米糠蛋白物理改性和提取的研究进展

徐云飞，陈兆君，闫宝军，那治国

（1. 哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028；2. 黑龙江东方学院 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150066）

米糠蛋白是一种低成本且优质的植物蛋白，是从价廉的米糠中提取出来的，含量约是精米的1 倍。科学研究发现，米糠蛋白属于一种低过敏性且理想的食用蛋白，在食品中加入米糠蛋白可以提高食品的营养价值、功能特性及市场价值。同时在脱脂米糠中发现蛋白质的含量相对较高，可达到18%以上，也是低变应原性蛋白质很好的来源，而且在米糠蛋白质分离物和蛋白质水解物的生产中，脱脂米糠粉也可以起到很好的作用。然而，实际情况是大部分米糠在我国仅作动物饲料应用，工业生产开发较低，资源利用率不高，浪费严重，米糠及米糠蛋白的经济效益和市场价值没有完全发挥。从米糠蛋白的组成成分、营养特性和功能特性出发，对米糠蛋白的物理改性方法和多种提取方法进行系统介绍，对增加米糠的市场价值及米糠蛋白的工业化生产具有重要的现实意义。

1 米糠蛋白

1.1 组成成分

针对米糠蛋白的溶解性和萃取性而言，米糠中的蛋白质主要可分为清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白4 种[1]。其中，清蛋白易溶于水，且在米糠蛋白中含量最高约占40%，生物学价值也最高，而且极易被人体吸收和利用。球蛋白含量相对较多且溶于稀盐溶液，其含量约35%，球蛋白不含赖氨酸，含有一定量的胱氨酸和蛋氨酸，生理作用主要在萌发期发挥。醇蛋白是含量最低的贮藏蛋白且溶于醇溶液，在米糠蛋白中仅占4%左右，其中谷氨酸是谷物内氮代谢的主要氨基酸，精氨酸是谷物生长代谢的主要氨基酸，甘氨酸和丙氨酸是醇蛋白中含量较高的氨基酸之一，而且为谷物提供氮、碳和硫的储存[2]。谷蛋白是稻谷中蛋白质的主要构成成分，溶于酸碱溶液，其含量为11%~30%，变化较大且结构复杂，是一种高分子量的化合物且不溶和，难以从麸皮中提取出来[3]。

1.2 营养特性

米糠蛋白具有氨基酸组成结构合理、生物效价高和低过敏性的营养特性，其生物效价与牛奶酪蛋白高度相似，蛋白质消化率校正氨基酸评分为0.90，蛋白效率比为2.0~2.5，消化率大于90%，具有良好的生物价值和消化率[4]。由此可见，米糠蛋白的生物学功能和消化率普遍优于其他谷物蛋白。大豆蛋白和花生蛋白是目前公认的低敏感性植物类蛋白，但其中多少都含有一些抗营养因子，不利于人体的吸收，而米糠蛋白中不含抗营养因子，可以很好地在敏感人群中应用。另外，它是唯一免过敏试验的谷类蛋白，可以普遍用于纯蛋白质产品、蛋白质补充剂和婴儿配方奶粉开发中[5]。

1.3 功能特性

1.3.1 乳化性

乳化性属于蛋白质的界面性质，是指油和水混合在一起形成乳状液的性能。蛋白质的种类和结构是影响乳化性的关键因素，另外时间、温度、压力、pH 值、碱性蛋白酶等也是其影响因素。温度和压力升高都可以提高米糠蛋白的乳化性和乳化稳定性[6]。Phongthai S 等人[7]发现米糠中碱性蛋白酶水解5.04%，可以显著改善米糠蛋白的功能特性，特别是乳化性能。Zang X 等人[8]发现用水解3%的米糠蛋白制备的乳液最稳定，且对米糠蛋白进行一定程度水解可以增强其乳化性能。因此，如何改善其提取方法和提取条件，从而提高米糠蛋白的乳化性和乳化稳定性，也是今后学者们热衷研究的课题方向。

