谷物制品的生物加工研究進展

李娟娟,劉藝歡,陳東方,2,*,黃師榮,陶能國

(1.湘潭大學化工學院,湖南湘潭 411005; 2.湘潭大學化工學院化學工程與技術博士后流動站,湖南湘潭 411005)

谷物種類繁多且富含多種營養成分,如碳水化合物、脂肪、蛋白質、膳食纖維、礦物質、維生素等,是人類獲取能量及營養素的主要來源;同時含有多種生理活性成分如多糖、多酚、γ-氨基丁酸等,具有降血糖、抗氧化、預防生物大分子損傷、降血壓等功能[1-2]。利用微生物發酵、酶制劑水解及發芽處理等形式對谷物進行加工,其本質是利用酶(微生物酶,商業外源酶以及植物內源酶)的作用,實現改變谷物及制品的結構和組成[3],改善其加工性能[4]、增強其功能活性[5]的目的。不同的生物加工方法、工藝條件對谷物制品營養成分、風味、穩定性、功能活性及加工特性的影響不同。全面深入解析不同生物加工技術對于谷物制品營養及功能特性的影響,可以在理論上豐富谷物工藝學的研究內容,尤其是在營養成分變化、食用品質改善、功能活性提高以及加工性能改良等方面。此外,在實際應用中能更好地選擇和優化食品加工條件,滿足消費者對于營養健康食品的需求,同時對于擴大谷物深加工領域的發展空間,拓展谷物制品種類,研發新型功能性食品,指導谷物制品的深加工研究和高質化利用具有重要意義。

1 谷物的發酵

天然谷物通過發酵能增加賴氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量,提高B族維生素的利用率[6]。谷物中的植酸通常與鐵、鋅、鈣等結合,發酵過程中微生物分泌植酸酶將植酸水解為肌醇和磷酸鹽,使得與植酸相結合的金屬離子釋放出來,從而增加可溶性鐵、鋅、鈣離子的含量。同時,發酵能夠延長發酵型谷物飲料的貨架期,改善其口感和風味,在發酵過程中形成的多種揮發性成分如乙酸、丁酸等會賦予產品獨特的風味[7-8]。此外,發酵能夠使淀粉顆粒的大小更加均勻,淀粉糊粘度、衰減值和回生值等均明顯下降、老化速度變快及老化后的再糊化變慢,還可以增加淀粉凝膠組織的細膩程度和凝膠強度[9]。相較于傳統發酵乳制品,以谷物為基質的發酵食品更具有高膳食纖維、低脂肪和低膽固醇等優點[6]。谷物中含有低聚糖,可作為益生元選擇性地刺激人體腸道中乳酸桿菌與雙歧桿菌的生長;淀粉等谷物組分還可作為益生菌微膠囊化的材料以提高其在貯藏過程中以及在人體消化道中的存活率[10]。因而發酵谷物制品將成為發酵食品工業發展的重要方向。

1.1 發酵對谷物制品感官品質的影響

谷物原料經發酵處理后其口感、風味、組織狀態均會發生一系列變化。Lopone等[11]采用精選乳酸菌菌種,制備的非乳燕麥麩發酵產品具有典型的果凍狀結構和滑潤的口感。Wang等[12]釆用速溶干酵母、乳酸菌和酒活性干酵母對含糖的裸燕麥進行發酵,釀造出富含燕麥味并且分布結構穩定的谷物發酵飲料。田瑩瑩[13]采用酵母菌和乳酸菌對面包干(或谷物)和漿果進行發酵研制出的發酵飲料既有類似啤酒的醇香、淡爽口感,又兼具碳酸飲料的殺口特性。葛云飛等[14]發現在高粱中加入3%的糖,于30 ℃下自然發酵5 d后淀粉的回生值最低,其抗老化性能提高。Espirito-Santo等[15]發現使用商業益生菌菌株復合發酵米粉、豆乳混合稀粥,可獲得酸度和黏度接近酸奶的非乳發酵谷物制品。葛磊[16]探究不同發酵工藝和發酵菌種對燕麥發酵飲料品質的影響,發現經酶解和兩次發酵處理后得到的全燕麥發酵飲料具有特殊口感和風味。劉匯芳[17]采用燕麥、糯米為原料,鄂爾多斯牧區醪糟液為發酵劑,經固體發酵法釀制所得燕麥、糯米復配醪糟風味醇厚。由此可見,采用不同的谷物原料、發酵劑進行復配加工可獲得狀態不一、口感多樣、風味獨特的谷物發酵制品,發酵加工對于豐富谷物制品類型,研發新型谷物制品有重要意義。

