杂粮的活性成分与杂粮加工研究进展

王岸娜，王艺洁，吴立根，屈凌波，朱俊友

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

杂粮一般是指除水稻、小麦以外的谷类和豆类作物[1]。杂粮种植特点一般表现为生育期短、种植面积小、地域性强、特殊粮食栽培方式多样[2]。谷类杂粮主要包括高粱、小米、燕麦等；豆类杂粮一般包括绿豆、红豆、豌豆等。近年来，随着经济社会快速发展，生活水平逐步提高，人们的饮食和消费观念不断转变，我国城乡居民的膳食结构都发生了重大变化[3]。20世纪90年代以前，南方饮食以大米、甘薯、苦荞等杂粮为主而北方饮食则以小麦、小米等为主；21世纪以来，南方饮食以精米为主，而北方饮食则以精细面粉为主[4]。肉蛋奶消费占消费总量的比重上升，粮食直接消费量下降[3]。《健康中国行动(2019—2030年)》指出饮食因素导致的疾病负担占到15.9%，已成为影响人群健康的重要危险因素。饮食结构的重大变化，导致我国肥胖人群迅速增长，糖尿病、高血压、冠心病等慢性疾病患病率增加，人们的健康受到危害。

杂粮营养丰富且具有一定保健功能，其具有细粮不可替代的地位。杂粮对慢性病的防治有一定效果，在食品工业中发挥着重要作用[5]。我国杂粮种类繁多，是世界上重要的杂粮主产国之一，杂粮的研究引起广泛关注。鉴于此，本文综述了杂粮中活性成分、抗营养因子以及杂粮对健康的益处、杂粮加工方式，为杂粮产业进一步发展提供参考。

1 杂粮的活性成分及功能

1.1 多酚

多酚是具有苯环并结合多个羟基化学结构的物质。多酚主要包括类黄酮、酚酸、姜黄素、木酚素、芪类化合物和单宁[6]。Xie等[7]检测发现黑米和荞麦中的多酚主要是黄酮类化合物，燕麦中的多酚类物质主要是酚酸。赵萌萌等[8]通过对不同粒色藜麦营养品质、多酚组成与抗氧化活性的研究，得到白、红、黑藜麦中酚酸是含量较高的多酚的结论。Li等[9]对青稞不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维中的总酚类组分进行了系统的研究，发现该组分富含较高抗氧化能力的酚类化合物。

多酚具有抗氧化、抗癌、抗心脑血管疾病、降血糖、抗菌等功能活性[10]。高浓度的活性氧自由基会引起关节炎、癌症、糖尿病、动脉粥样硬化、免疫功能和内分泌功能的衰竭[11]。青稞啤酒糟是一种含有大量抗氧化剂的酚酸，Ikram等[12]对青稞啤酒糟中酚酸类物质进行研究，结果发现其最主要的酚酸是阿魏酸，其次是对香豆酸和少量咖啡酸。Ribeiro等[13]围绕多酚类物质的微胶囊化进行研究，所制备的多酚类物质微胶囊具有抗氧化特性，可用于预防癌症、阿尔茨海默氏症和帕金森等疾病。Dzah等[14]对通过4种预处理方式以及酸、碱水解处理后的苦荞麦壳提取物的酚类成分及抗氧化能力进行研究，结果表明超声辅助亚临界水预处理方式提取物中酚类成分对HepG2肝癌细胞具有较强的抗氧化活性和细胞毒性。Darvin等[15]研究发现高粱中所含有的多酚类物质对结肠癌细胞有抑制作用。Shen等[16]对青稞多酚提取物抗氧化能力进行研究，并通过建立大鼠模型研究青稞多酚降血脂作用，研究发现其作为一种天然抗氧化剂具有促进健康和降低疾病风险的巨大潜力。张花利等[17]研究发现黑豆皮中黄酮粗提物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌均有不同程度的抑制作用，最低抑菌质量浓度分别为40.0、2.5、5.0 mg/mL。

