稻米膳食纤维的提取、改性及应用研究进展

张宏邦 罗 洁 易翠平 郭宇波 姚明武

(长沙理工大学化学与食品工程学院1，长沙 410114)(湖南天下洞庭粮油实业有限公司2，沅江 413100)(湖南四通食品科技有限公司3，靖州 418000)

稻谷加工的主要副产物米糠，是糙米经碾米等工序后得到的果皮、种皮、糊粉层和珠心层的混合物，约占稻谷总重的10%[1]。2017年，我国的稻谷产量达2.07亿t，米糠资源非常丰富，但其开发利用与美国、日本等国家相比存在较大的差距，附加值极低，因此有必要对其进行深入研究，探求米糠综合利用的高经济效益，缩短与发达国家间的差距。膳食纤维是公认的“第七大营养素”[2]，大量研究报道显示，膳食纤维具有促进胃肠道健康、防治肥胖症、降低心血管疾病发病率、降低糖尿病发病率等[3,4]益生功能。米糠中含有丰富的膳食纤维，是提取天然膳食纤维的良好原料。因此，本文综述了米糠膳食纤维的提取方法、改性及应用研究的进展，以期为提高稻米的综合利用水平提供参考。

1 膳食纤维的定义

膳食纤维(dietary fiber，DF)被称为第七大营养素，目前各界对于膳食纤维的定义并不完全一致：中国营养学会认为膳食纤维包括纤维素、半纤维素、木质素等主要来源于植物细胞壁的不易被消化酶消化的多糖类物质；而欧盟认为“纤维”是指含有至少3个单体链节的碳水化合物聚合物，这类物质在人体小肠等消化器官中不会被消化也不被吸收；纤维包含的范围与国际食品法典委员会一致[5]。膳食纤维的分类根据其分类依据亦有差别，较为普遍的分类方法是按照其溶解性分为两大类[6]：一类是水不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)， 主要包括纤维素、半纤维素和木质素；另一类是水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)，主要含有抗性寡糖、改性纤维素、合成多糖以及植物胶体等[7]。

2 米糠膳食纤维的提取

米糠膳食纤维的提取方法主要分为化学方法、物理方法和酶解法三大类。由于膳食纤维中的保健功能主要取决于其生物活性，因此提取方法主要以膳食纤维的生物活性作为主要评价指标。化学方法由于可能会使用一些反应强烈的试剂，易破坏膳食纤维，造成所得到的膳食纤维生物活性较低，但其提取膳食纤维操作简单，成本较低[8]。物理方法提取效率低，设备成本高，不适于大规模生产，但它能够较完整地保留膳食纤维的生物活性。酶解法具有易控制、条件温和、有效成分提取率高、无污染等优点[9]，因此其应用越来越广泛，但某些酶的价格贵，易造成成本增加。近年来物理、化学法和酶解法的结合成为了研究人员关注的焦点。本文将重点论述以结合酶法为主的新兴提取方法。

2.1 酶法提取米糠膳食纤维

酶解法是目前提取米糠膳食纤维的最常用方法，即使用复合酶进行酶解米糠。用于提取DF常见的酶有：α-淀粉酶、糖化酶、碱性蛋白酶和纤维素酶。α-淀粉酶作用于淀粉时从淀粉分子的内部随机切开α-1，4 糖苷键，生成糊精和还原糖，起到液化作用[10]。糖化酶有催化淀粉水解的作用，能从淀粉分子非还原性末端开始，分解α-1，4 葡萄糖苷键生成葡萄糖[11]。碱性蛋白酶在碱性条件下能够水解蛋白质肽键，使复杂的大分子蛋白质结构变成简单的小分子肽链或氨基酸，从而变得易于吸收或洗去[12]。纤维素酶在降解纤维素和半纤维素的同时，还能将不易消化的大分子多糖、蛋白质和脂类降解成小分子物质[13]。研究表明提取米糠膳食纤维时α-淀粉酶的酶解温度在70～75 ℃之间[14]，蛋白酶的温度在50～60 ℃之间[15]，纤维素酶的温度一般控制在55 ℃左右[16]，酶解时间和酶用量会因样品不同存在差异，酶法提取的DF得率相比单纯的物理法、化学法提取有所提高。文伟等[17]以脱脂米糠为原料，先经高温糊化和高温α-淀粉酶液化，再经糖化酶、纤维素酶和蛋白酶 3 种酶同步酶解，制备高营养价值脱脂米糠复合酶解提取物，采用复合酶水解脱脂米糠时可溶性膳食纤维得率为6.68%，这与Wan等[18]采用碱酶两步法提取脱脂米糠中可溶性膳食纤维的得率相近。通过复合酶法提取脱脂米糠中的营养物质，膳食纤维的有效成分提取率高，为开发脱脂米糠制备功能性食品配料提供了一条可靠途径，同时也表明了复合酶解提取物是一种极具开发应用前景的保健食品成分。

