综述：苋菜（Amaranthus caudatus L.）：营养成分、生物活性化合物、加工技术、食品应用及未来展望

《Molecules》：Amaranth (Amaranthus caudatus L.): Nutritional Composition, Bioactive Compounds, Processing Technologies, Food Applications, and Future Perspectives

　　

苋菜（Amaranthus caudatus L.）是一种安第斯伪谷物，其营养特征以蛋白质（protein）、膳食纤维（dietary fiber）和生物活性化合物（bioactive compounds）含量、必需氨基酸（essential amino acids, EAA）的适当平衡以及具有抗氧化（antioxidant）、抗炎（anti-inflammatory）和心脏代谢（cardiometabolic）特性的生物活性化合物为特征。本综述分析了应用于苋菜的主要加工方法，包括研磨（milling）、烘烤（roasting）、膨化（popping）、压片（flaking）、挤压（extrusion）、发芽（germination）、发酵（fermentation）、包封（encapsulation）和成分分离（component isolation），描述了这些技术如何改变其营养、功能和技术特性。本综述还考察了其在各种食品类别中的应用，如烘焙食品（baked goods）、挤压零食（extruded snacks）、发酵饮料（fermented beverages）、共生食品（symbiotic foods）和无麸质配方（gluten-free formulations），强调了其作为功能食品成分（functional food ingredient）用于开发功能食品和营养保健品（nutraceuticals）的潜力。此外，研究人员讨论了与其加工相关的技术和工业挑战，包括结构、感官和可扩展性限制，在全球对健康和可持续食品需求日益增长的背景下。最后，研究人员确定了知识空白和研究优先事项，以优化加工条件、改善感官可接受性并提高工业价值，从而支持对其融入食品生产系统的进一步评估。

**3. 近似组成**
苋菜籽粒的近似组成因基因型、地理起源、环境条件、成熟阶段、采后处理和分析方法而异。苋菜是蛋白质（protein）、膳食纤维（dietary fiber）、矿物质（minerals）和脂质（lipid）的重要来源，矿物质部分包含钙（calcium, Ca）、铁（iron, Fe）、磷（phosphorus, P）、镁（magnesium, Mg）和锌（zinc, Zn），脂质部分主要由不饱和脂肪酸（unsaturated fatty acids）组成。籽粒还含有角鲨烯（squalene）、植物甾醇（phytosterols）、生育酚（tocopherols）和酚类化合物（phenolics）等生物活性化合物。此外，无麸质蛋白（gluten-free proteins）使苋菜特别适合乳糜泻患者。

**3.1 蛋白质**
苋菜籽粒的蛋白质含量介于12%至16%之间，其特点是必需氨基酸（EAA）谱平衡良好，尤其是赖氨酸（lysine）含量高。非必需氨基酸中，谷氨酸（glutamic acid）占主导，可达24.8 g·100 g^-1蛋白质，其次是天冬氨酸（aspartic acid）和精氨酸（arginine）。蛋白质的营养质量与其组分有关，白蛋白（albumins）约40%和球蛋白（globulins）约20%占主导，这有助于其高生物价值。生物加工策略如控制发芽可通过诱导新蛋白质合成，使黑粒生态型总蛋白增加高达17.9%。从工业角度看，苋菜蛋白水解物可释放具有抗高血压（antihypertensive）和抗氧化（antioxidant）活性的生物活性肽，挤压后体外蛋白质消化率（in vitro protein digestibility）可达80%至96%，优于传统谷物。

**3.2 脂质**
苋菜籽粒脂质含量通常为2%至14%，脂质部分主要由不饱和脂肪酸（75%–77%）组成，其中亚油酸（linoleic acid, ω-6）是主要脂肪酸（41%–62%）。苋菜也被认为是角鲨烯（squalene）的重要植物来源（占油的2.4%–12%）。不饱和脂肪酸的优势与安第斯高地的恶劣环境适应有关，通过增加FAD2去饱和酶表达促进脂肪酸去饱和。除营养重要性外，脂质部分因角鲨烯、生育酚和植物甾醇而具有心脏保护作用，包括通过抑制HMG-CoA还原酶调节胆固醇代谢，降低LDL胆固醇和甘油三酯。与普通谷物和其他苋属物种相比，苋菜通常表现出更高的亚油酸和角鲨烯浓度。

