米糠蛋白提取及其应用研究进展

吕 飞 许 宙 程云辉

LV Fei XU ZhouCHENG Yun－hui

（长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410114）

（College of Chemistry and Biology Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410114，China）

米糠是由果皮、糊粉层、亚糊粉层、种皮、珠心层、胚芽和一小部分胚乳组成［1］，在实际生产中，产生的米糠通常还混有大米胚芽和碎米［2］。米糠约占稻谷的6%～8%，按2013年中国稻谷总产量约2.03×108t计算，所产生的米糠副产物每年近1.4×107t［3］。从营养效价上来看，米糠的重量虽然仅为稻米总重的6%～8%，却含有稻米中64%的重要营养成分以及90%以上的人体必需元素［4］。

米糠中含有约12%～16%的蛋白质，米糠蛋白的氨基酸组成与FAO／WHO推荐模式相似，其生物效价为2.0～2.5、消化率可达到90%；同时，米糠蛋白具有的低过敏特性，可以用来作为特殊人群特别是婴儿配方食品的食物原料，是不可多得的优质蛋白资源［5，6］。虽然早在20世纪70年代就已开展米糠蛋白提取和纯化方法的研究，然而历经40年，米糠蛋白的商业化生产及应用仍然没有实现。原因可能是因米糠蛋白的溶解性质复杂，按Osborne分类方法，米糠蛋白中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的比例分别为37%，31%，2%，27%，很难有合适的单一提取方法。米糠蛋白的提取方法，主要有化学法、酶法及物理法［7］，文章综述了米糠蛋白的提取方法及在功能性食品、食品添加剂等领域的应用现状，以期为米糠蛋白的工业化生产与应用提供理论 参考。

1 米糠蛋白的提取

1.1 化学法提取

化学法提取法中，碱液提取法最常用，虽然复合使用其他溶剂的提取方法也有报道，这些溶剂包括水、盐、乙醇及NaOH溶液，但碱法提取是米糠蛋白化学提取方法中较为成熟的［8］。

碱液还可以切断蛋白中的氢键、酰胺键及二硫键，并可使一些极性基团解离，使蛋白质分子表面所带电荷相同，促使蛋白质与淀粉、纤维素等结合物质分离，从而增加蛋白质分子的溶解性。早在1966年，就有学者［8］采用碱法提取米糠蛋白；1980年，Barber等［9］研究发现从米糠中提取蛋白比从其他油料种子提取更难，需要较高的p H条件才能得到较高提取率。Yadav等［10］用碱法提取脱脂米糠中的蛋白，得到最优的提取条件为：p H 11，温度60℃，料液比1∶6（m∶V），反应60 min，此条件下提取率仅为13.2%。Gupta等［11］研究温度对碱法提取米糠蛋白提取率及蛋白含量的影响，发现在p H 9.5时，温度从30℃提高至75℃，可以使提取率从21%增加至48%，但是随着温度的升高，米糠蛋白含量从79.9%降低到71%。Bandyopadhyay等［12］将过80目筛的脱脂米糠原料采用碱提酸沉法提取米糠蛋白，在p H 10、温度50～55 ℃下提取时间1 h，再在p H 4.0、50～55 ℃下酸沉1 h，提取率为24.1%，得到的米糠蛋白（其蛋白含量为86.2%）。李坤等［13］在固液比为1∶10（m∶V）、温度50℃、p H 9.45、提取时间3 h的最佳提取条件下，得到蛋白提取率为53.7%。

