食品級米糠的研究進展及前景展望

馬宗會，殷寶茹，張 海，徐學兵?

（豐益（上海）生物技術研發中心有限公司，上海 200137）

我國稻谷產量占世界總產量的30%以上，居世界首位。2020 年我國稻谷產量達到2.1 億噸[1]。稻谷加工過程中的主要副產物是米糠，約占稻谷總質量的7%，加工后的米糠總產量巨大。米糠主要由五部分組成：外果皮、中果皮、交聯層、種皮和糊粉層，營養成分主要是蛋白、脂肪、膳食纖維、維生素和礦物質，據研究報道米糠中的營養成分占稻谷中總營養成分的64%[2]。

稻谷生產主要分布在亞洲，產量占據世界總產量的70%以上，各國在稻谷種植品種上有一定差異，在米糠使用上也有不少差異。就國內米糠而言，趙鑫等[3]研究了不同品種米糠之間的營養組分差異性，不同種源米糠中各個成分的含量有較大差異，不同成分之間具有一定的相關性。這是由于稻谷的生長環境如氣候、土壤等條件的不同造成了這種差異。

目前我國不斷加強對米糠的研發利用，但是米糠的利用率還不足20%，與國外的利用狀況相比還有差距。國內米糠主要用作米糠油和菲丁的原料，其余的米糠基本都用作飼料[4]。近年來，隨著米糠穩定化技術的突破，米糠經過穩定化處理后，風味和口感得到很大改善，完全可以用作食品配料。食品級米糠的開發將是未來發展的趨勢，因為不但可以增加米糠的附加值，而且能夠提高米糠的利用率。

1 米糠的營養價值

通常我們說的米糠是指未經提取米糠油的全脂米糠。一般其組成為：水分 7%～14%、灰分8%～12%、纖維33%～53%、油脂14%～24%、蛋白質12%～16%[5]。米糠中含有大量的生物活性因子[6-7]，具有預防心腦血管疾病和抑制腫瘤等生理功能[8-9]。

米糠的營養功能除了所含的油脂及脂溶性組分外，主要體現在米糠膳食纖維和米糠蛋白上。目前對米糠整體營養功能的研究較少，如Wilson等[10]用全脂米糠飼喂老鼠，實驗發現全脂米糠與燕麥麩相似，可降低高膽固醇倉鼠血漿膽固醇水平和早期主動脈粥樣硬化的發生。Fukushima 等[11]用全脂米糠飼喂老鼠，結果發現米糠在老鼠盲腸中發酵產生的丙酸、丁酸等代謝產物及米糠油能有效降低膽固醇水平。

1.1 米糠膳食纖維

米糠膳食纖維（Rice bran dietary fiber, RBDF）根據水溶性可分為兩種，一種是可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF），另一種是不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）[12]。其中不溶性膳食纖維的生理功能主要體現在促進腸道蠕動，預防肥胖癥、便秘和腸道癌等；可溶性膳食纖維的生理功能更加強大，如調節血糖血脂，防治Ⅱ型糖尿病和高血壓等疾病[9]。因此，膳食纖維被稱為第七營養素[13]。關于米糠膳食纖維營養功能及生物活性研究的進展總結如表1。

表1 米糠膳食纖維營養功能及生物活性研究進展Table 1 Research progress on nutritional function and biological activity of RBDF

1.2 米糠蛋白

米糠蛋白是一種高質量的蛋白，具有低過敏性，可用于嬰幼兒配方食品[21]；還具有抗癌活性[22]。米糠蛋白主要由四種蛋白組成：清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白。它的生物學效價為2.0～2.5，消化率可達90%以上，并且米糠蛋白中必需氨基酸組分配比十分合理，符合國際食品法典委員會推薦模式[23]。關于米糠蛋白營養功能及生物活性研究的進展總結如表2。

表2 米糠蛋白營養功能及生物活性研究進展Table 2 Research progress on nutritional function and biological activity of RB protein

