全谷物食品安全、营养功能提升关键技术研究进展

伞惟琳，杨书林，任晨刚，杜昱蒙，张瑞雪，李 沿

(1.中粮国际(北京)有限公司，北京 100020；2.中粮营养健康研究院，北京 100020)

目前，世界范围内还没有对全谷物统一的定义，学术界普遍采用美国谷物化学家协会(AACC)对全谷物的定义，即：完整、碾碎、破碎或压片的颖果，基本的组成包括淀粉质胚乳、胚芽与麸皮，各组成部分的相对比例与完整颖果一样。美国食品与医药管理局(FDA)对全谷物定义几乎相同，只是进一步明确了全谷物的范围[1]。中国营养学会2021-06-04发布的《全谷物及全谷物食品判定及标识通则》(T/CNSS 008—2021)团体标准将全谷物定义为“经过清理但未经进一步加工，保留了完整颖果结构的谷物籽粒；或虽经碾磨、粉碎、挤压等加工方式，但皮层、胚乳、胚芽的相对比例仍与完整颖果保持一致的谷物制品。基于食品安全和质量控制的考虑，加工过程中允许有少量组分的损失，皮层损失不应超过3%”。

20世纪80年代以来，世界各国对全谷物食物的营养价值进行了大量研究，发现其大多富含宏量营养素、微量营养素及生理活性物质，如膳食纤维、叶酸、维生素E、酚类化合物、木质素和植物固醇等，这些物质可以降低心脑血管疾病、2型糖尿病、结肠癌等疾病的发病率[2-4]，且主要分布于谷物的胚和外层麸皮中，因此全谷物食品相较于精加工谷物食品具有更全面的营养功能和健康性。同时，全谷物食品由于高膳食纤维、低脂肪、低饱和脂、低胆固醇和低热量，具有一定的保健功能。一项针对7万名以上女性，长达12年的长期健康研究表明，每天增加全谷物摄入量的女性比普通女性平均体重减少约1.5 kg，说明全谷物食品有助于增加人体的饱腹感，减少了人体对脂肪和糖摄入量，达到控制体重和减肥的目的，符合当代消费者需求[5]。美国FDA、英国联合健康声称计划、瑞典均发布健康声称，指出食用全谷物食品是一种健康的生活方式，可以有效减少一些疾病的发病率[6-8]。

在中国，谷物一直是传统膳食的主体，是人体每天摄入能量的主要来源，是膳食营养结构中非常重要的一部分。近年来，国人对于健康的需求越来越迫切，全麦粉、燕麦片、糙米等全谷物食品销量也随之提升，但是现有谷物产品结构不适应消费者需求的情况较为突出，全谷物食品市场仍面临着营养功能损失较大、食品安全相关标准缺失、货架期较短、加工精度低等问题，与发达国家全谷物食品市场平均水平仍有一定差距[9-11]。由于全谷物食品等营养健康产品不同于传统食品，属于非刚性需求，消费者的购买欲望往往产生于粮食加工企业及全谷物食品相关企业的产品创新力和产品吸引力，行业的引导及产品的质量至关重要。

全谷物产品开发与生产有许多技术难点需要攻关。保质期延长、微生物污染防控、营养和功能成分的保留及生物有效性提升都是目前面临的技术难题。现有的加工技术在解决某一方面问题的同时，往往又导致其他问题的产生。如何实现全谷物食品营养与美味的统一是目前行业面临的巨大挑战。本文着重介绍全谷物食品安全、营养功能提升关键技术研究进展，以期为攻克全谷物加工与产品开发难点提供参考和启发，进一步促进全谷物发展[12]。

1 食品安全

全谷物由于种皮和胚的存在，会造成细菌、霉菌、放线菌的存在，还会有农药残留的富集或粘附，相较于精制小麦粉可能含有更多的污染物，如真菌毒素、重金属、抗营养物质、有毒物质和致癌物等[13]。因此，为了保证全谷物食品的品质，全谷物处理需要对加工方式、加工过程进行控制，以达到降低微生物数量和控制农残、重金属含量的目的。低温等离子体技术应用于全谷物领域，可以通过引入活性氧(ROS)如单线态氧、臭氧和活性氮(RNS)，使腐败微生物和食源性病原体在内的微生物失活，实现无损高效的灭菌目标，减少表面的真菌毒素和农药残留，降低产品的二次污染，有利于保障全谷物的食品安全[14]。Lee等[15]对全谷物糙米表面进行了一系列低温等离子体技术处理，并对多种细菌总数进行了测定，实验发现经低温等离子体处理20 min后，糙米表面存在的蜡样芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌菌落总数显著降低，这表明低温等离子体技术对糙米表面的细菌具有有效的控制效果。有研究发现，低温等离子体技术可以有效去除有机磷酸酯类的农药残留，包括有机磷、敌敌畏以及氧化乐果等[16-17]，表明低温等离子体技术可以用于去除食品中有毒化学物质，发展前景广阔。

