小麥、水稻和玉米胚芽的營養功能及胚芽食品的研究進展

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(1.南昌大學食品學院,江西南昌 330047;2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

小麥、水稻和玉米是人類主要的糧食作物,也是我國的三大主糧。它們都是單子葉禾本科植物,其籽粒中的胚芽是三大主糧的“精華”部分,富含優質的蛋白質、脂肪、糖類、多種維生素和礦物質以及一些人體生理活性成分。胚芽在三大主糧籽粒中所占比例相對最少。在小麥籽粒中,胚乳部分占總重量的78%～83%,而胚芽僅占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]。相對而言,玉米籽粒中的胚芽所占比例相對較高。

胚芽中豐富的營養物質,符合現代人們對食品營養的需求。有食品加工企業據此開發出了一系列高營養價值的胚芽食品,如胚芽蛋白飲料、胚芽豆腐、胚芽保健食品等。然而,目前我國對三大主糧胚芽的綜合利用率較低,主要停留在榨油層面,并且在三大主糧的加工過程中,由于籽粒中胚芽與胚乳結合不緊密,以及胚芽中含有不飽和脂肪酸的緣故,往往大部分被去除,成為副產物或其他加工的原料,這樣不僅沒有充分發揮胚芽的營養價值,還造成胚芽資源的極大浪費。如果食品加工過程中,通過改變營養物質的提取方法、改變食品的制作方法以及改進生產工藝等手段,做到物盡其用,可以提高三大主糧胚芽中各營養物質的利用率。因此,改進相應的生產加工技術和提升綜合應用研究,將是未來胚芽食品研發的重點。本文綜述了三大主糧的主要營養成分與生物活性成分,同時介紹了三種谷物胚芽在食品加工中的應用。

1　小麥、稻米和玉米胚芽的主要營養成分與生物活性成分

1.1　主要營養成分

小麥、水稻和玉米三大主要糧食作物籽粒中的胚芽營養豐富,其主要成分如表1[4]所示。

表1　小麥、水稻和玉米胚芽中部分營養成分的含量(%)Table 1　Nutrient content of wheat,rice and maize germ(%)

1.1.1蛋白質玉米胚芽蛋白質含量高于20%,是精白米中蛋白質含量的3～3.5倍[5],其中以清蛋白和球蛋白的含量相對較多,谷蛋白和膠蛋白含量較少。稻米胚芽蛋白是全價優質蛋白,其氨基酸組成較為平衡,人體必需氨基酸比例符合FAO/WHO的營養模式[6],因此,稻米胚芽蛋白作為優質植物蛋白營養源,也被稱為稻米中的營養“黃金”[7]。王霞等[5]采用氨基酸全自動分析儀對玉米胚芽蛋白進行分析,發現玉米胚芽蛋白中含有異亮氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸等多種人體必需氨基酸。王茜等[8]研究表明,小麥胚芽中含有27%～30%的蛋白質,其必需氨基酸模式與人體生長所需氨基酸模式基本接近。小麥胚芽蛋白還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,是食品以及醫療產品良好的添加劑,具有市場產品開發前景[9]。

1.1.2碳水化合物在小麥、水稻和玉米胚芽中,碳水化合物主要為淀粉和膳食纖維。而其中的膳食纖維被稱為人類的“第七大營養素”,適宜的膳食纖維攝入量,能幫助腸胃蠕動,促進食物的消化吸收;膳食纖維還具有強大吸水性,有利于糞便的排泄,防止便秘[10]。經常補充膳食纖維,不僅能保持健康的體質,還能有效預防冠心病、糖尿病等多種疾病。英國國家顧問委員會建議膳食纖維攝入量為人均25～30 g/d;美國FDA推薦成人的總膳食纖維攝入量為20～35 g/d;2000年,我國營養學會提出成年人膳食纖維適宜攝入量為30 g/d[11]。趙福利等[12]從我國小麥主產區河南、山東、河北、江蘇、安徽、陜西、北京、內蒙古自治區以及黑龍江共9個區域,收集了12個代表性小麥樣品,對胚芽中碳水化合物的含量進行了分析和比較,結果發現:總糖平均含量占麥胚芽總重的32.75%,總淀粉約占總糖含量的44.73%,膳食纖維總糖含量的2%～3%[13]。泰國學者Moongngarm等[14]曾經分析了泰國瑪哈沙拉堪省(Mahasarakham province)的4種稻米胚芽中的糖類,總糖含量為26.29%～30.96%,膳食纖維含量在9.52%～17.42%之間。Sun[15]等人研究發現,商業玉米胚芽粉中淀粉含量為22.18%左右,總膳食纖維可達11.15%。