**3.3 可利用碳水化合物**
碳水化合物占苋菜干重的55%–66%，主要由蜡质淀粉（waxy starch）组成，直链淀粉含量低（5%–7%），支链淀粉比例高。淀粉颗粒极小（0.3–3 μm），多呈多边形，提供大的比表面积，促进水分吸收和酶解。非淀粉多糖如果胶（pectins）和木葡聚糖（xyloglucans）有助于高溶胀能力和持水性，改善热加工过程中的流变性能。低直链淀粉含量有助于糊化行为和淀粉基质发展，但挤压过程中的膨胀是多因素现象，受直链淀粉-支链淀粉比例、水分含量、熔体粘度、蛋白质和纤维组成、螺杆转速、温度和模具压力共同影响。苋菜淀粉表现出优异的消化率和技术功能性，尤其在无麸质配方中。

**3.4 膳食纤维**
苋菜是膳食纤维的极佳来源，含量为2.7%–17.3%，不溶性纤维占总纤维的78%–80%。其组成主要归因于丰富的结构化多糖，包括阿拉伯糖丰富的果胶（34%–55%）和木葡聚糖（40%）。加工技术如发芽可通过酶促重塑细胞壁成分改变该部分。膳食纤维的消费与低至中等血糖指数（GI ≈ 47.65）、益生元活性和改善胆固醇代谢相关。从技术角度看，高持水性有助于改善面团流变性、水分保持和质地发展。与精制谷物相比，苋菜提供显著更高的膳食纤维含量，Centenario品种因其高纤维浓度而突出。

**3.5 灰分**
苋菜籽粒灰分含量通常为2%–3.8%，但发芽等生物加工处理后可能增加。例如，发芽72小时可使灰分相对含量增加高达18.8%，这归因于呼吸代谢期间有机干物质损失导致的浓缩效应。矿物质组成在生态型间存在差异，黑粒品种通常比粉粒生态型具有更高的灰分和矿物质含量。苋菜是钙、铁和镁等必需矿物质的重要来源，钙含量为63.9–285 mg/100 g，铁为5.78–17.4 mg/100 g，锌为1.07–5.90 mg/100 g。与普通谷物相比，苋菜灰分含量明显更高，精米约0.4%，小麦约1.76%，而苋菜通常更高。

**4. 生物活性化合物、消化率和生物利用度**

**4.1 苋菜中的生物活性化合物**
植物化学分析表明苋菜具有复杂多样的生物活性特征，包括酚类化合物（phenolic compounds）和甜菜红素（betalains）。总酚含量（TPC）在生黑粒生态型中为241 ± 1.84 mg GAE·100 g^-1干重，粉粒生态型中为168 ± 1.81 mg GAE·100 g^-1干重。发芽后TPC逐渐增加，72小时后达926 ± 1.58 mg GAE·100 g^-1。同样，甜菜红素总量在发芽后增加。此外，苋菜是生物活性肽的重要来源，通过储存蛋白水解生成，低分子量肽（<3 kDa）对血管紧张素转换酶（ACE）和二肽基肽酶-4（DPP-IV）表现出抑制活性，提示潜在抗高血压和抗糖尿病作用。发芽期间通过激活苯丙氨酸解氨酶（PAL）和苯丙烷途径可促进酚类代谢物的合成和释放。其他生物活性成分如角鲨烯具有不同的生理作用。这些成分的多样性支持了苋菜在功能食品和营养保健品中的应用，但效果取决于生物利用度、食品基质、加工条件和实验模型。

