谭斌 刘明 吴娜娜 汪丽萍 田晓红

全世界有一半以上的人口以大米作为大宗主食｡人类对稻米的加工利用大致经历了以下几个阶段:即从原始狩猎时期到石土砻､石磨盘､杵臼等人力､畜力工具加工,再从18世纪末期的砻谷机､碾米机的发明,进而到了20世纪的现代机械碾米制粉工业｡伴随着这种稻米加工方式的变化,人们的健康状况及对稻米的营养健康作用的认知也在不断发生变化｡主食谷物的利用方式与代谢综合症相关慢性疾病之间的关系,逐渐成为研究的热点领域｡欧美发达国家正在不断通过各种方式来增加人们全谷物及其组分中的保护性化合物的摄入,以改善人们的健康状况｡

据有关资料统计,2011年中国大米产量中一级､二级､三级､四级大米的产量分别为5609,1747,708,81万t,分别占总产量的68.3%,21.3%,8.6%,1%,而糙米的总产量仅为70万t,占总产量的0.9%｡由此可以看出,目前中国大米加工消费结构中加工精度越高的精米所占比重越高,大米的分级标准还是停留在精度越高越优质,消费者的主体需求还是在追求口感优良的高精度加工大米｡文章拟就糙米的营养组成特性､发展全谷物糙米食品的重要意义､发展机遇､挑战及方向等方面进行探讨,以期引起学界及工业企业等对糙米全谷物食品发展的更多关注｡

1 糙米是一种典型的全谷物食品

稻谷是由16%～21%的稻壳和79%～84%的糙米构成的,其中糙米是由5%～7%糠层､66%～72%胚乳和2%～3.5%的胚组成(见图1)｡图2是稻米糠层的三维模型,由图2可以看到糠层(皮层)是由果皮､种皮､珠心层､糊粉层等几部分构成｡糠层是糙米中主要营养物质的聚集区,主要含有可溶与不溶膳食纤维､B族维生素､蛋白质､矿物元素､各类生理活性组分､植酸､酶类､蜡质等,生理活性组分包括维生素E､生育三烯酚､植物甾醇､谷维素､二十八碳烷醇､角鲨烯､磷脂､(神经酰胺)米糠素､抗氧化组分等｡胚芽主要含有不饱和脂肪酸､抗氧化组分､维生素E､矿物元素､植物甾醇､酶类等｡由此可以看出,糙米是一个“营养素包”,富含各种营养素与生理活性物质｡

图1 稻米的籽粒结构

图2 稻米糠层的三维组成

图3为稻谷的典型碾米过程,目前的碾米工艺中,稻谷垄谷产生糙米,糙米再经过碾米､抛光的过程获得精白米,在这个过程中,精白米的得率在70%左右,中国有部分企业,为了提高精白米的质量,出品率才50%左右｡因此,富含营养素的糠层和胚芽均在碾米过程中被损失掉｡表1为笔者实验室测得的数据,对比表1,在碾米后精米的营养素含量均大幅下降,其中维生素B₁与总膳食纤维含量均不到糙米的20%｡

图3 稻谷典型的碾米过程

表1 糙米和精米中B族维生素与膳食纤维含量对比

由于目前没有全谷物含量的实验室测试方法,FDA要求以等同于或超过小麦膳食纤维的含量为评判标准｡糙米虽然纤维含量没有小麦高,但仍属于100%的全谷物食品｡

2 世界对全谷物(糙米)食品的关注与发展

20世纪80年代以来,发达国家对全谷食品的营养与健康进行了大量深入的研究｡研究表明,全谷物食品中的各种营养素构成的“营养素包”可能产生协同增效作用,从而比单个分离的营养素更加有利于人体健康｡增加全谷食品的消费可以降低心血管疾病､糖尿病及某些癌症等慢性疾病的危险｡美国是倡导全谷物食品比较早的国家之一,在美国,全谷物的推广是“一场运动”､“一种新的社会规则”｡

