发芽结合其他加工方式对全谷物的营养品质及感官特性的影响

李 忍 吴娜娜 李志江 谭 斌 李冬梅

(黑龙江八一农垦大学食品学院1，大庆 163319) (国家粮食和物资储备局科学研究院2，北京 100037) (黑龙江省五常金禾米业有限责任公司3，哈尔滨 150200) (北大荒现代农业产业技术省级培育协同创新中心4，大庆 163319)

2008年，美国国际谷物化学家协会(AACCI)指出，如果发芽后的谷物含有麸皮、胚芽和胚乳，营养价值不降低，发芽的长度不超过籽粒的长度，那么它们应被称为发芽全谷物[1]。近年来，发芽作为一种新型的加工方式被广泛应用于全谷物加工中。全谷物在发芽过程中，淀粉、脂质和蛋白质等营养物质会被降解并产生一些新的营养物质，因此发芽赋予了全谷物独特的营养品质和感官特性[2]。

近年来，麦芽饼干、发芽全谷物面包等发芽全谷物食品在市场上受到了广大消费者的欢迎。随着我国食品工业的发展，为更好利用全谷物和促进人体健康，全谷物的加工方式也在不断创新，利用发芽与其他加工方式相结合的方法，探讨全谷物的营养品质及感官特性受到了国内外社会各界的广泛关注。与发芽结合的加工方式主要包括蒸煮、焙烤、挤压、发酵、酶辅助处理等，这些加工方式会使发芽全谷物的营养成分富集或损失，从而影响其食用功能。例如，蒸煮、发酵和酶辅助处理可以提高酚类和γ-氨基丁酸(GABA)含量、焙烤可以丰富风味、挤压处理可以提高还原糖含量，但由于蒸煮、焙烤和挤压在加工时会产生较高的温度，对γ-谷维素和氨基酸等营养物质具有消极的影响。本文主要综述了蒸煮、焙烤、挤压、发酵、酶辅助处理等加工方式对发芽全谷物品质特性的影响，为全谷物食品开发和应用提供参考。

1 加工方式对发芽全谷物品质特性的影响

1.1 蒸煮处理

如表1所示，蒸煮处理可以改变发芽全谷物中的营养物质含量和提高其抗氧化性。蒸煮可以使全谷物的细胞壁结构破裂和纤维多糖部分水解，释放结合酚类化合物，提高全谷物酚类含量和抗氧化活性[3]。例如，燕麦在蒸煮后，其香豆酸和阿魏酸含量会增加，这是由于羟基肉桂酸和纤维组分之间的键断裂造成的[4]。但也有文献表明，蒸煮可以降低酚类含量和抗氧化性的原因可能是：(1)蒸煮导致酚类与基质中的大分子结合，降低了其溶解度[5]；(2)蒸煮会降解酚类分子，促进了游离酚酸的脱羧和聚合[6]。同时，煮沸可使发芽糙米淀粉与蛋白质之间产生强烈的相互作用，导致其表观直链淀粉含量下降，高温破坏了细胞结构，促进了GABA的释放，从而提高GABA含量[7]。蒸制处理能够较为充分地糊化发芽糙米中的淀粉，对γ-谷维素等营养成分起到了保护作用；煮制处理容易导致γ-谷维素等营养成分的溶出；煎制处理时的高温加速了γ-谷维素等营养物质的降解[8][9]。因此，蒸煮处理对发芽全谷物的营养品质影响差异较大，针对不同的发芽全谷物来适当的调整蒸煮工艺条件，对提高其营养品质具有重要作用。

表1 蒸煮方式对发芽全谷物中营养成分及理化性质的影响

此外，蒸煮处理对改善发芽全谷物的感官特性也有着积极作用。Lee等[10]研究发现，发芽大麦经蒸煮15 min后，其硬度明显降低，适口性显著提高。原因可能是大麦在发芽过程中，淀粉表面产生裂纹，水分在蒸煮过程中容易被吸收，促进了淀粉的糊化，改善了其感官特性。Ren等[11]研究发现，发芽糙米经加压蒸煮(115 ℃，20 min)后，其硬度明显降低，味觉价值显著提高，且对其风味也有一定的改善作用。研究表明，发芽糙米(发芽2 d)经蒸煮处理处理后，其硬度降低约428 g，弹性和黏性分别增加约0.04%和18 g·s，且在发芽糙米(发芽2～5 d)饭中检测到了具有甜玉米风味的物质二甲基硫醚，但随着发芽时间的增长，蒸煮对其增香效果并不明显，原因可能是随着发芽时间的延长使得发芽糙米中醛、酸、酚类等物质和一些含硫化合物含量不断的增加，影响了蒸煮风味[12]。因此，蒸煮处理可以较大的改善发芽全谷物的感官特性，对生产不同风味的发芽全谷物食品具有重要意义。

