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(1.南昌大学食品学院,江西南昌 330047;2.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

小麦、水稻和玉米是人类主要的粮食作物,也是我国的三大主粮。它们都是单子叶禾本科植物,其籽粒中的胚芽是三大主粮的“精华”部分,富含优质的蛋白质、脂肪、糖类、多种维生素和矿物质以及一些人体生理活性成分。胚芽在三大主粮籽粒中所占比例相对最少。在小麦籽粒中,胚乳部分占总重量的78%～83%,而胚芽仅占1.4%～3.9%;水稻籽粒中,胚乳部分占66%～67%,胚芽占2%～4%;玉米籽粒中,胚乳占80.0%～85.3%,胚芽占10%～15%[1-3]。相对而言,玉米籽粒中的胚芽所占比例相对较高。

胚芽中丰富的营养物质,符合现代人们对食品营养的需求。有食品加工企业据此开发出了一系列高营养价值的胚芽食品,如胚芽蛋白饮料、胚芽豆腐、胚芽保健食品等。然而,目前我国对三大主粮胚芽的综合利用率较低,主要停留在榨油层面,并且在三大主粮的加工过程中,由于籽粒中胚芽与胚乳结合不紧密,以及胚芽中含有不饱和脂肪酸的缘故,往往大部分被去除,成为副产物或其他加工的原料,这样不仅没有充分发挥胚芽的营养价值,还造成胚芽资源的极大浪费。如果食品加工过程中,通过改变营养物质的提取方法、改变食品的制作方法以及改进生产工艺等手段,做到物尽其用,可以提高三大主粮胚芽中各营养物质的利用率。因此,改进相应的生产加工技术和提升综合应用研究,将是未来胚芽食品研发的重点。本文综述了三大主粮的主要营养成分与生物活性成分,同时介绍了三种谷物胚芽在食品加工中的应用。

1　小麦、稻米和玉米胚芽的主要营养成分与生物活性成分

1.1　主要营养成分

小麦、水稻和玉米三大主要粮食作物籽粒中的胚芽营养丰富,其主要成分如表1[4]所示。

表1　小麦、水稻和玉米胚芽中部分营养成分的含量(%)Table 1　Nutrient content of wheat,rice and maize germ(%)

1.1.1蛋白质玉米胚芽蛋白质含量高于20%,是精白米中蛋白质含量的3～3.5倍[5],其中以清蛋白和球蛋白的含量相对较多,谷蛋白和胶蛋白含量较少。稻米胚芽蛋白是全价优质蛋白,其氨基酸组成较为平衡,人体必需氨基酸比例符合FAO/WHO的营养模式[6],因此,稻米胚芽蛋白作为优质植物蛋白营养源,也被称为稻米中的营养“黄金”[7]。王霞等[5]采用氨基酸全自动分析仪对玉米胚芽蛋白进行分析,发现玉米胚芽蛋白中含有异亮氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸等多种人体必需氨基酸。王茜等[8]研究表明,小麦胚芽中含有27%～30%的蛋白质,其必需氨基酸模式与人体生长所需氨基酸模式基本接近。小麦胚芽蛋白还具有良好的氮溶解度、起泡性、乳化性以及保水性,氨基酸比例平衡,是食品以及医疗产品良好的添加剂,具有市场产品开发前景[9]。

