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小米谷糠营养特性及开发利用研究进展

2020-12-17南芝润董新玲田怀泽惠国强郝利平

山西农业科学 2020年12期
关键词:酶法植酸多糖

侯 磊,南芝润,董新玲,张 杰,田怀泽,惠国强,禾 璐,郝利平

(1.山西农业大学玉米研究所,山西忻州034000;2.山西农业大学食品科学与工程学院,山西太谷030801;3.陕西省产品质量监督检验研究院,陕西西安710000)

谷子起源于中国,主要种植于我国北方。根据国家统计局数据显示,2018年全国谷子播种面积在77.8万hm2左右,产量约为234万t。谷子具有抗旱、耐脊、适应性广和营养丰富等特点,在我国有机旱作农业和功能农业中发挥着十分重要的作用,在国家粮食生产和粮食安全中也有着重要地位[1]。

小米谷糠是谷子加工过程中的副产物,由谷子种层、糊粉层和小米胚芽3个部分组成,其含量约为谷子总质量的10%左右,营养成分相当丰富。随着国内对稻米谷糠开发利用研究的深入,越来越多的人认识到了小米谷糠的营养价值和开发前景,但其主要作为畜禽饲料使用,产品附加值低,造成了资源的浪费。目前对小米谷糠中活性成分提取的研究相对较少。

本研究汇总了小米谷糠营养成分及其生理功能,较全面地讨论了主要活性成分的提取工艺,并对小米谷糠的开发利用进行了综述。

1 营养成分及其生理功能

小米谷糠营养丰富,是一种良好的健康食品来源,其主要组成成分及含量[2]为:水分7%~10%,蛋白质16%~20%,粗脂肪16%~18%,碳水化合物18%~23%,灰分8%~12%。小米谷糠中蛋白质、脂肪和碳水化合物含量较高,还含有纤维素、膳食纤维、维生素、谷维素、植酸、多酚类化合物和不饱和脂肪酸等主要营养物质。LIU等[3]研究发现,小米谷糠的过氧化物酶具有潜在的抗动脉粥样硬化作用。因此,继续开发小米谷糠中附加值较高的生理活性物质将成为必然的趋势。

1.1 脂肪

小米谷糠油脂富含多种生物活性成分,除可食用外,还广泛用于医药、保健品、化妆品等行业。李艳福等[4]分析了不同产地小米谷糠油的脂肪酸组成成分,结果表明,小米谷糠油中的亚油酸含量高达60%以上,营养和保健价值较高。赵陈勇等[5]开展了小米谷糠油的活性成分组成及功能试验,结果表明,小米谷糠油中的维生素E、谷维素等成分能显著提高机体的抗氧化活性,具有降血脂功能。

1.2 蛋白质

小米谷糠中蛋白质含量高达18%,含有人体所必需的氨基酸,被公认为是一种优质的植物蛋白来源。与其他植物蛋白相比,小米谷糠蛋白最大的优点就是低过敏性。研究结果表明,仅有少部分人对小米谷糠蛋白起不良反应,而且其吸收性较好,因此,特别适合应用于婴幼儿食品和过敏人群的特殊食物中。

1.3 多糖

小米谷糠中多糖主要由阿拉伯木聚糖、脂多糖和葡聚糖等组成,包含一定的多酚及黄酮类物质,其含量一般为1.0%~3.0%,在降血脂、降血糖、抗肿瘤及增强免疫力等方面具有显著功效[6-7],主要应用于食品添加剂、保健品、医药、化妆品等领域。姜龙波等[8]分析了小米谷糠多糖成分及其抗氧化活性,结果表明,小米谷糠水溶性非淀粉多糖含有较多的多酚和黄酮类物质,主要单糖组分是葡萄糖。

