《Food Chemistry: X》：Revisiting minor millets as an underutilised super food for enduring global food security
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本综述系统回顾了小杂粮（Minor Millets）作为气候韧性作物在应对全球粮食与营养安全挑战中的潜力。文章整合了农艺学、营养学及社会经济等多维度研究，强调了小杂粮在恶劣环境下的适应性、高营养价值（如膳食纤维、蛋白质、矿物质）及健康益处（如低血糖指数、无麸质）。同时，综述评估了传统与新兴加工技术（如微波、冷等离子体、高压处理HPP）对其营养成分及抗营养因子（如植酸）的影响，并展望了其在功能性食品开发中的应用前景，为促进作物系统多元化及可持续农业提供了科学依据。
1. 引言
全球对主要谷物（如水稻、小麦）的依赖加剧了粮食与营养安全担忧，尤其在面临供应链与气候挑战的边缘化人群中。这迫切需要通过推广具有韧性的替代作物来实现种植系统多元化。小杂粮，包括指状粟、狐尾粟、稷子、稗子、柯渡粟和小米，代表了一类未被充分利用的谷物，具有对恶劣环境条件和低投入农业的卓越适应性。尽管是现有研究的综合，本综述通过气候韧性、营养安全和生计改善的视角重新评估先前研究，提供了一个新颖的综合视角。它强调了不同粟类物种的比较适应性及其在局部粮食系统中的作用等未被充分探索的方面，为研究和开发提供了可操作的见解。
2. 全球生产与消费
粟类作为一种广谱小粒谷物的特殊品质正引发新的兴趣。亚洲是全球粟类生产的领导者，占全球总份额的52.1%以上，其中印度领先。非洲在生产和消费方面均远远落后。在干旱地区，粟类的耐旱特性极为有益。尽管近年来全球粟类消费量有所下降，但联合国将2023年定为国际小米年，起到了催化剂作用，提高了消费者意识并鼓励了粟类消费。粟类营养丰富，富含膳食纤维、蛋白质、B族维生素、铁和钙，且天然无麸质。它们在恶劣环境下的强健性以及在边际土地上茁壮成长的能力，使其在变化的气候中具有可持续粮食生产的巨大潜力。然而，加工设施不足、小农市场准入有限以及消费者意识低下仍然阻碍着小杂粮的更广泛采用。
3. 小杂粮 - 穷人的肉类
历史上，“穷人的肉类”这一称谓被用于小杂粮，反映了它们作为低收入人群主食的可及性和使用情况。然而，这个称呼低估了它们的真正潜力。这些小颗粒谷物营养极其丰富，蛋白质、膳食纤维以及铁和钙等必需矿物质含量高。它们的营养价值堪比甚至超过小麦和水稻等流行谷物。小杂粮还具有耐旱和对恶劣条件的韧性，使其成为解决粮食安全问题的有前途方案，尤其是在发展中国家。它们的适应性为未来的农业实践提供了可行选择。
3.1. 狐尾粟
狐尾粟以其蛋白质含量著称，范围在5.9%至8.3%之间，高于其他一些小杂粮。其蛋白质具有相对均衡的必需氨基酸谱。狐尾粟也是膳食纤维的良好来源，含量在8.9%至10.6%之间，有助于规律消化和增加饱腹感。其矿物质含量令人印象深刻，富含铁、钙、镁和磷。此外，狐尾粟含有酚类化合物，可能具有抗氧化特性，且天然无麸质，适合乳糜泻或麸质敏感人群。
3.2. 柯渡粟
柯渡粟的蛋白质含量在6.8%至8.9%之间，高于水稻等常见谷物。其膳食纤维含量很高，在10.6%至13.8%之间。柯渡粟提供一系列重要的矿物质，包括铁、钙、镁和磷。其矿物质丰富的特性使其成为解决微量营养素缺乏症，特别是缺铁性贫血的可行饮食干预措施。
3.3. 稗子
稗子的蛋白质含量在6%至13%之间，高于水稻和小麦等主食谷物。其总膳食纤维含量在9.5%至14%之间。稗子富含铁、钙、磷和镁等重要矿物质。其矿物质含量高于小麦和水稻等其他谷物，使其成为解决矿物质缺乏风险人群的有益饮食选择。
3.4. 小米
小米的蛋白质含量在6.3%至8.4%之间。在膳食纤维方面表现突出，含量在18.4%至21.7%之间，是纤维的佼佼者。小米还拥有令人印象深刻的矿物质谱，是铁、钙、镁等重要矿物质的良好来源。其矿物质丰富的特性使其成为解决营养不良地区微量营养素缺乏症的可行饮食干预措施。
