杂粮生物活性物质及产品开发

杜凯欣，王凤成

（河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001）

杂粮是指除小麦、大米以外的谷类或主要用于动物饲料和酿酒的谷类。这些谷物主要产地是亚洲和非洲的半干旱热带地区，采用雨水灌溉的耕作方式，粮食单位面积产量低（通常低于1 t/hm2）[1]。杂粮主要包括玉米、高粱、燕麦、大麦、小米、薏仁及籽粒苋等。它们富含膳食纤维、维生素、矿物质（特别是铁和锌等微量营养素）等具有抗氧化特性的植物化学物质[2]。鉴于这些营养特性，杂粮被标明为营养食品。一些流行病学研究表明，这些谷物有助于对抗缺血性中风、心血管疾病、癌症、肥胖症和II型糖尿病等多种慢性疾病[3-4]。杂粮口感粗糙，不能代替我们的主食谷物，但可以与大米和小麦按不同比例搭配，制成各种营养产品。由于杂粮蛋白质含量较高，氨基酸（蛋氨酸、胱氨酸和赖氨酸）组成平衡，它们在营养上与主要谷物（如小麦和大米）相当，甚至更优[5]。近年来，随着人们对粮食营养与安全的日益关注，国际国内市场对“多样化、营养、健康、安全、方便”的杂粮食品的需求日益增强，使得各类杂粮有很好的发展前景，可以渗透到广大消费者的食谱中，包括农村和城市、发达国家和发展中国家的消费者。对这些杂粮潜在用途的研究和开发，都表明了杂粮作为配方食品的潜力。这些杂粮除了用作食品外，还被用作饲料、糖浆、酿酒、生物燃料或生物聚合物[6]。

1 杂粮中的生物活性物质

杂粮的各种成分除了提供营养外，还具有生物活性。

其中酚类化合物包括酚酸、单宁、香豆素、黄酮和烷基间苯二酚。酚类物质对植物性食品的风味、质地、颜色和氧化稳定性起着重要作用[7]。它们具有特殊的营养性能，通常位于麸皮中。酚酸有两类：羟基肉桂酸和羟基苯甲酸。羟基苯甲酸包括对羟基苯甲酸、香草醛、丁香酸和原儿茶酸，而羟基肉桂酸包括香豆酸、咖啡酸、阿魏酸和芥子酸。

杂粮中含有高浓度的单宁，其主要功能是保护谷物免受霉菌的污染，以防止谷物变质，同时单宁也是使杂粮口感苦涩的原因之一。单宁降低蛋白质、碳水化合物和矿物质的消化率，具有保护肠胃、抗癌、抗溃疡和降低胆固醇的特性。龙爪稷是唯一含有单宁的小米。燕麦生物碱（Avenanthramides）是肉桂酰基邻氨基苯甲酸的酰胺，仅在燕麦中发现。它具有抗炎、抗动脉粥样硬化和抗氧化特性[8]。各种植物、细菌和真菌产生的烷基间苯二酚是有益于人体健康的生物活性化合物，例如抗癌活性[9-10]。

黄酮类化合物包括花青素、黄烷醇、黄烷酮和黄酮碱类。谷物中含有多种黄酮类化合物，通常位于果皮中。在谷物中发现的6种常见花青素是矢车菊色素、锦葵色素、天竺葵素、飞燕草色素、矮牵牛素和芍药色素苷。3-脱氧花青素是花青素组中一个独特的成员，能在高pH环境下稳定，这也是使高粱成为一种良好的天然食品着色剂的原因[11]。龙爪稷中的黄酮类化合物为荭草苷、异荭草素、牡荆黄素、异牡荆素、皂草苷和缬黄素，而珍珠粟中为牡荆素葡萄糖苷、葡糖牡荆素和牡荆素。燕麦中为芹菜素、糖基牡荆素、异牡荆素、小麦黄素和牡荆素。

木脂素是在大麦、燕麦、小黑麦和黑麦中发现的一类植物雌激素。这些杂粮中木脂素的含量从8到299 μg/100 g不等[12]。植物甾醇是胆固醇类化合物，主要存在于麸皮中。杂粮中的植物甾醇多数以游离形式存在，少数如脂肪酸酯或羟基肉桂酸（通常是阿魏酸）可与糖（主要是葡萄糖）结合成苷。每100 g高粱含有46～51 mg的非结合植物甾醇[13]，玉米、大麦和燕麦分别含有70～88 mg/100 g、55～76 mg/100 g和35～46 mg/100 g[10]的植物甾醇。

膳食纤维是植物的可食用部分，不会被消化道的酶水解。据报道，低聚糖如乳果糖、低聚果糖、反式低聚半乳糖可有效促进人体大肠中双歧杆菌和乳酸杆菌的生长。谷物中发现的几种低聚糖是蔗糖、水苏糖和棉子糖的半乳糖衍生物，以及蔗糖、低聚果糖的果糖基衍生物[12]。谷物不含维生素C、维生素B12、维生素A，β-胡萝卜素[14]。然而，它们是大多数B族维生素的重要来源，尤其是硫胺素、核黄素和烟酸[15]。谷物也含有一定数量的维生素E。

