假谷物的营养及加工应用研究进展

谷物作为人类日常饮食中淀粉、蛋白质、膳食纤维、矿物质等营养素的主要来源之一，不仅能够提供能量，而且满足人体日常营养的摄入，例如小麦、大米、玉米。随着全球人口增加、生态环境恶化，目前谷物产量难以满足正常的粮食供应，还影响着粮食安全及营养结构，导致人类健康问题突出[1]。出于这些原因，人们将目光转向与其组成成分和功能相似的假谷物上。

本文从历史起源、营养成分、营养功能、加工处理方式以及食品应用方面综合叙述假谷物的研究现状，分析假谷物产业存在的问题，以期为未来假谷物的新加工技术的研究开发和食品加工应用提供一定的理论依据。

1 假谷物的发展及国内外研究

从植物学的角度出发，籽粒苋、荞麦以及藜麦并不是真正意义上的谷物，它们属于双子叶植物，而大多数谷物(例如：小麦、大麦、玉米等)是属于单子叶植物，由于其成分和功能与真正的谷物相似，所以将其称为“假谷物”。如图1所示，假谷物籽粒的形态结构与小麦、玉米等谷物有显著不同，其中藜麦和籽粒苋外形呈圆形，荞麦外形呈三角形，并且藜麦和籽粒苋的直径小于荞麦[2-3]。从历史起源来看，籽粒苋和藜麦最早起源于印加帝国是为当地的主食，距今已有几千年的历史，在20世纪80年代，才逐渐被引入北美、欧洲、亚洲等地区且成功种植[4]，根据世界粮农组织报告显示，2014年全球藜麦产量在11.46万t左右。荞麦最早起源于中国，距今已有1 500多年的历史，其中甜荞和苦荞已经传播至世界各地，中国和俄罗斯作为最大的生产国，2018年产量分别约为120万t、100万t[5-6]。

图1 3种假谷物的外形结构
Fig.1 The appearance and structure of 3 kinds of pseudo cereals

国外对于假谷物的研究比较早，对其营养成分、功能特性、加工方式以及在食品中的应用都有深入研究，美国谷物化学家协会早已将这几种假谷物划分在可供人类使用的谷物名单中，并且作为一种补充食物，根据不同年龄阶段的人群膳食参考值设定每人每天的推荐摄入量。

国内对于假谷物的研究起步较晚，前期的研究主要集中在假谷物的育种培育方面(例如种类、产量、耐受性等)，后期主要是对家谷物营养成分以及功能特性的研究开发，但是国内对于假谷物的研究有要很长的路要走，其次将其应用到食品、工业以及医药等领域还有很大的潜力。

2 营养成分及价值

2.1 碳水化合物

淀粉作为所有谷物中最重要的碳水化合物，不仅能够满足人体日常需求，而且还决定着食品加工的质量。研究发现，籽粒苋、荞麦、藜麦的淀粉颗粒比普通谷物的淀粉颗粒小，且呈多边形；而荞麦(6～7 μm)淀粉颗粒平均直径大于籽粒苋和藜麦(1.5～2.5 μm)，且直链淀粉(20%～28%)含量高于籽粒苋(0.5%～14.9%)和藜麦(3%～22%)。由于其淀粉的结构以及直、支链淀粉的比例，使得其淀粉比普通淀粉具有良好的冻融稳定性，常被应用于冷冻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-木糖和麦芽糖组成，但葡萄糖和果糖的含量较低，故血糖生成指数很低[9]。膳食纤维作为碳水化合物的一种，包含非淀粉成分以及不易消化的糖类，随着摄入量的增加，可以促进饱腹感，降低胆固醇和脂质吸收，还可以改善肠道微生物群结构，增加肠道对矿物质的吸收[10-11]。

