稻米适度加工技术及其应用

王丽群，郭振海，孙庆申，周 野，陈凯新，卢淑雯*

（1.黑龙江省农业科学院食品加工研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江省食品加工重点实验室，哈尔滨 150086；3.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080）

我国稻米生产量和消费量均居世界前列，约三分之二人口以大米为主食，但稻米过度加工造成营养流失及资源浪费。从稻米结构看，稻谷籽粒由稻壳和糙米组成，糙米结构由外向内分别为：种皮、果皮、珠心层、胚和胚乳。目前市售大米多为脱除外层仅保留的胚乳部分，胚乳由糊粉层、亚糊粉层和内胚乳组成，其中果皮和种皮占糙米自重1%～2%；糊粉层和胚芽质量为糙米6%～8%；胚乳占比约为90%[1]。稻谷富含多种人体必需营养素，如碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质等[2]，营养物质在稻米不同部位分布具有差异性，蛋白质主要分布于糊粉层；脂肪、灰分和纤维素主要分布于胚芽和皮层；胚乳主要富含淀粉及少量蛋白质；维生素B1则在糊粉层和外胚乳分布较多；维生素B2分布较均匀[3]，糙米结构与营养成分分布如表1所示。精加工或过度加工过程中，稻米外层的营养物质被碾除，随加工副产物流失，造成以精白米为主食地区人群出现隐形饥饿等问题。

表1 糙米结构和营养分布Table 1 Structure and nutritional composition of brown rice

综上所述，本文在对稻米适度加工技术进行综述基础上，总结其在生产中的应用现状，系统分析适度加工技术在营养稻米加工中应用必要性，为适度加工技术运用于营养稻米产品生产奠定基础，逐步改变我国稻米市场中主食产品营养素含量失衡的产业现状。

1 稻米适度加工技术研究进展

1.1 适度加工技术概述

由于稻米食味品质在日常消费中占有重要地位，我国稻米产品在市场需求引导下加工精度越来越高。稻谷加工成精米虽改善口感，满足消费者对于适口性的需求，但过度追求精度致使稻谷外层结构完全脱离，营养损失严重，出米率与稻米加工技术较发达国家相比低3%～5%[1]。鉴于以上稻米过度加工在营养、经济及环境方面存在的问题，低加工度、营养留存度高的稻米产品越来越受稻米加工企业和消费人群青睐。从目前研究看，适度加工技术是降低营养损失，提高稻米加工出米率、减少资源浪费的有效手段之一，在适当范围内控制稻米加工精度，需特定机械配合完善的加工工艺，在稻谷脱壳基础上，将糙米外层不易被人体消化吸收、影响口感的糊粉层脱除一部分，如此，既可解决糙米口感差的问题，又可最大程度保留稻米中营养物质。稻米适度加工技术初期主要是对稻米作低碾磨度加工，保留更多皮层，达到减少米胚脱落的目的，但产品感官品质通常不易被消费者接受。

1.2 适度加工技术研究现状

随着国内外学者对大米适度加工的关注，为使适度加工稻米产品营养、口感和安全性更满足人们需求，对糙米采用物理或者化学方式处理从而达到降低加工精度、改善糙米口感的研究报道日益增多[4]。目前适度加工工艺主要有：碾磨法、酶处理和发芽处理等[5]。

1.2.1 碾磨法

碾磨技术是应用最早也是最普遍的一种加工方式，糙米经轻碾去掉种皮层及部分糊粉层，保留更多米胚和糙米营养成分。国内外与适度碾磨工艺相关研究表明，碾米压力、碾米机转速、碾白次数等因素均对产品留胚率、质构特性感官品质产生不同影响。陈小聪等以南方籼稻为试验对象，测定不同碾米机出口压力下生产留胚米的留胚率和质构特性，结果发现，留胚率与出口压力呈显著负相关，随出口压力增加，留胚米质构特性（挤压力和剪切力）呈先降后升趋势[6]。安红周等对两种不同粳糙米在1 060 r·min-1条件下进行不同时间碾米试验，并测定分析获得样品的加工特性和表观变化，结果表明，碾磨60 s样品达到适碾标准GB/T 1354-2018要求，60～90 s内，样品白度和加工精度随碾磨时间增加逐渐升高，＞90 s后白度增加趋势逐渐平缓，碎米率显著升高[7]。王少元等以北方粳稻为试验材料，研究稻米粒型、碾米时间、碾米辊转速和目数对轻碾留胚米产品留胚率和白度的影响，结果发现，碾米辊目数对留胚米留胚率和白度的影响显著，留胚米白度与籽粒长宽比呈正相关，利用响应面法确定原料籽粒长宽比为1.79时最优碾磨参数：碾米辊46#目数、转速830 r·min-1、碾磨6 min，获得的留胚米留胚率为89%、白度为39.8[8]。碾磨法通过机械作用破除糙米外层影响不利于口感的部分，虽造成糙米结构部分损失，但在营养保留程度与适口性方面却发挥重要作用，是目前行之有效的适度加工技术之一。

