米糠蛋白提取和利用的研究进展

2021-10-21张琴秋秦文胡欣洁

食品与发酵工业 2021年19期

关键词：米糠乳化特性

张琴秋,秦文,胡欣洁

(四川农业大学食品学院,四川雅安,625014)

稻谷通常由壳或皮(20%),麸皮(9%),稻仁或淀粉层(70%)以及稻胚或胚芽(1%)组成[1],如图1所示。

图1 稻米的示意图及其所有组分的百分比Fig.1 A schematic diagram of a rice crop with percentages of all its components

米糠是稻谷加工的主要副产品之一,且资源十分丰富,其中60%用来提取米糠油、米糠蛋白、米糠肽、米糠饼等,其余多作饲料。米糠具有很高的营养价值,富含蛋白质、脂质、膳食纤维、维生素和多种矿物质等,如表1所示[2]。

表1 米糠主要成分组成Table 1 Main components of rice bran

米糠蛋白是从米糠中提取出来的,大约占米糠质量的12%～20%,是一种低成本植物蛋白,可以掺入食品中提高食品的营养价值和市场价值。同时脱脂米糠是低变应原性蛋白质的良好来源,脱脂米糠粉已经被用于生产米糠蛋白质分离物和蛋白质水解物;可作为天然成分掺入食品配方中和应用于各类食品中[3]。全世界目前已经掀起了提取米糠蛋白的热潮,在米糠蛋白的利用上已取得不少成功经验,如利用米糠蛋白的低过敏性、抗癌活性和保健功能等开发药品、功能性食品、婴幼儿奶粉、化妆品等[2]。因此本文综述了米糠蛋白的基本特性、常用提取方法和目前的应用现状,为米糠蛋白的有效利用提供信息和对未来的发展前景做出了展望。

1 米糠蛋白

1.1 组成

根据溶解度和可萃取性对米糠中的蛋白质进行了分类,可将米糠蛋白分为清、球、醇、谷4种蛋白[4],都属于储存蛋白,它们分别溶于水、稀盐溶液、醇溶液和酸碱溶液。其中清蛋白和球蛋白含量相对较多,谷蛋白和醇溶蛋白则较少。在米糠蛋白中,清蛋白含量约占35%,具有最高的生物学价值以及最容易被人体吸收和利用。球蛋白不含赖氨酸,其含量与清蛋白相当(约35%),具有适量的胱氨酸和蛋氨酸,主要在稻谷萌发期开始发挥生理作用。醇溶蛋白是米糠中含量最低的贮藏蛋白,在米糠中含量仅为4%,但谷氨酸或谷氨酰胺、丙氨酸、甘氨酸和精氨酸含量较高,可以为谷物提供氮、碳和硫的储存。谷蛋白是稻谷中主要的蛋白质,约占米糠总蛋白的11%～30%,结构复杂,被认为是高分子量的化合物,二硫键和糖基化结构使谷蛋白不溶且难以从麸皮中提取[3,5]。

1.2 营养特性

米糠蛋白是优质的植物蛋白,蛋白质消化率校正氨基酸评分为0.90,米糠蛋白的生物效价与牛奶酪蛋白相似,蛋白效率比约为2.0～2.5,消化率大于90%,具有良好的生物价值和消化率[6],是一种有前景的优质蛋白质来源。米糠的蛋白质消化率和生物学功能高于其他谷物蛋白[4];因此被公认为用于纯蛋白质产品、蛋白质补充剂或婴儿配方奶粉开发的最低过敏产生蛋白之一,也是唯一可以免于过敏试验的谷类蛋白[7]。

蛋白质是由多种氨基酸组成的大分子生物化合物,其营养价值取决于氨基酸的含量和组成。米糠蛋白含有多种必需氨基酸,其氨基酸组成比接近FAO/WHO推荐模型,是合理和平衡的[8]。大多数谷类蛋白质赖氨酸含量不足,而米糠蛋白赖氨酸含量较高,明显优于其他谷物蛋白质。目前公认的低敏感植物蛋白分别为花生蛋白和大豆蛋白,但都含有一定量的抗营养因子,如胰蛋白酶抑制剂和抗凝血因子,会对易过敏的人产生过敏反应。而米糠蛋白比其他谷物蛋白敏感性低,甚至低于花生蛋白和大豆蛋白,可较好地应用于婴幼儿和敏感人群的食品中[7]。