1.3 米糠油

米糠脂類成分是米糠的重要組成部分，其油脂商業產品又叫米糠油或稻米油。稻米油的主要脂肪酸組成為[34]：油酸（37%～41%），亞油酸（37%～41%），棕櫚酸（22%～25%）。其甘三酯主要組成見表3，其中含量約一半是三不飽和甘三酯，包括 OOO，LLL，OOL，OLL。其油脂的Sn-2 脂肪酸組成為：約50%為亞油酸，45%為油酸。其油脂脂溶性微量成分的組成為：谷維素、植物甾醇、生育酚、生育三烯酚[35]。關于稻米油及其中的微量成分的營養及生理功能已有相對較多的研究，在其它論文中有專門討論，此處不再贅述。

表3 稻米油的甘三酯組成[35]Table 3 Triglyceride composition of rice bran oil[35]

脫脂米糠是米糠深加工的重要產品形式，是全脂米糠提取油脂后的產物，其主要的產品特征是脂肪含量較低，一般低于3%，膳食纖維總含量50%以上，蛋白含量約20%。它與全脂米糠的主要差異在于油脂含量的降低和脂溶性營養組分的減少。

目前食品級米糠的開發方向，一方面集中在米糠膳食纖維和米糠蛋白營養功能的提升及利用上，另一方面全脂米糠和脫脂米糠的整體利用也逐漸引起人們重視。

2 米糠膳食纖維

2.1 米糠纖維的結構、組成及性能

米糠纖維由纖維素、半纖維素和木質素組成，在米糠中的含量分別為13.1%、17.8%、2.1%。米糠纖維有較好的持水力、膨脹力和持油力[36]。

2.2 米糠膳食纖維提取

米糠膳食纖維的提取是米糠利用的方式之一，分為物理法、化學法和酶法提取。其中物理法提取的優點是能較好地保持膳食纖維的生物活性，缺點是相關設備成本較高，不易工業化生產[37]；化學法提取的優點是工藝簡單、成本較低，缺點是膳食纖維中的水溶性膳食纖維和半纖維素會遭到溶劑的破壞，降低了生物活性；酶法提取的優點是條件相對溫和，提取的膳食纖維純度較高[38]，缺點是酶的成本較高，不易于工業化推廣。

2.3 米糠膳食纖維改性

米糠膳食纖維的改性也是米糠利用的重要途徑，通過改性可提高米糠膳食纖維中可溶性膳食纖維的含量，將一部分不溶性膳食纖維轉變成可溶性膳食纖維，同時可改善膳食纖維的物理特性，如持水力、持油力、膨脹力等。改性也分為物理改性、化學改性以及酶法改性，其中物理改性常與酶法改性聯合進行。

2.3.1 擠壓膨化—酶法處理

擠壓膨化技術是一種利用高溫、高壓短時處理物料，綜合了水分、熱能、壓力和剪切力共同作用，它能夠破壞纖維分子間的糖苷鍵，使不溶性膳食纖維轉化為可溶性膳食纖維[39]，同時它還能使脂肪酶鈍化失活，從而延長米糠的貯藏期，是目前米糠穩定化的首選方法。

王旭等[40]通過先擠壓膨化再酶解的方法來提取米糠中的可溶性膳食纖維，通過實驗分析了不同擠壓工藝和酶解條件對米糠中可溶性膳食纖維提取率的影響，在最佳擠壓膨化和酶解條件下可溶性膳食纖維提取率達到30%以上。Dang 等[41]單獨使用擠壓膨化處理水洗后的脫脂米糠，可溶性膳食纖維增加 30%。另外，通過先擠壓膨化再用木聚糖酶酶解，可溶性膳食纖維含量增加4 倍。

2.3.2 超臨界CO2—酶法處理

超臨界CO2萃取是一種綠色環保的提取技術，可在接近室溫的條件下對物質進行提取分離。王大為等[42]使用超臨界CO2處理新鮮米糠，在壓力25 MPa，溫度45 ℃下提取90 min，再將提取得到的米糠纖維進行酶法處理，最后所得米糠纖維的膨脹力、持水力和結合水力均有明顯提升，并且吸脂力有所下降。

