糯性强，不易糊化。与玉米淀粉相比小米淀粉的综合糊化性能(凝胶稳定性、持水力、膨涨力、糊化温度、热焓)更好，但透明度低、冻融稳定性和热稳定性较差[11]。除淀粉外，小米其他碳水化合物种类还包括还原糖(0.46%～0.69%)、纤维素(0.7%～1.8%)、戊糖(5.5%～7.2%)等，小米的水溶性多糖主要是阿拉伯糖和木糖，还有少量的甘露糖和半乳糖以及葡萄糖[12]。小米中含有的优质膳食纤维约为大米的2.5倍，特别是谷子麸皮富含大量优质膳食纤维，通过结合多酚恢复小鼠肠道菌群稳态，有抑制癌症的效果[13]。郑红艳[14]采用酶辅助法提取小米麸皮中的膳食纤维，在糯性小米麸皮中得到的膳食纤维含量大于92%，在非糯性小米麸皮中得到的膳食纤维含量达86%，两种膳食纤维均能明显的吸附胆固醇，因此可作为保健因子添加到食品中提高产品的附加值。

2.2 蛋白质和多肽

从营养角度来评价食物蛋白质品质，主要是必需氨基酸比例是否满足人体所需。小米蛋白质(包含清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白)是一种低过敏性复合蛋白，质量分数约为10%，消化率约为85%，生物价为57，高于小麦和大米[15]，适合孕产妇和婴幼儿食用。对小米蛋白进行营养评价，发现小米蛋白中氨基酸种类齐全，含有人体必需的8种氨基酸，除赖氨酸含量偏低外，其他氨基酸的比例均符合世界卫生组织的推荐，达到了全价蛋白的标准[16]。

多肽是酶解蛋白质产生的一类无毒副作用的小分子物质。以碱性蛋白酶制备的小米多肽具有较好的抗氧化性，能够缓解疲劳，增强机体免疫力[17]。Amadou等从副干酪乳杆菌(Lactobacillusparacasei)发酵的小米粉中分离纯化得到的肽(FFMp)具有较强的抗氧化能力，还可以抑制大肠杆菌的生长[18]。用胰蛋白酶水解小米蛋白得到的多肽能够清除自由基[19]。以小米为原料，采用挤压和发酵方法制备具有血管紧张素转换酶(ACE)抑制作用的食源性活性多肽，具有较强的ACE抑制活性、DPPH自由基清除能力和铁离子还原能力[20]。小米糠中还分离得到了一种具有抗结肠癌作用的蛋白质FMBP[21]。综上，小米含有较为优质的蛋白质以及多肽，有利于人体健康。

2.3 脂肪和小米谷糠油

小米脂肪含量与品种及产地有关，主要的脂肪酸都包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。与常见的植物油脂相比，小米油的皂化值略低，说明组成小米油的脂肪酸相对分子质量更大；小米油的碘值和油酸值较高，说明小米油中不饱和脂肪酸含量偏高[22]。油酸具备一定的软化血管、调节新陈代谢功能，而不饱和脂肪酸可以强化细胞膜功能、平衡脂蛋白、维持细胞因子稳态以及预防心血管病[23]。

小米谷糠(果皮层、糊粉层和胚)是谷子加工过程中的副产物，按加工工序分为细糠和抛光粉，混合后即为小米全糠或小米胚，占谷子质量的8%～10%[24]。谷糠多作为粗饲料，少数焚烧后作草木灰还田，造成严重的资源浪费。事实上，小米糠是一种重要的膳食纤维资源，同时富含人体所需的8种必需氨基酸，与非必需氨基酸比例接近理想蛋白质[25]。小米糠的含油量高达10%以上，优质的不饱和脂肪酸占比大于70%[26]，其中亚油酸与α-亚麻酸的比例为6.5∶1，符合WHO推荐的(5∶1)～(10∶1)的标准[27]。小米糠油中含有多种抗氧化剂，如组分齐全的8种维生素E(包括α-生育酚和γ-生育酚)、谷维素、甾醇(含量为谷甾醇>谷甾烷醇>角鲨烯)[28]等，能有效地降低血液中胆固醇、抑制黑色素生成并且抗氧化。小米糠油的提取方法有传统的溶剂提取法和压榨法，最新研究的超临界CO2萃取技术可最大限度的保留其营养价值[29]。另外，小米糠油具有祛风、止痒、收敛的功效，与其他药品配合治疗真菌性皮肤病[30]。综上可见，小米谷糠油不仅营养价值高，提高小米附加值，其加工还能有效利用农业废弃资源，具有很强的开发潜力。

