米糠蛋白物理改性和提取的研究進(jìn)展

徐云飛，陳兆君，閆寶軍，那治國

（1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028；2. 黑龍江東方學(xué)院 食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150066）

米糠蛋白是一種低成本且優(yōu)質(zhì)的植物蛋白，是從價(jià)廉的米糠中提取出來的，含量約是精米的1 倍?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，米糠蛋白屬于一種低過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營養(yǎng)價(jià)值、功能特性及市場價(jià)值。同時(shí)在脫脂米糠中發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的含量相對(duì)較高，可達(dá)到18%以上，也是低變應(yīng)原性蛋白質(zhì)很好的來源，而且在米糠蛋白質(zhì)分離物和蛋白質(zhì)水解物的生產(chǎn)中，脫脂米糠粉也可以起到很好的作用。然而，實(shí)際情況是大部分米糠在我國僅作動(dòng)物飼料應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)較低，資源利用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重，米糠及米糠蛋白的經(jīng)濟(jì)效益和市場價(jià)值沒有完全發(fā)揮。從米糠蛋白的組成成分、營養(yǎng)特性和功能特性出發(fā)，對(duì)米糠蛋白的物理改性方法和多種提取方法進(jìn)行系統(tǒng)介紹，對(duì)增加米糠的市場價(jià)值及米糠蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 米糠蛋白

1.1 組成成分

針對(duì)米糠蛋白的溶解性和萃取性而言，米糠中的蛋白質(zhì)主要可分為清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白4 種[1]。其中，清蛋白易溶于水，且在米糠蛋白中含量最高約占40%，生物學(xué)價(jià)值也最高，而且極易被人體吸收和利用。球蛋白含量相對(duì)較多且溶于稀鹽溶液，其含量約35%，球蛋白不含賴氨酸，含有一定量的胱氨酸和蛋氨酸，生理作用主要在萌發(fā)期發(fā)揮。醇蛋白是含量最低的貯藏蛋白且溶于醇溶液，在米糠蛋白中僅占4%左右，其中谷氨酸是谷物內(nèi)氮代謝的主要氨基酸，精氨酸是谷物生長代謝的主要氨基酸，甘氨酸和丙氨酸是醇蛋白中含量較高的氨基酸之一，而且為谷物提供氮、碳和硫的儲(chǔ)存[2]。谷蛋白是稻谷中蛋白質(zhì)的主要構(gòu)成成分，溶于酸堿溶液，其含量為11%~30%，變化較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一種高分子量的化合物且不溶和，難以從麩皮中提取出來[3]。

1.2 營養(yǎng)特性

米糠蛋白具有氨基酸組成結(jié)構(gòu)合理、生物效價(jià)高和低過敏性的營養(yǎng)特性，其生物效價(jià)與牛奶酪蛋白高度相似，蛋白質(zhì)消化率校正氨基酸評(píng)分為0.90，蛋白效率比為2.0~2.5，消化率大于90%，具有良好的生物價(jià)值和消化率[4]。由此可見，米糠蛋白的生物學(xué)功能和消化率普遍優(yōu)于其他谷物蛋白。大豆蛋白和花生蛋白是目前公認(rèn)的低敏感性植物類蛋白，但其中多少都含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子，不利于人體的吸收，而米糠蛋白中不含抗?fàn)I養(yǎng)因子，可以很好地在敏感人群中應(yīng)用。另外，它是唯一免過敏試驗(yàn)的谷類蛋白，可以普遍用于純蛋白質(zhì)產(chǎn)品、蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑和嬰兒配方奶粉開發(fā)中[5]。

1.3 功能特性

1.3.1 乳化性

乳化性屬于蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)，是指油和水混合在一起形成乳狀液的性能。蛋白質(zhì)的種類和結(jié)構(gòu)是影響乳化性的關(guān)鍵因素，另外時(shí)間、溫度、壓力、pH 值、堿性蛋白酶等也是其影響因素。溫度和壓力升高都可以提高米糠蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性[6]。Phongthai S 等人[7]發(fā)現(xiàn)米糠中堿性蛋白酶水解5.04%，可以顯著改善米糠蛋白的功能特性，特別是乳化性能。Zang X 等人[8]發(fā)現(xiàn)用水解3%的米糠蛋白制備的乳液最穩(wěn)定，且對(duì)米糠蛋白進(jìn)行一定程度水解可以增強(qiáng)其乳化性能。因此，如何改善其提取方法和提取條件，從而提高米糠蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性，也是今后學(xué)者們熱衷研究的課題方向。