1.3 功能特性

米糠蛋白因氨基酸组成合理以及有较高的生物价、净利用率和低过敏性的营养特性,是近些年食品研究者研究的热点之一。将米糠蛋白作为营养补充剂添加到食品中可改善食品的感官特性和营养性,但目前却因米糠蛋白的提取率低而使其利用受到限制。因此,改善米糠蛋白的功能特性从而提高其提取率是今后研究的重点趋势[9]。

1.3.1 溶解特性

溶解特性是米糠蛋白功能特性最主要的指标,它决定着米糠蛋白在生产实践中实际应用价值。米糠蛋白溶解性的高低直接决定了蛋白的乳化、起泡和凝胶等功能特性。同时,蛋白质的电荷分布、粒径大小、疏水与亲水的比例以及pH、温度和离子强度等因素都会对蛋白质的溶解特性产生影响。由于米糠蛋白是以碱溶性的蛋白质为主,在 pH 4～4.5时蛋白的溶解性最低;随着pH的增大,其蛋白的溶解性越来越高,HEDAYATI等[10]在pH 10和pH 4时分别观察到最高和最低的蛋白质溶解度。适当升高温度和压力会提高米糠蛋白的溶解度,但温度和压力过高会降低其溶解度,如120 ℃干热预处理会降低米糠蛋白质的溶解度[11]。ZHU等[12]在研究高压对米糠蛋白功能特性的影响时发现,100 M和200 MPa的高压处理会显著提高米糠蛋白的溶解度,在500 MPa时溶解度达到最大,超过500 MPa反而会使溶解度降低。因此,控制提取温度、pH、压力、离子浓度等来改善米糠的溶解度,可以使米糠蛋白得到更有效地提取和利用。

1.3.2 乳化性

乳化性属于蛋白质的界面性质,它是蛋白在油水界面上形成连续相的能力。而影响蛋白乳化性最关键的因素就是其表面疏水性。另外,米糠蛋白的乳化性还受 pH、碱性蛋白酶、温度等因素的影响。温度和压力升高都可以提高米糠蛋白的乳化性和乳化稳定性[11]。PANG等[13]发现加热480 min制备的米糠蛋白乳液显示出最佳的乳化活性,而420 min显示出最佳的乳液稳定性。PHONGTHAI等[14]发现米糠中碱性蛋白酶水解5.04%可以显著改善米糠浓缩蛋白的功能特性,特别是乳化性能。ZANG等[15]发现米糠蛋白一定程度水解,可以增强其乳化作用,用水解3%的米糠蛋白制备的乳液最稳定。LI等[16]发现在米糠蛋白油包水乳剂添加儿茶素(0.15%,w/v),形成米糠蛋白-儿茶素复合物,可以使乳液具有最佳的乳化性能。因此,改善提取方法或控制提取条件可以显著改善米糠蛋白的乳化性和乳化稳定性,更有利于后续的加工和利用。

1.3.3 起泡性

起泡性属于蛋白质的界面性质,蛋白质的起泡性和泡沫稳定性对于食品产品的感官特性具有重要作用[17]。蛋白质的溶解性、乳化性、温度及分子的极性是影响蛋白质起泡性的主要因素。同时起泡性和泡沫稳定性指数与压力呈正相关[12]。那治国等[18]用蒸汽闪爆对米糠粕进行处理,发现蛋白质的起泡性和泡沫稳定性都有显著提高。张燕鹏等[19]采用稀酸协同超声波处理米糠蛋白可以提高米糠蛋白的起泡性和改善泡沫稳定性。但高浓度的过氧自由基和丙二醛氧化会抑制米糠蛋白的起泡性和降低其稳定性[8]。WU等[20]发现米糠贮存时间的增加导致米糠球蛋白的发泡能力、泡沫稳定性、乳化活性和乳化稳定性的降低。因此,米糠蛋白的起泡性和起泡稳定性与提取方法和条件密不可分。

2 米糠蛋白的主要提取方法

近年来,米糠蛋白提取方法和技术日趋成熟。目前已经利用多种技术从米糠中提取蛋白质,主要可分为化学、酶促和物理方法[21]。同时,生态创新技术,如:静电分离、亚临界水萃取、反胶束、微波、超声、脉冲电能和高压辅助萃取也开始广泛应用到米糠蛋白的提取研究中[22]。

