秦 宇，馬碩晗，徐恩波*，周建偉，陳健初，劉東紅，葉興乾

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)智能食品加工技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；3.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院，浙江寧波 315100）

全谷物是膳食纖維、酚類物質(zhì)、甾醇、生育酚等功能成分與活性小分子的良好來(lái)源。流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，食用全谷物可有效降低機(jī)體的糖尿病、高血脂、高血壓等多種慢性疾病的發(fā)病率[1]。雖然谷物及其加工制品在物理或生理上對(duì)人體健康有益的確切機(jī)制尚未完全清晰，但20世紀(jì)80年代以來(lái)，大量研究顯示全谷物中膳食纖維具有增加飽腹感、促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)，以及益生元的形成（包括抗性淀粉經(jīng)腸道微生物代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸），對(duì)體質(zhì)有增強(qiáng)效用。此外，全谷物還包括多酚、維生素等生理活性物質(zhì)，可以通過(guò)單個(gè)組分或者相互結(jié)合或協(xié)同增效的作用來(lái)產(chǎn)生有益因子[1-2]，從而構(gòu)成了比單營(yíng)養(yǎng)素更加有利于人體健康的 “全谷物多元功能營(yíng)養(yǎng)素”復(fù)雜體系。《中國(guó)居民膳食指南》建議居民日常飲食要以谷物為主，其中攝入全谷物、雜豆類食物50～150 g/d。然而，由于全谷物皮層含有大量糠蠟和纖維物質(zhì)，造成口感粗糙、質(zhì)地緊密因而不易消化吸收，目前作為主食的接受度不高，有待新型食品加工技術(shù)對(duì)全谷物食品品質(zhì)優(yōu)化提升[4]。

過(guò)度加工的精制谷物是現(xiàn)代飲食模式的主要特征，是亞健康人群“富貴病”即慢性病的誘因之一[3]。隨著人們對(duì)于營(yíng)養(yǎng)健康與高質(zhì)量生活的追求，越來(lái)越多的加工技術(shù)逐漸被應(yīng)用于全谷物，以求在保留或提升全谷物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)，改善全谷物口感差、熟化不均等缺陷。作者所在團(tuán)隊(duì)基于Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)近20年來(lái)全谷物食品的研究進(jìn)行了檢索 （使用以下關(guān)鍵詞：全谷物/谷物whole grain（s）/cereal（s）、結(jié)構(gòu)structure、分布distribution、加工技術(shù) process/treatment/technology、營(yíng)養(yǎng)健康nutrition/health/intestine、靶向遞送targeted delivery、載體carrier）。統(tǒng)計(jì)顯示，谷物領(lǐng)域研究態(tài)勢(shì)穩(wěn)步提升，其中全谷物加工與營(yíng)養(yǎng)健康是近年來(lái)的熱門研究方向（占約90%）。然而，全谷物的多層級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組分分布不均，精準(zhǔn)加工難度高、結(jié)構(gòu)調(diào)控不易，相關(guān)研究較少（＜20%），見圖1。此外，基于谷物和全谷物相關(guān)體系構(gòu)建的靶向遞送與載體等前沿研究尚未取得系統(tǒng)性的突破。

圖1 2001-2021年全谷物相關(guān)研究趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Research trends in whole grains from 2001 to 2021

目前，工業(yè)應(yīng)用的全谷物粗加工與精加工技術(shù)主要為傳統(tǒng)的碾磨、蒸煮、烘焙、膨化等方式?，F(xiàn)有研究表明，普通的蒸煮和碾磨處理會(huì)導(dǎo)致一些全谷物中的總酚含量下降[5-6]，降低了功能性化合物的可利用性。此外，全谷物制品如能量棒、面包等對(duì)于感官特性的改善也大多通過(guò)添加糖、脂肪或者鹽等調(diào)味劑來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]，風(fēng)味整體均衡度較弱，且過(guò)量引入添加劑會(huì)存在機(jī)體代謝隱患，無(wú)法真正達(dá)到改善全谷物口感與健康營(yíng)養(yǎng)的平衡。有些化學(xué)加工法例如過(guò)氧化氫處理、酸處理等，盡管能有效改變膳食纖維的結(jié)構(gòu)和功能，但是會(huì)引起酚酸、類黃酮化合物含量的下降[8]，并使處理過(guò)的膳食纖維受到SO42-、Cl-等有害化學(xué)基團(tuán)的污染[9]。綜上，發(fā)展綠色的新型加工技術(shù)是未來(lái)全谷物食品領(lǐng)域的重要方向之一。

