假谷物的營養(yǎng)及加工應用研究進展

谷物作為人類日常飲食中淀粉、蛋白質、膳食纖維、礦物質等營養(yǎng)素的主要來源之一，不僅能夠提供能量，而且滿足人體日常營養(yǎng)的攝入，例如小麥、大米、玉米。隨著全球人口增加、生態(tài)環(huán)境惡化，目前谷物產量難以滿足正常的糧食供應，還影響著糧食安全及營養(yǎng)結構，導致人類健康問題突出[1]。出于這些原因，人們將目光轉向與其組成成分和功能相似的假谷物上。

本文從歷史起源、營養(yǎng)成分、營養(yǎng)功能、加工處理方式以及食品應用方面綜合敘述假谷物的研究現(xiàn)狀，分析假谷物產業(yè)存在的問題，以期為未來假谷物的新加工技術的研究開發(fā)和食品加工應用提供一定的理論依據。

1 假谷物的發(fā)展及國內外研究

從植物學的角度出發(fā)，籽粒莧、蕎麥以及藜麥并不是真正意義上的谷物，它們屬于雙子葉植物，而大多數谷物(例如：小麥、大麥、玉米等)是屬于單子葉植物，由于其成分和功能與真正的谷物相似，所以將其稱為“假谷物”。如圖1所示，假谷物籽粒的形態(tài)結構與小麥、玉米等谷物有顯著不同，其中藜麥和籽粒莧外形呈圓形，蕎麥外形呈三角形，并且藜麥和籽粒莧的直徑小于蕎麥[2-3]。從歷史起源來看，籽粒莧和藜麥最早起源于印加帝國是為當地的主食，距今已有幾千年的歷史，在20世紀80年代，才逐漸被引入北美、歐洲、亞洲等地區(qū)且成功種植[4]，根據世界糧農組織報告顯示，2014年全球藜麥產量在11.46萬t左右。蕎麥最早起源于中國，距今已有1 500多年的歷史，其中甜蕎和苦蕎已經傳播至世界各地，中國和俄羅斯作為最大的生產國，2018年產量分別約為120萬t、100萬t[5-6]。

圖1 3種假谷物的外形結構
Fig.1 The appearance and structure of 3 kinds of pseudo cereals

國外對于假谷物的研究比較早，對其營養(yǎng)成分、功能特性、加工方式以及在食品中的應用都有深入研究，美國谷物化學家協(xié)會早已將這幾種假谷物劃分在可供人類使用的谷物名單中，并且作為一種補充食物，根據不同年齡階段的人群膳食參考值設定每人每天的推薦攝入量。

國內對于假谷物的研究起步較晚，前期的研究主要集中在假谷物的育種培育方面(例如種類、產量、耐受性等)，后期主要是對家谷物營養(yǎng)成分以及功能特性的研究開發(fā)，但是國內對于假谷物的研究有要很長的路要走，其次將其應用到食品、工業(yè)以及醫(yī)藥等領域還有很大的潛力。

2 營養(yǎng)成分及價值

2.1 碳水化合物

淀粉作為所有谷物中最重要的碳水化合物，不僅能夠滿足人體日常需求，而且還決定著食品加工的質量。研究發(fā)現(xiàn)，籽粒莧、蕎麥、藜麥的淀粉顆粒比普通谷物的淀粉顆粒小，且呈多邊形；而蕎麥(6～7 μm)淀粉顆粒平均直徑大于籽粒莧和藜麥(1.5～2.5 μm)，且直鏈淀粉(20%～28%)含量高于籽粒莧(0.5%～14.9%)和藜麥(3%～22%)。由于其淀粉的結構以及直、支鏈淀粉的比例，使得其淀粉比普通淀粉具有良好的凍融穩(wěn)定性，常被應用于冷凍食品以及食品的抗老化中[7-8]。此外，假谷物中淀粉主要是由D-木糖和麥芽糖組成，但葡萄糖和果糖的含量較低，故血糖生成指數很低[9]。膳食纖維作為碳水化合物的一種，包含非淀粉成分以及不易消化的糖類，隨著攝入量的增加，可以促進飽腹感，降低膽固醇和脂質吸收，還可以改善腸道微生物群結構，增加腸道對礦物質的吸收[10-11]。