1.3.2 溶解性

體現(xiàn)米糠蛋白功能特性最重要指標(biāo)是溶解性，溶解性的高低直接關(guān)系著米糠蛋白在生產(chǎn)中的實(shí)際價(jià)值?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，米糠中主要是堿溶性的蛋白質(zhì)，溶解性在pH 值為4 左右時(shí)最低，隨著pH 值的升高，其溶解性也越來越高。另外，對(duì)米糠蛋白進(jìn)行合理的高壓處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時(shí)，發(fā)現(xiàn)在pH 值為10 和pH 值為4 時(shí)分別觀察到最高和最低的蛋白質(zhì)溶解度。Zhu S M 等人[10]在研究高壓對(duì)米糠蛋白功能特性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)100 MPa 和200 MPa 的高壓處理會(huì)顯著提高米糠蛋白的溶解度，在500 MPa 時(shí)溶解度達(dá)到最大，超過500 MPa 反而會(huì)使溶解度降低。因此，合理的控制pH 值和壓強(qiáng)等外界條件，米糠蛋白的溶解性可以得到極大的改善，米糠蛋白的乳化穩(wěn)定性也得以提高，從而顯著增加米糠蛋白的提取率。

1.3.3 起泡性

起泡性屬于蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)，蛋白質(zhì)的起泡性和泡沫穩(wěn)定性對(duì)于食品的感官特性具有非常重要的作用[11]?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，米糠蛋白的起泡性與蛋白質(zhì)的乳化性和溶解性有直接影響關(guān)系，另外，溫度和時(shí)間等也是主要的影響因素。那治國等人[12]用蒸汽閃爆對(duì)米糠粕進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的起泡性和泡沫穩(wěn)定性都有顯著提高。Wu W 等人[13]發(fā)現(xiàn)米糠貯存時(shí)間的增加導(dǎo)致米糠球蛋白的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性、乳化活性和乳化穩(wěn)定性的降低。由此可見，提取工藝與米糠蛋白的起泡性有著密不可分的關(guān)系。

2 物理改性方法

2.1 超聲波處理

超聲波技術(shù)是一種新型的非熱物理處理技術(shù)，其機(jī)理歸因于熱、空化和機(jī)械功效，可導(dǎo)致蛋白質(zhì)的機(jī)械、物理或化學(xué)（生物化學(xué)） 屬性的改變[14]，是一種綠色、創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)[15]。根據(jù)使用方式可分為檢測超聲和功率超聲，一種是把超聲當(dāng)作信號(hào)使用的檢測超聲；另一種是當(dāng)作大功率超聲使用的功率超聲。在食品的提取、加工和巴氏滅菌中有廣泛的應(yīng)用，它的典型特點(diǎn)是能耗低、節(jié)約時(shí)間和水[16]。馬楠[17]采用超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)米糠蛋白進(jìn)行改性，通過米糠蛋白濃度、超聲功率、超聲時(shí)間和超聲溫度等單因素試驗(yàn)，并采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明，在米糠蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，超聲功率201 W，超聲時(shí)間10 min 和超聲溫度40 ℃的處理工藝條件下，米糠蛋白溶解度上升到64.30%，乳化性達(dá)到0.85 m2/g。因此，通過超聲處理可以提高米糠蛋白的溶解性和乳化性。

2.2 噴射蒸煮處理

噴射蒸煮處理是一種水熱加工技術(shù)，主要由水熱器、物料維持管道和冷卻系統(tǒng)組成。其中，水熱器運(yùn)用的原理是閃蒸技術(shù)，通過閃蒸原理產(chǎn)生的劇烈機(jī)械作用，使熱能從高溫蒸汽瞬間傳遞給混合物料。然后混合的高溫物料通過物料維持管道繼續(xù)保持作用。最后，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)后進(jìn)行物料收集。目前，噴射蒸煮處理方法在淀粉工業(yè)中的應(yīng)用，主要是利用水熱處理器的高溫和劇烈機(jī)械作用使淀粉完全分散并快速糊化，然后經(jīng)過酶的繼續(xù)分解，生成單糖與酒精[18]。另外，國外采用噴射蒸煮技術(shù)來提高蛋白質(zhì)提取效率和改善蛋白質(zhì)的功能特性。夏寧等人[18]采用噴射蒸煮處理能使難溶的米糠蛋白形成部分可溶的聚集體或者生成糖基化的產(chǎn)物，這提高了米糠蛋白的溶解度、起泡性、乳化性等。

2.3 超微粉碎技術(shù)

