Engineering | 福州大学汪少芸教授团队在中国工程院院刊发文：创新食品加工技术促进主食作物养分的高效利用

近日，福州大学汪少芸教授团队在Engineering杂志上发表最新成果，标题为“Innovative Food Processing Technologies Promoting Efficient Utilization of Nutrients in Staple Food Crops”。福州大学Yuan Yi为第一作者，福州大学汪少芸教授、蔡茜茜副研究员为共同通信作者。

摘 要

随着全球人口的快速增长和对健康饮食的需求不断增加，提高主食作物的营养利用效率已成为一项关键的科学和工业挑战，这促使了食品加工技术的创新。本综述首先介绍了主食作物加工过程中常见的营养挑战，然后全面审查了旨在通过微波、脉冲电场、超声波、现代发酵技术和酶技术等创新加工技术提高主食作物食品营养质量的研究。此外，以大豆加工为例，强调了整合创新加工技术以优化主食作物营养利用的重要性。这项工作旨在提高食品从业者对加工技术如何优化营养利用的理解，从而促进食品加工研究的创新和协同的多技术战略，最终为应对全球粮食安全挑战提供有价值的参考。

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前言

谷物、豆类和块茎是构成人类饮食核心的基本主食作物，提供碳水化合物、脂肪和蛋白质等重要宏量营养素，从而直接促进人类健康和福祉。而传统的食品加工方法往往导致大量的营养物质损失、利用率低以及最终主食作物基产品感官特性不佳，这对创新食品加工技术的需求增加。

创新加工技术可以大致分为三类：物理、化学和生物加工。物理方法，如高压、超声波和脉冲电场（pulsed electric field，PEF）处理，使用非热能提取生物活性化合物，提高营养生物利用率。化学加工使用食品级试剂、抗氧化剂和抗菌剂来增强主食作物产品的功能、消化性和安全性，满足消费者对营养和安全选择的需求。生物加工利用微生物和酶来增强风味、质地和营养特性，符合消费者对可持续食品日益增长的偏好。整合和实施多样化的加工技术，使主食作物产品的开发具有更高的营养价值和更大的消费者吸引力，最终有助于改善健康结果和环境的可持续性。

从食品加工的角度来看，提高营养利用率、减少损失和增加功能性益处是解决全球粮食危机和满足人类健康需求的有效策略。然而，这些战略的成功实施取决于食品加工技术的创新。因此，系统分析传统加工技术在主食作物营养利用方面的局限性，并进一步理解创新加工技术的原理，以促进其有效利用和改进营养价值，是至关重要的。如图1所示，本工作将首先分析谷物、豆类和块茎等主食作物加工中常见的营养问题。随后，将回顾可能有效解决这些问题的创新食品加工技术，如非热加工、天然深共轭溶剂（natural deep eutectic solvents，NADES）、发酵和酶处理，概述其发展现状和当前局限性。最后，将讨论基于最新科学和技术进步以及食品行业当前需求的食品加工技术未来方向。

图1 创新食品加工技术促进主食作物营养素的充分利用，并提高以主食作物为基础的食品的营养价值

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主食作物加工中的主要营养挑战

消费者食用谷物、豆类和块茎带来的营养挑战源于营养失衡和反营养因素。例如，谷壳中含有维生素等有益的营养素，同时也含有植酸等4 种抗营养因子。机械加工通常会去除谷壳，导致精炼谷物提供能量但缺乏全面的营养价值，这可能导致饮食失衡和慢性疾病。相比之下，全谷物消费与健康益处始终相关。虽然使用全谷物可以减少营养流失，但抗营养因子的存在仍然令人担忧。豆类、扁豆和豌豆等豆类，含有凝集素和蛋白酶抑制剂，会阻碍消化和营养吸收。因此，研究的重点是开发可持续技术，以减少反营养因素的存在，同时保持食物的营养价值。

最近在主食作物加工方面的进展集中在2 个主要领域：全谷物和提取的主食作物成分。对于全谷物，目标是提高其营养价值，改善其感官品质，并解决与将其纳入食品产品相关的挑战。最近的进展还探索了从主食作物或其副产品中提取和利用成分，包括淀粉、蛋白质、膳食纤维、油和生物活性化合物。这些成分可以制成增值产品，改善其营养状况，并通过减少废物的产生量来增强食品的可持续性。总之，解决谷物、豆类和块茎的营养挑战对于改善饮食健康和预防慢性疾病至关重要。下面的章节将详细介绍这些技术如何有效地应对这些挑战。

