李娟娟,刘艺欢,陈东方,2,*,黄师荣,陶能国

(1.湘潭大学化工学院,湖南湘潭 411005; 2.湘潭大学化工学院化学工程与技术博士后流动站,湖南湘潭 411005)

谷物种类繁多且富含多种营养成分,如碳水化合物、脂肪、蛋白质、膳食纤维、矿物质、维生素等,是人类获取能量及营养素的主要来源;同时含有多种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、预防生物大分子损伤、降血压等功能[1-2]。利用微生物发酵、酶制剂水解及发芽处理等形式对谷物进行加工,其本质是利用酶(微生物酶,商业外源酶以及植物内源酶)的作用,实现改变谷物及制品的结构和组成[3],改善其加工性能[4]、增强其功能活性[5]的目的。不同的生物加工方法、工艺条件对谷物制品营养成分、风味、稳定性、功能活性及加工特性的影响不同。全面深入解析不同生物加工技术对于谷物制品营养及功能特性的影响,可以在理论上丰富谷物工艺学的研究内容,尤其是在营养成分变化、食用品质改善、功能活性提高以及加工性能改良等方面。此外,在实际应用中能更好地选择和优化食品加工条件,满足消费者对于营养健康食品的需求,同时对于扩大谷物深加工领域的发展空间,拓展谷物制品种类,研发新型功能性食品,指导谷物制品的深加工研究和高质化利用具有重要意义。

1 谷物的发酵

天然谷物通过发酵能增加赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量,提高B族维生素的利用率[6]。谷物中的植酸通常与铁、锌、钙等结合,发酵过程中微生物分泌植酸酶将植酸水解为肌醇和磷酸盐,使得与植酸相结合的金属离子释放出来,从而增加可溶性铁、锌、钙离子的含量。同时,发酵能够延长发酵型谷物饮料的货架期,改善其口感和风味,在发酵过程中形成的多种挥发性成分如乙酸、丁酸等会赋予产品独特的风味[7-8]。此外,发酵能够使淀粉颗粒的大小更加均匀,淀粉糊粘度、衰减值和回生值等均明显下降、老化速度变快及老化后的再糊化变慢,还可以增加淀粉凝胶组织的细腻程度和凝胶强度[9]。相较于传统发酵乳制品,以谷物为基质的发酵食品更具有高膳食纤维、低脂肪和低胆固醇等优点[6]。谷物中含有低聚糖,可作为益生元选择性地刺激人体肠道中乳酸杆菌与双歧杆菌的生长;淀粉等谷物组分还可作为益生菌微胶囊化的材料以提高其在贮藏过程中以及在人体消化道中的存活率[10]。因而发酵谷物制品将成为发酵食品工业发展的重要方向。

1.1 发酵对谷物制品感官品质的影响

谷物原料经发酵处理后其口感、风味、组织状态均会发生一系列变化。Lopone等[11]采用精选乳酸菌菌种,制备的非乳燕麦麸发酵产品具有典型的果冻状结构和滑润的口感。Wang等[12]釆用速溶干酵母、乳酸菌和酒活性干酵母对含糖的裸燕麦进行发酵,酿造出富含燕麦味并且分布结构稳定的谷物发酵饮料。田莹莹[13]采用酵母菌和乳酸菌对面包干(或谷物)和浆果进行发酵研制出的发酵饮料既有类似啤酒的醇香、淡爽口感,又兼具碳酸饮料的杀口特性。葛云飞等[14]发现在高粱中加入3%的糖,于30 ℃下自然发酵5 d后淀粉的回生值最低,其抗老化性能提高。Espirito-Santo等[15]发现使用商业益生菌菌株复合发酵米粉、豆乳混合稀粥,可获得酸度和黏度接近酸奶的非乳发酵谷物制品。葛磊[16]探究不同发酵工艺和发酵菌种对燕麦发酵饮料品质的影响,发现经酶解和两次发酵处理后得到的全燕麦发酵饮料具有特殊口感和风味。刘汇芳[17]采用燕麦、糯米为原料,鄂尔多斯牧区醪糟液为发酵剂,经固体发酵法酿制所得燕麦、糯米复配醪糟风味醇厚。由此可见,采用不同的谷物原料、发酵剂进行复配加工可获得状态不一、口感多样、风味独特的谷物发酵制品,发酵加工对于丰富谷物制品类型,研发新型谷物制品有重要意义。

