加工方式对全谷物抗氧化活性影响研究进展

戴涛涛,耿　勤,曾子聪,王谢祎,李　俶

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)



加工方式对全谷物抗氧化活性影响研究进展

戴涛涛,耿勤,曾子聪,王谢祎,李俶*

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

全谷物中富含多酚、花青素、植酸、γ-谷维素、烷基间苯二酚等多种生理活性物质,其抗氧化能力备受关注。全谷物品种多样,加工方式不尽相同,不同的加工方式对全谷物抗氧化活性的影响也不同。本文就近年来国内外有关不同加工方式对全谷物中抗氧化活性影响的研究进行综述,为全谷物加工的深入研究及合理消费提供参考。

全谷物,加工方式,抗氧化活性

全谷物是完整、碾碎、破碎或压片的谷物,其基本组成包括淀粉质胚乳、胚芽与皮层,各组成部分的相对比例与完整颖果一致[1]。全谷物中含有大量的抗氧化活性物质,如酚类物质、类胡萝卜素、γ-谷维素、植物甾醇以及植酸盐等[2]。流行病学研究表明,增加全谷物的摄入可以有效的预防肥胖、心血管疾病、II型糖尿病以及癌症等慢性疾病[3]。

然而,全谷物中的抗氧化活性物质对光、热、pH等因素较为敏感,在一般的加工过程中容易发生分解、氧化、聚合等反应,导致这些组分的流失[4]。研究表明,对全谷物进行适当的加工不仅可以提高其食用品质,同时可以使其营养素得到较好的保留甚至提高,提高其活性物质的含量以及总抗氧化活性[5-6]。因而选择合适的方式对全谷物进行适当的加工,对提高全谷物的功能特性及促进全谷物的合理消费意义重大。本文就常用加工方法对全谷物抗氧化活性的影响进行综述,主要包括传统热加工、挤压加工以及辐照、发酵等方法。

1　全谷物中的抗氧化活性物质

全谷物中不仅含有丰富的膳食纤维、B族维生素,同时还含有许多直接或间接的抗氧化成分,主要包括多酚、类胡萝卜素、生育酚、木酚素、植物甾醇、植酸等[1]。此外全谷物中还含有一些果蔬中不具备的特有的抗氧化成分,如γ-谷维素、烷基间苯二酚以及燕麦蒽酰胺等[7]。全谷物中多酚类物质主要包括酚酸类和黄酮类。不同谷物中抗氧化活性物质种类及含量各不相同(表1),且均具有一定的自由基清除能力,可以通过螯合具有催化作用的金属离子、调节体内氧化酶类和抗氧化酶类的活性、促进内源性抗氧化物质的形成等方式使机体免受氧化损伤[8]。全谷物中的抗氧化活性物质主要以游离态、可溶的共轭态以及结合态形式存在,不同的加工方式可以改变其存在形式,进而影响其含量与生物活性。

表1　全谷物中主要抗氧化性活性物质成分[9-10]

表2　热加工对全谷物抗氧化活性的影响

注:“↑”指含量或抗氧化活性升高;“↓”指含量或抗氧化活性降低;“～”指含量或抗氧化活性没有显著性变化;“-”指未检测,表3同。

2　热加工方式对全谷物抗氧化活性的影响

2.1传统热加工

常见的谷物传统热加工方式有焙烤、蒸煮、微波以及高压蒸汽处理等(表2)。热加工对全谷物中抗氧化活性物质的影响与谷物种类、加工条件密切相关。Zhang等[11]将荞麦粉分别进行焙烤、高压蒸汽加热、微波加热三种不同的热加工,发现其总酚含量无明显变化,总黄酮含量及自由基清除能力明显下降,其中焙烤加工方式黄酮损失最多。热加工使得多酚等活性物质含量降低主要是因为在加热过程中多酚可发生降解、氧化、聚合,同时与食品中的其它组分相互作用形成复合物[12],加热过程中总酚含量不变主要是因为谷物中的还原糖、氨基酸等多种组分会发生美拉德反应、焦糖化,其反应产物可能与福林酚反应,使得福林酚法测总酚含量时总酚含量偏高,抵消了因降解、氧化、聚合等的影响[13]。

