加工方式對全谷物抗氧化活性影響研究進展

戴濤濤,耿　勤,曾子聰,王謝祎,李　俶

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

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加工方式對全谷物抗氧化活性影響研究進展

戴濤濤,耿勤,曾子聰,王謝祎,李俶*

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

全谷物中富含多酚、花青素、植酸、γ-谷維素、烷基間苯二酚等多種生理活性物質,其抗氧化能力備受關注。全谷物品種多樣,加工方式不盡相同,不同的加工方式對全谷物抗氧化活性的影響也不同。本文就近年來國內外有關不同加工方式對全谷物中抗氧化活性影響的研究進行綜述,為全谷物加工的深入研究及合理消費提供參考。

全谷物,加工方式,抗氧化活性

全谷物是完整、碾碎、破碎或壓片的谷物,其基本組成包括淀粉質胚乳、胚芽與皮層,各組成部分的相對比例與完整穎果一致[1]。全谷物中含有大量的抗氧化活性物質,如酚類物質、類胡蘿卜素、γ-谷維素、植物甾醇以及植酸鹽等[2]。流行病學研究表明,增加全谷物的攝入可以有效的預防肥胖、心血管疾病、II型糖尿病以及癌癥等慢性疾病[3]。

然而,全谷物中的抗氧化活性物質對光、熱、pH等因素較為敏感,在一般的加工過程中容易發生分解、氧化、聚合等反應,導致這些組分的流失[4]。研究表明,對全谷物進行適當的加工不僅可以提高其食用品質,同時可以使其營養素得到較好的保留甚至提高,提高其活性物質的含量以及總抗氧化活性[5-6]。因而選擇合適的方式對全谷物進行適當的加工,對提高全谷物的功能特性及促進全谷物的合理消費意義重大。本文就常用加工方法對全谷物抗氧化活性的影響進行綜述,主要包括傳統熱加工、擠壓加工以及輻照、發酵等方法。

1　全谷物中的抗氧化活性物質

全谷物中不僅含有豐富的膳食纖維、B族維生素,同時還含有許多直接或間接的抗氧化成分,主要包括多酚、類胡蘿卜素、生育酚、木酚素、植物甾醇、植酸等[1]。此外全谷物中還含有一些果蔬中不具備的特有的抗氧化成分,如γ-谷維素、烷基間苯二酚以及燕麥蒽酰胺等[7]。全谷物中多酚類物質主要包括酚酸類和黃酮類。不同谷物中抗氧化活性物質種類及含量各不相同(表1),且均具有一定的自由基清除能力,可以通過螯合具有催化作用的金屬離子、調節體內氧化酶類和抗氧化酶類的活性、促進內源性抗氧化物質的形成等方式使機體免受氧化損傷[8]。全谷物中的抗氧化活性物質主要以游離態、可溶的共軛態以及結合態形式存在,不同的加工方式可以改變其存在形式,進而影響其含量與生物活性。

表1　全谷物中主要抗氧化性活性物質成分[9-10]

表2　熱加工對全谷物抗氧化活性的影響

注:“↑”指含量或抗氧化活性升高;“↓”指含量或抗氧化活性降低;“～”指含量或抗氧化活性沒有顯著性變化;“-”指未檢測,表3同。

2　熱加工方式對全谷物抗氧化活性的影響

2.1傳統熱加工

常見的谷物傳統熱加工方式有焙烤、蒸煮、微波以及高壓蒸汽處理等(表2)。熱加工對全谷物中抗氧化活性物質的影響與谷物種類、加工條件密切相關。Zhang等[11]將蕎麥粉分別進行焙烤、高壓蒸汽加熱、微波加熱三種不同的熱加工,發現其總酚含量無明顯變化,總黃酮含量及自由基清除能力明顯下降,其中焙烤加工方式黃酮損失最多。熱加工使得多酚等活性物質含量降低主要是因為在加熱過程中多酚可發生降解、氧化、聚合,同時與食品中的其它組分相互作用形成復合物[12],加熱過程中總酚含量不變主要是因為谷物中的還原糖、氨基酸等多種組分會發生美拉德反應、焦糖化,其反應產物可能與福林酚反應,使得福林酚法測總酚含量時總酚含量偏高,抵消了因降解、氧化、聚合等的影響[13]。

選擇適當的熱加工條件,可提高全谷物中抗氧化活性物質含量及其利用率。Reena等[14]對五種不同的全谷物進行高壓滅菌處理,其總酚含量及自由基清除率均有所增強。Dewanto等[5]將甜玉米熱處理后,其總酚含量提高54%,總氧自由基(TOSC)清除能力先升高后降低,發現熱處理會破壞植物細胞結構,釋放出結合態酚類物質,增加可溶性阿魏酸糖酯含量,同時可降解共軛型多酚。Cheng等[15]發現熱加工(100℃)可將小麥粉中的共軛型多酚類化合物如單寧類降解,從而提高簡單酚類物質如阿魏酸、香草酸、對香豆酸的含量,加熱處理可以改變抗氧化劑的化學組成和整體的抗氧化活性。還有研究表明,谷物中的抗氧化活性物質如酚酸和黃酮之間可能會發生協同作用,進而提高多酚物質的抗氧化能力[5,16]。

