稻米及其加工副产物米糠中γ-谷维素研究现状

高 琨，姜 平，谭 斌✉，吴娜娜，翟小童，乔聪聪

（国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037）

水稻（Oryza sativa L.）是一种重要的大宗谷物，是全球一半以上人口的主食[1]，水稻收割后通过碾磨转化为适合于人类食用的形式。在商业碾磨过程中，首先去除稻壳以生产糙米，糙米是由淀粉质胚乳、胚芽和麸皮（包括糊粉）组成的全谷物，由于消费者的需求，糙米被进一步碾磨为白米，这一加工过程中会伴随大量营养物的损失。随着世界人口的不断增加，国际稻米研究机构（International Rice Research Institute）预测到2025年全世界大米市场的消费量将达到8 亿 t[2-3]。统计资料显示，2020 年我国稻谷产量约为21 185万 t，按照稻谷加工过程中产生约8%米糠量来推算，我国年产米糠约1 694 万 t。米糠中含有丰富的脂肪、蛋白质、纤维、矿物质以及一些生物活性化合物，如维生素E（生育酚和生育三烯醇）和γ-谷维素等[4]，其中γ-谷维素的抗氧化活性是维生素E 的4 倍，具有降低胆固醇、抗炎、抗衰老、抗胆固醇活性、抗糖尿病、神经保护、抗肿瘤等生理功能[5-6]。

目前欧洲、韩国、印度、日本、巴基斯坦等地区研究者一直关注稻米中 γ-谷维素含量的变化，包括不同品种、不同产地、不同加工精度以及不同加工方式对稻米中γ-谷维素含量的影响，我国在此方面的相关研究数据难以获得。因此，应加大此方面的研究力度以填补不足，为米制品及稻米深加工提供理论上的指导。

近年来，学术界和工业界对米糠γ-谷维素表现出了极大的兴趣。由于γ-谷维素的高可用性及其生物活性潜力使得其在化妆品行业、营养和药物领域有着巨大的应用潜力[7]。γ-谷维素这种化合物混合物也已被证明是开发功能性食品和稳定脂肪和油脂的一种有前途的替代方法[8-9]，它在医药方面的应用几乎占市场总应用的50%，其次是营养和化妆品的应用。2014 年γ-谷维素市场需求量为11 520 t，预计到2022 年将达到18 598 t。日本是γ-谷维素最大的生产国，约占总产量的68%，而目前γ-谷维素商业化的主要公司有Oryza Oil &Fat Chemical、TSUNO 和Henry Lamotte Oil[10]。我国拥有如此丰富的具有高营养价值以及潜在保健价值的米糠资源，但目前却未得到较好的利用，因此应着眼国际和国内市场合理布局，科学系统的研究米糠γ-谷维素提取技术及其在化妆品、保健品、医药及食品等行业中的应用，提升米糠的附加值，促进我国相关产业的发展。

1 γ-谷维素化学成分及分析方法

γ-谷维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-谷维素仅由四种化合物组成：24-亚甲基环木菠萝烯醇阿魏酸酯（24MCAF）、环戊烯基阿魏酸酯（CAF）、菜油甾醇阿魏酸酯（CampF）和β-谷甾醇阿魏酸酯（β-SF），结构式如图1 所示，其按丰度递减顺序排列[12]。γ-谷维素目前还没有标准化的分离和定量方法，但由于米糠中还含有少量的也能产生紫外吸收的游离阿魏酸及其酯类，会使紫外分光光度法测定的结果较高效液相色谱偏高，因此通常采用高效液相色谱（HPLC）对其进行定量分析[9]，龚院生等[13]确定了米糠中γ-谷维素的HPLC 测定条件，以甲醇：乙腈：异丙醇（45∶50∶5）为流动相，检测波长为327 nm。通过HPLC-MS、GC-MS 或核磁共振光谱（NMR）[14]对其进行定性鉴定。

图1 γ-谷维素主要组成的四种化合物结构式Fig. 1 Structure formula of four main compounds of γ-oryzanol

2 目前国内外对稻米γ-谷维素研究关注领域

2.1 品种、产地及环境因素对稻米γ-谷维素的影响

稻米中γ-谷维素主要的影响因素有品种、产地、遗传多样性、土壤情况、气候条件等。Andreas[14]对30 个不同品种、不同产地、不同季节的糙米样品进行了分析，发现γ-谷维素含量在（26～63）mg/100 g 之间，γ-谷维素含量和阿魏酸酯组成有相当大的差异。Bergman 和Xu[15]分析了2 个作物年、4 个不同地点生长的7 个水稻品种的γ-谷维素含量，得出年份和位置交互作用是γ-谷维素含量变化的主要因素，其次是品种和作物年。遗传学在谷维素含量方面也起着重要作用，因为一些特定的等位基因可能会影响谷维素的富集[16-18]。Heinemann等[19]分析了32 个基因型的巴西籼稻和粳稻糙米，发现粳糙米中γ-谷维素的平均含量（246.3 mg/kg）显著高于籼糙米（190.1 mg/kg）。张超等[20]研究发现稻花香长粒米比圆粒米γ-谷维素含量高，实验采集样品的五个地区间的谷维素含量存在明显差异，这一结果与土壤有机质含量均值呈正相关[12,21]。温度或干旱等胁迫条件也可能是影响γ-谷维素含量的因素[22]，在温带气候条件下，灌浆期间稻谷中γ-谷维素浓度随温度升高而升高，Lemus[23]指出不同基因型、生长环境及作物年对水稻γ-谷维素含量影响显著，而黑色和红色水稻品种间γ-谷维素含量无明显差异。这些研究结果将有助于提高水稻γ-谷维素含量，并为稻米培育品种创造新的价值[24]。