2.1 化学提取法

使用化学碱(例如NaOH)从米糠中提取蛋白质是常用的方法,破坏氢和酰胺键以溶解米糠蛋白质达到提取的效果;在pH 7～12时米糠蛋白产率为30%～80%,可调节pH达到最大产率[23]。在pH较高情况下相对蛋白产量增加,如PARAMAN等[24]采用碱提取米糠蛋白时发现,随着提取pH从9.0增加到12.0,蛋白质的提取率和含量显著增加。同时体外和体内的研究表明,碱提法引起米糠蛋白难消化的PB-I结构改变,使蛋白质更易于消化和生物利用度提高[25]。碱法提取蛋白质效果较好,但它会造成米糠蛋白某些结构变化,从而导致蛋白质丧失其原始功能[21]。在碱处理过程中,包括发泡,乳化和成膜在内的功能特性也会受到影响[26];容易造成蛋白质变性和水解,提取非蛋白质成分,使米糠蛋白纯度低;同时在碱性条件下会促进美拉德反应,生成褐色物质,甚至产生有毒化合物,降低米糠蛋白品质[21]。因此,应优化米糠蛋白的化学提取工艺,减少对米糠蛋白的不利影响,考虑新型绿色的化学试剂提取米糠蛋白。

2.2 酶法

酶促水解是从米糠中分离蛋白质和水解产物/多肽的另一种常用技术,主要通过降解细胞壁,破坏淀粉键释放蛋白质和改善蛋白质溶解度来提取米糠蛋白[27]。酶促水解使用的酶包括各种源自微生物的商业食品级蛋白酶,例如碱性内切酶、复合风味酶和复合内切酶,以及源自植物(例如木瓜蛋白酶)和动物(例如胃蛋白酶和胰蛋白酶)的酶,都可以用于酶促水解提取米糠蛋白[28]。王蕾等[29]使用纤维素酶从米糠中提取蛋白质,显著增加可溶性蛋白质的产量。KHAN等[30]发现使用植酸酶和木聚糖酶混合物提取米糠蛋白,显著提高米糠浓缩蛋白的蛋白质含量(61%～85%)。据LI等[31]研究,在最佳条件下(pH 7.6,52.8 ℃)用胰蛋白酶消化米糠,得到的水解产物中蛋白质含量可达到81%。使用木瓜蛋白酶消化的脱脂米糠,可以实现蛋白质有效回收,改善米糠蛋白的乳化性[32]。酶促水解通常不影响米糠蛋白质的营养价值[14],还可以在一定程度上改善米糠蛋白质的功能特性和营养特性,具有绿色无污染,蛋白质品质好,提取率高的优点[33]。但酶一般价格比较昂贵,提取条件严格[21],不适合工业化提取。因此,应进一步开发价格比较合理的酶应用于米糠蛋白的大规模工业化提取。

2.3 物理提取技术

利用均质机、胶体磨或超微粉化设备破碎米糠中的细胞结构,从而溶出米糠蛋白的方法称为物理法;传统的物理方法如胶体研磨、均质化、高速混合、冻融和高压早已用于蛋白质提取[4]。超声处理、水热蒸煮、微波[34]、微流化和亚临界水也成为提取米糠蛋白质的有效物理方法。通常由物理技术形成的剪切力可能会导致细胞破裂。在这种情况下,张安宁等[35]采用反复冻融辅助弱碱法提取了米糠蛋白,提取率达63.07%,并指出在整个冻融过程中冰晶的产生导致细胞裂解,破坏细胞膜并进而释放细胞内组分,但又不会破坏蛋白功能特性。胶体研磨和均质化会分解米糠以提取蛋白质,但蛋白质提取不彻底。除超声处理外,超高压方法也可能导致膜完整性和分子键受损[36]。由于空化气泡的破裂,在超声处理过程中产生的高温和冲击波会导致细胞损坏。然而,超声处理5 min对蛋白质提取无效,产率为15%,而高压技术只能得到11%的蛋白质[21]。亚临界水提取也已用于从米糠中提取各种功能性化合物(蛋白质,氨基酸)[4]。值得注意的是,通过亚临界水提取进行蛋白质提取时所用的高温可能会使蛋白质变性[5]。因此可以得出结论,如果单独使用物理方法,通过破坏米糠细胞提取蛋白质的效果并不是很好。