1 全谷物組成

1.1 全谷物多層級(jí)結(jié)構(gòu)

全谷物一般指完整的、碾成粉狀、碎塊狀或壓成片狀的谷物穎果，具有復(fù)雜的層—層包裹型亞宏觀結(jié)構(gòu)。以稻米為例，完整的谷粒由谷殼、麩皮、胚乳和胚芽幾個(gè)主要部分組成，見圖2。外殼保護(hù)谷物基質(zhì)，由富含纖維素和二氧化硅的纖維組織構(gòu)成。脫殼后的剩余結(jié)構(gòu)部分為糙米，其麩皮部分由種皮、谷皮構(gòu)成，此處淀粉含量極低，富含膳食纖維、酚類物質(zhì)等功能性成分。外殼和麩皮在稻米精制過(guò)程中往往作廢棄或飼料化處理，缺乏高附加值產(chǎn)品。此外在加工過(guò)程中，如物料的胚乳、胚芽和糠麩的比例與其在完整穎果中的比例基本相同，也可稱其產(chǎn)品為全谷物制品。

圖2 糙米的層-層包裹型結(jié)構(gòu)與組分分布Fig.2 Layer-by-layer structure and component distribution of brown rice

1.2 全谷物功能與活性成分

全谷物中含有較為豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其功能營(yíng)養(yǎng)成分主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等。與精制谷物相比，全谷物保留了糊粉層、外皮層，具有大量膳食纖維和酚類物質(zhì)。而在不同種類的谷物中，功能組分和活性化合物成分有很大差異，表1總結(jié)了部分全谷物中膳食纖維以及酚類物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 全谷物中膳食纖維和酚類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Content of dietary fiber and polyphenols in whole grains

1.2.1 膳食纖維膳食纖維是植物器官的結(jié)構(gòu)多糖，可分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，包含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、β-葡聚糖等。除此之外，抗性淀粉被定義為一種新型的膳食纖維，與常見膳食纖維的生理功能相似，目前主要分為5 類[17-18]。其中第一類為天然物理包埋的抗消化淀粉，主要存在于豆類以及全谷物，與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)結(jié)合或被細(xì)胞壁所包裹，因而限制了淀粉酶的水解作用。它們通常無(wú)法在人體小腸中消化吸收，到達(dá)大腸后才被完全或部分發(fā)酵，生成醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等短鏈脂肪酸并影響腸道菌群。因而，抗性低聚糖、果聚糖、半乳聚糖等部分膳食纖維被定義為益生元[19]。在Ross 等人進(jìn)行的一項(xiàng)隨機(jī)交叉試驗(yàn)中，將參與者分為全谷物飲食組（32 g/d）和精制谷物飲食組（19 g/d），前者體內(nèi)的共生梭狀芽孢桿菌產(chǎn)物乙酸鹽和丁酸鹽顯著增加[20]。另有Roager 等人在一項(xiàng)為期8周的人類交叉研究中發(fā)現(xiàn)，一類產(chǎn)丁酸鹽梭狀芽孢桿菌會(huì)在參與者全谷物高消耗量（179 g/d）期間增殖，并在全谷物低消耗量（13 g/d）期間下降[21]。

