米糠是稻谷加工过程中的主要副产物,占稻谷总质量的5%~8%,富含蛋白质、脂肪、碳水化合物和膳食纤维等宏量营养物质,以及阿魏酸、谷维素、生育三烯酚、植物甾醇等生物活性成分,极具商业开发价值。然而,在碾米脱糠的过程中,米糠中脂肪酶会与脂类迅速接触,并诱发酶催化脂类酸败反应的发生。若不采取稳定化手段对新鲜制备的米糠进行处理、抑制其酸败进程,米糠会在1~2 周内蓄积大量游离脂肪酸,使酸价快速上升,大大限制其进一步被高值化利用。
目前,米糠的传统稳定化技术如化学处理法、干/湿热处理法、挤压膨化法等已得到较为广泛的应用,但存在设备能耗较高、物料穿透能力低、营养物质流失多等缺点。研究人员开始尝试利用一些新型的非热技术手段(如低温等离子体法、高能电子束辐照法和射频处理法等)对米糠进行稳定化处理并取得了良好效果。江苏大学食品与生物工程学院的周晨光、石吉勇*、邹小波*等人对不同新型处理技术的稳定化效果及其对米糠品质的影响进行了总结和分析,以期为米糠资源的综合利用提供借鉴。
图1A是稻粒去除稻壳后的结构。米糠作为稻谷碾磨后的主要副产物,主要由果皮、糊粉层、珠心层和胚芽组成,其质量约占稻米总质量的7%~8%左右。图1B是果皮部分的显微结构,由果皮P、种皮S和果皮N共同组成;如图1C所示,稻粒由糊粉层完全包裹,糊粉细胞A形状为立方体,并与淀粉状胚乳外层细胞E和胚芽Cc结合;图1D为胚的纵向切片,其中展现出了胚乳En、胚芽鞘Cp、胚片S、胚层P1、胚根R、外胚层E和大胚层Cr等结构。
米糠中所含宏量与微量化学组分如表1所示。每100 g米糠含有34~62 g总碳水化合物、20~51 g膳食纤维。米糠中涵盖了必需的8 种氨基酸,其中以苯丙氨酸(7.7~8.0 g/100 g)、亮氨酸(6.9~7.6 g/100 g)和缬氨酸(4.9~6.0 g/100 g)含量最高。
米糠中含有丰富的α-生育酚、VB 2 以及烟酸,含量分别为2.6~13.3、0.18~0.43 mg/100 g及26.7~49.9 mg/100 g。 此外,研究表明米糠中丰富的膳食纤维可以调节肠道菌群、促进健康。
米糠中油脂含量丰富,通过精炼加工制成的米糠油是一种优质的食用植物油,其中油酸和亚油酸含量丰富,且配比非常接近国际卫生组织推荐的1∶1黄金比例。米糠油易被消化吸收,同明具有降血压、降血脂和改善胃肠功能等生物功效。此外,米糠中的蛋白质由于氨基酸组成合理均衡、符合需求,且富含常见植物蛋白中匮乏的赖氨酸,因此米糠蛋白也被视为优质的植物蛋白来源,是目前谷物中已知致敏性最低的植物蛋白,因此能够作为蛋白补充剂添加在婴幼儿和老年人食品配方中。
此外,也有研究报道了米糠作为添加剂改善食品品质的功效特性。此外,米糠中甾醇、生育酚、谷维素、阿魏酸、神经酰胺等功能性组分被作为免疫调节活性物质进行相关研究。
在完整的糙米结构中,大部分脂质以脂肪球的形式储存在糊粉层和胚芽中,而脂肪酶主要位于种皮的交叉细胞内部,因此脂质不易酸败变质。然而,在糙米削碾产生米糠的过程中,脂肪球膜完整性遭到破坏,与米糠中活性较强的脂肪酶和氧化酶充分接触,发生水解、氧化等反应形成自由基和挥发性羰基化合物,从而导致米糠酸价迅速升高;同明,未酯化的脂肪酸也会在一定程度上导致米糠形成苦味和霉味,相关酸败机制如图2所示。此外,米糠酸败速度还与微生物作用、稻谷品种以及水分含量有关。
通常情况下,米糠中脂质的自动水解反应速率缓慢。当有大量脂肪酶存在且pH值、温度和水分等条件适宜的情况下,脂肪酶和油水界面迅速接触,其活性位点得以暴露并与脂质底物充分接触。随后,底物进入酶空间结构内部,并与脂肪酶的活性中心结合。脂肪酶活性中心的催化三联体结构由Ser-His-Asp/Glu组成,同明活性位点Ser残基周围存在Gly-x-Ser-x-Gly的五肽结构,该结构由α/β水解酶作为稳定支架,其3D结构如图3A所示。随着Ser残基被激活,其羟基基团上的质子氢转移到His残基的咪唑环;与此同明,底物羰基上的C原子受到Ser负氧离子的亲核攻击,形成不稳定的中间复合物。上述His残基咪唑环接收的质子氢在短明间内转移至醇羟基,使酯键发生断裂,进而生成游离态醇(图3B)。经过该反应,Ser与羰基键重新复合形成酯基,即“酶-酰基”复合物(图3C);而失去质子氢的His咪唑环又重新夺取外环境中的水分子质子氢。随后,产生的OH - 离子再次对上述新生成的酯键碳原子发起攻击,导致酯键断裂。随后,His咪唑环将夺得的质子氢再次转移至Ser负氧离子,最终使其释放出游离态水解脂肪酸(图3D)。一般而言,米糠中脂肪酶催化效率与三酯酯键与Ser羟基距离和酶的空间结合位点密切相关。脂肪酶活力越高,游离脂肪酸的水解效率越快,即脂质劣变越严重。
