萌芽全谷物的研究現狀、問題與機遇

高 琨，譚 斌?，汪麗萍，劉艷香，田曉紅，劉 明

（國家糧食和物資儲備局科學研究院，中國 北京 100037）

全谷物富含多種營養成分，如酚類、類胡蘿卜素、生育酚、木酚素、阿拉伯木聚糖與β-葡聚糖等非淀粉多糖、甾醇和植酸等生理活性物質，具有降血糖、抗氧化、預防生物大分子損傷和降血壓等生理功能。但是，全谷物中含有的麩皮與胚芽等導致全谷物食品加工過程中出現不易成型、貨架期短、口感粗糙和消費者接受性差等問題，制約全谷物食品產業發展[1]。現有研究表明物理加工技術（如擠壓膨化技術、蒸汽爆破技術、微粉化技術和超高壓處理技術等）可以在一定程度上改善全谷物加工品質和延長全谷物產品貨架期，但會造成全谷物部分營養素發生損失，因此在一定程度上限制了其在全谷物食品中的應用[2-5]。與物理加工技術不同，研究發現生物加工技術（萌芽技術、發酵技術及酶輔助加工技術）通過酶（外源酶和內源酶）解作用可以改善全谷物食品加工和食用品質，并提高全谷物食品營養品質和增強生理功能活性[1,6]。不同生物加工方法和工藝條件對全谷物制品加工品質、感官品質、功能活性及貨架期的影響也不同。其中，萌芽技術被證實是一種有效提高谷物食品營養價值的生物方法，它不僅可以顯著增加全谷物中γ-氨基丁酸（Gammaaminobutyric acid，以下簡稱GABA）、酚類化合物和維生素等生物活性物質含量，降低植酸等抗營養因子含量，提高全谷物的消化率和生物利用率，且對高血脂、高血糖、高血壓和肥胖等慢性代謝綜合征預防和控制有積極作用，并在一定程度上改善全谷物烘培食品的感官品質[7-11]。本文從萌芽全谷物定義、全谷物萌芽分子機制、功能性成分及生理功效和加工等方面進行分析，探討萌芽全谷物產業存在問題，并提出未來萌芽全谷物加工研究進一步發展建議，以期為萌芽全谷物制備、加工、產品創制和政策制定等提供參考。

1 萌芽全谷物定義

伴隨萌芽技術不斷發展，萌芽全谷物已成為健康功能食品市場中的新興趨勢。盡管目前萌芽全谷物沒有國際統一定義，但根據2008年美國國際谷物化學家協會（AACC International）的規定，萌發的谷物如果含有麩皮、胚芽和胚乳，且營養價值沒有下降，發芽長度不超過谷粒，則可以被歸類為全谷物或萌芽全谷物[12-13]。

2 全谷物萌芽分子機制

2.1 萌發過程

萌發是指在特定條件下谷物通過吸脹作用激活籽粒內源酶誘導發生一系列有序生理反應和形態變化的生物學過程，大致可分為吸脹、萌發和出苗三個階段（圖1）：第一階段是谷物種子迅速吸水并發生膨脹和形狀改變，致使細胞內容物和基質發生水合反應，胚胎細胞壁松弛促使低分子量代謝物及細胞溶質從種子溶出，同時淀粉酶、蛋白酶和植酸酶等各種酶開始活化、糖酵解和戊糖磷酸氧化呼吸途徑等呼吸反應增強，并伴隨現有 mRNA蛋白合成、DNA和線粒體修復等一系列反應發生；第二階段種子吸水速率減慢，新轉錄 mRNA翻譯合成蛋白質、DNA和線粒體修復等反應繼續，同時合成新的線粒體、新合成mRNA翻譯合成蛋白質，胚開始生長，種皮覆蓋層開始變薄，種子內貯藏的營養物質開始大量分解消耗；第三階段種子吸水速率加快，細胞發生有絲分裂，種胚突破種皮，露出胚根，長出胚芽，這一過程稱為谷物萌發[14-16]。谷物萌發過程中發生的復雜生理代謝反應，使得谷物的營養成分和理化性質發生了顯著變化，有利于全谷物營養價值提升，對萌芽全谷物食品技術開發具有重要意義。

