低蛋白调制大米的研究进展

冀迎昕,郑飏衣,李拖平，田宇轩,董墨思,李苏红

(沈阳农业大学食品学院 辽宁沈阳 110866)

随着人们生活水平的不断提高、工作节奏的加快及人口老龄化的日趋严重,非传染性慢性病如肾病、糖尿病等的发病率呈现逐年上升的趋势。慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)患者占全球总人口的14.3%左右,目前我国肾病的发病率已高达10.8%。由此可见,慢性肾病已成为威胁人类公共健康的主要疾病之一[1-2],而现有的治疗方法费用昂贵或对身体有一定损伤。因此需要研发新的更有效、更能让肾病患者接受的治疗方法。近几年研发的新型低蛋白主食产品既能延缓病情提高营养摄入,又能减轻患者经济负担,日益受到大众的关注。

肾病患者因为在蛋白质代谢方面存在障碍,所以对每日摄取蛋白质的量有很严苛的限制,一般为0.6～0.8 g/(kg·d),其中优质蛋白质应占50%以上,可以考虑用动物蛋白代替植物蛋白来提高优质蛋白摄入率[3]。按《中国居民膳食营养素参考摄入量》要求,正常人每日摄取的蛋白质含量为70～90 g/(kg·d)[4],由此可见正常人的饮食不适合肾脏病患者。患者每天单从主食中摄入的蛋白质已基本达到限量,如果加上其他的饮食补充,就会产生过多蛋白质分解代谢产物,进而增加肾的负担,最终加重病情。但过度限制其他蛋白质的摄入会减少患者饮食的多样性,无益于患者的营养平衡和身心健康。普通大米的蛋白质含量为4%～8%,对于肾病患者来说食用谷蛋白含量超过4%会导致氨中毒,不适合长期食用[5]。而一些低蛋白食品价格高、口味差,难以坚持食用。目前国内对低蛋白大米及其食疗作用的认识几乎是空白,如何使大米中蛋白质含量降至最低,同时最大限度地保持其原有的质构和口感,日益成为研究者们关注的热点。因此研制符合肾病患者消费需求和饮食习惯的低蛋白调制大米具有非常重要的意义。

本文综述了国内外通过育种栽培、物理方法、化学方法、生物技术降解等降低普通大米中蛋白质含量的研究方法,并分析了低蛋白米的研究趋势以及市场前景。

1 大米蛋白存在形式与特点

水稻籽粒主要食用部分为胚乳。大米胚乳中淀粉约占80%,蛋白质约占4%～8%,还包括少量矿物质、脂肪、水分、纤维素等。按照存在形式分类,大米蛋白主要分为贮藏蛋白和生物活性蛋白。贮藏蛋白包括谷蛋白、醇溶蛋白,生物活性蛋白包括清蛋白、球蛋白[6]。四种大米蛋白的特点及基本性质如表1所示。

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

在大米胚乳中，蛋白与淀粉的结合形式如图1所示,其中淀粉为球形或者椭圆形的复合淀粉粒,蛋白质紧密包裹在外;蛋白主要影响大米的结构、功能和营养特性,但国内外关于其机理的相关研究还很少[7-8]。蛋白质主要以PB-Ⅰ和PB-Ⅱ两种聚合体形式存在。显微镜下观察发现,PB-Ⅰ(Large-spherical/Small sperical)呈片状,表面有许多核糖体,半径为0.25～1 μm,并伴有醇溶蛋白;PB-Ⅱ(Crystalline)呈椭球形,质地均匀且不分层,表面没有核糖体,半径约为2 μm,聚合体的外周膜不明显。PB-Ⅰ和PB-Ⅱ的含量分别为20%～25%、60%～65%,其中还有10%～15%的谷蛋白和球蛋白。两种聚合体常同时存在[9-10]。

图1 水稻胚乳蛋白体亚糊粉层和淀粉粒结构示意图[6]Fig.1 Schematic structure of rice protein bodies and compoundstarch granule in the endosperm subaleurone layer[6]