1.1.3脂肪酸亞油酸是人體必需脂肪酸,可預防或減少心腦血管病的發病率,能起到防止人體血清膽固醇在血管壁的沉積,具有防治動脈粥樣硬化及心腦血管疾病的效果。Mahmoud[16]、劉玉蘭[17]以及盛靈慧[18]等分別對小麥胚油、稻米胚油以及玉米胚油的成分進行了分析檢測。結果發現:稻米胚芽油、小麥胚芽油和玉米胚芽油所含的脂肪酸中,油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)和亞麻酸(C18∶3)三種不飽和脂肪酸所占比例最高。劉玉蘭等[17]還發現,在小麥胚芽的脂肪酸中,總飽和脂肪酸占19.07%,總不飽和脂肪酸占80.93%;張暉等[19]檢測結果表明,在稻米胚芽油中,總飽和脂肪酸占21.81%,總不飽和脂肪酸占76.45%;在玉米胚芽油中,總飽和脂肪酸占86%,總不飽和脂肪酸占85.5%[20]。劉玉蘭等[17]還發現,米胚油的酸值明顯低于米糠油。因此,稻米胚芽是提煉高品質食用油的優質原料。

1.1.4維生素及礦物質維生素和礦物質在人體內相對含量較少,但也是人體必需的營養素。小麥、水稻和玉米胚芽中富含VE和B族維生素,被稱為天然VE的“營養庫”。有研究發現,在小麥胚芽中,VE的含量高達69 mg/100 g[21]。在小麥胚芽中含有2.1 mg/100 g VB1和0.6 mg/100 g VB2;稻米胚芽中的蛋白質和礦物質含量均優于商業大米,維生素B1和B2含量分別為4.49、0.68 mg/100 g;在玉米胚芽中,VB1和VB2的含量分別為2.38、1.43 mg/100 g[4]。

三大主糧胚芽中也含有豐富的鎂、磷、鉀、鋅、鐵、錳、硒等礦物質。Garcia等[22]測定了三種主糧中常量元素磷、鉀、鎂,結果表明,玉米胚芽中分別為2.42%、2.32%、1.44%;小麥胚芽中分別為1.69%、1.36%和0.43%。稻米胚芽中的鐵、鎂、錳、鉀、鋅等礦物質含量分別為11～49、600～1530、12～14、380～2150、380～2150 mg/100 g[23]。

通過一定技術的加工,小麥胚芽、玉米胚芽和米胚芽均可作為營養健康的天然保健原料,廣泛運用于食品保健、醫藥和化妝品行業。

1.2　生物活性成分

1.2.1黃酮類物質黃酮類物質在自然界分布非常廣泛,它們絕大多數是含羥基的黃酮衍生物,黃酮母核上還可帶有甲氧基或其他取代基?，F已確認的黃酮類化合總數達4千多種,根據其分子結構可分為黃酮醇類、黃酮類或黃堿素類、黃烷酮類、黃烷醇類、花青素類、原花青素類、異黃酮類等。小麥胚芽中含有多種黃酮類物質。早在1931年Anderson等[24]就從小麥的乙醚提取物中分離出了麥黃酮(tricin)。Leoncini等[25]對意大利本土6種小麥籽粒提取物中黃酮物質進行了分析,檢測到碳苷類黃酮6種,氧苷類黃酮1種,同時還檢測到了具有生理活性的芪類化合物以及其他5種酚酸類化合物。稻米胚芽中的黃酮類物質則主要以2-苯基色原酮為母核,以花青素類黃酮化合物為主要組成。侯銳驍等[26]采用氣相色譜-質譜聯用儀,對我國6個省市地區當地售賣的稻米中黃酮化合物進行了分析,結果表明,稻米因產地不同,黃酮含量存在差異,遼寧省的稻米黃酮含量最高。雒江菡等[27]對玉米胚芽中的黃酮物質進行的提取和分析結果表明,玉米胚芽中的總黃酮物質約為2.46%,而且玉米的顏色和品質影響其黃酮物質的種類和含量。Lago等[28]的研究結果則表明,西班牙西的加利西亞的白色硬質玉米(Zeamaysssp.mays)中的黃酮物質主要是花青素類化合物。另外,Ramos-Escudero[29]在研究紫色玉米(ZeamaysL.)中酚類物質抗氧化特性時發現,玉米中的黃酮物質包括黃酮醇類、黃酮類、黃烷醇類以及花青素類等[30]。