选择适当的热加工条件,可提高全谷物中抗氧化活性物质含量及其利用率。Reena等[14]对五种不同的全谷物进行高压灭菌处理,其总酚含量及自由基清除率均有所增强。Dewanto等[5]将甜玉米热处理后,其总酚含量提高54%,总氧自由基(TOSC)清除能力先升高后降低,发现热处理会破坏植物细胞结构,释放出结合态酚类物质,增加可溶性阿魏酸糖酯含量,同时可降解共轭型多酚。Cheng等[15]发现热加工(100℃)可将小麦粉中的共轭型多酚类化合物如单宁类降解,从而提高简单酚类物质如阿魏酸、香草酸、对香豆酸的含量,加热处理可以改变抗氧化剂的化学组成和整体的抗氧化活性。还有研究表明,谷物中的抗氧化活性物质如酚酸和黄酮之间可能会发生协同作用,进而提高多酚物质的抗氧化能力[5,16]。

表3　挤压对全谷物抗氧化活性的影响

2.2挤压加工

挤压加工是通过水分、机械剪切、热能与压力等综合作用力形成的高温、高压的短时的新型加工方式,与传统的加工方式相比,挤压加工具有连续、高效的优点,广泛应用于谷物早餐食品的加工。不同的挤压条件(挤压温度、螺杆转速以及物料的水分含量)对全谷物中抗氧化活性物质的影响不同(表3)。研究表明食品挤压后可提高消化性,同时营养素的利用率也大幅增强[20]。

由表3可以看出,经挤压加工后,大部分谷物总酚、维生素等抗氧化活性物质含量显著减少。Aylin等[20]对大麦及大麦果渣混合物进行挤压处理时,发现其总抗氧化活性及总酚含量均明显降低。主要是因为挤压过程中温度高,全谷物中大多数的活性物质对温度较为敏感,易发生脱羧反应以及不同程度的降解[26-27]。对于高水分含量的物料容易使活性物质发生聚合从而降低全谷物中的抗氧化活性物质含量,进而影响抗氧化活性[28]。然而,在适当的条件下,全谷物经过挤压后其阿魏酸的含量提高了3倍[24],Sensoy等[29]将黑荞麦粉在170℃条件下进行挤压,其抗氧化活性物质的含量及抗氧化活性均没有发生明显变化。Paras等[21]发现挤压后大麦的总抗氧化活性明显升高,在挤压温度为150℃、水分含量为20%时,抗氧化活性上升幅度最强,这是因为挤压过程中的高剪切力使全谷物的细胞结构遭到破坏,许多结合态的酚类物质被释放出来,同时由于膨化作用,挤压产品的结构更为松散,酚类物质更容易被溶剂提取出来,导致总酚含量提高,且挤压过程中会发生美拉德反应,而温度及物料水分含量的改变影响了美拉德反应产物的含量,同时挤压过程中持续强烈的热处理会导致多酚类等物质发生降解。

3　非热加工方式对全谷物抗氧化活性的影响

热加工技术在全谷物加工中使用广泛,然而,在过去的十年中,非热能加工技术如碾磨、辐照、发酵、发芽等在食品加工技术中也已逐渐发展,这些非热加工方式也可用来提高食品的营养品质。

3.1存储

采收、干燥、储存和谷物碾磨前的整体处理可影响全谷物产品中大量存在的活性物质。一些研究表明存储会影响谷物的总酚含量,Sosulski等[30]发现将小麦贮存6个月其总酚含量下降约66%,其抗氧化能力下降,但处理前后小麦中各种酚酸类型(游离、共轭和结合)没有发生变化。这主要是半纤维素阿魏酸酯的氧化,导致结合型酚酸的减少,但结合酚酸的降解另一方面增加了游离酚的含量,其抗氧化活性变化与总酚含量呈正相关[31]。同时Zhou等[31]发现糙米和精白米存储在37℃时结合型酚酸减少程度大于4℃时,这一趋势与Elena等[32]研究全麦面粉中类胡萝卜素在储存期间的含量变化一致,抗氧化活性物质含量的变化具有温度依赖性。在全谷物贮存的过程中,各种复杂的因素会发生相互作用,如水分含量、呼吸作用、微生物的侵染、昆虫、发芽、内源性酶和储存条件等,其中某些因素可能有利于谷物中酚酸和抗氧化成分的提高[33]。