1.1.2碳水化合物在小麦、水稻和玉米胚芽中,碳水化合物主要为淀粉和膳食纤维。而其中的膳食纤维被称为人类的“第七大营养素”,适宜的膳食纤维摄入量,能帮助肠胃蠕动,促进食物的消化吸收;膳食纤维还具有强大吸水性,有利于粪便的排泄,防止便秘[10]。经常补充膳食纤维,不仅能保持健康的体质,还能有效预防冠心病、糖尿病等多种疾病。英国国家顾问委员会建议膳食纤维摄入量为人均25～30 g/d;美国FDA推荐成人的总膳食纤维摄入量为20～35 g/d;2000年,我国营养学会提出成年人膳食纤维适宜摄入量为30 g/d[11]。赵福利等[12]从我国小麦主产区河南、山东、河北、江苏、安徽、陕西、北京、内蒙古自治区以及黑龙江共9个区域,收集了12个代表性小麦样品,对胚芽中碳水化合物的含量进行了分析和比较,结果发现:总糖平均含量占麦胚芽总重的32.75%,总淀粉约占总糖含量的44.73%,膳食纤维总糖含量的2%～3%[13]。泰国学者Moongngarm等[14]曾经分析了泰国玛哈沙拉堪省(Mahasarakham province)的4种稻米胚芽中的糖类,总糖含量为26.29%～30.96%,膳食纤维含量在9.52%～17.42%之间。Sun[15]等人研究发现,商业玉米胚芽粉中淀粉含量为22.18%左右,总膳食纤维可达11.15%。

1.1.3脂肪酸亚油酸是人体必需脂肪酸,可预防或减少心脑血管病的发病率,能起到防止人体血清胆固醇在血管壁的沉积,具有防治动脉粥样硬化及心脑血管疾病的效果。Mahmoud[16]、刘玉兰[17]以及盛灵慧[18]等分别对小麦胚油、稻米胚油以及玉米胚油的成分进行了分析检测。结果发现:稻米胚芽油、小麦胚芽油和玉米胚芽油所含的脂肪酸中,油酸(C18∶1)、亚油酸(C18∶2)和亚麻酸(C18∶3)三种不饱和脂肪酸所占比例最高。刘玉兰等[17]还发现,在小麦胚芽的脂肪酸中,总饱和脂肪酸占19.07%,总不饱和脂肪酸占80.93%;张晖等[19]检测结果表明,在稻米胚芽油中,总饱和脂肪酸占21.81%,总不饱和脂肪酸占76.45%;在玉米胚芽油中,总饱和脂肪酸占86%,总不饱和脂肪酸占85.5%[20]。刘玉兰等[17]还发现,米胚油的酸值明显低于米糠油。因此,稻米胚芽是提炼高品质食用油的优质原料。

1.1.4维生素及矿物质维生素和矿物质在人体内相对含量较少,但也是人体必需的营养素。小麦、水稻和玉米胚芽中富含VE和B族维生素,被称为天然VE的“营养库”。有研究发现,在小麦胚芽中,VE的含量高达69 mg/100 g[21]。在小麦胚芽中含有2.1 mg/100 g VB1和0.6 mg/100 g VB2;稻米胚芽中的蛋白质和矿物质含量均优于商业大米,维生素B1和B2含量分别为4.49、0.68 mg/100 g;在玉米胚芽中,VB1和VB2的含量分别为2.38、1.43 mg/100 g[4]。

三大主粮胚芽中也含有丰富的镁、磷、钾、锌、铁、锰、硒等矿物质。Garcia等[22]测定了三种主粮中常量元素磷、钾、镁,结果表明,玉米胚芽中分别为2.42%、2.32%、1.44%;小麦胚芽中分别为1.69%、1.36%和0.43%。稻米胚芽中的铁、镁、锰、钾、锌等矿物质含量分别为11～49、600～1530、12～14、380～2150、380～2150 mg/100 g[23]。