全谷物膳食纖維主要由植物細(xì)胞壁基質(zhì)組成，大量存在于全谷物的麩皮部分，例如麥麩中膳食纖維達(dá)到50%～53%[22]。已有大量研究顯示，富含膳食纖維的全谷物食品對(duì)人體健康有較大益處，但目前人們?nèi)匀粌A向于選擇精制谷物食品，相關(guān)調(diào)查表明原因大多集中在全谷物食品入口感官特性差、烹飪加工時(shí)間長(zhǎng)等方面[23-24]。全谷物食品中含量較高的不溶性纖維是造成全谷物食品上述現(xiàn)狀的重要原因（除β-葡聚糖外，大多數(shù)膳食纖維是不溶性的），其存在會(huì)破壞面筋基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，或者與其他聚合物競(jìng)爭(zhēng)性吸水，從而破壞面團(tuán)的黏彈性或者延展性[25]。高纖維全谷物食品的口感質(zhì)量與營(yíng)養(yǎng)功能之間存在“加工沖突”。目前，通過(guò)減小不溶性膳食纖維粒徑或者將其轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維來(lái)對(duì)該特性進(jìn)行改善是主要策略，這可能會(huì)導(dǎo)致全谷物的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、比表面積等發(fā)生一定變化[26]。

1.2.2 酚類物質(zhì)酚類化合物為植物次生代謝物，主要通過(guò)莽草酸和苯丙烷途徑合成，包括酚酸、類黃酮、芪和木脂素、單寧以及多酚酰胺。相較于水果和蔬菜，谷物是人們獲取酚類物質(zhì)的重要來(lái)源。越來(lái)越多的證據(jù)表明，全谷物麩皮是酚類化合物的良好來(lái)源之一[27-28]。全谷物中的多酚按其存在形式可分為自由態(tài)、可溶酯化態(tài)和不溶結(jié)合態(tài)。自由態(tài)和可溶酯化態(tài)一般統(tǒng)歸為游離態(tài)酚類物質(zhì)，其在小麥、糙米等全谷物中占多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%～50%。結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)是全谷物酚類物質(zhì)存在的主要形式，其往往與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中的碳水化合物、纖維素、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素成分共價(jià)結(jié)合（酯鍵、醚鍵），以酯、糖苷或聚合物的結(jié)合態(tài)形式存在。酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征在于其芳環(huán)帶有一個(gè)或多個(gè)羥基取代基，其生物活性與2 型糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等慢性疾病的發(fā)病率有關(guān)[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，高粱麩皮多酚提取物可促進(jìn)正常個(gè)體及肥胖個(gè)體糞便樣本內(nèi)雙歧桿菌、乳酸桿菌、羅氏菌和普氏菌的生長(zhǎng)[30]。研究者通過(guò)大鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高脂肪飲食中添加粗麥麩可使大鼠血清和肝臟總膽固醇水平、甘油三酯、丙二醛、血清低密度脂蛋白和血清葡萄糖降低，并改善血清高密度脂蛋白水平[31]。然而，谷物酚類物質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)代謝的構(gòu)效關(guān)系仍有待系統(tǒng)性研究。

谷物中的酚類物質(zhì)與膳食纖維多通過(guò)酯鍵或非共價(jià)相互作用連接，例如廣泛存在于谷物中的阿魏酸，結(jié)合阿拉伯木聚糖并改變其流變特性和物理結(jié)構(gòu)[32]。酚類化合物與膳食纖維共價(jià)結(jié)合后，在消化過(guò)程中難以從細(xì)胞壁基質(zhì)中釋放出來(lái)，對(duì)其在人體內(nèi)的生物活性及生物可及性有極大影響[33]。兩者之間的相互作用或絡(luò)合作用增加了膳食纖維理化性質(zhì)和酚類化合物代謝過(guò)程的復(fù)雜性。由于酚類物質(zhì)具有熱敏性的特點(diǎn)，對(duì)于加工條件要求較高，包括蒸煮、焙烤在內(nèi)的傳統(tǒng)熱加工在改善全谷物口感的同時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致全谷物內(nèi)酚類物質(zhì)的大量損失。

2 全谷物綠色加工技術(shù)

全谷物的加工結(jié)構(gòu)變化與其膳食纖維、酚類的狀態(tài)與分布息息相關(guān)。生物酶及發(fā)芽、發(fā)酵等綠色加工方式對(duì)全谷物多層級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞相對(duì)較小，功能成分保留高。而從材料學(xué)的角度看，食品是一種亞穩(wěn)態(tài)多相體系，當(dāng)全谷物系統(tǒng)在加工過(guò)程中受到熱、壓力或其他物理力的外部應(yīng)力時(shí)，易發(fā)生局部結(jié)構(gòu)位移甚至重組，并伴隨膳食纖維、酚類物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[33]。作者對(duì)全谷物食品中所應(yīng)用到的生物、物理加工技術(shù)以及其對(duì)全谷物食品產(chǎn)品質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)特性的改變進(jìn)行了總結(jié)，見表2。