**4.2 抗营养素**
苋菜含有较低浓度的抗营养化合物，植酸（phytic acid, InsP6）为2.9–7.9 g·kg^-1，单宁为0.04–0.28 g·kg^-1。植酸是主要抗营养素，因其螯合必需矿物质（Ca²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺）形成不溶性络合物，减少肠道吸收。通过发芽和发酵可激活内源植酸酶，将植酸降解高达74%，从而改善矿物质生物利用度。与荞麦和藜麦相比，苋菜植酸水平通常较低，且天然不含高浓度苦味皂苷。植酸与矿物质的摩尔比能更营养意义地评估对矿物质吸收的潜在抑制效应。

**4.3 苋菜的消化率和生物利用度**
苋菜表现出高营养品质，体外蛋白质消化率在生全粒中为70%–80%，挤压或速食粥后可达90%以上。尽管矿物质丰富，但钙和铁的生物利用度最初受植酸和草酸盐限制。苋菜碳水化合物的优异消化率与其淀粉的物理化学特性有关，小的多边形淀粉颗粒和蜡质结构促进α-淀粉酶快速水解。发芽和发酵通过激活内源植酸酶和蛋白酶，同时降解植酸和水解储存蛋白，提高氨基酸可用性和矿物质吸收。高消化率、优质蛋白质和天然低醇溶蛋白含量使苋菜特别适合开发无麸质功能食品。与小麦和玉米相比，苋菜通常表现出良好的蛋白质消化率和营养品质，生物价（BV）为70%–80%，蛋白质效率比（PER）为1.39–4.81，但这些值受基因型、加工历史和实验条件影响。

**5. 营养保健品价值和功能特性**

**5.1 抗氧化活性**
苋菜表现出显著的抗氧化潜力，ORAC值为18.55–114.92 μmol TE·g^-1，DPPH自由基清除活性在蛋白质水解物中达77.91%。黑粒生态型发芽72小时后总酚含量最高（926 mg GAE·100 g^-1），抗氧化能力达450 μmol TE·100 g^-1。发芽期间通过激活PAL和苯丙烷途径促进抗氧化分子如咖啡酸和芦丁的合成。酶解和受控热处理可释放结合酚类化合物，增加其提取性和抗氧化活性。芦丁、甜菜红素和富含角鲨烯的不饱和脂质部分协同清除活性氧。高抗氧化潜力支持苋菜作为功能食品和营养保健品成分，但需进一步临床证据。

**5.2 抗炎特性**
苋菜的抗炎潜力主要归因于多酚、生物活性肽和不饱和脂质的协同作用。实验表明，苋菜蛋白水解物可减少促炎介质产生并调节关键细胞因子，缓解肠道炎症。这些效应由低分子量肽介导，通过调节NLRP3炎症小体、抑制NF-κB和MAPK信号通路，减少炎症介质表达，维护上皮屏障完整性。但生物活性肽在生理条件下的有效性受胃肠道消化、肠道微生物群和食品基质影响。抗炎特性支持苋菜在功能食品中的应用，尤其对乳糜泻患者和有代谢紊乱的患者。

**5.3 心脏代谢效应**
动物模型中，苋菜消费可降低总胆固醇（高达20%）、甘油三酯（36%）和收缩压。有限的人体干预研究表明，补充18 mL·day^-1苋菜油可改善脂质谱，增加HDL胆固醇，降低LDL和VLDL。这些效应源于角鲨烯和植物甾醇调节HMG-CoA还原酶活性，生物活性肽抑制ACE和DPP-IV，以及膳食纤维结合胆汁盐和减弱餐后葡萄糖吸收。苋菜作为心脏代谢健康的功能成分有潜力，但需更多临床研究确认。

**5.4 益生元潜力**
苋菜因高膳食纤维、抗性碳水化合物和生物活性植物化学物质而成为益生元底物的有前景来源。不可消化碳水化合物和酚类化合物在结肠中发酵，促进短链脂肪酸（SCFAs）如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的产生，维护肠道屏障完整性和免疫调节。传统安第斯发酵食品如chicha de siete semillas表明苋菜可维持有益微生物生长。这些特性支持苋菜用于开发共生食品，通过发酵降解植酸改善矿物质生物利用度，但需进一步研究优化配方和菌株。