全谷物粉中通常具有一定含量的油脂，全谷物在制粉的过程中，全谷物籽粒不同部位间的区隔被打断，储藏在胚和麸皮细胞中的脂肪和酶会被释放出来，释放出来的酶中具有分解/氧化脂肪能力的酶会以脂肪为底物，水解生成游离脂肪酸，游离脂肪酸进一步被氧化为氢过氧化物，氢过氧化物分解产生含羰基的化合物(醛、酮类化合物)，最终分解成小分子的醛、酮化合物，从而产生了哈败风味，影响全谷物粉的货架期。研究表明，脂肪的分解及氧化是影响全谷物粉货架期长短的最关键因素[18]。低温环境可以明显减缓脂肪分解的速度，如果温度降低至-20℃以下，脂肪酶作用的速率将明显下降[19]。但冷链运输在粮食行业的应用范围受限，明显受到成本因素的制约。真空包装和气调包装对脂肪酶的抑制没有明显的效果，因为脂肪酶的水解作用通常不需要氧气的参与[20]。国内外对于抑制全谷物中脂肪酶、脂肪氧化酶活性的研究报道比较多。目前，灭酶的工艺主要包括:热处理(干热或湿热)、微波处理、挤压处理、射线等[21]。根据灭酶处理针对的原料的不同，也可以将处理分为全籽粒灭酶处理及部分组分灭酶处理。研究表明，蒸汽处理小麦籽粒240 s，可以降低小麦粉脂肪酶活性84%[22]。邱婷婷等[23]的研究表明，滚筒干燥和挤压膨化这两种加工方式对脂肪酶和脂肪氧化酶的钝化效果明显，经过挤压膨化及滚筒干燥加工后，3种黑色谷物(黑麦、黑米、黑豆)在45 d的加速储藏实验过程中，游离脂肪酸含量与过氧化值始终低于未加工样品，因此，能够改善谷物在储藏期间因油脂氧化带来的品质劣化，从而延长产品的货架期。由于许多谷物如小麦、燕麦等，脂肪酶主要集中分布在籽粒的麸皮部分，有研究对麸皮部分进行单独处理后，再与胚乳部分混合制成全谷物粉[24]。韩雪[25]的研究表明，挤压处理可使不同含粉量麸皮的脂肪酶灭酶率达80%以上。

2 营养功能

全谷物为达到可食用标准，需要经过多种加工处理，如超微粉碎、挤压膨化、酶解、蒸煮、烘烤等，这些过程会改变全谷物中营养成分如酚类物质、膳食纤维和淀粉的特性，降低植物活性物质含量和抗氧化能力，因此选择合适的加工方式有助于保留全谷物的营养物质，更有效地发挥全谷物的健康功能。

2.1 超微粉碎技术

超微粉碎能够利用机械力或流体动力将全谷物颗粒从3 mm以上粉碎至10～25 μm，且保证其主要化学结构不受破坏，同时随着全谷物粒径的减小，其营养成分如黄酮类化合物、总多酚、可溶性蛋白质和多糖的溶出度逐渐提高，有利于人体的吸收[26]。Li等[27]研究表明，经微波处理的全谷物小麦粉中多酚氧化酶含量和菌落总数显著下降，其制成的全谷物面条保质期延长了3倍以上。李菁等[28]研究表明，经超微粉碎的豆渣中水不溶性膳食纤维和酸-碱不溶性膳食纤维的持水性、持油性和膨胀力均有所改善，同时以葡萄糖吸附能力、葡萄糖透析延迟指数和α-淀粉酶抑制作用表征豆渣膳食纤维的体外降血糖特性，发现其体外降血糖能力均有明显提高。易建华等[29]研究表明，超微粉碎处理提高了黑米粉粉体中阳离子的交换率，使其更容易降低血液中的Na+/K+比值，从而起到降低血压的作用。同时，黑米中的多酚、黄酮等抗氧化活性物质释放率提高，使得黑米粉的自由基清除率和抗氧化活性都增大，更有利于人体的营养健康。

