稻米及其加工副產(chǎn)物米糠中γ-谷維素研究現(xiàn)狀

高 琨，姜 平，譚 斌?，吳娜娜，翟小童，喬聰聰

（國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037）

水稻（Oryza sativa L.）是一種重要的大宗谷物，是全球一半以上人口的主食[1]，水稻收割后通過碾磨轉(zhuǎn)化為適合于人類食用的形式。在商業(yè)碾磨過程中，首先去除稻殼以生產(chǎn)糙米，糙米是由淀粉質(zhì)胚乳、胚芽和麩皮（包括糊粉）組成的全谷物，由于消費者的需求，糙米被進(jìn)一步碾磨為白米，這一加工過程中會伴隨大量營養(yǎng)物的損失。隨著世界人口的不斷增加，國際稻米研究機構(gòu)（International Rice Research Institute）預(yù)測到2025年全世界大米市場的消費量將達(dá)到8 億 t[2-3]。統(tǒng)計資料顯示，2020 年我國稻谷產(chǎn)量約為21 185萬 t，按照稻谷加工過程中產(chǎn)生約8%米糠量來推算，我國年產(chǎn)米糠約1 694 萬 t。米糠中含有豐富的脂肪、蛋白質(zhì)、纖維、礦物質(zhì)以及一些生物活性化合物，如維生素E（生育酚和生育三烯醇）和γ-谷維素等[4]，其中γ-谷維素的抗氧化活性是維生素E 的4 倍，具有降低膽固醇、抗炎、抗衰老、抗膽固醇活性、抗糖尿病、神經(jīng)保護(hù)、抗腫瘤等生理功能[5-6]。

目前歐洲、韓國、印度、日本、巴基斯坦等地區(qū)研究者一直關(guān)注稻米中 γ-谷維素含量的變化，包括不同品種、不同產(chǎn)地、不同加工精度以及不同加工方式對稻米中γ-谷維素含量的影響，我國在此方面的相關(guān)研究數(shù)據(jù)難以獲得。因此，應(yīng)加大此方面的研究力度以填補不足，為米制品及稻米深加工提供理論上的指導(dǎo)。

近年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對米糠γ-谷維素表現(xiàn)出了極大的興趣。由于γ-谷維素的高可用性及其生物活性潛力使得其在化妝品行業(yè)、營養(yǎng)和藥物領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力[7]。γ-谷維素這種化合物混合物也已被證明是開發(fā)功能性食品和穩(wěn)定脂肪和油脂的一種有前途的替代方法[8-9]，它在醫(yī)藥方面的應(yīng)用幾乎占市場總應(yīng)用的50%，其次是營養(yǎng)和化妝品的應(yīng)用。2014 年γ-谷維素市場需求量為11 520 t，預(yù)計到2022 年將達(dá)到18 598 t。日本是γ-谷維素最大的生產(chǎn)國，約占總產(chǎn)量的68%，而目前γ-谷維素商業(yè)化的主要公司有Oryza Oil &Fat Chemical、TSUNO 和Henry Lamotte Oil[10]。我國擁有如此豐富的具有高營養(yǎng)價值以及潛在保健價值的米糠資源，但目前卻未得到較好的利用，因此應(yīng)著眼國際和國內(nèi)市場合理布局，科學(xué)系統(tǒng)的研究米糠γ-谷維素提取技術(shù)及其在化妝品、保健品、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中的應(yīng)用，提升米糠的附加值，促進(jìn)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 γ-谷維素化學(xué)成分及分析方法

γ-谷維素是存在于米糠不皂化部分的生物活性化合物混合物[11]，它是植物甾醇或三萜醇的阿魏酯混合物，但95%的γ-谷維素僅由四種化合物組成：24-亞甲基環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯（24MCAF）、環(huán)戊烯基阿魏酸酯（CAF）、菜油甾醇阿魏酸酯（CampF）和β-谷甾醇阿魏酸酯（β-SF），結(jié)構(gòu)式如圖1 所示，其按豐度遞減順序排列[12]。γ-谷維素目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的分離和定量方法，但由于米糠中還含有少量的也能產(chǎn)生紫外吸收的游離阿魏酸及其酯類，會使紫外分光光度法測定的結(jié)果較高效液相色譜偏高，因此通常采用高效液相色譜（HPLC）對其進(jìn)行定量分析[9]，龔院生等[13]確定了米糠中γ-谷維素的HPLC 測定條件，以甲醇：乙腈：異丙醇（45∶50∶5）為流動相，檢測波長為327 nm。通過HPLC-MS、GC-MS 或核磁共振光譜（NMR）[14]對其進(jìn)行定性鑒定。