通过一定技术的加工,小麦胚芽、玉米胚芽和米胚芽均可作为营养健康的天然保健原料,广泛运用于食品保健、医药和化妆品行业。

1.2　生物活性成分

1.2.1黄酮类物质黄酮类物质在自然界分布非常广泛,它们绝大多数是含羟基的黄酮衍生物,黄酮母核上还可带有甲氧基或其他取代基。现已确认的黄酮类化合总数达4千多种,根据其分子结构可分为黄酮醇类、黄酮类或黄碱素类、黄烷酮类、黄烷醇类、花青素类、原花青素类、异黄酮类等。小麦胚芽中含有多种黄酮类物质。早在1931年Anderson等[24]就从小麦的乙醚提取物中分离出了麦黄酮(tricin)。Leoncini等[25]对意大利本土6种小麦籽粒提取物中黄酮物质进行了分析,检测到碳苷类黄酮6种,氧苷类黄酮1种,同时还检测到了具有生理活性的芪类化合物以及其他5种酚酸类化合物。稻米胚芽中的黄酮类物质则主要以2-苯基色原酮为母核,以花青素类黄酮化合物为主要组成。侯锐骁等[26]采用气相色谱-质谱联用仪,对我国6个省市地区当地售卖的稻米中黄酮化合物进行了分析,结果表明,稻米因产地不同,黄酮含量存在差异,辽宁省的稻米黄酮含量最高。雒江菡等[27]对玉米胚芽中的黄酮物质进行的提取和分析结果表明,玉米胚芽中的总黄酮物质约为2.46%,而且玉米的颜色和品质影响其黄酮物质的种类和含量。Lago等[28]的研究结果则表明,西班牙西的加利西亚的白色硬质玉米(Zeamaysssp.mays)中的黄酮物质主要是花青素类化合物。另外,Ramos-Escudero[29]在研究紫色玉米(ZeamaysL.)中酚类物质抗氧化特性时发现,玉米中的黄酮物质包括黄酮醇类、黄酮类、黄烷醇类以及花青素类等[30]。

表2　不同品种的玉米籽粒中所含各类植物甾醇的量(mg/kg)[43]Table 2　Phytosterols in different corn grains(mg/kg)[43]

黄酮类化合物大都具有药理作用,能够降低血管的脆性及改善血管的通透性、降低血脂和胆固醇;有些黄酮物质还能够抗机体氧化[31]。人体过量的自由基会引起生物分子,如脂类、蛋白质和DNA的氧化损伤,导致慢性疾病及一般炎症反应和组织损伤。黄酮类物质通过与人体内氧化应激自由基相结合,推迟或预防细胞凋亡[32],从而达到抗衰老功能。此外,黄酮类物质还具有抗肿瘤,抗过敏等功效[33]。

1.2.2植物凝集素植物凝集素是一类包含有至少一个能可逆结合单糖或寡糖非催化区域的糖蛋白。小麦胚芽凝集素是非共价相互作用稳定的同二聚体凝集素。Murdock等[34]用17种植物凝集素饲喂昆虫四纹豆象,发现麦胚凝集素的防治效果最好;而Peumans等[35]发现,麦胚凝集素能够抑制绿色木霉孢子的萌发和菌丝生长。Yoshiho[36]等通过对麦胚芽凝集素的组成进行研究,发现麦胚芽凝集素富含半胱氨和甘氨酸。常慧萍等[37]采用甲壳素亲和层析的方法,对小麦胚芽中的凝集素进行分离纯化,纯化倍数高达115.9,凝集素的产率为0.566 mg/g。薛如娟等[38]研究表明水稻凝集素组成中甘氨酸含量最高,酪氨酸含量最低且水稻凝集素含量占胚内总蛋白的0.12%。Martinez-Cruz等[39]研究表明玉米胚芽鞘中凝集素主要含有甘氨酸、谷氨酸和天冬氨酸,而半胱氨酸含量最少。植物凝集素对植物有许多很重要的生理作用,是一种很好的抗诱变剂。植物凝集素的抗病虫作用与糖结合专一性有关。由于植物凝集素与虫害特定的作用机理,具有对环境无污染,稳定性好及对高等动物相对安全等优点,成为防治病虫害的重要研究对象,促进农业的可持续。医学研究发现[40-41],植物凝集素可介导体内多种生理过程。植物凝集素通过诱导细胞膜表面上的糖类和蛋白质的相互作用,参与宿主细胞被细菌和病毒感染的初始步骤、胚胎发育中的细胞分化以及肿瘤转化相关过程。对生物化学、细胞生物学、免疫学、组织器官学以及医学研究都有重要意义。