1.2 发酵对谷物制品营养价值的影响

发酵通过增加营养素的含量、提高营养物质的生物利用度或降低抗营养因子的含量来影响食品的营养价值。Liang等[18]采用桑黄菌固态发酵薏米14 d,发现发酵后显著了提高薏米膳食纤维、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质,显著提高发酵产物中蛋白质的消化利用率[19]。Bationo等[20]研究发现复配乳酸菌L.plantarum6.2与L.fermentumMW2或者乳酸菌L.fermentum8.2与L.plantarumA6发酵谷物粥所获得的叶酸含量是传统发酵的1.74倍。谷物中含有的植酸会影响矿物质的生物利用率,而研究显示乳酸菌发酵能破坏糊粉层释放植酸酶,且降低pH提高植酸酶活性从而提高矿物质的生物利用率[21]。Dwivedi等[22]研究真菌Penicilliumcamemberti发酵对糜子中抗营养因子含量的影响时发现,经真菌发酵后糜子中的植酸含量降低35%,生物碱降低了23%,胰蛋白酶抑制剂含量降低72%。

1.3 发酵对谷物制品功能活性的影响

谷物中不仅含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质等营养素,还含有酚类、类黄酮、甾醇、β-葡聚糖等功能活性组分。研究发现,发酵加工可以提高谷物制品生物活性物质的种类及含量,并对其功能活性的增强也有显著效果。Amadou等[23]利用副干酪乳酸杆菌Fn032对小米粉进行固态发酵,结果发现小米粉中天然抗氧化剂和抗菌肽的含量显著增加。采用担子菌Agaricusblazei对7种不同谷物进行固体发酵,研究表明所有发酵谷物提取物的体外抗氧化活性显著高于对照[24]。Bhanja等[25]利用米曲霉 RCK2012对小麦进行了固体发酵,结果表明发酵提高了小麦提取物的总酚类和类黄酮含量以及抗氧化活性。Saharan等[26]利用真菌Aspergillusoryzae处理小麦、水稻、燕麦、玉米、高粱,结果表明发酵第5 d所有发酵谷物中酚类、类黄酮的含量显著增加,DPPH和ABTS自由基清除能力显著提高。Ferri等[27]采用代谢组学的方法分析发现乳酸菌和酵母能提高谷物发酵制品中的抗氧化代谢产物,如多酚、黄酮等。Luana等[28]发现燕麦经乳酸菌发酵后其可溶性β-葡聚糖的含量比发酵前增加了近40%。植物乳杆菌能够分解小麦胚芽中大分子蛋白质,产生的小分子量蛋白质具有显著的抗肿瘤效果[29]。γ-氨基丁酸是一种具有改善心血管功能的活性多肽,研究发现乳酸菌发酵谷物能促进γ-氨基丁酸的积累[30-31]。

2 谷物的酶解

谷物原料中所含有的大分子物质(如淀粉、蛋白质和纤维素等)会导致谷物饮料汁浑浊、沉淀和褐变等不良现象,然而传统的提取、澄清等工艺在根本上不能解决上述问题,并且极易使营养成分丧失[32]。而酶解处理能够针对性地降解这些大分子物质,提高产品的稳定性和原料利用率,延长产品货架期,降低能耗[33]。并且酶解后生成的小分子物质不但可以改善谷物制品的口感,增加产品的风味[34],而且可以提高其生物活性成分含量。此外,还可以采用酶制剂对谷物淀粉进行改性[35]。目前较常用的酶为:α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等。

2.1 酶解提高谷物制品稳定性,改善口感,增加风味

谷物饮料是饮料行业发展的新趋势,而酶解谷物饮料是未来谷物饮料的新趋势之一。目前机械提汁和酶解提汁是生产谷物饮料的主要方法,其中酶解提汁可以提高谷物的出汁率,降低能耗,提高产品的稳定性和原料利用率等[36]。

谷物原料在经过高温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、麦芽糖和少量葡萄糖等[18]。阿迈德[37]用蛋白酶处理发酵小米粉后,发现能有效提高蛋白比重和蛋白质消化率。凌孟硕[38]从苦荞麦的芽菜中提取α-淀粉酶和β-淀粉酶水解小米粉研制出的苦荞麦芽小米复合谷物饮料口感厚实,甜度适宜,有苦荞清香和小米香。蒋龙伟[39]研究发现采用纤维素酶和木聚糖酶的复合溶液浸泡发芽前糙米,可缩短浸泡吸水时间利于糙米萌发,改善发芽糙米的蒸煮食用品质,同时降解糙米皮层的纤维素,提高发芽糙米的人体的消化吸收率。吴纯丽[40]利用淀粉酶、糖化酶、蛋白酶以及肽酶四种酶制剂协同作用制成一种无需添加白砂糖的谷物饮料。现有研究发现通过谷物复配、液化酶解、糖化酶解以及微波干燥等技术可以研制出与奶粉极为相似的谷物乳粉(专用预制粉)[41]。李同刚等[42]采用淀粉酶和纤维素酶液化酶解制备谷物杂粮饮品专用预制粉,并对液化酶解工艺条件进行了优化。