3.5. 稷子
稷子的蛋白质含量在8.3%至14.0%之间，高于水稻和小麦。它是可溶性和不溶性纤维部分的好来源。稷子含有显著的锰含量，甚至高于全麦等常用全谷物。它也是铁、镁和磷等其他重要矿物质的良好来源。
4. 小杂粮的传统用途
小杂粮是各种营养成分和生物活性化合物的丰富来源，有潜力成为全球数百万人的主要营养来源。在当前的全球形势下，最主要的小杂粮包括珍珠粟、狐尾粟、稷子、指状粟、柯渡粟、小米和稗子。小杂粮能够为脆弱人群提供食物和营养安全。它们在非洲和南亚等世界各地的农业和饮食文化中也传统上扮演着重要角色。印度是全球公认的小杂粮大规模生产国。传统的基于粟类的食品和饮料在非洲、亚洲和印度次大陆的不同地区都有制备和消费。最重要的粟类食品用途包括全谷物食品、基于面粉的食品（如薄饼、饺子、粥等）以及酒精和非酒精饮料。发芽和膨化等传统方法被用于消费。小杂粮还具有传统的治疗作用，例如用于治疗淋病、脾脏疾病和便秘等。
5. 加工对小杂粮的影响
5.1. 热加工的影响
5.1.1. 欧姆加热
欧姆加热是通过导体传递电流以提高温度的热加工方法。热量在材料内部快速体积式升高。研究表明，欧姆加热是处理狐尾粟和稷子等小杂粮的可行技术。该方法效率高、能耗低、处理时间短且可回收。欧姆加热会导致淀粉糊化，并使谷物微观结构更加多孔。
5.1.2. 微波加工
微波加工的基本原理是偶极旋转和离子极化，应用波长在0.3-300 GHz之间的电磁辐射。微波处理可减少粟类及其产品中的抗营养化合物，如植酸和单宁。这归因于肽键断裂、共价键分离和二硫键分解。微波处理还可用于干燥、酶灭活、灭菌和消毒等谷物加工操作。它会影响淀粉粘度，并可能形成热点导致温度分布不均。
5.1.3. 红外加工
红外加工是利用波长介于微波和可见光之间的辐射的技术。其优点包括加热时间短、加热均匀、能耗低、传热速率高和产品质量好。红外辐射产生的热能可破坏微生物细胞，导致细胞质膜收缩和细胞内化合物泄漏。红外加热可导致脂质分解，从而灭活脂肪酶并减少游离脂肪酸的产生。它还可以增加淀粉消化率，并减少抗营养化合物。
5.1.4. 射频加工
射频波是频率在1至300 MHz之间的非电离电磁辐射波。这些波通过离子极化和偶极旋转深入介电材料内部，从而体积式产生热量。射频波长比微波穿透更深。射频处理可用于灭活微生物和酶、修饰蛋白质以及干燥和烘烤谷物。与热空气结合使用可以提高热分布的均匀性。研究表明，射频处理可以提高蛋白质溶解度、抗氧化活性和总酚含量。
5.2. 非热加工的影响
5.2.1. 超声波加工
超声波是非热处理中的领先方法之一，具有加工时间短、安全性高和食品质量好等优点。超声波波的频率范围在20 kHz至100 kHz之间。当通过样品传输时，这些波产生一系列稀疏和压缩循环，导致分子间扰动和食品样品的改性。空化过程是能量传递到食品基质中的机制，导致气体气泡的产生、膨胀和破裂。超声波处理可以改善食品蛋白质的乳化特性，提高蛋白质消化率，并影响淀粉的溶胀特性。
5.2.2. 冷等离子体
冷等离子体是一种在标准室温下进行的非热技术。该方法对环境没有负面影响，因为它不会在处理的样品中产生化学物质或毒素。研究发现，冷等离子体处理可以降低抗营养素（如植酸）的含量。冷等离子体处理会降低淀粉的结晶度，破坏淀粉颗粒的微观结构，并改变其功能特性，如吸水性、溶解度、粘度和溶胀能力。延长暴露时间会增加淀粉对酶消化的敏感性。
5.2.3. 脉冲电场
脉冲电场技术涉及对放置在两个电极之间的食品材料施加几微秒的强度在10至80 kV/cm之间的短脉冲电场。该技术通过灭活酶和抑制病原体来延长食品材料的保质期，有助于保持其营养和感官参数的整体质量。脉冲电场可以改善水合特性、生物活性成分的分离以及谷物中油脂的提取。它还能提高抗氧化剂和总酚含量，改善细胞膜孔隙率，并降低淀粉的糊化温度和焓值。
5.2.4. 高压加工