从以上研究报道可知，即使进行了提取工艺条件的优化，单一碱液提取米糠蛋白法的提取率还是不高，有学者尝试采用多种溶剂的分步、复合提取和超声辅助提取来提高米糠蛋白的提取率。郑耀华等［14］采用碱法、酸法、盐法依次分步提取新鲜米糠中的蛋白，通过单因素及正交试验优化试验方案，确定碱法提取的最佳工艺条件：p H 12，温度30℃，料液比1∶11（m∶V），反应时间2.5 h，提取率为34.49%；酸法最佳工艺条件：p H 0.5，温度35℃，料液比1∶11（m∶V），反应时间3 h，提取率为25.88%；盐法提取最佳工艺条件：NaCl浓度0.6 mol／L，反应温度35℃，料液比1∶11（m∶V），反应时间2.5 h，提取率为15.66%；依次采用碱法、酸法及盐法的最优参数对脱脂米糠蛋白进行分步提取，提取率为60.12%。王吉中等［15］采用超声波及盐提法辅助碱法提取米糠蛋白，得到米糠蛋白提取的最优工艺条件为水浴温度40℃、水浴时间90 min、超声时间75 min、p H 10、KCl浓度为0.04 mol／L；此条件下米糠蛋白的提取率可达70%以上。

用碱液提取米糠蛋白时，虽然提取率随着溶液p H的升高而增大，但应避免提取p H过高，因为蛋白质暴露在碱性环境中会改变蛋白的营养性质并且产生有毒物质。Otterburn［16］发现在碱性条件下，蛋白中的半胱氨酸（Cys）和丝氨酸（Ser）会发生反应生成脱氢丙氨酸，随着反应进行，脱氢丙氨酸进一步变为赖氨酸—丙氨酸复合物，这些赖氨酸—丙氨酸复合物可能对人体有毒副作用的［17］。另外碱液p H过高还会导致提取出来的蛋白质与其他物质结合紧密，从而影响到蛋白纯度［18］。

1.2 酶法提取

酶法提取可以使米糠蛋白在中性或弱碱性条件下被提取出来［19］，此类方法不会让蛋白暴露在碱性条件下而产生有害物质或失去营养价值。糖酶可以通过攻击细胞壁从米糠麸皮的糖基质中释放更多的蛋白来提高蛋白提取率［20］；植酸酶的作用是破坏米糠中蛋白与植酸的相互作用，从而解除它们对蛋白提取的干扰［21］；蛋白酶可以使米糠蛋白有效的水解，酶解后的蛋白具有更好的溶解性，更利于提取［22］。

1.2.1 糖酶 糖酶被认为是通过分解细胞壁基质来提高蛋白提取率［23］。纤维素酶（cellulase）、半纤维素酶（hemicellulase）、木 聚 糖 酶 （xylanase）、复 合 细 胞 壁 水 解 酶 （cell wall hydrolase）、果胶酶、淀粉酶等都属于糖酶种类。由于纤维素和半纤维素是米糠中的主要碳水化合物，已有使用纤维素酶和半纤维素酶提取米糠蛋白的研究报道［20］；木聚糖是细胞壁的常见多糖，木聚糖酶可以将其水解。白莉等［24］分别采用α－淀粉酶、纤维素酶、果胶酶对米糠提取蛋白，得到蛋白质提取率分别为37.85%，43.93%，30.73%，其中纤维素酶的效果最佳。王腾宇等［25］在研究用糖酶提取新鲜米糠蛋白时，也发现纤维素酶的提取效果最佳，纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶在其最佳条件下得到米糠蛋白的提取率分别为58.3%，48.9%，50.1%。Shih等［21］用α－淀粉酶在p H 6.5、反应温度设定为95℃、提取时间为45 min的条件下，提取米糠蛋白得到蛋白提取率为13.4%。Tang等［20］用淀粉酶提取米糠蛋白时在p H 6.5、反应温度45℃、反应时间3 h的条件下得到米糠蛋白的提取率为37.3%。

1.2.2 蛋白酶 蛋白酶可以使蛋白水解为肽而使其具有较好的溶解性。王腾宇等［26］比较了4种蛋白酶对米糠蛋白的提取效果，结果表明在酶添加量相同的情况下，不同蛋白酶对米糠蛋白提取率的影响程度依次为：碱性蛋白酶＞风味蛋白酶＞中性蛋白酶＞酸性蛋白酶，提取率分别为56.3%，51.5%，49.7%，32.8%。Apinunjarupong 等［27］用菠萝蛋白酶提取米糠蛋白，其提取率可达73.3%。王晓雅等［28］研究碱性蛋白酶提取米糠蛋白时，在其最优反应条件下，可提取出75.42%的米糠蛋白。Hamada等［22］发现用风味蛋白酶、碱性蛋白酶可以得到更高的提取率，分别为87.6%，81.4%。

