米糠生物活性物質及其應用研究的進展

姜 平 吳娜娜 翟小童 王 博 喬聰聰 譚 斌

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1，北京 100037) (中糧營養健康研究院有限公司2，北京 102209)

水稻(Oryza sativa L.)是一種重要的谷物作物，是全球一半以上人口的主食[1]，稻谷加工過程中會產生約20%的稻殼、8%的米糠和2%的胚芽[2]，根據目前大米產量，全世界可供人類利用的米糠大約有6 600萬～7 400萬t[3]，統計資料顯示，2019年我國稻谷產量約為20 961萬t，據此推算我國年產米糠約1 600萬t。米糠主要營養成分包括碳水化合物(34%～62%)、脂類(15%～20%)、蛋白質(11%～15%)、纖維素(7%～11%)、其他礦物質如磷、鉀、鎂、鈣、錳等微量元素[4]。但由于米糠在生產和儲存過程中容易出現酸敗并伴隨不良風味，常被當作廢棄物丟棄或作為動物飼料原料[5,6]，造成較大浪費，因此常用干熱、微波、高壓滅菌或乙醇汽化等各種處理方法來進行米糠穩定化并提高米糠中天然親脂性生物活性物質的利用率[7]。

圖1 米糠在全球公眾健康中應用潛力的思路框架

米糠中還含有豐富的生物活性物質，如酚酸、黃酮類化合物、維生素E、γ-谷維素和色素化合物等，非常有益于人類的健康[8]，研究表明米糠中的這些物質具有抗氧化、抗血脂異常、抗炎、抗病毒等生理功能，能夠預防心血管疾病、糖尿病、慢性炎癥及癌癥等[9,10,11]。圖1展示了營養不良和疾病之間的惡性循環。營養吸收不良會引起胃腸道受損發炎，進而免疫防御能力受損促成傳染性和慢性疾病發生；疾病發生又引起了胃腸道完整性遭到破壞，降低機體營養吸收效能，引起營養吸收不良，如缺少食物安全保障，將進一步造成營養不良，形成營養不良與疾病之間的惡性雙促進循環。而通過攝入米糠中的生物活性物質就可以改善營養狀況和降低疾病易感性，減少肥胖、促進生長和認知能力，建立一個健康的腸道微生物群[12]。本文通過整理總結米糠主要生物活性物質成分類別、主要提取方法、生理功能特性，以及食品、化妝品及醫藥等領域中的應用，以期對米糠的高附加值利用提供研究參考。

1 米糠主要生物活性物質及其提取方法

米糠生物活性物質是指除碳水化合物、蛋白類和脂肪類等宏量營養素以外的次生代謝產物，通常以3種存在形式：1)游離型；2)可溶性共扼型；3)不溶性結合型，其中以游離型和可溶性共扼型化合物易被有機溶劑提取，而結合在細胞壁、成分含量最多的不溶性化合物卻往往被忽略[13]。米糠中含有數百種不同的植物活性物質，如含有高價值的γ-谷維素、維生素E(包括α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚)、酚酸(包括沒食子酸、原兒茶酸、香草酸、對羥基苯甲酸、綠原酸、丁香酸、咖啡因酸、對香豆酸、芥子酸、阿魏酸)、黃酮類化合物(包括山萘酚)、植物甾醇等，Khalid等[14]將其歸納分為三大類：花青素和黃酮類、酚酸和肉桂酸類及甾體化合物類，詳見表1。

表1 米糠中主要生物活性物質及提取方法[15]

提取米糠生物活性物質的方法主要有傳統的溶劑萃取、索氏提取和一些新技術(如歐姆加熱輔助提取、超臨界二氧化碳提取、超聲輔助提取和微波輔助提取)，其中溶劑類型和極性的選擇非常重要，將影響生物活性化合物的溶解度，這也是目前很多研究的熱點。表1列舉了米糠中主要生物活性物質及目前研究中較多采用的提取方法，其中超聲輔助提取技術和超臨界二氧化碳提取技術由于可以加快提取效率、節約能源以及環保等優勢，在提取熱不穩定活性物質和要求低溫加工的食品方面具有廣闊的應用前景。