1.2 β-葡聚糖

β-葡聚糖是葡萄糖结构单元以β-糖苷键连接而成的一类非淀粉类多糖，广泛存在于高等植物、大型真菌、藻类、酵母和细菌等生物体中，不同来源β-葡聚糖均有β-1，3糖苷键以及数量各异的β-1,4和β-1,6糖苷键[18]。杂粮中β-葡聚糖的含量因杂粮种类不同而略有差异，一般以大麦和燕麦中含量较高。青稞是大麦的一种，与普通大麦相比，其β-葡聚糖含量较高[19]。

冯朵等[20]通过研究得出硫酸化改性是提高青稞β-葡聚糖功能性的有效途径，同时发现β-葡聚糖具有稳定性、溶解性、发泡性及泡沫稳定性。Zhu等[21]以大鼠2型糖尿病的指示指标研究燕麦β-葡聚糖对糖尿病的作用，发现燕麦中提取的β-葡聚糖具有显著的抗糖尿病作用同时可以保护肠黏膜屏障，塑造肠道微生物区系组成。Arcidiacono等[22]通过研究发现β-葡聚糖具有减轻全身炎症的功效。Piwińska等[23]研究发现添加燕麦β-葡聚糖纤维粉可用于生产高纤维面食产品。

1.3 植物甾醇

植物甾醇又称植物固醇，是一种天然甾体化合物，由植物甾醇及其饱和形式(甾醇)组成。它的结构与胆固醇类似，是具有多重生理活性的三萜烯。

植物甾醇存在于苦荞各个部位，包括β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇等，主要以β-谷甾醇为主，占70%左右[24]。Dziedzic等[25]测定了荞麦制品中植物甾醇的含量，结果发现从熟荞麦和生荞麦皮中提取的油脂中植物甾醇含量较高，分别为51.7、40.9 mg/g。玉米胚芽中的植物甾醇含量是所有食物资源中最高的，可达633 mg/(100 g)[26]。

植物甾醇在降低胆固醇、预防心血管疾病等方面表现出良好的效果。食用植物甾醇可以促进低密度胆固醇浓度降低0.30～26 mmol/L，或降低10%～12%[27]。Hallikainen等[28]的研究发现，每天摄入1～2 g植物甾醇可降低血清胆固醇水平10%～15%。Ming等[29]研究发现植物甾醇可以降低血清LDL-C含量，从而降低心血管病的发生。因此，一定摄入量的植物甾醇可以降低血液胆固醇水平，从而降低心血管疾病发病率。

2 杂粮中抗营养因子

虽然杂粮含有丰富的营养成分，但它们的营养价值会被一种或多种抗营养化合物的存在所抵消[30]。这些抗营养化合物被称为杂粮中的抗营养因子，会影响人体对营养物质的消化、吸收和利用，引起胃肠胀气、腹泻、腹痛， 甚至食物中毒等现象[31]。

2.1 植酸

植酸，又称肌醇六磷酸、环己六醇六磷酸，分子式C6H18O24P6。植酸主要存在于植物的种子、根干和茎中，其中以豆科植物的种子、谷物的麸皮和胚芽中含量最高。植酸在豆类中的含量最高，每100 g干物质中约含有2 g植酸，然而荞麦面食中植酸含量最低，不到1 g/100 g[32]。植酸是钙、铁和锌等矿物质阳离子的强力螯合剂，形成不溶盐，这些物质的产生对矿物质的吸收和消化产生不利影响[33]。植酸能与蛋白质形成复合物，从而使蛋白质的结构发生改变，可能导致蛋白质溶解度、酶活性和蛋白水解消化率的降低[34]。

Guo等[35]采用不同的辊磨机和清洗方法直接去除糊粉细胞，最大限度地降低了麸皮中植酸含量。Asres等[36]研究发现谷物发酵后，随着矿物质含量的增加，植酸和单宁含量显著降低。