3.2碾磨

一般情况下,碾磨是将原材料转化成更细的便于二次加工的初级产品。谷物的抗氧化活性物质主要分布在皮层,然而谷物碾磨是一个将糠麸和胚芽与淀粉质胚乳分离的过程,因此果皮,种皮,糊粉层都从谷物中去除,这样的方法对谷物中生理活性物质如矿物质、维生素、纤维和植物化学物质产生重大影响。因此,谷物颗粒的抗氧化剂的浓度在精制过程中大幅度减少。Li等[34]研究了三种不同碾磨度对不同品种全谷物粉的影响,结果表明经碾磨后的谷物,全谷物中总酚含量、总黄酮含量以及铁离子还原(FRAP)能力、ABTS+·清除能力均显著下降。因此,增加全谷物的摄入更有利于人体的健康,但碾磨后的谷物会带来更好的口感,碾磨得到的副产品糠麸部分可作为抗氧化剂的天然来源和功能性食品成分的一个高营养馏分[33]。

3.3辐照

食品辐照加工是利用射线对食品进行一定剂量的辐照,通过直接或间接的作用达到杀虫灭菌、钝化酶活以及去除抗营养因子的效果,从而延长食品的货架期[35]。研究表明,当辐照剂量≤10 kGy时对食品营养影响不大,≤1 kGy即可对谷物产品起到杀虫作用,≥2 kGy则能起到杀菌作用,同时可以缩短蒸煮时间[36]。近年来,辐照处理对不同食品的理化特性以及营养特性的研究较多,这些研究发现辐照处理不仅能够有效对谷物及其它食品进行保鲜,同时能够改变食品中淀粉的理化特性[37]、营养特性以及抗氧化特性[38-39]。

辐照加工对全谷物中抗氧化活性物质的影响主要取决于辐照的剂量以及全谷物的种类。Shao等[40]对3种不同颜色的全谷物稻米进行辐照处理,发现总酚含量及总抗氧化活性均明显增加,且在高剂量(8、10 kGy)辐照条件下增加效果显著,抗氧化活性物质的增加可能是辐照过程中产生的游离自由基充当应力信号,改变了细胞膜的渗透性和电势,可能启动谷物中不同的代谢反应,触发多酚类物质合成的应激反应,从而合成多酚类物质[41-42]。Zhu等[43]对不同品种全谷物稻米进行辐照处理,发现除黑米外,谷物中总酚酸含量在辐照条件下显著降低,且含量与辐照剂量没有严格的效应关系,黑米在6、8 kGy辐照条件下花青素和酚酸的总量均显著提高,黑米中多酚含量升高是因为辐照处理能够激活合成多酚类物质的酶,促进多酚含量增加。因此,应对不同的全谷物选择合适的辐照剂量,有利于谷物中的抗氧化成分含量的提高。

3.4发酵

发酵是一种传统的利用微生物对食品进行加工的方法,主要用于一些酒精性饮料的制作生产,在发达国家中已经应用于多种全谷物食品的加工[44-45]。研究表明谷物在发酵过程中酶的作用可以释放结合态的生理活性物质,同时合成新的活性物质[46]、降解抗营养因子[47]等。Dordevic等[48]对4种不同的谷物进行乳酸菌发酵后,总酚含量有明显的提高,Hole等[49]用不同的乳酸菌株在37℃温度下对全麦粉发酵18 h后,发现游离及结合态酚酸含量显著提高,且可溶性膳食纤维与不可溶性膳食纤维比例提高。不可溶性膳食纤维-阿魏酸复合物转变为可溶性膳食纤维-阿魏酸复合物,使得阿魏酸酯酶更容易酶解出阿魏酸,提高阿魏酸生物利用率。