1.4 膳食纤维

小米谷糠含有大量纤维素和半纤维素,是重要的膳食纤维来源。膳食纤维被称为人体的第七营养素,在调节血糖、血脂、降低胆固醇、预防肥胖和心血管疾病等方面有显著功效。膳食纤维根据溶解性不同可以分为水溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维,其中,不溶性膳食纤维占了主要部分。小米谷糠膳食纤维是很好的健康食品原料,可以开发医用和保健食品,补充人体所需的膳食纤维。

1.5 谷维素

谷维素具有脂溶性,在油脂制取过程中,常常伴随着小米谷糠油或胚芽油提取出来,是小米谷糠油精炼时得到的副产品,其含量一般为0.9%~2.9%,具有抗氧化、降血脂、抗癌和预防肥胖等多种生理功能。谷维素是一种重要的活性物质,生产中经常从小米谷糠油中分离纯化得到谷维素,可以广泛应用于食品、医药和化妆品等行业。

1.6 植酸

植酸是一种用途广泛的有机酸,在小米谷糠中通常以络合物的形式与蛋白质、游离氨基酸的矿物质等成分相结合,在抗氧化、抗衰老等方面具有显著功效。陈蓓颖等[9]分析了38个谷子品种谷糠的植酸含量为3.13~8.75 mg/g,在不同品系、同一品系不同品种之间,小米谷糠植酸含量差异较大。植酸是很好的保鲜剂、抗氧化剂和有机磷添加剂等,可以广泛应用于食品、医药和化工等行业。

1.7 多酚类化合物

小米谷糠中多酚含量丰富,主要包括黄酮类和酚酸类化合物,晋谷28号和晋谷34号2个谷子品种中多酚含量分别为78.79、114.22 mg/100 g[10]。小米谷糠多酚是很重要的天然抗氧化剂,具有降低血脂、抗炎抗菌和抗结肠癌等功效,可利用其开发保健品。关于小米谷糠多酚提取物组成分析的研究报道相对较少。刘晚霞等[11]用醇提法制备小米谷糠多酚提取液,并分析了其组成成分。

2 开发利用现状

目前,国外针对从小米谷糠中提取功能成分的研究相对较少,主要针对大米谷糠进行研究。日本和美国最先开始对稻米谷糠进行研究和开发,他们利用自身科学技术的优势,不断进行稻谷的深加工开发,利用米糠蛋白、多糖、脂肪等活性成分开发成化妆品、保健品和食用油等,大大提高了稻谷附加值和米糠资源利用率,也获得了很大的经济效益[12-13]。与稻米谷糠相比,小米谷糠的研究与开发尚处于起步或空白阶段。我国小米谷糠的利用主要以小米谷糠油提取为主,对提取小米谷糠中的蛋白质、多糖、膳食纤维、谷维素、植酸和多酚类化合物等也有相应的研究。

2.1 小米谷糠油的提取

小米谷糠油是从小米谷糠中提取精炼而成,小米谷糠油主要提取工艺有压榨法、有机溶剂浸出法、酶催化浸出法、超声波辅助提取法和超临界CO2流体萃取法等。目前,小米谷糠油的生产主要以压榨法为主,但其存在油脂质量较差、带有焦糊味、维生素E等生理活性物质破坏严重等问题。有机溶剂浸出法在一定条件下使用有机溶剂将小米谷糠中的油脂浸出,该方法操作简单、出油率高,溶剂能够反复回收使用。赵陈勇等[14]比较了正己烷和异丙醇对小米谷糠油提取率的影响,结果表明,异丙醇提取效果较佳。近几年新兴的植物油脂提取方法(酶催化法、超临界萃取法、超声波辅助法)因其生产设备较复杂、成本较高,生产数量和规模均受限制,尚未实现工业化生产。高立国等[15]采用超声波法优化了陕北小米谷糠油提取的工艺条件,得油率是9.74%。魏福祥等[16]采用超临界CO2萃取技术提取小米谷糠油,出油率达到19.69%。