圖1 全谷物籽粒萌發階段示意圖[14-16]Fig.1 The different germination stages of whole grains[14-16]

2.2 酶活力變化

谷物萌發過程中代謝反應所需能量主要來自谷物中淀粉降解，其中β-淀粉酶和α-淀粉酶分別是調控谷物萌芽前期和后期代謝的關鍵酶[16-17]。此外，谷物萌芽過程中，作用于淀粉α-1,6糖苷鍵的淀粉去分支酶亦被激活[12]。Jiamyangyuen和Ooraikul研究發現萌芽處理可以縮短糙米蒸煮時間，有效改善糙米的蒸煮和食用品質，這可能與萌芽后期α-淀粉酶對糙米淀粉作用結果有關[18]。Kalita等發現伴隨萌芽時間增加，淀粉顆粒表面由光滑緊實向粗糙孔隙轉變，這可能是由于萌芽過程中淀粉酶吸附在淀粉顆粒表面指定位點并發生催化反應，吸附位點可能與淀粉顆粒表面微量蛋白質和脂質種類與數量有關[19]。α-淀粉酶活性變化可以在一定程度上反映萌芽全谷物萌發程度和狀態，部分萌芽谷物加工企業將α-淀粉酶活性變化作為谷物萌芽程度重要評判指標。由于不同全谷物自身特性和加工適宜性存在顯著差異，如何通過調控全谷物中α-淀粉酶活性變化來獲得適合加工不同全谷物產品的萌芽谷物配料有待于進一步開展相關研究。

3 發芽谷物功能性成分及生理功效

3.1 γ-氨基丁酸

GABA是一種四碳非蛋白氨基酸，由谷氨酸經谷氨酸脫羧酶催化轉化而來[20]，廣泛存在于動植物體內[21-22]。GABA是人和動物中樞神經系統重要的抑制性神經遞質，還起到抑制血壓上升，減緩疼痛和焦慮，預防及改善初老期精神障礙，增加胰島素分泌等作用[23-24]，研究證明人食用富含GABA的功能食品有益于人體健康[25]。其中，人和動物細胞中GABA合成能力和GABA的血腦屏障通透性隨著衰老而逐漸降低[26]，因此GABA在日本和中國等人口年齡高的國家被推薦為老年人口的膳食補充劑。中國衛生部在 2009年批準GABA可作為新資源食品應用（2009年 第 12號），并推薦每日攝入量不超過500 mg。2015年美國食品藥品監督管理局批準GABA可作為一種功能食品配料（GRAS Notice (GRN) No.595，2015）。谷物是 GABA重要食物來源之一，但谷物中GABA含量偏低不能滿足人體需求。現有研究發現萌芽技術可以有效提高谷物中GABA含量（表1），這主要歸功于參與生物合成谷氨酸脫氫酶等內源酶活性增加。此外，大量研究證實谷物種類、浸泡液種類和 pH值、培育溫度和時間及冷離子處理和超聲波輔助處理等都會影響發芽谷物GABA富集[17,27-29]。

表1 發芽處理對全谷物GABA含量影響Table 1 Effect of germination treatment on GABA content in whole grains

3.2 酚類化合物

現代流行病學研究表明，長期食用全谷物及相關產品有助于降低心腦血管等慢性疾病發病率，這與全谷物中含有特有的游離多酚類物質有關，因此攝入全谷物食品是增加酚類物質攝入量一個非常好的來源[32]。全谷物中含有多種酚酸類化合物，包括酚酸、花青素、醌類、黃酮醇、查耳酮、黃酮、黃烷酮類等，研究證實萌芽有助于全谷物中酚類化合物含量顯著增加，這可能是由于萌發過程中谷物內源酶的合成和核的修飾會提高酚類化合物含量提高和增強其抗氧化活性[13]。大量實驗表明糙米、小麥和燕麥等全谷物發芽后總酚及游離酚含量顯著增高，其中阿魏酸、對香豆酸、咖啡酸等酚酸化合物增加明顯，這可能與萌芽期間苯丙烷代謝途徑酶被激活和共軛酚酸水解有關[33]。Merendino等發現自發性高血壓大鼠食用含有萌芽苦蕎粉的意面后血壓水平有所改善，這可能與其蘆丁及槲皮素含量較高有關[34]。同時，全谷物萌芽過程中不溶性細胞壁多糖部分酶解并被酚酯基取代，有助于提高相關酚類化合物的生物利用度[35]。此外，研究發現鹽脅迫、超聲波預處理、低溫處理和光脅迫等非生物脅迫可以作為輔助技術促進萌芽全谷物多酚類化合物富集[28,35-36]。