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创新食品加工技术有效利用营养成分

3.1 创新物理加工技术

3.1.1 主食作物加工中的介电加热技术

介电加热线使电绝缘材料暴露在高频电磁场中，从而提高其温度。与依赖温度梯度的传统导热方法不同，介电加热在内部产生热量，最大限度地减少外部和内部层之间的温度变化—这是传统热处理中常见的问题。该技术利用电磁波谱的2 个区域：射频（radio frequency，RF），范围从10 ～300 MHz，微波（microwave，MW），范围从300 MHz～300 GHz。这些高频场使绝缘材料能够快速加热。研究表明，MW处理优于传统方法，可以提高食品质量，如结构、质地和颜色，同时保留更多的营养成分，包括维生素和生物活性化合物。此外，MW技术通过减少处理时间和能源消耗来提高生产效率。相比之下，RF能量可以更深地穿透样品，使其适合处理大尺寸和块状材料。随着技术的进步，RF加热正在成为一种潜在的谷物害虫控制非化学方法，可能取代化学熏蒸。这种方法可以减少贮藏和运输过程中的谷物损失，确保有更多的谷物可供消费，从而提高谷物的整体利用率。

3.1.2 主食作物加工中的电场技术

电场技术，包括PEF和冷等离子体，是新的非热加工技术，因其相对于传统技术的优势而备受关注。电场能量用于在分子水平上诱导谷物的物理或化学变化，而不需要高温，从而保持食品的营养价值和质量。PEF在保持产品质量和提高食品加工的能效方面特别有前景，其特点是包括高压脉冲电源、处理室和控制系统的系统。对于持续的强度和细胞膜的透过性，方波和双极脉冲分别是优选的。冷等离子体技术通过最大限度地减少对化学添加剂的需求，提供了一种可持续的替代方案。它用电场电离气体，产生与食物成分相互作用的化学活性物质，从而改变珍珠粟、瓜尔豆、马铃薯、山药和大米等谷物的营养质量。

3.1.3 主要粮食作物加工中的机械技术

高压加工（high pressure processing，HPP）和超声波等机械技术通过提供高效、非热处理的选项彻底改变了食品加工。HPP利用水或其他流体作为介质，在食品基质中均匀分布压力，而超声波通过声波引起的空化作用增强质量传递。HPP是一种商业化的非热技术，在密封容器中，将食品置于100～600 MPa的压力下，在室温下进行，从而可以处理各种尺寸和包装形式的食品。这种方法与热加工方法相比，对谷物的营养和感官品质造成的损害最小，有效地保留了颜色、香气、口感和营养成分。超声波技术是一种非热处理技术，利用机械波改变谷物的物理化学特性。低强度、高频超声波用于无损分析，而高强度、低频超声波用于食品加工。超声波的空化作用会破坏植物细胞壁，改变蛋白质的构象以暴露水解位点，并调节酶活性，促进蛋白质水解成更易消化的多肽。

如图2所示，新型物理加工技术的优势主要在于最大限度地保留营养物质、减少抗营养因子、强化营养物质以及调节谷物加工过程中的消化结果。这对于应对气候变化、土地稀缺、人口增长和营养需求上升等全球挑战尤为重要。这些技术以高效率、清洁生产以及环境可持续性为特点，符合食品行业可持续发展的趋势。通过利用这些先进的物理加工技术，食品加工可以精细化，以最小化资源浪费并确保食品产品中营养物质的保留，从而满足消费者对可持续健康营养食品日益增长的需求。

图2 与主食作物相关的物理技术与营养特性之间的关系示意图

3.2 创新化学处理技术

3.2.1 用NADES处理副产品以提高营养物质的利用率

食品加工面临提高主食作物营养物质利用率的挑战。为了克服水基方法和干法分馏的弊端并最大限度地发挥以主食作物为基础的食品的潜力，食品行业已经探索了化学加工技术，特别是使用NADES。NADES独特的溶剂化特性使得能够选择性地提取目标化合物，有可能同时回收植物化学物质以及富含蛋白质和纤维的残留物。