1.2 發酵對谷物制品營養價值的影響

發酵通過增加營養素的含量、提高營養物質的生物利用度或降低抗營養因子的含量來影響食品的營養價值。Liang等[18]采用桑黃菌固態發酵薏米14 d,發現發酵后顯著了提高薏米膳食纖維、脂肪、灰分、蛋白、氨基酸和 5′-核苷酸的含量。乳酸菌可以分解谷物中大分子蛋白質,顯著提高發酵產物中蛋白質的消化利用率[19]。Bationo等[20]研究發現復配乳酸菌L.plantarum6.2與L.fermentumMW2或者乳酸菌L.fermentum8.2與L.plantarumA6發酵谷物粥所獲得的葉酸含量是傳統發酵的1.74倍。谷物中含有的植酸會影響礦物質的生物利用率,而研究顯示乳酸菌發酵能破壞糊粉層釋放植酸酶,且降低pH提高植酸酶活性從而提高礦物質的生物利用率[21]。Dwivedi等[22]研究真菌Penicilliumcamemberti發酵對糜子中抗營養因子含量的影響時發現,經真菌發酵后糜子中的植酸含量降低35%,生物堿降低了23%,胰蛋白酶抑制劑含量降低72%。

1.3 發酵對谷物制品功能活性的影響

谷物中不僅含有蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質等營養素,還含有酚類、類黃酮、甾醇、β-葡聚糖等功能活性組分。研究發現,發酵加工可以提高谷物制品生物活性物質的種類及含量,并對其功能活性的增強也有顯著效果。Amadou等[23]利用副干酪乳酸桿菌Fn032對小米粉進行固態發酵,結果發現小米粉中天然抗氧化劑和抗菌肽的含量顯著增加。采用擔子菌Agaricusblazei對7種不同谷物進行固體發酵,研究表明所有發酵谷物提取物的體外抗氧化活性顯著高于對照[24]。Bhanja等[25]利用米曲霉 RCK2012對小麥進行了固體發酵,結果表明發酵提高了小麥提取物的總酚類和類黃酮含量以及抗氧化活性。Saharan等[26]利用真菌Aspergillusoryzae處理小麥、水稻、燕麥、玉米、高粱,結果表明發酵第5 d所有發酵谷物中酚類、類黃酮的含量顯著增加,DPPH和ABTS自由基清除能力顯著提高。Ferri等[27]采用代謝組學的方法分析發現乳酸菌和酵母能提高谷物發酵制品中的抗氧化代謝產物,如多酚、黃酮等。Luana等[28]發現燕麥經乳酸菌發酵后其可溶性β-葡聚糖的含量比發酵前增加了近40%。植物乳桿菌能夠分解小麥胚芽中大分子蛋白質,產生的小分子量蛋白質具有顯著的抗腫瘤效果[29]。γ-氨基丁酸是一種具有改善心血管功能的活性多肽,研究發現乳酸菌發酵谷物能促進γ-氨基丁酸的積累[30-31]。