2.2 酶解提高谷物制品的生物活性

酶解不仅能改善谷物制品的稳定性、口感和风味,在增加谷物制品中活性物质含量及提高生理活性方面也有明显优势。比如,吕乐等[43]采用碱性蛋白酶Alcalase 2.4 L酶解大米蛋白制备具有特殊功能的生物活性肽。付晓燕等[44]采用中温α-淀粉酶和有机溶剂提取燕麦多酚物质,结果表明和有机溶剂提取法相比较,经过中温α-淀粉酶辅助提取的多酚提取率提高58.38%。Chen等[45]研究发现采用α-淀粉酶酶解可获得具有较高抗氧化能力的燕麦产品。利用纤维素酶处理全燕麦粉能显著提高其可提取性多酚物质的含量及抗氧化活性[46]。

2.3 酶解改善谷物淀粉性质

淀粉在谷物中占比高,对谷物加工的影响大,采用酶制剂对谷物中淀粉进行定向改性可显著改良谷物淀粉的加工性能。Dura等[4]采用淀粉酶对玉米淀粉进行改性,发现其抗老化特性显著提高,糊化温度、透明度、热黏度、热稳定性、冻融稳定性等均显著优于化学改性淀粉。马嫄等[47]研究发现葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶组合后能显著提高多孔淀粉的含量。葛林丽等[48]采用中温α-淀粉酶酶解荞麦淀粉,使荞麦淀粉转化为DE值为10以下的麦芽糊精,再通过干燥制得荞麦淀粉基脂肪替代品。

3 谷物的发芽

种子萌发是高等植物生命活动最强烈的一个时期,植物种子吸水萌发后会发生一系列的生理代谢变化,主要表现在软化中的组织结构,提高谷物的消化率和生物利用率[49],改善其营养价值。此外,一些功能性成分如多酚类物质、γ-氨基丁酸的含量会增加[50]。因此,以发芽谷物为基质生产加工兼具商品性、功能性的新型谷物产品具有很强的市场潜质。

3.1 发芽对谷物制品营养价值的影响

种子萌芽过程中会合成各种酶,在酶的作用下会发生一系列复杂的形态和生理生化变化。发芽过程不仅能软化种子的组织结构,还能分解种子中的淀粉、蛋白质和脂肪等大分子物质,从而显著增加可溶性糖、还原糖、多肽、游离氨基酸的含量,并且使维生素和矿物质的含量增加,植酸、蛋白酶抑制剂等抗营养因子的含量降低,进而提高了谷物的消化率和生物利用率[51]。龙杰等[52]研究了发芽对小麦营养价值的影响,结果表明叶酸、可溶性膳食纤维、总蛋白及游离脂质含量随着发芽时间的延长而显著增加。与未发芽小麦相比,发芽小麦中功能性必需氨基酸包括苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸及γ-氨基丁酸含量增加了2.8～10倍。闵维等[53]研究发现浸麦和发芽处理能提高裸燕麦的蛋白质体外消化率,且优化后的浸麦工艺可使发芽燕麦的蛋白质体外消化率提高58.02%。糙米中几乎不含VC,而经发芽处理后糙米中的VC含量可由0增加到1.048 mg/100 g[54]。鲍会梅[55]研究发现发芽过程中糙米中α-淀粉酶活力升高,淀粉含量降低,同时还原糖的含量增加。

3.2 发芽对谷物制品感官品质的影响

近年来关于发芽谷物的研究已有不少且工艺基本成熟,所得产品营养丰富、风味独特,深受消费者喜爱。胡洁[56]以山西静乐藜麦为原料,研究藜麦萌发过程中营养物质变化规律并确定藜麦最佳萌发时间,并在此基础上通过感观评价研究筛选出辅料配方最适添加量,研制出一种营养价值丰富、口感俱佳的藜麦芽饮料。丁志刚等[57]以发芽糙米为原料,制备出营养丰富、风味浓郁、口感细腻的糙米饮料。尹永祺等[58]采用发芽糯玉米低氧胁迫下制备出口感浓厚、体系稳定,且具有高γ-氨基丁酸含量的玉米饮料。吴香香等[59]利用发芽糙米粉结合低筋小麦粉、蛹虫草粉、低聚果糖和乳清蛋白研制出一种营养价值高、风味独特的高浓缩型食用菌谷物饼干。发芽过程还能改善谷物的风味。例如发芽过程中增加的还原糖使其甜味增加,而且增加的还原糖、游离脂肪酸和游离氨基酸也是风味物质的前体物质。