2.4 多种技术结合

采用2种及以上方法结合提取米糠蛋白,既能达到较好的提取效果,同时也能减少对米糠蛋白功能特性的影响。将物理处理和酶处理相结合是一种有效的方法,微波与酶结合,超声波与酶结合,通过超声辅助提取和微波辅助提取减少获得米糠蛋白的所需时间[34],使提取的米糠蛋白结构完整,质量较好。超声均质技术是制备米糠蛋白稳定乳化液的有效方法,超声均质化20%功率20 min制备的乳化液具有良好的抗乳化稳定性[37]。SUN等[38]分别采用超声波,均质化和微波辅助碱法提取米糠蛋白,都能达到较高的提取率,还可以有效改善蛋白质的某些特性,例如吸油量,乳化稳定性和起泡能力。LV等[39]用微波(100%功率,1～2 min)和干热(120 ℃,10～20 min)对米糠进行稳定化处理,然后碱法萃取(pH 9.5)和酸法沉淀(pH 4.5)制备蛋白质,可以显著提高蛋白质纯度。因此可以得出,对米糠进行一定的稳定化处理,多种技术联用提取可以改善米糠蛋白质的功能特性,从而提高提取率和增加其应用价值[40]。

3 米糠蛋白的应用

米糠蛋白是一种来源丰富的蛋白质资源,因此可通过改善米糠蛋白的功能特性以使其能更好地应用于食品加工领域。目前米糠蛋白主要应用于一些功能性食品(如米糠肽、临床专用营养补充剂、米糠蛋白纳米乳液、微胶囊等)、食品包装及食品添加剂领域,同时其在医药和化妆品领域也有部分应用[2]。

3.1 用于米糠蛋白肽的提取和应用

富含蛋白质(12%～20%)的米糠,属于农产品加工副产品,是极具前景的生物活性肽资源[41]。利用米糠蛋白制备得到的多肽具有诸多生物活性,如抗高血压、降血脂、抗氧化、ACE(血管紧张素转化)抑制活性、抗菌、抗癌等[42]。用米糠中提取的米糠蛋白衍生具有抗氧化性的生物活性水解产物和生物肽,可以在食品和药品应用中用作增值产品，特殊医用食品中作为功能成分和作为食品天然防腐剂,更好地发挥其生物活性[21]。窦博鑫等[43]在奶粉中添加米糠蛋白肽,开发了具有营养保健功效、口感纯正的发酵型米糠蛋白肽酸奶。谭荣韶等[44]将米糠蛋白肽应用到慢性肾病专用肠内临床营养品专用配料中,研制具有免疫调节活性和消化性好的临床专用制剂。

3.2 用作纳米运输载体和新型微胶囊壁材

利用米糠蛋白具有低致敏性及较佳的乳化性,可用于米糠蛋白纳米乳液和米糠蛋白微胶囊的制备,作为食品中功能性营养成分的纳米运输载体和微胶囊壁材。如CHEN等[45]以米糠蛋白纳米乳剂作为运输载体,添加3 mg/mL槲皮素可形成具有较小液滴尺寸和较高掺入率的纳米乳液。槲皮素-米糠蛋白为基础的纳米乳剂(QE-RBP NEs)在碱性条件下和低盐离子浓度下表现出良好的稳定性和生物利用率。常慧敏等[46]利用米糠蛋白与麦芽糊精按适当的比例重复配比置换壁材,用于包埋玉米籽油和亚麻籽油,可以起到良好的油脂保藏效果。HASANVAND等[47]发现利用米糠蛋白-亚麻籽胶的核壳物理作用,可形成香兰素/β-环糊精包合物,使其被微胶囊化,从而提高了香兰素的热稳定性和保质期。

3.3 用于制备米糠蛋白复合膜

米糠蛋白由于其自身功能特性,是制备新型植物蛋白生物质薄膜的良好材料,但单一的米糠蛋白膜存在机械性能和阻隔性较差的问题,因此常与淀粉、壳聚糖和明胶等材料复合制成米糠蛋白复合膜,提高其机械性能和阻隔性能,同时也可对米糠蛋白进行改性、稳定或添加生物活性物质以提高膜的抗氧化活性和增加抑菌效果,开发可用于食品包装的功能性蛋白膜[48]。齐艺惠等[49]以米糠分离蛋白为成膜基质,通过添加鼠尾草酸开发制备了具有生物活性的可食性米糠蛋白复合膜,具有良好的机械性能和阻隔性能。