表2 全谷物加工技術(shù)概覽Table 2 Overview of whole grain processing technologies

2.1 生物加工技術(shù)

2.1.1 發(fā)芽發(fā)芽處理是改善全谷物食用品質(zhì)，進(jìn)一步提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的有效方法，這一技術(shù)除局部膨脹、新長(zhǎng)芽頭外不改變?nèi)任镎w結(jié)構(gòu)分布。目前常采用的發(fā)芽方式為浸泡法，按其吸水過(guò)程可細(xì)化分為3 個(gè)階段，即快速吸水期、平穩(wěn)期和后萌發(fā)期[34]。在第一階段中全谷物快速吸收水分，胚芽的吸收量高于谷物其他部分的吸收量；到達(dá)第二階段后谷物吸收水分速度降低，體系內(nèi)產(chǎn)生大量酶并發(fā)生代謝反應(yīng)，該階段結(jié)束后胚芽鞘從種皮內(nèi)長(zhǎng)出。此時(shí)γ-氨基丁酸、酚類等活性物質(zhì)隨之遷移擴(kuò)散；第三階段谷物吸水量又迅速上升，是胚芽及胚根的活躍生長(zhǎng)期[35]。整個(gè)過(guò)程受浸泡溫度、浸泡時(shí)間、浸泡液酸堿度和添加劑、發(fā)芽溫度和發(fā)芽時(shí)間等工藝參數(shù)的影響，并最終影響膳食纖維和酚類物質(zhì)的再生成、轉(zhuǎn)化與分布。然而，過(guò)長(zhǎng)的發(fā)芽時(shí)間可能導(dǎo)致微生物污染，或者出現(xiàn)根和芽的過(guò)度生長(zhǎng)的問(wèn)題，使全谷物不宜再作為食物材料。

全谷物在發(fā)芽的過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)組分會(huì)發(fā)生一系列的變化，并影響熱處理后風(fēng)味、口感等性質(zhì)。Ti 等人發(fā)現(xiàn)發(fā)芽糙米的所含的酚類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比發(fā)芽之前提高了63.2%，其中阿魏酸、丁香酸和咖啡酸等含量均顯著升高，抗氧化活性明顯提高[36]。Mohan等人發(fā)現(xiàn)發(fā)芽后的糙米總膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加28.2%，可溶性膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加61.0%。不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化成為可溶性膳食纖維，同時(shí)釋放了結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)，使游離態(tài)酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升[37]。這在實(shí)現(xiàn)膳食纖維改性的同時(shí)提高了谷物的酚類物質(zhì)活性。另有研究證明，全谷物發(fā)芽后谷物的質(zhì)地和糊化特性等物理性質(zhì)發(fā)生改變。如Kaosa 等人對(duì)糙米進(jìn)行發(fā)芽處理，發(fā)現(xiàn)其硬度減小，峰值黏度、分解黏度、最終黏度和回退黏度隨著發(fā)芽時(shí)間的增加而增加[38]。因此，利用可控的萌芽技術(shù)來(lái)改善全谷物質(zhì)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)水平，在食品工業(yè)領(lǐng)域有著良好的前景。