**6. 苋菜加工技术**

**6.1 研磨**
研磨是将苋菜籽粒转化为面粉的主要操作，通过减小粒径改善成分均匀性。苋菜通常作为全粒加工，保留膳食纤维、矿物质和生物活性化合物，但极小的籽粒尺寸和细颗粒生成带来技术挑战。粒径分布直接影响水化特性、面团流变性和食品配方表现，需根据应用优化预处理和研磨强度。

**6.2 烘烤**
烘烤是干热过程，改善风味、香气、质地和适口性。烘烤可增加总酚含量（从14.72升至662.78 mg GAE·100 g^-1），提高抗氧化能力。但需控制温度，约145°C可增强抗氧化浓度，超过190°C则促进酚类降解和蛋白质交联，损失可利用赖氨酸7.3%–11.9%。

**6.3 膨化**
膨化是短时干热过程，将籽粒暴露于160–200°C 15–30秒，内部水分快速汽化使籽粒膨胀，形成多孔酥脆结构。膨化苋菜甜味增强，质地改善，可提高蛋白质和脂质相对浓度，改善淀粉消化率，减少抗营养因子。但不当条件可能导致可利用赖氨酸损失高达11.9%，需优化温度、时间、水分和品种特性。

**6.4 压片**
压片是机械预煮过程，将籽粒通过双滚筒或辊系统压成扁平薄片。通常需预先润湿至约18%水分，在控制温度和旋转条件下通过窄辊间隙。与膨化相比，压片产生更致密扁平的基质，增加粘性，降低硬度、刚度和脆性，适用于需要紧凑结构和水分保持的产品。

**6.5 挤压**
挤压是高温短时连续过程，结合机械和热能糊化淀粉、变性蛋白质并重组食品基质形成膨胀和纹理化产品。挤压可提高淀粉和蛋白质消化率，灭活抗营养因子，促进结合酚类释放。在160°C下，总酚含量增加20.32%，蛋白质消化率可达96.3%。但高蛋白质和纤维含量会干扰蒸汽气泡形成，限制膨胀，导致产品比玉米零食更致密。超过190°C可能降解必需氨基酸，需优化水分、温度、螺杆转速和模具几何形状。

**6.6 发芽**
发芽是控制生物过程，通过水合、酶解和储备动员重新激活种子代谢。发芽可增加酚类化合物高达284%（黑粒生态型在72小时后从241升至926 mg GAE·100 g^-1），提高蛋白质、甜菜红素、GABA和抗氧化能力。同时激活内源植酸酶，减少植酸，改善矿物质生物利用度；蛋白酶增加蛋白质消化率。发芽效果取决于时间、温度、湿度、生态型和卫生控制，黑粒生态型在72小时、26°C下效果显著，但需根据具体研究优化。

**6.7 发酵**
发酵是传统生物技术过程，基于微生物（主要是乳酸菌和酵母）的代谢活性。发酵可改善营养质量，增加蛋白质、脂质和灰分含量，减少植酸、单宁和草酸盐等抗营养因子。酸面团发酵可增强矿物质生物利用度，促进可溶性酚类释放，产生具有抗高血压和抗糖尿病潜力的生物活性肽。发酵苋菜也适用于开发共生食品和传统饮料如chicha de siete semillas。但发酵结果强烈依赖菌株、时间、温度、pH和底物组成，需标准化协议。

**6.8 包封**
包封是新兴策略，用于保护生物活性化合物并改善其溶解度、稳定性和生物利用度。苋菜蛋白分离物和淀粉可作为生物聚合物基质，包封热敏感或疏水性化合物，防止氧化和降解，实现控释。苋菜中已探索使用超声处理蛋白质与羧甲基纤维素钠复合凝聚用于甜菜红素微胶囊化。但需进一步优化包封效率、释放动力学、储存稳定性、感官兼容性和可扩展性。

