低蛋白調(diào)制大米的研究進(jìn)展

冀迎昕,鄭飏衣,李拖平，田宇軒,董墨思,李蘇紅

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院 遼寧沈陽 110866)

隨著人們生活水平的不斷提高、工作節(jié)奏的加快及人口老齡化的日趨嚴(yán)重,非傳染性慢性病如腎病、糖尿病等的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。慢性腎臟病(chronic kidney disease,CKD)患者占全球總?cè)丝诘?4.3%左右,目前我國腎病的發(fā)病率已高達(dá)10.8%。由此可見,慢性腎病已成為威脅人類公共健康的主要疾病之一[1-2],而現(xiàn)有的治療方法費(fèi)用昂貴或?qū)ι眢w有一定損傷。因此需要研發(fā)新的更有效、更能讓腎病患者接受的治療方法。近幾年研發(fā)的新型低蛋白主食產(chǎn)品既能延緩病情提高營養(yǎng)攝入,又能減輕患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),日益受到大眾的關(guān)注。

腎病患者因?yàn)樵诘鞍踪|(zhì)代謝方面存在障礙,所以對每日攝取蛋白質(zhì)的量有很嚴(yán)苛的限制,一般為0.6～0.8 g/(kg·d),其中優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)應(yīng)占50%以上,可以考慮用動(dòng)物蛋白代替植物蛋白來提高優(yōu)質(zhì)蛋白攝入率[3]。按《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》要求,正常人每日攝取的蛋白質(zhì)含量為70～90 g/(kg·d)[4],由此可見正常人的飲食不適合腎臟病患者?；颊呙刻靻螐闹魇持袛z入的蛋白質(zhì)已基本達(dá)到限量,如果加上其他的飲食補(bǔ)充,就會產(chǎn)生過多蛋白質(zhì)分解代謝產(chǎn)物,進(jìn)而增加腎的負(fù)擔(dān),最終加重病情。但過度限制其他蛋白質(zhì)的攝入會減少患者飲食的多樣性,無益于患者的營養(yǎng)平衡和身心健康。普通大米的蛋白質(zhì)含量為4%～8%,對于腎病患者來說食用谷蛋白含量超過4%會導(dǎo)致氨中毒,不適合長期食用[5]。而一些低蛋白食品價(jià)格高、口味差,難以堅(jiān)持食用。目前國內(nèi)對低蛋白大米及其食療作用的認(rèn)識幾乎是空白,如何使大米中蛋白質(zhì)含量降至最低,同時(shí)最大限度地保持其原有的質(zhì)構(gòu)和口感,日益成為研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。因此研制符合腎病患者消費(fèi)需求和飲食習(xí)慣的低蛋白調(diào)制大米具有非常重要的意義。

本文綜述了國內(nèi)外通過育種栽培、物理方法、化學(xué)方法、生物技術(shù)降解等降低普通大米中蛋白質(zhì)含量的研究方法,并分析了低蛋白米的研究趨勢以及市場前景。

1 大米蛋白存在形式與特點(diǎn)

水稻籽粒主要食用部分為胚乳。大米胚乳中淀粉約占80%,蛋白質(zhì)約占4%～8%,還包括少量礦物質(zhì)、脂肪、水分、纖維素等。按照存在形式分類,大米蛋白主要分為貯藏蛋白和生物活性蛋白。貯藏蛋白包括谷蛋白、醇溶蛋白,生物活性蛋白包括清蛋白、球蛋白[6]。四種大米蛋白的特點(diǎn)及基本性質(zhì)如表1所示。

表1 大米蛋白分類Table 1 Classification of rice protein

在大米胚乳中，蛋白與淀粉的結(jié)合形式如圖1所示,其中淀粉為球形或者橢圓形的復(fù)合淀粉粒,蛋白質(zhì)緊密包裹在外;蛋白主要影響大米的結(jié)構(gòu)、功能和營養(yǎng)特性,但國內(nèi)外關(guān)于其機(jī)理的相關(guān)研究還很少[7-8]。蛋白質(zhì)主要以PB-Ⅰ和PB-Ⅱ兩種聚合體形式存在。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),PB-Ⅰ(Large-spherical/Small sperical)呈片狀,表面有許多核糖體,半徑為0.25～1 μm,并伴有醇溶蛋白;PB-Ⅱ(Crystalline)呈橢球形,質(zhì)地均勻且不分層,表面沒有核糖體,半徑約為2 μm,聚合體的外周膜不明顯。PB-Ⅰ和PB-Ⅱ的含量分別為20%～25%、60%～65%,其中還有10%～15%的谷蛋白和球蛋白。兩種聚合體常同時(shí)存在[9-10]。

