《Food Science & Nutrition》：Tropical Plantains, Tubers, and Roots: Advancing Food Quality, Safety, and Processing Innovations for Global Nutritional Equity
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大蕉及热带块茎与根茎类作物（PTRs），以木薯、甘薯、薯蓣、马铃薯和芋头为主，是热带与亚热带农业生态区超过5亿人口不可或缺的营养与热量支柱。除作为高能量密度碳水化合物基质的传统角色外，这些作物还构成膳食纤维、必需维生素与生物活性植物营养素（bioactive
大蕉及热带块茎与根茎类作物（PTRs），以木薯、甘薯、薯蓣、马铃薯和芋头为主，是热带与亚热带农业生态区超过5亿人口不可或缺的营养与热量支柱。除作为高能量密度碳水化合物基质的传统角色外，这些作物还构成膳食纤维、必需维生素与生物活性植物营养素（bioactive phytonutrients）的重要战略储库。然而，其可持续融入高价值全球食品供应链，受到高达30%–40%的采后损失（post-harvest losses）、快速生理劣变、基础设施缺陷以及有害抗营养因子（ANFs）的显著制约，后者包括木薯中的生氰糖苷（cyanogenic glycosides）、马铃薯中的糖苷生物碱（glycoalkaloids）以及芋头中具刺激性的草酸钙针晶（calcium oxalate raphides）。本综述对PTRs近年来的全球生产动态、分子淀粉架构及新兴功能性食品应用进行了系统整合。研究评估了传统加工方式（发酵、浸泡与热处理）相较于现代非热及热机械创新技术（高静水压处理〔HPP〕、挤压及酶法修饰）在提升食品安全性、消化率及技术功能性方面的效能。尽管传统发酵仍是脱毒与益生菌富集的核心手段，但HPP、脉冲电场（PEF）及包埋纳米技术等现代技术，在热敏性微量营养素与抗氧化剂的保留方面展现出显著优势。此外，抗性淀粉组分（RS1–RS5）在调节代谢健康与血糖生成指数中的功能角色，亦被评价为功能性食品开发的关键前沿。最终，本工作建立了一个整合式加工连续体，将传统生物加工与生态高效工程、国际食品安全标准（Codex Alimentarius、EFSA）及性别响应的社会经济赋权相衔接，以降低采后损耗并推动全球营养公平。
1 引言
大蕉、块茎与根茎类作物（PTRs）是热带与亚热带地区超过5亿人口粮食安全的基石。除热量支柱作用外，这些作物还构成富含膳食纤维、必需维生素与矿物质的复杂基质。在当前全球公共卫生框架下，对这些作物的关注已从单纯的能量安全转向营养质量与健康公平促进。大蕉（Musa paradisiaca）以其高淀粉含量及需烹饪后食用而区别于鲜食香蕉，并与木薯（Manihot esculenta）、薯蓣（Dioscorea spp.）、马铃薯（Solanum tuberosum）、芋头（Colocasia esculenta）及甘薯（Ipomoea batatas）等地下块根块茎作物共存。全球PTRs产量持续增长，在撒哈拉以南非洲和拉丁美洲，这些作物为当地食物系统提供能量支撑。然而，该产业面临采后损失高企及不当储存期间微生物或化学污染风险等严峻挑战，因此亟需保鲜技术与食品安全监测方面的创新。
2 文献检索策略与筛选框架
本综述采用基于PRISMA 2020检索原则的结构化叙述性综述框架，在Web of Science、Scopus、PubMed/MEDLINE、ScienceDirect及Google Scholar五大电子数据库中，检索2000年1月至2025年12月间的同行评议文献。布尔检索算法整合了作物分类学名称与功能、化学及加工关键词，并补充交叉引用了FAO、WHO、Codex Alimentarius委员会及EFSA等国际机构的技术规范文件。纳入标准包括提供PTRs近端组成、生物活性谱、淀粉流变学或加工影响的有效定量或定性数据的原始实验研究、权威综述及官方监管标准。最终从1842条初始记录中筛选出172篇高影响力研究纳入综合。
3 全球根茎类与大蕉生产趋势
2020至2023年间，PTRs全球产量显著增长，反映了其在气候变化与供应链扰动背景下作为韧性碳水来源的关键作用。木薯全球产量从3.102亿吨增至约3.353亿吨，非洲主导地位明显，尼日利亚以6270万吨居首。大蕉与烹饪香蕉在非洲产量保持相对稳定（约3060万吨），但亚洲和加勒比地区呈现地理扩张。马铃薯全球产量2023年超过3.83亿吨，中国（9350万吨）和印度（6010万吨）的领先凸显其向全球南方转移的战略趋势。甘薯全球产量达9390万吨，中国仍为主导生产国，但马拉维等非洲国家显著增长。薯蓣产量从8180万增至8930万吨，几乎完全由尼日利亚和加纳等西非国家驱动。芋头虽产量较小（约1800万吨），在尼日利亚和喀麦隆仍对局部粮食安全至关重要。