2 谷物的酶解

谷物原料中所含有的大分子物質(如淀粉、蛋白質和纖維素等)會導致谷物飲料汁渾濁、沉淀和褐變等不良現象,然而傳統的提取、澄清等工藝在根本上不能解決上述問題,并且極易使營養成分喪失[32]。而酶解處理能夠針對性地降解這些大分子物質,提高產品的穩定性和原料利用率,延長產品貨架期,降低能耗[33]。并且酶解后生成的小分子物質不但可以改善谷物制品的口感,增加產品的風味[34],而且可以提高其生物活性成分含量。此外,還可以采用酶制劑對谷物淀粉進行改性[35]。目前較常用的酶為:α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等。

2.1 酶解提高谷物制品穩定性,改善口感,增加風味

谷物飲料是飲料行業發展的新趨勢,而酶解谷物飲料是未來谷物飲料的新趨勢之一。目前機械提汁和酶解提汁是生產谷物飲料的主要方法,其中酶解提汁可以提高谷物的出汁率,降低能耗,提高產品的穩定性和原料利用率等[36]。

谷物原料在經過高溫a-淀粉酶的作用后,得到酶解液中生成了可溶性糊精、低聚糖、麥芽糖和少量葡萄糖等[18]。阿邁德[37]用蛋白酶處理發酵小米粉后,發現能有效提高蛋白比重和蛋白質消化率。凌孟碩[38]從苦蕎麥的芽菜中提取α-淀粉酶和β-淀粉酶水解小米粉研制出的苦蕎麥芽小米復合谷物飲料口感厚實,甜度適宜,有苦蕎清香和小米香。蔣龍偉[39]研究發現采用纖維素酶和木聚糖酶的復合溶液浸泡發芽前糙米,可縮短浸泡吸水時間利于糙米萌發,改善發芽糙米的蒸煮食用品質,同時降解糙米皮層的纖維素,提高發芽糙米的人體的消化吸收率。吳純麗[40]利用淀粉酶、糖化酶、蛋白酶以及肽酶四種酶制劑協同作用制成一種無需添加白砂糖的谷物飲料。現有研究發現通過谷物復配、液化酶解、糖化酶解以及微波干燥等技術可以研制出與奶粉極為相似的谷物乳粉(專用預制粉)[41]。李同剛等[42]采用淀粉酶和纖維素酶液化酶解制備谷物雜糧飲品專用預制粉,并對液化酶解工藝條件進行了優化。

2.2 酶解提高谷物制品的生物活性

酶解不僅能改善谷物制品的穩定性、口感和風味,在增加谷物制品中活性物質含量及提高生理活性方面也有明顯優勢。比如,呂樂等[43]采用堿性蛋白酶Alcalase 2.4 L酶解大米蛋白制備具有特殊功能的生物活性肽。付曉燕等[44]采用中溫α-淀粉酶和有機溶劑提取燕麥多酚物質,結果表明和有機溶劑提取法相比較,經過中溫α-淀粉酶輔助提取的多酚提取率提高58.38%。Chen等[45]研究發現采用α-淀粉酶酶解可獲得具有較高抗氧化能力的燕麥產品。利用纖維素酶處理全燕麥粉能顯著提高其可提取性多酚物質的含量及抗氧化活性[46]。

2.3 酶解改善谷物淀粉性質

淀粉在谷物中占比高,對谷物加工的影響大,采用酶制劑對谷物中淀粉進行定向改性可顯著改良谷物淀粉的加工性能。Dura等[4]采用淀粉酶對玉米淀粉進行改性,發現其抗老化特性顯著提高,糊化溫度、透明度、熱黏度、熱穩定性、凍融穩定性等均顯著優于化學改性淀粉。馬嫄等[47]研究發現葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶組合后能顯著提高多孔淀粉的含量。葛林麗等[48]采用中溫α-淀粉酶酶解蕎麥淀粉,使蕎麥淀粉轉化為DE值為10以下的麥芽糊精,再通過干燥制得蕎麥淀粉基脂肪替代品。