2.2 胰蛋白酶抑制剂

胰蛋白酶抑制剂属于丝氨酸蛋白酶抑制剂家族，普遍存在于自然界的动物、植物、微生物中，但目前研究较多的胰蛋白酶抑制剂主要来源于杂粮，豆类是其主要来源[37]。胰蛋白酶抑制剂分子中的活性部位是赖氨酸，其通过与胰蛋白酶的丝氨酸部位结合，使其失活，不可逆地形成无酶活性的复合物，抑制了生物对蛋白质的利用率[38]。

赵现明[39]通过对不同种属豆类胰蛋白酶抑制剂活性的研究，发现胰蛋白酶抑制剂活性从高到低依次为大豆属、菜豆属、豇豆属。Wang等[40]研究发现烹饪加工豆类可降低其所含成分中的胰蛋白酶抑制剂的活性。胰蛋白酶抑制剂作为一种抗营养因子，降低了胰蛋白酶活性，影响人体对营养物质的吸收，但Fernandes等[41]研究发现胰蛋白酶抑制剂也具有一定抗乳腺癌的作用，Quan等[42]研究发现胰蛋白酶抑制剂具有降血糖的功效。

2.3 植物凝集素

1888年，Stillmark报道了一种从蓖麻籽中提取的剧毒蛋白质，这种被称为“蓖麻毒素”的蛋白质具有凝血作用，后来被证明其是第一种凝集素[43]。凝集素是一类分布广泛，具有不同分子结构的糖蛋白或糖结合蛋白，其最大特点是能识别并与红细胞特异性糖基结合，使血红细胞凝集，且具有抑制蛋白质合成和细胞毒性的作用[44-45]。植物凝集素种类很多，其中豆科凝集素是研究最多的一类，且在植物凝集素中也最为丰富[46]。芸豆中含量最高的一种过敏原蛋白就是凝集素蛋白，平均含量为1 200 mg/100 g[47]。植物凝集素还具有植物防御、抗肿瘤活性、固氮等功能特性[43]。

2.4 皂苷

皂苷是分布广泛的植物天然产物，具有丰富的结构和功能多样性。它是苷元为三萜或螺旋甾烷类化合物的一类糖苷。许多研究表明，皂苷具有一定毒性。皂苷具有细胞毒性，会导致细胞凋亡[48]。皂苷还具有溶血毒性，会导致红细胞溶解[49]。Lin等[50]从藜麦壳中提取粗皂苷并对大鼠进行急性毒性和排泄试验，得出藜麦皂苷的急性毒性作用是有限的。Böttger等[51]研究发现皂苷的一般细胞毒性主要依赖于膜毒性，而膜毒性可能是由于细胞膜上胆固醇的流失引起的。Man等[52]研究发现皂苷具有很强的抗肿瘤活性。Zhao[53]进一步对皂苷降胆固醇活性的因素进行研究，特别是皂苷在胃肠道吸收或代谢后的降胆固醇活性。Soliman等[54]以大豆为试验材料研究皂苷对大豆抗氧化代谢和生长的影响，研究发现5%皂苷对大豆抗氧化具有积极作用。

3 杂粮对健康的益处

杂粮因其丰富的营养价值及其所含有的活性成分，在预防及辅助改善慢性病方面逐渐被人们所重视。

3.1 癌症

癌症是全世界一个主要死因，世界卫生组织国际癌症研究机构发布了2020年全球癌症死亡病例996万例，其中男性553万例。目前30%～50%的癌症可以预防，可通过避免危险因素和落实现有的循证预防策略来实现。