2.2 挤压膨化技术

挤压膨化技术一般采用外施加热和压力使物料结构膨大并改变其某些理化性质，膨化过程中高温高剪切等作用可以最大限度地促进全谷物中大分子类聚合物(如淀粉、蛋白质)的化学键发生断裂，转变成小分子的可溶性物质，改善全谷物消化特性，增强其在大宗食品中的应用，提高食物营养价值[30]。通过挤压膨化使麸皮品质得到改善，氨基酸、膳食纤维等营养物质含量明显提高，植酸含量下降[31-33]，蛋白质的体外消化率有所提高，淀粉体外消化率明显提高。冯进等[34]研究表明，挤压膨化可以促进不溶性膳食纤维(IDF)向可溶性膳食纤维(SDF)转变，杂粮膨化营养粉的碳水化合物水解指数(HI)、血糖生成指数(EGI)、血糖负荷指数(EGL)等参数均显著低于原料，部分指标达到了低血糖生成指数产品的标准，用来部分替代主食，可以起到补充膳食纤维和微量营养素、延长饱腹感的作用。

2.3 生物加工技术

生物技术加工主要指利用微生物发酵、酶制剂水解及发芽处理等形式对谷物进行加工，其本质是利用酶(微生物酶，商业外源酶以及植物内源酶)的作用，实现改变谷物及其制品的结构和组成，改善其加工性能，增强其功能活性，经过生物技术加工的全谷物也会在营养价值及健康功能上有所改善[35]。Cornejo等[36]研究得出，发芽48 h的糙米粉焙烤(175℃，35 min)制出的面包，与未发芽的糙米烘焙制成面包相比，其蛋白质、脂类、游离葡萄糖含量增加，植酸含量降低，且血糖指数(GI)显著降低，更适合于人体食用。研究发现发芽对小麦营养价值有一定的影响，叶酸、可溶性膳食纤维、总蛋白质及游离脂质含量会随着发芽时间的延长而显著增加，功能性必需氨基酸包括苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、γ-氨基丁酸等含量会有不同倍数的增长[37]。陈东方[38]研究发现，用淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶水解燕麦粉均能显著提高燕麦粉中的可提取性总多酚与单体酚含量，增强其总抗氧化活性，燕麦粉提取物清除ABTS、DPPH自由基的能力显著提高，还原三价铁离子能力得到增强。

3 应用特性

随着加工技术的发展，对全谷物的处理方式不同对其作为原材料进行深加工应用特性造成一定影响。程佳钰等[39]研究发现，苦荞麦粉经过超微粉碎后，随着粒径的减小，苦荞麦粉的破损淀粉含量明显升高，白度从72%升至77%，峰值黏度、谷值黏度和最终黏度都出现了明显上升。同时，超微粉碎技术的应用提升了苦荞麦粉的整体糊化特性，使得面团能够更快成型，稳定时间增加，面团的黏弹性增强，内部网络结构愈发均匀致密。采用超微粉碎处理后的苦荞麦粉制成的苦荞麦面条，其断条率下降了12%～18%，最佳蒸煮时间和蒸煮损失最多下降50%，其质构特性也有了显著性改善[40-41]。吉梦莹[42]的研究表明，挤压膨化后的燕麦粉加入到小麦面团后可以增加面包的出品率。

4 总结与展望

近年来，通过广大科技工作者、全谷物加工企业等的不断努力，全谷物及其制品存在的食品安全、营养功能等问题正逐渐得到改善和解决，相关技术越来越多地应用于全谷物及其制品的开发和加工生产中，全谷物相关的创新产品开发呈蓬勃发展趋势，有多种类别的全谷物食品陆续出现，如全谷物发酵饮料、全谷物饼干、全谷物面包等[43-45]，为消费者提供了日益丰富的全谷物食品选择。同时，也应看到许多研究还停留在实验室阶段，距离产业化应用还有不小的差距，还有的研究偏向于针对某一方面的问题进行攻关，而技术的系统性、完整性不足，还存在许多不能适应实际生产需要的方面。今后，一要加强相关技术的中试和产业化研究，提高技术的成熟度；二要加强相关新技术与现有技术的集成研究，开发系统化的成套技术；三要加强全谷物加工核心装备和成套生产线的研发创新，装备是技术的载体，没有成熟的装备，就难以真正进行产业化应用推广[46]。