4　结论与展望

不同的加工方式及其加工条件对全谷物中的抗氧化活性物质及其抗氧化活性具有重大影响,相同的加工方式及加工条件对不同类全谷物的抗氧化性物质与抗氧化活性也是不同的,故无法采用特定的加工方式对某类全谷物的抗氧化性物质含量及活性有促进作用。大量的研究表明,全谷物的抗氧化活性物质主要分布在皮层,其抗氧化活性物质组成与品种、种类有关,且都是复杂的并非单一的,如有色谷物中含有更多的花色苷和原花青素等植物色素,而这些抗氧化活性物质在加工过程会发某些相互作用(如:协同作用)以及某些化学反应(如:美拉德反应、焦糖化反应),全谷物的抗氧化性与此密切相关。

因此,不同的全谷物选择合适的加工方式,将有利于提高全谷物中抗氧化活性物质的含量,增强其抗氧化活性,进而提高全谷物制品的营养价值。近年来,随着人们对全谷物中的抗氧化活性物质了解的不断深入以及人们对营养保健食品的需求,同时在全谷物食品日益兴起的背景下,系统、深入的研究不同加工方式对全谷物中抗氧化活性物质及其抗氧化活性的作用规律,阐明加工方式对全谷物生理功能的影响、合理消费、促进人体健康具有重要积极意义。

[1]龚二生,罗舜菁,刘成梅.全谷物抗氧化活性研究进展[J].食品工业科技,2013,34(2):364-369.

[2]Liu R H.Whole grain phytochemicals and health[J].Journal of Cereal Science,2007,46(3):207-219.

[3]Mozaffarian D,Kumanyika S K,Lemaitre R N,et al.Cereal,fruit,and vegetable fiber intake and the risk of cardiovascular disease in elderly individuals[J].Jama,2003,289(13):1659-1666.

[4]Slavin J L,Jacobs D,Marquart L.Grain processing and nutrition[J].Critical Reviews in Biotechnology,2001,21(1):49-66.

[5]Dewanto V,Wu X,Liu R H.Processed Sweet Corn Has Higher Antioxidant Activity[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2002,50(17):4959-4964.

[6]Nayak B,Liu R H,Berrios J J,et al.Bioactivity of antioxidants in extruded products prepared from purple potato and dry pea flours[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2011,59(15):8233-8243.

[7]Dykes L,Rooney L W.Phenolic compounds in cereal grains and their health benefits[J].Cereal Foods World,2007,52(3):105-111.

[9]Nayak B,Liu R H,Tang J.Effect of processing on phenolic antioxidants of fruits,vegetables,and grains—a review[J].Food Science and Nutrition,2015,55(7):887-918.

[10]Slavin J.Why whole grains are protective:biological mechanisms[J].Proceedings of the Nutrition Society,2003,62(1):129-134.

[11]Zhang M,Chen H,Li J,et al.Antioxidant properties of tartary buckwheat extracts as affected by different thermal processing methods[J].LWT-Food Science and Technology,2010,43(1):181-185.

[12]Xu B,Chang S K C.Total Phenolic,Phenolic Acid,Anthocyanin,Flavan-3-ol,and Flavonol Profiles and Antioxidant Properties of Pinto and Black Beans(Phaseolus vulgaris L.)as Affected by Thermal Processing[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2009,57(11):4754-4764.

[13]蔡妙颜,肖凯军,袁向华.美拉德反应与食品工业[J].食品工业科技,2003,24(7):90-93.

[14]Randhir R,Kwon Y,Shetty K.Effect of thermal processing on phenolics,antioxidant activity and health-relevant functionality of select grain sprouts and seedlings[J].Innovative Food Science & Emerging Technologies,2008,9(3):355-364.

[15]Cheng Z,Su L,Moore J,et al.Effects of Postharvest Treatment and Heat Stress on Availability of Wheat Antioxidants[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2006,54(15):5623-5629.

[16]Eberhardt M V,Lee C Y,Liu R H.Nutrition:antioxidant activity of fresh apples[J].Nature,2000,405(6789):903-904.