2.1.2 固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵定義為在不存在或幾乎不存在自由水的情況下于固體基質(zhì)中進(jìn)行的發(fā)酵過(guò)程[39]。與傳統(tǒng)的深層發(fā)酵系統(tǒng)相比，全谷物固態(tài)發(fā)酵具有對(duì)水和能源的需求更低、生產(chǎn)力更高以及對(duì)無(wú)菌要求更低等優(yōu)勢(shì)。但是固體發(fā)酵工藝容易受到微小變化的影響，需要仔細(xì)考慮到pH、溫度、水分活度、濕度、粒度、固體基質(zhì)類型等各種參數(shù)的影響，需要篩選出可用的全谷物基質(zhì)。大多數(shù)固態(tài)發(fā)酵工藝使用絲狀真菌，也不乏其他食品級(jí)酵母和細(xì)菌菌株，不同菌種在發(fā)酵過(guò)程中遵循不同的代謝途徑和運(yùn)輸機(jī)制。在發(fā)酵過(guò)程中，這些微生物可以產(chǎn)生大量水解酶（酯酶、蛋白酶、果膠酶、纖維素酶、α-淀粉酶、木聚糖酶、β-葡糖苷酶等），它們能夠催化底物細(xì)胞壁中結(jié)構(gòu)多糖和蛋白質(zhì)的分解，釋放出可供微生物吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[40]。全谷物固態(tài)發(fā)酵過(guò)程見圖3。

圖3 全谷物固態(tài)發(fā)酵過(guò)程Fig.3 Solid-state fermentation process of whole grains

全谷物固態(tài)發(fā)酵對(duì)于改善全谷物食品整體結(jié)構(gòu)、感官特性以及提升功能性化合物含量都有明顯作用。發(fā)酵過(guò)程中可通過(guò)酶促反應(yīng)破壞植物細(xì)胞壁，在實(shí)現(xiàn)不溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化的同時(shí)釋放結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)[41]，并可利用植酸酶和磷酸酶進(jìn)行植酸降解。另外發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)，可改善全谷物食品的最終風(fēng)味特性，提高感官質(zhì)量。Zhao 等人利用含保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的發(fā)酵劑對(duì)小麥麩皮進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的麩皮水溶性阿拉伯木聚糖、可溶性膳食纖維含量以及植酸降解率提高[42]。而隨著膳食纖維由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性狀態(tài)，游離態(tài)酚類物質(zhì)的含量也隨之提高，同時(shí)水合特性也得到改善。有研究者用鼠李糖乳桿菌菌株發(fā)酵麥麩，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的樣品中植酸減少近37%，而水溶性阿拉伯木聚糖升高了3倍[43]，此外還在發(fā)酵麥麩的揮發(fā)性成分中檢測(cè)出了具有面包香氣特征的呋喃衍生物。綜上，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)是改善全谷物的結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)與感官特性的有效途徑。

2.1.3 酶技術(shù)酶制劑是一種天然綠色食品添加劑，其安全性高，在改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。研究表明，戊聚糖酶可促進(jìn)阿拉伯木聚糖由不可溶態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)；纖維素酶可降解纖維素；葡萄糖氧化酶可將巰基氧化為二硫鍵，并促進(jìn)可溶性阿拉伯木聚糖氧化凝膠[44-46]。劉麗婭等人利用以上3 種酶處理全麥粉，膳食纖維發(fā)生了結(jié)構(gòu)的改變或由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維，全谷物面粉質(zhì)地變軟，所制成的饅頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯改善，氣孔均勻、質(zhì)地疏松、富有彈性、粗糙感顯著降低，證明該方法對(duì)于全谷物食品感官特性提升有效[46]。另有研究團(tuán)隊(duì)利用中性蛋白酶處理全谷物燕麥后顯著提高燕麥中可溶性β-葡聚糖含量，推斷其原因可能是蛋白質(zhì)在中性蛋白酶的作用下被分解，細(xì)胞壁整體結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而釋放出可溶性膳食纖維[47]。

2.2 物理加工技術(shù)

2.2.1 擠壓擠壓加工技術(shù)是一種集混合、剪切、加熱、輸送、高壓為一體的加工手段，具有快速、高效、綠色、節(jié)能的特點(diǎn)，食品工業(yè)常用單螺桿或雙螺桿擠壓機(jī)。單螺桿的摩擦力較強(qiáng)，雙螺桿擠壓可以在非常低的進(jìn)料水分下運(yùn)行，并可更加靈活地控制時(shí)間、溫度和螺桿速度等變量。當(dāng)谷物物料進(jìn)入擠壓設(shè)備機(jī)筒后，通過(guò)螺桿逐漸輸送到模頭，在此過(guò)程中樣品逐漸變得更加致密、黏稠，塑性增強(qiáng)。降低進(jìn)料水分會(huì)削弱水分子引起的潤(rùn)滑作用，并增強(qiáng)谷物基質(zhì)與螺桿/機(jī)筒之間的摩擦力；提高螺桿速度可能會(huì)產(chǎn)生更高的輸入機(jī)械能[48]。提高擠出溫度有利于淀粉的解聚，加速破壞纖維分子之間的糖苷鍵，將大分子的不可溶膳食纖維轉(zhuǎn)化為小分子可溶膳食纖維[49]。全谷物擠壓重構(gòu)與功能組分轉(zhuǎn)化見圖4。