3 谷物的發芽

種子萌發是高等植物生命活動最強烈的一個時期,植物種子吸水萌發后會發生一系列的生理代謝變化,主要表現在軟化中的組織結構,提高谷物的消化率和生物利用率[49],改善其營養價值。此外,一些功能性成分如多酚類物質、γ-氨基丁酸的含量會增加[50]。因此,以發芽谷物為基質生產加工兼具商品性、功能性的新型谷物產品具有很強的市場潛質。

3.1 發芽對谷物制品營養價值的影響

種子萌芽過程中會合成各種酶,在酶的作用下會發生一系列復雜的形態和生理生化變化。發芽過程不僅能軟化種子的組織結構,還能分解種子中的淀粉、蛋白質和脂肪等大分子物質,從而顯著增加可溶性糖、還原糖、多肽、游離氨基酸的含量,并且使維生素和礦物質的含量增加,植酸、蛋白酶抑制劑等抗營養因子的含量降低,進而提高了谷物的消化率和生物利用率[51]。龍杰等[52]研究了發芽對小麥營養價值的影響,結果表明葉酸、可溶性膳食纖維、總蛋白及游離脂質含量隨著發芽時間的延長而顯著增加。與未發芽小麥相比,發芽小麥中功能性必需氨基酸包括苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸及γ-氨基丁酸含量增加了2.8～10倍。閔維等[53]研究發現浸麥和發芽處理能提高裸燕麥的蛋白質體外消化率,且優化后的浸麥工藝可使發芽燕麥的蛋白質體外消化率提高58.02%。糙米中幾乎不含VC,而經發芽處理后糙米中的VC含量可由0增加到1.048 mg/100 g[54]。鮑會梅[55]研究發現發芽過程中糙米中α-淀粉酶活力升高,淀粉含量降低,同時還原糖的含量增加。

3.2 發芽對谷物制品感官品質的影響

近年來關于發芽谷物的研究已有不少且工藝基本成熟,所得產品營養豐富、風味獨特,深受消費者喜愛。胡潔[56]以山西靜樂藜麥為原料,研究藜麥萌發過程中營養物質變化規律并確定藜麥最佳萌發時間,并在此基礎上通過感觀評價研究篩選出輔料配方最適添加量,研制出一種營養價值豐富、口感俱佳的藜麥芽飲料。丁志剛等[57]以發芽糙米為原料,制備出營養豐富、風味濃郁、口感細膩的糙米飲料。尹永祺等[58]采用發芽糯玉米低氧脅迫下制備出口感濃厚、體系穩定,且具有高γ-氨基丁酸含量的玉米飲料。吳香香等[59]利用發芽糙米粉結合低筋小麥粉、蛹蟲草粉、低聚果糖和乳清蛋白研制出一種營養價值高、風味獨特的高濃縮型食用菌谷物餅干。發芽過程還能改善谷物的風味。例如發芽過程中增加的還原糖使其甜味增加,而且增加的還原糖、游離脂肪酸和游離氨基酸也是風味物質的前體物質。

3.3 發芽對谷物制品功能活性的影響

發芽處理在提高谷物制品功能活性方面也有顯著效果。大量研究表明,發芽處理可以提高谷物中γ-氨基丁酸、酚類物質含量及其抗氧化活性。Ren等[60]研究發現普通蕎麥(FagopyrumesculentumMoench)和苦蕎(FagopyrumtararicumGaertn)經發芽處理后其總多酚、總黃酮及蘆丁含量均較發芽前顯著增加,其中總黃酮和蘆丁含量分別于發芽的第7和第9 d達到最大值。高粱經發芽處理后其γ-氨基丁酸、總多酚及羥基肉桂酸衍生物的含量均顯著提高,并且發芽溫度、時間及兩者的交互作用均對上述物質的積累產生影響[61]。徐祎博[62]研究發現發芽糙米比未發芽糙米清除羥基自由基和超氧陰離子效果好且糙米經變溫處理發芽后抗氧化性更高效更持久。李存芝等[63]發現發芽薏米的抗氧化活性顯著高于原薏米。徐建國等[64]研究發現發芽處理可有效富集燕麥肽的含量,提高燕麥抗氧化能力和ACE(血管緊張素轉化酶)抑制活性。Klose等[65]的研究發現發芽6 d后β-葡聚糖的含量幾乎檢測不到。針對此情況,Wilhelmson等[66]采用一種短期制麥的方法可有效保留發芽燕麥中70%的β-葡聚糖,且β-葡聚糖的平均分子量變化很小。目前報道發芽引起谷物制品中功能活性成分變化的研究較多,而探究含量變化本質的研究甚少。