圖1 水稻胚乳蛋白體亞糊粉層和淀粉粒結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.1 Schematic structure of rice protein bodies and compoundstarch granule in the endosperm subaleurone layer[6]

大米蛋白質(zhì)在胚乳中的分布存在一定規(guī)律性,從蛋白質(zhì)總量看,胚內(nèi)多于胚乳,從米粒外層到內(nèi)層含量逐漸降低;從蛋白質(zhì)分布看,清蛋白、球蛋白的比例在其外層最高,越往中心越低,而谷蛋白的含量恰好相反,醇溶蛋白在稻米中均勻分布[19]。在米糠、精糠和大米中,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的比率分別是37∶36∶5∶22、30∶14∶5∶51、5∶9∶3∶83[20]。

綜上所述,大米蛋白的種類、性質(zhì)、含量及分布的多樣性都可能會影響處理大米的降蛋白程度、大米粒的通透性和整米性。因此研制低蛋白米需要根據(jù)蛋白的特殊性采用相應(yīng)的方法去除,才能達(dá)到更好的降蛋白效果。

2 降低大米蛋白含量的調(diào)制方法

2.1 育種栽培法

日本在“日本優(yōu)”突變水稻中發(fā)現(xiàn)一株突變系,其種子中可吸收蛋白含量低于其他普通水稻品種;誘變該水稻的種子培育出“LGC-1”水稻,發(fā)現(xiàn)其可吸收蛋白含量低于4%;由于低谷蛋白、高醇溶蛋白的性狀決定于同一個(gè)顯性基因,所以在降低可吸收蛋白(谷蛋白)的同時(shí),該大米的醇溶蛋白含量高于普通大米,但過多的醇溶蛋白會影響大米的原有口感[21];對“LGC-1”進(jìn)行飲食療法臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),受試患者蛋白質(zhì)的攝入和血清肌酐都有降低的現(xiàn)象,證明該低蛋白水稻所產(chǎn)的大米適合腎病患者食用[22]。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所以“LGC-1”為母本,以本國水稻為父本雜交、回交,獲得低蛋白含量的“W3660”水稻[23]。經(jīng)檢測,該米蛋白質(zhì)含量為6.83 g/100 g，其中可溶性蛋白含量較低為3.58%,食用該米既能保證人體正常熱量供應(yīng)的需要,又能減少蛋白質(zhì)和磷的吸收;以該米對慢性腎功能不全的患者進(jìn)行臨床治療,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組患者的血鉀、血清白蛋白、血清尿素氮、血清肌肝、血脂、二氧化碳結(jié)合力在試驗(yàn)前后沒有明顯變化,但是GSRA評分變化顯著改善,說明該水稻可以作為腎功能衰弱患者的主食并能改善患者的胃腸道狀況。但雜交種子成本高,降蛋白程度低,而且栽插密度、品種特性、土壤、田間管理等因素都會影響水稻的產(chǎn)量,所以經(jīng)過誘變育種研制的水稻在實(shí)際的種植應(yīng)用中仍有一定的局限性[24]。

