稻米膳食纖維的提取、改性及應用研究進展

張宏邦 羅 潔 易翠平 郭宇波 姚明武

(長沙理工大學化學與食品工程學院1，長沙 410114)(湖南天下洞庭糧油實業有限公司2，沅江 413100)(湖南四通食品科技有限公司3，靖州 418000)

稻谷加工的主要副產物米糠，是糙米經碾米等工序后得到的果皮、種皮、糊粉層和珠心層的混合物，約占稻谷總重的10%[1]。2017年，我國的稻谷產量達2.07億t，米糠資源非常豐富，但其開發利用與美國、日本等國家相比存在較大的差距，附加值極低，因此有必要對其進行深入研究，探求米糠綜合利用的高經濟效益，縮短與發達國家間的差距。膳食纖維是公認的“第七大營養素”[2]，大量研究報道顯示，膳食纖維具有促進胃腸道健康、防治肥胖癥、降低心血管疾病發病率、降低糖尿病發病率等[3,4]益生功能。米糠中含有豐富的膳食纖維，是提取天然膳食纖維的良好原料。因此，本文綜述了米糠膳食纖維的提取方法、改性及應用研究的進展，以期為提高稻米的綜合利用水平提供參考。

1 膳食纖維的定義

膳食纖維(dietary fiber，DF)被稱為第七大營養素，目前各界對于膳食纖維的定義并不完全一致：中國營養學會認為膳食纖維包括纖維素、半纖維素、木質素等主要來源于植物細胞壁的不易被消化酶消化的多糖類物質；而歐盟認為“纖維”是指含有至少3個單體鏈節的碳水化合物聚合物，這類物質在人體小腸等消化器官中不會被消化也不被吸收；纖維包含的范圍與國際食品法典委員會一致[5]。膳食纖維的分類根據其分類依據亦有差別，較為普遍的分類方法是按照其溶解性分為兩大類[6]：一類是水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)， 主要包括纖維素、半纖維素和木質素；另一類是水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)，主要含有抗性寡糖、改性纖維素、合成多糖以及植物膠體等[7]。

2 米糠膳食纖維的提取

米糠膳食纖維的提取方法主要分為化學方法、物理方法和酶解法三大類。由于膳食纖維中的保健功能主要取決于其生物活性，因此提取方法主要以膳食纖維的生物活性作為主要評價指標。化學方法由于可能會使用一些反應強烈的試劑，易破壞膳食纖維，造成所得到的膳食纖維生物活性較低，但其提取膳食纖維操作簡單，成本較低[8]。物理方法提取效率低，設備成本高，不適于大規模生產，但它能夠較完整地保留膳食纖維的生物活性。酶解法具有易控制、條件溫和、有效成分提取率高、無污染等優點[9]，因此其應用越來越廣泛，但某些酶的價格貴，易造成成本增加。近年來物理、化學法和酶解法的結合成為了研究人員關注的焦點。本文將重點論述以結合酶法為主的新興提取方法。

2.1 酶法提取米糠膳食纖維

酶解法是目前提取米糠膳食纖維的最常用方法，即使用復合酶進行酶解米糠。用于提取DF常見的酶有：α-淀粉酶、糖化酶、堿性蛋白酶和纖維素酶。α-淀粉酶作用于淀粉時從淀粉分子的內部隨機切開α-1，4 糖苷鍵，生成糊精和還原糖，起到液化作用[10]。糖化酶有催化淀粉水解的作用，能從淀粉分子非還原性末端開始，分解α-1，4 葡萄糖苷鍵生成葡萄糖[11]。堿性蛋白酶在堿性條件下能夠水解蛋白質肽鍵，使復雜的大分子蛋白質結構變成簡單的小分子肽鏈或氨基酸，從而變得易于吸收或洗去[12]。纖維素酶在降解纖維素和半纖維素的同時，還能將不易消化的大分子多糖、蛋白質和脂類降解成小分子物質[13]。研究表明提取米糠膳食纖維時α-淀粉酶的酶解溫度在70～75 ℃之間[14]，蛋白酶的溫度在50～60 ℃之間[15]，纖維素酶的溫度一般控制在55 ℃左右[16]，酶解時間和酶用量會因樣品不同存在差異，酶法提取的DF得率相比單純的物理法、化學法提取有所提高。文偉等[17]以脫脂米糠為原料，先經高溫糊化和高溫α-淀粉酶液化，再經糖化酶、纖維素酶和蛋白酶 3 種酶同步酶解，制備高營養價值脫脂米糠復合酶解提取物，采用復合酶水解脫脂米糠時可溶性膳食纖維得率為6.68%，這與Wan等[18]采用堿酶兩步法提取脫脂米糠中可溶性膳食纖維的得率相近。通過復合酶法提取脫脂米糠中的營養物質，膳食纖維的有效成分提取率高，為開發脫脂米糠制備功能性食品配料提供了一條可靠途徑，同時也表明了復合酶解提取物是一種極具開發應用前景的保健食品成分。