1.2.3 植酸酶 植酸酶可破坏蛋白与植酸的相互作用，Wang等［29］研究表明提取米糠蛋白时，单独使用植酸酶提取率为57%，复合使用植酸酶和木聚糖酶其提取率可提高至74.6%，这说明裂解细胞壁及打断植酸蛋白的结合对于释放米糠中的蛋白是很重要的。李坤等［13］利用植酸酶与淀粉酶及纤维素酶复合使用提取米糠蛋白。

1.2.4 复合酶 为获得更高的蛋白提取率，利用复合酶提取米糠蛋白成为研究趋势。刘颖等［30］采用淀粉酶、纤维素酶和植酸酶3种酶分步提取米糠蛋白，在最佳提取条件下，淀粉酶提取米糠蛋白质的提取率为56.16%；在淀粉酶水解掉米糠中的淀粉后，再添加纤维素酶和植酸酶继续提取米糠蛋白，经3种酶分步提取后，米糠蛋白的提取率达77.41%、蛋白纯度达68.83%。王腾宇等［25］以新鲜米糠为原料，用纤维素酶和木聚糖酶复合提取米糠蛋白，在其最佳提取条件下总提取率为70.3%。李坤等［13］采用淀粉酶、纤维素酶和植酸酶复合提取米糠蛋白，其蛋白提取率可达80.06%。

与碱法相比，酶法提取米糠蛋白可以较显著地提高提取率，但是酶法提取米糠蛋白所用纤维素酶、木聚糖酶、植酸酶的成本费用相对较高；并且蛋白酶酶解的产物为米糠肽，蛋白质降解为肽类通常会降低蛋白质的胶凝性、起泡性、表面张力及风味结合等功能性质，同时，蛋白水解时释放出的苦味肽还可能会影响产品的可接受性。

1.3 物理法提取

物理法主要通过破碎细胞和释放蛋白来提取蛋白，因此物理法可相对减少食物成分的改变而降低安全风险［23］。提取蛋白常用物理法包括胶体磨、均质、高速混匀、冻融、高压及声波降解等［31，32］。胶体磨、均质及高速混匀过程中产生的剪切力可以破碎细胞；冻融过程中细胞内的水分会形成冰晶体，冰晶体会撑破或刺破细胞膜结构而导致细胞裂解［33］；高压也会使细胞破裂；超声波产生的冲击波可以打破细胞壁和分子键。

Tang等［20］研究表明物理法可以使细胞破碎而给酶催化提供合适的环境或者增加蛋白溶解性。Hourigan等［19］研究发现在提取蛋白时，胶体磨和均质皆可以使米糠细胞破裂，但在胶体磨和均质处理后，仍然有40%～67%的蛋白残留在固体物中，蛋白提取率仅为38%。声波降解法是提取米糠蛋白前景较好的物理方法之一，Tang等［20］采用超声波提取米糠蛋白，超声处理5 min即可获得15%的提取率；邹秀容等［34］采用超声波法提取脱脂米糠中的蛋白，在最佳提取条件下米糠蛋白提取率可达51.66%。Tang等［20］的研究表明其他物理方法都未能有效地提高米糠蛋白的提取率，其中高速混匀、冻融、高压处理的提取率分别仅有12%，12%，11%，而水提取的提取率也能达到12%，可以认为与水提取相比，这些物理方法未能有效提高提取率。其他物理方法如亚临界水提取法、超临界二氧化碳提取法对米糠蛋白提取亦有一定作用，张慧娟等［35］利用亚临界水在100～200℃／0～30 min内提取热稳定脱脂米糠中的蛋白质，结果表明，在提取温度175℃、提取时间30 min时，提取物中蛋白质及氨基酸的 含 量 最 高，分 别 为 50% 和 48.6 mg／g。Sereewatthanawut等［36］采用超临界二氧化碳萃取法提取脱脂米糠蛋白，在温度100～200℃提取0～30 min，发现米糠蛋白提取率随温度和反应时间的增加而提高，在温度200℃、反应时间30 min时，获得的最优提取率为219 mg／g。