2.2 蛋白质

籽粒苋、荞麦、藜麦中的蛋白含量高于普通谷物，根据其溶解度的不同分为球蛋白、白蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其中的蛋白质主要由球蛋白和白蛋白组成，并且几乎不含有谷醇溶蛋白，使其适合乳糜泻患者[3]。此外，假谷物由于有丰富的氨基酸且分布平衡，特别是赖氨酸、蛋氨酸、谷氨酸是合成左旋肉碱和γ-氨基丁酸的前体物质，具有一定的抗氧化和调节血压的功效[12]。

2.3 脂质

与大多数谷物相比，假谷物具有很高的脂质含量，且不饱和程度较高，其中亚油酸(藜麦中52%，苋菜中46.3%，荞麦中36.4%)是最丰富的不饱和脂肪酸、其次是油酸(荞麦中33.9%，藜麦中24%，籽粒苋中23.1%)，而其他不饱和脂肪酸含量较低，例如α-亚麻酸(藜麦中占总脂肪酸的6.76%，荞麦中2.38%，籽粒苋中0.96%)，对于饱和脂肪酸，其中棕榈酸较为丰富(籽粒苋中18.9%，荞麦中14.3%，藜麦中9.8%)[13-14]。有研究表明，增加n-3系列脂肪酸的摄入会减少与许多退化性疾病相关的生物标志物，如心血管疾病、癌症、骨质疏松症、炎症等[15]。

2.4 维生素和矿物质

维生素作为人类生命活动中所必需的化合物。籽粒苋、藜麦、荞麦都是核黄素、叶酸、维生素E的极好来源。KOZIO等[16]报道藜麦中核黄素含量为0.39 mg/100g，维生素E含量为5.37 mg/100g，是小麦含量的5倍。GAMEL等[17]研究发现籽粒苋中叶酸含量(0.102 mg/100g)是小麦(0.04 mg/100g)的2.5倍。对于矿物质而言，籽粒苋、藜麦、荞麦中磷、镁、钾的含量较高。

表1 假谷物与谷物之间的营养成分比较[13-14]
Table 1 Comparison of nutritional content between pseudo cereals and grains

注：-表示无数据

2.5 其他生物活性物质

对于生物活性物质，假谷物中除了含有丰富的多酚、类黄酮外，芦丁作为类黄酮化合物之一，常存在于谷物胚胎中，且研究表明苦荞麦中芦丁含量要高于甜荞麦，具有减缓疲劳、降低胆固醇、抑制病毒的作用[18]；D-手性肌醇在结构上与葡萄糖相类似，它在荞麦中的含量丰富，研究人员发现其对人体的代谢异常或慢性疾病也有着积极的调节作用[19]。植物脱皮激素作为植物次生代谢产物之一，其在藜麦中含量较为丰富，GRAF等[20]发现植物脱皮激素在藜麦中含量为0.138～0.517 mg/g，其中 20-羟基脱皮素在植物脱皮素中占比很高，且具有降血糖、血脂的功效。角鲨烯作为有一种萜烯类化合物，主要来自于海洋动物的肝油中，后来在籽粒苋中也有发现，具有一定的增强免疫、抗疲劳、抗衰老的生理功能[21]。此外，研究人员还发现甜菜碱在假谷物中也有少量的存在，其是一种含氮且耐热的有机化合物，尽管是非必需的营养素，但是在食品的加工中较为稳定且可被利用，还具有预防慢性疾病的功效[22]。

除了基本的营养物质外，假谷物中还存在抗营养因子，例如植酸、单宁、凝集素、蛋白酶抑制剂、皂苷等，它们都是植物面对外部不良因素产生的次生代谢物，具有一定的生物功能。但是，它们的存在会严重影响谷物中其他营养素的消化、吸收，例如植酸与谷物中的矿物质元素发生螯合，降低矿物质的吸收[23]；而皂苷和槲皮素作为藜麦和荞麦中较为丰富的一种苦味物质，会严重影响产品的适口性[24-25]。