超微粉碎技術(shù)是近些年來快速發(fā)展的一種高新技術(shù)，其原理是通過機(jī)械或流體動(dòng)力等將固體物料進(jìn)行粉碎的技術(shù)，也是一門具有高科技含量的工業(yè)技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與醫(yī)療、食品、冶金和航空航天等領(lǐng)域。馬楠[19]利用超微粉碎技術(shù)處理米糠蛋白后發(fā)現(xiàn)其的乳化性從0.52 m2/g 上升到0.76 m2/g；經(jīng)超微粉碎技術(shù)處理的米糠蛋白的起泡性從52.30%上升到72.50%；蛋白的泡沫穩(wěn)定性從64.30%上升到83.50%；米糠蛋白的凝膠性從1.34 g 上升到2.56 g；米糠蛋白的黏度從2.31 mPa.s 下降到1.23 mPa.s。樣品的持水性和持油性在超微粉碎處理后均顯著上升。因此，超微粉碎技術(shù)對(duì)米糠蛋白的起泡性及泡沫穩(wěn)定性、凝膠性等影響顯著，超微粉碎技術(shù)對(duì)米糠蛋白的黏度及分散性呈顯著降低的趨勢。

2.4 動(dòng)態(tài)高壓微射流處理

微射流技術(shù)是在超高壓的作用下，經(jīng)過很微小孔徑的閥心，從而形成高倍音速的流體，以達(dá)到分散、均質(zhì)、乳化和納米顆粒等，微射流不需要額外的流源，射流直接來源于周圍流體，它是一種特殊的超高壓均質(zhì)形式。動(dòng)態(tài)高壓微射流處理技術(shù)（DHPM） 是以超高壓理論、流體力學(xué)理論、撞擊流理論為基礎(chǔ)的一種先進(jìn)的高壓加工技術(shù)，在液- 液相或液- 固相流體混合物料的剪切、破碎、均質(zhì)和膨化等工業(yè)生產(chǎn)方面有廣泛的應(yīng)用前景。馬楠[19]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)微射流處理的米糠蛋白的溶解度從39.40%上升到73.90%，乳化性從0.52 m2/g 上升到0.60 m2/g，起泡性從52.30%上升到70.40%，泡沫穩(wěn)定性從64.30%上升到78.30%，米糠蛋白的凝膠性從1.34 g上升到2.47 g。米糠蛋白的持水性、黏度及分散性在經(jīng)過微射流處理后呈顯著降低的趨勢，而持油性呈顯著上升趨勢。由此可見，微射流處理對(duì)米糠蛋白的溶解度、乳化性、凝膠性、起泡性及泡沫穩(wěn)定性影響顯著。

2.5 蒸汽閃爆處理

蒸汽爆破又叫汽爆（Steam Explosion），是利用蒸汽彈射原理對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行爆炸處理的一種技術(shù)。蒸汽閃爆法相對(duì)于堿煮、酶處理等方法，其過程環(huán)保高效，不僅避免了污染問題，還能有效解決生物處理效率低的問題，是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域最有前景的預(yù)處理技術(shù)。一般由蒸汽發(fā)生器、汽爆反應(yīng)器和接收器3 個(gè)部分組成，蒸汽爆破設(shè)備可分為間歇式和連續(xù)式2 種形式[20]。該方法在食品工業(yè)、生物能源、復(fù)合材料及纖維材料等方面已經(jīng)得到應(yīng)用。

蒸汽爆破技術(shù)的原理是利用飽和蒸汽處理物料，使得植物組織內(nèi)部的蒸汽分子和水分子瞬時(shí)釋放和迅速爆沸形成閃蒸，使短時(shí)間內(nèi)形成的能量密度高且集中，形成的機(jī)械能作用于生物質(zhì)組織細(xì)胞層間，從而達(dá)到單位時(shí)間內(nèi)做功最多，以達(dá)到用較少的能量使物料按目的分解。首先，對(duì)物料進(jìn)行高壓飽和蒸汽浸泡預(yù)處理，使得物料組織內(nèi)部形成高溫液態(tài)水，然后在高溫高壓下，對(duì)置于壓力容器內(nèi)的物料進(jìn)行保壓持續(xù)作用一段時(shí)間后，驟然在瞬間將全部物料卸壓，使得物料在飽和蒸汽的夾帶下瞬間噴出，在蒸汽壓力的快速釋放下瞬時(shí)完成做功并把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而對(duì)物料內(nèi)部的生物質(zhì)產(chǎn)生剪切力，達(dá)到破壞物料組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)[21]。那治國等人[22]研究發(fā)現(xiàn)蒸汽閃爆處理的高溫米糠粕及其分離蛋白受到了破壞，蛋白質(zhì)分子的表面結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和表面疏水性等理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，進(jìn)而顯著提高了高溫米糠粕的氮溶解指數(shù)。目前，蒸汽閃爆技術(shù)作為生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，應(yīng)用于生物體的氣化，以及食品、環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