3.2.2 引入天然防腐剂作为成分以实现化学防腐

食品在储存期间的变质是一个主要问题，天然防腐剂如精油，多酚，溶菌酶，乳铁蛋白，壳聚糖和抗菌剂引起了业界的关注。烘焙食品，特别是面包，在储存期间容易受到微生物的破坏。精油通过以下几种方法成为有前景的天然防腐剂：（1）加入包装中；（2）胶囊化以控制释放；（3）直接加入。抗菌肽还能有效抵抗细菌、真菌和霉菌。通过酶水解和发酵衍生，它们可以抑制微生物生长并延长保质期。

3.2.3 引入天然抗氧化剂作为抑制食品氧化的成分

通过添加天然抗氧化剂可以有效延缓食品在储存期间的氧化，从而取代合成添加剂以增强功能性。蔬菜粉与磨碎的大米混合并热塑性挤出，赋予天然颜色并增强早餐谷物中的矿物质，蛋白质，脂质，纤维，酚类和抗氧化剂含量。在米糠早餐谷物生产中使用0.5%的阿萨姆茶提取物显著增加了总酚含量和抗氧化能力，同时改善了感官特性和消费者的接受度。

传统的食品加工方法，如糖渍、盐渍、烟熏和使用添加剂，可能带来健康风险。最近，创新的化学加工技术，包括NADES和天然防腐剂和抗氧化剂的使用，引起了广泛关注。如图3所示，NADES可用于从主食作物中提取和分离副产品，以获得替代蛋白质植物来源的精油和蛋白质来源的肽在保存烘焙食品、减少原始主食作物营养成分的损失和最大化其利用方面显示出功效。此外，利用富含天然抗氧化剂（如多酚和黄酮类化合物）的植物原料或副产品的粉末或提取物作为商业主食作物食品中的成分，可以增强食品抗氧化能力和功能，同时提高其营养价值。

图3 化学技术在主食作物加工中的应用。通过提高副产品利用率、减少营养损失、增加活性物质含量，提高主食作物类食品的营养价值

3.3 创新生物加工技术

3.3.1 现代发酵技术

发酵长期以来一直是食品加工的关键方法。随着生物技术的进步，出现了许多复杂的发酵方法。本文重点介绍三个重要进展：选择特定的细菌菌株进行发酵、应用合成生物学和优化反应环境。Shi等人使用植物乳酸杆菌进行乳酸发酵，以消除豌豆蛋白分离物中的草味，从而增强香气并提高客户接受度。合成生物学的进步促进了更多具有增强特性和多功能性、适用于发酵系统的强效微生物的开发。使用创新的基因编辑技术，如成簇规律间隔短回文重复序列-CRISPR相关蛋白9，对乳酸菌进行基因改造，已经显示出发酵过程中植酸酶表达的增强。诱变育种也应用于发酵。Takahashi等人开发了一种变异清酒酵母菌株K901C8，这种菌株产生的月桂酸己酯水平较高，赋予了清酒独特的菠萝和杏子风味。Ye等人利用气相色谱-嗅觉计和气味活性值分析确定发酵过程中小米黄酒的主要香气成分。已经使用了多个高级传感器进行发酵过程的智能监测。Wang等人采用基于CRISPR/Cas12的核酸检测方法，在大曲发酵过程中在菌种水平上监测解淀粉芽孢杆菌。这种方法有助于更好地控制影响风味的微生物，最终提高发酵食品的质量。

3.3.2 现代酶技术

发酵利用自然微生物过程，并强调酶在分解复杂分子中的关键作用，从而推动酶技术的发展。人工酶的设计已通过计算机辅助方法取得了进展，允许进行精确的修改以增强酶的活性、稳定性、特异性和选择性。定向进化模拟自然进化过程，在扩大酶多样性和功能方面显示出巨大潜力。在工业应用中，酶面临与回收和再循环相关的挑战。这导致了成本的增加。为了优化酶的重复使用和适应各种操作环境，酶固定化得到了广泛的研究。与游离酶相比，固定化通常可以提高pH和热稳定性，以及活性。

近年来，发酵和酶技术方面的创新显著提高了主食作物的营养利用率、加工效率和产品质量。图4展示了这些技术在主食作物加工中的创新应用。这些进步在提高主食作物的营养价值和生产效率方面发挥了关键作用，使加工更加可持续和环境友好，同时也改善了食品的健康效益。

图4 生物技术在主食作物加工中的应用

3.4 多技术协作

即使在优化处理条件下，使用单一技术也往往无法取得最佳结果。为了解决这个问题，越来越多的研究集中在协同使用多种处理技术上。这种综合方法旨在获得理想的加工效果，如理想的质地和营养素的充分生物利用度。