按Osborne分类方法，米糠蛋白中含有清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其溶解特性复杂；且因米糠蛋白分子的聚合度较强，分子中存在较多的二硫键交联而很难溶解［37］，因此，目前米糠蛋白工业化提取和分离纯化的难度还较大。Hamada等［37］认为必须深入探讨并阐明米糠蛋白的复杂溶解特性，才能研发出有效提取和分离米糠蛋白的方法。

2 米糠蛋白的应用现状

目前，米糠蛋白主要应用于功能性食品、食品添加剂及食品包装材料等领域。

2.1 在婴儿配方食品中的应用

米糠蛋白具有作为功能食品、营养保健品原料和配料的巨大潜力。因为低过敏性，米糠蛋白不仅适合作为婴儿配方食品的原料，还可作为有饮食限制的食物过敏症儿童的食品原料。Khan等［38］用植酸酶与纤维素酶从微波稳定化及干热稳定化的米糠中提取米糠蛋白，再将米糠蛋白与地瓜粉、面粉、米粉、玉米粉、全脂乳粉等混合制备婴儿配方食品，其营养成分能满足婴幼儿补充食品的标准，热值高达1 697～1 739 kJ／100 g，体外消化率为80.90%～84.45%，短期婴儿喂养试验证明该配方具有良好的可接受性。刘颖等［39］以乳粉和米糠蛋白粉为原料，按40∶60比例将乳粉与米糠蛋白粉混合，且比较了复合米糠蛋白粉与市售乳粉和酪蛋白的营养价值，发现米糠蛋白粉与乳粉复配可有效提高其营养价值，复合米糠蛋白粉的蛋白质功效比为2.45，其他蛋白质相关生物学价值如真消化率、生物效价及净利用率分别为89.12%，79.34，67.53%，皆比市售乳粉（真消化率、生物效价及净利用率分别为81.53%，71.48，58.28%）优异。

2.2 在保健食品中的应用

米糠蛋白及其水解物可用作降血压肽［40］、阿片样拮抗肽［41］、抗氧化肽［42］、抗衰老肽［43］等功能性食品的原料。Hatanaka等［44］采用鲜味酶 G（Umamizyme G）制备出的米糠肽具有抑制DPP－IV作用，半抑制浓度IC50值为2.3 mg／m L，米糠肽中具有抑制DPP－IV作用的主要为Leu－Pro及Ile－Pro两个二肽；Zhang等［45］研究发现米糠蛋白经碱性蛋白酶酶解后，采用DA201－C型大孔吸附树脂脱盐及分离得到的75%乙醇洗脱组分的胆固醇抑制率最高，为19.37%，说明米糠肽疏水部分对胶束胆固醇显示出较高抑制活性，可用作制备辅助治疗血胆固醇症保健食品的原料。Yu等［46］通过对小鼠喂食高脂肪含量食物建立高脂肪堆积模型，同时给4组小鼠分别喂食0%米糠蛋白和100%的酪蛋白、10%的米糠蛋白、20%的米糠蛋白及大豆分离蛋白，50 d喂食后的研究结果表明，完全替代酪蛋白20%的米糠蛋白喂食小鼠可明显降低高脂肪饮食小鼠的最终体重和附睾脂肪垫，并且用米糠蛋白替代酪蛋白喂食的小鼠血液和肝脏中的白蛋白和总蛋白的浓度没有任何差异，因此认为米糠蛋白具有减少脂肪堆积的作用，可用作减肥产品的原料。