表2　不同品種的玉米籽粒中所含各類植物甾醇的量(mg/kg)[43]Table 2　Phytosterols in different corn grains(mg/kg)[43]

黃酮類化合物大都具有藥理作用,能夠降低血管的脆性及改善血管的通透性、降低血脂和膽固醇;有些黃酮物質還能夠抗機體氧化[31]。人體過量的自由基會引起生物分子,如脂類、蛋白質和DNA的氧化損傷,導致慢性疾病及一般炎癥反應和組織損傷。黃酮類物質通過與人體內氧化應激自由基相結合,推遲或預防細胞凋亡[32],從而達到抗衰老功能。此外,黃酮類物質還具有抗腫瘤,抗過敏等功效[33]。

1.2.2植物凝集素植物凝集素是一類包含有至少一個能可逆結合單糖或寡糖非催化區域的糖蛋白。小麥胚芽凝集素是非共價相互作用穩定的同二聚體凝集素。Murdock等[34]用17種植物凝集素飼喂昆蟲四紋豆象,發現麥胚凝集素的防治效果最好;而Peumans等[35]發現,麥胚凝集素能夠抑制綠色木霉孢子的萌發和菌絲生長。Yoshiho[36]等通過對麥胚芽凝集素的組成進行研究,發現麥胚芽凝集素富含半胱氨和甘氨酸。?；燮嫉萚37]采用甲殼素親和層析的方法,對小麥胚芽中的凝集素進行分離純化,純化倍數高達115.9,凝集素的產率為0.566 mg/g。薛如娟等[38]研究表明水稻凝集素組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內總蛋白的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。植物凝集素對植物有許多很重要的生理作用,是一種很好的抗誘變劑。植物凝集素的抗病蟲作用與糖結合專一性有關。由于植物凝集素與蟲害特定的作用機理,具有對環境無污染,穩定性好及對高等動物相對安全等優點,成為防治病蟲害的重要研究對象,促進農業的可持續。醫學研究發現[40-41],植物凝集素可介導體內多種生理過程。植物凝集素通過誘導細胞膜表面上的糖類和蛋白質的相互作用,參與宿主細胞被細菌和病毒感染的初始步驟、胚胎發育中的細胞分化以及腫瘤轉化相關過程。對生物化學、細胞生物學、免疫學、組織器官學以及醫學研究都有重要意義。

1.2.3植物甾醇植物甾醇是一種化學結構和生物結構與膽固醇相似的三萜類化合物,主要有游離甾醇、甾醇酯、甾基糖苷和?；藁擒账姆N形式。植物甾醇種類繁多,至今發現已有100多種。植物甾醇在小麥胚芽油和大米胚芽油中的比例分別為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,可高達633 mg/100 g[42]。Harrabi等[43]對植物甾醇和植物甾醇在玉米粒中的分布進行了研究,結果發現不同品種的玉米胚芽中,各類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較高,具體結果如表2所示。

國外將植物甾醇應用于保健品中預防慢性疾病,在改善患者健康狀況的同時,也極大地提升了人體的免疫力。Burruano等[44]研究發現,植物甾醇在人體內能抑制膽固醇的吸收,從而降低膽固醇和血清低密度脂蛋白,從而具有抗氧化、抗炎等功效[45]。另外,Rideout等[46]對敘利亞黃金倉鼠的研究發現,植物甾醇可以通過多種機制調節腸道脂肪酸代謝,研發出了能預防因飲食誘導的高甘油三酯血癥的功能保健食品?？傊?植物甾醇在降低血液膽甾醇含量、抑制腫瘤、防治前列腺肥大、抑制乳腺增生和調節免疫等方面都有重要作用[47]。被廣泛應用在食品、保健、醫藥以及化工等領域。