圖1 γ-谷維素主要組成的四種化合物結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structure formula of four main compounds of γ-oryzanol

2 目前國內(nèi)外對稻米γ-谷維素研究關(guān)注領(lǐng)域

2.1 品種、產(chǎn)地及環(huán)境因素對稻米γ-谷維素的影響

稻米中γ-谷維素主要的影響因素有品種、產(chǎn)地、遺傳多樣性、土壤情況、氣候條件等。Andreas[14]對30 個不同品種、不同產(chǎn)地、不同季節(jié)的糙米樣品進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)γ-谷維素含量在（26～63）mg/100 g 之間，γ-谷維素含量和阿魏酸酯組成有相當(dāng)大的差異。Bergman 和Xu[15]分析了2 個作物年、4 個不同地點生長的7 個水稻品種的γ-谷維素含量，得出年份和位置交互作用是γ-谷維素含量變化的主要因素，其次是品種和作物年。遺傳學(xué)在谷維素含量方面也起著重要作用，因為一些特定的等位基因可能會影響谷維素的富集[16-18]。Heinemann等[19]分析了32 個基因型的巴西秈稻和粳稻糙米，發(fā)現(xiàn)粳糙米中γ-谷維素的平均含量（246.3 mg/kg）顯著高于秈糙米（190.1 mg/kg）。張超等[20]研究發(fā)現(xiàn)稻花香長粒米比圓粒米γ-谷維素含量高，實驗采集樣品的五個地區(qū)間的谷維素含量存在明顯差異，這一結(jié)果與土壤有機質(zhì)含量均值呈正相關(guān)[12,21]。溫度或干旱等脅迫條件也可能是影響γ-谷維素含量的因素[22]，在溫帶氣候條件下，灌漿期間稻谷中γ-谷維素濃度隨溫度升高而升高，Lemus[23]指出不同基因型、生長環(huán)境及作物年對水稻γ-谷維素含量影響顯著，而黑色和紅色水稻品種間γ-谷維素含量無明顯差異。這些研究結(jié)果將有助于提高水稻γ-谷維素含量，并為稻米培育品種創(chuàng)造新的價值[24]。

目前文獻(xiàn)報道[20]發(fā)現(xiàn)歐州地區(qū)糙米γ-谷維素含量在（23～63）mg/100 g，韓國地區(qū)糙米的谷維素含量變化為（26.7～61.6）mg/100 g，印度地區(qū)糙米的γ-谷維素含量為（50～72）mg/100 g，巴基斯坦地區(qū)糙米的γ-谷維素含量為（24.6～33.0）mg/100 g，日本地區(qū)糙米的 γ-谷維素含量為（46.9～48.2）mg/100 g，然而我國稻米中γ-谷維素含量的數(shù)據(jù)情況卻并不清楚，因此應(yīng)關(guān)注這一領(lǐng)域數(shù)據(jù)的測定與收集，以填補此研究領(lǐng)域的空白。

2.2 加工精度對稻米γ-谷維素的影響

碾磨會導(dǎo)致稻米中微量營養(yǎng)素的大量損失，但目前很少有人關(guān)注到加工精度對稻米中γ-谷維素含量變化的影響。Tuncel 等[25]研究了稻米米糠、原始種子、糙米、未拋光米、白米及白堊米中γ-谷維素含量的變化及其抗氧化活性的變化，其γ-谷維素含量依次為3 296.50、454.60、408.90、152.69、26.12 和12.19 mg/kg，可以發(fā)現(xiàn)糙米經(jīng)加工變成白米后，γ-谷維素含量減少了約94%；抗氧化活性按米糠、原種、糙米、未拋光米、白米、白堊米這一順序逐漸減弱，這與γ-谷維素含量的順序一致。Butsat 和Siriamorpun[26]分析了從不同生長地點采集的泰國水稻品種的米糠、糙米、精米和稻殼，γ-谷維素含量分別為（3 430～5 380）、（410～950）、（200～330）、（60～160）mg/kg，也證實了由糙米到精米的加工過程中，γ-谷維素?fù)p失十分嚴(yán)重。因此從γ-谷維素營養(yǎng)保持這一角度來看應(yīng)大力提倡全谷物糙米的推廣食用以及稻米的適度加工。