1.2.2 酶处理法

由于酶具有微量高效性和特异性强的特点，近年来国内外学者应用纤维素酶、果胶酶和葡聚糖酶等外源酶改善糙米适口性差等问题的研究越来越多。应用酶处理，可将糙米皮层中不易被人体消化吸收和影响口感的粗纤维分解，处理后的糙米在后续碾磨工艺中更利于提高产品蒸煮品质，且在碾磨压力降低情况下更利于米胚的保留。Das等通过对糙米酶处理而达到改善糙米口感的目的，即利用纤维素酶和木聚糖酶水解作用水解糙米麸皮中非淀粉多糖[9]。张强研究纤维素酶对糙米皮层影响的试验发现，纤维素酶破坏糙米皮层微结构，皮层硬度下降，后续碾磨试验可在低压力条件下碾磨，提高产品留胚率并提升口感[10]。以上研究表明，运用外源酶处理糙米可分解皮层中纤维素等物质，使糙米皮层结构更松散，有利于开展碾磨工序，降低米胚脱落率，提高产品营养和口感。

1.2.3 发芽处理

稻米发芽技术最早起源于日本，是对稻谷脱壳后糙米在特定温度、湿度条件下的发芽处理。近年来，国内外学者投入大量精力开发发芽糙米产品，研究发现发芽处理可显著提高糙米营养价值和食用品质[11]。在糙米发芽工艺研究中发现，糙米浸泡时间和温度、发芽时间和温度等工艺条件的改变对发芽糙米品质造成不同程度的影响。Komatsuzaki等通过对糙米作蒸汽处理和乙醇浸泡后发芽，产品中γ-氨基丁酸（GABA）含量是未处理发芽糙米的3倍[12]。韩永斌等通过对糙米作不同条件发芽试验并优化发芽工艺，明确影响GABA富集的因素，最终获得发芽糙米产品中GABA含量是精米的21倍，比日本同类产品GABA含量高1倍以上[13]。对糙米作发芽处理不仅避免因碾磨造成的资源浪费，且能进一步提升稻米产品的营养价值，但受饮食习惯影响，发芽糙米在我国市场占有率有待提高。

1.2.4 其他加工新技术

随着全谷物食品概念流行，以完整糙米为原料的加工产品种类越来越多，在保证食品安全前提下，更多现代化食品加工技术得以应用，不仅为全谷物食品拓宽研发新维度，也为稻米适度加工技术增添新思路、新方法。Guraya等对糙米表面作米粉粒子轰击处理，糙米外层产生微穿孔，有利于水分渗入而缩短煮饭时间，改善米饭口感[14]。Chen等采用低压等离子体加工技术处理糙米外层结构，可有选择性的使糙米改性，处理后糙米在浸泡蒸煮过程中水分更易透过外层进入大米内部，提升米饭咀嚼性和口感[15]。孟宁等使用低温等离子体处理糙米，糙米表面碳碳键被破坏产生蚀刻效果，糙米形成裂缝和凹面，在后期蒸煮过程中更利于吸水并提升产品食用品质[16]。这些加工新技术的研究与探索为开发营养丰富、口感良好的稻米适度加工制品奠定理论和技术基础。