1.2.4谷維素谷維素是以環木菠蘿醇類為主體的阿魏酸酯和甾醇類的阿魏酸酯所組成的一種天然有機化合物。受熱后可溶于各種油脂,不溶于水。天然的谷維素主要來自于谷糠油和胚芽油等谷物油脂中。小麥胚油、稻米胚油及玉米胚油都含有一定數量的谷維素。Kim等[48]通過對33種不同顏色的稻米進行研究發現,大多數的稻米的米糠油和米胚油中含有較高的谷維素,其中紅色稻米含量最高。而Bhatnagar等[49]對商業加工米糠中用于生產碎米、米胚芽和純麩皮的研究中,通過分析米糠的不同部位,表明碎米和米胚芽部分是谷維素類、生育酚類以及生育三烯酚類的良好來源,其中米胚芽中含有谷維素(874±7) mg/kg。楊嘉偉[50]的分析對比實驗結果表明,玉米胚芽油中谷維素平均含量為120 μg/g,玉米酒糟油中為814.1 μg/g。谷維素能有效地改善人體的腸胃功能,降低血脂和膽固醇,同時對周期性神經病、腦震蕩,更年期綜合癥等方面具有重要作用。另外,Eslami[51]證實,適當補充谷維素有利于增加年輕健康男性的肌肉力量。Sakai等[52]采用脂多糖(LPS)模型,研究了谷維素的抗炎作用,結果顯示小麥谷維素可能通過抑制血管內皮細胞中的 NF-κB活性而產生抗炎作用。近年來發現,谷維素對消化性潰瘍、慢性蕁麻疹、高脂血癥、室性快速心律失常、Ⅱ型糖尿病、小兒神經性尿頻等也有一定作用[53]。

2　胚芽的應用

2.1　制備天然植物蛋白飲料

胚芽蛋白飲料是一種中性的天然植物蛋白飲料,富含人體所需氨基酸成分,不僅具有良好的風味,還能實現動植物蛋白互補,更好地滿足人們對產品天然、綠色、健康、營養等品質的需求。

李書國等[54]以小麥胚芽為原料,配以蔗糖、鮮牛乳、卵磷脂、維生素及鈣、鐵等營養強化劑,獲得了一種營養價值高于豆奶,并且具有降血脂、抗衰老、抗疲勞等營養保健功能的植物蛋白飲料。呂小義等[55]對小麥胚芽乳酸發酵飲料的工藝進行了研究,發現接種量8%,溫度45 ℃,發酵時間18 h,產品酸度80～85°T,總糖5.3 g/100 mL,pH4.43,此時產品的品質最佳,并且最大的保留了小麥胚芽的營養價值。王領軍等[56]研究了大米胚芽飲料的最佳制備工藝,并對其穩定性進行了研究,實驗發現,稻米胚芽在浸泡溫度45 ℃,經過濃度為1.0 g/kg的NaHCO3浸泡120 min后,大米胚芽飲料的品質最好(蛋白質提取率34.89%,脂肪提取率48.32%,固形物提取率36.37%)。實驗中再添加使用0.15%的酪朊酸鈉、0.1%的卵磷脂、0.15%的海藻酸鈉作為乳化劑,產品具有良好的穩定性,達到了工業化的要求。徐玉娟等[57]采用超臨界 CO2萃取技術確定了玉米胚芽蛋白飲料的最佳工藝條件,從而使生產出的產品組織結構均勻、色澤乳白、口感柔和、味道酸甜適口、風味獨特并具有較好穩定性。

在谷物提取胚芽蛋白加工應用方面上尚有許多需要探索和完善之處,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營養價值。

2.2　制備功能性胚芽油

胚芽油是以胚芽為原料制取的一種谷物胚芽油,富含VE、亞油酸、亞麻酸、二十八碳醇及多種生理活性組分,是重要的功能食品原料,具有很高的營養價值。

目前植物胚芽油的提取方法主要有酶解法、壓榨法、浸出法、超聲波提取法和超臨界萃取法。Shao等[58]采用超臨界CO2技術提取小麥胚芽油,結果表明:在壓力35 MPa,溫度50 ℃,溶劑流速22.5～25 L/h的條件下萃取1 h,不僅可以降低溶劑的消耗和提取時間,提取的小麥胚油產量也較高,約為10.15%。張曉紅等[59]采用先酶解后冷榨的方法,確定了低溫下“酶解冷榨法”提取的最佳工藝參數,這種提取方法雖油脂提取率較低,但所提取到的油脂活性較高,這種聯合提取的手段,為胚芽油的提取提供了新工藝。

我國的小麥、稻米、玉米胚芽資源非常豐富,通過開辟新的植物油源,得到高品質、有益于人體健康的植物油,還能夠有效的減少胚芽資源的浪費,從而提升經濟效益和生態效益。

2.3　胚芽在面粉及其制品中的作用

饅頭、面包等日常生活中經常食用的面制品,通過添加小麥胚芽提高它們營養價值并改善理化性質,對人體補充所需營養具有非常重要的意義。隨著近幾年我國面粉企業規?；陌l展,也為小麥胚芽的深加工提供了充足的原料保證[60]。