大米蛋白质在胚乳中的分布存在一定规律性,从蛋白质总量看,胚内多于胚乳,从米粒外层到内层含量逐渐降低;从蛋白质分布看,清蛋白、球蛋白的比例在其外层最高,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匀分布[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别是37∶36∶5∶22、30∶14∶5∶51、5∶9∶3∶83[20]。

综上所述,大米蛋白的种类、性质、含量及分布的多样性都可能会影响处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据蛋白的特殊性采用相应的方法去除,才能达到更好的降蛋白效果。

2 降低大米蛋白含量的调制方法

2.1 育种栽培法

日本在“日本优”突变水稻中发现一株突变系,其种子中可吸收蛋白含量低于其他普通水稻品种;诱变该水稻的种子培育出“LGC-1”水稻,发现其可吸收蛋白含量低于4%;由于低谷蛋白、高醇溶蛋白的性状决定于同一个显性基因,所以在降低可吸收蛋白(谷蛋白)的同时,该大米的醇溶蛋白含量高于普通大米,但过多的醇溶蛋白会影响大米的原有口感[21];对“LGC-1”进行饮食疗法临床试验发现,受试患者蛋白质的摄入和血清肌酐都有降低的现象,证明该低蛋白水稻所产的大米适合肾病患者食用[22]。

中国农业科学院作物科学研究所以“LGC-1”为母本,以本国水稻为父本杂交、回交,获得低蛋白含量的“W3660”水稻[23]。经检测,该米蛋白质含量为6.83 g/100 g，其中可溶性蛋白含量较低为3.58%,食用该米既能保证人体正常热量供应的需要,又能减少蛋白质和磷的吸收;以该米对慢性肾功能不全的患者进行临床治疗,发现实验组患者的血钾、血清白蛋白、血清尿素氮、血清肌肝、血脂、二氧化碳结合力在试验前后没有明显变化,但是GSRA评分变化显著改善,说明该水稻可以作为肾功能衰弱患者的主食并能改善患者的胃肠道状况。但杂交种子成本高,降蛋白程度低,而且栽插密度、品种特性、土壤、田间管理等因素都会影响水稻的产量,所以经过诱变育种研制的水稻在实际的种植应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 重组质构法 大米中的蛋白与淀粉结合紧密,并且含量较高的谷蛋白主要分布在大米中心,因此一般的处理方法只能处理掉大米表面的蛋白,而且处理试剂难以进入大米内部,所以降蛋白的效果不理想。如果将大米研磨破碎成粉,大米内部的蛋白更容易与淀粉分离,使蛋白与酶更易结合,从而被降解成小分子溶出大米。重组质构法就是先将米粉碎、去蛋白,然后用分离蛋白后的大米淀粉或其他淀粉,经过搅拌、调质、挤压重组制作出与大米形状类似的产品,称之为重组米或者工程米。国内的一种以大米淀粉为原料制备的工程米蛋白质含量为0.43%±0.01%[25];还有人利用挤压技术研制出外观、颜色与粳米相近的工程米;利用该米进行动物试验,结果表明食用工程米的肾损伤小鼠，其体重大,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护肾脏[26]。工程米在国内外应用较为成熟,但其质地和口感与普通大米还是有一定的差距。国内市售工程米与普通大米相比,硬度小、粘附性大、固形物损失多,消费者对工程米的评价和接受度不高[27-28],因此目前的工程米尚不能满足肾病患者长时间食用的需求。

2.2.2 其他物理方法 浸泡、水洗和亚临界水水解法等也会降低大米蛋白。浸泡时间不同,大米蛋白质含量呈现不同程度的降低;经过27 ℃,水洗24 h 的大米蛋白含量由5.66%降低到3.65%[29];亚临界水(sub-critical water)水解法能够从脱脂米糠中溶出相对于传统碱法更多的大米蛋白质和氨基酸,原因可能为:高温的反应环境能够促进蛋白质的溶解;温度升高会使电离常数增加,在有水合离子和氢氧离子共同存在的环境下,肽键会发生断裂形成小分子蛋白质和氨基酸[30]。以上方法可以作为未来降蛋白工艺的辅助方法。