1997年在巴黎召开了第一个欧洲的全谷物会议,2005～2010年,欧盟启动了一项“健康谷物”(health grain)综合研究计划项目｡来自17个国家的43个研究机构参与了该项目｡旨在通过增加全谷物及其组分中的保护性化合物的摄入,以改善人们的健康状况,减少代谢综合症相关疾病的危险｡主要目标是生产能够促进人体健康､安全且食用品质优良的谷物食品与食品配料｡2010年6月正式成立欧盟健康谷物协会｡1993年美国农业部,General Mills等机构在华盛顿召开了第一个全谷物专题会议,之后每年就全谷物的不同主题召开了年会｡2002年美国成立了全谷物委员会(whole grain council,WGC)｡澳大利亚于1995年成立了一个倡导健康谷物与豆类消费的独立性组织(go grains health&nutrition)｡加拿大新的食品指南也推荐成年人每天摄入的谷物中的50%以上是全谷物｡在这些国家的超市､学校､军队､医院､餐馆等都能看到全谷物食品｡

以美国为代表的发达国家营养健康的全谷物糙米食品种类很多,最为常见的全谷物糙米食品包括:调理糙米､糙米片､速煮糙米､方便糙米食品､糙米婴幼儿食品､糙米休闲食品､糙米粉､糙米提取物､发芽糙米､糙米粥等｡

3 中国对全谷物(糙米)食品的关注

总体而言,中国糙米全谷物食品的发展尚处于认识不足､市场发展不足的局面｡但是近年来中国学界､政府及企业界对全谷物食品的关注正在日益增强｡2010年3月中国营养学会北京举办的“谷类为主､粗细搭配——全麦营养健康研讨会”｡与会专家建议成年人每天最好食用50g以上的粗粮｡2011年4月在北京召开的“全谷物”食品发展国际论坛也呼吁“大力发展全谷物食品满足公众健康要求”｡对此中国国家粮食局2011年11月在宁波举行的稻米加工论坛上提出了“稻米适度加工”｡稻谷适度加工的核心内涵是适度抛光稻米,部分糊粉层和麸皮在高新技术的支撑下,在尽量不影响稻米产品食味的基础上加以保留,以提高其营养价值和资源利用率,降低能耗｡

4 糙米全谷物食品加工面临的主要挑战

4.1 糙米本身的组织学特性决定了其加工与保藏的特殊性

糙米食品的加工需要从糙米本身的性状入手｡制约糙米成为主流的餐桌食品的主要原因是糙米的色泽暗黄､风味较差､口感粗糙､蒸煮时间长､食用不方便､不易消化､货架期短､不易保藏等缺点｡由于糙米的皮层主要组分是非淀粉多糖,包括粗纤维素(9.6%～2.8%,干基)､半纤维素与戊聚糖(8.6%～10.9%),复合多酚类聚合物木质素(7.7%～12.0%)与纤维素结合形成坚硬的结构｡木聚糖通过共价键与木质素结合,通过非共价键与纤维素相互作用形成糠层的防护结构;传统的糙米蒸煮是将糙米浸泡于水中5h以上,经淘洗后,加热煮制很长时间｡果皮的表面还有一层蜡质膜,这层蜡质将阻止水分进入米粒内｡糙米表面还有一些其他的防护作用的物质如鸟嘌呤､木质素等,尽管这些物质是安全的,但是当摄入量较大时容易导致胃疼,尤其是小孩和老人｡另外,糙米的不稳定性主要体现在含有胚芽,由于脂肪酶活性,油脂易氧化酸败｡糙米含有植酸(0.8%～1.0%)从而影响糙米口感｡