2.2 物理方法降低大米蛋白含量

2.2.1 重組質(zhì)構(gòu)法 大米中的蛋白與淀粉結(jié)合緊密,并且含量較高的谷蛋白主要分布在大米中心,因此一般的處理方法只能處理掉大米表面的蛋白,而且處理試劑難以進(jìn)入大米內(nèi)部,所以降蛋白的效果不理想。如果將大米研磨破碎成粉,大米內(nèi)部的蛋白更容易與淀粉分離,使蛋白與酶更易結(jié)合,從而被降解成小分子溶出大米。重組質(zhì)構(gòu)法就是先將米粉碎、去蛋白,然后用分離蛋白后的大米淀粉或其他淀粉,經(jīng)過攪拌、調(diào)質(zhì)、擠壓重組制作出與大米形狀類似的產(chǎn)品,稱之為重組米或者工程米。國內(nèi)的一種以大米淀粉為原料制備的工程米蛋白質(zhì)含量為0.43%±0.01%[25];還有人利用擠壓技術(shù)研制出外觀、顏色與粳米相近的工程米;利用該米進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn),結(jié)果表明食用工程米的腎損傷小鼠，其體重大,且血肌酐、尿素氮、白蛋白水平低,表明工程米能在一定程度上保護(hù)腎臟[26]。工程米在國內(nèi)外應(yīng)用較為成熟,但其質(zhì)地和口感與普通大米還是有一定的差距。國內(nèi)市售工程米與普通大米相比,硬度小、粘附性大、固形物損失多,消費(fèi)者對工程米的評價(jià)和接受度不高[27-28],因此目前的工程米尚不能滿足腎病患者長時(shí)間食用的需求。

2.2.2 其他物理方法 浸泡、水洗和亞臨界水水解法等也會降低大米蛋白。浸泡時(shí)間不同,大米蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)不同程度的降低;經(jīng)過27 ℃,水洗24 h 的大米蛋白含量由5.66%降低到3.65%[29];亞臨界水(sub-critical water)水解法能夠從脫脂米糠中溶出相對于傳統(tǒng)堿法更多的大米蛋白質(zhì)和氨基酸,原因可能為:高溫的反應(yīng)環(huán)境能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)的溶解;溫度升高會使電離常數(shù)增加,在有水合離子和氫氧離子共同存在的環(huán)境下,肽鍵會發(fā)生斷裂形成小分子蛋白質(zhì)和氨基酸[30]。以上方法可以作為未來降蛋白工藝的輔助方法。

2.3 化學(xué)方法降低大米蛋白含量

一定濃度的稀酸、稀堿溶液可以疏松蛋白的結(jié)構(gòu),而且谷蛋白易溶于其中,故利用此類溶液處理整粒大米可促進(jìn)大米中蛋白質(zhì)的溶出。

2.3.1 稀酸浸泡法 谷蛋白易溶于一定濃度的稀酸溶液。用不同濃度鹽酸溶液浸泡大米,蛋白質(zhì)含量最高降低了32.4%[31]。在酸浸溫度50 ℃,鹽酸濃度1.5 mol/L,酸浸時(shí)間24～30 h的條件下,大米中的蛋白溶出效果比較好。米的種類對降蛋白程度也有一定影響。經(jīng)過酸溶液浸泡,粳米蛋白比秈米蛋白更易溶出,且大米完整性更好[32]。合適的酸濃度和米的種類,對提高降蛋白率有很大的影響。但稀酸浸泡降解大米蛋白質(zhì)的方法效率不高,所以實(shí)際應(yīng)用不多。

2.3.2 稀堿浸泡法 稀堿浸泡降低大米蛋白的主要作用機(jī)理為:1.稀堿可以破壞蛋白分子中的一部分氫鍵,疏松淀粉與蛋白形成的緊密環(huán)狀結(jié)構(gòu);2.解離某些極性基團(tuán)，使蛋白分子表面產(chǎn)生相同的電荷,增加了蛋白的溶解性,使其與淀粉分離[33]。在一定范圍內(nèi),大米蛋白質(zhì)溶出率與堿液濃度呈正相關(guān),但增大到一定程度會發(fā)生淀粉糊化而增加溶液的粘度,最終降低蛋白質(zhì)溶出率[34]。利用不同濃度的堿液處理大米,蛋白溶出率可高達(dá)90%以上[35]。稀堿制取低蛋白大米的方法,成本較低,工藝簡單,分離效率高;但制作過程需要大量堿、水、酸,純化難度大,而且蛋白質(zhì)、淀粉在高堿性環(huán)境下也容易變性,美拉德反應(yīng)也會產(chǎn)生黑褐色物質(zhì),還會產(chǎn)生其他對人體有害的物質(zhì)如賴氨酰丙氨酸,會對腎臟造成損傷[36]。

