稻米膳食纖維的提取、改性及應(yīng)用研究進(jìn)展

張宏邦 羅 潔 易翠平 郭宇波 姚明武

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410114)(湖南天下洞庭糧油實(shí)業(yè)有限公司2，沅江 413100)(湖南四通食品科技有限公司3，靖州 418000)

稻谷加工的主要副產(chǎn)物米糠，是糙米經(jīng)碾米等工序后得到的果皮、種皮、糊粉層和珠心層的混合物，約占稻谷總重的10%[1]。2017年，我國(guó)的稻谷產(chǎn)量達(dá)2.07億t，米糠資源非常豐富，但其開發(fā)利用與美國(guó)、日本等國(guó)家相比存在較大的差距，附加值極低，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，探求米糠綜合利用的高經(jīng)濟(jì)效益，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距。膳食纖維是公認(rèn)的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”[2]，大量研究報(bào)道顯示，膳食纖維具有促進(jìn)胃腸道健康、防治肥胖癥、降低心血管疾病發(fā)病率、降低糖尿病發(fā)病率等[3,4]益生功能。米糠中含有豐富的膳食纖維，是提取天然膳食纖維的良好原料。因此，本文綜述了米糠膳食纖維的提取方法、改性及應(yīng)用研究的進(jìn)展，以期為提高稻米的綜合利用水平提供參考。

1 膳食纖維的定義

膳食纖維(dietary fiber，DF)被稱為第七大營(yíng)養(yǎng)素，目前各界對(duì)于膳食纖維的定義并不完全一致：中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)認(rèn)為膳食纖維包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要來源于植物細(xì)胞壁的不易被消化酶消化的多糖類物質(zhì)；而歐盟認(rèn)為“纖維”是指含有至少3個(gè)單體鏈節(jié)的碳水化合物聚合物，這類物質(zhì)在人體小腸等消化器官中不會(huì)被消化也不被吸收；纖維包含的范圍與國(guó)際食品法典委員會(huì)一致[5]。膳食纖維的分類根據(jù)其分類依據(jù)亦有差別，較為普遍的分類方法是按照其溶解性分為兩大類[6]：一類是水不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)， 主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素；另一類是水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)，主要含有抗性寡糖、改性纖維素、合成多糖以及植物膠體等[7]。

2 米糠膳食纖維的提取

米糠膳食纖維的提取方法主要分為化學(xué)方法、物理方法和酶解法三大類。由于膳食纖維中的保健功能主要取決于其生物活性，因此提取方法主要以膳食纖維的生物活性作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。化學(xué)方法由于可能會(huì)使用一些反應(yīng)強(qiáng)烈的試劑，易破壞膳食纖維，造成所得到的膳食纖維生物活性較低，但其提取膳食纖維操作簡(jiǎn)單，成本較低[8]。物理方法提取效率低，設(shè)備成本高，不適于大規(guī)模生產(chǎn)，但它能夠較完整地保留膳食纖維的生物活性。酶解法具有易控制、條件溫和、有效成分提取率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[9]，因此其應(yīng)用越來越廣泛，但某些酶的價(jià)格貴，易造成成本增加。近年來物理、化學(xué)法和酶解法的結(jié)合成為了研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將重點(diǎn)論述以結(jié)合酶法為主的新興提取方法。

