米糠生物活性物质及其应用研究的进展

姜 平 吴娜娜 翟小童 王 博 乔聪聪 谭 斌

(国家粮食和物资储备局科学研究院1，北京 100037) (中粮营养健康研究院有限公司2，北京 102209)

水稻(Oryza sativa L.)是一种重要的谷物作物，是全球一半以上人口的主食[1]，稻谷加工过程中会产生约20%的稻壳、8%的米糠和2%的胚芽[2]，根据目前大米产量，全世界可供人类利用的米糠大约有6 600万～7 400万t[3]，统计资料显示，2019年我国稻谷产量约为20 961万t，据此推算我国年产米糠约1 600万t。米糠主要营养成分包括碳水化合物(34%～62%)、脂类(15%～20%)、蛋白质(11%～15%)、纤维素(7%～11%)、其他矿物质如磷、钾、镁、钙、锰等微量元素[4]。但由于米糠在生产和储存过程中容易出现酸败并伴随不良风味，常被当作废弃物丢弃或作为动物饲料原料[5,6]，造成较大浪费，因此常用干热、微波、高压灭菌或乙醇汽化等各种处理方法来进行米糠稳定化并提高米糠中天然亲脂性生物活性物质的利用率[7]。

图1 米糠在全球公众健康中应用潜力的思路框架

米糠中还含有丰富的生物活性物质，如酚酸、黄酮类化合物、维生素E、γ-谷维素和色素化合物等，非常有益于人类的健康[8]，研究表明米糠中的这些物质具有抗氧化、抗血脂异常、抗炎、抗病毒等生理功能，能够预防心血管疾病、糖尿病、慢性炎症及癌症等[9,10,11]。图1展示了营养不良和疾病之间的恶性循环。营养吸收不良会引起胃肠道受损发炎，进而免疫防御能力受损促成传染性和慢性疾病发生；疾病发生又引起了胃肠道完整性遭到破坏，降低机体营养吸收效能，引起营养吸收不良，如缺少食物安全保障，将进一步造成营养不良，形成营养不良与疾病之间的恶性双促进循环。而通过摄入米糠中的生物活性物质就可以改善营养状况和降低疾病易感性，减少肥胖、促进生长和认知能力，建立一个健康的肠道微生物群[12]。本文通过整理总结米糠主要生物活性物质成分类别、主要提取方法、生理功能特性，以及食品、化妆品及医药等领域中的应用，以期对米糠的高附加值利用提供研究参考。

1 米糠主要生物活性物质及其提取方法

米糠生物活性物质是指除碳水化合物、蛋白类和脂肪类等宏量营养素以外的次生代谢产物，通常以3种存在形式：1)游离型；2)可溶性共扼型；3)不溶性结合型，其中以游离型和可溶性共扼型化合物易被有机溶剂提取，而结合在细胞壁、成分含量最多的不溶性化合物却往往被忽略[13]。米糠中含有数百种不同的植物活性物质，如含有高价值的γ-谷维素、维生素E(包括α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚)、酚酸(包括没食子酸、原儿茶酸、香草酸、对羟基苯甲酸、绿原酸、丁香酸、咖啡因酸、对香豆酸、芥子酸、阿魏酸)、黄酮类化合物(包括山萘酚)、植物甾醇等，Khalid等[14]将其归纳分为三大类：花青素和黄酮类、酚酸和肉桂酸类及甾体化合物类，详见表1。

表1 米糠中主要生物活性物质及提取方法[15]

提取米糠生物活性物质的方法主要有传统的溶剂萃取、索氏提取和一些新技术(如欧姆加热辅助提取、超临界二氧化碳提取、超声辅助提取和微波辅助提取)，其中溶剂类型和极性的选择非常重要，将影响生物活性化合物的溶解度，这也是目前很多研究的热点。表1列举了米糠中主要生物活性物质及目前研究中较多采用的提取方法，其中超声辅助提取技术和超临界二氧化碳提取技术由于可以加快提取效率、节约能源以及环保等优势，在提取热不稳定活性物质和要求低温加工的食品方面具有广阔的应用前景。