3.4 用作食品添加剂和食品营养强化剂

米糠蛋白可作为食品添加剂和营养强化剂等应用于食品加工领域。如可作为蛋白质营养强化剂添加到肉制品、饮料、烘焙产品,可改变其加工特性,配制营养价值更高的富含蛋白质的产品,更好地满足消费者需求。也可用于生产婴幼儿蛋白粉和添加在特殊人群膳食中以改善机体蛋白营养不良状况[7]。米糠蛋白的水解产物(肽段和氨基酸)具有良好的溶解度、乳化性和起泡性,可在许多食品中充当稳定剂和营养强化剂,包括用于饮料稳定、冲调粉营养强化、咖啡增白剂,用于增强冷冻甜品和糖果巧克力的乳化性,增强烘焙食品乳化性、起泡性、松软度和提高品质,改善肉制品和香肠口感风味、充当稳定剂、黏合剂等[50]。因此,米糠蛋白可应用于多种类型的食品加工和生产中,具有良好的应用价值和前景[51]。

3.5 其他领域

米糠蛋白同时还可以应用到化妆品和化工原料的生产中。米糠蛋白在化妆品中的应用主要有2种途径,一是直接添加米糠蛋白在化妆品中,增强乳化性,更利于皮肤吸收;二是提取的功效成分(多肽、氨基酸、活性肽)可用于爽肤水和洁面奶中,增加保湿功效[52]。还可以利用米糠蛋白分离干酪素作为化工原料。也可用于纸张涂料、木黏胶胶料、纺织品浆料、防水纤维、塑料、合成树脂的制造中[2]。

4 结论和展望

我国拥有丰富的米糠资源,但米糠蛋白的提取技术相对落后、工业化生产程度较低,米糠蛋白得率较低、纯度不够、稳定性较差,使得米糠蛋白尚未形成完整的产业体系;同时针对米糠蛋白功能性质及营养活性的研究也较少,米糠的利用率还较低。因此在未来的研究中要进一步开发高新技术、改善传统技术、多种技术结合、优化米糠蛋白的提取工艺、稳定米糠蛋白的营养价值,从而提高米糠蛋白的数量和质量,提高应用价值,加快我国米糠产业体系的形成。

4.1 优化提取方法

米糠蛋白缺乏实用性的主要原因是其提取难度大。在天然状态下,米糠中粗纤维和灰分较多,难以溶解;同时米糠蛋白含有较多的二硫键不易溶于普通溶剂。虽然米糠蛋白的营养价值和保健功能得到了食品和医学界的认可,但是目前还没有工业化的米糠蛋白产品。因此可以考虑：(1)进一步开发绿色高新技术,如超高压提取、酶法、超临界提取、电磁波辅助提取等;(2)改善传统碱提取技术,如开发绿色环保的化学溶剂提取米糠蛋白,如离子液体、低共熔溶剂、超临界CO2等;(3)采用多种技术联合提取米糠蛋白,如酶法与物理技术结合,碱法与超声、微波、超高压、亚临界萃取等技术结合[53]等;(4)优化提取工艺,设计合理的工艺参数进行提取,温度、压力、料液比、溶剂浓度应控制在合理范围,从而提高提取率和改善品质;(5)稳定米糠蛋白品质和营养价值,采用一系列物理方法(低温制冷,热处理),生物和化学方法来稳定米糠蛋白品质[40]。在达到较高的提取率和稳定米糠蛋白品质前提下,尽可能降低成本,减少化学试剂的使用和有害产物生成,使用高效绿色环保的方法。

4.2 提高应用价值

在米糠蛋白的应用方面,目前稻米加工中生产的细糠,用作动物饲料的比例仍然较高,浪费了米糠这一宝贵资源。由于米糠蛋白的功能性质和营养价值不断被大众认知,科研工作者和企业越来越重视米糠蛋白在医药保健和食品工业方面的应用。因此需要提高米糠蛋白的提取技术,从而获取高品质和较大数量的米糠蛋白应用到实际生产中;进一步加强米糠蛋白用于活性肽的提取和营养强化剂的研究,同时开发米糠蛋白功能性纳米乳液和新型食品包装材料,提高米糠蛋白的利用率和功能性应用价值。