發芽結合其他加工方式對全谷物的營養品質及感官特性的影響

李 忍 吳娜娜 李志江 譚 斌 李冬梅

(黑龍江八一農墾大學食品學院1，大慶 163319) (國家糧食和物資儲備局科學研究院2，北京 100037) (黑龍江省五常金禾米業有限責任公司3，哈爾濱 150200) (北大荒現代農業產業技術省級培育協同創新中心4，大慶 163319)

2008年，美國國際谷物化學家協會(AACCI)指出，如果發芽后的谷物含有麩皮、胚芽和胚乳，營養價值不降低，發芽的長度不超過籽粒的長度，那么它們應被稱為發芽全谷物[1]。近年來，發芽作為一種新型的加工方式被廣泛應用于全谷物加工中。全谷物在發芽過程中，淀粉、脂質和蛋白質等營養物質會被降解并產生一些新的營養物質，因此發芽賦予了全谷物獨特的營養品質和感官特性[2]。

近年來，麥芽餅干、發芽全谷物面包等發芽全谷物食品在市場上受到了廣大消費者的歡迎。隨著我國食品工業的發展，為更好利用全谷物和促進人體健康，全谷物的加工方式也在不斷創新，利用發芽與其他加工方式相結合的方法，探討全谷物的營養品質及感官特性受到了國內外社會各界的廣泛關注。與發芽結合的加工方式主要包括蒸煮、焙烤、擠壓、發酵、酶輔助處理等，這些加工方式會使發芽全谷物的營養成分富集或損失，從而影響其食用功能。例如，蒸煮、發酵和酶輔助處理可以提高酚類和γ-氨基丁酸(GABA)含量、焙烤可以豐富風味、擠壓處理可以提高還原糖含量，但由于蒸煮、焙烤和擠壓在加工時會產生較高的溫度，對γ-谷維素和氨基酸等營養物質具有消極的影響。本文主要綜述了蒸煮、焙烤、擠壓、發酵、酶輔助處理等加工方式對發芽全谷物品質特性的影響，為全谷物食品開發和應用提供參考。

1 加工方式對發芽全谷物品質特性的影響

1.1 蒸煮處理

如表1所示，蒸煮處理可以改變發芽全谷物中的營養物質含量和提高其抗氧化性。蒸煮可以使全谷物的細胞壁結構破裂和纖維多糖部分水解，釋放結合酚類化合物，提高全谷物酚類含量和抗氧化活性[3]。例如，燕麥在蒸煮后，其香豆酸和阿魏酸含量會增加，這是由于羥基肉桂酸和纖維組分之間的鍵斷裂造成的[4]。但也有文獻表明，蒸煮可以降低酚類含量和抗氧化性的原因可能是：(1)蒸煮導致酚類與基質中的大分子結合，降低了其溶解度[5]；(2)蒸煮會降解酚類分子，促進了游離酚酸的脫羧和聚合[6]。同時，煮沸可使發芽糙米淀粉與蛋白質之間產生強烈的相互作用，導致其表觀直鏈淀粉含量下降，高溫破壞了細胞結構，促進了GABA的釋放，從而提高GABA含量[7]。蒸制處理能夠較為充分地糊化發芽糙米中的淀粉，對γ-谷維素等營養成分起到了保護作用；煮制處理容易導致γ-谷維素等營養成分的溶出；煎制處理時的高溫加速了γ-谷維素等營養物質的降解[8][9]。因此，蒸煮處理對發芽全谷物的營養品質影響差異較大，針對不同的發芽全谷物來適當的調整蒸煮工藝條件，對提高其營養品質具有重要作用。

表1 蒸煮方式對發芽全谷物中營養成分及理化性質的影響

此外，蒸煮處理對改善發芽全谷物的感官特性也有著積極作用。Lee等[10]研究發現，發芽大麥經蒸煮15 min后，其硬度明顯降低，適口性顯著提高。原因可能是大麥在發芽過程中，淀粉表面產生裂紋，水分在蒸煮過程中容易被吸收，促進了淀粉的糊化，改善了其感官特性。Ren等[11]研究發現，發芽糙米經加壓蒸煮(115 ℃，20 min)后，其硬度明顯降低，味覺價值顯著提高，且對其風味也有一定的改善作用。研究表明，發芽糙米(發芽2 d)經蒸煮處理處理后，其硬度降低約428 g，彈性和黏性分別增加約0.04%和18 g·s，且在發芽糙米(發芽2～5 d)飯中檢測到了具有甜玉米風味的物質二甲基硫醚，但隨著發芽時間的增長，蒸煮對其增香效果并不明顯，原因可能是隨著發芽時間的延長使得發芽糙米中醛、酸、酚類等物質和一些含硫化合物含量不斷的增加，影響了蒸煮風味[12]。因此，蒸煮處理可以較大的改善發芽全谷物的感官特性，對生產不同風味的發芽全谷物食品具有重要意義。