[17]Massaretto I L,Alves M F M,de Mira N V M,et al.Phenolic compounds in raw and cooked rice(Oryza sativa L.)and their inhibitory effect on the activity of angiotensin I-converting enzyme[J].Journal of Cereal Science,2011,54(2):236-240.

[18]Zielinski H,Michalska A,Amigo-Benavent M,et al.Changes in Protein Quality and Antioxidant Properties of Buckwheat Seeds and Groats Induced by Roasting[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2009,57(11):4771-4776.

[19]Wataniyakul P,Pavasant P,Goto M,et al.Microwave pretreatment of defatted rice bran for enhanced recovery of total phenolic compounds extracted by subcritical water[J].Bioresource Technology,2012,124(3):18-22.

[20]Gu L,House S E,Rooney L W,et al.Sorghum Extrusion Increases Bioavailability of Catechins in Weanling Pigs[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2008,56(4):1283-1288.

[21]Sharma P,Gujral H S,Singh B.Antioxidant activity of barley as affected by extrusion cooking[J].Food Chemistry,2012,131(4):1406-1413.

[22]Altan A,Mccarthy K L,Maskan M.Effect of extrusion process on antioxidant activity,total phenolics andβ-glucan content of extrudates developed from barley-fruit and vegetable by-products[J].International Journal of Food Science & Technology,2009,44(6):1263-1271.

[23]Stojceska V,Ainsworth P,Plunkett A,et al.Cauliflower by-products as a new source of dietary fibre,antioxidants and proteins in cereal based ready-to-eat expanded snacks[J].Journal of Food Engineering,2008,87(4):554-563.

[24]Zielinski H,Kozlowska H,Lewczuk B.Bioactive compounds in the cereal grains before and after hydrothermal processing[J].Innovative Food Science & Emerging Technologies,2001,2(3):159-169.

[25]S Shin T.Kinetics of Antioxidant Degradation in Rice Bran on Extruder Stabilization Processing[J].Food Science & Biotechnology,1999,8(1):47-53.

[26]Delgado-Licon E,Ayala A L M,Rocha-Guzman N E,et al.Influence of extrusion on the bioactive compounds and the antioxidant capacity of the bean/corn mixtures[J].International Journal of Food Sciences and Nutrition,2009,60(6):522-532.

[27]Repo-Carrasco-Valencia R,Pea J,Kallio H,et al.Dietary fiber and other functional components in two varieties of crude and extruded kiwicha(Amaranthus caudatus)[J].Journal of Cereal Science,2009,49(2):219-224.

[28]Dlamini N R,Taylor J R N,Rooney L W.The effect of sorghum type and processing on the antioxidant properties of African sorghum-based foods[J].Food Chemistry,2007,105(4):1412-1419.

[29]Sensoy I,Robert T R,Chi-Tang H,et al.Effect of processing on buckwheat phenolics and antioxidant activity[J].Food Chemistry,2006,99(2):388-393.

[30]Sosulski F,Krygier K,Hogge L.Free,esterified,and insoluble-bound phenolic acids.3.Composition of phenolic acids in cereal and potato flours[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,1982,30(2):337-340.

[31]Zhou Z,Robards K,Helliwell S,et al.The distribution of phenolic acids in rice[J].Food Chemistry,2004,87(3):401-406.

[32]Mellado-Ortega E,Hornero-Méndez D.Carotenoid evolution during short-storage period of durum wheat(Triticum turgidum conv.durum)and tritordeum(× Tritordeum Ascherson et Graebner)whole-grain flours[J].Food Chemistry,2016,192:714-723.

[33]Ragaee S,Seetharaman K,Abdel-Aal E S M.The impact of milling and thermal processing on phenolic compounds in cereal grains[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2014,54(7):837-849.

[34]Li Y,Ma D,Sun D,et al.Total phenolic,flavonoid content,and antioxidant activity of flour,noodles,and steamed bread made from different colored wheat grains by three milling methods[J].The Crop Journal,2015,3(4):328-334.

[35]Siddhuraju P,Makkar H P S,Becker K.The effect of ionising radiation on antinutritional factors and the nutritional value of plant materials with reference to human and animal food[J].Food Chemistry,2002,78(2):187-205.