2.4 维生素和矿物质

维生素是一类具有生物活性的低分子微量有机物，参与生物生长代谢所涉及到的众多生理过程，而大多数维生素不能在体内合成，必须从食物中获得。小米中维生素含量多且种类丰富，维生素B1的含量高于一般作物，且含有一般粮食中缺少的胡萝卜素[31]，维生素E含量高于玉米和小麦，除此之外小米中还富含维生素A、维生素D、维生素C、维生素B9、维生素B12等。

相较于大米，谷子中的矿物质种类丰富且全面，更是一种重要的富硒作物，平均硒含量为71 μg/kg，复合国家规定的富硒作物标准。利用微波消解—电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法测定小米、高粱米中各金属元素，并与大米做比对，结果显示小米中钾、钠、镁、钙、锌、铝、铜元素约为大米中相应元素的2～7倍，尤其是铁元素丰富[32]，故小米有一定的补血功效，常用于保健和医疗，可与其他谷类粮食搭配食用充分发挥其优点。

2.5 小米多酚

小米相比其他粮食作物含有更加丰富多样的多酚类物质，且生物学活性较高，可以直接加工为保健品，也可以添加到食品中提高附加值[33]。小米多酚提取物总抗氧化能力要高于杂粮中的薏苡和豆类，对DPPH自由基、ABTS自由基、超氧阴离子自由基均有较好的清除能力[34]。研究证实，小米中的酚类提取物可以显著抑制人肝癌细胞和乳腺癌细胞的增殖[36]，从小米麸皮中分离得到的内壳性结合多酚还可以诱导人结肠癌细胞的凋亡[37]。Sharma等[38]研究发现，小米多酚对金黄色葡萄球菌、肠膜明串珠菌、蜡状芽孢杆菌和粪肠球菌的生长均有一定的抑制作用，且小米种皮多酚提取物对蜡样芽孢杆菌和黄曲霉生长的抑制和抗氧化活性效果优于小米全粉多酚提取物[39]。小米种皮中的多酚还可以抑制醛糖还原酶的活性，从而预防白内障[40]。魏春红等[41]利用酶法辅助提取小米多酚，具有条件简便、耗时较短、反应条件温和、经济成本低与高效率的特点，有助于小米的深加工利用。

2.6 小米黄色素

胡萝卜素为天然的抗氧化物质，可以保护视觉细胞和上皮细胞，治疗口腔溃疡和皮肤病，还能猝灭体内多余的自由基[42]，而小米黄色素就是一种天然的类胡萝卜素，主要成分是叶黄素(3,3’-二羟基-α-胡萝卜素)、玉米黄素(3,3’-二羟基-β-胡萝卜素)、隐黄素(3-羟基-β-胡萝卜素)和β-胡萝卜素等[43]。小米黄色素具有一定的耐热、耐还原和耐氧化特性，但光和酸性条件下不稳定，不溶于水，易溶于有机溶剂，张晨萍等[44]采用微波法辅助提取小米黄色素，提取率高且稳定性好。小米黄色素主要应用于食品领域，可作为天然食品着色剂用于多种食品、饮料及糖果的着色，效果好且安全无毒，还具有一定的保健功能。另一方面黄色素添加进饲料，可以沉积在禽肉脂肪和禽蛋卵黄中，使其呈现金黄色泽，提升感官品质，迎合消费者的喜好。