4.2 糙米食品的加工与推广需要攻克以下几个方面的难题

(1)需要利用现代食品科技手段在糙米食品的口感与营养之间寻求一种最佳的平衡｡

(2)需要研究开发方便化与多样化的糙米食品以满足人们对糙米食品的不断需求｡

(3)需要应用稳定化处理技术解决糙米产品的货架期问题｡

(4)需要减少糙米产品加工成本,让大多数消费者能够消费得起糙米产品｡

(5)需要通过科普宣传提高消费者的认识,改变长期的形成的追求精白的大米消费习惯｡

这些正是科技人员及工业企业及所有健康谷物食品倡导者需要共同努力的方向｡

5 糙米全谷物食品研究开发的重点方向

大力发展糙米全谷物食品是一项系统工程,需要从育种､加工工艺､装备､预防医学､临床医学等多方面入手,研究开发的重点方向包括以下几个方面:

5.1 加强稻米品质改良技术研究

稻米品质改良的目标是为食品加工业提供更营养的稻米品种作为加工原料｡过去的稻米育种主要以亩产量作为评价指标,随着人们对稻谷品质的要求以及糙米产业的发展带来的新的挑战,稻谷的育种需要从以下方面考虑定位:①谷物组分新的变异的鉴定与育种方法,考虑将包括纤维含量与组成､关键植物化学素(木质素､多酚类化合物､植酸､生育酚､谷维素､甾醇､叶酸等)的含量与组成等指标作为综合因素指导育种;②利用高科技与简化的方法(基因组学､遗传学､代谢物组学与蛋白质组学等)把这些变异应用到适合中国栽培的水稻栽培品种中｡

5.2 研究开发新型的糙米加工工艺

其主要目标是研究开发营养优化的糙米全谷物食品与新型糙米食品配料加工技术与工艺,以实现食品的优良食用品质与营养特性的有机结合｡应用生物技术与物理改性技术,探讨糙米食品加工过程中生物活性物质的变化,研究糙米及其组分的结构与功能关系｡

5.3 研究各种新技术在糙米食品加工中的应用

制约中国糙米全谷物食品发展的一个重要因素是加工技术研究的滞后｡包括发芽技术､生物酶辅助加工技术､发酵技术､挤压加工技术､微粉化加工技术､超声加工技术､超高静水压加工技术等在内的一些新技术手段在糙米全谷物食品开发过程中均具有很好的应用前景｡例如,发芽糙米在中国已经发展多年,但是一直没有真正被老百姓所接受,除了科普宣传不足的原因之外,更重要的原因可能是发芽糙米的口感问题｡所以,不仅要开展发芽糙米的γ-氨基丁酸的形成机理与酶解机理及其品质改良研究,还应该在加强系列发芽糙米健康方便食品的研究与开发,即研究开发发芽糙米食品､功能性即食食品､功能性营养饮料､功能性食品添加剂等多种系列产品,满足市场不同层次的需要｡如湿发芽糙米生产后,无需经过干燥,直接利用湿发芽糙米开发功能型米乳饮料,这样可以大大降低干燥所需成本,或是将发芽糙米经过干燥磨粉后,开发系列发芽糙米即食食品与功能性食品配料｡应用微粉化技术､挤压加工技术来改善糙米的口感也是一条有效的途径｡笔者实验室将微粉化与挤压技术结合制备的稳定化重组糙米,其蒸煮时间缩短至15～20min｡美国农业部Harmeet博士采用一种电子轰击的办法使糙米表面的坚硬皮层形成大量的微孔,在不造成营养物质损失的前提下,提高了糙米的吸水速率,从而把糙米的蒸煮时间由常规的50min缩短到20min｡超声加工技术是一种新型谷物物理加工方法,采用液体剪切作用利用空穴原理,使细胞内液体产生流动而破碎细胞,超声波能够破损糙米淀粉､降低淀粉分子量从而降低淀粉黏度､提高热稳定性｡Cui Lu等深入研究了不同温度下的超声处理对糙米蒸煮品质与特性的影响,其结果表明超声处理可以用来缩短糙米的蒸煮时间｡食品超高压加工技术是将食品物料或生物材料以柔性材料包装后,放入液体介质(通常是食用油､甘油､油与水的乳液)中,使用100MPa以上的压力,在常温或较低温度下处理一定时间,使食品达到杀菌､灭酶及组织改性目的的新型食品加工方法｡通过超高压加工对糙米的膳食纤维及淀粉老化等的影响,以及对糙米食用品质与营养品质的影响等均是一个值得深入研究的课题｡