1.2 焙烤处理

由于焙烤处理时会产生高温和发生美拉德反应，因此焙烤处理对发芽全谷物的营养物质水平具有不同的作用。发芽糙米经焙烤后(150 ℃，15 min)，谷维素含量和植酸降解率分别提高了21.54%和43.53%，但GABA和一些氨基酸含量略有损失，且随着焙烤温度(125～175 ℃)的升高和焙烤时间(15～30 min)的延长，其抗氧化性显著下降，原因可能是焙烤过程中GABA和一些氨基酸参与了美拉德反应而发生了部分降解[14]。Cornejo等[15]研究得出，与未发芽的糙米面包相比，用发芽48 h的糙米粉焙烤(175 ℃，35 min)制出的面包，其蛋白质、脂类、游离葡萄糖含量分别增加了约1.78、0.76、0.68 g/100 g，植酸含量降低了约0.28 g/100 g，且血糖指数(GI)显著降低了约22.34。

图1 美拉德反应中形成香气物质的主要途径[19]

此外，焙烤处理可以也改善发芽全谷物的感官特性。与普通面包相比，利用发芽3 d后的小麦粉焙烤(150 ℃，13 min)制出的面包，面包的体积、色泽和GABA含量均有所增加[16]。Wunthunyarat等[17]研究发现，利用发芽糙米粉焙烤制出的面包与对照组相比，面包的体积增加了约4%，硬度降低约34%，极大的改善了面包的感官特性。Wu等[18]利用气质联用(GC-MS)法分析后发现，在小麦粉中添加经焙烤(130 ℃，15 min)后的发芽小麦粉(添加量为3%)所制作出的面包，其酯类、杂环芳香烃和醛酮等含量明显增加，原因可能是发芽导致了小麦中还原糖含量的提高(约提高50 mg/g)，促进了焙烤过程中的美拉德反应，从而丰富了面包的风味。因此，焙烤处理可以极大地改善发芽全谷物的风味，这对于开发特色风味的发芽全谷物食品具有指导意义。

焙烤可以改善发芽全谷物的营养品质和感官特性，这是因为在焙烤过程中发生了美拉德反应，其反应机制过程如图1所示。目前，国内外对发芽糙米和发芽小麦的焙烤处理研究报道较多，但对其他发芽全谷物的焙烤处理研究却鲜有报道。

1.3 挤压处理

由于发芽全谷物中含有较高含量的淀粉，因而具有良好的挤压膨化特性，因此发芽全谷物常常是被用作挤压膨化食品的主要原料。挤压膨化的主要机理过程主要有四个方面[20]：原料淀粉结构由有序变为无序；形成气核；膨胀;气泡生长；气泡塌陷。

利用挤压加工改变发芽全谷物的营养品质一直是近年来研究的热点。研究表明，发芽糙米经挤压后，其淀粉、粗脂肪、蛋白质质量分数分别下降约5.35%、16.10%、20.40%，还原糖含量增加了1.36倍，原因可能是挤压导致淀粉降解成为小分子还原糖，脂类与淀粉、蛋白质等发生复合作用，蛋白质分解成肽类和氨基酸[21]。Ohtsubo等[22]研究得出，与糙米相比，发芽糙米经挤压(螺杆转速150 r/min，挤压温度150 ℃，喂料速率100 g/min)处理后，其总阿魏酸、总膳食纤维含量分别提高了约8、0.4 mg/100 g，而谷维素含量却降低了28.5 mg/100 g。何荣等[23]研究发现，虽然富硒后的发芽糙米粉经挤压膨化(水分含量17%，螺杆转速150 r/min，喂料速率16 r/min)后其营养物质略有损失，但有机硒含量和GABA含量仍比原料糙米高出29倍和5倍。Gong等[24]研究发现，相对于原生玉米粉，发芽玉米在挤压(水分含量14%，螺杆转速120 r/min，挤压温度120 ℃，喂料速率300 g/min)处理后，其可溶性膳食纤维和游离酚含量提高，抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性均显著提升，但总氨基酸含量略有下降，可能是挤压促进不溶性膳食纤维和结合酚等分解，氨基酸参与美拉德反应，而游离酚的增加提高了抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性。