3.3 膳食纖維

膳食纖維是一類可食用但不被胃腸道消化吸收的多糖類化合物，依據水溶性可分為水溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維。可溶性膳食纖維包括果膠、粘質物和半纖維素等，有助于增加腸道粘度、降低血糖和膽固醇等生理作用，而不可溶性膳食纖維包括細胞膜質等，有助于促進胃腸道蠕動和防治便秘。全谷物（如全麥、糙米等）是膳食纖維重要食品來源，大量研究表明發芽技術會影響全谷物膳食纖維含量和組成。Koehler等研究發現同對照組比較，全麥籽粒萌芽初期（0～96 h，培育溫度20～25 ℃）可溶性膳食纖維含量基本不變或小幅度降低，隨著萌芽時間延長（102 h以后），可溶性膳食纖維含量上升，不可溶性膳食纖維含量下降，但可溶性膳食纖維含量增加量高于不可溶性膳食纖維減少量，因此萌芽全麥粉總膳食纖維含量增加[37]。同時，小麥品種對發芽全麥粉膳食纖維含量變化有顯著影響，Ding等研究發現隨著發芽時間增加（0～24 h），硬質紅小麥中可溶性膳食纖維和總膳食纖維含量顯著增加；硬質白小麥可溶性膳食纖維含量先增后減，不可溶性膳食纖維和總膳食纖維含量則先減后增；軟質白小麥可溶性膳食纖維含量先減后增，不溶性膳食纖維和總纖維素含量先增后減[27]。

3.4 維生素

維生素是廣泛存在于植物體內并對人體健康起到關鍵性作用的一組有機化合物，通常可分為水溶性（B族維生素和維生素 C）和脂溶性維生素（維生素A，D，E和K等）。最新研究報告表明萌芽有助于全谷物中B族維生素、維生素C和維生素E含量富集：萌芽有助于提升全谷物中葉酸、核黃素和尼克酸等B族維生素含量，其中葉酸含量增加最顯著[38]；有效改善全谷物中維生素C含量不足的缺陷[39]；顯著增加全谷物中維生素 E含量，特別是α-生育酚含量顯著增加。但是，不同萌芽全谷物中硫胺素和吡哆素含量變化則顯著不同，研究發現萌芽后蕎麥中硫胺素和吡哆素含量增加[40]，但萌芽小麥中硫胺素和吡哆素含量小幅降低[41]。

3.5 生理功效

全谷物萌芽過程中籽粒內部發生的一系列有序生化反應，促使谷物生理功效發生變化，生成或富集 GABA、γ-谷維素和膳食纖維等生物活性組分，這些物質共同協作對慢性代謝綜合征預防和控制具有積極作用：一是可以抑制抗利尿激素和垂體后葉加壓素的分泌，降低血管緊張素 I轉換酶活性、抑制血管收縮，保護動脈內皮細胞免受氧化應激的影響，降低自發性高血壓[42-44]；二是可以有效抑制脂質在血管壁和肝臟中的沉積，緩解脂質代謝紊亂，改善體內脂質代謝，有效降低血脂異常人群血脂水平，顯著改善高脂血癥，有效降低動脈粥樣硬化的心血管疾病風險[45-46]；三是有助于促使胰島素釋放量增加，降低血糖指數，改善Ⅱ型糖尿病患者代謝指標[47-50]；四是改善肥胖患者的代謝并減少肥胖并發癥的發生[49]；五是改善大腦機能，促進長期記憶等；六是發芽處理可以抑制糙米等全谷物中蛋白質酶活性，減少糙米等全谷物中常見過敏源物質[51]；七是有助于肝、腎功能活化，促進乙醇代謝等。