1.3.2 溶解性

体现米糠蛋白功能特性最重要指标是溶解性，溶解性的高低直接关系着米糠蛋白在生产中的实际价值。科学研究发现，米糠中主要是碱溶性的蛋白质，溶解性在pH 值为4 左右时最低，随着pH 值的升高，其溶解性也越来越高。另外，对米糠蛋白进行合理的高压处理也非常有利于其溶解性的提高。Hedayati A A K 等人[9]在研究米糠蛋白的功能特性时，发现在pH 值为10 和pH 值为4 时分别观察到最高和最低的蛋白质溶解度。Zhu S M 等人[10]在研究高压对米糠蛋白功能特性的影响时，发现100 MPa 和200 MPa 的高压处理会显著提高米糠蛋白的溶解度，在500 MPa 时溶解度达到最大，超过500 MPa 反而会使溶解度降低。因此，合理的控制pH 值和压强等外界条件，米糠蛋白的溶解性可以得到极大的改善，米糠蛋白的乳化稳定性也得以提高，从而显著增加米糠蛋白的提取率。

1.3.3 起泡性

起泡性属于蛋白质的界面性质，蛋白质的起泡性和泡沫稳定性对于食品的感官特性具有非常重要的作用[11]。科学研究发现，米糠蛋白的起泡性与蛋白质的乳化性和溶解性有直接影响关系，另外，温度和时间等也是主要的影响因素。那治国等人[12]用蒸汽闪爆对米糠粕进行处理，发现蛋白质的起泡性和泡沫稳定性都有显著提高。Wu W 等人[13]发现米糠贮存时间的增加导致米糠球蛋白的发泡能力、泡沫稳定性、乳化活性和乳化稳定性的降低。由此可见，提取工艺与米糠蛋白的起泡性有着密不可分的关系。

2 物理改性方法

2.1 超声波处理

超声波技术是一种新型的非热物理处理技术，其机理归因于热、空化和机械功效，可导致蛋白质的机械、物理或化学（生物化学） 属性的改变[14]，是一种绿色、创新、可持续发展的技术[15]。根据使用方式可分为检测超声和功率超声，一种是把超声当作信号使用的检测超声；另一种是当作大功率超声使用的功率超声。在食品的提取、加工和巴氏灭菌中有广泛的应用，它的典型特点是能耗低、节约时间和水[16]。马楠[17]采用超声波预处理技术对米糠蛋白进行改性，通过米糠蛋白浓度、超声功率、超声时间和超声温度等单因素试验，并采用响应曲面法优化试验，结果表明，在米糠蛋白质量分数为3%，超声功率201 W，超声时间10 min 和超声温度40 ℃的处理工艺条件下，米糠蛋白溶解度上升到64.30%，乳化性达到0.85 m2/g。因此，通过超声处理可以提高米糠蛋白的溶解性和乳化性。

2.2 喷射蒸煮处理

喷射蒸煮处理是一种水热加工技术，主要由水热器、物料维持管道和冷却系统组成。其中，水热器运用的原理是闪蒸技术，通过闪蒸原理产生的剧烈机械作用，使热能从高温蒸汽瞬间传递给混合物料。然后混合的高温物料通过物料维持管道继续保持作用。最后，经过冷却系统后进行物料收集。目前，喷射蒸煮处理方法在淀粉工业中的应用，主要是利用水热处理器的高温和剧烈机械作用使淀粉完全分散并快速糊化，然后经过酶的继续分解，生成单糖与酒精[18]。另外，国外采用喷射蒸煮技术来提高蛋白质提取效率和改善蛋白质的功能特性。夏宁等人[18]采用喷射蒸煮处理能使难溶的米糠蛋白形成部分可溶的聚集体或者生成糖基化的产物，这提高了米糠蛋白的溶解度、起泡性、乳化性等。