2.2 化學試劑結合酶法提取米糠膳食纖維

化學分離法提取膳食纖維工藝簡單，但制備的膳食纖維產品往往含有少量的蛋白質和淀粉，而且在環保上存在弊端；酶法提取的膳食纖維純度高、污染小，但成本相對較高。采用化學試劑結合酶法提取米糠膳食纖維，綜合了化學法和酶解法的優點，具有明顯優勢。化學試劑-酶結合分離法，即先利用酶水解除去原料中的蛋白質和淀粉，然后用化學試劑進行提取，制備高純度的膳食纖維，此法可提高米糠膳食纖維的產率與質量，降低提取成本，不僅簡化了生產工藝，還減少了環境污染，高效環保。

李麗輝等[19]采用化學試劑-酶結合分離法從脫脂米糠中提取膳食纖維，在α-淀粉酶用量0.4%，酶解時間40 min，NaOH濃度4%，堿解時間45 min的條件下，脫脂米糠膳食纖維得率達到39.30%。苗欣等[20]在酶解前采用適當濃度的堿液處理，將致密的糖類、蛋白質等大分子物質的結構進一步疏松，從而有利于后期的酶解反應，并通過響應面法對各個影響因素進行優化分析，得到的最佳提取工藝條件為：NaOH的濃度是0.2 mol/L，NaOH浸泡時間為60 min，堿性蛋白酶添加量250 U/g，高溫淀粉酶添加量200 U/g。在此條件下膳食纖維純度高達75.79%，得率為38.5%。事實證明采用化學試劑-酶結合分離法從脫脂米糠中制備膳食纖維的方法簡便易行，不需要特殊的設備，投資少，污染少，且膳食纖維的得率較高。

2.3 物理輔助酶法提取米糠膳食纖維

目前，采用物理法輔助酶法提取米糠膳食纖維是諸多學者研究的熱點。物理輔助酶法提取米糠膳食纖維，綠色高效且保留了膳食纖維的生物活性，越來越受到研究人員的青睞。

2.3.1 超聲輔助酶法

Huang等[21]按照1∶24的料液比在脫脂米糠中加入純水并將pH調至5.0，添加6%木瓜蛋白酶于60 ℃下酶解1 h后，按5.3%添加量加入纖維素酶，在功率為415 W條件下超聲5 min，酶解結束后抽濾濃縮，加入4倍體積無水乙醇沉淀，過濾后烘干粉碎濾渣，得到水溶性膳食纖維。康麗君等[22]以米糠為原料，先對其進行氣爆預處理，再利用超聲-微波協同酶法對氣爆預處理米糠進行提取，氣爆條件設定為壓力1.0 MPa、時間90 s，酶添加量5.85%，pH 4.64，微波功率451 W，在此條件下米糠可溶性膳食纖維含量提高了2.157%。Zhu等[23]同樣以米糠為原料，采用超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維，探究了加酶量、超聲時間、超聲功率和料液比對得率的影響。

2.3.2 擠壓膨化輔助酶法

擠壓膨化技術是一種新型食品加工技術，與其他常見的傳統處理方法相比，擠壓膨化技術具有熱動態效率高、生產成本低、營養損失小等優點[24]。采用擠壓膨化作為預處理方法，可以使米糠達到穩定化，便于后續生產和加工。王旭等[25]以米糠為原料，采用擠壓膨化輔助酶水解技術提取可溶性膳食纖維，探究了擠壓膨化工藝和酶解條件對米糠可溶性膳食纖維提取率、結構及物化特性的影響，得到了提取率高、工藝簡易且結構性能優異的米糠可溶性膳食纖維。

3 米糠膳食纖維的改性

脫脂米糠是米糠油加工的副產物，是SDF和IDF的良好來源。二者均具有較高的生物功能活性，IDF不適合用作食品配料，因為IDF會產生令人不適的口感，SDF比IDF更適用于食品中。膳食纖維生理功能的顯著性與SDF和IDF的比例有很大關系，合理的含量之比為1∶3左右。平衡的膳食纖維組成要求SDF含量占總膳食纖維的10%以上，但米糠膳食纖維源中的SDF所占的比例往往不超過10%，無法達到膳食平衡的要求，這就需要對米糠膳食纖維進行改性，提高SDF的含量以更好地發揮其生理功能[26]。改性目的是使膳食纖維中大分子成分的連接鍵斷裂，轉變成小分子組分；同時將部分不溶性成分轉變成可溶性成分；使致密的空間網狀轉變為疏松的網狀空間結構。

3.1 化學法改性

化學法改性較普遍，多利用酸堿等化學試劑處理，可部分改變膳食纖維的結構，使其具有優良的性質和功能[27]。酸堿處理都能使水溶性膳食纖維含量得到較大的提高，其中以堿處理效果更好。但由于酸堿處理存在反應時間長，副反應較多，工藝過程復雜，溫度較高，對設備的要求也較高等不足，因此在一定程度上限制了該方法的使用。