圖4 全谷物擠壓重構(gòu)與功能組分轉(zhuǎn)化Fig.4 Structure reorganization and functional component transformation of whole grains under extrusion

全谷物在擠壓加工過(guò)程中所發(fā)生的反應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化主要為淀粉顆粒瓦解與糊化、膳食纖維的改性以及酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和保留。擠壓后谷物的糊化度得到較大幅度提高，吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)也不同程度提高，這些都有利于谷物產(chǎn)品的消化吸收[51]。同時(shí)相對(duì)較為溫和的生物加工技術(shù)，擠壓機(jī)械作用對(duì)全谷物亞宏觀結(jié)構(gòu)的破壞徹底，而微觀分子鏈結(jié)構(gòu)變化主要取決于水分、溫度等協(xié)同效應(yīng)。由于加工過(guò)程中存在的高溫、高壓、高剪切等作用，全谷物的植物細(xì)胞壁破裂，膳食纖維粒徑減小，部分由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性，結(jié)合在細(xì)胞壁上的酚類物質(zhì)則得以釋放。Sun 等人對(duì)全蕎麥面粉進(jìn)行了熱擠壓處理，其可溶性膳食纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.13%提升至4.73%[52]；當(dāng)樣品水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，總酚含量和總黃酮含量的保留率較高。擠壓后全蕎麥的糊化度也有大幅度提升，抗性淀粉含量隨著擠壓溫度的升高和含水率的降低而升高。然而，過(guò)高的擠壓溫度會(huì)導(dǎo)致淀粉徹底糊化和酚類物質(zhì)損失，對(duì)全谷物的深加工產(chǎn)生不利影響[50]。

2.2.2 3D 打印目前食品領(lǐng)域應(yīng)用的3D 打印技術(shù)有：擠出式3D 打印、選擇性燒結(jié)3D 打印、黏合劑噴射3D 打印和噴墨打印。其中擠出式3D 打印為目前主要研究方向，包括了氣體驅(qū)動(dòng)、活塞驅(qū)動(dòng)以及螺桿驅(qū)動(dòng)3 種方式，見圖5。擠壓式3D 打印與傳統(tǒng)擠壓不同，主要關(guān)注成形樣品的精度、形狀恢復(fù)能力和結(jié)構(gòu)支撐性能，這些特性與原材料的性能息息相關(guān)。華南理工大學(xué)陳玲團(tuán)隊(duì)對(duì)3D 打印淀粉基食品進(jìn)行了研究，總結(jié)了淀粉基食品的淀粉結(jié)構(gòu)、流變性能和可打印性之間的關(guān)系，為淀粉基3D 打印食品材料的選擇和優(yōu)化提供了指導(dǎo)，這對(duì)于全谷物3D 打印也具有借鑒意義[53-54]。