目前文献报道[20]发现欧州地区糙米γ-谷维素含量在（23～63）mg/100 g，韩国地区糙米的谷维素含量变化为（26.7～61.6）mg/100 g，印度地区糙米的γ-谷维素含量为（50～72）mg/100 g，巴基斯坦地区糙米的γ-谷维素含量为（24.6～33.0）mg/100 g，日本地区糙米的 γ-谷维素含量为（46.9～48.2）mg/100 g，然而我国稻米中γ-谷维素含量的数据情况却并不清楚，因此应关注这一领域数据的测定与收集，以填补此研究领域的空白。

2.2 加工精度对稻米γ-谷维素的影响

碾磨会导致稻米中微量营养素的大量损失，但目前很少有人关注到加工精度对稻米中γ-谷维素含量变化的影响。Tuncel 等[25]研究了稻米米糠、原始种子、糙米、未抛光米、白米及白垩米中γ-谷维素含量的变化及其抗氧化活性的变化，其γ-谷维素含量依次为3 296.50、454.60、408.90、152.69、26.12 和12.19 mg/kg，可以发现糙米经加工变成白米后，γ-谷维素含量减少了约94%；抗氧化活性按米糠、原种、糙米、未抛光米、白米、白垩米这一顺序逐渐减弱，这与γ-谷维素含量的顺序一致。Butsat 和Siriamorpun[26]分析了从不同生长地点采集的泰国水稻品种的米糠、糙米、精米和稻壳，γ-谷维素含量分别为（3 430～5 380）、（410～950）、（200～330）、（60～160）mg/kg，也证实了由糙米到精米的加工过程中，γ-谷维素损失十分严重。因此从γ-谷维素营养保持这一角度来看应大力提倡全谷物糙米的推广食用以及稻米的适度加工。

2.3 加工方式对稻米γ-谷维素的影响

目前稻米的主要加工方式有蒸煮、发芽萌动、挤压膨化、发酵等，不同加工方式对活性物质的含量及活性的影响不一[27]。通过研究活性物质在不同加工过程中的变化情况，分析其影响因素并反向调控加工条件，最终使活性成分在加工过程中受到最小影响，这对指导开发富含活性物质的稻米制品具有重要意义。

张君等[28]研究发现蒸煮对糙米中γ-谷维素含量有较大的影响，其次是米粉加工，影响最小的是挤压膨化，糙米蒸煮后 γ-谷维素的损失率为59.14%，米粉加工后损失率为3.43%，而挤压膨化后γ-谷维素含量反而增加了7.14%。这也与冯山山[29]、Pascual[30]的研究结果相一致，他们研究发现高温蒸煮过程中γ-谷维素会有约40%的损失。Tsuneo K[31]研究结果显示稻谷种子发芽处理后的糙米和精米中 γ-谷维素浓度并没有增加。Hyun Young Kim[32]研究发现稻谷和糙米发芽后，γ-谷维素含量分别增加了1.13 倍和1.2 倍，芽中γ-谷维素含量为9.91 mg/g，推测稻粒萌发主要使胚中γ-谷维素含量增加。目前有研究显示通过乳酸菌、双歧杆菌及米曲霉等有益微生物的发酵可以显著提高糙米的生物学活性[33-35]，使得发酵糙米制品对肠道肿瘤及糖尿病等慢性疾病有良好的防治效果[36-38]，而对其营养成分的研究主要集中在发酵后总酚含量、黄酮含量、酚酸含量及γ-氨基丁酸含量的变化情况方面[39-40]，而对γ-谷维素含量的研究甚少，由于γ-谷维素含量与抗氧化活性之间有着显著的相关性，因此今后的研究中也应关注到发酵对糙米γ-谷维素含量的影响。

3 目前国内外对米糠γ-谷维素研究关注领域

3.1 不同处理方式对米糠γ-谷维素含量的影响

目前对于米糠的处理方式主要集中在稳定化方法的研究（挤压膨化及红外加热方法等）以及发酵高产技术的研究。Shin 等[41]研究发现挤压膨化对米糠中γ-谷维素含量的影响较小，米糠经140 ℃、60 min 的挤压处理后，只有10.8%的γ-谷维素损失。王劲松等[42]研究了不同膨化条件对米糠主要营养成分的影响，结果表明，随着膨化温度的升高，米糠中γ-谷维素的含量会有所升高。红外加热（600 W，5 min）对米糠γ-谷维素含量的影响不显著[43]，而且红外加热的耗能与挤压膨化大致一样，因此这两种方法在米糠的稳定化应用方面都是值得肯定的。