为了寻求更加绿色环保、高效低耗、高得率、高活性的方法，目前众多研究关注到微生物发酵在生产具有生理活性的次级代谢产物方面的应用[16]，这也是目前国内外食品、化妆品等领域的研究热点。Schmidt等[17]利用米根霉(Rhizopus oryzae)对米糠进行固态发酵，探究其酚酸的抗氧化活性和酶抑制作用的变化，Razak等[18]研究了米曲霉和米根霉的单一和混合培养发酵米糠生产生物活性化合物及其药妆潜力，刘志刚[19]用粗壮脉纹孢菌(Neurosporacrassa)固态发酵砻糠和脱脂米糠生产类胡萝卜素，Rashid[20]等研究发现利用乳酸菌发酵可以提高米糠中生物活性化合物的含量，改善对人体有益的功能特性，Jung[21]利用香菇真菌菌丝对21种米糠进行液态发酵，评估和比较了发酵后米糠中的生物活性化合物含量(γ-谷维素、β-葡聚糖和总酚)和抗氧化活性，Massarolo等[22]证实用米根霉对米糠进行固态培养提高了γ-谷维素的回收率，改善了米糠的功能特性，冯海燕[23]利用枯草芽孢杆菌发酵米糠，发酵后米糠的生物活性成分明显提高(包括总酚、黄酮、阿魏酸、VE、γ-谷维素、VB1、烟酸、VB6)，而且其辅助降血脂的功能更显著。虽然目前生物发酵技术在生物活性物质开发利用领域的研究甚多，但还应对发酵菌株的安全性、有害代谢产物、杂菌污染等安全问题予以重视[24]，还需进一步加强各类生物活性物质的体内外毒理学研究，才能有效明确食品工业中各类副产物固态生物转化工艺的实施手段，为从植物性加工副产物中获取的生物活性物质在食品保健、医药制品、化妆品等诸多领域更深层次的开发利用提供参考[25]。

因此，可通过微生物发酵法与新型提取技术联用的方式来提高米糠生物活性物质的活性及得率，以期拓展其在食品、化妆品及医药等领域的应用。

2 米糠主要生物活性物质的生理功能及其作用机制

许多研究表明米糠富含具有保护特性的生物活性化合物，表2列举了米糠中主要生物活性物质的生理功能，它们通过减少自由基介导的氧化应激，改善血管炎症、内皮功能、血压、血脂和血糖，积极调节与高血压、高血脂、高血糖和2型糖尿病等疾病有关的病理生理学通路等，从而具有抗氧化、抗炎、清除自由基、降胆固醇、降血压、降血脂、抗糖尿病、预防阿尔茨海默症和抗癌活性等多种生理功能。但在研究体内转化结果时，需要考虑生物利用度、微生物区系概况、酶参与和植物化学代谢等因素[8,26]。

表2 米糠中主要生物活性物质的生理功能[27,28]

2.1 抗氧化机制

米糠中具有抗氧化活性的生物活性物质的抗氧化机制主要有[29-31]：①结构中含有易形成自由基的基团，阻止了脂质氧化的自由基链式反应；②抑制活性氧自由基产生，从而减少氧化应激的发生；③螯合金属离子，抑制其促氧化作用及酶系统；④猝灭单线态氧；⑤作为还原剂。

2.2 抗癌机制

米糠中具有抗癌作用的生物活性物质的抗癌机制主要有[32-36]：①通过氧化应激反应来调节ROS水平，抑制相关酶和炎症因子的表达；②改变与炎症表达相关的信号通路，降低转录因子的活性；③抑制上皮间质转化(EMT)，减弱肿瘤干细胞的特性。④表观遗传的调控(DNA甲基化的抑制和RNA的调控)。

2.3 降血脂机制

米糠中具有降血脂作用的生物活性物质的降血脂机制主要有[37-40]：①通过降低 HMG-CoA还原酶(胆固醇生物合成的反应中限速酶)的活性来减少胆固醇合成，调控 NADPH 生成酶(脂肪酸和胆固醇的生物合成中所必须的物质)的活性来抑制肝脏生成甘油三酯和胆固醇的水平来减少胆固醇合成；②通过生物活性物质在肠道的不同位置发挥不同的作用以抑制胆固醇的吸收。如通过竞争结合位点来阻止胆固醇进入胃和十二指肠，如胆固醇进入了十二指肠，则通过抑制胰腺胆固醇酯酶的活性来抑制胆固醇的吸收；③胆固醇的异化及加速排泄。

2.4 降血糖机制

米糠中具有降血糖作用的生物活性物质的降血糖机制主要有[41]：①选择性地作用于胰岛β细胞，使胰岛素分泌增多，抑制了肝糖的生成和输出；②改善胰岛素信号通路和胰岛素敏感；③改善糖代谢和脂质积累；④抑制升血糖激素的活性；⑤促进抗氧化酶类的合成，增强抗氧化性，减轻对胰岛β细胞的损伤。

2.5 抗炎机制

米糠中具有消炎作用的生物活性物质的抗炎机制主要有[42]：①抑制炎性酶的表达，如诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和环氧合酶2(COX-2)；②阻止IκB的磷酸化，抑制NF-κB途径。

3 米糠主要生物活性物质在食品、化妆品及医药领域的应用

目前我国对米糠资源的主要利用途径是直接将其作为饲料，只有10%～15%的米糠进行了深层次开发利用，而日本米糠却能达到100 %的综合利用率, 甚至在欠发达的印度，米糠的综合利用率也达到了30 %[43]。图2展示了日本某公司在稻米加工副产物的纵深开发利用情况，可以看出日本在稻米加工、米糠油加工、副产物的综合利用以及食品加工等领域的产业循环链条已形成规模化，精深加工水平高，产品结构形式多样，大大提高了附加值。