2.3 加工方式對稻米γ-谷維素的影響

目前稻米的主要加工方式有蒸煮、發(fā)芽萌動、擠壓膨化、發(fā)酵等，不同加工方式對活性物質(zhì)的含量及活性的影響不一[27]。通過研究活性物質(zhì)在不同加工過程中的變化情況，分析其影響因素并反向調(diào)控加工條件，最終使活性成分在加工過程中受到最小影響，這對指導(dǎo)開發(fā)富含活性物質(zhì)的稻米制品具有重要意義。

張君等[28]研究發(fā)現(xiàn)蒸煮對糙米中γ-谷維素含量有較大的影響，其次是米粉加工，影響最小的是擠壓膨化，糙米蒸煮后 γ-谷維素的損失率為59.14%，米粉加工后損失率為3.43%，而擠壓膨化后γ-谷維素含量反而增加了7.14%。這也與馮山山[29]、Pascual[30]的研究結(jié)果相一致，他們研究發(fā)現(xiàn)高溫蒸煮過程中γ-谷維素會有約40%的損失。Tsuneo K[31]研究結(jié)果顯示稻谷種子發(fā)芽處理后的糙米和精米中 γ-谷維素濃度并沒有增加。Hyun Young Kim[32]研究發(fā)現(xiàn)稻谷和糙米發(fā)芽后，γ-谷維素含量分別增加了1.13 倍和1.2 倍，芽中γ-谷維素含量為9.91 mg/g，推測稻粒萌發(fā)主要使胚中γ-谷維素含量增加。目前有研究顯示通過乳酸菌、雙歧桿菌及米曲霉等有益微生物的發(fā)酵可以顯著提高糙米的生物學(xué)活性[33-35]，使得發(fā)酵糙米制品對腸道腫瘤及糖尿病等慢性疾病有良好的防治效果[36-38]，而對其營養(yǎng)成分的研究主要集中在發(fā)酵后總酚含量、黃酮含量、酚酸含量及γ-氨基丁酸含量的變化情況方面[39-40]，而對γ-谷維素含量的研究甚少，由于γ-谷維素含量與抗氧化活性之間有著顯著的相關(guān)性，因此今后的研究中也應(yīng)關(guān)注到發(fā)酵對糙米γ-谷維素含量的影響。

3 目前國內(nèi)外對米糠γ-谷維素研究關(guān)注領(lǐng)域

3.1 不同處理方式對米糠γ-谷維素含量的影響

目前對于米糠的處理方式主要集中在穩(wěn)定化方法的研究（擠壓膨化及紅外加熱方法等）以及發(fā)酵高產(chǎn)技術(shù)的研究。Shin 等[41]研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化對米糠中γ-谷維素含量的影響較小，米糠經(jīng)140 ℃、60 min 的擠壓處理后，只有10.8%的γ-谷維素?fù)p失。王勁松等[42]研究了不同膨化條件對米糠主要營養(yǎng)成分的影響，結(jié)果表明，隨著膨化溫度的升高，米糠中γ-谷維素的含量會有所升高。紅外加熱（600 W，5 min）對米糠γ-谷維素含量的影響不顯著[43]，而且紅外加熱的耗能與擠壓膨化大致一樣，因此這兩種方法在米糠的穩(wěn)定化應(yīng)用方面都是值得肯定的。

發(fā)酵可以通過有效降解部分物質(zhì)將結(jié)合態(tài)形式存在的活性物質(zhì)釋放出來，提高產(chǎn)量及功能活性[44]。Tae-Dong Jung 等[45]用香菇菌絲對21 個韓國品種米糠進(jìn)行發(fā)酵，研究發(fā)現(xiàn)Migwang 這一品種米糠發(fā)酵后γ-谷維素含量最高（294.77±6.74）mg/100 g，米糠γ-谷維素水平的生物轉(zhuǎn)化變化不顯著，但不同品種間γ-谷維素所占比例存在顯著差異。Massarolo[46]等首次評價了米根霉固態(tài)培養(yǎng)時間對米糠中γ-谷維素回收率及其抗氧化性能的影響，旨在提供一種替代食品配方中合成抗氧化劑的天然提取產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)米根霉發(fā)酵可以增加米糠中γ-谷維素含量，米糠發(fā)酵48 h 后γ-谷維素含量由13.54 mg/g 增加到20.52 mg/g，提高了0.5 倍。因此應(yīng)加大發(fā)酵法增產(chǎn)γ-谷維素技術(shù)的研究力度，以期為富含γ-谷維素的發(fā)酵物梯度開發(fā)及深度利用提供數(shù)據(jù)及參考。