4 PTRs的营养组成与健康益处
PTRs以高碳水化合物浓度（鲜重计20%–35%）为特征，木薯和甘薯的淀粉可占干物质高达90%。膳食纤维含量（2%–4%）可调节脂质代谢并减弱餐后血糖反应，未熟大蕉因高抗性淀粉（RS）水平而具有益生元功能。微量营养素方面，橙色果肉甘薯是β-胡萝卜素（维生素A前体）的优质来源，约提供709 μg RAE/100 g；薯蓣和芋头在矿物质密度方面表现突出，钾含量高达816 mg/100 g。生物活性化合物方面，PTRs富含酚酸、花青素、皂苷及功能性蛋白。薯蓣中的薯蓣皂苷元（diosgenin）可抑制肠道胆固醇吸收并促进胆汁排泄；甘薯中的花青素与sporamine蛋白协同发挥抗肥胖效应；紫色薯蓣和红肉马铃薯表现出优异的自由基清除活性。PTRs与谷物相比，在碳水化合物消化性、微量营养素生物利用度及功能性生物活性潜力方面具有独特优势，但蛋白质含量低（1%–3%）及内源抗营养因子的存在需通过严格加工规程加以管控。
5 PTRs淀粉的功能特性
PTRs淀粉的工业与烹饪效用直接取决于其颗粒形态、粒径分布及内部结晶排列。淀粉的直链淀粉/支链淀粉比例、糊化温度及颗粒形态是决定其消化性及抗性淀粉（RS）分类的主要参数。RS1为物理性包埋于细胞基质中的淀粉；RS2为天然B型或C型结晶颗粒，在青大蕉、木薯、薯蓣和甘薯中含量丰富；RS3为糊化后冷却形成的回生淀粉，可通过反复加热/冷却循环提高；RS4经化学改性产生；RS5由直链淀粉与脂质在糊化过程中相互作用形成V型螺旋复合物。木薯淀粉低直链淀粉含量产生高粘弹性凝胶，适于制药工业粘合剂；薯蓣和青大蕉的高直链淀粉含量（分别高达38%和40%）促进RS2和RS3形成，产生坚硬、难消化的凝胶，适于缓释药物递送基质。芋头极小的颗粒（0.5–5 μm）提供高比表面积，其致密多面体堆积赋予结构耐久性。技术功能性方面，木薯淀粉表现出优异的吸水（0.77 g/g）和吸油（0.99 g/g）能力，薯蓣皂苷的天然乳化特性可稳定水包油纳米乳。
6 加工创新与采后技术
传统加工方法仍是热带地区PTRs利用的基石。煮沸是最普遍的加工技术，对苦木薯而言是主要脱毒步骤，可促进致死性生氰糖苷浸出至水相，但伴随显著的水溶性维生素和矿物质损失。蒸煮因不直接浸没于水中，能更有效保留薯蓣、甘薯和大蕉的矿物质基质与挥发性风味。捣击通过高剪切机械作用将糊化淀粉转化为弹性粘稠面团（如fufu），改变淀粉流变特性。烘烤与焙烤诱导美拉德反应和焦糖化，但不当操作可导致多环芳烃形成。油炸在160°C–190°C下进行，通过脱水-浸渍过程形成酥脆屏障，但高温下还原糖与天冬酰胺反应存在丙烯酰胺形成风险，可通过预炸、浸泡或烫漂（60°C–70°C）浸出前体糖加以缓解。发酵利用乳酸菌（LAB）和酵母的生物催化作用，降低pH值促进亚麻苦苷酶解并抑制腐败菌，同时合成B族维生素并降解植酸盐提高矿物质生物利用度。现代技术创新方面，挤压技术通过高压、机械剪切和高温将淀粉质物料转化为膨化零食、早餐谷物等多样化产品，双螺杆挤压机对混合和剪切控制更优。冷冻干燥利用升华原理保留PTRs的原始色泽、香气及细胞结构。高静水压处理（HPP）通过400–600 MPa静水压不可逆破坏微生物细胞膜，保留热敏性维生素。酶法修饰通过麦芽糖淀粉酶、分支酶和β-淀粉酶等靶向水解特定糖苷键，改善冷冻酱料和木薯衍生纺织品的增稠稳定性及冻融抗性。益生菌发酵将传统主食转化为功能性食品，合成必需B族维生素和生物活性肽。包埋纳米技术将甘薯维生素A原或紫薯蓣花青素等敏感分子封装于脂质体、聚合物纳米球和纳米晶等载体中。脉冲电场（PEF）处理通过1–10 kV/cm的短暂电脉冲诱导块茎细胞膜电穿孔，促进淀粉和糖的靶向提取，并可将后续干燥能耗降低高达40%。
7 食品应用：营养安全、文化认同与农业工业增值
对于多种PTRs物种，成功实现食品应用和商业化严格取决于中和有害内源抗营养因子（ANFs）和毒性次生代谢物的生化必要性。生鲜根茎和大蕉含有不同浓度的有毒物质，包括木薯中的生氰糖苷、马铃薯中的甾体糖苷生物碱以及芋头和薯蓣中具刺激性的草酸钙针晶，若管理不当会对人体造成急慢性健康危害。将这些潜在有毒作物转化为安全、货架稳定且文化可接受的 staple 食品，需要严格的加工前处理、脱毒动力学优化及符合国际食品安全标准（Codex Alimentarius、EFSA）的质量控制体系。