表3　擠壓對全谷物抗氧化活性的影響

2.2擠壓加工

擠壓加工是通過水分、機械剪切、熱能與壓力等綜合作用力形成的高溫、高壓的短時的新型加工方式,與傳統的加工方式相比,擠壓加工具有連續、高效的優點,廣泛應用于谷物早餐食品的加工。不同的擠壓條件(擠壓溫度、螺桿轉速以及物料的水分含量)對全谷物中抗氧化活性物質的影響不同(表3)。研究表明食品擠壓后可提高消化性,同時營養素的利用率也大幅增強[20]。

由表3可以看出,經擠壓加工后,大部分谷物總酚、維生素等抗氧化活性物質含量顯著減少。Aylin等[20]對大麥及大麥果渣混合物進行擠壓處理時,發現其總抗氧化活性及總酚含量均明顯降低。主要是因為擠壓過程中溫度高,全谷物中大多數的活性物質對溫度較為敏感,易發生脫羧反應以及不同程度的降解[26-27]。對于高水分含量的物料容易使活性物質發生聚合從而降低全谷物中的抗氧化活性物質含量,進而影響抗氧化活性[28]。然而,在適當的條件下,全谷物經過擠壓后其阿魏酸的含量提高了3倍[24],Sensoy等[29]將黑蕎麥粉在170℃條件下進行擠壓,其抗氧化活性物質的含量及抗氧化活性均沒有發生明顯變化。Paras等[21]發現擠壓后大麥的總抗氧化活性明顯升高,在擠壓溫度為150℃、水分含量為20%時,抗氧化活性上升幅度最強,這是因為擠壓過程中的高剪切力使全谷物的細胞結構遭到破壞,許多結合態的酚類物質被釋放出來,同時由于膨化作用,擠壓產品的結構更為松散,酚類物質更容易被溶劑提取出來,導致總酚含量提高,且擠壓過程中會發生美拉德反應,而溫度及物料水分含量的改變影響了美拉德反應產物的含量,同時擠壓過程中持續強烈的熱處理會導致多酚類等物質發生降解。

3　非熱加工方式對全谷物抗氧化活性的影響

熱加工技術在全谷物加工中使用廣泛,然而,在過去的十年中,非熱能加工技術如碾磨、輻照、發酵、發芽等在食品加工技術中也已逐漸發展,這些非熱加工方式也可用來提高食品的營養品質。

3.1存儲

采收、干燥、儲存和谷物碾磨前的整體處理可影響全谷物產品中大量存在的活性物質。一些研究表明存儲會影響谷物的總酚含量,Sosulski等[30]發現將小麥貯存6個月其總酚含量下降約66%,其抗氧化能力下降,但處理前后小麥中各種酚酸類型(游離、共軛和結合)沒有發生變化。這主要是半纖維素阿魏酸酯的氧化,導致結合型酚酸的減少,但結合酚酸的降解另一方面增加了游離酚的含量,其抗氧化活性變化與總酚含量呈正相關[31]。同時Zhou等[31]發現糙米和精白米存儲在37℃時結合型酚酸減少程度大于4℃時,這一趨勢與Elena等[32]研究全麥面粉中類胡蘿卜素在儲存期間的含量變化一致,抗氧化活性物質含量的變化具有溫度依賴性。在全谷物貯存的過程中,各種復雜的因素會發生相互作用,如水分含量、呼吸作用、微生物的侵染、昆蟲、發芽、內源性酶和儲存條件等,其中某些因素可能有利于谷物中酚酸和抗氧化成分的提高[33]。

3.2碾磨

一般情況下,碾磨是將原材料轉化成更細的便于二次加工的初級產品。谷物的抗氧化活性物質主要分布在皮層,然而谷物碾磨是一個將糠麩和胚芽與淀粉質胚乳分離的過程,因此果皮,種皮,糊粉層都從谷物中去除,這樣的方法對谷物中生理活性物質如礦物質、維生素、纖維和植物化學物質產生重大影響。因此,谷物顆粒的抗氧化劑的濃度在精制過程中大幅度減少。Li等[34]研究了三種不同碾磨度對不同品種全谷物粉的影響,結果表明經碾磨后的谷物,全谷物中總酚含量、總黃酮含量以及鐵離子還原(FRAP)能力、ABTS+·清除能力均顯著下降。因此,增加全谷物的攝入更有利于人體的健康,但碾磨后的谷物會帶來更好的口感,碾磨得到的副產品糠麩部分可作為抗氧化劑的天然來源和功能性食品成分的一個高營養餾分[33]。