3.2 米糠γ-谷維素提取技術(shù)的研究

米糠是γ-谷維素的最佳來源[25]。目前，我國對米糠中 γ-谷維素提取技術(shù)有著一定的研究基礎(chǔ)，其提取技術(shù)主要有弱酸取代法、多溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、低溫結(jié)晶法、陰離子膠束沉淀法、制備液相分離法、吸附法、膜富集法及分子印跡法等[47-48]。一些主要提取方法的提取原理、優(yōu)缺點等如表1 所述，其中國內(nèi)工廠目前采用最多的還是弱酸取代法，它的優(yōu)點是工序少、設(shè)備簡單，成本低，產(chǎn)品質(zhì)量好，缺點是甲醇損耗較多，得率不高；而日本近些年廣泛使用的方法是多溶劑萃取法和吸附法，它的優(yōu)點是谷維素得率和純度都較高，缺點是工藝較復(fù)雜，設(shè)備要求高，成本較高。

表1 γ-谷維素主要提取方法的原理及其優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of main extraction methods of γ-oryzanol

對于傳統(tǒng)的溶劑提取法，提取方法和提取溶劑是影響提取效率及其生物活性的關(guān)鍵因素[57]，Kumar 等[58]發(fā)現(xiàn)二氯甲烷和乙酸乙酯的萃取能力優(yōu)于正己烷、異丙醇和丙酮，而Butsat 等[26]卻發(fā)現(xiàn)丙酮是最佳的提取溶劑，Pramod 等[59]研究發(fā)現(xiàn)甲醇是提取γ-谷維素最有效的溶劑，微波法輔助提取可以減少溶劑用量。因此針對不同的提取方法應(yīng)選擇其合適的提取溶劑。目前國內(nèi)外學(xué)者對米糠中γ-谷維素的提取方法主要集中在超臨界流體萃取法的工藝研究上[60-64]，超臨界流體萃取方法可以最大限度地在不破壞提取物的結(jié)構(gòu)性的前提下做到高效綠色分離，有著較好的工業(yè)化基礎(chǔ)[60]。

由于較低得率及低米糠油精煉率使得目前米糠γ-谷維素的提取仍處于一個比較尷尬的處境，而隨著多學(xué)科間深入的交叉滲透，米糠γ-谷維素提取技術(shù)也出現(xiàn)了許多有意義的思路和方法，如陰離子膠束沉淀法、制備液相分離法、膜富集法及分子印跡法等，雖然這些方法在實驗室取得了不錯的提取效果，但是進(jìn)入工廠規(guī)模化生產(chǎn)還有很長的路要走。為了振興中國米糠加工行業(yè)，廣大科研工作者及企業(yè)家應(yīng)在γ-谷維素提取方法改進(jìn)方面深入研究，如混合油堿煉的工業(yè)應(yīng)用、溶劑萃取法、超臨界流體萃取法以及同步制備γ-谷維素及其它活性物質(zhì)的米糠綠色發(fā)展利用新工藝，都需要進(jìn)一步研究應(yīng)用，將具有非常好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4 展望

我國稻米資源豐富，如何合理設(shè)計稻米加工、開發(fā)利用稻米加工副產(chǎn)物已成為稻谷加工業(yè)亟待解決的重點和難點。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均對稻米及米糠γ-谷維素這一具有多種生理活性的物質(zhì)表現(xiàn)出了越來越大的興趣，其具有巨大的市場需求量，應(yīng)用潛力巨大。

因此，加強我國稻米加工副產(chǎn)物活性組分的分離，開發(fā)與梯度增值利用，延伸我國稻米加工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品鏈與價值鏈，拓展其在不同領(lǐng)域的多元化應(yīng)用，對糧食加工產(chǎn)業(yè)的節(jié)糧減損、健康中國及高質(zhì)量發(fā)展等多方面具有非常重要的戰(zhàn)略意義。我們應(yīng)在我國稻米 γ-谷維素含量的數(shù)據(jù)采集、稻米適度加工、應(yīng)用擠壓膨化、發(fā)芽及發(fā)酵技術(shù)開發(fā)糙米制品及米糠γ-谷維素的高效提取方法及其在化妝品、保健品、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中的應(yīng)用方面加大研究力度，為米制品及稻米深加工提供理論上的指導(dǎo)，提升稻米制品的營養(yǎng)健康水平，提升米糠的附加值，促進(jìn)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。