2.2 蛋白質

籽粒莧、蕎麥、藜麥中的蛋白含量高于普通谷物，根據其溶解度的不同分為球蛋白、白蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其中的蛋白質主要由球蛋白和白蛋白組成，并且?guī)缀醪缓泄却既艿鞍?，使其適合乳糜瀉患者[3]。此外，假谷物由于有豐富的氨基酸且分布平衡，特別是賴氨酸、蛋氨酸、谷氨酸是合成左旋肉堿和γ-氨基丁酸的前體物質，具有一定的抗氧化和調節(jié)血壓的功效[12]。

2.3 脂質

與大多數谷物相比，假谷物具有很高的脂質含量，且不飽和程度較高，其中亞油酸(藜麥中52%，莧菜中46.3%，蕎麥中36.4%)是最豐富的不飽和脂肪酸、其次是油酸(蕎麥中33.9%，藜麥中24%，籽粒莧中23.1%)，而其他不飽和脂肪酸含量較低，例如α-亞麻酸(藜麥中占總脂肪酸的6.76%，蕎麥中2.38%，籽粒莧中0.96%)，對于飽和脂肪酸，其中棕櫚酸較為豐富(籽粒莧中18.9%，蕎麥中14.3%，藜麥中9.8%)[13-14]。有研究表明，增加n-3系列脂肪酸的攝入會減少與許多退化性疾病相關的生物標志物，如心血管疾病、癌癥、骨質疏松癥、炎癥等[15]。

2.4 維生素和礦物質

維生素作為人類生命活動中所必需的化合物。籽粒莧、藜麥、蕎麥都是核黃素、葉酸、維生素E的極好來源。KOZIO等[16]報道藜麥中核黃素含量為0.39 mg/100g，維生素E含量為5.37 mg/100g，是小麥含量的5倍。GAMEL等[17]研究發(fā)現(xiàn)籽粒莧中葉酸含量(0.102 mg/100g)是小麥(0.04 mg/100g)的2.5倍。對于礦物質而言，籽粒莧、藜麥、蕎麥中磷、鎂、鉀的含量較高。

表1 假谷物與谷物之間的營養(yǎng)成分比較[13-14]
Table 1 Comparison of nutritional content between pseudo cereals and grains

注：-表示無數據

2.5 其他生物活性物質

對于生物活性物質，假谷物中除了含有豐富的多酚、類黃酮外，蘆丁作為類黃酮化合物之一，常存在于谷物胚胎中，且研究表明苦蕎麥中蘆丁含量要高于甜蕎麥，具有減緩疲勞、降低膽固醇、抑制病毒的作用[18]；D-手性肌醇在結構上與葡萄糖相類似，它在蕎麥中的含量豐富，研究人員發(fā)現(xiàn)其對人體的代謝異?；蚵约膊∫灿兄e極的調節(jié)作用[19]。植物脫皮激素作為植物次生代謝產物之一，其在藜麥中含量較為豐富，GRAF等[20]發(fā)現(xiàn)植物脫皮激素在藜麥中含量為0.138～0.517 mg/g，其中 20-羥基脫皮素在植物脫皮素中占比很高，且具有降血糖、血脂的功效。角鯊烯作為有一種萜烯類化合物，主要來自于海洋動物的肝油中，后來在籽粒莧中也有發(fā)現(xiàn)，具有一定的增強免疫、抗疲勞、抗衰老的生理功能[21]。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)甜菜堿在假谷物中也有少量的存在，其是一種含氮且耐熱的有機化合物，盡管是非必需的營養(yǎng)素，但是在食品的加工中較為穩(wěn)定且可被利用，還具有預防慢性疾病的功效[22]。

除了基本的營養(yǎng)物質外，假谷物中還存在抗營養(yǎng)因子，例如植酸、單寧、凝集素、蛋白酶抑制劑、皂苷等，它們都是植物面對外部不良因素產生的次生代謝物，具有一定的生物功能。但是，它們的存在會嚴重影響谷物中其他營養(yǎng)素的消化、吸收，例如植酸與谷物中的礦物質元素發(fā)生螯合，降低礦物質的吸收[23]；而皂苷和槲皮素作為藜麥和蕎麥中較為豐富的一種苦味物質，會嚴重影響產品的適口性[24-25]。