1.3 适度加工装备研究现状

我国稻米加工装备市场，稻米适度加工装备仍以碾磨类稻米加工设备为主。与普通大米加工装备的擦离工作原理不同，稻米适度加工装备多为碾削式[17]，碾削式碾米机是碾辊在高转速条件下碾削米粒去除皮层，其碾米室压力比擦离式碾米机小，更有利于米胚保留。日本是最早研究稻米加工设备的国家，生产设备研究处于领先位置，我国用于生产的设备为日本、韩国进口，自主研发留胚米生产设备应用研究仍鲜有报道。自20世纪末江苏理工大学自主研发产量0.6 t·h-1留胚碾米机后，国内许多粮机生产厂家及科研院所也在积极研制、开发留胚米碾米机。王杭等研发低温留胚碾米机一道碾磨即可获得粳稻留胚米，籼稻需两道碾磨，即在保证留胚率不低于82%同时符合GB 1354-2009三级大米标准，节约50%～80%电量消耗[18]。任洪忱等研制JY-800A智能留胚碾米机，基于轻碾保护胚芽基础上开展多道碾白提升留胚米品质，碾米机产量0.9 t·h-1，产品留胚率实测值为88%[19]。对于发芽糙米加工设备来说，我国在设备研发和制造方面均有进展，产品生产自动化、产品质量保障问题逐步解决。龚丽等根据加工工艺研发配套加工设备，在循环温水浸泡池内浸泡设定时间后，移至自动调控温度和湿度的发芽库内发芽，随后钝化和干燥，最后杀菌、包装，日产1.2 t发芽糙米且发芽率高于90%[20]。童一宁等开发一套低成本、高效率发芽糙米生产设备，自动化程度高且产品质量满足工厂需求[21]。对于生产发芽糙米设备的研发主要以用于糙米发芽设备为主，在发芽设备内通过智能控制发芽温度、湿度等工艺条件，促进胚芽萌发。

与碾磨设备和发芽设备相比，其他稻米适度加工技术配套装备还有待完善，且尚未见实际投入工厂生产的报道，相关机械设备开发也需与工艺相匹配。总体说，适度加工设备研发应与高新机械改造技术相结合，既保证产品质量又提高生产效率，完全自动化、智能化设备组成的加工流水线取代目前半自动、半机械生产模式将是未来稻米适度加工装备的研究重点。

2 适度加工对稻米营养品质的影响

稻米是我国60%人口主食来源，其营养组成备受关注。研究表明，提高稻米加工精度对稻米产品中各种营养物质造成不同程度损失。张兰等对稻谷、糙米、抛光一次大米、抛光两次大米、粗糠和米皮等样品进行营养分析与成分测定，结果发现无机元素和膳食纤维随着稻谷脱壳的去除流失，糙米中含有大量营养素，包括脂肪、蛋白质、维生素、微量元素等[22]。二次抛光大米营养物质损失严重，仅含有少量蛋白质以及大量淀粉。Xia等对籼稻样品分别进行0、3%、6%、9%的4种不同程度碾磨并测定其样品中膳食纤维含量，发现籼稻中膳食纤维含量与碾磨度呈负相关[23]。此外，Rubrinder等研究结果表明稻米中蛋白质、脂肪和矿物质在麸皮不同层次中浓度分布不均匀，在不同碾磨度下，稻米营养流失程度存在差异，当碾磨度为8%时，稻米中脂肪、矿物质、蛋白质损失量分别为89.13%、87.88%和5.8%。同样在测定稻米加工中微量元素含量分析发现，精米中微量元素损失严重[24]。王艳等发现，Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn和P等常量元素在精米中的含量明显低于糙米和胚芽米中的含量，而Zn、Cu、Se等微量元素在稻米中含量较低，差异不显著[25]。Geng等以保留部分麸皮的稻米为原料加工米粉，制得米粉Mn、Zn、K、Fe含量均高于精白米粉[26]。Liu等通过对稻米进行不同程度碾磨，分析米糠发现Zn、Fe、Ca等矿质元素含量均与碾磨度呈负相关[27]。以上研究表明，为避免稻米主食产品中营养物质损失，亟需开发稻米适度加工技术以替代精白米加工。为进一步明确适度加工技术工艺，Jo等通过糙米抛光工艺对糙米中元素含量进行分析比较，结果发现稻米籽粒外层P、K、Mn、Fe含量较高，麸皮层中S、Cu、Zn、As含量较高，胚乳中S、Cu、As含量向籽粒中心方向逐渐减少，而Zn在胚乳中分布较为均匀[28]，表明大部分矿物质元素在稻米中分布不均匀，且在稻米外层结构中，胚乳中矿物质元素含量较小，通过适度加工技术生产的稻米制品可适当保留稻米糊粉层以提高矿物质元素含量。