2.2 化学试剂结合酶法提取米糠膳食纤维

化学分离法提取膳食纤维工艺简单，但制备的膳食纤维产品往往含有少量的蛋白质和淀粉，而且在环保上存在弊端；酶法提取的膳食纤维纯度高、污染小，但成本相对较高。采用化学试剂结合酶法提取米糠膳食纤维，综合了化学法和酶解法的优点，具有明显优势。化学试剂-酶结合分离法，即先利用酶水解除去原料中的蛋白质和淀粉，然后用化学试剂进行提取，制备高纯度的膳食纤维，此法可提高米糠膳食纤维的产率与质量，降低提取成本，不仅简化了生产工艺，还减少了环境污染，高效环保。

李丽辉等[19]采用化学试剂-酶结合分离法从脱脂米糠中提取膳食纤维，在α-淀粉酶用量0.4%，酶解时间40 min，NaOH浓度4%，碱解时间45 min的条件下，脱脂米糠膳食纤维得率达到39.30%。苗欣等[20]在酶解前采用适当浓度的碱液处理，将致密的糖类、蛋白质等大分子物质的结构进一步疏松，从而有利于后期的酶解反应，并通过响应面法对各个影响因素进行优化分析，得到的最佳提取工艺条件为：NaOH的浓度是0.2 mol/L，NaOH浸泡时间为60 min，碱性蛋白酶添加量250 U/g，高温淀粉酶添加量200 U/g。在此条件下膳食纤维纯度高达75.79%，得率为38.5%。事实证明采用化学试剂-酶结合分离法从脱脂米糠中制备膳食纤维的方法简便易行，不需要特殊的设备，投资少，污染少，且膳食纤维的得率较高。

2.3 物理辅助酶法提取米糠膳食纤维

目前，采用物理法辅助酶法提取米糠膳食纤维是诸多学者研究的热点。物理辅助酶法提取米糠膳食纤维，绿色高效且保留了膳食纤维的生物活性，越来越受到研究人员的青睐。

2.3.1 超声辅助酶法

Huang等[21]按照1∶24的料液比在脱脂米糠中加入纯水并将pH调至5.0，添加6%木瓜蛋白酶于60 ℃下酶解1 h后，按5.3%添加量加入纤维素酶，在功率为415 W条件下超声5 min，酶解结束后抽滤浓缩，加入4倍体积无水乙醇沉淀，过滤后烘干粉碎滤渣，得到水溶性膳食纤维。康丽君等[22]以米糠为原料，先对其进行气爆预处理，再利用超声-微波协同酶法对气爆预处理米糠进行提取，气爆条件设定为压力1.0 MPa、时间90 s，酶添加量5.85%，pH 4.64，微波功率451 W，在此条件下米糠可溶性膳食纤维含量提高了2.157%。Zhu等[23]同样以米糠为原料，采用超声辅助酶法提取米糠水溶性膳食纤维，探究了加酶量、超声时间、超声功率和料液比对得率的影响。

2.3.2 挤压膨化辅助酶法

挤压膨化技术是一种新型食品加工技术，与其他常见的传统处理方法相比，挤压膨化技术具有热动态效率高、生产成本低、营养损失小等优点[24]。采用挤压膨化作为预处理方法，可以使米糠达到稳定化，便于后续生产和加工。王旭等[25]以米糠为原料，采用挤压膨化辅助酶水解技术提取可溶性膳食纤维，探究了挤压膨化工艺和酶解条件对米糠可溶性膳食纤维提取率、结构及物化特性的影响，得到了提取率高、工艺简易且结构性能优异的米糠可溶性膳食纤维。

3 米糠膳食纤维的改性

脱脂米糠是米糠油加工的副产物，是SDF和IDF的良好来源。二者均具有较高的生物功能活性，IDF不适合用作食品配料，因为IDF会产生令人不适的口感，SDF比IDF更适用于食品中。膳食纤维生理功能的显著性与SDF和IDF的比例有很大关系，合理的含量之比为1∶3左右。平衡的膳食纤维组成要求SDF含量占总膳食纤维的10%以上，但米糠膳食纤维源中的SDF所占的比例往往不超过10%，无法达到膳食平衡的要求，这就需要对米糠膳食纤维进行改性，提高SDF的含量以更好地发挥其生理功能[26]。改性目的是使膳食纤维中大分子成分的连接键断裂，转变成小分子组分；同时将部分不溶性成分转变成可溶性成分；使致密的空间网状转变为疏松的网状空间结构。

3.1 化学法改性

化学法改性较普遍，多利用酸碱等化学试剂处理，可部分改变膳食纤维的结构，使其具有优良的性质和功能[27]。酸碱处理都能使水溶性膳食纤维含量得到较大的提高，其中以碱处理效果更好。但由于酸碱处理存在反应时间长，副反应较多，工艺过程复杂，温度较高，对设备的要求也较高等不足，因此在一定程度上限制了该方法的使用。