3 處理方式

3.1 熱處理

熱處理作為谷物處理中應用最廣泛的方式之一，主要包括微波、蒸煮、煮沸、烘烤、擠壓等。在整個處理過程中，谷物不僅發(fā)生物理變化(淀粉糊化、直鏈-支鏈淀粉的比例、蛋白質變形等)，而且還發(fā)生了化學變化(營養(yǎng)成分的熱降解、解聚、重組)，最終導致加工特性發(fā)生改變[26]。其中蒸煮、煮沸、擠壓屬于水熱處理，受溫度和水分的影響較大；等[27]通過水熱處理(95 ℃浸泡20 min)苦蕎麥來阻礙蘆丁的降解，最終在面包的制作過程中26%的蘆丁被保護不被轉化為槲皮素。其次，由于蘆丁、槲皮素與蕎麥淀粉之間的相互作用力，導致蕎麥淀粉在糊化過程峰值溫度、終止溫度和糊化焓降低，淀粉糊的谷值和最終黏度增加，還降低了蕎麥淀粉凝膠的硬度、內聚力以及老化焓，同時提高了水結合能力[28]。而微波和烘烤屬于干熱處理，主要受溫度和加熱時間的影響，在整個處理過程中對谷物中的營養(yǎng)組分含量以及食品的風味和色澤造成一定的影響，這主要是谷物中氨基酸和還原糖之間發(fā)生美拉德反應以及糖之間的焦糖化反應，產生不同風味和顏色的化合物導致的[29-30]。還有研究者在不同的熱處理之間進行工藝比較，如周洋等[31]以藜麥為原料，對藜麥進行擠壓膨化、蒸汽、烘烤處理，結果表明3種處理方式均可以降低藜麥的苦澀味，這也對有效降低藜麥中苦味提供參考價值。蒸汽爆破作為一種新興的處理方式被利用在食品加工工藝上，它主要是通過瞬時高溫高壓蒸汽的作用對食品的結構和成分做出改變，何曉琴等[32]利用不同強度的蒸汽爆破處理苦蕎麩皮中的不溶性膳食纖維，使其理化性質和結構發(fā)生變化，結果表明不溶性膳食纖維的表面發(fā)生破裂，表面積減小，持水力、持油力、膨脹度降低，而對α-淀粉酶抑制力、葡萄糖吸收能力以及體外發(fā)酵能力顯著提高。還有MUYONGA等[33]對籽粒莧進行烘烤和爆破處理，發(fā)現(xiàn)了這2種熱處理方式使得蛋白質的消化率降低，總酚含量和抗氧化性增大，還有烘烤處理后的籽粒莧粉的黏度值大于爆破處理的。

3.2 發(fā)酵和萌芽處理

谷物的發(fā)酵和萌芽過程都是由酶參與的化學反應，通過促進淀粉酶、蛋白酶、半纖維素酶、植酸酶等，使植物中的營養(yǎng)成分和抗營養(yǎng)成分的比例發(fā)生變化，從而影響產品的生物活性和消化率[34]。對于假谷物的發(fā)酵，目前按照發(fā)酵形式分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵，主要利用的微生物有乳桿菌、根瘤菌，黑曲霉、低孢根霉等，CASTRO-ALBA等[35]利用乳桿菌的自發(fā)發(fā)酵過程對藜麥以及籽粒莧粉中的植酸鹽降解，從而提高對粉體中礦物質利用度以及營養(yǎng)價值。種子萌芽作為一種生物技術，過程中發(fā)生的化學反應會促使籽粒結構的修飾和較高生物活性物質的合成，例如γ-氨基丁酸、β-葡聚糖等，可以增加籽粒的營養(yǎng)價值和穩(wěn)定性，其次可以調節(jié)食物的感官風味[36]。OLAWOYE等[37]通過對籽粒莧采用發(fā)酵(30 ℃，96 h)和發(fā)芽2種獨立的方式處理，發(fā)現(xiàn)籽粒莧體外蛋白質消化率提高、抗氧化活性 (DPPH) 和金屬螯合活性增加以及單寧、草酸鹽、皂苷的含量顯著減少。