杂粮中含有多种限制其营养成分的抗营养因子，主要是植酸和多酚[16-17]。据报道，植酸含量在萌发过程中受植酸酶活性的影响而显著降低。在发芽的前两天，减少的幅度最大，在发芽的第4天到第6天，减少的幅度较小[18]。在大麦、黑麦和燕麦的萌发过程中可以观测植酸酶活性，它们将植酸水解为磷酸盐和肌醇磷酸盐。同样，这些杂粮在发芽至第6天期间，观察到多酚含量呈下降趋势[19]。发芽谷物蛋白质含量的增加可能是由于抗营养因子（单宁、多酚和植酸）以及其它大分子物质（特别是碳水化合物）的数量减少而引起的。热烫处理可显著降低多酚含量（28%）和植酸含量（38%）。

2 杂粮产品研发

2.1 大麦制品

大麦是一种用途广泛的谷物。在食品方面，大麦颗粒被磨碎以生产出大麦粉粒，大麦粉粒可以进一步加工成粗粒、薄片和面粉。它的外观类似于小麦颖果，但颜色稍浅。发芽的大麦富含麦芽糖，麦芽糖可制成麦芽糖浆，在食品中常用作甜味剂。大麦发酵后用作啤酒和其他酒精饮料的原料。在西方国家，整粒、片状或磨碎的大麦粉粒被用于早餐麦片、炖肉、汤、粥、面包粉和婴儿食品中[20]。大麦粉还可以添加到小麦制品中，例如：面包、蛋糕、饼干、面条和挤压零食。添加15%～20%大麦粉制成的小麦面包是可被接受的，但大麦粉比例的增加会导致面包体积收缩、质地变硬，颜色呈暗棕色[21]。添加12%～25%的大麦粉制成的小麦面条，具有可接受的面条制作特性[22]。大麦茶在亚洲被广泛饮用，它是由烤大麦仁制成[23]。大麦的第二大用途是麦芽，用于生产啤酒、蒸馏酒精、麦芽糖浆、麦芽奶、调味品和早餐食品等。随着世界营养保健食品生产的飞速发展，大麦食品的开发利用受到了国内外食品专家的关注，被认为是今后一定时期内新型食品的开发热点。

2.2 燕麦制品

燕麦有多种食用形式，可制作成各种食用制品。在国际上，燕麦片是最常见的燕麦食品，在我国燕麦产区，燕麦常被加工成燕麦粉，也称莜面，进而制作各种燕麦面食。燕麦可直接食用，其主要用作粥，也可用于混合制作各种烘焙食品，如燕麦饼、燕麦曲奇和燕麦面包。燕麦含有丰富的膳食纤维，包括可溶性和不溶性膳食纤维。它还富含亚油酸和油酸等必需脂肪酸，有助于降低低密度脂蛋白胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇，此外它还富含镁、钾和钙等多种矿物质，是促进心血管健康所需叶酸的良好来源。燕麦生物碱是燕麦特有的抗氧化剂，它可抑制氧自由基的形成。由于燕麦粉油脂含量很高，因此粘性大，不易筛分处理，取而代之的是更常见的全麦燕麦产品——燕麦米和燕麦片。燕麦油的极性脂质部分适宜用作乳化剂[24]。燕麦粉被用作多种面包和烘焙产品的配料，因为它们除了提高这些产品的营养价值外，还具有独特的风味和保湿特性。在传统的小麦面包配方中，燕麦的添加量高达10%～20%。通过优化烘焙技术，甚至可以添加更多的燕麦粉[25]。以燕麦为基质，可以制备乳酸菌、益生菌饮料。发酵剂、燕麦粉和蔗糖含量会影响发酵过程。在发酵和储存期间，饮料中的β-葡聚糖含量保持不变。这种饮料可以在冷藏条件下储存21 d[26]。用葡萄糖当量为8.1、粘度为1 620 MPa-s、热值为597.7 kCal/100 g的燕麦糊精可以制备一种新型低脂蛋黄酱[27]。

2.3 高粱制品

高粱的不溶性纤维含量较高，这会导致糖的水解速率降低，因此高粱食品较适合糖尿病人群食用。例如，脱皮高粱制品和小麦制备相比，高粱制品已被证实可以使糖尿病患者血糖水平降低。用高粱粉制成的饼干适宜糖尿病人食用，饼干原料由40%的小麦粉和60%的高粱粉混合而成，纤维含量高。众所周知，高粱的湿热处理会降低其消化率。在处理过程中，淀粉会发生回生，从而形成抗性淀粉，提高膳食纤维含量[28]。单宁高粱在糖尿病食品中有潜在的应用。其特点是消化缓慢。非洲的饮食文化更偏向单宁高粱，因为与其它谷物相比，单宁高粱可以提供更长时间的饱腹感。高粱米是无麸质的，同时也是一种潜在的营养物质来源，如抗氧化酚和降胆固醇蜡[29]。