2.1 酶法提取米糠膳食纖維

酶解法是目前提取米糠膳食纖維的最常用方法，即使用復(fù)合酶進(jìn)行酶解米糠。用于提取DF常見的酶有：α-淀粉酶、糖化酶、堿性蛋白酶和纖維素酶。α-淀粉酶作用于淀粉時(shí)從淀粉分子的內(nèi)部隨機(jī)切開α-1，4 糖苷鍵，生成糊精和還原糖，起到液化作用[10]。糖化酶有催化淀粉水解的作用，能從淀粉分子非還原性末端開始，分解α-1，4 葡萄糖苷鍵生成葡萄糖[11]。堿性蛋白酶在堿性條件下能夠水解蛋白質(zhì)肽鍵，使復(fù)雜的大分子蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變成簡(jiǎn)單的小分子肽鏈或氨基酸，從而變得易于吸收或洗去[12]。纖維素酶在降解纖維素和半纖維素的同時(shí)，還能將不易消化的大分子多糖、蛋白質(zhì)和脂類降解成小分子物質(zhì)[13]。研究表明提取米糠膳食纖維時(shí)α-淀粉酶的酶解溫度在70～75 ℃之間[14]，蛋白酶的溫度在50～60 ℃之間[15]，纖維素酶的溫度一般控制在55 ℃左右[16]，酶解時(shí)間和酶用量會(huì)因樣品不同存在差異，酶法提取的DF得率相比單純的物理法、化學(xué)法提取有所提高。文偉等[17]以脫脂米糠為原料，先經(jīng)高溫糊化和高溫α-淀粉酶液化，再經(jīng)糖化酶、纖維素酶和蛋白酶 3 種酶同步酶解，制備高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值脫脂米糠復(fù)合酶解提取物，采用復(fù)合酶水解脫脂米糠時(shí)可溶性膳食纖維得率為6.68%，這與Wan等[18]采用堿酶兩步法提取脫脂米糠中可溶性膳食纖維的得率相近。通過復(fù)合酶法提取脫脂米糠中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，膳食纖維的有效成分提取率高，為開發(fā)脫脂米糠制備功能性食品配料提供了一條可靠途徑，同時(shí)也表明了復(fù)合酶解提取物是一種極具開發(fā)應(yīng)用前景的保健食品成分。

2.2 化學(xué)試劑結(jié)合酶法提取米糠膳食纖維

化學(xué)分離法提取膳食纖維工藝簡(jiǎn)單，但制備的膳食纖維產(chǎn)品往往含有少量的蛋白質(zhì)和淀粉，而且在環(huán)保上存在弊端；酶法提取的膳食纖維純度高、污染小，但成本相對(duì)較高。采用化學(xué)試劑結(jié)合酶法提取米糠膳食纖維，綜合了化學(xué)法和酶解法的優(yōu)點(diǎn)，具有明顯優(yōu)勢(shì)。化學(xué)試劑-酶結(jié)合分離法，即先利用酶水解除去原料中的蛋白質(zhì)和淀粉，然后用化學(xué)試劑進(jìn)行提取，制備高純度的膳食纖維，此法可提高米糠膳食纖維的產(chǎn)率與質(zhì)量，降低提取成本，不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，還減少了環(huán)境污染，高效環(huán)保。

李麗輝等[19]采用化學(xué)試劑-酶結(jié)合分離法從脫脂米糠中提取膳食纖維，在α-淀粉酶用量0.4%，酶解時(shí)間40 min，NaOH濃度4%，堿解時(shí)間45 min的條件下，脫脂米糠膳食纖維得率達(dá)到39.30%。苗欣等[20]在酶解前采用適當(dāng)濃度的堿液處理，將致密的糖類、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步疏松，從而有利于后期的酶解反應(yīng)，并通過響應(yīng)面法對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析，得到的最佳提取工藝條件為：NaOH的濃度是0.2 mol/L，NaOH浸泡時(shí)間為60 min，堿性蛋白酶添加量250 U/g，高溫淀粉酶添加量200 U/g。在此條件下膳食纖維純度高達(dá)75.79%，得率為38.5%。事實(shí)證明采用化學(xué)試劑-酶結(jié)合分離法從脫脂米糠中制備膳食纖維的方法簡(jiǎn)便易行，不需要特殊的設(shè)備，投資少，污染少，且膳食纖維的得率較高。

2.3 物理輔助酶法提取米糠膳食纖維

目前，采用物理法輔助酶法提取米糠膳食纖維是諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。物理輔助酶法提取米糠膳食纖維，綠色高效且保留了膳食纖維的生物活性，越來越受到研究人員的青睞。

2.3.1 超聲輔助酶法

Huang等[21]按照1∶24的料液比在脫脂米糠中加入純水并將pH調(diào)至5.0，添加6%木瓜蛋白酶于60 ℃下酶解1 h后，按5.3%添加量加入纖維素酶，在功率為415 W條件下超聲5 min，酶解結(jié)束后抽濾濃縮，加入4倍體積無(wú)水乙醇沉淀，過濾后烘干粉碎濾渣，得到水溶性膳食纖維。康麗君等[22]以米糠為原料，先對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理，再利用超聲-微波協(xié)同酶法對(duì)氣爆預(yù)處理米糠進(jìn)行提取，氣爆條件設(shè)定為壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s，酶添加量5.85%，pH 4.64，微波功率451 W，在此條件下米糠可溶性膳食纖維含量提高了2.157%。Zhu等[23]同樣以米糠為原料，采用超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維，探究了加酶量、超聲時(shí)間、超聲功率和料液比對(duì)得率的影響。