一些体外和体内研究表明，杂粮中含有多种成分，如植物甾醇、β-葡聚糖、木脂素、多酚等，它们在预防乳腺癌、前列腺癌、结直肠癌和其他癌症方面发挥着重要作用。Shahzad等[55]研究发现富含植物甾醇的饮食可以降低20%的癌症风险。植物甾醇还可以影响宿主系统，通过提高对癌症的免疫应答识别，影响激素依赖的内分泌肿瘤生长，并通过甾醇的生物合成调节来实现抗肿瘤反应。此外，植物甾醇还表现出直接抑制肿瘤生长的特性，包括减少细胞周期进程、诱导细胞凋亡和抑制肿瘤转移。膳食纤维通过排毒、消炎、肠道菌群和脂代谢的调控参与抗癌，其对多种癌症的不同发展阶段都有作用，对消化道癌症、生殖系统癌症、肺癌及其他癌症均有影响[56]。

3.2 心血管疾病

心血管疾病已成为全球的头号死因，低密度脂蛋白胆固醇升高是心血管疾病的主要危险因素。因此，降低血清胆固醇水平是预防心血管疾病的主要措施之一。杂粮具有抗氧化和降低胆固醇的特性，因此可以降低患冠心病的风险。

Aune等[57]分析了45项关于杂粮谷物摄入量与心血管疾病和其他疾病死因的关系，结果发现摄入特定类型的全谷物，包括全麦面包、全麦早餐麦片以及全麦早餐谷物，与心血管疾病或所有原因死亡的风险降低有关。每天全谷物杂粮摄入量达到90 g，可以降低冠心病风险19%，降低心血管疾病整体危险22%。Ha等[58]汇总了26项随机对照试验，结果发现膳食中摄入含有130 g/d豆类能够显著降低低密度脂蛋白胆固醇水平，进而降低心血管疾病的风险。

3.3 糖尿病

糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，近年来由于患者的日渐增长在全世界范围受到了越来越多的重视[59]。杂粮作为一种重要的食物原料，含有许多具有调节血糖作用的功能成分，如多酚类、多糖类、黄酮类等[60]。

燕麦中具有调节血糖作用的功效成分主要包括多糖类和多肽类物质，对降低肠道对糖的吸收效率、提高胰岛素敏感性及改善胰岛素抵抗有重要影响。丁慧[61]研究荞麦复配米饭发现，随着荞麦添加量的增加可呈剂量依赖性地降低米饭的 GI 值，富含荞麦碱的复配米饭降低餐后血糖的功效显著。Lee 等[62]研究发现大麦芽多酚提取物通过激活AMPK，肝脏中细胞自噬抑制SREBP2，降低了小鼠的空腹血糖，同时可降低胆固醇浓度。

4 杂粮加工方式

杂粮中含有多种活性成分，在加工过程中要尽可能地保护这些成分使其免受破坏。同时，杂粮中还含有抗营养因子，会降低人们对杂粮中营养成分的吸收，所以需要改进加工过程。应结合现代新技术和新工艺，对杂粮进行加工，从而提高可加工性，使其利于消化和吸收，满足人们日常饮食。

4.1 超微粉碎

近年来，超微粉碎技术被广泛应用于谷物类食品的加工技术研究。杂粮质地粗糙，口感不佳且不易熟化。在杂粮的加工过程中使用超微粉碎技术可明显改善谷类食品的粒径、比表面积、持水性、溶解性等物理性能，同时通过超微粉碎后，谷物中活性物质溶出率提高，营养成分如破碎淀粉的含量提高，谷物食品因质地粗糙而影响口感的问题得到改善[63]。

程佳钰等[64]研究发现超微粉碎可使苦荞粉粒径减小，破损淀粉含量增加，糊化特性提升，也改善了用超微粉碎制作的全苦荞面条的品质。Wang等[65]对豌豆膳食纤维进行超微粉碎处理后膳食纤维的结构碎裂、比表面积增大，具有较高的溶胀性和保水、保油能力。Du等[66]对青稞膳食纤维进行超微粉碎处理后，青稞粉中可溶性膳食纤维含量显著增加，膳食纤维抗氧化活性提高，清除DPPH·的能力和铁离子还原能力也提高。