4 生物加工技術結合研究

發酵、酶解和發芽三種生物加工方法在提高谷物制品的營養價值,改善感官品質,增加功能活性上均發揮良好作用,但也存在一些弊端。如發芽過程中游離脂肪酸含量的增加也會提高食品脂肪酸敗的風險;發酵是一個復雜的微生物代謝過程,會生成多種代謝產物,而且發酵過程中的條件要求嚴格,控制不當易產生不利的代謝物;酶解加工與前者相比雖然作用底物更明確,產物更為可控,但是酶制劑的價格相對較高,在一定程度上增加企業的生產成本[67]。綜合考慮這三種生物加工方法的利弊,研究者們提出了取長補短、去粗取精的生物加工結合方法。曾波[68]以酶解后的發芽糙米為原料,經過高產乳酸菌發酵制備了具有保健功效的谷物發酵飲料,該飲品色澤均一、口感均勻細膩、酸甜適口,并具有獨特的發芽糙米風味。賈富國等[69]采用纖維素酶和木聚糖酶的復合溶液替代蒸餾水浸泡發芽前糙米,使得發芽糙米得率及γ-氨基丁酸含量均有所提高。張冬媛等[70]利用高溫α-淀粉酶和雙螺桿擠壓膨化處理發芽糙米,通過優化工藝得到沖調性良好且易消化吸收的糙米粉。采用多種生物加工技術相結合的方法可以生產得到品種豐富、高活性、易消化吸收的谷物制品。但是關于生物加工技術對谷物制品品質形成的內在機制的研究有待加強。

5 結語

谷物食品富含營養成分,對人類健康有很大益處。谷物加工過程中使用發酵、酶解和發芽等生物加工技術,能保留和改善谷物原本的營養價值、改良谷物制品口感風味,尤其在增加其功能性成分含量等方面具有一定優勢。但是目前針對生物加工引起谷物制品中活性成分含量變化的研究多停留于表面現象的描述,而對于此現象背后的機制研究不多,且這些功能性成分進入人體消化系統后其生物利用度如何,生物加工過程中谷物中其他成分對于功能性成分的釋放、消化和吸收有何影響,以及生物加工條件、操作方式等對谷物中功能性成分的生物利用度影響如何還缺乏深入系統的研究。此外,要生產符合現代消費者需求的谷物制品,所用的生物加工技術還有待進一步的改善與加強。

因而,未來可以開展如下相關工作:a.系統研究發酵、酶解和發芽等生物加工方式引起谷物中功能性成分含量變化的內在機制;b.以谷物制品中主要營養成分、功能性成分的生物利用度作為評價指標來選擇適宜的生物加工方式、加工過程,以保證經加工后谷物制品中的營養物質、活性物質能最大限度地被人體利用;c.探討加工過程對功能性成分生物利用度產生影響的主導因素,并研究其內在作用機制,以期為選擇或設計最佳工藝條件提供理論指導;e.加強不同加工技術(不同生物加工技術或生物加工與其他加工技術)之間的結合,探討生物加工技術在新型谷物制品開發中的作用以及對產品品質的影響,深入研究生物加工過程中谷物制品品質形成的科學機理,為研究開發高品質、高營養、生物利用度高的谷物制品提供理論參考。