2.3.2 擠壓膨化輔助酶法

擠壓膨化技術(shù)是一種新型食品加工技術(shù)，與其他常見的傳統(tǒng)處理方法相比，擠壓膨化技術(shù)具有熱動(dòng)態(tài)效率高、生產(chǎn)成本低、營(yíng)養(yǎng)損失小等優(yōu)點(diǎn)[24]。采用擠壓膨化作為預(yù)處理方法，可以使米糠達(dá)到穩(wěn)定化，便于后續(xù)生產(chǎn)和加工。王旭等[25]以米糠為原料，采用擠壓膨化輔助酶水解技術(shù)提取可溶性膳食纖維，探究了擠壓膨化工藝和酶解條件對(duì)米糠可溶性膳食纖維提取率、結(jié)構(gòu)及物化特性的影響，得到了提取率高、工藝簡(jiǎn)易且結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的米糠可溶性膳食纖維。

3 米糠膳食纖維的改性

脫脂米糠是米糠油加工的副產(chǎn)物，是SDF和IDF的良好來源。二者均具有較高的生物功能活性，IDF不適合用作食品配料，因?yàn)镮DF會(huì)產(chǎn)生令人不適的口感，SDF比IDF更適用于食品中。膳食纖維生理功能的顯著性與SDF和IDF的比例有很大關(guān)系，合理的含量之比為1∶3左右。平衡的膳食纖維組成要求SDF含量占總膳食纖維的10%以上，但米糠膳食纖維源中的SDF所占的比例往往不超過10%，無(wú)法達(dá)到膳食平衡的要求，這就需要對(duì)米糠膳食纖維進(jìn)行改性，提高SDF的含量以更好地發(fā)揮其生理功能[26]。改性目的是使膳食纖維中大分子成分的連接鍵斷裂，轉(zhuǎn)變成小分子組分；同時(shí)將部分不溶性成分轉(zhuǎn)變成可溶性成分；使致密的空間網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻木W(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)。

3.1 化學(xué)法改性

化學(xué)法改性較普遍，多利用酸堿等化學(xué)試劑處理，可部分改變膳食纖維的結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)良的性質(zhì)和功能[27]。酸堿處理都能使水溶性膳食纖維含量得到較大的提高，其中以堿處理效果更好。但由于酸堿處理存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，副反應(yīng)較多，工藝過程復(fù)雜，溫度較高，對(duì)設(shè)備的要求也較高等不足，因此在一定程度上限制了該方法的使用。

3.2 物理法改性

物理法改性米糠膳食纖維主要包括超細(xì)粉碎、超聲、微波、擠壓蒸煮，還有學(xué)者使用超濾技術(shù)純化可溶性米糠纖維[28]。Wan等[29]發(fā)現(xiàn)經(jīng)超濾純化的可溶性米糠膳食纖維溶液比未純化的可溶性米糠膳食纖維可溶組分具有更高的黏度和可溶性固形物含量，超濾法顯著降低了可溶性米糠纖維溶液的礦物質(zhì)含量。李倫等[30]采用超微粉碎對(duì)脫脂米糠膳食纖維進(jìn)行處理，隨著超微粉碎程度的加強(qiáng)，粒徑不斷減小，膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力均有顯著提高，纖維素含量基本保持不變，部分半纖維素轉(zhuǎn)化成水溶物。顆粒的微細(xì)化使得纖維的比表面積和孔隙率增加，功能性和口感都得到了改善[31]。劉婷婷等[32]采用雙螺桿擠出技術(shù)對(duì)米糠進(jìn)行處理，當(dāng)擠出溫度170 ℃、含水量35%、物料粒度為0.178 mm時(shí)，米糠可溶性膳食纖維得率可達(dá)到20.8%，明顯提高了SDF的含量，增強(qiáng)了其生理功能，并改善了口感。物理改性技術(shù)對(duì)環(huán)境沒有污染，有利于保持食品的質(zhì)地、色澤和風(fēng)味，可以顯著減小粒徑，提高膳食纖維可溶性成分的比例，增強(qiáng)各種功能特性，為膳食纖維在食品領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