2.3 化学方法降低大米蛋白含量

一定浓度的稀酸、稀碱溶液可以疏松蛋白的结构,而且谷蛋白易溶于其中,故利用此类溶液处理整粒大米可促进大米中蛋白质的溶出。

2.3.1 稀酸浸泡法 谷蛋白易溶于一定浓度的稀酸溶液。用不同浓度盐酸溶液浸泡大米,蛋白质含量最高降低了32.4%[31]。在酸浸温度50 ℃,盐酸浓度1.5 mol/L,酸浸时间24～30 h的条件下,大米中的蛋白溶出效果比较好。米的种类对降蛋白程度也有一定影响。经过酸溶液浸泡,粳米蛋白比籼米蛋白更易溶出,且大米完整性更好[32]。合适的酸浓度和米的种类,对提高降蛋白率有很大的影响。但稀酸浸泡降解大米蛋白质的方法效率不高,所以实际应用不多。

2.3.2 稀碱浸泡法 稀碱浸泡降低大米蛋白的主要作用机理为:1.稀碱可以破坏蛋白分子中的一部分氢键,疏松淀粉与蛋白形成的紧密环状结构;2.解离某些极性基团，使蛋白分子表面产生相同的电荷,增加了蛋白的溶解性,使其与淀粉分离[33]。在一定范围内,大米蛋白质溶出率与碱液浓度呈正相关,但增大到一定程度会发生淀粉糊化而增加溶液的粘度,最终降低蛋白质溶出率[34]。利用不同浓度的碱液处理大米,蛋白溶出率可高达90%以上[35]。稀碱制取低蛋白大米的方法,成本较低,工艺简单,分离效率高;但制作过程需要大量碱、水、酸,纯化难度大,而且蛋白质、淀粉在高碱性环境下也容易变性,美拉德反应也会产生黑褐色物质,还会产生其他对人体有害的物质如赖氨酰丙氨酸,会对肾脏造成损伤[36]。

2.4 生物技术降解大米蛋白

生物技术是制备低蛋白大米较为理想的手段,日本、中国陆续公开了一些采用酶解和发酵制备低蛋白米的相关专利[37]。目前我国消费市场上流通的低蛋白大米产品主要是从日本进口的采用生物技术方法生产的低蛋白大米,蛋白脱除率最高可达95%以上,其质构特征更接近于天然大米,可接受度高,患者食用依从性好[38]。目前生物技术降解大米蛋白的方法主要有蛋白酶降解、乳酸菌发酵降解及其他物理化学方法与酶的联合作用。

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、修饰蛋白,使其形成可溶性肽而溶出大米[39-40]。按照酶作用方式不同,可以将蛋白酶分为两类:外切蛋白酶和内切蛋白酶。蛋白酶的酶切位点具有专一性。外切蛋白酶酶切肽链的游离羧基、氨基末端,水解肽链为游离氨基酸;内切蛋白酶的专一酶切位点为肽链的内部肽键,能将肽链切成分子量不同的多肽[41]。

常用蛋白酶的种类:中性蛋白酶,酸性蛋白酶,胃蛋白酶,碱性蛋白酶,复合酶。不同的研究结果,如表2所示,酸性蛋白酶和碱性蛋白酶对大米蛋白的降解有显著效果。酸性蛋白酶能酶解部分蛋白质,而且溶液中的稀酸能加快蛋白质本身的水解速度,因此酸性蛋白酶脱除大米蛋白的效果较优[42]。碱性蛋白酶是一种内切蛋白酶,能水解多种蛋白质,是一种高效细菌蛋白酶,酶切位点是丝氨酸,水解大米蛋白的最适pH为8.0;稀碱可以疏松淀粉紧密结构,并破坏以氢键为主的次级键,促进淀粉与蛋白质的分离,使蛋白酶更易与内部底物结合,但稀碱条件下蛋白会变性。食品级酶制剂作用条件温和,几乎不产生有害物质,不易吸收的多肽链被水解为易消化吸收的短肽链,减少了酸碱、水的消耗量[43]。