3 处理方式

3.1 热处理

热处理作为谷物处理中应用最广泛的方式之一，主要包括微波、蒸煮、煮沸、烘烤、挤压等。在整个处理过程中，谷物不仅发生物理变化(淀粉糊化、直链-支链淀粉的比例、蛋白质变形等)，而且还发生了化学变化(营养成分的热降解、解聚、重组)，最终导致加工特性发生改变[26]。其中蒸煮、煮沸、挤压属于水热处理，受温度和水分的影响较大；等[27]通过水热处理(95 ℃浸泡20 min)苦荞麦来阻碍芦丁的降解，最终在面包的制作过程中26%的芦丁被保护不被转化为槲皮素。其次，由于芦丁、槲皮素与荞麦淀粉之间的相互作用力，导致荞麦淀粉在糊化过程峰值温度、终止温度和糊化焓降低，淀粉糊的谷值和最终黏度增加，还降低了荞麦淀粉凝胶的硬度、内聚力以及老化焓，同时提高了水结合能力[28]。而微波和烘烤属于干热处理，主要受温度和加热时间的影响，在整个处理过程中对谷物中的营养组分含量以及食品的风味和色泽造成一定的影响，这主要是谷物中氨基酸和还原糖之间发生美拉德反应以及糖之间的焦糖化反应，产生不同风味和颜色的化合物导致的[29-30]。还有研究者在不同的热处理之间进行工艺比较，如周洋等[31]以藜麦为原料，对藜麦进行挤压膨化、蒸汽、烘烤处理，结果表明3种处理方式均可以降低藜麦的苦涩味，这也对有效降低藜麦中苦味提供参考价值。蒸汽爆破作为一种新兴的处理方式被利用在食品加工工艺上，它主要是通过瞬时高温高压蒸汽的作用对食品的结构和成分做出改变，何晓琴等[32]利用不同强度的蒸汽爆破处理苦荞麸皮中的不溶性膳食纤维，使其理化性质和结构发生变化，结果表明不溶性膳食纤维的表面发生破裂，表面积减小，持水力、持油力、膨胀度降低，而对α-淀粉酶抑制力、葡萄糖吸收能力以及体外发酵能力显著提高。还有MUYONGA等[33]对籽粒苋进行烘烤和爆破处理，发现了这2种热处理方式使得蛋白质的消化率降低，总酚含量和抗氧化性增大，还有烘烤处理后的籽粒苋粉的黏度值大于爆破处理的。

3.2 发酵和萌芽处理

谷物的发酵和萌芽过程都是由酶参与的化学反应，通过促进淀粉酶、蛋白酶、半纤维素酶、植酸酶等，使植物中的营养成分和抗营养成分的比例发生变化，从而影响产品的生物活性和消化率[34]。对于假谷物的发酵，目前按照发酵形式分为固态发酵和液态发酵，主要利用的微生物有乳杆菌、根瘤菌，黑曲霉、低孢根霉等，CASTRO-ALBA等[35]利用乳杆菌的自发发酵过程对藜麦以及籽粒苋粉中的植酸盐降解，从而提高对粉体中矿物质利用度以及营养价值。种子萌芽作为一种生物技术，过程中发生的化学反应会促使籽粒结构的修饰和较高生物活性物质的合成，例如γ-氨基丁酸、β-葡聚糖等，可以增加籽粒的营养价值和稳定性，其次可以调节食物的感官风味[36]。OLAWOYE等[37]通过对籽粒苋采用发酵(30 ℃，96 h)和发芽2种独立的方式处理，发现籽粒苋体外蛋白质消化率提高、抗氧化活性 (DPPH) 和金属螯合活性增加以及单宁、草酸盐、皂苷的含量显著减少。