3.3 輻照處理

傳統(tǒng)輻照技術應用在食品中滅活微生物，來延長食品的貨架期。近些年，聯(lián)合國糧農組織以及國際原子能機構會議報告稱，任何劑量的輻照食品都是安全可靠的，經過輻照后的食品理化特性和營養(yǎng)特性會發(fā)生一定的變化，例如產生的自由基導致糖苷鍵的裂解，從而將大分子多糖轉變成較小的片段以及總蛋白含量和可溶性氨基酸減少[38]。目前，輻照技術在假谷物中的應用包括γ-射線、電子束、超聲波等，它們都會對谷物中的基本營養(yǎng)成分造成影響，如淀粉的熱力學性質、糊化度、結晶度、溶解性等。DU等[39]用電子束照射藜麥后，發(fā)現(xiàn)用大于4 kGy的輻照劑量輻照藜麥時，藜麥面粉的溶解度顯著增加；隨著輻照劑量的增加，藜麥中淀粉顆粒的平均大小以及直鏈淀粉、易消化性和抗性淀粉含量逐漸增加，而藜麥淀粉的黏度和結晶度顯著下降。

3.4 碾磨處理

碾磨是將原料經過物理機械作用將其轉化成更細的便于二次加工的初產品?，F(xiàn)有的碾磨技術有球磨、超微粉碎、錘磨、輥磨等，它們都是通過改變谷物顆粒的大小來影響其營養(yǎng)成分的含量、加工特性以及感官品味。HUANG等[40]研究了超微粉碎處理對蕎麥淀粉的熱力學特性、糊化特性、形態(tài)和結構特性的影響，結果表明超微粉碎不僅改變了蕎麥淀粉顆粒的形態(tài)結構而且降低了蕎麥淀粉的相對結晶度、峰值、谷值和最終黏度值，反而透光率、溶脹力、溶解度以及持水力是增加的。SAKHARE等[41]利用輥磨對籽粒莧進行研磨處理得到可變成分的餾分，這樣極大地滿足了不同食品配方，而且還具備獨特的營養(yǎng)成分和功能特性。此外，噴射研磨作為一種新興的、耗能低、可減小顆粒尺寸的技術，可生產超細粉末[42]。

3.5 高壓處理

高壓技術作為一種非熱加工技術，主要被用于食品加工過程中的滅活內源性酶和微生物，來延長保質期。與傳統(tǒng)加工處理方式相比較，高壓處理不僅在很大程度上保留了食物自身的質量屬性，而且還能夠改變成分的功能。ZHU等[43]利用高靜水壓技術對藜麥粉進行處理使其粉體的理化性質發(fā)生改變，結果表明經過高靜水壓處理的藜麥粉中總酚含量增加，而黏度和體外消化率降低。還有LINSBERGER-MARTIN等[44]將籽粒莧和藜麥通過高靜水壓處理后，研究它們中淀粉的變化發(fā)現(xiàn)經過處理后的淀粉膨脹度均增加，并且當壓力超過350 MPa時，隨著壓力的持續(xù)增加，藜麥中抗性淀粉的含量增加，而籽粒莧中抗性淀粉的含量在任何壓力下都小于原籽粒莧粉。

4 在食品中的應用

乳糜瀉作為一種常見的腹腔疾病，是腸道對麩質較為敏感的原因所致，目前只是通過攝取無麩質的食品來治療[3]。而藜麥、籽粒莧、蕎麥作為假谷物的代表物，因為不含有谷醇溶蛋白而被受關注。其次，近些年低血糖生常指數(low-glycemic index，low-GI)的食物開始出現(xiàn)在人們的日常飲食中，因為研究發(fā)現(xiàn)高GI食物的飲食與人們患有心血管疾病、糖尿病、肥胖以及癌癥有一定的關系。為降低GI，人們發(fā)現(xiàn)假谷物中蛋白質、膳食纖維、酚類化合物、抗性淀粉均能夠很好地控制人體內膽固醇、血壓、血糖等水平，所以根據這些性質開發(fā)了針對特定人群的產品[45]。如下：

(1)面食制品。傳統(tǒng)面食制品都有是由小麥粉作為主要原料來制備，但是由于小麥粉中含有大量的醇溶蛋白，使得麩質敏感性人群對其產生抗拒，而目前無麩質面食品主要還是采用玉米及大米淀粉較多，雖然能夠解決一部分麩質敏感性問題，但是它們這類產品的外形以及口感相對較差，其次營養(yǎng)價值低，使用具有高營養(yǎng)價值和功能特性的藜麥、蕎麥和籽粒莧等假谷物可以提高無麩質面制品的質量和保質期[46]。