為了尋求更加綠色環保、高效低耗、高得率、高活性的方法，目前眾多研究關注到微生物發酵在生產具有生理活性的次級代謝產物方面的應用[16]，這也是目前國內外食品、化妝品等領域的研究熱點。Schmidt等[17]利用米根霉(Rhizopus oryzae)對米糠進行固態發酵，探究其酚酸的抗氧化活性和酶抑制作用的變化，Razak等[18]研究了米曲霉和米根霉的單一和混合培養發酵米糠生產生物活性化合物及其藥妝潛力，劉志剛[19]用粗壯脈紋孢菌(Neurosporacrassa)固態發酵礱糠和脫脂米糠生產類胡蘿卜素，Rashid[20]等研究發現利用乳酸菌發酵可以提高米糠中生物活性化合物的含量，改善對人體有益的功能特性，Jung[21]利用香菇真菌菌絲對21種米糠進行液態發酵，評估和比較了發酵后米糠中的生物活性化合物含量(γ-谷維素、β-葡聚糖和總酚)和抗氧化活性，Massarolo等[22]證實用米根霉對米糠進行固態培養提高了γ-谷維素的回收率，改善了米糠的功能特性，馮海燕[23]利用枯草芽孢桿菌發酵米糠，發酵后米糠的生物活性成分明顯提高(包括總酚、黃酮、阿魏酸、VE、γ-谷維素、VB1、煙酸、VB6)，而且其輔助降血脂的功能更顯著。雖然目前生物發酵技術在生物活性物質開發利用領域的研究甚多，但還應對發酵菌株的安全性、有害代謝產物、雜菌污染等安全問題予以重視[24]，還需進一步加強各類生物活性物質的體內外毒理學研究，才能有效明確食品工業中各類副產物固態生物轉化工藝的實施手段，為從植物性加工副產物中獲取的生物活性物質在食品保健、醫藥制品、化妝品等諸多領域更深層次的開發利用提供參考[25]。

因此，可通過微生物發酵法與新型提取技術聯用的方式來提高米糠生物活性物質的活性及得率，以期拓展其在食品、化妝品及醫藥等領域的應用。

2 米糠主要生物活性物質的生理功能及其作用機制

許多研究表明米糠富含具有保護特性的生物活性化合物，表2列舉了米糠中主要生物活性物質的生理功能，它們通過減少自由基介導的氧化應激，改善血管炎癥、內皮功能、血壓、血脂和血糖，積極調節與高血壓、高血脂、高血糖和2型糖尿病等疾病有關的病理生理學通路等，從而具有抗氧化、抗炎、清除自由基、降膽固醇、降血壓、降血脂、抗糖尿病、預防阿爾茨海默癥和抗癌活性等多種生理功能。但在研究體內轉化結果時，需要考慮生物利用度、微生物區系概況、酶參與和植物化學代謝等因素[8,26]。

表2 米糠中主要生物活性物質的生理功能[27,28]

2.1 抗氧化機制

米糠中具有抗氧化活性的生物活性物質的抗氧化機制主要有[29-31]：①結構中含有易形成自由基的基團，阻止了脂質氧化的自由基鏈式反應；②抑制活性氧自由基產生，從而減少氧化應激的發生；③螯合金屬離子，抑制其促氧化作用及酶系統；④猝滅單線態氧；⑤作為還原劑。

2.2 抗癌機制

米糠中具有抗癌作用的生物活性物質的抗癌機制主要有[32-36]：①通過氧化應激反應來調節ROS水平，抑制相關酶和炎癥因子的表達；②改變與炎癥表達相關的信號通路，降低轉錄因子的活性；③抑制上皮間質轉化(EMT)，減弱腫瘤干細胞的特性。④表觀遺傳的調控(DNA甲基化的抑制和RNA的調控)。

2.3 降血脂機制

米糠中具有降血脂作用的生物活性物質的降血脂機制主要有[37-40]：①通過降低 HMG-CoA還原酶(膽固醇生物合成的反應中限速酶)的活性來減少膽固醇合成，調控 NADPH 生成酶(脂肪酸和膽固醇的生物合成中所必須的物質)的活性來抑制肝臟生成甘油三酯和膽固醇的水平來減少膽固醇合成；②通過生物活性物質在腸道的不同位置發揮不同的作用以抑制膽固醇的吸收。如通過競爭結合位點來阻止膽固醇進入胃和十二指腸，如膽固醇進入了十二指腸，則通過抑制胰腺膽固醇酯酶的活性來抑制膽固醇的吸收；③膽固醇的異化及加速排泄。

2.4 降血糖機制

米糠中具有降血糖作用的生物活性物質的降血糖機制主要有[41]：①選擇性地作用于胰島β細胞，使胰島素分泌增多，抑制了肝糖的生成和輸出；②改善胰島素信號通路和胰島素敏感；③改善糖代謝和脂質積累；④抑制升血糖激素的活性；⑤促進抗氧化酶類的合成，增強抗氧化性，減輕對胰島β細胞的損傷。

2.5 抗炎機制

米糠中具有消炎作用的生物活性物質的抗炎機制主要有[42]：①抑制炎性酶的表達，如誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和環氧合酶2(COX-2)；②阻止IκB的磷酸化，抑制NF-κB途徑。

3 米糠主要生物活性物質在食品、化妝品及醫藥領域的應用

目前我國對米糠資源的主要利用途徑是直接將其作為飼料，只有10%～15%的米糠進行了深層次開發利用，而日本米糠卻能達到100 %的綜合利用率, 甚至在欠發達的印度，米糠的綜合利用率也達到了30 %[43]。圖2展示了日本某公司在稻米加工副產物的縱深開發利用情況，可以看出日本在稻米加工、米糠油加工、副產物的綜合利用以及食品加工等領域的產業循環鏈條已形成規模化，精深加工水平高，產品結構形式多樣，大大提高了附加值。