2.4 小米制品

谷子是一种重要的小杂粮作物，主要种植在印度大陆和非洲，是世界上最古老的栽培农作物之一。小米是谷子经碾制加工的主产品，是我国人们特别喜欢食用的一种传统谷物制品。近年来，由于其营养特性，已变得越来越重要。小米除作为主食外，还可用于制作面条、软糖等休闲食品。小米制品中矿物质含量较高，但植酸、多酚等抗营养物质影响蛋白质和淀粉的体外消化率。酸处理的小米制品比去皮的小米制品更易被人们接受。小米与大豆或其它富含蛋白质的产品（如豆类或花生）混合挤压，可制成营养均衡的辅助食品。研究表明，与30%的谷类豆粕粉或15%的脱脂豆粕混合而成的挤压小米产品的蛋白质含量分别为14.7%、16.0%[30]。面条、通心粉等面条制品可以用小米粉制成。将米粉、玉米粉或木薯淀粉和小米粉按不同比例制成的挤压零食，其外观、颜色和质地都可以被接受。小米富含油脂和亚油酸，占油脂总脂肪酸的4%，其n-3脂肪酸的比例比玉米高，而玉米中亚油酸仅占总脂肪酸的0.9%。n-3脂肪酸在血小板聚集、LDL胆固醇积累和免疫系统等生理功能中起着重要作用[31]。小米糠含有高比例的可溶性膳食纤维，具有降胆固醇和降血糖的作用。

2.5 玉米制品

玉米除了用作人类食物和动物饲料外，还是大量工业产品的重要来源。食品添加剂类包括玉米纤维油、玉米纤维胶、纤维凝胶、低聚木糖，阿魏酸、香兰素和木糖醇也是有用的副产品。玉米胶可用作塑料中的粘合剂、增稠剂或添加剂，玉米淀粉可用于生产玉米糖浆、麦芽糊精、葡萄糖和淀粉[32]。精制玉米油99%的成分为三酰甘油，其中包括59%的多不饱和脂肪酸 （PUFA）、24%的单不饱和脂肪酸（MUFA）和13%的饱和脂肪酸（SFA）。Mendonca等人发现，将玉米麸皮以150～320 g/kg的比例加入挤压零食中，可以显著降低成品的径向膨胀率、外观和一般可接受性[33]。Holguin Acuna等人发现，加入300 g/kg和400 g/kg的玉米麸皮的断裂强度最低，挤压加工可以改善烘焙食品中玉米麸皮的不良性能。以玉米麸皮为原料制备的纤维素凝胶可作为脂肪模拟物推广应用。玉米麸皮和纤维也可作为生产木糖醇的基质，木糖醇是一种低热量、非致癌甜味剂[34]。

3 杂粮在其它工业中的用途

高粱颗粒聚合物在制备可生物降解、可食用的生物塑料薄膜和涂层方面的潜在性能正在研究中。高粱醇溶蛋白是制备生物塑料的选择之一，因为它是醇溶蛋白中疏水性最强的[35]。单一杂粮或结合两种及以上杂粮已被用于生产各种啤酒。甜高粱可用于制作糖、酒精、糖浆、麻酱、饲料、燃料、床上用品、围栏和造纸。

4 研究结论与发展建议

国内现阶段由杂粮开发出的制品仍存在口感粗糙、外型不美观、色泽不鲜艳等缺陷，这是制约杂粮制品消费的一个重要因素。同时，杂粮富含生物活性物质，充分利用杂粮资源开发各种功能性食品与保健品又是杂粮开发的一个重要方向。因此，需要我们把食品加工特性、营养特性与消费者的喜好综合考虑进行研究，让制品既保留杂粮特有的风味特征，又能满足人们的口感要求[36]。根据不同杂粮的原料特性与人们的消费习惯，将杂粮原料深加工转化为方便食品、休闲食品、食品配料等，如挤压蒸煮方便面、直接冲调食用的单一或复配式杂粮膨化粉、谷物基质益生食品等[37]。

在经济效益方面，杂粮极具加工开发潜力，加工增值幅度大。例如：谷子加工成优质米能够增值1～3倍，小米加工为初级产品如小米酥等能够增值的幅度在5倍以上。深加工精细产品则会增值更多，利润也将更高。国际经验表明，经过精深加工的杂粮产品与原粮比较，其增值幅度达到数倍至数十倍，增值潜力巨大。随着消费发展和加工业科技进步，功能食品成为全球食品工业发展重要方向，而功能食品中又以保健功能最受关注，涉及的产品种类也最多。大部分杂粮本身就具有保健功能，如果再同一些营养素、活性物质、新资源食品等相结合，可生产研制更多种营养保健品。

国内目前杂粮开发总体处于初始阶段，对先进食品加工技术的研发和运用有待加强。提高杂粮食品感官水平、开发多种形态产品是当前有待解决的重要任务。综上，需深入加强杂粮的基础与应用开发研究，加强新型杂粮健康食品开发及其综合利用研究，以及复配式杂粮制品的加工研究，从而开发出适应市场需求和消费者喜爱的杂粮食品。