3 适度加工稻米市场现状

随着稻米消费市场的升级和人们健康膳食观念的建立，适度加工稻米产品已成为现阶段稻米市场极具潜力的主食产品类型。稻米适度加工技术主要是对稻米进行低碾磨度加工，保留更多皮层，减少米胚脱落，但由于加工技术有限导致产品感官品质和保藏特性较差。此外消费者饮食习惯、消费能力等因素也制约着适度加工产品的市场流入速度。为研发出营养、口感和安全性方面更能满足人们需求的稻米制品，国内外学者以消费者喜爱的精白米为对照，对稻米适度加工工艺开展大量研究，以期获得口感良好、加工便捷且贮藏稳定的适度加工稻米制品。目前，国内外适度加工稻米工艺和装备研究也在同步发展，适度加工稻米产品进入市场推广阶段，常见的适度加工稻米产品有留胚米、发芽糙米和蒸谷米等。

3.1 留胚米

留胚米（又称胚芽米）是指通过降低碾磨度，保留稻米部分糊粉层且胚芽残留率在80%以上的稻米产品，是应用适度加工技术生产的代表产品。留胚米对于适度加工技术发展具有历史性意义。20世纪70年代，日本正式将胚芽米列为一种新的大米产品，并于同年9月进入市场。在国际市场上，日本留胚米产品的市场占有率在8%以上并逐年递增，我国市场上成熟的留胚米产品份额较少，且生产售卖的留胚米产品质量还有待提高，存在产品留胚率、感官品质及贮藏等制约适度加工稻米产品市场化的瓶颈问题。受适度加工稻米产品应用问题的影响，日本为满足适度加工稻米产品的市场需求，多以糙米配备碾米机的形式进行销售，消费者可根据个人需求不同程度碾磨，销售模式适合适度加工稻米产品的应用推广[29]。

3.2 发芽糙米

发芽糙米是一类糙米全组分保留的稻米产品，不仅营养零损失还富集具有改善神经功能的生物活性成分γ-氨基丁酸，在日本等东亚地区市场比较普遍，但由于不易保藏而通常采用真空包装，售价比普通零售大米高1倍。日本在2008年调查报告显示，发芽糙米市场销售量达2万余t，年产值达200多亿日元。与日本相比，我国发芽糙米相关技术与产品研发进步较快，但商业化生产规模较小，产品品质、加工装备及产品类型亟待发展。为满足市场消费需求，解决发芽糙米、难吃几大难题，将发芽工艺与高温高压灭菌技术相结合生产预煮型发芽糙米产品具有广阔的市场前景。

3.3 蒸谷米

蒸谷米在稻米加工产业中出现较早，据统计，全球每年有近20%的稻米加工成蒸谷米，蒸谷米的市场主要在欧美地区和非洲等国家，印度、孟加拉国、德国、意大利等国家均为蒸谷米主要消费国，市场需求较大，我国由于受饮食文化的影响，蒸谷米的市场需求较小，生产的蒸谷米多出口非洲及中东地区。与普通大米相比，蒸谷米营养价值较高的原因在于，稻米经水热处理后，稻米外层维生素和矿物质等水溶性营养物质会渗透到稻米胚乳内部，再次磨米后，维生素B族及钙、铁、磷等矿物质含量均能得到不同程度的提高[30]。受消费习惯和加工技术等方面的影响，我国蒸谷米市场消费量较小。