表2 蛋白酶对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 纯种乳酸菌发酵法 乳酸菌发酵是一种传统的谷物类食品的加工方法,可以改变食品质构、改善风味和口感,丰富产品营养。在大米制品的应用中主要用于将经过乳酸菌发酵后的大米制成米粉,其蛋白质和脂肪含量都较低,且柔韧耐煮,口感弹滑[48]。近年来,在不破坏大米外观结构和口感的前提下，利用纯种乳酸菌发酵整粒大米降解其中的蛋白质开始受到关注。

乳酸菌在发酵过程中产生大量的乳酸能降低发酵液的pH,有利于部分蛋白质的溶出,同时起到防腐作用;乳酸菌释放的蛋白酶将蛋白质水解成为小分子肽或者氨基酸而溶出大米;发酵可能会激活大米胚乳中的少量淀粉酶部分水解淀粉,释放与其紧密结合的蛋白质,促进蛋白的降解[49]。乳酸菌发酵制备低蛋白大米技术的关键是发酵菌种的筛选,不同乳酸菌发酵降蛋白的效果差异很大。利用五种乳酸菌对大米进行发酵处理,发现米粒完整性被破坏,且大米中的蛋白质含量没有明显的降低[42];利用植物乳杆菌对整粒大米进行发酵处理,120 h后蛋白质含量可降低40%[50];日本“木德神粮”低蛋白米利用从大米自然发酵物中分离的植物源乳杆菌进行发酵,大米蛋白降低至0.97%,表明植物来源的乳酸菌在大米发酵降蛋白中显现了更好的效果[51]。利用植物乳酸菌M616发酵制备酸面团,发现每种蛋白随着发酵的进行含量逐渐减少。其中可溶性蛋白和麦谷蛋白的降解最为明显,醇溶蛋白含量在0～10 h呈现先增后减趋势[52]。

国外的一些研究发现利用某些声波、冻结-融化、酸碱浸泡法等物理化学方法能疏松淀粉与大米蛋白的紧密结构,再结合酶处理溶出大米蛋白或米糠蛋白会取得更好的效果[53]。

3 结论与展望

肾脏疾病在全球呈现增长趋势,低蛋白饮食作为一种既能适合患者长期食用,又能达到延缓肾病病情发展的有效食物疗法,日益受到广大研究者的关注。人们已经逐渐认识营养疗法(LPD等)延缓慢性肾脏病病程进展的作用,而对低蛋白饮食却了解很少,相应的低蛋白产品也很少。研制低蛋白大米对于解决肾病患者饮食局限和丰富国内低蛋白食品市场都具有非常重要的意义。随着医疗水平的提高和医学知识的宣传,未来慢性肾脏病患者对低蛋白大米产品的需求也会随之增大,低蛋白大米的市场前景可观。

目前,针对整粒大米蛋白降解的研究尚不够深入,本文综述的方法值得借鉴和参考。不同方法降低大米蛋白的程度差异显著,对大米食用品质也会产生不同的影响。育种法能保证大米原有的外观,但较多的醇溶蛋白会改变口感,且降蛋白程度有限,种植成本较高[22];工程米虽然能大幅度降低蛋白,但难以模拟原米的组织结构及感官品质,米质较软、粘性较大[27-28];化学方法处理的大米,整米率较低,且通透性不好,稀碱浸泡还会使大米变黄,降蛋白程度低[31];生物技术降解能保持大米原有外型,口感更柔韧劲道,外观透明度也比较好,米中蛋白留存率低[54],制备低蛋白大米具有突出的优势。有研究发现,肾病患者对低蛋白饮食-植物乳杆菌发酵熟成米和麦淀粉重组米的依从性分别为81.5%和41.9%,表明发酵法制备的低蛋白米更易于被肾病患者接受，适于长期食用[55]。

低蛋白大米具有良好的发展潜能,产品的制备工艺与品质还有很大的提升空间。制备手段可以采用多技术联动,优势发展环境友好的遗传育种、生物技术等手段有效降低大米中蛋白含量;同时将关注点应更多地放在如何提高产品的适口性,研究影响低蛋白米食味品质的相关参数;进一步分析制备工艺与产品食味品质形成的内在关系;研究适宜于低蛋白米的蒸煮、干燥及其他熟制加工与保存方式;为肾病、糖尿病等特殊需要人群提供更多更好的低蛋白主食产品。