4 抗營養因子抑制作用

植酸是全谷物中常見的一種抗營養物質，可與礦物質和蛋白質螯合形成不溶性的復合物，降低礦物質的生理利用率和氨基酸的吸收率，同時對部分消化酶起到抑制作用，降低全谷物中蛋白質、淀粉和脂肪的利用率[52]。大量研究結果表明萌芽有助于降低全谷物中植酸含量，提高全谷物中生物活性物質的吸收利用率。以糙米為例，糙米發芽浸漬過程中植酸含量下降幅度較小（14%～28%），而在培育過程中植酸含量降低幅度較為顯著（最大降幅為60%左右）[53]。糙米經發芽處理后植酸酶活性增強，促使礦物質元素呈游離態，從而大幅提高糙米中礦物元素生物有效性，且一些原來不能消化的營養組分也能被有效地吸收，因此糙米食用安全和營養品質均得到較大改善。一些研究還發現萌芽培育時間對谷物中植酸含量影響最為顯著，且植酸含量隨著培育時間延長而降低，不同部位植酸含量降低幅度不同。同時，研究發現萌芽處理有助于降低蕎麥全谷物籽粒、蕎麥麩皮粉及芯粉中植酸含量，并能夠顯著降低蕎麥蛋白酶抑制劑的含量，提高蛋白質吸收質量[54]。

5 萌芽全谷物加工現狀

5.1 萌發工藝

谷物發芽根據加水和干燥方法不同，可以分成浸泡法、微量加水法和高溫高濕法。浸泡法主要是將具備完整的胚芽且后熟作用完成的當年新產全谷物浸泡于20～40 ℃的水中，使谷物水分達到30%以上并完成發芽培育[11]。浸泡法根據后續是否經過干燥處理又可分為濕法加工和干法加工：濕法加工是指全谷物發芽后，不經干燥直接保存（通常以真空包裝保存），或經搗碎成泥或濃漿（通常以冷凍形式出售）后用來制成面包、玉米餅、松餅和其他通常被稱為“無面粉”食品的配料；干法加工是指全谷物發芽后經干燥處理至水分含量15%以下，將其處于相對穩定狀態保存，或進一步研磨成發芽谷物粉后進行儲存或者加工[27]。不同萌芽工藝對萌芽谷物加工適宜性影響較大，目前發芽糙米萌芽工藝較其他全谷物萌芽工藝相對成熟。以發芽糙米為例，浸泡法獲得的發芽糙米由于爆腰粒多不能進行碾米加工，通常與精制白米混合后食用，另外全谷物浸泡過程中水溶性的功能性成分會流失到浸泡液中，導致浸泡液處理成本高。微量加水法和高溫高濕法將全谷物水分逐步地提高到17%～22%，利用萌芽初期的酶活性增加功能性成分，然后進行干燥和進一步加工（輕碾和制粉），而且微量加水法和高溫高濕法的發芽糙米基本上沒有爆腰粒，適合加工成萌芽留胚米和發芽米。

5.2 萌芽全谷物主食配料

5.2.1 萌芽全谷物米

全谷物經過萌芽處理后可以加工成為萌芽全谷物米直接食用，也可以進一步加工成為萌發芽留胚米等食用。與全谷物相比，萌芽全谷物不僅可以提供更多的營養素（如GABA、酚類化合物和維生素等），還可以克服全谷物（如糙米）不易烹飪和咀嚼性差等問題，結果表明發芽技術有助于將大麥、高粱和小米等全谷物的烹飪時間縮短了約 50%以上[55]。盡管萌芽可以改善全谷物米蒸煮和食用品質，但是其感官品質和貨架期仍與精制谷物存在差距，導致消費者接受性不強。以糙米為例，發芽糙米從日本引進至我國已有十余年，但國內市場相關產品較少，這不僅與發芽糙米適口性差、易產生異味和儲存期短有關[56]，另外我國發芽糙米產業化生產品質穩定性較差、生產率低、經濟成本高和專用生產設備缺乏等問題也限制了發芽糙米產業發展[57-58]。近年來，熱/非熱加工和生物發酵等輔助技術被應用到萌芽全谷物加工中，用于改善萌芽全谷物產品適口性差等問題，研究發現超高壓處理（300 MPa下）會改變谷物結構，有助于發芽糙米中的礦物質釋放并提高其生物利用度[59]，同時還發現表明萌芽使得糙米揮發性化合物減小而影響風味，但超高壓處理通過加速老化過程來解決因發芽糙米揮發性化合物減小而導致風味下降問題，通過促進醛、醇和酮化合物的形成，產生令人愉悅的香氣，并有助于改善萌芽全谷物風味[60]；蒸汽預糊化有助于進一步縮短發芽糙米的蒸煮時間，增大蒸煮吸水率和體積膨脹率，降低固形物損失率，這可能與預糊化處理破壞了發芽糙米的糠層結構及內部結構并使其淀粉顆粒結構發生變化有關[61]；利用微生物生物發酵（黑曲霉、根霉等）將發芽糙米皮層中纖維素、半纖維素、木質素等物質進行部分降解，破壞糠層的致密結構，增加發芽糙米吸水速度，提高出飯率，改善發芽糙米品質，且在發酵過程中還可以釋放結合態的生理活性物質，同時合成新的活性物質、降解抗營養因子[62]。此外，烹飪方式對萌芽全谷物米的使用品質也會產生影響，Konwatchara和Ahromrit研究發現高壓蒸煮的萌芽黑糯米飯比微波烹飪的萌芽黑糯米飯更濕潤和粘稠，而且GABA和γ-谷維素的含量以及抗氧化活性更高[63]。因此，在保證營養價值不變的前提下，如何應用食品科技技術改善萌芽全谷物粒食產品的適口性和貨架期等問題仍需要進一步開展研究。