近些年国内外许多研究者对于米糠中生物活性物质在食品、化妆品及医药领域的应用潜力进行了广泛的研究，表3列举了目前研究米糠活性成分热点关注的领域，在食品领域主要用于抗酸败、着色、营养强化、防腐及稳定剂，在化妆品领域主要用于抗氧化、祛斑美白、抗老化、保湿、防晒及抗皱等，目前在医药领域主要研究其在抗癌、消炎、调节心脑血管疾病及2型糖尿病方面的应用，由此可见我国米糠开发利用还有更广的范围、更深的层次以及巨大的增值潜力。

图2 日本某公司的米糠利用路径

表3 米糠生物活性成分在食品、化妆品及医药领域的应用案例[44,45]

3.1 米糠生物活性物质在食品领域的应用

目前从米糠中提取的生物活性物质主要以功能性成分、着色剂和防腐剂等形式应用于食品中，用于提高食品的营养价值、色泽、质地和延长产品的货架期等。米糠是色素化合物最具潜力的植物来源之一，其所富含的花青素、类胡萝卜素、酚酸和γ-谷维素这些化合物不仅能为产品提供天然的颜色，而且对人体健康十分有益，米糠中的酚酸、类黄酮、维生素E、必需氨基酸和γ-谷维素以食品营养强化剂的形式应用于保健品和功能性食品配料中，可以满足人们日益增长的对优质健康制品的需求，米糠中含有的天然抗氧化剂(维生素E、酚类，类黄酮和花青素)能有效抑制生物有害氧化反应，如能替代合成抗氧化剂(BHA、BHT、PG和TBHQ)的使用，则可避免或减少合成食品添加剂的使用。

3.2 米糠生物活性物质在化妆品领域的应用

目前日本、加拿大、美国这些发达国家对米糠在化妆品领域的应用研究比较深入，而且已经进行了科学系列的开发，尤其是在日本，其商场货架上已有大量的米糠化妆品或入浴剂在销售，如oryza米糠系列产品、膏霜、乳液、防晒品、米糠肥皂、防裂唇膏、洗面奶、牙粉、粉底等[46]，而我国对米糠中生物活性成分在化妆品领域的应用研究甚少。在化妆品领域可使用的米糠生物活性成分主要有B族维生素、维生素E、γ-谷维素、植物甾醇、烟酰胺、二十八烷醇、角鲨烯和植酸等，因此可以加大米糠在化妆品这一高附加值行业中应用的研究力度，将显著提升米糠的附加值。

3.3 米糠中生物活性物质在医药领域的应用

在人类面临的各种疾病中，心血管疾病、癌症、关节炎、糖尿病和高胆固醇血症是导致发展中国家和发达国家人口死亡的主要疾病类型，有研究证明从米糠中提取的生物活性物质具有抗癌活性、抗炎性、调节心血管疾病和2型糖尿病、药物缓释等功能，因此可以考虑将其研究开发应用在相关医药领域，其中米糠富含的植酸、花青素、植物甾醇有抑制卵巢癌、乳腺癌、肝癌、结肠癌细胞生长的效果，在癌症的防治中具有巨大的潜在应用价值[47,48]。日本有一款保健药(IP6精华)是以米糠中的肌醇 、肌醇六磷酸(IP6)和γ-谷维素作为主要成分，具有抗氧化、预防和治疗心脏病、皮肤炎、神经失调和肝脏功能障碍等功能，已得到了日本厚生省和美国食品与药物管理局(FDA)的确认[49]。目前植物天然产物已被用作预防和治疗人类和动物疾病的预防剂的主要来源，富含天然植物化学物质的营养品在改善人类健康方面有着广阔的应用前景[50,51]。因此，我国也应加大米糠在医药领域的应用研究力度，拓宽米糠高附加值利用的途径，减少人工合成生物药品的应用，造福人类健康。

4 展望

我国拥有丰富的米糠资源，而且米糠具有很高的营养价值以及潜在的保健价值，但目前我国对其深加工开发利用却非常有限，因此应着眼国际和国内市场合理布局，科学系统的研究其在化妆品、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。寻找简单、低成本、适用、有效和环境友好的提取新技术也是应关注的研究重点，因为这可以为扩大稻米加工副产品的利用提供必要条件。微生物发酵作为一种传统而又新颖的加工方式，其可靠性不断提高，由于其成本低廉、操作简单、代谢产物得率高、绿色环保，还可以提高对人体健康有益的生物活性成分含量，改善生物学功能，目前已成为了国内外副产物增值利用的研究热点。因此有必要从微生物代谢调控角度出发构建米糠生物活性物高产体系，为进一步降低生产成本且安全高效的产品提供思路，也为粮食加工副产物的精深加工利用提供技术支撑。