圖5 全谷物生物墨水與擠出式3D 打印Fig.5 Bio-ink and extruded 3D print of whole grains

Lai 等人將麩皮添加到小麥粉中，發(fā)現(xiàn)由于麩皮富含不溶性膳食纖維而結(jié)合大量水分，因此面筋水合程度不足，導(dǎo)致復(fù)配全谷物微觀結(jié)構(gòu)分布不均[55]。具有較低水合度的面筋使食品材料在適當(dāng)?shù)募羟辛ο赂菀讖拇蛴C(jī)噴嘴中擠出，并且能夠在擠出后快速恢復(fù)凝固結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，Zheng 等人對(duì)比了精制小麥粉和全小麥粉的可打印性，通過(guò)外觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、黏合結(jié)構(gòu)、流變性等性能的分析，發(fā)現(xiàn)全小麥粉比精制小麥粉更適合擠出式3D 打印[56]。全麥粉由蛋白質(zhì)、脂肪、纖維和淀粉組成多種復(fù)合物，增強(qiáng)了凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)，顯著延緩了淀粉的老化，提高了水的結(jié)合能力。使用全麥的打印樣品在長(zhǎng)時(shí)間存放后仍具有柔軟和有彈性的質(zhì)地。此外，雖然全谷物3D 打印在酚類物質(zhì)方面探究較少，但外源多酚作為結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形成制劑或呈色劑已在食品3D 打印中逐漸成為熱點(diǎn)。Zeng 等人將兒茶素和原花青素引入到大米淀粉凝膠當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)隨著多酚濃度的增加，復(fù)合淀粉凝膠表現(xiàn)出更高的相對(duì)結(jié)晶度、致密性和不均勻性，優(yōu)于單純的大米淀粉凝膠[57]。Ahmed 等人研究了花青素/馬鈴薯淀粉復(fù)合凝膠的打印性能，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控pH 可以實(shí)現(xiàn)打印產(chǎn)品顏色的改變，這對(duì)于改善打印產(chǎn)品的感官性能有重要作用[58]。目前，3D 打印技術(shù)在全谷物加工領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但是隨著該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，未來(lái)針對(duì)全谷物個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)膳食及其宏微觀結(jié)構(gòu)、色澤調(diào)控等方面具有更加廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2.2.3 超微粉碎粉末化過(guò)程在全谷物粉的生產(chǎn)中至關(guān)重要，是減少麩皮和胚芽對(duì)最終產(chǎn)品破壞性影響的關(guān)鍵步驟之一。超微粉碎是減小粒度和改善細(xì)粉表面活性的新興技術(shù)，包括高速氣流粉碎、微流化、超聲波粉碎、高壓均質(zhì)等[59]，可產(chǎn)生微米級(jí)甚至亞微米級(jí)的細(xì)粉顆粒。與傳統(tǒng)粉碎方法相比，應(yīng)用于全谷物加工的超微粉碎技術(shù)可有效減小谷物纖維尺寸，使研磨后產(chǎn)品擁有更好的流動(dòng)性和界面張力，釋放出結(jié)合的酚類物質(zhì)，提高抗氧化性或生物活性。

Zhu 等人發(fā)現(xiàn)超細(xì)粉碎可以有效地將麥麩纖維顆粒粉碎至亞微米級(jí)，且隨著粒度減小，部分不溶性膳食纖維可轉(zhuǎn)化為可溶性狀態(tài)[60]。同時(shí)，粉碎后的谷物面粉由于粒徑減小、表面積增加釋放出部分共價(jià)結(jié)合在纖維上的酚類物質(zhì)，因而總酚含量、DPPH自由基清除活性和鐵還原抗氧化能力等增強(qiáng)。另外由于不溶性膳食纖維的改性，面粉溶脹能力和亞硝酸根離子吸收能力顯著增加，所制面團(tuán)整體表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和單軸延伸性[61-63]。盡管研究顯示了超細(xì)研磨對(duì)于全谷物面粉改性的有效性，但由于規(guī)?；a(chǎn)設(shè)備的加工精度、成本等原因，目前在全谷物加工領(lǐng)域中的應(yīng)用仍有限。

2.3 復(fù)合加工技術(shù)

除基于上述生物及物理作用的全谷物加工技術(shù)之外，輻照、超聲、超高壓等越來(lái)越多的高新技術(shù)也逐漸應(yīng)用到全谷物加工領(lǐng)域。陶虹等人比較了超聲波和超高壓處理對(duì)于糙米蒸煮品質(zhì)和抗氧化性的影響，結(jié)果表明兩種處理方式均使糙米的硬度、膠黏性和咀嚼性下降12%以上，且均顯著提高了糙米抗氧化活性[64]。有研究者利用γ 輻射處理糙米，處理后的糙米持水性顯著提高，峰值黏度、最終黏度和回退黏度降低，延緩淀粉的回生[65]。Geng 等人用超聲輔助纖維素酶法處理糙米，處理后糙米粉的不溶性膳食纖維含量和粒徑降低，可溶性膳食纖維含量增加[66]；糊化和流變學(xué)性質(zhì)改善，具有更好的質(zhì)地和烹飪品質(zhì)。Gong 等人對(duì)全玉米進(jìn)行了發(fā)芽/擠壓聯(lián)合處理，總酚酸和類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為原料的260%和249%，顯著高于單一的發(fā)芽或者擠壓加工方式處理后的全玉米[67]。