1.2 焙烤處理

由于焙烤處理時會產生高溫和發生美拉德反應，因此焙烤處理對發芽全谷物的營養物質水平具有不同的作用。發芽糙米經焙烤后(150 ℃，15 min)，谷維素含量和植酸降解率分別提高了21.54%和43.53%，但GABA和一些氨基酸含量略有損失，且隨著焙烤溫度(125～175 ℃)的升高和焙烤時間(15～30 min)的延長，其抗氧化性顯著下降，原因可能是焙烤過程中GABA和一些氨基酸參與了美拉德反應而發生了部分降解[14]。Cornejo等[15]研究得出，與未發芽的糙米面包相比，用發芽48 h的糙米粉焙烤(175 ℃，35 min)制出的面包，其蛋白質、脂類、游離葡萄糖含量分別增加了約1.78、0.76、0.68 g/100 g，植酸含量降低了約0.28 g/100 g，且血糖指數(GI)顯著降低了約22.34。

圖1 美拉德反應中形成香氣物質的主要途徑[19]

此外，焙烤處理可以也改善發芽全谷物的感官特性。與普通面包相比，利用發芽3 d后的小麥粉焙烤(150 ℃，13 min)制出的面包，面包的體積、色澤和GABA含量均有所增加[16]。Wunthunyarat等[17]研究發現，利用發芽糙米粉焙烤制出的面包與對照組相比，面包的體積增加了約4%，硬度降低約34%，極大的改善了面包的感官特性。Wu等[18]利用氣質聯用(GC-MS)法分析后發現，在小麥粉中添加經焙烤(130 ℃，15 min)后的發芽小麥粉(添加量為3%)所制作出的面包，其酯類、雜環芳香烴和醛酮等含量明顯增加，原因可能是發芽導致了小麥中還原糖含量的提高(約提高50 mg/g)，促進了焙烤過程中的美拉德反應，從而豐富了面包的風味。因此，焙烤處理可以極大地改善發芽全谷物的風味，這對于開發特色風味的發芽全谷物食品具有指導意義。

焙烤可以改善發芽全谷物的營養品質和感官特性，這是因為在焙烤過程中發生了美拉德反應，其反應機制過程如圖1所示。目前，國內外對發芽糙米和發芽小麥的焙烤處理研究報道較多，但對其他發芽全谷物的焙烤處理研究卻鮮有報道。

1.3 擠壓處理

由于發芽全谷物中含有較高含量的淀粉，因而具有良好的擠壓膨化特性，因此發芽全谷物常常是被用作擠壓膨化食品的主要原料。擠壓膨化的主要機理過程主要有四個方面[20]：原料淀粉結構由有序變為無序；形成氣核；膨脹;氣泡生長；氣泡塌陷。

利用擠壓加工改變發芽全谷物的營養品質一直是近年來研究的熱點。研究表明，發芽糙米經擠壓后，其淀粉、粗脂肪、蛋白質質量分數分別下降約5.35%、16.10%、20.40%，還原糖含量增加了1.36倍，原因可能是擠壓導致淀粉降解成為小分子還原糖，脂類與淀粉、蛋白質等發生復合作用，蛋白質分解成肽類和氨基酸[21]。Ohtsubo等[22]研究得出，與糙米相比，發芽糙米經擠壓(螺桿轉速150 r/min，擠壓溫度150 ℃，喂料速率100 g/min)處理后，其總阿魏酸、總膳食纖維含量分別提高了約8、0.4 mg/100 g，而谷維素含量卻降低了28.5 mg/100 g。何榮等[23]研究發現，雖然富硒后的發芽糙米粉經擠壓膨化(水分含量17%，螺桿轉速150 r/min，喂料速率16 r/min)后其營養物質略有損失，但有機硒含量和GABA含量仍比原料糙米高出29倍和5倍。Gong等[24]研究發現，相對于原生玉米粉，發芽玉米在擠壓(水分含量14%，螺桿轉速120 r/min，擠壓溫度120 ℃，喂料速率300 g/min)處理后，其可溶性膳食纖維和游離酚含量提高，抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性均顯著提升，但總氨基酸含量略有下降，可能是擠壓促進不溶性膳食纖維和結合酚等分解，氨基酸參與美拉德反應，而游離酚的增加提高了抗α-淀粉酶活性和抗α-葡萄糖苷酶活性。