发酵可以通过有效降解部分物质将结合态形式存在的活性物质释放出来，提高产量及功能活性[44]。Tae-Dong Jung 等[45]用香菇菌丝对21 个韩国品种米糠进行发酵，研究发现Migwang 这一品种米糠发酵后γ-谷维素含量最高（294.77±6.74）mg/100 g，米糠γ-谷维素水平的生物转化变化不显著，但不同品种间γ-谷维素所占比例存在显著差异。Massarolo[46]等首次评价了米根霉固态培养时间对米糠中γ-谷维素回收率及其抗氧化性能的影响，旨在提供一种替代食品配方中合成抗氧化剂的天然提取产物。研究发现米根霉发酵可以增加米糠中γ-谷维素含量，米糠发酵48 h 后γ-谷维素含量由13.54 mg/g 增加到20.52 mg/g，提高了0.5 倍。因此应加大发酵法增产γ-谷维素技术的研究力度，以期为富含γ-谷维素的发酵物梯度开发及深度利用提供数据及参考。

3.2 米糠γ-谷维素提取技术的研究

米糠是γ-谷维素的最佳来源[25]。目前，我国对米糠中 γ-谷维素提取技术有着一定的研究基础，其提取技术主要有弱酸取代法、多溶剂萃取法、超临界流体萃取法、低温结晶法、阴离子胶束沉淀法、制备液相分离法、吸附法、膜富集法及分子印迹法等[47-48]。一些主要提取方法的提取原理、优缺点等如表1 所述，其中国内工厂目前采用最多的还是弱酸取代法，它的优点是工序少、设备简单，成本低，产品质量好，缺点是甲醇损耗较多，得率不高；而日本近些年广泛使用的方法是多溶剂萃取法和吸附法，它的优点是谷维素得率和纯度都较高，缺点是工艺较复杂，设备要求高，成本较高。

表1 γ-谷维素主要提取方法的原理及其优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of main extraction methods of γ-oryzanol

对于传统的溶剂提取法，提取方法和提取溶剂是影响提取效率及其生物活性的关键因素[57]，Kumar 等[58]发现二氯甲烷和乙酸乙酯的萃取能力优于正己烷、异丙醇和丙酮，而Butsat 等[26]却发现丙酮是最佳的提取溶剂，Pramod 等[59]研究发现甲醇是提取γ-谷维素最有效的溶剂，微波法辅助提取可以减少溶剂用量。因此针对不同的提取方法应选择其合适的提取溶剂。目前国内外学者对米糠中γ-谷维素的提取方法主要集中在超临界流体萃取法的工艺研究上[60-64]，超临界流体萃取方法可以最大限度地在不破坏提取物的结构性的前提下做到高效绿色分离，有着较好的工业化基础[60]。

由于较低得率及低米糠油精炼率使得目前米糠γ-谷维素的提取仍处于一个比较尴尬的处境，而随着多学科间深入的交叉渗透，米糠γ-谷维素提取技术也出现了许多有意义的思路和方法，如阴离子胶束沉淀法、制备液相分离法、膜富集法及分子印迹法等，虽然这些方法在实验室取得了不错的提取效果，但是进入工厂规模化生产还有很长的路要走。为了振兴中国米糠加工行业，广大科研工作者及企业家应在γ-谷维素提取方法改进方面深入研究，如混合油碱炼的工业应用、溶剂萃取法、超临界流体萃取法以及同步制备γ-谷维素及其它活性物质的米糠绿色发展利用新工艺，都需要进一步研究应用，将具有非常好的经济和社会效益。

4 展望

我国稻米资源丰富，如何合理设计稻米加工、开发利用稻米加工副产物已成为稻谷加工业亟待解决的重点和难点。国内外学术界和工业界均对稻米及米糠γ-谷维素这一具有多种生理活性的物质表现出了越来越大的兴趣，其具有巨大的市场需求量，应用潜力巨大。

因此，加强我国稻米加工副产物活性组分的分离，开发与梯度增值利用，延伸我国稻米加工产业的产品链与价值链，拓展其在不同领域的多元化应用，对粮食加工产业的节粮减损、健康中国及高质量发展等多方面具有非常重要的战略意义。我们应在我国稻米 γ-谷维素含量的数据采集、稻米适度加工、应用挤压膨化、发芽及发酵技术开发糙米制品及米糠γ-谷维素的高效提取方法及其在化妆品、保健品、医药及食品等行业中的应用方面加大研究力度，为米制品及稻米深加工提供理论上的指导，提升稻米制品的营养健康水平，提升米糠的附加值，促进我国相关产业的发展。