3 米糠蛋白的提取

3.1 化學(xué)提取法

化學(xué)法主要是使用堿法從米糠中提取米糠蛋白，常用化學(xué)堿來提取蛋白質(zhì)，因?yàn)樵趬A性條件下米糠中的氫鍵、二硫鍵和酰胺鍵會(huì)被破壞，從而使米糠蛋白溶解，故可調(diào)節(jié)pH 值的大小，從而使米糠蛋白達(dá)到最大產(chǎn)率[23]。Paraman I 等人[24]采用堿法提取米糠蛋白時(shí)，隨著pH 值從9 增加到12，蛋白質(zhì)的提取率和含量顯著增加。雖然堿法能顯著提高米糠蛋白的提取效果，但在堿性條件下會(huì)使米糠蛋白變性，從而影響蛋白質(zhì)的功能品質(zhì)。因此，如何改善化學(xué)提取法來提高米糠蛋白的提取率，并減少工藝條件對(duì)米糠蛋白的不利影響，尋找或發(fā)展新的化學(xué)試劑是一個(gè)好的途徑。

3.2 酶法提取

酶法提取主要是利用糖化酶降解米糠中的纖維和細(xì)胞壁，使得淀粉鍵被破壞，從而提高蛋白的溶解度，以便于米糠蛋白的提取[25]。糖化酶主要包括纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶及其組合酶。另外，各種食品級(jí)的堿性內(nèi)切酶、復(fù)合風(fēng)味酶、復(fù)合內(nèi)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]發(fā)現(xiàn)使用植酸酶和木聚糖酶混合物提取米糠蛋白，能顯著提高米糠濃縮蛋白的蛋白質(zhì)含量。由此可見，酶提取法可以顯著提高米糠蛋白的提取率，但是當(dāng)下酶的成本相對(duì)較高，難以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

3.3 物理提取法

物理提取法是指利用膠體磨和均質(zhì)等來破碎米糠中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提取溶出來的米糠蛋白。另外，超聲處理、水熱蒸煮、微波和微流化等也是提取米糠蛋白的有效物理方法。米糠經(jīng)微粉碎和均質(zhì)并輔助其他方法，蛋白質(zhì)的提取率比單一方法顯著提高，而且米糠經(jīng)物理方法處理后，其蛋白質(zhì)溶出濃度也得以提高。張安寧等人[28]采用反復(fù)凍融輔助弱堿法提取米糠蛋白，使得米糠蛋白的提取率達(dá)到了63.07%，在試驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生冰晶，從而破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得細(xì)胞裂解并釋放出細(xì)胞內(nèi)的成分，而且還不會(huì)破壞蛋白的功能特性。因此，使用單一的物理法來提取米糠蛋白的效率不高，而且溶出組分分子量差別也很大，導(dǎo)致蛋白的殘留也較多，所以可以利用物理方法增加米糠蛋白提取率。

3.4 亞臨界水

亞臨界水提?。⊿WE） 是一種新型綠色且前景廣闊的提取技術(shù)，它是利用亞臨界水獨(dú)特的物理化學(xué)特性，從而將溶質(zhì)按極性由高到低萃取出來，并且可以做到連續(xù)提取。最開始是應(yīng)用于環(huán)境中有機(jī)污染物的萃取，隨著科技的發(fā)展，在天然產(chǎn)物、食品領(lǐng)域、生物活性物質(zhì)提取等得到廣泛的應(yīng)用。亞臨界萃取法提取米糠蛋白是在低溫條件下進(jìn)行，故不會(huì)破壞米糠蛋白的營養(yǎng)成分，且得率高，油脂品相也較好。Watchararuji K 等人[29]利用亞臨界水于220 ℃條件下提取米糠蛋白，提取率可以達(dá)到84%。目前，國內(nèi)有關(guān)亞臨界水萃取在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還不完善，且操作過程中溫度過高可能會(huì)對(duì)米糠蛋白的功能特性造成影響，所以，加強(qiáng)在該技術(shù)的理論體系和實(shí)踐應(yīng)用也是未來研究的熱點(diǎn)之一。

4 結(jié)語

米糠是稻米加工后形成的一種副產(chǎn)品，不僅價(jià)廉、營養(yǎng)豐富，而且也是一種可再生資源，我國米糠資源量大且面廣，每年都有1 000 萬t 以上的產(chǎn)量。但在我國，米糠的實(shí)際生產(chǎn)中利用率普遍較低，而且低效的米糠蛋白提取工藝和低程度的工業(yè)化生產(chǎn)，也是限制我國米糠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一大制約因素，使得米糠蛋白尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系。因此，進(jìn)一步開發(fā)高新技術(shù)和多種技術(shù)融合發(fā)展是未來米糠蛋白研究的一大方向，對(duì)米糠蛋白的改性方法和提取工藝進(jìn)行優(yōu)化完善，從而在數(shù)量和質(zhì)量方面讓米糠蛋白得到廣闊的發(fā)展前景，進(jìn)而使得米糠的現(xiàn)實(shí)意義及市場附加值得以完全體現(xiàn)，并在我國形成完整的米糠產(chǎn)業(yè)體系。