擠壓加工也可以改善發芽全谷物的感官特性。Singkhornart等[25]研究發現，在擠壓發芽小麥過程中注入CO2，不同的模具溫度(90、130 ℃)和螺桿轉速(150、200 r/min)影響顯著膨脹率、體積密度、彈性、顏色等物理性能，但對營養成分含量影響較小，可能是CO2的注入可能會影響美拉德反應。

淀粉在發芽全谷物擠壓中起到了非常重要的作用，淀粉在剪切力和高溫等作用下膨脹糊化，最終降解形成低聚糖等，其作用機理如圖2表示。以玉米淀粉為例，由圖3可以看出，玉米淀粉在擠壓前形態光滑且呈顆粒狀，擠壓過程中淀粉開始發生凝膠化，表面粗糙無序，經過擠壓后淀粉膨脹糊化且結構遭到嚴重破壞[26]。擠壓可以增加可溶性膳食纖維等營養物質的含量，但對GABA、總氨基酸、酚類含量和抗氧化性等具有不同的作用，主要原因可能是：高溫和剪切力使一些大分子物質發生降解或分子重排，促進了不同分子之間產生縮合等作用；擠壓參數的變化和物料品種的不同對實驗結果的影響也不相同。

圖2 淀粉在擠壓過程中降解示意圖[26]

圖3 玉米淀粉在擠壓前后的結構狀態[26]

1.4 發酵處理

發酵處理可以顯著改善發芽全谷物的營養品質。在含有發芽大麥的混合物中添加5%嗜酸乳桿菌凝乳(1.0×106個/mL)進行發酵(37 ℃，12 h)后，其還原糖、硫胺素、煙酸、賴氨酸和可溶性膳食纖維含量顯著增加，而粗蛋白、粗纖維、淀粉、總膳食纖維和不溶性膳食纖維含量均顯著下降[27]。Montemurro等[28]得出，發芽小麥經酵母菌(7.0 logcfu/g)發酵(30 ℃，24 h)后，其多肽、游離氨基酸和酚類含量顯著提高，植酸等抗營養因子顯著降低，用其制作成的面包具有蛋白質消化率高、淀粉利用率低和感官特性良好等特點。Cáceres等[29]研究發現，添加發芽糙米粉發酵(發酵劑2.0×107cfu/g，42 ℃，pH=(4.4±0.2)時停止發酵)制備的酸奶可以有效的提高酸奶中酚類(15.2 mg/100 g)、GABA(1.9 mg/100 g)的含量及抗氧化性，且對血管緊張素轉化酶具有良好的抑制作用(抑制率為61.5%)。

此外，發酵處理也可以顯著改善發芽全谷物的感官特性。Hiran等[30]研究發現，利用長雙歧桿菌發酵(接種量10 mL/100 g，37 ℃，72 h)的發芽玉米中有12種揮發性物質，主要為吡嗪類和3-羥基扁桃酸類，更加豐富了其風味。因此，發酵處里可以改善發芽全谷物的風味，對促進風味型發芽全谷物食品的開發具有重要的作用。

綜上所述，發酵溫度、時間、菌株及其接種量等因素對發芽全谷物的營養品質和感官特性有著很大的影響。分析機理為：1)發酵可以引起全谷物細胞壁結構破裂，蛋白質等營養物從細胞內溶出；2)發酵為一些酶提供了最適的pH環境，加快了一些營養物質的合成。例如，在發酵發芽黑麥過程中，阿魏酸的含量急劇增加，是因為發酵為黑麥肉桂酰酯酶提供了最適的pH 7[31]；3)細菌的代謝活性可能導致各種生物酶系統被激活。例如，酵母菌能夠使發芽小麥中的內源酶和谷氨酸脫羧酶(GAD)等有關的酶系統被激活，從而降解淀粉和蛋白質等營養成分并產生一些次級代謝物，如GABA等[32]。