近些年國內外許多研究者對于米糠中生物活性物質在食品、化妝品及醫藥領域的應用潛力進行了廣泛的研究，表3列舉了目前研究米糠活性成分熱點關注的領域，在食品領域主要用于抗酸敗、著色、營養強化、防腐及穩定劑，在化妝品領域主要用于抗氧化、祛斑美白、抗老化、保濕、防曬及抗皺等，目前在醫藥領域主要研究其在抗癌、消炎、調節心腦血管疾病及2型糖尿病方面的應用，由此可見我國米糠開發利用還有更廣的范圍、更深的層次以及巨大的增值潛力。

圖2 日本某公司的米糠利用路徑

表3 米糠生物活性成分在食品、化妝品及醫藥領域的應用案例[44,45]

3.1 米糠生物活性物質在食品領域的應用

目前從米糠中提取的生物活性物質主要以功能性成分、著色劑和防腐劑等形式應用于食品中，用于提高食品的營養價值、色澤、質地和延長產品的貨架期等。米糠是色素化合物最具潛力的植物來源之一，其所富含的花青素、類胡蘿卜素、酚酸和γ-谷維素這些化合物不僅能為產品提供天然的顏色，而且對人體健康十分有益，米糠中的酚酸、類黃酮、維生素E、必需氨基酸和γ-谷維素以食品營養強化劑的形式應用于保健品和功能性食品配料中，可以滿足人們日益增長的對優質健康制品的需求，米糠中含有的天然抗氧化劑(維生素E、酚類，類黃酮和花青素)能有效抑制生物有害氧化反應，如能替代合成抗氧化劑(BHA、BHT、PG和TBHQ)的使用，則可避免或減少合成食品添加劑的使用。

3.2 米糠生物活性物質在化妝品領域的應用

目前日本、加拿大、美國這些發達國家對米糠在化妝品領域的應用研究比較深入，而且已經進行了科學系列的開發，尤其是在日本，其商場貨架上已有大量的米糠化妝品或入浴劑在銷售，如oryza米糠系列產品、膏霜、乳液、防曬品、米糠肥皂、防裂唇膏、洗面奶、牙粉、粉底等[46]，而我國對米糠中生物活性成分在化妝品領域的應用研究甚少。在化妝品領域可使用的米糠生物活性成分主要有B族維生素、維生素E、γ-谷維素、植物甾醇、煙酰胺、二十八烷醇、角鯊烯和植酸等，因此可以加大米糠在化妝品這一高附加值行業中應用的研究力度，將顯著提升米糠的附加值。

3.3 米糠中生物活性物質在醫藥領域的應用

在人類面臨的各種疾病中，心血管疾病、癌癥、關節炎、糖尿病和高膽固醇血癥是導致發展中國家和發達國家人口死亡的主要疾病類型，有研究證明從米糠中提取的生物活性物質具有抗癌活性、抗炎性、調節心血管疾病和2型糖尿病、藥物緩釋等功能，因此可以考慮將其研究開發應用在相關醫藥領域，其中米糠富含的植酸、花青素、植物甾醇有抑制卵巢癌、乳腺癌、肝癌、結腸癌細胞生長的效果，在癌癥的防治中具有巨大的潛在應用價值[47,48]。日本有一款保健藥(IP6精華)是以米糠中的肌醇 、肌醇六磷酸(IP6)和γ-谷維素作為主要成分，具有抗氧化、預防和治療心臟病、皮膚炎、神經失調和肝臟功能障礙等功能，已得到了日本厚生省和美國食品與藥物管理局(FDA)的確認[49]。目前植物天然產物已被用作預防和治療人類和動物疾病的預防劑的主要來源，富含天然植物化學物質的營養品在改善人類健康方面有著廣闊的應用前景[50,51]。因此，我國也應加大米糠在醫藥領域的應用研究力度，拓寬米糠高附加值利用的途徑，減少人工合成生物藥品的應用，造福人類健康。

4 展望

我國擁有豐富的米糠資源，而且米糠具有很高的營養價值以及潛在的保健價值，但目前我國對其深加工開發利用卻非常有限，因此應著眼國際和國內市場合理布局，科學系統的研究其在化妝品、保健品、醫藥及食品等行業中的應用，提升米糠的附加值，促進我國相關產業的發展。尋找簡單、低成本、適用、有效和環境友好的提取新技術也是應關注的研究重點，因為這可以為擴大稻米加工副產品的利用提供必要條件。微生物發酵作為一種傳統而又新穎的加工方式，其可靠性不斷提高，由于其成本低廉、操作簡單、代謝產物得率高、綠色環保，還可以提高對人體健康有益的生物活性成分含量，改善生物學功能，目前已成為了國內外副產物增值利用的研究熱點。因此有必要從微生物代謝調控角度出發構建米糠生物活性物高產體系，為進一步降低生產成本且安全高效的產品提供思路，也為糧食加工副產物的精深加工利用提供技術支撐。