1.2.3植物甾醇植物甾醇是一种化学结构和生物结构与胆固醇相似的三萜类化合物,主要有游离甾醇、甾醇酯、甾基糖苷和酰基化甾基糖苷四种形式。植物甾醇种类繁多,至今发现已有100多种。植物甾醇在小麦胚芽油和大米胚芽油中的比例分别为1.3%～1.7%、2.5%～3.6%[4]。玉米胚芽中的植物甾醇含量在植物界居于首位,可高达633 mg/100 g[42]。Harrabi等[43]对植物甾醇和植物甾醇在玉米粒中的分布进行了研究,结果发现不同品种的玉米胚芽中,各类植物甾醇的含量也不同,玉米籽粒的各部分都含有植物甾醇和植物甾烷醇成分,其中果皮和胚乳部分中植物甾醇含量较高,具体结果如表2所示。

国外将植物甾醇应用于保健品中预防慢性疾病,在改善患者健康状况的同时,也极大地提升了人体的免疫力。Burruano等[44]研究发现,植物甾醇在人体内能抑制胆固醇的吸收,从而降低胆固醇和血清低密度脂蛋白,从而具有抗氧化、抗炎等功效[45]。另外,Rideout等[46]对叙利亚黄金仓鼠的研究发现,植物甾醇可以通过多种机制调节肠道脂肪酸代谢,研发出了能预防因饮食诱导的高甘油三酯血症的功能保健食品。总之,植物甾醇在降低血液胆甾醇含量、抑制肿瘤、防治前列腺肥大、抑制乳腺增生和调节免疫等方面都有重要作用[47]。被广泛应用在食品、保健、医药以及化工等领域。

1.2.4谷维素谷维素是以环木菠萝醇类为主体的阿魏酸酯和甾醇类的阿魏酸酯所组成的一种天然有机化合物。受热后可溶于各种油脂,不溶于水。天然的谷维素主要来自于谷糠油和胚芽油等谷物油脂中。小麦胚油、稻米胚油及玉米胚油都含有一定数量的谷维素。Kim等[48]通过对33种不同颜色的稻米进行研究发现,大多数的稻米的米糠油和米胚油中含有较高的谷维素,其中红色稻米含量最高。而Bhatnagar等[49]对商业加工米糠中用于生产碎米、米胚芽和纯麸皮的研究中,通过分析米糠的不同部位,表明碎米和米胚芽部分是谷维素类、生育酚类以及生育三烯酚类的良好来源,其中米胚芽中含有谷维素(874±7) mg/kg。杨嘉伟[50]的分析对比实验结果表明,玉米胚芽油中谷维素平均含量为120 μg/g,玉米酒糟油中为814.1 μg/g。谷维素能有效地改善人体的肠胃功能,降低血脂和胆固醇,同时对周期性神经病、脑震荡,更年期综合症等方面具有重要作用。另外,Eslami[51]证实,适当补充谷维素有利于增加年轻健康男性的肌肉力量。Sakai等[52]采用脂多糖(LPS)模型,研究了谷维素的抗炎作用,结果显示小麦谷维素可能通过抑制血管内皮细胞中的 NF-κB活性而产生抗炎作用。近年来发现,谷维素对消化性溃疡、慢性荨麻疹、高脂血症、室性快速心律失常、Ⅱ型糖尿病、小儿神经性尿频等也有一定作用[53]。

2　胚芽的应用

2.1　制备天然植物蛋白饮料

胚芽蛋白饮料是一种中性的天然植物蛋白饮料,富含人体所需氨基酸成分,不仅具有良好的风味,还能实现动植物蛋白互补,更好地满足人们对产品天然、绿色、健康、营养等品质的需求。