[36]Lacroix M,Ouattara B.Combined industrial processes with irradiation to assure innocuity and preservation of food products-a review[J].Food Research International,2000,33(9):719-724.

[37]Liu T,Ma Y,Xue S,et al.Modifications of structure and physicochemical properties of maize starch by γ-irradiation treatments[J].LWT-Food Science and Technology,2012,46(1):156-163.

[38]Aziz N H,Souzan R M,Azza A S.Effect of γ-irradiation on the occurrence of pathogenic microorganisms and nutritive value of four principal cereal grains[J].Applied Radiation and Isotopes,2006,64(12):1555-1562.

[39]Kim J H,Sung N Y,Kwon S K,et al.γ-Irradiation improves the color and antioxidant properties of Chaga mushroom(Inonotus obliquus)extract[J].Journal of Medicinal Food,2009,12(6):1343-1347.

[40]Shao Y,Tang F,Xu F,et al.Effects of γ-irradiation on phenolics content,antioxidant activity and physicochemical properties of whole grainrice[J].Radiation Physics and Chemistry,2013,85(4):227-233.

[41]Fan X,Toivonen P M A,Rajkowski K T,et al.Warm water treatment in combination with modified atmosphere packaging reduces undesirable effects of irradiation on the quality of fresh-cut iceberg lettuce[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2003,51(5):1231-1236.

[42]Barka E A,Kalantari S,Makhlouf J,et al.Effects of UV-C irradiation on lipid peroxidation markers during ripening of tomato(Lycopersicon esculentum L.)fruits[J].Functional Plant Biology,2000,27(2):147-152.

[43]Zhu F,Cai Y,Bao J,et al.Effect of γ-irradiation on phenolic compounds in rice grain[J].Food Chemistry,2010,120(1):74-77.

[44]Nout M J R.Rich nutrition from the poorest-Cereal fermentations in Africa and Asia[J].Food Microbiology,2009,26(7):685-692.

[45]Hammes W P,Brandt M J,Francis K L,et al.Microbial ecology of cereal fermentations[J].Trends in Food Science & Technology,2005,16(1):4-11.

[46]Katina K,Liukkonen K H,Kaukovirta-Norja A,et al.Fermentation-induced changes in the nutritional value of native or germinated rye[J].Journal of Cereal Science,2007,46(3):348-355.

[47]Sharma A,Kapoor A C.Levels of antinutritional factors in pearl millet as affected by processing treatments and various types of fermentation[J].Plant Foods for Human Nutrition,1996,49(3):241-252.

[49]Hole A S,yj Rud I,Grimmer S,et al.Improved Bioavailability of Dietary Phenolic Acids in Whole Grain Barley and Oat Groat following Fermentation with Probiotic Lactobacillus acidophilus,Lactobacillus johnsonii,and Lactobacillus reuteri[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2012,60(25):6369-6375.

Review on the effect of processing techniques on antioxidant activity of whole grains

DAI Tao-tao,GENG Qin,ZENG Zi-cong,WANG Xie-yi,LI Ti*

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Whole grains are relatively high in antioxidant activity due to its abundant antioxidant compounds,such as polyphenols,anthocyanins,phytic acid,γ-oryzanol and alkylresorcinols.However,there are many kinds of whole grains processed by various processing methods,these processing techniques exhibited different influences on antioxidant activity of whole grains.In this paper,the recent domestic and international researches about the effect of processing methods on antioxidant compounds and antioxidant activity of whole grains was reviewed to provide references for further researches on the processing of whole grains and promote the reasonable consumption.

whole grains;processing methods;antioxidant activity

2015-09-02

戴涛涛(1991-)，男，硕士，研究方向:食品(含生物质)资源的开发利用，E-mail：ncubamboo@163.com。

李俶(1971-)，女，博士，教授，主要从事天然产物的提取与应用，E-mail：liti@ncu.edu.cn。

国家自然科学基金(31460394)。

TS272.7

A

1002-0306(2016)07-0368-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.063