4 适度加工技术在富营养米生产中的应用

富营养米是指稻米中某种营养成分显著高于普通米制品的稻米加工产品。与普通大米相比，富营养稻米的特点在于其营养素含量较高。从营养富集方式上看，现有富营养米主要有两种：一种是天然型富营养米，即在天然生长过程中通过从土壤中汲取或人工施用肥料实现营养素富集；另一种是加工型富营养米，即在稻米常规加工基础上以添加营养素方式开展二次营养强化，以提高大米产品营养价值，添加的营养素为合成或天然的，也可对一种或多种营养素同时强化处理[31]。其中加工型富营养米是通过营养素外加而获得的营养强化米，这类富营养稻米虽然具有对稻米加工原料要求低和产业化装备简单等优势，但外加营养素多为化学合成的无机盐类，存在安全性低、生物有效性低及存在异味等问题。与加工型富营养米不同，天然型富营养米指在生长过程中富集各类营养素的稻米，利用植物生物转化过程，无机元素多以有机态的形式不均匀的贮存在稻米胚乳以外结构。如传统精米加工技术进行富营养稻米生产，会流失大量已富集营养素，造成天然富集营养稻米营养价值迅速下降。因此，根据不同稻米富集营养素方式及富营养米营养分布情况综合选择适度加工方法尤为重要，开发一种适宜天然富营养稻米生产的适度加工技术，在最大限度保留富营养米中丰富的天然营养素方面具有重要应用意义。

4.1 常见天然富营养米种类

4.1.1 富硒米

富硒稻米作为富硒食品典型代表，在水稻种植期，通过吸收土壤中高浓度硒元素或吸收叶面肥方式提高水稻植株中硒含量，通过水稻生物转化作用将硒元素与蛋白结合，以有机硒形态储存于稻谷中。因此，外源施加硒肥是提高稻谷中硒含量有效途径，通常叶面施肥补硒和提升土壤硒浓度两种施肥方式，均可达到不同程度补硒效果。在水稻生长不同时期施肥对水稻富硒效果不同。研究表明在水稻齐穗期补硒效果最佳[32]。值得注意的是硒对水稻生长具有双重性，一定浓度范围内硒可提高籽粒富硒能力，对水稻增产有促进作用；相反硒浓度过高则对水稻产生毒害作用。天然富硒米是利用生物转化作用将土壤中无机硒转化为有机硒，食用安全性较高[33]。在富硒稻米产品加工方面，孙瑞等通过对19个不同品种含硒稻米开展碾磨试验，结果验证硒损失率与碾减率呈正相关，但不同品种在相同碾减率下硒的损失率存在差异[34]。说明硒在不同品种稻米中富集部位不同，在加工富硒稻米时应根据实际情况设定碾磨程度，降低硒损失率，提高富硒稻米硒利用率。

4.1.2 富锌米

富锌稻米是近年来培育开发的稻米新品种，可作为主食对锌进行良好补充。在富锌稻米种植过程中，土壤中锌主要通过扩散作用到达根系，锌多以二价阳离子形态从土壤中向植物内部转移，并在灌浆期从根系细胞转移到木质部再到稻米籽粒中，或是在灌浆时期储存于叶片中的锌再经转运作用进入水稻籽粒中。从基因角度看，不同基因型水稻对锌的吸收能力存在明显差异，因此，运用基因工程技术对水稻插入外源基因或通过杂交育种培育富锌水稻新品种均是改善稻米锌营养的有效措施，且已取得一定研究进展。文建成等对韩国水稻品种开展锌含量检测及筛选工作，获得高含量富锌杂交稻品种，该品种稻米锌含量达50 mg·kg-1以上[35]。从农艺方面考虑，施用锌肥对于提高稻米锌含量具有促进作用，冯绪猛等对比土壤施肥和叶面施肥对水稻产量及籽粒硒含量的影响试验发现，叶面施肥对提升籽粒锌含量的效果更好，锌含量提升12.1%，土壤施肥则更利于增产[36]。从加工角度看，Jo等通过糙米抛光工艺研究其对糙米中锌元素含量的影响，发现麸皮层中锌含量略高于胚乳，且胚乳中锌分布比较均匀[28]。稻米锌含量较低，常规大米加工方式是造成锌缺乏的原因之一。