挤压加工也可以改善发芽全谷物的感官特性。Singkhornart等[25]研究发现，在挤压发芽小麦过程中注入CO2，不同的模具温度(90、130 ℃)和螺杆转速(150、200 r/min)影响显著膨胀率、体积密度、弹性、颜色等物理性能，但对营养成分含量影响较小，可能是CO2的注入可能会影响美拉德反应。

淀粉在发芽全谷物挤压中起到了非常重要的作用，淀粉在剪切力和高温等作用下膨胀糊化，最终降解形成低聚糖等，其作用机理如图2表示。以玉米淀粉为例，由图3可以看出，玉米淀粉在挤压前形态光滑且呈颗粒状，挤压过程中淀粉开始发生凝胶化，表面粗糙无序，经过挤压后淀粉膨胀糊化且结构遭到严重破坏[26]。挤压可以增加可溶性膳食纤维等营养物质的含量，但对GABA、总氨基酸、酚类含量和抗氧化性等具有不同的作用，主要原因可能是：高温和剪切力使一些大分子物质发生降解或分子重排，促进了不同分子之间产生缩合等作用；挤压参数的变化和物料品种的不同对实验结果的影响也不相同。

图2 淀粉在挤压过程中降解示意图[26]

图3 玉米淀粉在挤压前后的结构状态[26]

1.4 发酵处理

发酵处理可以显著改善发芽全谷物的营养品质。在含有发芽大麦的混合物中添加5%嗜酸乳杆菌凝乳(1.0×106个/mL)进行发酵(37 ℃，12 h)后，其还原糖、硫胺素、烟酸、赖氨酸和可溶性膳食纤维含量显著增加，而粗蛋白、粗纤维、淀粉、总膳食纤维和不溶性膳食纤维含量均显著下降[27]。Montemurro等[28]得出，发芽小麦经酵母菌(7.0 logcfu/g)发酵(30 ℃，24 h)后，其多肽、游离氨基酸和酚类含量显著提高，植酸等抗营养因子显著降低，用其制作成的面包具有蛋白质消化率高、淀粉利用率低和感官特性良好等特点。Cáceres等[29]研究发现，添加发芽糙米粉发酵(发酵剂2.0×107cfu/g，42 ℃，pH=(4.4±0.2)时停止发酵)制备的酸奶可以有效的提高酸奶中酚类(15.2 mg/100 g)、GABA(1.9 mg/100 g)的含量及抗氧化性，且对血管紧张素转化酶具有良好的抑制作用(抑制率为61.5%)。

此外，发酵处理也可以显著改善发芽全谷物的感官特性。Hiran等[30]研究发现，利用长双歧杆菌发酵(接种量10 mL/100 g，37 ℃，72 h)的发芽玉米中有12种挥发性物质，主要为吡嗪类和3-羟基扁桃酸类，更加丰富了其风味。因此，发酵处里可以改善发芽全谷物的风味，对促进风味型发芽全谷物食品的开发具有重要的作用。

综上所述，发酵温度、时间、菌株及其接种量等因素对发芽全谷物的营养品质和感官特性有着很大的影响。分析机理为：1)发酵可以引起全谷物细胞壁结构破裂，蛋白质等营养物从细胞内溶出；2)发酵为一些酶提供了最适的pH环境，加快了一些营养物质的合成。例如，在发酵发芽黑麦过程中，阿魏酸的含量急剧增加，是因为发酵为黑麦肉桂酰酯酶提供了最适的pH 7[31]；3)细菌的代谢活性可能导致各种生物酶系统被激活。例如，酵母菌能够使发芽小麦中的内源酶和谷氨酸脱羧酶(GAD)等有关的酶系统被激活，从而降解淀粉和蛋白质等营养成分并产生一些次级代谢物，如GABA等[32]。