2.3.3 化學改性

化學法改性是通過酸堿處理米糠，破壞米糠膳食纖維的結構，從而改變可溶性膳食纖維與不溶性膳食纖維的比例，進而改善膳食纖維的功能特性[43]。

Qi 等[44]通過酸和堿相結合處理米糠，有效地提高了米糠纖維的孔隙率和比表面積，提升了對葡萄糖的吸附能力2～3 倍，最高抑制淀粉酶的活性達到24.7%。因此，米糠纖維降血糖能力得到了增強。

2.3.4 酶法改性

為了提高米糠中可溶性膳食纖維（SDF）的含量并改善其理化性質，張光等[45]利用纖維素酶與木聚糖酶對米糠膳食纖維進行酶法改性，通過單因素及正交試驗對酶解工藝條件進行優化，可溶性膳食纖維（SDF）含量提高到9.2%，且復合酶水解后所得膳食纖維理化性質也得到了改善，持水力得到了提升。

綜上所述，米糠纖維的改性目的主要是為了提升可溶性膳食纖維的含量和改善米糠纖維的物理特性及生物活性。物理法和酶法相結合的改性方法更有應用前景。

3 米糠蛋白

3.1 米糠蛋白的結構、組成及性能

米糠蛋白中含有四類蛋白：清蛋白，球蛋白，谷蛋白和醇溶蛋白[46]。米糠蛋白含有所有的必須氨基酸，并且氨基酸組成相比大豆分離蛋白更加合理，如蛋氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸。另外，米糠蛋白與大豆分離蛋白的溶解性、乳化性和起泡性十分相似[47]。

3.2 米糠蛋白的提取

米糠蛋白的提取方法也分為化學法、物理法和酶法。由于米糠蛋白與米糠中的植酸、纖維等交聯在一起，造成了分離提取的困難，所以單一方法提取效率并不高，一般采用多種方法組合的提取工藝來提高米糠蛋白提取率[48]。

3.2.1 化學法

化學法提取米糠蛋白主要以堿法為主，在堿性條件下米糠中的氫鍵、二硫鍵、酰胺鍵會發生水解，該方法的缺點是：米糠蛋白易變性，非蛋白物質溶解，美拉德反應產生褐色物質，影響米糠蛋白產品的品質[49]。

3.2.2 物理法

一般來說，物理法提取更易于在工業中應用，并且具有經濟性，對產品品質影響小等優點。常用的蛋白質提取的物理法包括膠體磨、均質、高速混合、高壓和超聲波等[50]，但是單純使用物理法提取米糠蛋白的效率較低。

3.2.3 酶法

酶法提取主要是利用糖化酶破壞米糠中的纖維和細胞壁，從而有利于蛋白的提取[51]，糖化酶主要包括纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶及其組合酶。Shih 等[52]用半纖維素酶在65 ℃、pH 4.0條件下，米糠蛋白提取率為46%。

由于米糠中的蛋白還與淀粉相結合，所以糖化酶與淀粉酶組合可以提高米糠蛋白的提取率，Tang 等[53]研究了淀粉酶與纖維素酶組合提取穩定化脫脂米糠中的蛋白，蛋白提取率最高達到58%。

另外，米糠中的蛋白還與植酸結合，利用植酸酶可以破壞蛋白與植酸的連接，從而提高米糠蛋白提取率，Wang[54]等單獨使用植酸酶提取米糠蛋白，提取率達到57%，而與木聚糖酶組合提取米糠蛋白，提取率高達75%。

蛋白酶一般通過控制水解度實現脫苦和提升風味的作用，它可將米糠蛋白水解為肽，同時增加水溶性，從而提升蛋白提取率。Hamada[55]利用風味酶在50 ℃、pH 8.0 條件下，米糠蛋白提取率達到了88%。

綜上所述，酶法與化學法、物理法相比，米糠蛋白的提取率顯著提升，但是目前酶的成本較高，影響工業化的應用。

3.2.4 物理法—酶法

米糠蛋白包埋在米糠的細胞壁中，破壞米糠的細胞壁有利于米糠蛋白的提取，因此通過物理法先預處理米糠，再結合酶法提取可以提高米糠蛋白的提取率。

Tang 等[56]通過物理法和酶法結合提取米糠蛋白，分別通過先高速混合和高壓處理，再用淀粉酶和蛋白酶的復合酶進行酶解，蛋白提取率可達到65%以上。Hamada[57]先通過高速混合處理米糠，再用Alcalase 酶解，蛋白提取率達到81%，蛋白溶解性也明顯提高。

