超声波处理优化玉米及其副产物与藜麦粉复合早餐谷物片的工艺参数与品质评价

《Food Science & Nutrition》：Optimization of Processing Parameters and Quality Evaluation of Breakfast Flakes Prepared From Sonicated Corn and Its By-Products Supplemented With Quinoa Powder

本综述探讨了超声波处理对玉米籽粒、玉米芯和玉米须营养成分、抗氧化活性及贮藏稳定性的优化作用。研究通过构建（SCGF）、（SCF）、（SSP）与（QF）的复配体系，系统评估了非热加工技术（如超声波）在提升食品生物活性成分（如TPC、TFC、DPPH）及矿物质、维生素保留率方面的潜力，为利用农业副产物（agro-waste）开发营养强化、货架期延长的功能性早餐谷物（RTE flakes）提供了创新性解决方案。

　　

引言

随着全球人口预计到2050年将达到97亿，农业与食品系统面临巨大压力。每年有超过13亿吨食物被损失或浪费。同时，现代社会中因不健康饮食选择导致的疾病如高血压、高血脂、心血管疾病和糖尿病日益增多。玉米（Zea maysL.）作为全球第三大谷物作物，年产量约12亿吨，其籽粒及其加工产生的副产物（如玉米芯、玉米须）富含生物活性物质，但传统热加工易导致营养流失。超声波（Ultrasonication）作为一种非热加工技术，具有改善物料生物活性成分和稳定性的潜力。本研究旨在探究超声波处理时间对玉米籽粒（G）、玉米芯（C）和玉米须（S）的理化性质、植物化学成分、宏量及微量营养素的影响，并将其副产物结合藜麦粉应用于早餐谷物片的开发，并研究产品的贮藏特性。

材料与方法

本研究分为三个阶段。第一阶段：对玉米籽粒（CG）、玉米芯（C）和玉米须（S）进行超声波处理（0、10、20、30分钟，40°C，20 kHz）并化学分析样品，样品代码分别为G0-G30、C0-C30、S0-S30。处理后样品经脱水、研磨过筛得到粉末。第二阶段：开发谷物片。以20分钟超声波处理样品（SCGF、SCF、SSP）和藜麦粉（QF）为原料，设计不同配比的配方（C1: 100% CGF；C2: 100% SCGF；T₁: 70% SCGF + 10% SCF + 10% SSP + 10% QF；T₂: 50% SCGF + 30% SCF + 10% SSP + 10% QF；T₃: 30% SCGF + 50% SCF + 10% SSP + 10% QF；T₄: 10% SCGF + 70% SCF + 10% SSP + 10% QF），经混合、烘烤、切割制成谷物片。第三阶段：对开发的谷物片进行为期4周的贮藏研究（4°C），每周测定水分含量、总细菌数（TBC）和总真菌数（TFC）。

分析项目包括近似成分（水分、灰分、蛋白质、脂肪、纤维）、矿物质（钙、铁、镁、钾、锌）、抗氧化活性（DPPH）、总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）及维生素（A、E、K、B₁）。数据采用方差分析和最小显著差异法（LSD, p≤ 0.05）进行统计分析。

结果与讨论

超声波处理对玉米籽粒营养成分的影响

超声波处理20分钟（G20）对玉米籽粒营养成分的提升效果最佳。与未处理组（G0）相比，蛋白质含量从11.47%显著增加至13.23%，脂肪从13.20%增至13.93%，纤维从1.0%增至1.43%。水分和灰分含量也略有增加。这归因于超声波产生的空化效应破坏了细胞结构，促进了成分的释放和提取。然而，处理30分钟（G30）后部分营养成分出现下降，表明过度处理可能导致营养降解。

超声波处理对玉米籽粒植物化学物质及抗氧化活性的影响

在植物化学物质方面，G20处理组的DPPH自由基清除活性（340.3 μg/g）、总酚含量（TPC, 1115 μg/g）和总黄酮含量（TFC, 27.3 μg/g）均显著高于对照组（G0: DPPH 320.2 μg/g， TPC 1006 μg/g， TFC 22.0 μg/g）。超声波处理通过破坏细胞壁，促进了多酚和黄酮类化合物的溶出，从而增强了抗氧化能力。处理30分钟后，这些指标均出现下降，提示长时间处理可能导致氧化降解。

超声波处理对玉米籽粒矿物质和维生素的影响

矿物质分析显示，G20处理显著提高了铁（59.6 μg/g）、镁（1730 μg/g）、钾（2.70 μg/g）和锌（32.3 μg/g）的含量，但钙含量有所降低。维生素分析表明，处理20分钟后，维生素E（700 μg/100g）、维生素K（0.67 μg/100g）、维生素A（15.6 μg/100g）和维生素B₁（500 μg/100g）的含量均达到峰值。超声波处理可能通过释放与蛋白质结合的金属离子和维生素前体，提高了其生物可利用性。

超声波处理对玉米芯营养成分的影响

玉米芯（Cob）经20分钟超声波处理（C20）后，其纤维含量从30.6%显著增加至35.5%，蛋白质从5.70%增至6.5%，水分和灰分也有所提高。脂肪含量变化不显著。其植物化学成分（DPPH, TPC, TFC）和矿物质（镁、钾、锌）以及维生素（E, K, A, B₁）含量在C20处理下也呈现最优值。这证实了超声波能有效从玉米芯这类农业废弃物中提取功能成分。

超声波处理对玉米须营养成分的影响

玉米须（Silk）在20分钟处理（S20）下，其粗蛋白（14.4%）、粗纤维（18.0%）、灰分（4.00%）和脂肪（0.53%）含量均显著高于对照组。植物化学分析显示，其DPPH、TPC、TFC值以及铁、维生素A等微量营养素在S20时达到最高。这表明超声波处理同样能有效提升玉米须这一传统废弃物的营养价值和生物活性。

谷物片的贮藏稳定性

将优化处理后的原料（SCGF， SCF， SSP）与QF复配制成谷物片后进行贮藏实验。结果显示，与对照组（C1， 100%未处理玉米粉）相比，含有超声波处理副产物的谷物片（T₁-T₄）在4周贮藏期内表现出更低的含水量（降低8%-10%）和更优的微生物稳定性。其细菌和真菌总数在14天内均低于检测限，而对照组谷物片则较早出现微生物生长。这可能是由于超声波处理提取出的酚类等抗氧化物质发挥了天然的抗菌保鲜作用，同时配方的调整也影响了产品的最终水分活度和微生物生长环境。

结论

本研究系统评估了超声波处理对玉米籽粒及其副产物（芯、须）营养品质的优化作用，确定20分钟为较佳处理时间。该处理能有效提升蛋白质、纤维、抗氧化物质（DPPH， TPC， TFC）、部分矿物质和维生素的含量。利用这些优化后的副产物原料与藜麦粉复合开发的早餐谷物片，不仅实现了农业废弃物的高值化利用，赋予了产品更丰富的营养素和抗氧化活性，还显著改善了产品的贮藏稳定性。该研究为开发营养强化、成本效益高且可持续的功能性即食（RTE）食品提供了新的技术途径和理论依据，有助于应对粮食安全挑战并促进健康饮食。