3 小米产品

3.1 传统食品

小米种植历史悠久、范围广且产量大，中医亦讲小米“和胃温中”，认为小米粥具有健胃除湿、补虚安睡、滋阴养血等功效。小米根据加工利用程度可分为初级加工和深加工，初级加工产品包括小米粥和小米饭、小米面食、谷子饲料等，还包括谷糠、谷子秸秆等非食用副产品；谷子的深加工产品包括速食小米粥、冲剂小米粉、小米黄酒、以及提取到的黄色素、米糠膳食纤维等。为了满足近年来大众对于食品多样化、营养化、便携化的追求，小米复合食品应运而生，陈守超等[45]在小麦粉中混入包括小米在内的杂粮粉开发小杂粮酸奶松饼；杨利玲[46]将小米粉和燕麦粉按一定比例替代部分面包粉制作小米燕麦粗杂粮面包，有独特的风味，并兼有小米和燕麦特殊的营养价值；在普通黄油饼干中添加一定比例的小米粉，可降低对加工工艺的要求，同时小米丰富的膳食纤维还减小了黄油饼干中多余油脂和糖分在肠道中的吸收，减少了热量负担[47]。

以小米为主要原料，经浸润、蒸制、拌曲、发酵、压榨过滤等工序酿制而成的酒为小米酒，带有醇厚的米香。小米酒中的碳水化合物主要是发酵产生的单糖和低聚糖[48]，维生素、矿物质等营养物质主要来自于长时间发酵过程中的大量酒曲自溶，小米酒pH值在3.5～4.5之间，此酸性条件下金属元素以有机盐形式存在，极易被人体吸收。《本草纲目》记载：“诸酒醇醨不同，惟米酒入药用”，这里的“米酒”就是小米酒，适当饮用可以帮助动脉血管扩张，促进血液循环和降血压，小米酒还有通肠胃、润皮肤、养脾气、护肝、除风下气等疗效，药用价值高。目前还研制出了风味小米酒，如猴头菇小米酒[49]、陕北风味香菇小米酒[50]、柿子枸杞酒[51]等，满足不同年龄和口味消费者的需求。

3.2 速食产品

速食产品能最大限度的保持原料的原生态，兼顾营养价值和食用方便性。司俊玲等[52，53]对小米速溶粉的工艺进行了优化；Onyango等[54]将玉米、小米浆与柠檬酸或乳酸混合发酵后挤压膨化，研制出低纤维、低丹宁的断奶期儿童营养食品；牛宇等[55]采用高压蒸煮与冷冻干燥结合的方法研制速食小米粥，兼具调溶性、复水性及口感；任建军[56]研究小米方便米饭，在最佳的工艺条件下产品复水率高，品质优良；Rathi[57]利用脱色小米制作通心粉，感官品质明显提高，且蛋白质消化率和淀粉消化率分别比未脱色小米通心粉高6.56%和16.9%。当然，单独的小米速食产品存在一定的营养缺陷，可以通过搭配其他食物进行均衡，李响等[58]对小米绿豆速溶粉的制备工艺进行了优化；王效金等[59]制作小米山药混合粉并进行了品质分析；Calvin等[60]在木薯粥中添加小米粉，综合提升了产品的营养价值、感官特性和淀粉消化率。多样的小米速食产品极大的方便了人们的生活，满足了大众对于便捷美味食物的需求。

3.3 发酵食品

谷物发酵保留了其原有的营养价值，大分子物质如淀粉、蛋白质、不溶性纤维等通过酶或者微生物的作用被降解，可增加有利于人体的益生元[61]，同时改善了粗糙的口感和较差的稳定性。最常见的小米发酵产品为谷物发酵饮料，小米可以单独作为原料进行酵母菌和乳酸菌发酵[62]，还可以添加氮源(大豆分离蛋白)生产富含L-乳酸的小米发酵饮料[65]；将小米与牛乳结合，有利于发酵菌的生长，同时实现植物蛋白和动物蛋白的互补[66]。在此基础上，小米与其他原料(如豆类、果蔬等)进行复配，如新型红茶口味固态发酵乳[68]、绿豆小米酸奶[69]、苦荞米小米酸奶[70]、小米红枣酸奶[71]、燕麦小米酸奶[72]、新型小米南瓜香蕉混合发酵饮料[73]等，另外，还进行了对酶解法生产小米饮料的工艺优化[74]，以及无醇小米饮料的研制[75]。除了谷物饮料，小米发酵同样应用于其他食品中，马丽媛等[76]利用多种酶对添加了豆类、燕麦等杂粮的小米粉进行水解，制得了口感佳、营养价值高的杂粮米粉；赵瑞华等[77]将香菇孢子进行培养和糖化，小米进行浸渍、蒸煮和糖化，之后对香菇和小米的复合糖化醪进行酒精发酵和醋酸发酵，在传统食醋酿造工艺的基础上开发出一种新型保健醋；张桂英等[78]利用自然发酵法制备发酵剂，用其发酵的小米糕色泽金黄、酸甜适中、口感弹糯；张秀媛等[79]在小米中接种红曲霉，相比于传统的籼米红曲，小米红曲具有色价高、质量好、发酵周期短等优点，且抗肿瘤活性得到了体内和体外的实验证明。