3.2.5 亞臨界水

亞臨界水提取（Subcritical Water Extraction，SWE）是一種新型的綠色提取技術，被廣泛應用于生物活性物質的提取，具有提取效率高、提取過程清潔且可以有效保護提取物不被破壞等優點[58]。常溫常壓下，水是一種強極性溶劑，而亞臨界水能夠在100～374 ℃，臨界壓力（22.1 MPa）下保持液體[59]，隨著溫度升高，水的極性減小，介電常數降低，能夠萃取非極性物質。亞臨界水還含有較高濃度的氫離子和氫氧根離子，它們能催化許多化學反應，如肽的水解和糖苷鍵的水解[60]。

張慧娟等[61]利用亞臨界水提取脫脂米糠中的蛋白質，優化了提取時間和溫度，考察了不同提取條件對提取物中蛋白質含量、總糖含量、氨基酸組成及分子質量分布的影響。結果發現：在提取溫度175 ℃、提取時間30 min 時，提取物中蛋白質及氨基酸的含量最高，分別為50%和4.9%。Watchararuji 等[62]利用亞臨界水在220 ℃條件下提取米糠蛋白，提取率可以達到84%，但溫度過高可能會對米糠蛋白的功能特性造成影響。

3.3 米糠蛋白的改性

米糠蛋白的天然組成決定了它在水中的溶解度較低，影響了發泡性和乳化性，以及生物活性[63]，可以通過蛋白的水解來改變其結構，從而改變蛋白的性質。過去幾十年，通過酶法水解提高蛋白的功能性和生物活性不斷引起人們的重視，功能性的提升主要集中在溶解性和界面性質[64]。在酶解過程中，還能產生具有健康促進功效的活性肽，如抗癌、抗高血壓、免疫調節等活性[65]。

Singh 等[66]通過木瓜蛋白酶水解脫脂米糠蛋白，結果顯示隨著水解度的增加，米糠水解物的結構彈性增加，其溶解度和消化率都得到了提高，雖然熱穩定性和界面性能降低。但是，水解后對抗氧化性能有巨大的積極影響，水解物具有顯著的自由基清除能力和還原能力。

Zang 等[67]通過胰蛋白酶水解脫脂米糠蛋白，發現不同水解度的產物性質不同，水解度3%的樣品制備的乳液穩定性最好，利用圓二色光譜分析了酶解前后蛋白的二級結構，結果顯示米糠蛋白二級結構中β 級折疊物的含量減少了，無規卷曲、α 卷螺旋和β-轉角物的含量增加了。這些變化說明米糠蛋白的二級結構水解后變得更靈活，有利于提高其乳化性能[68]。

4 米糠及其下游相關產品在食品中的應用研究

近年來隨著米糠穩定化技術的成熟，以及人們對米糠營養價值的認可，對米糠在食品中的應用研究也越來越多，主要應用進展總結如表4。

表4 米糠在食品中的應用進展Table 4 Application progress of rice bran in food

4.1 全脂米糠的應用

謝晶等[69]以全脂米糠為原料，采用先淀粉酶酶解，再噴霧干燥的方法制備速溶米糠粉，利用響應面法優化酶解液噴霧干燥的條件，并對米糠粉的速溶性指標進行測定。在最優條件下，酶解得到的米糠液中可溶性碳水化合物達25.1%。通過噴霧干燥所制備的米糠粉沖調性較好，色澤風味具佳。

趙旭等[70]以米糠粉和小麥粉為原料，制作富含膳食纖維的廣式月餅。采用單因素及正交實驗，優化出米糠廣式月餅的最佳工藝配方。餅皮中米糠粉添加量15%，餡料中米糠粉添加量40%，該條件生產的產品口感細膩，風味純正，品質優良。

Phimolsiripol 等[71]以米糠為原料制作無麩質面包，添加10%的米糠可顯著改善面包的品質，面包皮色澤較深，體積更大，硬度較軟，營養組分也有所增加，并且感觀評價結果優于對照，面包的貨架期也延長了，這些都證明米糠組分有潛力用來開發高品質的無麩質面包。