生物加工技術(shù)的相關(guān)研究證明了酶在加工過(guò)程中對(duì)于全谷物質(zhì)量的提升具有重要作用，因而越來(lái)越多研究者嘗試將酶引入到全谷物物理加工過(guò)程。Xu 等人將擠壓機(jī)作為酶反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)酶法擠壓能夠顯著改善劇烈擠壓過(guò)程中多酚類和類黃酮等物質(zhì)的過(guò)度損失[68-69]。在α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～6.0%時(shí)，整粒大米受到高壓高剪切作用后，植物細(xì)胞壁破裂釋放出游離態(tài)酚，同時(shí)酶解淀粉物料柔性保護(hù)使游離態(tài)與結(jié)合態(tài)酚保留率均得到提升（比對(duì)照保留率分別提高21%和12%）。對(duì)于谷物而言，擠壓過(guò)程中引入的淀粉酶可實(shí)現(xiàn)物料淀粉基質(zhì)的高效解鏈化，擠壓反應(yīng)環(huán)境更為溫和，總多酚活化能降低50%左右[70-71]。酶解后還原糖含量增加，體系黏度更低，高溫、機(jī)械做功等引發(fā)的酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與降解情況得到顯著改善。此外，適量金屬陽(yáng)離子的引入對(duì)加酶擠壓過(guò)程中多酚物質(zhì)的保留起到積極作用。Xu 等人報(bào)道了二價(jià)金屬陽(yáng)離子Mg2+、Ca2+、Mn2+對(duì)擠壓碎米中多酚的間接保護(hù)，特別是當(dāng)添加1.8 mmol/hg 的Ca2+后，總酚保留率和DPPH 值分別為對(duì)照的113%和134%[72]。一方面，金屬陽(yáng)離子提高了淀粉酶酶活，促進(jìn)了擠壓過(guò)程中淀粉酶解，淀粉黏度下降，熱機(jī)械能對(duì)多酚的影響隨之下降[73]；另一方面，金屬陽(yáng)離子能夠與兒茶素等多酚通過(guò)金屬-配體相互作用結(jié)合，從而降低總酚損失[74]?？傊?，加酶擠壓在制備具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的全谷物產(chǎn)品方面具有良好的應(yīng)用前景。

3 展 望

我國(guó)是糧食生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，糧食加工業(yè)是國(guó)民生計(jì)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支撐。盡管目前全谷物適度精深加工還處在起步階段，但是隨著全谷物結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)研究的日益增多和先進(jìn)加工技術(shù)的出現(xiàn)，全谷物食品在糧食加工領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越重要。然而，由于全谷物麩皮部分膳食纖維的含量較高，導(dǎo)致其感官特性不佳，利用傳統(tǒng)的熱加工方式蒸煮、烘焙等對(duì)全谷物進(jìn)行處理，盡管在一定程度能改善該特性，但同時(shí)造成了全谷物中功能性化合物的大量損失，而化學(xué)加工方式易造成化學(xué)試劑的污染。在食品加工過(guò)程中可以預(yù)見，利用發(fā)芽、發(fā)酵或擠壓、3D 打印等現(xiàn)代綠色加工手段，針對(duì)目標(biāo)物的精細(xì)化差異加工（如淀粉的適度糊化降解、膳食纖維的可溶性轉(zhuǎn)化、活性酚類小分子的穩(wěn)態(tài)化保留等），從而解決全谷物食品在處理、食用過(guò)程中存在的質(zhì)地不足與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)受損問(wèn)題，改善全谷物口感、保留/提升功能成分，從而開發(fā)出高品質(zhì)的全谷物制品是未來(lái)食品的重要發(fā)展方向。