3.3 发芽对谷物制品功能活性的影响

发芽处理在提高谷物制品功能活性方面也有显著效果。大量研究表明,发芽处理可以提高谷物中γ-氨基丁酸、酚类物质含量及其抗氧化活性。Ren等[60]研究发现普通荞麦(FagopyrumesculentumMoench)和苦荞(FagopyrumtararicumGaertn)经发芽处理后其总多酚、总黄酮及芦丁含量均较发芽前显著增加,其中总黄酮和芦丁含量分别于发芽的第7和第9 d达到最大值。高粱经发芽处理后其γ-氨基丁酸、总多酚及羟基肉桂酸衍生物的含量均显著提高,并且发芽温度、时间及两者的交互作用均对上述物质的积累产生影响[61]。徐祎博[62]研究发现发芽糙米比未发芽糙米清除羟基自由基和超氧阴离子效果好且糙米经变温处理发芽后抗氧化性更高效更持久。李存芝等[63]发现发芽薏米的抗氧化活性显著高于原薏米。徐建国等[64]研究发现发芽处理可有效富集燕麦肽的含量,提高燕麦抗氧化能力和ACE(血管紧张素转化酶)抑制活性。Klose等[65]的研究发现发芽6 d后β-葡聚糖的含量几乎检测不到。针对此情况,Wilhelmson等[66]采用一种短期制麦的方法可有效保留发芽燕麦中70%的β-葡聚糖,且β-葡聚糖的平均分子量变化很小。目前报道发芽引起谷物制品中功能活性成分变化的研究较多,而探究含量变化本质的研究甚少。

4 生物加工技术结合研究

发酵、酶解和发芽三种生物加工方法在提高谷物制品的营养价值,改善感官品质,增加功能活性上均发挥良好作用,但也存在一些弊端。如发芽过程中游离脂肪酸含量的增加也会提高食品脂肪酸败的风险;发酵是一个复杂的微生物代谢过程,会生成多种代谢产物,而且发酵过程中的条件要求严格,控制不当易产生不利的代谢物;酶解加工与前者相比虽然作用底物更明确,产物更为可控,但是酶制剂的价格相对较高,在一定程度上增加企业的生产成本[67]。综合考虑这三种生物加工方法的利弊,研究者们提出了取长补短、去粗取精的生物加工结合方法。曾波[68]以酶解后的发芽糙米为原料,经过高产乳酸菌发酵制备了具有保健功效的谷物发酵饮料,该饮品色泽均一、口感均匀细腻、酸甜适口,并具有独特的发芽糙米风味。贾富国等[69]采用纤维素酶和木聚糖酶的复合溶液替代蒸馏水浸泡发芽前糙米,使得发芽糙米得率及γ-氨基丁酸含量均有所提高。张冬媛等[70]利用高温α-淀粉酶和双螺杆挤压膨化处理发芽糙米,通过优化工艺得到冲调性良好且易消化吸收的糙米粉。采用多种生物加工技术相结合的方法可以生产得到品种丰富、高活性、易消化吸收的谷物制品。但是关于生物加工技术对谷物制品品质形成的内在机制的研究有待加强。

5 结语

谷物食品富含营养成分,对人类健康有很大益处。谷物加工过程中使用发酵、酶解和发芽等生物加工技术,能保留和改善谷物原本的营养价值、改良谷物制品口感风味,尤其在增加其功能性成分含量等方面具有一定优势。但是目前针对生物加工引起谷物制品中活性成分含量变化的研究多停留于表面现象的描述,而对于此现象背后的机制研究不多,且这些功能性成分进入人体消化系统后其生物利用度如何,生物加工过程中谷物中其他成分对于功能性成分的释放、消化和吸收有何影响,以及生物加工条件、操作方式等对谷物中功能性成分的生物利用度影响如何还缺乏深入系统的研究。此外,要生产符合现代消费者需求的谷物制品,所用的生物加工技术还有待进一步的改善与加强。

因而,未来可以开展如下相关工作:a.系统研究发酵、酶解和发芽等生物加工方式引起谷物中功能性成分含量变化的内在机制;b.以谷物制品中主要营养成分、功能性成分的生物利用度作为评价指标来选择适宜的生物加工方式、加工过程,以保证经加工后谷物制品中的营养物质、活性物质能最大限度地被人体利用;c.探讨加工过程对功能性成分生物利用度产生影响的主导因素,并研究其内在作用机制,以期为选择或设计最佳工艺条件提供理论指导;e.加强不同加工技术(不同生物加工技术或生物加工与其他加工技术)之间的结合,探讨生物加工技术在新型谷物制品开发中的作用以及对产品品质的影响,深入研究生物加工过程中谷物制品品质形成的科学机理,为研究开发高品质、高营养、生物利用度高的谷物制品提供理论参考。