1.5 酶辅助处理

酶辅助处理可以改善发芽全谷物的营养品质和感官特性。如表2所示，酶辅助处理可以显著降低发芽糙米的硬度，改善其口感品质，原因可能是酶辅助处理破坏了其皮层的粗纤维结构，从而提高了口感质量[33]。研究表明，酶辅助处理也可以显著提高发芽糙米中GABA含量，分析原因为：1)纤维素酶处理过程中的酸性环境增加了GAD的活性，从而促进GABA的生成[34]；2)酶辅助处理使糙米皮层结构遭到破坏，加强了细胞内外营养物质的交换，促进了糙米的萌发，提高了 GABA等营养物质的富集程度[35]；3)纤维素酶与GAD的最适温度(30～35 ℃)相近，利用纤维素酶处理发芽糙米时，为GAD提供适宜的温度，从而增加了其活性，促进了GABA的产生[36]。

此外，发芽红糙米和发芽黑糙米经纤维素酶酶处理后，两者的总酚含量会显著升高，分别提高了约298.7、319.0 mg/kg，抗氧化活性也随之增强[37]。利用木聚糖酶和纤维素酶处理(浓度0.1%，5 h，45 ℃)发芽糙米，显著提高酶解液中的葡萄糖含量(8.39 mg/mL)，且其蒸煮后的感官品质均高于发芽糙米和糙米[38]。因此，酶辅助处理可以提高发芽全谷物的营养品质和感官特性，对功能性发芽全谷物食品的开发具有重要作用。

表2 酶辅助处理对发芽糙米中GABA含量和其他理化性质的影响

GABA的合成机制如图4表示，L-谷氨酸在GAD的作用下脱羧生成GABA，接着在GABA转氨酶(GABA-T)的作用下，GABA与α-酮戊二酸发生转氨反应生成谷氨酸(Glu)和琥珀酸半醛(SSA)，最后在琥珀酸半醛脱氢酶(SSADH)的作用下SSA被氧化成琥珀酸并进入三羧酸循环，且该反应使三羧酸循环中α-酮戊二酸氧化琥珀酸的途径称为GABA支路[43]。由此可看出GAD、GABA-T和SSADH三种酶共同调控植物体内GABA的含量。有研究表明，降低胞质间的pH[44]和增加胞质间的Ca2+含量[45]均可以提高GAD的活性促进GABA的积累，而厌氧处理[46]和改变GAD和GABA-T离体活性比[47]等方法，也可以抑制GABA-T和SSADH的活性从而累积GABA。

图4 γ-氨基丁酸的合成机制图解[48]

1.6 发芽全谷物的其他加工方式

其他加工方式对发芽全谷物的营养品质及感官特性也有一定的影响。Shen等[49]通过微波处理发芽糙米后发现，3～4 W/g的微波强度可以在发芽糙米的表面增加3～4个裂隙，导致其可以适度的吸水和淀粉糊化，有利于提高其蒸煮质量和口感品质。Chen等[50]研究得出，利用低温等离子体(3 kV，10 min)和发芽联合处理糙米，提高GABA含量9 mg/100 g，增加α-淀粉酶活性，提升抗氧化活性。Xia等[51]利用高静压处理发芽糙米10 min，可使其钙和铜含量分别增加12.59%～52.17%和2.87%～23.06%，淀粉体外消化率降低约15%。Ding等[52]利用超声波(25 kHz，16 W/L，5 min)处理发芽糙米和发芽红米，可使两者的硬度分别降低39.2%和43.4%，改善了两者的蒸煮特性。研究表明，利用Ca2+和紫外线-B(UV-B)联合处理4 d发芽小麦，可以显著提高发芽小麦中的总酚含量，原因是外源Ca2+参与了UV-B辐射下发芽小麦的酚类代谢和生理调控[53]。

2 展望

近年来，加工方式对发芽全谷物的研究已经成为新的研究热点，如何通过不同的加工方式来提高营养成分或尽可能降低营养成分的损耗越来越受到关注，但仍有一些问题等待解决。目前大多数的研究只停留在对发芽全谷物进行单一方式加工处理，在一定条件下可以利用不同加工处理方式相结合的方法，通过优化联合处理方式的加工工艺来尽可能更多的保留一些有益的营养成分；研究加工方式对发芽全谷物营养成分的影响变化机制和其分子结构的变化对新的功能性食品的开发具有重要意义；探索应用各种新型加工技术手段对发芽全谷物的营养与活性组分的影响，尚需进一步加强，从而更加科学高效地利用发芽全谷物(粉)制备美味的健康全谷物食品。