1.5 酶輔助處理

酶輔助處理可以改善發芽全谷物的營養品質和感官特性。如表2所示，酶輔助處理可以顯著降低發芽糙米的硬度，改善其口感品質，原因可能是酶輔助處理破壞了其皮層的粗纖維結構，從而提高了口感質量[33]。研究表明，酶輔助處理也可以顯著提高發芽糙米中GABA含量，分析原因為：1)纖維素酶處理過程中的酸性環境增加了GAD的活性，從而促進GABA的生成[34]；2)酶輔助處理使糙米皮層結構遭到破壞，加強了細胞內外營養物質的交換，促進了糙米的萌發，提高了 GABA等營養物質的富集程度[35]；3)纖維素酶與GAD的最適溫度(30～35 ℃)相近，利用纖維素酶處理發芽糙米時，為GAD提供適宜的溫度，從而增加了其活性，促進了GABA的產生[36]。

此外，發芽紅糙米和發芽黑糙米經纖維素酶酶處理后，兩者的總酚含量會顯著升高，分別提高了約298.7、319.0 mg/kg，抗氧化活性也隨之增強[37]。利用木聚糖酶和纖維素酶處理(濃度0.1%，5 h，45 ℃)發芽糙米，顯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質均高于發芽糙米和糙米[38]。因此，酶輔助處理可以提高發芽全谷物的營養品質和感官特性，對功能性發芽全谷物食品的開發具有重要作用。

表2 酶輔助處理對發芽糙米中GABA含量和其他理化性質的影響

GABA的合成機制如圖4表示，L-谷氨酸在GAD的作用下脫羧生成GABA，接著在GABA轉氨酶(GABA-T)的作用下，GABA與α-酮戊二酸發生轉氨反應生成谷氨酸(Glu)和琥珀酸半醛(SSA)，最后在琥珀酸半醛脫氫酶(SSADH)的作用下SSA被氧化成琥珀酸并進入三羧酸循環，且該反應使三羧酸循環中α-酮戊二酸氧化琥珀酸的途徑稱為GABA支路[43]。由此可看出GAD、GABA-T和SSADH三種酶共同調控植物體內GABA的含量。有研究表明，降低胞質間的pH[44]和增加胞質間的Ca2+含量[45]均可以提高GAD的活性促進GABA的積累，而厭氧處理[46]和改變GAD和GABA-T離體活性比[47]等方法，也可以抑制GABA-T和SSADH的活性從而累積GABA。

圖4 γ-氨基丁酸的合成機制圖解[48]

1.6 發芽全谷物的其他加工方式

其他加工方式對發芽全谷物的營養品質及感官特性也有一定的影響。Shen等[49]通過微波處理發芽糙米后發現，3～4 W/g的微波強度可以在發芽糙米的表面增加3～4個裂隙，導致其可以適度的吸水和淀粉糊化，有利于提高其蒸煮質量和口感品質。Chen等[50]研究得出，利用低溫等離子體(3 kV，10 min)和發芽聯合處理糙米，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]利用高靜壓處理發芽糙米10 min，可使其鈣和銅含量分別增加12.59%～52.17%和2.87%～23.06%，淀粉體外消化率降低約15%。Ding等[52]利用超聲波(25 kHz，16 W/L，5 min)處理發芽糙米和發芽紅米，可使兩者的硬度分別降低39.2%和43.4%，改善了兩者的蒸煮特性。研究表明，利用Ca2+和紫外線-B(UV-B)聯合處理4 d發芽小麥，可以顯著提高發芽小麥中的總酚含量，原因是外源Ca2+參與了UV-B輻射下發芽小麥的酚類代謝和生理調控[53]。

2 展望

近年來，加工方式對發芽全谷物的研究已經成為新的研究熱點，如何通過不同的加工方式來提高營養成分或盡可能降低營養成分的損耗越來越受到關注，但仍有一些問題等待解決。目前大多數的研究只停留在對發芽全谷物進行單一方式加工處理，在一定條件下可以利用不同加工處理方式相結合的方法，通過優化聯合處理方式的加工工藝來盡可能更多的保留一些有益的營養成分；研究加工方式對發芽全谷物營養成分的影響變化機制和其分子結構的變化對新的功能性食品的開發具有重要意義；探索應用各種新型加工技術手段對發芽全谷物的營養與活性組分的影響，尚需進一步加強，從而更加科學高效地利用發芽全谷物(粉)制備美味的健康全谷物食品。