2.4 生物技術(shù)降解大米蛋白

生物技術(shù)是制備低蛋白大米較為理想的手段,日本、中國陸續(xù)公開了一些采用酶解和發(fā)酵制備低蛋白米的相關(guān)專利[37]。目前我國消費(fèi)市場上流通的低蛋白大米產(chǎn)品主要是從日本進(jìn)口的采用生物技術(shù)方法生產(chǎn)的低蛋白大米,蛋白脫除率最高可達(dá)95%以上,其質(zhì)構(gòu)特征更接近于天然大米,可接受度高,患者食用依從性好[38]。目前生物技術(shù)降解大米蛋白的方法主要有蛋白酶降解、乳酸菌發(fā)酵降解及其他物理化學(xué)方法與酶的聯(lián)合作用。

2.4.1 蛋白酶法 蛋白酶法降低大米蛋白的原理是蛋白酶可以降解、修飾蛋白,使其形成可溶性肽而溶出大米[39-40]。按照酶作用方式不同,可以將蛋白酶分為兩類:外切蛋白酶和內(nèi)切蛋白酶。蛋白酶的酶切位點(diǎn)具有專一性。外切蛋白酶酶切肽鏈的游離羧基、氨基末端,水解肽鏈為游離氨基酸;內(nèi)切蛋白酶的專一酶切位點(diǎn)為肽鏈的內(nèi)部肽鍵,能將肽鏈切成分子量不同的多肽[41]。

常用蛋白酶的種類:中性蛋白酶,酸性蛋白酶,胃蛋白酶,堿性蛋白酶,復(fù)合酶。不同的研究結(jié)果,如表2所示,酸性蛋白酶和堿性蛋白酶對大米蛋白的降解有顯著效果。酸性蛋白酶能酶解部分蛋白質(zhì),而且溶液中的稀酸能加快蛋白質(zhì)本身的水解速度,因此酸性蛋白酶脫除大米蛋白的效果較優(yōu)[42]。堿性蛋白酶是一種內(nèi)切蛋白酶,能水解多種蛋白質(zhì),是一種高效細(xì)菌蛋白酶,酶切位點(diǎn)是絲氨酸,水解大米蛋白的最適pH為8.0;稀堿可以疏松淀粉緊密結(jié)構(gòu),并破壞以氫鍵為主的次級鍵,促進(jìn)淀粉與蛋白質(zhì)的分離,使蛋白酶更易與內(nèi)部底物結(jié)合,但稀堿條件下蛋白會變性。食品級酶制劑作用條件溫和,幾乎不產(chǎn)生有害物質(zhì),不易吸收的多肽鏈被水解為易消化吸收的短肽鏈,減少了酸堿、水的消耗量[43]。

表2 蛋白酶對大米蛋白降解作用的不同研究Table 2 Different studies on the degradation of rice protein by protease

2.4.2 純種乳酸菌發(fā)酵法 乳酸菌發(fā)酵是一種傳統(tǒng)的谷物類食品的加工方法,可以改變食品質(zhì)構(gòu)、改善風(fēng)味和口感,豐富產(chǎn)品營養(yǎng)。在大米制品的應(yīng)用中主要用于將經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵后的大米制成米粉,其蛋白質(zhì)和脂肪含量都較低,且柔韌耐煮,口感彈滑[48]。近年來,在不破壞大米外觀結(jié)構(gòu)和口感的前提下，利用純種乳酸菌發(fā)酵整粒大米降解其中的蛋白質(zhì)開始受到關(guān)注。