3.4 营养强化小米

谷子平均硒含量为71 μg/kg，是一种富硒农作物，所含的硒元素以有机硒的形式存在，谷子籽粒中的硒含量受土壤及品种的共同作用，且土壤硒含量对小米硒含量的影响大于遗传因素，也就意味着小米具有较强的栽培可塑性，选择适宜的种植区域对提高小米硒含量效果明显，可以弥补因品种差异而引起的硒含量的不稳定缺陷[80]。谷子种植覆盖率排名前三的生产大省(山西、河北、内蒙古)都属于缺硒地区，导致在谷子的优势主产区却不能最高效的生产富硒小米，但可在保存的超过2万份谷子资源中筛选富硒品种，或利用先进培植手段，将外源硒富集技术用于低硒地区富硒小米的培育[81]，目前已经取得一定进展，且开发出富硒的小米营养粉、小米醋、小米酒、谷子饲料等深加工产品。

小米中氨基酸比例与品种、种植环境、加工方式、种子萌发都有很大关系[82]，可以通过选择高质量种子培育赖氨酸强化品种，并在培育中注意肥料、种植土壤和时间等因素来解决小米的赖氨酸缺陷问题。外源补充剂可以强化小米中的赖氨酸，如卫天业等[83]利用涂膜等复合方法，将南瓜、红枣等营养物质以及赖氨酸、硒等营养元素附着于小米表层，强化了小米的营养。发酵过程可以提高产品中的赖氨酸含量及利用率。另外，小米与富含赖氨酸的食品搭配可以实现氨基酸互补如豆类、乳品等。最后，可利用高温、高压、挤压、膨化等加工方式部分降解小米中的蛋白质，增加游离氨基酸含量，更易于人体吸收。

4 结论与展望

小米作为传统杂粮谷物，具有营养全面、口味独特、种植经验丰富、产量大且适应力强等特点，随着人们对快捷、美味、营养的全能食品的追求，局限于产地和南北方口味差异未能得到普及的小米正逐步进入大众的视野。小米稍作处理便可投放市场，比如与其他谷物、豆类混合后的“健康杂粮米”，以及将各色小米进行有机组合的“彩色保鲜小米”，同时满足消费者对产品新鲜感和健康饮食的追求。小米包括麦麸、米糠、秸秆在内的所有组分都能加以利用，可用来提取膳食纤维或制成绿色饲料。小米可与杂粮、乳品、蔬果等原料搭配以弥补自身的营养缺陷，针对不同受众研发功能性营养产品，如老年小米营养粉、儿童补钙小米奶、孕妇小米补血粥等。发酵或膨化等新型食品工艺同样适用于小米产品，如小米发酵饮料、小米膨化零食等。以小米为原料进行功能因子(黄色素、多酚、小米糠油等)的提取利用，具有经济、高效的特点，可用于食用色素、保健食品等领域。

小米发展仍存在不小的挑战，小米种植范围广但种植面积小且分散，未形成一定规模；小米存在品种之间差异较大、储存中品质下降、加工后的营养损失等尚待解决的问题；小米多为初级加工，市场定位局限而且没有细分，使得市场接受度和效益化不足。为解决以上问题，需要提高品种培育、生产手段以及仪器设备等技术；深入研究小米营养和加工等基础性质，明确适合小米的开发特点；重视小米副产品的利用并提高谷子的附加值。