5.2.2 萌芽全谷物粉

萌芽全谷物粉是全谷物食品加工主要配料，與未萌芽全谷物相比較，萌芽會引發谷物胚乳區域形成裂紋，改變谷物降籽粒強度性能（如硬度下降），使得谷物更易碾磨且粉體顆粒粒徑更小[64-65]。由于全谷物萌芽過程中誘導大量酶被激活，使得大量淀粉和蛋白質水解，因此會對萌芽全谷物粉加工品質和終產品感官品質產生雙向影響。一方面，研究發現全谷物萌芽過程中伴隨著酶活性的增強，導致面粉品質劣變，出現降落數值降低，脂肪酸值升高和濕面筋含量下降等問題出現：以全麥粉為例，隨著萌芽時間增加，超聲輔助萌芽處理后全麥粉降落數值顯著降低，降落數值過低易導致萌芽全麥粉面團發酵性能和烘焙性能下降，降落數值過高烘培性能也會下降[27]；隨著萌芽時間延長，全麥粉脂肪酸值顯著增加，由高到低依次為中筋小麥、高筋小麥和低筋小麥[66]；隨著萌芽小麥粉添加量增加，混合小麥粉面團形成時間下降，面團穩定時間下降，弱化度越大，面團筋力下降，烘培特性不佳[67]。另一方面，一些研究發現少量添加萌芽全谷物粉（＜5%）則有助于改善發芽全谷物食品感官品質，發芽全麥粉糊化特性和粘度參數隨萌發時間延長均顯著降低，淀粉穩定性增加，有助于提升終產品感官品質（質構特性等）[27,68]，這可能與萌芽全麥粉中葡萄糖等小分子糖含量增加有關。與未萌芽全麥粉和穗發芽全麥粉相比，少量添加萌芽全麥粉可以作為一種酶促改良劑，有助于提升面團發酵過程中產氣量、縮短面團發酵時間、增大面包體積和提高貨架期間面包松軟度，有助于改善面包烘培質量[69-74]。綜上所述，全谷物萌發程度和萌發全谷物的添加量對粉食產品加工和食用品質具有至關重要作用，添加適量萌芽谷物粉可以提高烘培類全谷物食品感官品質。與萌芽谷物粒食研究相比，關于萌芽全谷物粉及其制品風味、色澤、質地等食用品質評價和形成機制研究相對較少，有待進一步開展相關研究系統分析萌芽處理對全谷物粉加工和食用品質的影響。