3.4.1 基于MW的共处理技术

MW技术因其能效高、渗透性强以及能够有效加热食品材料，在食品加工中得到了广泛应用。然而，尽管与直接加热相比，其均匀性更好，但单独的MW加热可能导致加热不均匀。为了克服这一限制，MW加工通常与其他技术相结合，如超声波加工、热风干燥和高压烹饪。超声波和MW干燥技术的结合已被证明可以加速干燥时间（约20%），提高能源效率，并保留甚至增强主食作物类食品的营养成分，如游离氨基酸含量和风味特征。

3.4.2 基于超声波的协同处理技术

超声波方法与其他技术的结合已被广泛用于提高主食作物的营养价值。例如，添加GABA和超声波处理显著提高了发芽绿豆的自由黄酮水平，增幅达28.1%至31.5%，自由多酚水平增幅达71.1%至73.2%，从而提高了发芽绿豆的抗氧化能力。使用多频超声波预处理结合红外干燥在红薯加工中有效，可以减少干燥时间，增加植物化学成分含量，并提高最终产品的抗氧化活性。

3.4.3 基于发酵的共处理技术

发酵是主食作物加工中的重要技术，当与谷物或豆类发芽等其他方法结合使用时，可以增强营养品质。发芽玉米种子与微生物的发酵显著提高了蛋白质、维生素E、总酚类、维生素B1和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）的水平，同时抗氧化活性增加了一倍，并产生挥发性化合物，赋予甜味、玉米味和奶油味。酶技术，类似于发芽过程中多糖和蛋白质的水解，正越来越多地与发酵相结合，用于主食作物加工、活性成分提取和副产品的利用。使用多种酶的协同发酵已被证明可以显著增加黑小麦种子中可提取的酚类和抗氧化特性，特别是反式阿魏酸的含量，增加了8263%。

3.4.4 基于酶的共处理技术

酶技术也可以与主食作物为基础的食品生产中的其他处理方法相结合。燕麦粉的酶促挤压（2‰ α-淀粉酶）将水溶性从5.99%提高到43.63%，导致还原糖含量增加11 倍。酶技术广泛用于处理难以消化的原料或产生功能性水解物，通常与其他技术结合以提高效率和适用性。Kong等通过涉及挤压和酶水解的协同改性方法，黑麦麸皮中的水溶性膳食纤维含量显著增加。通过高压、温度和酶水解的联合方法，从燕麦和小麦副产物中创造富含纤维的原料。在高压处理前后进行酶水解，增加了β-葡聚糖的释放，减少了植酸，并提高了总酚含量。

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整合创新食品加工技术

在现代食品加工领域，确保原材料来源的安全和质量至关重要。为了进一步提高食品原料的安全性，引入了“不间断加工”的概念。这种新方法旨在实现食品原材料收获、储存和处理过程中的无缝生产线，最大限度地减少潜在的污染和损失，从而为加强粮食安全提供重要支持。通过应用创新的加工技术，可以从原料来源中衍生出多种新颖且富有营养的食品产品。例如，如图5所示，大豆是植物油和蛋白质的重要来源，通常被转化为各种各样的产品，包括豆腐、豆浆、纳豆、豆油、酱油和味噌，这些产品广泛地融入了我们的日常饮食中。然而，大豆中存在的抗营养因子和不良风味可能会影响蛋白质的吸收并引发过敏反应。为了应对这些挑战，采用了战略性加工干预措施，例如高温蒸煮以灭活豆浆生产中的抗营养因子，从而提高蛋白质的生物利用率并减少过敏反应的可能性。此外，在味噌的生产中，采用了新的酶混合技术，赋予了更独特和吸引人的风味特征，增强了产品的市场竞争力。

图5 “不间断加工”和多技术集成的概念升级了大豆产业价值链，确保了从大豆到大豆产品的营养品质

在现代食品工业中，广泛采用先进的技术方法，以增强原材料的营养特性，优化资源利用效率。例如，通过精确加工和全面监控，可以对食品加工工作流程的每个阶段进行严格监管，以满足严格的安全和质量标准。这不仅能提高产品质量，还能有效和全面地利用原材料中的每个组件，从而减少浪费。