Sun等[61]研究了小麥胚芽粉添加成分對面粉、面團及饅頭加工特性的影響,實驗發現:加入適量的小麥胚芽粉(3%～6%)可以提高饅頭的質量。Ma等[62]研究表明:添加小麥胚芽可增加面團的濕面筋含量,饅頭的營養成分也得到強化;但與未添加麥胚的面粉相比,饅頭面筋指數下降。高翔等[63]在對小麥胚芽面包工藝進行研究時,將添加15%～20%小麥胚芽的面包與奶油面包進行了對比,實驗發現,除了糖、脂肪含量較低之外,小麥胚芽面包蛋白質高達19.9 g/100 g,纖維素6.4 g/100 g,鐵26.7 mg/100 g,鋅5.2 mg/100 g,VE11.2 mg/100 g,遠高于奶油面包。羅勤貴等[64]將脫脂后的玉米胚芽粕用于面包的制作中,實驗結果表明,玉米胚芽粕可以用于面包的生產,但為了使面包品質不受較大影響,脫脂玉米胚芽粕的添加量應不超過50 g/kg。Tsen[65]在普通玉米中添加12%的脫脂玉米胚芽粉加工制作玉米胚芽蛋糕;而在小麥粉中通過添加12%玉米胚芽蛋白粉制作得到營養強化面包,其產品外觀與口感與普通面包無明顯差異。日本有一公司在對米胚芽的研究中,將米胚芽開發成米胚芽粉末,在面類制品中添加1%～5%,在面粉制品中,以小麥粉計,可添加1%～10%[66]。

2.4　其它應用

2.4.1小麥胚芽豆腐日本研究人員曾嘗試以小麥胚芽為原料,制成了小麥胚芽豆腐,其風味好、營養價值高,并且制造方法簡單。具體的制作方法是:先將小麥胚芽用熱水浸泡,送入高溫蒸氣粉碎機中粉碎。然后將一定比例的小麥胚芽粉碎液混入豆漿中,添加適當的凝固劑使其凝固,便可得到麥胚豆腐。也可通過將小麥胚乳細磨制粉,作為原料與大豆粉混合,再經制漿、凝固等工序制成麥胚豆腐[67]。

2.4.2小麥胚芽油涂抹食品劉然等[68]研制了一系列高VE含量的小麥胚芽油涂抹食品,其以可可粉、水果和蔗糖等為原料,通過添加小麥胚芽油制成各種新型保健涂抹食品。例如,采用高VE小麥胚芽油制成低糖或無糖的糖尿病人專用涂抹食品。高VE小麥胚芽油制成的各類面包制品,口感柔軟,特別適合老年人食用。

2.4.3生物活性玉米肽食品生物活性肽是天然氨基酸構成的從二肽到復雜的線性或環形結構的不同肽類的總稱,具有多種生理調節功能且食用安全性極好。張鳴鏑等[69]研究表明,玉米胚芽蛋白酶解物具有提高機體免疫的功能,是良好的非特異性免疫激活劑。通過一定的技術,將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,將是未來胚芽食品的重要研究課題。

目前市場上,小麥、稻米和玉米胚芽還相繼被用來制備高鈣低脂、高蛋白的夸克干酪,以及價格低廉的釀造醬油等食品。盡管如此,還應擴展對胚芽應用的研究,使胚芽食品多元化、商品化、品牌化,進一步提高胚芽的綜合利用率。

3　總結與展望

隨著人們生活水平的提高,人們對植物胚芽的營養組成、活性成分及其保健功能的認知程度也在不斷地提高,谷物胚芽產品的開發潛力巨大。雖然胚芽獨特的營養特性受到國內研究者的重視,研究日益深入,逐步擴展,但胚芽食品的研發應用仍存在一些問題:一是胚芽原料資源品種眾多、產地分散,質量參差不齊。小麥有硬質小麥和軟質小麥等品種;稻米有秈稻和粳稻之分;玉米則可以分為硬粒型、馬齒型、粉質型等幾類。因此,從中提取的胚芽也會明顯差異。二是胚芽貯存困難,由于谷物胚芽中生物活性成分較多,尤其是不飽和脂肪酸,VE等物質,很容易發生腐敗變質,導致胚芽最終失去營養價值和加工價值。三是對胚芽開發與利用的力度不夠,谷物胚芽的加工商品品種少,玉米胚芽油是目前我國已經商業化的和認知度最高的谷物胚芽產品。其他產品大都是實驗研究產品或認知度不高。四是胚芽食品相關的標準及其相應的食品法規還不夠完善?？傊?今后需要對食物胚芽加工利用做更全面、更深一步的研究與探索,充分發揮在食品、醫藥、保健等各領域的應用,造福于民。

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