乳酸菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量的乳酸能降低發(fā)酵液的pH,有利于部分蛋白質(zhì)的溶出,同時(shí)起到防腐作用;乳酸菌釋放的蛋白酶將蛋白質(zhì)水解成為小分子肽或者氨基酸而溶出大米;發(fā)酵可能會激活大米胚乳中的少量淀粉酶部分水解淀粉,釋放與其緊密結(jié)合的蛋白質(zhì),促進(jìn)蛋白的降解[49]。乳酸菌發(fā)酵制備低蛋白大米技術(shù)的關(guān)鍵是發(fā)酵菌種的篩選,不同乳酸菌發(fā)酵降蛋白的效果差異很大。利用五種乳酸菌對大米進(jìn)行發(fā)酵處理,發(fā)現(xiàn)米粒完整性被破壞,且大米中的蛋白質(zhì)含量沒有明顯的降低[42];利用植物乳桿菌對整粒大米進(jìn)行發(fā)酵處理,120 h后蛋白質(zhì)含量可降低40%[50];日本“木德神糧”低蛋白米利用從大米自然發(fā)酵物中分離的植物源乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵,大米蛋白降低至0.97%,表明植物來源的乳酸菌在大米發(fā)酵降蛋白中顯現(xiàn)了更好的效果[51]。利用植物乳酸菌M616發(fā)酵制備酸面團(tuán),發(fā)現(xiàn)每種蛋白隨著發(fā)酵的進(jìn)行含量逐漸減少。其中可溶性蛋白和麥谷蛋白的降解最為明顯,醇溶蛋白含量在0～10 h呈現(xiàn)先增后減趨勢[52]。

國外的一些研究發(fā)現(xiàn)利用某些聲波、凍結(jié)-融化、酸堿浸泡法等物理化學(xué)方法能疏松淀粉與大米蛋白的緊密結(jié)構(gòu),再結(jié)合酶處理溶出大米蛋白或米糠蛋白會取得更好的效果[53]。

3 結(jié)論與展望

腎臟疾病在全球呈現(xiàn)增長趨勢,低蛋白飲食作為一種既能適合患者長期食用,又能達(dá)到延緩腎病病情發(fā)展的有效食物療法,日益受到廣大研究者的關(guān)注。人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識營養(yǎng)療法(LPD等)延緩慢性腎臟病病程進(jìn)展的作用,而對低蛋白飲食卻了解很少,相應(yīng)的低蛋白產(chǎn)品也很少。研制低蛋白大米對于解決腎病患者飲食局限和豐富國內(nèi)低蛋白食品市場都具有非常重要的意義。隨著醫(yī)療水平的提高和醫(yī)學(xué)知識的宣傳,未來慢性腎臟病患者對低蛋白大米產(chǎn)品的需求也會隨之增大,低蛋白大米的市場前景可觀。

目前,針對整粒大米蛋白降解的研究尚不夠深入,本文綜述的方法值得借鑒和參考。不同方法降低大米蛋白的程度差異顯著,對大米食用品質(zhì)也會產(chǎn)生不同的影響。育種法能保證大米原有的外觀,但較多的醇溶蛋白會改變口感,且降蛋白程度有限,種植成本較高[22];工程米雖然能大幅度降低蛋白,但難以模擬原米的組織結(jié)構(gòu)及感官品質(zhì),米質(zhì)較軟、粘性較大[27-28];化學(xué)方法處理的大米,整米率較低,且通透性不好,稀堿浸泡還會使大米變黃,降蛋白程度低[31];生物技術(shù)降解能保持大米原有外型,口感更柔韌勁道,外觀透明度也比較好,米中蛋白留存率低[54],制備低蛋白大米具有突出的優(yōu)勢。有研究發(fā)現(xiàn),腎病患者對低蛋白飲食-植物乳桿菌發(fā)酵熟成米和麥淀粉重組米的依從性分別為81.5%和41.9%,表明發(fā)酵法制備的低蛋白米更易于被腎病患者接受，適于長期食用[55]。

低蛋白大米具有良好的發(fā)展?jié)撃?產(chǎn)品的制備工藝與品質(zhì)還有很大的提升空間。制備手段可以采用多技術(shù)聯(lián)動(dòng),優(yōu)勢發(fā)展環(huán)境友好的遺傳育種、生物技術(shù)等手段有效降低大米中蛋白含量;同時(shí)將關(guān)注點(diǎn)應(yīng)更多地放在如何提高產(chǎn)品的適口性,研究影響低蛋白米食味品質(zhì)的相關(guān)參數(shù);進(jìn)一步分析制備工藝與產(chǎn)品食味品質(zhì)形成的內(nèi)在關(guān)系;研究適宜于低蛋白米的蒸煮、干燥及其他熟制加工與保存方式;為腎病、糖尿病等特殊需要人群提供更多更好的低蛋白主食產(chǎn)品。