李书国等[54]以小麦胚芽为原料,配以蔗糖、鲜牛乳、卵磷脂、维生素及钙、铁等营养强化剂,获得了一种营养价值高于豆奶,并且具有降血脂、抗衰老、抗疲劳等营养保健功能的植物蛋白饮料。吕小义等[55]对小麦胚芽乳酸发酵饮料的工艺进行了研究,发现接种量8%,温度45 ℃,发酵时间18 h,产品酸度80～85°T,总糖5.3 g/100 mL,pH4.43,此时产品的品质最佳,并且最大的保留了小麦胚芽的营养价值。王领军等[56]研究了大米胚芽饮料的最佳制备工艺,并对其稳定性进行了研究,实验发现,稻米胚芽在浸泡温度45 ℃,经过浓度为1.0 g/kg的NaHCO3浸泡120 min后,大米胚芽饮料的品质最好(蛋白质提取率34.89%,脂肪提取率48.32%,固形物提取率36.37%)。实验中再添加使用0.15%的酪朊酸钠、0.1%的卵磷脂、0.15%的海藻酸钠作为乳化剂,产品具有良好的稳定性,达到了工业化的要求。徐玉娟等[57]采用超临界 CO2萃取技术确定了玉米胚芽蛋白饮料的最佳工艺条件,从而使生产出的产品组织结构均匀、色泽乳白、口感柔和、味道酸甜适口、风味独特并具有较好稳定性。

在谷物提取胚芽蛋白加工应用方面上尚有许多需要探索和完善之处,例如提高蛋白的提取率以及如何完好地保留住蛋白的活性和营养价值。

2.2　制备功能性胚芽油

胚芽油是以胚芽为原料制取的一种谷物胚芽油,富含VE、亚油酸、亚麻酸、二十八碳醇及多种生理活性组分,是重要的功能食品原料,具有很高的营养价值。

目前植物胚芽油的提取方法主要有酶解法、压榨法、浸出法、超声波提取法和超临界萃取法。Shao等[58]采用超临界CO2技术提取小麦胚芽油,结果表明:在压力35 MPa,温度50 ℃,溶剂流速22.5～25 L/h的条件下萃取1 h,不仅可以降低溶剂的消耗和提取时间,提取的小麦胚油产量也较高,约为10.15%。张晓红等[59]采用先酶解后冷榨的方法,确定了低温下“酶解冷榨法”提取的最佳工艺参数,这种提取方法虽油脂提取率较低,但所提取到的油脂活性较高,这种联合提取的手段,为胚芽油的提取提供了新工艺。

我国的小麦、稻米、玉米胚芽资源非常丰富,通过开辟新的植物油源,得到高品质、有益于人体健康的植物油,还能够有效的减少胚芽资源的浪费,从而提升经济效益和生态效益。

2.3　胚芽在面粉及其制品中的作用

馒头、面包等日常生活中经常食用的面制品,通过添加小麦胚芽提高它们营养价值并改善理化性质,对人体补充所需营养具有非常重要的意义。随着近几年我国面粉企业规模化的发展,也为小麦胚芽的深加工提供了充足的原料保证[60]。

Sun等[61]研究了小麦胚芽粉添加成分对面粉、面团及馒头加工特性的影响,实验发现:加入适量的小麦胚芽粉(3%～6%)可以提高馒头的质量。Ma等[62]研究表明:添加小麦胚芽可增加面团的湿面筋含量,馒头的营养成分也得到强化;但与未添加麦胚的面粉相比,馒头面筋指数下降。高翔等[63]在对小麦胚芽面包工艺进行研究时,将添加15%～20%小麦胚芽的面包与奶油面包进行了对比,实验发现,除了糖、脂肪含量较低之外,小麦胚芽面包蛋白质高达19.9 g/100 g,纤维素6.4 g/100 g,铁26.7 mg/100 g,锌5.2 mg/100 g,VE11.2 mg/100 g,远高于奶油面包。罗勤贵等[64]将脱脂后的玉米胚芽粕用于面包的制作中,实验结果表明,玉米胚芽粕可以用于面包的生产,但为了使面包品质不受较大影响,脱脂玉米胚芽粕的添加量应不超过50 g/kg。Tsen[65]在普通玉米中添加12%的脱脂玉米胚芽粉加工制作玉米胚芽蛋糕;而在小麦粉中通过添加12%玉米胚芽蛋白粉制作得到营养强化面包,其产品外观与口感与普通面包无明显差异。日本有一公司在对米胚芽的研究中,将米胚芽开发成米胚芽粉末,在面类制品中添加1%～5%,在面粉制品中,以小麦粉计,可添加1%～10%[66]。