5.4 深入研究糙米食品对人体营养与代谢的影响

采用动物试验模型,揭示全谷物糙米食品中的生物活性组分的人体代谢,研究建立其与人体健康或疾病预防的生理学机理｡为糙米食品的推广提供科学依据｡①采用体外模型试验,模拟人体消化道的消化情况,模拟口腔咀嚼及各种酶作用,调节不同阶段温度和pH值,以获得较为真实的环境｡从感官､消化率,以及糙米功能性作用等几个角度揭示全谷物糙米及其食品的营养和食用品质;②应用动物模型(小鼠､大鼠､猪等)评价全谷物糙米的消费对代谢疾病危害参数的生理学效应机制;③健康人群或危险人群的餐饮急性与半急性效应(acute meal studies)研究;④开展全谷物膳食对慢性疾病危害因子的长效人为干预研究｡

5.5 加强全谷物糙米在传统大宗主食品及方便休闲食品中的应用

大米作为一种传统的大宗主食品,在全世界范围内主要以米饭的形式食用｡但是由于糙米自身的一些难煮､口感差等特性,需要突破这种传统观念,加强研究糙米为原料的下游食品开发,包括糙米面条､馒头､水饺､饼干､面包､粥等｡

6 结束语

据2012年中国国家卫生部网站发布,目前确诊的心脑血管疾病､糖尿病等慢性病患者已超过2.6亿人,并呈快速增长趋势,因慢性病死亡在中国居民总死亡的构成已上升至85%,已经成为影响中国居民健康水平提高､阻碍经济社会发展的重大公共卫生问题和社会问题｡欧美发达国家大量的流行病学研究表明,增加全谷物食品的摄入可以降低心血管疾病､II型糖尿病､某些癌症(大肠癌等)等慢性疾病的危险,这已经逐步成为国内外学界的共识,全谷物食品在发达国家得到了快速发展｡大米是中国居民最主要的主食品,科学的大米消费与国民健康息息相关｡糙米作为一种典型的健康全谷物食品,在中国目前的产量还不到大米总产量的1%｡因此,加强糙米食品的研究开发与推广对改善国民健康状况具有重要的现实意义与战略意义｡

糙米是一种健康的全谷物食品｡不仅要从大力发展糙米全谷物食品对改善国民健康状况的重要意义的角度来呼吁推动全谷物食品的发展,同时还需要从资源节约､节能降耗､粮食安全､减少医疗支出､提高民族竞争力等角度深入思考糙米全谷物食品发展的重要战略意义｡国家粮食加工业发展规划(2011～2020年)中明确提出要深入研究“谷物健康食品的加工与保藏技术(究速食糙米､发芽糙米､蒸谷米､全麦粉及制品､全谷物健康食品等)､推进全谷物健康食品开发､质量安全控制等重大关键技术的研发和成果转化､鼓励增加全谷物营养健康食品的摄入,促进粮食科学健康消费｡当然,要真正推动全谷物食品的研究开发､推广与消费,仍需要政府部门､科研机构､加工企业､商业贸易､健康食品倡导者､学会团体､媒体等的共同努力｡虽然糙米食品的研究开发与推广任重而道远,但是笔者深信大力发展全谷物糙米食品,增加国民糙米等全谷物食品的摄入,将为改善国民健康状况､促进小康社会的建设起到重要作用,糙米全谷物食品的研究开发与推广具有极大的发展潜力｡