2.2 小米谷糠蛋白的提取

目前,小米谷糠蛋白的提取主要有碱法、物理法和酶法3种方法。碱法是工业上比较传统的提取方法,即在一定的pH条件下,蛋白质会被溶出,从而得到小米谷糠蛋白。该方法工艺简单、操作方便,但若pH控制不好,则会对蛋白质理化特性产生影响,甚至可能会带来一定的毒性,对人体有害。因此,在利用碱法提取小米谷糠蛋白时一定要控制不良反应的发生。物理提取法是采用胶体磨、均质、高速混匀、冻融、高压及声波降解等机械方法将小米谷糠的细胞结构进行破坏,从而释放出小米谷糠蛋白,常和碱法或酶法配合使用。相比较于碱法来说,酶法条件更温和,能够较好地保留小米谷糠蛋白的结构和营养价值,而且利用较小的料液比反应就可发生,大大降低了工业化生产成本。顾镍[17]筛选果胶酶水解小米谷糠蛋白质,提取率为32.83%。

2.3 小米谷糠多糖的提取

小米谷糠多糖的提取方法主要有溶剂法、酶法、超声波法和微波法等。热水是最常用的提取溶剂,溶剂法操作简单、经济成本低,但提取消耗时间较长,不利于工业化生产。韩秋敏等[18]采用热水浸提法提取小米谷糠多糖,提取率为14.76%。酶法提取条件温和,有助于降解植物组织,提高小米谷糠多糖的提取率,常配合超声辅助、微波等技术使用。俞兰苓等[19]比较了热水法、微波法和酶法对米糠多糖提取效果的影响,结果表明,热水法提取率最低,酶法提取率最高,其中,预煮后淀粉酶处理提取率为1.5%,采用蛋白酶、淀粉酶或纤维素酶联合处理工艺条件下提取率高达1.8%。

2.4 膳食纤维的提取

小米谷糠膳食纤维的提取方法主要有物理法、化学法、酶法和酶-化学法等。物理法主要采用超微粉碎、挤压蒸煮、膜浓缩、焙烤等方式处理,实际生产中常与其他方法配合使用。化学法提取工艺简单、操作方便,但产品纯度不高。刘敬科等[20]采用化学法和超微粉碎工艺对小米谷糠膳食纤维提取条件进行了优化,2种方法配合使用后产品纯度高达80.12%,且产品感官品质和食用品质明显得到改善,更易被人们食用。酶法是一种温和、理想的提取方式,提取率相对较高。刘静怡等[21]采用耐高温淀粉酶和碱性蛋白酶分离提取米糠膳食纤维,纯度达到87%以上,得率高达35.6%。酶-化学法是利用酶在一定的强酸、强碱条件下提取膳食纤维,但可能会破坏膳食纤维的结构,产品色泽深、碱味浓,提取率也较低[22]。

2.5 谷维素的提取

谷维素的提取和纯化方法主要有弱酸取代法、溶剂萃取法、低温结晶法和分子印迹法等。其中,弱酸取代法是最常用的提取方法,即谷维素溶解于碱性含水甲醇中,过滤除杂,调节pH值至酸性,直至谷维素析出。朱云[23]采用该方法提取的谷维素得率在35%左右。溶剂萃取法是在2种不相溶的溶剂中,利用各自溶解度的不同,将谷维素从一种溶剂提取到另一种溶剂。王亚东[24]采用甲醇萃取脱酸得到谷维素含量平均值为1.67%。低温结晶法是利用混合液中各组分在不同温度、溶解度等条件下,采用结晶方法分离、纯化出谷维素。ZULLAIKAH等[25]从毛米糠油中经过2次结晶分离得到谷维素。分子印迹法是采用分子印迹聚合物实现谷维素的简单、快速分离。康世宗等[26]采用该方法在超声条件下谷维素绑定吸附率高达36.50%。