2.3 作为食品添加剂的应用

米糠蛋白及其水解物可作为营养补充剂，还可作为风味和功能增强剂、抗褐变和抗氧化剂应用在蛋白饮料、焙烤制品、果蔬制品及汤类等调味品中［47］。

张智等［48］采用戊聚糖酶和复合蛋白酶提取的米糠蛋白酶解物制备蛋白饮料，其制品的感官特性良好，蛋白含量为0.62%，高于0.5%的国家标准。张薇等［49］制备了一种添加米糠蛋白的复合乳饮料，最佳配方为全脂乳粉2%、米糠蛋白添加量0.7%、复合稳定剂0.2%，在此条件下制得的米糠蛋白复合乳饮料口感细腻，蛋白质含量1.0%，乳化稳定性97.52%。窦博鑫等［50］将米糠蛋白酶解物添加到复原奶中制作发酵型酸奶，米糠蛋白肽酸奶中奶粉、肽液添加量分别为12.0%，4.0%，42℃发酵5 h，可制得口感纯正的优质米糠蛋白肽酸奶，其乳酸菌数≥6.5×107CFU／m L。郑煜焱等［51］在制作海绵蛋糕时添加米糠蛋白，发现米糠蛋白可较好地改善蛋糕的膨发体积。Yadav等［10］用小麦粉与米糠蛋白分别按100∶0，95∶5，90∶10和85∶15的比例制作饼干，通过考察饼干的理化性质、断裂强度和感官性质来评估饼干可接受性，结果发现，与其他3组相比，用米糠蛋白替换10%的精制小麦粉制作的饼干具有更好的可接受性。利用米糠蛋白的抗氧化活性还可将其用作褐变抑制剂、脂质氧化抑制剂，Kubglomsong等［52］发现米糠蛋白对抑制蔬菜、水果泥褐变有较好的效果，研究发现经过米糠蛋白处理的马铃薯、香蕉和苹果泥在贮存6 h后褐变值分别为27.16，13.29，18.22，均比用蒸馏水处理的褐变值低，米糠蛋白的褐变抑制率分别为46.68%，16.76%，10.24%；Vijitpunyaruk等［53］将碱性蛋白酶米糠蛋白酶解物用于大豆抗脂质过氧化研究中，发现米糠蛋白酶解物具有良好的抗脂质过氧化作用，酶解50 min的米糠蛋白酶解物抑制脂质过氧化的活性最高，抑制率可达66%，可将米糠蛋白作为潜在的脂质过氧化抑制剂。

2.4 作为可食性膜的应用

可食性膜的基质可以是蛋白质类、多糖类、脂质类及其复合物，可食性膜不仅具有保护食品品质的包装功能，还可以与食品一起食用。Abayomi等［54］研究发现米糠蛋白可以用来制备可降解的蛋白质膜，将碱提酸沉得到的米糠蛋白和甘油在p H 8的条件下制作出的膜强度较大，与采用大豆蛋白制备的可食用膜的功能性质相近。Shin等［55］用脱脂米糠制备的米糠蛋白制作可食性膜，发现4%米糠蛋白与4%明胶复合膜的物理性质较理想，具有较高的抗拉强度，可达23.90 MPa。Shin等［56］还研究了采后处理中米糠蛋白膜对草莓质量的影响，发现草莓样品分别用50μg／g的二氧化氯溶液处理、5 kJ／m2紫外光照射，并用含1%葡萄柚籽提取物的米糠蛋白膜包装，可较好地保持草莓的品质。

3 展望

与来自动物的蛋白资源相比，来自植物的蛋白资源价格低廉，随着对相对价廉并具备多种功能活性［57］的植物蛋白资源需求的增长，米糠蛋白的工业化生产及应用变得越来越迫切。中国虽然拥有大量的米糠资源，但对米糠的深加工利用比例仅为10%～15%，中国食品工业“十二五”发展规划明确提出将集中利用米糠资源生产米糠油、米糠蛋白、谷维素、糠蜡、肌醇等产品作为稻谷加工业的发展方向和重点，以加大对米糠资源的综合利用。米糠蛋白氨基酸组成与FAO／WHO推荐模式相似，生物效价、消化率皆较高，其开发利用对稻米资源的深加工及解决粮食危机皆具重要意义。

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