3.3輻照

食品輻照加工是利用射線對食品進行一定劑量的輻照,通過直接或間接的作用達到殺蟲滅菌、鈍化酶活以及去除抗營養因子的效果,從而延長食品的貨架期[35]。研究表明,當輻照劑量≤10 kGy時對食品營養影響不大,≤1 kGy即可對谷物產品起到殺蟲作用,≥2 kGy則能起到殺菌作用,同時可以縮短蒸煮時間[36]。近年來,輻照處理對不同食品的理化特性以及營養特性的研究較多,這些研究發現輻照處理不僅能夠有效對谷物及其它食品進行保鮮,同時能夠改變食品中淀粉的理化特性[37]、營養特性以及抗氧化特性[38-39]。

輻照加工對全谷物中抗氧化活性物質的影響主要取決于輻照的劑量以及全谷物的種類。Shao等[40]對3種不同顏色的全谷物稻米進行輻照處理,發現總酚含量及總抗氧化活性均明顯增加,且在高劑量(8、10 kGy)輻照條件下增加效果顯著,抗氧化活性物質的增加可能是輻照過程中產生的游離自由基充當應力信號,改變了細胞膜的滲透性和電勢,可能啟動谷物中不同的代謝反應,觸發多酚類物質合成的應激反應,從而合成多酚類物質[41-42]。Zhu等[43]對不同品種全谷物稻米進行輻照處理,發現除黑米外,谷物中總酚酸含量在輻照條件下顯著降低,且含量與輻照劑量沒有嚴格的效應關系,黑米在6、8 kGy輻照條件下花青素和酚酸的總量均顯著提高,黑米中多酚含量升高是因為輻照處理能夠激活合成多酚類物質的酶,促進多酚含量增加。因此,應對不同的全谷物選擇合適的輻照劑量,有利于谷物中的抗氧化成分含量的提高。

3.4發酵

發酵是一種傳統的利用微生物對食品進行加工的方法,主要用于一些酒精性飲料的制作生產,在發達國家中已經應用于多種全谷物食品的加工[44-45]。研究表明谷物在發酵過程中酶的作用可以釋放結合態的生理活性物質,同時合成新的活性物質[46]、降解抗營養因子[47]等。Dordevic等[48]對4種不同的谷物進行乳酸菌發酵后,總酚含量有明顯的提高,Hole等[49]用不同的乳酸菌株在37℃溫度下對全麥粉發酵18 h后,發現游離及結合態酚酸含量顯著提高,且可溶性膳食纖維與不可溶性膳食纖維比例提高。不可溶性膳食纖維-阿魏酸復合物轉變為可溶性膳食纖維-阿魏酸復合物,使得阿魏酸酯酶更容易酶解出阿魏酸,提高阿魏酸生物利用率。

4　結論與展望

不同的加工方式及其加工條件對全谷物中的抗氧化活性物質及其抗氧化活性具有重大影響,相同的加工方式及加工條件對不同類全谷物的抗氧化性物質與抗氧化活性也是不同的,故無法采用特定的加工方式對某類全谷物的抗氧化性物質含量及活性有促進作用。大量的研究表明,全谷物的抗氧化活性物質主要分布在皮層,其抗氧化活性物質組成與品種、種類有關,且都是復雜的并非單一的,如有色谷物中含有更多的花色苷和原花青素等植物色素,而這些抗氧化活性物質在加工過程會發某些相互作用(如:協同作用)以及某些化學反應(如:美拉德反應、焦糖化反應),全谷物的抗氧化性與此密切相關。

因此,不同的全谷物選擇合適的加工方式,將有利于提高全谷物中抗氧化活性物質的含量,增強其抗氧化活性,進而提高全谷物制品的營養價值。近年來,隨著人們對全谷物中的抗氧化活性物質了解的不斷深入以及人們對營養保健食品的需求,同時在全谷物食品日益興起的背景下,系統、深入的研究不同加工方式對全谷物中抗氧化活性物質及其抗氧化活性的作用規律,闡明加工方式對全谷物生理功能的影響、合理消費、促進人體健康具有重要積極意義。

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Review on the effect of processing techniques on antioxidant activity of whole grains

DAI Tao-tao,GENG Qin,ZENG Zi-cong,WANG Xie-yi,LI Ti*

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Whole grains are relatively high in antioxidant activity due to its abundant antioxidant compounds,such as polyphenols,anthocyanins,phytic acid,γ-oryzanol and alkylresorcinols.However,there are many kinds of whole grains processed by various processing methods,these processing techniques exhibited different influences on antioxidant activity of whole grains.In this paper,the recent domestic and international researches about the effect of processing methods on antioxidant compounds and antioxidant activity of whole grains was reviewed to provide references for further researches on the processing of whole grains and promote the reasonable consumption.

whole grains;processing methods;antioxidant activity

2015-09-02

戴濤濤(1991-)，男，碩士，研究方向:食品(含生物質)資源的開發利用，E-mail：ncubamboo@163.com。

李俶(1971-)，女，博士，教授，主要從事天然產物的提取與應用，E-mail：liti@ncu.edu.cn。

國家自然科學基金(31460394)。

TS272.7

A

1002-0306(2016)07-0368-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.063