2.3 超微粉碎技术

超微粉碎技术是近些年来快速发展的一种高新技术，其原理是通过机械或流体动力等将固体物料进行粉碎的技术，也是一门具有高科技含量的工业技术，已经被广泛应用与医疗、食品、冶金和航空航天等领域。马楠[19]利用超微粉碎技术处理米糠蛋白后发现其的乳化性从0.52 m2/g 上升到0.76 m2/g；经超微粉碎技术处理的米糠蛋白的起泡性从52.30%上升到72.50%；蛋白的泡沫稳定性从64.30%上升到83.50%；米糠蛋白的凝胶性从1.34 g 上升到2.56 g；米糠蛋白的黏度从2.31 mPa.s 下降到1.23 mPa.s。样品的持水性和持油性在超微粉碎处理后均显著上升。因此，超微粉碎技术对米糠蛋白的起泡性及泡沫稳定性、凝胶性等影响显著，超微粉碎技术对米糠蛋白的黏度及分散性呈显著降低的趋势。

2.4 动态高压微射流处理

微射流技术是在超高压的作用下，经过很微小孔径的阀心，从而形成高倍音速的流体，以达到分散、均质、乳化和纳米颗粒等，微射流不需要额外的流源，射流直接来源于周围流体，它是一种特殊的超高压均质形式。动态高压微射流处理技术（DHPM） 是以超高压理论、流体力学理论、撞击流理论为基础的一种先进的高压加工技术，在液- 液相或液- 固相流体混合物料的剪切、破碎、均质和膨化等工业生产方面有广泛的应用前景。马楠[19]研究发现经微射流处理的米糠蛋白的溶解度从39.40%上升到73.90%，乳化性从0.52 m2/g 上升到0.60 m2/g，起泡性从52.30%上升到70.40%，泡沫稳定性从64.30%上升到78.30%，米糠蛋白的凝胶性从1.34 g上升到2.47 g。米糠蛋白的持水性、黏度及分散性在经过微射流处理后呈显著降低的趋势，而持油性呈显著上升趋势。由此可见，微射流处理对米糠蛋白的溶解度、乳化性、凝胶性、起泡性及泡沫稳定性影响显著。

2.5 蒸汽闪爆处理

蒸汽爆破又叫汽爆（Steam Explosion），是利用蒸汽弹射原理对生物质进行爆炸处理的一种技术。蒸汽闪爆法相对于碱煮、酶处理等方法，其过程环保高效，不仅避免了污染问题，还能有效解决生物处理效率低的问题，是生物质转化领域最有前景的预处理技术。一般由蒸汽发生器、汽爆反应器和接收器3 个部分组成，蒸汽爆破设备可分为间歇式和连续式2 种形式[20]。该方法在食品工业、生物能源、复合材料及纤维材料等方面已经得到应用。

蒸汽爆破技术的原理是利用饱和蒸汽处理物料，使得植物组织内部的蒸汽分子和水分子瞬时释放和迅速爆沸形成闪蒸，使短时间内形成的能量密度高且集中，形成的机械能作用于生物质组织细胞层间，从而达到单位时间内做功最多，以达到用较少的能量使物料按目的分解。首先，对物料进行高压饱和蒸汽浸泡预处理，使得物料组织内部形成高温液态水，然后在高温高压下，对置于压力容器内的物料进行保压持续作用一段时间后，骤然在瞬间将全部物料卸压，使得物料在饱和蒸汽的夹带下瞬间喷出，在蒸汽压力的快速释放下瞬时完成做功并把热能转化为机械能，从而对物料内部的生物质产生剪切力，达到破坏物料组织内部的结构[21]。那治国等人[22]研究发现蒸汽闪爆处理的高温米糠粕及其分离蛋白受到了破坏，蛋白质分子的表面结构、热稳定性和表面疏水性等理化性质发生了显著变化，进而显著提高了高温米糠粕的氮溶解指数。目前，蒸汽闪爆技术作为生物转化技术，应用于生物体的气化，以及食品、环境和医药等领域。