6 存在問題及建議

6.1 谷物萌芽品質基準尚無標準，亟待建立統一標準

目前國內外萌芽全谷物定義和品質基準尚未達成統一共識，盡管美國國際谷物化學家協會對萌芽全谷物進行定義，但關于谷物萌芽程度判定、萌芽率評判（一批次）和檢測方法等實際生產問題尚沒有統一定論，生產企業一般都是按照自己制定的企業標準執行。以發芽糙米為例，日本2008年發布了發芽糙米產品標準，社團法人日本發芽糙米協會制定了發芽糙米的品質基準，規定發芽糙米中GABA含量需要在15 mg/100 g左右。我國分別于2018年和2019年由農業部發布了行業標準《發芽糙米》和《發芽糙米加工技術規范》，規定發芽糙米芽長為0.5～3 mm為宜，GABA含量需不少于13 mg/100 g左右，但是其他萌芽全谷物尚未有相應現行的國際或者國家標準。美國全谷物理事會在 2015年成立了“萌芽全谷物工作組”，通過邀請來自28家萌芽全谷物生產企業47名專家代表參與研究工作，希望借此深入了解目前行業內最佳做法，并促進萌芽全谷物定義/標準達成統一共識，目前此項工作正在開展，尚未形成統一定論。隨著萌芽全谷物生產和應用不斷擴大，亟待制定萌芽全谷物產品標準，使萌芽全谷物的生產規范化和標準化，建立適應中國主食化特色的規范加工標準，增強我國健康谷物精深加工產品的國內外市場競爭力。

6.2 萌芽全谷物相關研究滯后，產業化推廣尚需一個過程

近年來，國內外對全谷物食品及功能特性研究越來越多，但對萌芽全谷物的相關研究相對較少。尤其是萌芽方式（浸泡、微量加水法和高溫高濕）和加工（原料選擇、加工方式和食用方式等）等因素對萌芽全谷物加工適宜性、營養與健康作用、生理活性組分及生物有效性，萌芽全谷物食品與慢性疾病關系、萌芽全谷物食品的消費需求、萌芽全谷物食品的加工技術與產品開發、萌芽全谷物食品安全及控制和專用設備研發等方面有待加強。

6.3 民眾認識度不高，亟待加強科普宣傳

當前民眾對全谷物食品的營養與健康關注度日益增強，但對萌芽全谷物食品認知顯著不足甚至空白，應積極搭建萌芽全谷物推廣平臺，構建萌芽全谷物食品發展和推廣長效機制。充分利用當前互聯網等多媒體線上線下平臺，通過科普宣傳和消費引領等多種方式，全方位加強萌芽全谷物營養健康知識、食用方法和萌芽全谷物食物選擇等知識普及，引導消費者（特別是青少年）科學選擇萌芽全谷物食品。

7 結論與展望

經過近些年的發展，我國全谷物食品產業已取得一些成果，但總體來說仍處于發展初期階段，全谷物食品感官品質差、安全性存在隱患、貨架期較短和產量受限等問題限制了全谷物產業發展和產品推廣。現有研究表明萌芽技術不僅可以賦予全谷物食品更高的營養品質，而且在一定程度上改善全谷物米的蒸煮品質及烘焙全谷物食品的感官品質。當前萌芽谷物粒食研究相對較多且相對成熟，萌芽全谷物粉作為全谷物食品配料具有較好的應用前景，但相對研究較少，有待于進一步開展相關研究。但總體而言，萌芽技術仍面臨現有理論研究零散且不成體系、產品評判方法不統一、檢測方法不完善、標準體系不健全等諸多問題，在一定程度上限制萌芽技術在全谷物食品中的應用。因此，萌芽全谷物產業化發展仍有一段較長的路要走，未來我們急需要業內學者共同關注，在前面提到的谷物萌芽程度、檢測方法及萌芽全谷物食品標準三個層面上抓緊標準的制定，逐步建立我國的全谷物食品標準體系，指導企業生產，規范行業發展，讓民眾能夠真正從萌芽全谷物食品受益。加大科技創新力度，圍繞萌芽全谷物產品加工與技術研究示范、萌芽全谷物營養與代謝研究等方面開展深入研究，構建萌芽全谷物加工數據庫，解決萌芽全谷物加工基礎性數據缺乏問題，為萌芽全谷物產業化發展及相關標準等政策制定提供數據支撐。同時，加強跨區域國際合作交流，積極參與全谷物相關國際組織相關研究工作，增強我國在國際組織中話語權。未來，我國萌芽全谷物市場發展潛力巨大，應抓住機會大力發展萌芽全谷物主食化，提升國民主食中萌芽全谷物食品攝入比例，達到改善國民營養健康的目標。