**6.9 酶解**
酶解是控制生物技术过程，使用酶如胃蛋白酶、胰酶或微生物蛋白酶将蛋白质切割成更小肽段，改善消化率和生物活性。苋菜水解物富含白蛋白和球蛋白，可释放低分子量生物活性肽，具有抗氧化、抗高血压、抗糖尿病和潜在抗癌活性，主要归因于抑制ACE和DPP-IV的肽，以及lunasin序列。水解可将蛋白质消化率提高超过20%，生成分子量0.16–3.11 kDa的肽段。但需进一步评估酶类型、水解条件、肽稳定性、感官影响和体内生物活性。

**6.10 成分分离**
成分分离包括物理化学过程，用于分离、纯化和浓缩苋菜特定组分，主要是蛋白分离物和淀粉。蛋白分离常用pH偏移法，在pH 8.0–11.0下碱性提取，然后在pH 4.0–5.5下等电沉淀，获得纯度超过80%的蛋白分离物。淀粉分离需在稀氢氧化钠或偏亚硫酸氢盐溶液中长时间浸泡，然后过滤和离心。与盐或溶剂法相比，等电沉淀通常提供更高产率和纯度。苋菜蛋白分离物保留平衡的必需氨基酸谱，富含赖氨酸和蛋氨酸，支持用于功能食品、婴儿配方和营养补充剂，但极端条件可能引起蛋白质构象变化，影响技术功能性质。

**7. 苋菜的食品应用**
对苋菜作为功能成分的兴趣已扩展其应用至多种食品，包括全粒、生或加工面粉、发芽粒、膨化粒、蛋白分离物、淀粉或食用油。应用类别包括烘焙产品、意大利面、早餐谷物、挤压零食、麦芽饮料、食用油、发酵食品、无麸质产品和高质量婴儿配方。用苋菜替代常规谷物面粉可显著增加赖氨酸含量，提高矿物质和酚类化合物水平。但无麸质特性导致高替代水平可能降低面团弹性、减少面包体积并增加面包屑硬度。发芽、挤压和发酵等加工技术可改善矿物质生物利用度，增加GABA和酚类化合物浓度，并部分补偿技术限制。含苋菜产品通常颜色更深、质地更致密，但坚果风味通常被消费者接受，感官接受度良好。

**8. 技术和工业挑战、可持续性与未来展望**
大规模工业利用受限于无麸质蛋白网络导致的气体保留差、高蛋白质和纤维含量干扰挤压膨胀、结构相互作用导致产品颜色变深和质地变硬，以及不饱和脂质部分在高温下易氧化。工业可扩展性方面，极小的籽粒尺寸使机械化操作复杂化，生产高价值成分需要昂贵技术。国际法规差异和掺假风险要求标准化质量认证系统和遗传认证方法。尽管存在这些限制，苋菜因其适应边缘环境和营养密度而可能促进多样化有韧性的食品系统，并支持循环经济策略，通过利用所有籽粒部分转化为高价值成分。未来，植物育种、精准农业、人工智能辅助加工优化、包封技术、精准发酵和数字质量监测可能扩大工业应用，但需进一步验证和评估。

**9. 结论**
苋菜是一种安第斯伪谷物，具有多样化的营养组成和一系列功能与技术特性。其提供具有相对有利必需氨基酸谱的蛋白质、膳食纤维、不饱和脂质、矿物质和生物活性化合物，包括角鲨烯、多酚、生育酚、植物甾醇和生物活性肽，这些成分与抗氧化、抗炎、心脏代谢和益生元效应相关，但证据强度因化合物、实验模型和加工条件而异。发芽、挤压和发酵等加工技术可改变营养和功能特性，但效果取决于条件。仍存在加工优化、感官可接受性、工业可扩展性、法规协调和临床验证方面的挑战。未来研究应优先表征未充分利用的生态型、研究基因型-环境相互作用、标准化方法和设计良好的人体干预研究。苋菜可能有助于可持续食品系统讨论，但需具体评估。