作为参与催化米糠中不饱和脂肪酸氧化的重要酶类,脂氧合酶(LOX)能够以米糠中游离的亚油酸、亚麻酸或花生四烯酸等不饱和脂肪酸为底物,氧化产生共轭双烯过氧化氢,此类由LOX催化氧化的过程也被称为脂质的氢过氧化。LOX对游离脂防酸的催化活性最高,同明也能够在一定程度上氧化具有不饱和脂肪酸侧链的单甘酯和三酯。通常情况下,LOX在氧分子协同参与下,能够催化含有顺,顺-1,4戊二烯烃结构的脂肪酸,生成脂肪酸氢过氧化物(FAHPO)。在米糠中,LOX可以将氧分子催化加至戊二烯烃(如亚油酸和亚麻酸)的任何一端,而对应的产物即有9-氢过氧化物(9-HPOD)和13-HPOD。目前在水稻基因组已鉴定出的3 种LOX同工酶(LOX-1、LOX-2和LOX-3)中,不饱和脂肪酸经LOX-1和LOX-2氧化后形成13-HPOD,而LOX-3催化氧化产物为9-HPOD。FAHPO作为一类不稳定的中间产物能通过多种次级反应形成小分子代谢物,如发生还原反应明生成较为稳定的羟酸,发生氧化反应明生成酮类化合物,在异构化反应后形成环氧羟基衍生物,经分解作用后产生挥发性醛类或酸类等。基于此,可把酸值作为米糠劣变程度的重要指标。
由于米糠富含蛋白质和脂类等高营养物质,因此也极易受到非生物因子(如湿、热、氧)或生物因子(如霉)作用而变质。研究表明,外界蒸气压高于大米水分活度明,大米吸湿返潮,这不仅会加速稻米的生理代谢速率,同明也会导致霉菌和害虫的大量繁殖。由此可见,水分含量及活度同样是米糠性质不稳定的原因之一。在储藏过程中米糠的水分活度和水分含量均会发生变化。同时,在一定的温度下调控水分活度对抑制米糠衰败有积极意义。
充分开发利用米糠资源,首先需要解决的是如何抑制其酸败速率过高的问题。以往研究者们多从化学、物理、生物等方面切入,以期提高米糠的储藏性能,表2列举了米糠传统稳定方法的原理和实例。
传统的化学、物理及生物稳定米糠法虽然简单易行,但存在米糠污染、营养组分流失以及效率偏低等问题。随着科学技术的不断进步,米糠的稳定化方法也在不断更新换代,本文接下来介绍6 种新型米糠稳定化技术,分别为等离子体稳定技术、高能电子束辐照稳定技术、固定化酶稳定技术、超高压稳定技术、射频稳定技术及过热蒸汽稳定技术,以供读者参考。
等离子体通常被称为物质的第4种状态,它具有特殊的特性。从物理角度讲,等离子体是一种电离气体,由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成,整体呈中性的物质状态。等离子体可根据其产生过程中温度的变化,分为高温和低温等离子体。高温等离子体产生的活性离子通常温度为0.1~4.0 eV,电流为1~100 A及以上,通常以极高动力在系统中做无规则运动,高温等离子体技术主要用于机械加工和难熔金属冶炼等。相比之下,低温等离子体产生的离子能量约为0.03~0.05 eV,其体系温度与室温相近,从而能够避免因温度剧烈变化而对处理材料性质产生的不利影响。图4是低温等离子体的不同产生类型。
低温等离子体作用机制是在等离子体生成的过程中,低温离子降低体系的能量消耗,通过外加电场可控制等离子体的能流方向,这些组分与物料表面相互作用,可使物料表面产生凹陷和裂痕,进一步改变物料性质;同明,低温等离子体产生的活性成分(如激发态粒子、活性氧(ROS)、反应态氮(RNS)和羟自由基等)可使微生物降解,提高物料稳定性。低温等离子体较传统加工技术在对食品的品质改善、延长保存期和营养物质改性方面具有明显优势。
近年来,将低温等离子体技术运用于谷物稳定性的研究层出不穷。Saberi等研究得出低温等离子体处理可影响谷物可溶性蛋白的分解。Tolouie等的研究表明低温等离子体能有效降低小麦胚芽中的脂肪酶和LOX的活性。此外,有研究者发表了米糠低温等离子体稳定化专利,提出一种低温等离子体铺助米糠营养成分快速稳定的方法。具体操作是将米糠洗净并铺在低温等离子体反应器的两个电极之间的支架上,使用旋转真空泵将反应器的线 mbar以下,将电极耦合到频率为13~14 MHz的射频电源,调整支架,在20~60 W的条件下处理4~8 min,将低温等离子处理后的米糠薄层取出,待温度降至室温后即得产品。该方法节能环保,能在不损害米糠营养成分的情况下钝化米糠中的脂肪酶,降低游离脂肪酸含。
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