高压加工技术在整个食品产品上施加均匀的压力，无论其大小和形状如何，使用的压力范围在100至800 MPa之间，在标准室温条件下进行。该技术可有效杀死微生物。高压处理会影响蛋白质的消化率、结构和溶解度。它还可以灭活微生物，提高淀粉的糊化程度，并影响扩散系数。
5.2.5. 食品辐照
食品辐照是一种利用电离和非电离辐射能量进行食品保存的非热处理技术。这些辐射直接或间接与食品成分相互作用。辐照技术可用于小杂粮的灭菌和延长保质期。它可以减少脂肪酶含量，从而减少游离脂肪酸，提高保质期和稳定性。辐照还能降低抗营养成分（如植酸），增加蛋白质消化率，并影响淀粉的粘度和水结合能力。
6. 小杂粮中的抗营养组分
抗营养化合物是食品中固有的天然有机成分，会阻碍矿物质、维生素、蛋白质和碳水化合物的吸收和生物利用度。小杂粮中已知的抗营养因子包括植酸盐、草酸盐、单宁以及胰蛋白酶或蛋白酶抑制剂。据报道，稷子和狐尾粟中的植酸含量较高。柯渡粟中的单宁浓度最高，其次是指状粟和稗子。稗子和指状粟谷物中胰蛋白酶抑制剂的含量在7.85%至8.36%之间。植酸能够与蛋白质结合，导致其沉淀并降低生物利用度，还会与矿物质形成不溶性复合物，阻碍钙、铁、锌和镁的吸收。单宁也会与蛋白质和矿物质形成不溶性复合物，导致矿物质缺乏和消化紊乱。胰蛋白酶抑制剂主要影响硫和氨基酸的代谢，并由于氨基酸利用无效而降低蛋白质消化率。采用能够分解小杂粮中植酸、单宁和其他抗营养因子的加工技术至关重要。传统的机械加工（如去壳、碾磨和过筛）有助于降低抗营养素含量，但也可能显著影响营养价值。生物加工技术，如发芽、浸泡、发酵和酶水解，被报道能有效降低小杂粮谷物中的抗营养素，同时提高营养含量。
7. 小杂粮在加工食品中的利用
小杂粮的关键健康益处已得到研究界的多种证明。重要证据表明粟类在预防生活方式疾病和年龄相关疾病方面具有作用。小杂粮的医学特性主要归因于谷物中存在的多种生物活性成分，如多酚、黄酮类化合物、必需脂肪酸、氨基酸、维生素和矿物质。小杂粮被认为是功能性食品，因为它们具有超越营养能力的关键健康益处。据报道，它们含有抗性淀粉、功能性脂质、植物甾醇、木脂素和低聚糖，这些营养保健品能够预防心血管疾病、代谢综合征、癌症和胃肠道疾病。小杂粮在食品产品开发中的应用自古有之，用于传统食品制备。然而，小杂粮卓越的功能和营养保健价值使其成为开发非传统加工食品的理想选择。小杂粮被用于开发无麸质面食产品，因为粟类天然不含麸质蛋白。研究评估了由小杂粮谷物制成的无麸质面食的营养和功能特性，从生物学和技术角度都显示出优异的结果。通过应用亲水胶体和热液加工技术，增强了用小杂粮开发的无麸质产品的功能性。小杂粮已广泛用于烘焙产品、松饼、面包和挤压产品的配方中，产生了可接受的功能和感官特性。
8. 未来展望与结论
小杂粮可被视为“超级食物”或“智能食物”，因为它们是营养的宝库，并且从生态和社会经济角度也能提供可持续性。与主要谷物相比，小杂粮有能力以多种方式满足全球粮食安全的即时需求。外部因素（如气候和降雨）对小杂粮生产力的影响很小，确保了农民收入的稳定性。小杂粮的种植显示出对各种农药、合成肥料和杀虫剂的依赖性降低，而主要谷物（小麦和水稻）的种植据报道增加了全球二氧化碳当量排放的负担。还注意到主要谷物的碳足迹相对高于小杂粮。全球大部分人口依赖水稻、小麦或玉米作为主食，对这些作物的过度依赖导致了边缘人口获取食物有限的危机。缺乏多样性以及对作物的依赖分布不均，在COVID-19大流行期间对生产和供应链产生了有害影响，损害了人类的营养状况。使用小杂粮有助于增强食物多样性，并减轻因过度依赖而对主要谷物造成的负担。然而，作物改良策略的构思仍处于起步阶段。识别和利用潜在的小杂粮谷物需要关注，特别是在环境适应性、生产市场价值、口味、质地和增值产品开发方面。小杂粮的气候韧性、营养和营养保健价值已得到广泛研究，表明它们能够在联合国粮农组织和世界粮食计划署确定的许多饥饿热点地区作为主食作物。但是，关于个别小杂粮物种生产和产量的具体信息尚不充分。这些数据对于小杂粮的广泛种植是必需的。需要新颖的方法在小杂粮的种植和营养价值方面向民众传播其重要性，以确保其成功实施。