3.3 辐照处理

传统辐照技术应用在食品中灭活微生物，来延长食品的货架期。近些年，联合国粮农组织以及国际原子能机构会议报告称，任何剂量的辐照食品都是安全可靠的，经过辐照后的食品理化特性和营养特性会发生一定的变化，例如产生的自由基导致糖苷键的裂解，从而将大分子多糖转变成较小的片段以及总蛋白含量和可溶性氨基酸减少[38]。目前，辐照技术在假谷物中的应用包括γ-射线、电子束、超声波等，它们都会对谷物中的基本营养成分造成影响，如淀粉的热力学性质、糊化度、结晶度、溶解性等。DU等[39]用电子束照射藜麦后，发现用大于4 kGy的辐照剂量辐照藜麦时，藜麦面粉的溶解度显著增加；随着辐照剂量的增加，藜麦中淀粉颗粒的平均大小以及直链淀粉、易消化性和抗性淀粉含量逐渐增加，而藜麦淀粉的黏度和结晶度显著下降。

3.4 碾磨处理

碾磨是将原料经过物理机械作用将其转化成更细的便于二次加工的初产品。现有的碾磨技术有球磨、超微粉碎、锤磨、辊磨等，它们都是通过改变谷物颗粒的大小来影响其营养成分的含量、加工特性以及感官品味。HUANG等[40]研究了超微粉碎处理对荞麦淀粉的热力学特性、糊化特性、形态和结构特性的影响，结果表明超微粉碎不仅改变了荞麦淀粉颗粒的形态结构而且降低了荞麦淀粉的相对结晶度、峰值、谷值和最终黏度值，反而透光率、溶胀力、溶解度以及持水力是增加的。SAKHARE等[41]利用辊磨对籽粒苋进行研磨处理得到可变成分的馏分，这样极大地满足了不同食品配方，而且还具备独特的营养成分和功能特性。此外，喷射研磨作为一种新兴的、耗能低、可减小颗粒尺寸的技术，可生产超细粉末[42]。

3.5 高压处理

高压技术作为一种非热加工技术，主要被用于食品加工过程中的灭活内源性酶和微生物，来延长保质期。与传统加工处理方式相比较，高压处理不仅在很大程度上保留了食物自身的质量属性，而且还能够改变成分的功能。ZHU等[43]利用高静水压技术对藜麦粉进行处理使其粉体的理化性质发生改变，结果表明经过高静水压处理的藜麦粉中总酚含量增加，而黏度和体外消化率降低。还有LINSBERGER-MARTIN等[44]将籽粒苋和藜麦通过高静水压处理后，研究它们中淀粉的变化发现经过处理后的淀粉膨胀度均增加，并且当压力超过350 MPa时，随着压力的持续增加，藜麦中抗性淀粉的含量增加，而籽粒苋中抗性淀粉的含量在任何压力下都小于原籽粒苋粉。

4 在食品中的应用

乳糜泻作为一种常见的腹腔疾病，是肠道对麸质较为敏感的原因所致，目前只是通过摄取无麸质的食品来治疗[3]。而藜麦、籽粒苋、荞麦作为假谷物的代表物，因为不含有谷醇溶蛋白而被受关注。其次，近些年低血糖生常指数(low-glycemic index，low-GI)的食物开始出现在人们的日常饮食中，因为研究发现高GI食物的饮食与人们患有心血管疾病、糖尿病、肥胖以及癌症有一定的关系。为降低GI，人们发现假谷物中蛋白质、膳食纤维、酚类化合物、抗性淀粉均能够很好地控制人体内胆固醇、血压、血糖等水平，所以根据这些性质开发了针对特定人群的产品[45]。如下：

(1)面食制品。传统面食制品都有是由小麦粉作为主要原料来制备，但是由于小麦粉中含有大量的醇溶蛋白，使得麸质敏感性人群对其产生抗拒，而目前无麸质面食品主要还是采用玉米及大米淀粉较多，虽然能够解决一部分麸质敏感性问题，但是它们这类产品的外形以及口感相对较差，其次营养价值低，使用具有高营养价值和功能特性的藜麦、荞麦和籽粒苋等假谷物可以提高无麸质面制品的质量和保质期[46]。