3.2 物理法改性

物理法改性米糠膳食纤维主要包括超细粉碎、超声、微波、挤压蒸煮，还有学者使用超滤技术纯化可溶性米糠纤维[28]。Wan等[29]发现经超滤纯化的可溶性米糠膳食纤维溶液比未纯化的可溶性米糠膳食纤维可溶组分具有更高的黏度和可溶性固形物含量，超滤法显著降低了可溶性米糠纤维溶液的矿物质含量。李伦等[30]采用超微粉碎对脱脂米糠膳食纤维进行处理，随着超微粉碎程度的加强，粒径不断减小，膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力均有显著提高，纤维素含量基本保持不变，部分半纤维素转化成水溶物。颗粒的微细化使得纤维的比表面积和孔隙率增加，功能性和口感都得到了改善[31]。刘婷婷等[32]采用双螺杆挤出技术对米糠进行处理，当挤出温度170 ℃、含水量35%、物料粒度为0.178 mm时，米糠可溶性膳食纤维得率可达到20.8%，明显提高了SDF的含量，增强了其生理功能，并改善了口感。物理改性技术对环境没有污染，有利于保持食品的质地、色泽和风味，可以显著减小粒径，提高膳食纤维可溶性成分的比例，增强各种功能特性，为膳食纤维在食品领域中的广泛应用奠定良好的基础。

3.3 生物改性

3.3.1 酶法

目前应用的膳食纤维改性的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶等。郭天时等[33]用木聚糖酶对经过超微粉碎处理后的脱脂米糠膳食纤维(DRBDF)水解使其改性，可溶性膳食纤维的含量得以增加。经改性后的米糠膳食纤维，其持水力、持油力分别为改性前的1.18倍和2.04倍，溶胀力降低为原来的79%。

3.3.2 发酵法

闵钟熳等[34]以米糠粕为原料，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)B4为发酵菌种，发酵提取可溶性膳食纤维，结果表明SDF得率显著提高，直接证实了微生物发酵法是一种高效可行的改性膳食纤维的方法，为生产高活性膳食纤维提供了有效的途径。她还以米糠粕为底物，采用黑曲霉对其进行发酵，研究提高米糠粕中SDF提取率的工艺条件以及发酵前后SDF结构和理化性质的变化[35]。微生物发酵法实现了微生物产酶和酶解过程的统一，省去了酶制剂在生产过程中的分离纯化工艺，大大降低了生产成本，该法具有十分广阔的应用前景。

4 应用与前景

米糠膳食纤维可添加在面制品、米制品、焙烤食品、肉制品和饮料中[36]，只要添加量合适，并不影响食品的外观与风味。周艳青等[37]通过添加不同量的米糠膳食纤维，研究米糠膳食纤维对挂面食用品质的影响。结果表明，添加4%以内的米糠膳食纤维可使挂面保持相对较好的食用品质。向忠琪等[38]研究了米糠膳食纤维添加量对鲜湿米粉食用品质的影响，适当添加米糠膳食纤维可以提高鲜湿米粉的质构特性和蒸煮特性，米糠膳食纤维添加量不超过6%时对鲜湿米粉的感官品质没有显著影响。米糠膳食纤维不超过2%时，可使鲜湿米粉具有良好的质构特性、蒸煮特性和口感。Irakli等[39]研究了稳定化米糠添加到小麦面包中对其品质特性、营养成分和抗氧化能力的影响，随着添加量的增加，蛋白质、脂肪、总膳食纤维含量以及面包的颜色和硬度均呈现上升趋势。添加了米糠膳食纤维的面包比未添加的含有更高水平的维生素E、酚含量和抗氧化活性，感官评价表明膳食纤维添加量低于10% 时不影响面包的色泽和质地。膳食纤维由于其水和脂肪结合的特性，还可用于肉制品中以提高蒸煮量，并改善质地[40]。Choi等[41]向法兰克福香肠中添加米糠膳食纤维，结果表明添加米糠膳食纤维改善了香肠的风味，同时也使得香肠具有良好的质地特性，当米糠纤维添加量为2%时降低了香肠的水分、灰分、碳水化合物、能量值和蒸煮损失。此外，膳食纤维饮料在欧美已风靡多年，我国在膳食纤维饮料的研制方面也加快了脚步。随着人们消费观念从量需到质需的转变，消费者对健康的投资比重越来越大，研制出适合中国人饮食习惯的米糠食品无论对发展农副产品的深加工，还是丰富食品市场，提高国民健康素质，增加商家收益都将带来可观的效益。纵观全球的局势，膳食纤维类产品广受重视，米糠作为膳食纤维的良好来源，具有拥有广阔的研究及应用前景。