4.2 脫脂米糠的應用

王玉琦等[73]在超臨界CO2狀態下通過二次酶解低溫脫脂米糠制備米糠粉，以酶解米糠粉得率為指標，先用植酸酶酶解低溫脫脂米糠，一次酶解產物的得率為48.2%。經滅酶后再加入質量比為1∶1 的堿性蛋白酶和α-淀粉酶，繼續酶解一次酶解后的脫脂米糠，通過條件優化，二次酶解米糠粉的總收率為79.0%。二次酶解米糠粉的收率比常規酶法生產米糠粉收率提高了一成以上，所制備的米糠粉速溶性好，主要營養成分可溶性總糖和蛋白質的總含量大于75%。

李次力等[74]以熟化后的超微脫脂米糠粉為主要原料，研制出一種營養豐富的米糠粉沖劑。該沖劑采用單因素和正交兩種實驗方法確定了實驗最優配方，其中脫脂米糠粉約占20%，最終產品的感官風味良好。

4.3 米糠在食品中的應用趨勢

米糠及相關產品在食品中的應用將會越來越廣泛，產品可宣稱無麩質及清潔標簽。米糠纖維可在面條、米粉、餅干、面包、蛋糕中應用，添加量控制在10%左右，增加了產品中膳食纖維的含量，并對口感無顯著影響。米糠蛋白可在營養粉、飲料及嬰幼兒食品中應用，提供低過敏原的健康食品。

5 食品級米糠商業化產品

國內食品級米糠的開發大多處于實驗室或中試階段，商業化產品較少，而國外相關公司已經開發出米糠系列產品，總結如表5。

表5 國外米糠系列產品Table 5 Rice bran series products abroad

如表 5 所示，美國米糠技術公司開發的ProryzaTMP-35 中的米糠蛋白含量為 35%，ProryzaTMPF-50 中的米糠蛋白加膳食纖維的總含量達到 50%以上。日本筑野食品工業株式會社（TSUNO）利用脫脂米糠開發出的Rice PF-60 中米糠蛋白加膳食纖維的總含量達到60%以上，其中蛋白含量約25%。美國Ribus 公司直接將米糠作為營養配料開發了Natural Nu-RICE，其產品營養成分見表6。

表6 Natural Nu-RICE 營養成分[78]Table 6 Nutritional composition of Natural Nu-RICE[78]

6 前景展望

在我國，米糠作為食品原料的前提是，砷含量需滿足國標要求（＜0.5 mg/kg），而國外食品法規中對米糠的砷含量沒有限量要求。近幾年，益海嘉里研發中心也加大了食品級米糠的產業化研究，目前已經掌握了米糠脫砷技術，米糠纖維和蛋白提取技術，完成了中試實驗，并開展了米糠在食品中的系列應用實驗，為食品級米糠的商業化奠定了基礎。

從米糠的組成及加工現狀來看，米糠的利用具有很大的潛能，美國米糠技術公司和日本筑野食品工業株式會社（TSUNO）都有很好的探索，從現有技術及可行性上對米糠的綜合利用可總結為圖1。其中米糠毛油的利用在國內已經很成熟，稻米油已經實現了商業化。全脂米糠和脫脂米糠粉，以及米糠纖維和蛋白營養功能提升的產品將是未來發展的趨勢。

圖1 米糠的綜合利用Fig.1 Comprehensive utilization of rice bran

“天然、健康、營養”的功能性食品配料已經是食品工業研究的熱點和未來的應用發展趨勢，隨著米糠膳食纖維和米糠蛋白的營養功能得到不斷開發，食品級米糠作為低過敏性的功能性食品配料，將具有巨大的市場潛力。

從另一個角度分析，中國消費群體在日常飲食中攝入精米精面的比例非常高，所謂的“壞碳水”占據主要的碳水化合物攝入，這被很多學者認為是不健康消費，它是造成健康問題甚至大比例疾病人群的重要原因，傳統食品原料的米糠實際上是膳食纖維的重要來源，利用好米糠資源對健康中國2030 具有重要的意義。