3 米糠蛋白的提取

3.1 化学提取法

化学法主要是使用碱法从米糠中提取米糠蛋白，常用化学碱来提取蛋白质，因为在碱性条件下米糠中的氢键、二硫键和酰胺键会被破坏，从而使米糠蛋白溶解，故可调节pH 值的大小，从而使米糠蛋白达到最大产率[23]。Paraman I 等人[24]采用碱法提取米糠蛋白时，随着pH 值从9 增加到12，蛋白质的提取率和含量显著增加。虽然碱法能显著提高米糠蛋白的提取效果，但在碱性条件下会使米糠蛋白变性，从而影响蛋白质的功能品质。因此，如何改善化学提取法来提高米糠蛋白的提取率，并减少工艺条件对米糠蛋白的不利影响，寻找或发展新的化学试剂是一个好的途径。

3.2 酶法提取

酶法提取主要是利用糖化酶降解米糠中的纤维和细胞壁，使得淀粉键被破坏，从而提高蛋白的溶解度，以便于米糠蛋白的提取[25]。糖化酶主要包括纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶及其组合酶。另外，各种食品级的碱性内切酶、复合风味酶、复合内切酶和木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶等，都可用于米糠蛋白的提取[26]。Khan S H 等人[27]发现使用植酸酶和木聚糖酶混合物提取米糠蛋白，能显著提高米糠浓缩蛋白的蛋白质含量。由此可见，酶提取法可以显著提高米糠蛋白的提取率，但是当下酶的成本相对较高，难以在工业生产中广泛应用。

3.3 物理提取法

物理提取法是指利用胶体磨和均质等来破碎米糠中的细胞结构，进而提取溶出来的米糠蛋白。另外，超声处理、水热蒸煮、微波和微流化等也是提取米糠蛋白的有效物理方法。米糠经微粉碎和均质并辅助其他方法，蛋白质的提取率比单一方法显著提高，而且米糠经物理方法处理后，其蛋白质溶出浓度也得以提高。张安宁等人[28]采用反复冻融辅助弱碱法提取米糠蛋白，使得米糠蛋白的提取率达到了63.07%，在试验过程中会产生冰晶，从而破坏细胞膜结构，进而使得细胞裂解并释放出细胞内的成分，而且还不会破坏蛋白的功能特性。因此，使用单一的物理法来提取米糠蛋白的效率不高，而且溶出组分分子量差别也很大，导致蛋白的残留也较多，所以可以利用物理方法增加米糠蛋白提取率。

3.4 亚临界水

亚临界水提取（SWE） 是一种新型绿色且前景广阔的提取技术，它是利用亚临界水独特的物理化学特性，从而将溶质按极性由高到低萃取出来，并且可以做到连续提取。最开始是应用于环境中有机污染物的萃取，随着科技的发展，在天然产物、食品领域、生物活性物质提取等得到广泛的应用。亚临界萃取法提取米糠蛋白是在低温条件下进行，故不会破坏米糠蛋白的营养成分，且得率高，油脂品相也较好。Watchararuji K 等人[29]利用亚临界水于220 ℃条件下提取米糠蛋白，提取率可以达到84%。目前，国内有关亚临界水萃取在食品领域的应用还不完善，且操作过程中温度过高可能会对米糠蛋白的功能特性造成影响，所以，加强在该技术的理论体系和实践应用也是未来研究的热点之一。

4 结语

米糠是稻米加工后形成的一种副产品，不仅价廉、营养丰富，而且也是一种可再生资源，我国米糠资源量大且面广，每年都有1 000 万t 以上的产量。但在我国，米糠的实际生产中利用率普遍较低，而且低效的米糠蛋白提取工艺和低程度的工业化生产，也是限制我国米糠产业化发展的一大制约因素，使得米糠蛋白尚未形成完整的产业体系。因此，进一步开发高新技术和多种技术融合发展是未来米糠蛋白研究的一大方向，对米糠蛋白的改性方法和提取工艺进行优化完善，从而在数量和质量方面让米糠蛋白得到广阔的发展前景，进而使得米糠的现实意义及市场附加值得以完全体现，并在我国形成完整的米糠产业体系。