(2)膨化制品。通过利用挤压膨化技术生产一类方便、即食的食品，尽可能保证了假谷物原有的营养成分，而且还改善了口感。杨芙莲等[47]利用微波膨化的技术，通过控制微波功率(720 W)和微波时间(70 s)证明了微波可以实现荞麦脆片的膨化。

(3)发酵制品。相比于传统谷物，藜麦、荞麦、苋菜中含有丰富的淀粉、蛋白质以及氨基酸，能够满足酵母在发酵过程中的代谢需求，其次它们中的脂肪不易发生氧化以及含有的天然抗氧化剂，使得在啤酒等发酵产品的贮存过程中不会产生不良气味。BOGDAN等[48]利用未萌芽的藜麦和籽粒苋代替部分啤酒生产中的麦芽，使其啤酒中的氨基酸和脂肪酸重新分布，改善发酵效率和风味。其次，这类发酵产品比较适用于乳糜泻人群[2]。

(4)饮料制品。随着消费者对健康和保健意识的提高，提升了对具有功能和治疗特性饮料的需求，假谷物除了可替代小麦、稻米等这类主食外，它们所富含具有健康特性的生物活性植物化学物质，如酚类化合物、类胡萝卜素、膳食纤维、植物甾醇、γ-谷维素、γ-氨基丁酸、β-葡聚糖等，因此具有加工成功能性饮料的巨大潜力[49]。例如祁海平等[50]以黑苦荞为原料，经过烘烤、浸提、调配得到清凉可口、有保健功效的饮料，这些复合饮料在一定程度上不仅满足消费者的需求，而且也调和了假谷物带来的适口性差的问题。

(5)芽菜食品。因其具有药用和食用价值，它们中含有丰富的必需氨基酸、维生素、矿物质、酚类、黄酮类、类胡萝卜素(β-胡萝卜素和番茄红素)以及叶绿素，这些潜在的营养素大大地提高了消费者对它们的兴趣[51]。

(6)肉制品。由于假谷物自身具备的特定成分，如高质量的蛋白质，其中必需氨基酸的含量也很高(赖氨酸、蛋氨酸)，它们很大程度上可以替代肉中的蛋白；其次，高膳食纤维低脂肪的特性，使得它们可以作为肉制品中的脂肪替代物；而淀粉除了可以作为凝胶剂外，其中含有的活性成分可以有效地防止肉制品中脂质氧化[52]。所以，这也为假谷物添加到肉类制品提供了新的思路和方向。

(7)婴幼儿补充食品。婴幼儿营养不良一直以来是全球严重的治疗问题和健康问题，特别是在非洲国家，由于气候恶劣及资源匮乏的原因，导致5岁以下儿童患有严重的营养缺乏症，特别是锌和铁的缺乏。后经研究发现籽粒苋不仅能够应对干旱的气候条件，而且还能够提供儿童生长所必需的营养物质，这在很大程度上降低了儿童的死亡率和患病率[53]。而在国内曾有人提出籽粒苋强化儿童食品，因其丰富的赖氨酸、钙、铁、硒，极大程度地治疗了儿童的贫血症，而且深受儿童的喜爱。

5 结论和展望

尽管假谷物的种植历史很长，但是真正走进大众视野的时间并不是很长。经过上世纪至到今天的发展，人们对于假谷物的研究已经取得一些成果，但是在这过程中仍然存在一些限制性的问题：(1)相比于普通谷物，人们对于假谷物的消费和接受度很低；(2)蛋白质等营养成分在加工食用过程中的利用率很低；(3)相对于小麦、稻米、玉米等这类谷物，对于它们的产品评判级检测方法没有统一的标准；(4)淀粉与非淀粉成分之间的相互作用尚不明确以及它们与食品加工之间的相关性研究很少。因此，研究假谷物还有很长的路要走，不仅要研究清楚其中营养成分变化规律以及各成分之间的相互关系，而且还需明确各成分在食品加工过程中所起的作用，这样才能更好地为假谷物的基础研究提供可靠依据，为假谷物产业化发展以及标准的建立提供有力支撑。