3.3 生物改性

3.3.1 酶法

目前應(yīng)用的膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶等。郭天時(shí)等[33]用木聚糖酶對(duì)經(jīng)過超微粉碎處理后的脫脂米糠膳食纖維(DRBDF)水解使其改性，可溶性膳食纖維的含量得以增加。經(jīng)改性后的米糠膳食纖維，其持水力、持油力分別為改性前的1.18倍和2.04倍，溶脹力降低為原來的79%。

3.3.2 發(fā)酵法

閔鐘熳等[34]以米糠粕為原料，枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)B4為發(fā)酵菌種，發(fā)酵提取可溶性膳食纖維，結(jié)果表明SDF得率顯著提高，直接證實(shí)了微生物發(fā)酵法是一種高效可行的改性膳食纖維的方法，為生產(chǎn)高活性膳食纖維提供了有效的途徑。她還以米糠粕為底物，采用黑曲霉對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵，研究提高米糠粕中SDF提取率的工藝條件以及發(fā)酵前后SDF結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的變化[35]。微生物發(fā)酵法實(shí)現(xiàn)了微生物產(chǎn)酶和酶解過程的統(tǒng)一，省去了酶制劑在生產(chǎn)過程中的分離純化工藝，大大降低了生產(chǎn)成本，該法具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

4 應(yīng)用與前景

米糠膳食纖維可添加在面制品、米制品、焙烤食品、肉制品和飲料中[36]，只要添加量合適，并不影響食品的外觀與風(fēng)味。周艷青等[37]通過添加不同量的米糠膳食纖維，研究米糠膳食纖維對(duì)掛面食用品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，添加4%以內(nèi)的米糠膳食纖維可使掛面保持相對(duì)較好的食用品質(zhì)。向忠琪等[38]研究了米糠膳食纖維添加量對(duì)鮮濕米粉食用品質(zhì)的影響，適當(dāng)添加米糠膳食纖維可以提高鮮濕米粉的質(zhì)構(gòu)特性和蒸煮特性，米糠膳食纖維添加量不超過6%時(shí)對(duì)鮮濕米粉的感官品質(zhì)沒有顯著影響。米糠膳食纖維不超過2%時(shí)，可使鮮濕米粉具有良好的質(zhì)構(gòu)特性、蒸煮特性和口感。Irakli等[39]研究了穩(wěn)定化米糠添加到小麥面包中對(duì)其品質(zhì)特性、營(yíng)養(yǎng)成分和抗氧化能力的影響，隨著添加量的增加，蛋白質(zhì)、脂肪、總膳食纖維含量以及面包的顏色和硬度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。添加了米糠膳食纖維的面包比未添加的含有更高水平的維生素E、酚含量和抗氧化活性，感官評(píng)價(jià)表明膳食纖維添加量低于10% 時(shí)不影響面包的色澤和質(zhì)地。膳食纖維由于其水和脂肪結(jié)合的特性，還可用于肉制品中以提高蒸煮量，并改善質(zhì)地[40]。Choi等[41]向法蘭克福香腸中添加米糠膳食纖維，結(jié)果表明添加米糠膳食纖維改善了香腸的風(fēng)味，同時(shí)也使得香腸具有良好的質(zhì)地特性，當(dāng)米糠纖維添加量為2%時(shí)降低了香腸的水分、灰分、碳水化合物、能量值和蒸煮損失。此外，膳食纖維飲料在歐美已風(fēng)靡多年，我國(guó)在膳食纖維飲料的研制方面也加快了腳步。隨著人們消費(fèi)觀念從量需到質(zhì)需的轉(zhuǎn)變，消費(fèi)者對(duì)健康的投資比重越來越大，研制出適合中國(guó)人飲食習(xí)慣的米糠食品無(wú)論對(duì)發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品的深加工，還是豐富食品市場(chǎng)，提高國(guó)民健康素質(zhì)，增加商家收益都將帶來可觀的效益?？v觀全球的局勢(shì)，膳食纖維類產(chǎn)品廣受重視，米糠作為膳食纖維的良好來源，具有擁有廣闊的研究及應(yīng)用前景。