4.2 挤压加工

食品挤压加工技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型为一体的高新技术[67]。翟小童等[68]研究发现挤压加工可显著降低糙米速食粥的消化率和GI值。赵妍嫣等[69]以小麦麸皮膳食纤维为原料，采用双螺杆挤压机进行挤压加工，提高了小麦麸皮膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量。

4.3 膨化

膨化是原料在加热、加压的情况下突然减压而使之膨胀。膨化技术一般包括挤压膨化和非挤压膨化，其中非挤压膨化技术包括气流膨化、微波膨化、油炸膨化及焙烤膨化。

Huang等[70]研究了气流膨化对小米、大麦、黑米等谷物的营养成分、物理特性和消化率的影响，研究发现：气流膨化后的谷物籽粒的营养成分中总糖含量较高，水分、淀粉和脂肪含量较低；显著提高了籽粒中淀粉和蛋白质的消化率。刘兴丽等[71]研究发现紫薯粉通过挤压膨化后添加到面团中可以提高面制品的出品率，有助于延缓面团的老化，延长保质期。

4.4 发酵

发酵指人们借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、直接代谢产物或次级代谢产物的过程[72]。Liu等[73]通过研究大豆发酵过程中营养物质的变化,结果发现发酵可产生许多功能性物质如生物活性肽、不饱和脂肪酸、游离大豆异黄酮、维生素和矿物质等使豆制品更加营养和健康。近代研究发现利用固态发酵生产的一些食品中含有生理活性物质，Jiang等[74]利用芽孢杆菌对豆渣进行固态发酵，发酵后的豆渣中胰蛋白酶抑制剂、植酸和单宁等抗营养因子降低。谷物发芽过程中会产生一系列变化，其中活性物质含量大大提高，从而提高了谷物的功能活性。Singh等[75]研究发现谷物经发芽和发酵处理后其营养价值和功能特性提高，蛋白质含量增加，抗营养因子减少，矿物质的利用率提高。Zahir等[76]研究发现发芽和发酵对提高大豆蛋白消化率具有积极作用。

4.5 微波

近年来，微波技术已广泛应用于各个领域，尤其是在食品行业中。微波是一种电磁波，频率在1～300 GHz之间。微波加热速度快，加热均匀。在杂粮的加工过程中常使用微波熟化，从而使杂粮的营养价值提高。

张子敬等[77]用微波预处理红米粉并研究处理后红米的理化性质，结果表明，微波预处理可提升蒸煮后红米的熟化程度，提升其淀粉水解率。Bai等[78]对青稞进行了流态化、微波和烘焙等3种热处理，热处理后青稞中总酚、总黄酮、结合酚含量显著下降，游离酚、β-葡聚糖提取率、抗氧化活性显著增加，但流态化热处理对青稞营养价值的提升最大。姜鹏等[79]将高粱浸泡后用微波处理进行熟化，发现熟化后高粱的蒸煮时间大大缩短，该研究为高粱食品便捷食用提供技术可能。

5 结语

杂粮在我国历史悠久，营养丰富，且杂粮具有独特的生理功效。近年来，由于人们饮食结构和生活方式的改变，癌症、糖尿病、心血管疾病等一系列慢性疾病发病率增高，威胁人们健康。合理膳食是健康的基础，多元化合理搭配饮食成为健康的前提，杂粮因其营养功能受到人们的重视，因此产业具有广阔的市场前景。杂粮营养丰富，是食品原料良好的营养强化剂；杂粮具有独特的风味和色素，是食品天然的风味剂和着色剂，因此在食品工业已获得了一定的应用，但杂粮的加工过于粗糙，口感及色泽较差，改善产品加工方式，加强精深加工与修饰变得尤为重要。因此，重点开发杂粮内在品质，以生产独特的、不同种类的食品品种，有助于改善我国居民饮食习惯，平衡膳食结构，保证大众健康。在食品加工业的良好发展前景下，进一步发展杂粮产业具有重大意义。