2.4　其它应用

2.4.1小麦胚芽豆腐日本研究人员曾尝试以小麦胚芽为原料,制成了小麦胚芽豆腐,其风味好、营养价值高,并且制造方法简单。具体的制作方法是:先将小麦胚芽用热水浸泡,送入高温蒸气粉碎机中粉碎。然后将一定比例的小麦胚芽粉碎液混入豆浆中,添加适当的凝固剂使其凝固,便可得到麦胚豆腐。也可通过将小麦胚乳细磨制粉,作为原料与大豆粉混合,再经制浆、凝固等工序制成麦胚豆腐[67]。

2.4.2小麦胚芽油涂抹食品刘然等[68]研制了一系列高VE含量的小麦胚芽油涂抹食品,其以可可粉、水果和蔗糖等为原料,通过添加小麦胚芽油制成各种新型保健涂抹食品。例如,采用高VE小麦胚芽油制成低糖或无糖的糖尿病人专用涂抹食品。高VE小麦胚芽油制成的各类面包制品,口感柔软,特别适合老年人食用。

2.4.3生物活性玉米肽食品生物活性肽是天然氨基酸构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称,具有多种生理调节功能且食用安全性极好。张鸣镝等[69]研究表明,玉米胚芽蛋白酶解物具有提高机体免疫的功能,是良好的非特异性免疫激活剂。通过一定的技术,将玉米胚芽酶解物中提取出的玉米肽,制成玉米肽糙米胚芽片食品,将是未来胚芽食品的重要研究课题。

目前市场上,小麦、稻米和玉米胚芽还相继被用来制备高钙低脂、高蛋白的夸克干酪,以及价格低廉的酿造酱油等食品。尽管如此,还应扩展对胚芽应用的研究,使胚芽食品多元化、商品化、品牌化,进一步提高胚芽的综合利用率。

3　总结与展望

随着人们生活水平的提高,人们对植物胚芽的营养组成、活性成分及其保健功能的认知程度也在不断地提高,谷物胚芽产品的开发潜力巨大。虽然胚芽独特的营养特性受到国内研究者的重视,研究日益深入,逐步扩展,但胚芽食品的研发应用仍存在一些问题:一是胚芽原料资源品种众多、产地分散,质量参差不齐。小麦有硬质小麦和软质小麦等品种;稻米有籼稻和粳稻之分;玉米则可以分为硬粒型、马齿型、粉质型等几类。因此,从中提取的胚芽也会明显差异。二是胚芽贮存困难,由于谷物胚芽中生物活性成分较多,尤其是不饱和脂肪酸,VE等物质,很容易发生腐败变质,导致胚芽最终失去营养价值和加工价值。三是对胚芽开发与利用的力度不够,谷物胚芽的加工商品品种少,玉米胚芽油是目前我国已经商业化的和认知度最高的谷物胚芽产品。其他产品大都是实验研究产品或认知度不高。四是胚芽食品相关的标准及其相应的食品法规还不够完善。总之,今后需要对食物胚芽加工利用做更全面、更深一步的研究与探索,充分发挥在食品、医药、保健等各领域的应用,造福于民。

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