(2)膨化制品。通過利用擠壓膨化技術生產一類方便、即食的食品，盡可能保證了假谷物原有的營養(yǎng)成分，而且還改善了口感。楊芙蓮等[47]利用微波膨化的技術，通過控制微波功率(720 W)和微波時間(70 s)證明了微波可以實現(xiàn)蕎麥脆片的膨化。

(3)發(fā)酵制品。相比于傳統(tǒng)谷物，藜麥、蕎麥、莧菜中含有豐富的淀粉、蛋白質以及氨基酸，能夠滿足酵母在發(fā)酵過程中的代謝需求，其次它們中的脂肪不易發(fā)生氧化以及含有的天然抗氧化劑，使得在啤酒等發(fā)酵產品的貯存過程中不會產生不良氣味。BOGDAN等[48]利用未萌芽的藜麥和籽粒莧代替部分啤酒生產中的麥芽，使其啤酒中的氨基酸和脂肪酸重新分布，改善發(fā)酵效率和風味。其次，這類發(fā)酵產品比較適用于乳糜瀉人群[2]。

(4)飲料制品。隨著消費者對健康和保健意識的提高，提升了對具有功能和治療特性飲料的需求，假谷物除了可替代小麥、稻米等這類主食外，它們所富含具有健康特性的生物活性植物化學物質，如酚類化合物、類胡蘿卜素、膳食纖維、植物甾醇、γ-谷維素、γ-氨基丁酸、β-葡聚糖等，因此具有加工成功能性飲料的巨大潛力[49]。例如祁海平等[50]以黑苦蕎為原料，經過烘烤、浸提、調配得到清涼可口、有保健功效的飲料，這些復合飲料在一定程度上不僅滿足消費者的需求，而且也調和了假谷物帶來的適口性差的問題。

(5)芽菜食品。因其具有藥用和食用價值，它們中含有豐富的必需氨基酸、維生素、礦物質、酚類、黃酮類、類胡蘿卜素(β-胡蘿卜素和番茄紅素)以及葉綠素，這些潛在的營養(yǎng)素大大地提高了消費者對它們的興趣[51]。

(6)肉制品。由于假谷物自身具備的特定成分，如高質量的蛋白質，其中必需氨基酸的含量也很高(賴氨酸、蛋氨酸)，它們很大程度上可以替代肉中的蛋白；其次，高膳食纖維低脂肪的特性，使得它們可以作為肉制品中的脂肪替代物；而淀粉除了可以作為凝膠劑外，其中含有的活性成分可以有效地防止肉制品中脂質氧化[52]。所以，這也為假谷物添加到肉類制品提供了新的思路和方向。

(7)嬰幼兒補充食品。嬰幼兒營養(yǎng)不良一直以來是全球嚴重的治療問題和健康問題，特別是在非洲國家，由于氣候惡劣及資源匱乏的原因，導致5歲以下兒童患有嚴重的營養(yǎng)缺乏癥，特別是鋅和鐵的缺乏。后經研究發(fā)現(xiàn)籽粒莧不僅能夠應對干旱的氣候條件，而且還能夠提供兒童生長所必需的營養(yǎng)物質，這在很大程度上降低了兒童的死亡率和患病率[53]。而在國內曾有人提出籽粒莧強化兒童食品，因其豐富的賴氨酸、鈣、鐵、硒，極大程度地治療了兒童的貧血癥，而且深受兒童的喜愛。

5 結論和展望

盡管假谷物的種植歷史很長，但是真正走進大眾視野的時間并不是很長。經過上世紀至到今天的發(fā)展，人們對于假谷物的研究已經取得一些成果，但是在這過程中仍然存在一些限制性的問題：(1)相比于普通谷物，人們對于假谷物的消費和接受度很低；(2)蛋白質等營養(yǎng)成分在加工食用過程中的利用率很低；(3)相對于小麥、稻米、玉米等這類谷物，對于它們的產品評判級檢測方法沒有統(tǒng)一的標準；(4)淀粉與非淀粉成分之間的相互作用尚不明確以及它們與食品加工之間的相關性研究很少。因此，研究假谷物還有很長的路要走，不僅要研究清楚其中營養(yǎng)成分變化規(guī)律以及各成分之間的相互關系，而且還需明確各成分在食品加工過程中所起的作用，這樣才能更好地為假谷物的基礎研究提供可靠依據，為假谷物產業(yè)化發(fā)展以及標準的建立提供有力支撐。