3.2 物理法改性

物理法改性米糠膳食纖維主要包括超細粉碎、超聲、微波、擠壓蒸煮，還有學者使用超濾技術純化可溶性米糠纖維[28]。Wan等[29]發現經超濾純化的可溶性米糠膳食纖維溶液比未純化的可溶性米糠膳食纖維可溶組分具有更高的黏度和可溶性固形物含量，超濾法顯著降低了可溶性米糠纖維溶液的礦物質含量。李倫等[30]采用超微粉碎對脫脂米糠膳食纖維進行處理，隨著超微粉碎程度的加強，粒徑不斷減小，膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力均有顯著提高，纖維素含量基本保持不變，部分半纖維素轉化成水溶物。顆粒的微細化使得纖維的比表面積和孔隙率增加，功能性和口感都得到了改善[31]。劉婷婷等[32]采用雙螺桿擠出技術對米糠進行處理，當擠出溫度170 ℃、含水量35%、物料粒度為0.178 mm時，米糠可溶性膳食纖維得率可達到20.8%，明顯提高了SDF的含量，增強了其生理功能，并改善了口感。物理改性技術對環境沒有污染，有利于保持食品的質地、色澤和風味，可以顯著減小粒徑，提高膳食纖維可溶性成分的比例，增強各種功能特性，為膳食纖維在食品領域中的廣泛應用奠定良好的基礎。

3.3 生物改性

3.3.1 酶法

目前應用的膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶等。郭天時等[33]用木聚糖酶對經過超微粉碎處理后的脫脂米糠膳食纖維(DRBDF)水解使其改性，可溶性膳食纖維的含量得以增加。經改性后的米糠膳食纖維，其持水力、持油力分別為改性前的1.18倍和2.04倍，溶脹力降低為原來的79%。

3.3.2 發酵法

閔鐘熳等[34]以米糠粕為原料，枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)B4為發酵菌種，發酵提取可溶性膳食纖維，結果表明SDF得率顯著提高，直接證實了微生物發酵法是一種高效可行的改性膳食纖維的方法，為生產高活性膳食纖維提供了有效的途徑。她還以米糠粕為底物，采用黑曲霉對其進行發酵，研究提高米糠粕中SDF提取率的工藝條件以及發酵前后SDF結構和理化性質的變化[35]。微生物發酵法實現了微生物產酶和酶解過程的統一，省去了酶制劑在生產過程中的分離純化工藝，大大降低了生產成本，該法具有十分廣闊的應用前景。

4 應用與前景

米糠膳食纖維可添加在面制品、米制品、焙烤食品、肉制品和飲料中[36]，只要添加量合適，并不影響食品的外觀與風味。周艷青等[37]通過添加不同量的米糠膳食纖維，研究米糠膳食纖維對掛面食用品質的影響。結果表明，添加4%以內的米糠膳食纖維可使掛面保持相對較好的食用品質。向忠琪等[38]研究了米糠膳食纖維添加量對鮮濕米粉食用品質的影響，適當添加米糠膳食纖維可以提高鮮濕米粉的質構特性和蒸煮特性，米糠膳食纖維添加量不超過6%時對鮮濕米粉的感官品質沒有顯著影響。米糠膳食纖維不超過2%時，可使鮮濕米粉具有良好的質構特性、蒸煮特性和口感。Irakli等[39]研究了穩定化米糠添加到小麥面包中對其品質特性、營養成分和抗氧化能力的影響，隨著添加量的增加，蛋白質、脂肪、總膳食纖維含量以及面包的顏色和硬度均呈現上升趨勢。添加了米糠膳食纖維的面包比未添加的含有更高水平的維生素E、酚含量和抗氧化活性，感官評價表明膳食纖維添加量低于10% 時不影響面包的色澤和質地。膳食纖維由于其水和脂肪結合的特性，還可用于肉制品中以提高蒸煮量，并改善質地[40]。Choi等[41]向法蘭克福香腸中添加米糠膳食纖維，結果表明添加米糠膳食纖維改善了香腸的風味，同時也使得香腸具有良好的質地特性，當米糠纖維添加量為2%時降低了香腸的水分、灰分、碳水化合物、能量值和蒸煮損失。此外，膳食纖維飲料在歐美已風靡多年，我國在膳食纖維飲料的研制方面也加快了腳步。隨著人們消費觀念從量需到質需的轉變，消費者對健康的投資比重越來越大，研制出適合中國人飲食習慣的米糠食品無論對發展農副產品的深加工，還是豐富食品市場，提高國民健康素質，增加商家收益都將帶來可觀的效益。縱觀全球的局勢，膳食纖維類產品廣受重視，米糠作為膳食纖維的良好來源，具有擁有廣闊的研究及應用前景。