2.6 植酸的提取

小米谷糠植酸的提取方法主要是沉淀法和离子交换法,采用微波、超声波和膜分离等辅助技术能够显著提高植酸提取率。沉淀法是小米谷糠在酸性溶液中,游离出植酸根离子,加入碱性溶液使其沉淀,经过滤、浓缩和脱色,得到植酸产品。王红利等[27]采用微波辅助提取米糠植酸,提取率为2.527%,提取时间明显缩短。离子交换法是将小米谷糠中的植酸采用阴离子交换树脂吸附,经碱洗脱得到植酸盐,再经阳离子交换树脂吸附和脱色,得到植酸产品。郝红英等[28]在微波辅助提取植酸钙的基础上,采用离子交换法提取米糠植酸,提取率为85.53%。

2.7 多酚类化合物的提取

小米谷糠多酚的提取方法有溶剂法、酶解法、超临界萃取法和微波辅助法。生产中主要采用溶剂法利用丙酮或水提法进行多酚的提取。陈彩薇等[29]采用溶剂法提取了米糠中多种多酚类化合物,并对其体外抗氧化能力进行了比较。酶解法是利用淀粉酶、纤维素酶、糖化酶和蛋白酶等对多酚类化合物进行提取,成本相对较高。徐彩红等[30]采用水酶法利用木聚糖酶对米糠多酚进行了提取,米糠多酚的提取量为5.15 mg/g。利用超临界萃取法和微波辅助法制备小米谷糠多酚,提取时间短、操作简单,产品品质较好,但设备复杂、昂贵,且操作功率过大也会影响提取率。汪洋[31]比较了超临界萃取和微波辅助法对小米谷糠多酚的提取率,其中,微波辅助效果最佳,小米谷糠多酚提取得率高达137.36 mg/100 g。

3 存在的问题

随着我国经济的不断发展,人民生活水平和生活质量的不断提高,小米谷糠以其特有的营养和保健等生理功能已被越来越多的人所熟知。尽管市场上已出现了一些小米谷糠相关产品,但其研究和生产开发还远远不够,主要存在以下几个问题。

3.1 小米谷糠资源利用率低

小米谷糠作为谷子在碾磨过程中的副产物,仅是被简单处理为廉价的动物饲料,未能充分发挥其丰富的营养价值和饲用价值,富含小米谷糠的新型饲料产品亟待开发。目前,小米谷糠仅有少量被用于油脂、蛋白质等产品的提取,使得谷糠中主要功能成分并不能得到有效的应用,不仅造成了小米谷糠资源的极大浪费,同时也限制了加工副产物的精深加工利用。

3.2 小米谷糠功能性成分研究不深入

与稻米谷糠相比,小米谷糠的研究与开发尚处于起步或空白阶段,小米谷糠中主要功能成分的提取、分离和纯化等研究还相对较少,对其特有成分的结构和生理功能等研究不够深入,尤其是对小米谷糠中膳食纤维、谷维素、植酸和多酚类化合物等活性物质的成分分析和提取工艺研究还有待进一步加强。

3.3 小米谷糠产品开发力度不足

尽管越来越多的人对小米谷糠展开了研究,但大部分仍停留在实验室阶段,未能实现工业化生产。同时,缺乏政府导向、人们对小米谷糠的错误观念以及杂粮加工企业技术水平低下也都限制了其工业化生产。因此,小米谷糠工业化、商品化、品牌化产品有待进一步开发。

4 结论

小米谷糠营养价值丰富,可以与其他饲料混合,复配成复合饲料,开发出优质的动物饲料,提高小米谷糠的饲用价值。小米谷糠和稻米谷糠营养成分虽然接近,但仍存在差异,应当重点研究小米谷糠活性成分及其生理功能,并在现有开发小米谷糠油、小米谷糠蛋白、小米谷糠多糖等研究基础上,利用生物技术、现代新型物理加工技术开发小米谷糠中具有功能活性的新型产品,大大提高其综合利用效益。同时,要重视小米谷糠加工实用技术和工程化技术研究,加强科研项目与企业的合作,加速生产的转化力度,既能解决中小型加工企业科技程度低、产品深加工不足的困境,又能发展小米谷糠深加工产业。

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