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结论

主食作物是人类赖以生存的最基本食物来源，优化主食作物加工是应对全球粮食危机的关键策略。目前，使用传统食品加工技术加工的主食作物面临营养利用不完全和产品营养价值有限等挑战。因此，研究越来越集中于主要粮食作物的营养综合利用和主要粮食作物副产品的加工利用，以主要粮食作物为基础的食品的营养增强。科学技术的进步，加上不断发展的人类需求，共同推动了食品加工领域的新一波变革。创新的物理加工技术，包括电加热、电场和机械方法，以及以NADES和天然添加剂为代表的化学加工技术，以及现代发酵和酶技术等生物加工技术，在提高主食作物的营养利用、增强主食作物食品的综合营养状况和克服传统食品加工的局限性方面显示出显著的潜力。然而，这些新兴技术也带来了固有的挑战，包括高能耗、设备成本和有限的商业可行性，这将需要进一步的研究和开发。幸运的是，人工智能、大数据和物联网等技术的进步将塑造食品加工的未来轨迹。食品加工技术的持续创新对于进一步提高营养质量和增强产品功能至关重要，这将是应对全球粮食危机的关键一步。

专家介绍

汪少芸 二级教授/博士生导师

福州大学生物科学与工程学院 院长

福州大学海洋科学与技术研究院 院长

美国威斯康星大学和美国加州大学戴维斯分校博士后，现担任二级教授、博士生导师，福州大学生物科学与工程学院院长，福州大学海洋科学与技术研究院院长。入选全国“三八”红旗手、国家“万人计划”科技创新领军人才、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、省A类高层次人才、省高层次创新人才、省科技创新领军人才。担任国家“一流专业”负责人、“生物与医药”博士点负责人、省协同创新中心主任、省工程研究中心主任。兼任 《Food Biomacromolecules》主编，《Food Frontiers》副主编，《Food Science of Animal Products》科学主编，《Food Science and Human Wellness》《Journal of Future Foods》《食品科学》《食品工业科技》和《福州大学学报》 （自然科学版）编委，《中外食品技术》首批翻译专家。主持承担省部级以上及横向重大重点项目40余项，编写著作8 部，获授权发明专利79 件，发表SCI/EI收录学术论文230 篇，多篇论文获中国食品学会创新科技论文一等奖和福建省自然科学优秀论文一等奖，入选Elsevier全球前2%顶尖科学家榜单。主持成果获国际食品功能因子（ICOFF）学术大会奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国石油和化工联合会科技进步一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国食品工业协会科技进步一等奖、中国食品产学研优秀科研成果一等奖、福建省科技进步一等奖、福建省自然科学二等奖、福建省科技进步二等奖（排名均第1）；获紫金科技创新奖、厦航奖教金奖；获评宝钢优秀教师、卢嘉锡优秀导师、中国食品科技学会科技创新-杰出青年、省优秀教师、省最美科技特派员、省优秀科技工作者。

蔡茜茜 副研究员/博士生导师

福州大学生物科学与工程学院

主要研 究方向为生物活性蛋白质/多肽及功能食品、功能材料。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、福建省海洋经济战略联盟重点项目等项目10余项。 相关研究成果以第一/通信作者发表学术论文50 篇，以副主编和骨干成员出版专著4 部，其中以副主编出版《功能肽的加工技术与活性评价》《肉糜制品品质调控新技术》；担任《Food Biomacromolecules》期刊编委，《Journal of Future Foods》《食品工业科技》《食品研究与开发》期刊青年编委；入选中国科协青年人才 托举工程，获福建省青年科技奖、运盛青年科技奖、福州大学青年五四奖章，主持获福建省科技进步二等奖（排名1），作为主要骨干获福建省科技进步一等奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖等省部级和国家行业协会科技进步一等奖5 项（排名3）。

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学食品与酿酒工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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为进一步深入探讨食品产业在当前复杂多变环境下的高质量发展路径，并着重关注食品科学、营养安全保障的基础研究与关键技术研发，贯彻落实“大食物观”和“健康中国2030”国家战略，北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志，将与国际谷物科技协会（ICC）、湖南省食品科学技术学会、湖南省农业科学院农产品加工研究所、湖南农业大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湘潭大学、湖南中医药大学、湖南农业大学长沙现代食品创新研究院共同举办“第十二届食品科学国际年会”。本届年会将于2025年8月9-10日在中国 湖南 长沙召开。

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