4.1.3 富铁米

受水稻基因型、品种和种植地等多种因素影响，铁元素在不同稻米中含量差异性较大。普通加工糙米中铁含量为10～25 mg·kg-1，也有部分品种糙米低至5 mg·kg-1，稻谷经多道加工工序成为精米后其损失的铁元素占总量60%，因此，加工精米中铁元素损失严重。主食稻米中铁含量较低以及铁元素低生物有效性的特点，严重影响铁在体内吸收利用，因此，我国居民膳食主食中铁元素含量远不能满足机体需要。20世纪末，国际水稻研究所筛选出一种铁含量较高的水稻品种，并通过育种技术将其铁含量提高到当时普通品种的7倍左右（25 mg·kg-1）。日本学者也有对“越光”进行富铁含量的筛选与培育，最终通过杂交育种方式获得富铁水稻新品种[37]。从加工角度看，铁在糙米中分布不均匀的特点直接影响其终产品中铁含量。Liu等开展糙米碾磨试验发现，当碾磨度在9%范围内时，超过一半铁被碾除，表明铁在糙米外层含量较高，但不同稻米品种间也存在差异[27]。Reddy等在试验中将3个不同品种糙米抛光后（碾磨度为9%）磨成米粉并检测矿物质元素含量，结果发现铁损失率分别为35.17%、57.09%和70.50%[38]。由此可知，铁主要富集在糙米外层，大部分铁随碾磨程度提高而损失。

4.2 适度加工技术在富营养米加工中的应用

左家瑞等在利用富硒稻米加工留胚米研究中发现，当富硒籼稻留胚率从95%下降到83%时，硒含量从97%降为94%；富硒粳稻留胚率从90%下降到81%时，硒含量从98.3%降为95.3%，为保证产品留胚率、硒含量达标，原料糙米留胚率至少90%，糙米硒含量则至少为167μg·kg-1[39]。Liu等对浸泡不同浓度亚硒酸钠溶液对发芽处理后糙米中总硒及与蛋白结合的硒含量进行比较研究，结果发现总硒和蛋白结合态的硒含量均随外源硒浓度和发芽时间增加而增加，而延长发芽时间可促进无机硒向有机硒转化[40]。姜晓坤等将糙米通过浸吸锌强化液方式提高锌含量，再对其发芽处理进一步提升稻米营养品质，稻米锌含量较未处理糙米提升7倍[41]。梅婵等通过试验筛选出对铁强化剂吸收利用度高的水稻品种为原料作营养强化，然后又对其发芽处理，处理后产品有机铁含量比普通发芽糙米高50倍，且主要以铁结合蛋白形式存在，更易人体吸收和利用[42]。综上所述，利用轻碾和发芽技术适度加工方法处理天然富营养米的研究表明，适度加工技术既对营养品质保留起保护作用，又可改善稻米产品适口性差的问题。在以富营养米作为强化人群微营养的载体时，应用适度加工技术降低因过度加工而造成的营养损失，是解决我国现阶段人群微营养缺乏的手段之一。

4.3 适度加工技术应用过程中面临的问题

稻米适度加工技术应用为人类健康膳食带来益处，但同时许多问题仍需解决。例如，适度加工中“度”的定义，适度是以大米白度、留皮度为评价指标还是以留胚率为评价指标还需探讨。由于不同品种稻米粒型差异较大，相同加工条件制得的产品品质也存在差异，如何保证不同原料获得品质均一的同类产品也是亟待解决的产业问题之一，需建立新的产品标准指导企业生产。此外，适度加工稻米产品由于保留更多皮层和米胚，与精米相比含有更多脂肪含量，品质劣变速度快，保质期短等问题影响产品品质和市场流通时间，需开发适宜的贮藏技术以延长适度加工稻米产品货架期，为其在生产、流通和贮藏环节提供技术保障。

5 展望

稻米适度加工技术是一项响应国家节粮保供要求且有利于人类饮食健康的重要技术，通过降低大米碾减率，不仅提高大米出米率、减少副产物浪费，且保留更多营养物质。稻米适度加工技术及相关产品开发，特别是适度加工技术在天然富营养米制品中的应用，可从源头上改善我国以稻米为主食人群微量元素摄入失衡现状。目前，我国稻米适度加工产业发展处于初级阶段，稻米市场上适度加工类产品份额仍然较少，但制约产业发展的问题较多，适度加工产品的感官品质改善，食味品质优化、贮藏品质的提高将是未来稻米产业研究重点。此外，在技术层面上，适度加工稻米产品营养与食用品质之间的平衡关系、不同稻米品种营养分布评价体系建立、适度加工技术标准的制定以及稻米适度加工装备创制等也需通过进一步研究得以确立和完善。