米糠穩(wěn)定化技術(shù)研究

胡健華，雙 楊

(武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢， 430023)

2011年，我國食用油市場年度總供給量為2 865.1萬t，國產(chǎn)油料榨油量為1 091.8萬t。食用油的自給率為38.1%，并且有逐年下降的趨勢［1］。因此，千方百計的開辟油料資源，增產(chǎn)植物油脂是關(guān)系到國家食用油供應(yīng)安全的大問題，應(yīng)予以高度重視。

1 目的與意義

稻谷是我國第一大糧食品種，年產(chǎn)稻谷高達(dá)2億t，米糠是稻谷碾米過程中的主要副產(chǎn)物，每年的米糠產(chǎn)量達(dá)1 800萬t。米糠含油在15%以上，且米糠油所含脂肪酸天然接近世界衛(wèi)生組織(WHO)建議的黃金比例。此外，米糠油富含谷維素、植物甾醇、VE等多種活性營養(yǎng)成分，可以有效對抗亞健康狀態(tài)。米糠油還被世界衛(wèi)生組織和美國心臟協(xié)會(AHA)推薦為健康食用油。如能合理利用米糠資源，我國每年可生產(chǎn)約230萬t米糠油，相當(dāng)于1億多畝土地所產(chǎn)大豆的含油量，與此同時還能提高我國食用油自給率5%—10%。我國目前對米糠的利用率尚不足10%，相比日本的利用率100%，甚至印度30%的米糠利用率都有較大差距。

我國稻谷加工廠的實際情況是小型分散，導(dǎo)致米糠原料收集困難，而米糠又非常不穩(wěn)定，在6小時內(nèi)不進(jìn)行有效處理，米糠的酸價就會急劇上升，新鮮米糠的酸價從4.2上升到7.0，6小時上升了近70%，使米糠的實用價值大為降低。當(dāng)米糠毛油脂肪酸含量達(dá)到10%以上時，油脂精煉極不經(jīng)濟(jì)，這樣的米糠飼料也能造成畜禽消化不良、影響生長發(fā)育。而現(xiàn)有的保鮮技術(shù)(即穩(wěn)定化處理)存在某些不足，不能有效推廣和應(yīng)用，造成米糠油生產(chǎn)過程中“易酸敗”、“精煉損耗大”、“脫色難、顏色深”的三大問題。因此，米糠穩(wěn)定化是米糠資源開發(fā)利用的前提條件。鑒于此，某跨國公司大型集團(tuán)采用“一分散，兩集中”的生產(chǎn)模式，即在油脂加工基地半徑200km的范圍內(nèi)，遍布稻谷加工廠，然后將生產(chǎn)的米糠及時送往油脂加工基地集中制油和集中精煉。

我國缺乏先進(jìn)的米糠穩(wěn)定化技術(shù)，且缺乏先進(jìn)的米糠油精煉技術(shù)，技術(shù)限制是導(dǎo)致我國米糠利用率一直處于低水平的主要原因。

影響米糠品質(zhì)劣變的因素很多，當(dāng)前傾向性的意見認(rèn)為:米糠酸敗的主要原因是由其自身所含的脂肪分解酶和氧化酶造成的。米糠中脂肪酶的活性很高，在完整的谷粒中，脂肪酶位于種皮層，油脂位于糊粉層、亞糊粉層和胚中，由于處于不同的部位，它們之間不會起反應(yīng)，碾米之后，脂肪酶混入米糠中，油脂的水解作用就會迅速發(fā)生，產(chǎn)生游離脂肪酸，接著在氧化酶、光、熱等因素的共同作用下發(fā)生脂肪的酸敗，因此，防止米糠酸敗最有效的方法就是抑制脂肪酶的活性。

2 脂肪酶的作用機制

酶的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)是其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，它的催化功能是由酶蛋白分子上的活性部位實現(xiàn)的。研究證明，酶只有少數(shù)氨基酸殘基參與底物的結(jié)合及催化作用，這一部位稱為酶的活性部位或活性中心，通?；钚圆课恢徽颊麄€酶分子體積的1%—2%，一般認(rèn)為酶的活性部位包括結(jié)合部位和催化部位，酶的結(jié)合部位具有專一性，負(fù)責(zé)與底物結(jié)合，而催化部位具有催化能力，負(fù)責(zé)催化底物化學(xué)鍵的斷裂并形成新鍵。

根據(jù)Henri提出的酶和底物的中間復(fù)合物學(xué)說［2］，在酶催化的化學(xué)反應(yīng)中，酶分子(E)與底物(S)結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間復(fù)合物(ES)，然后它分解生成反應(yīng)產(chǎn)物(P)，并釋放出原來的酶，反應(yīng)式如下:

目前人們常用“誘導(dǎo)契合”假說來解釋酶的作用機制(見圖1)?！罢T導(dǎo)契合”假說認(rèn)為，酶活性部位的結(jié)構(gòu)具有柔性，在酶與底物結(jié)合過程中，因受底物的誘導(dǎo)，引起酶活性部位的構(gòu)象發(fā)生一定的變化，使酶蛋白的結(jié)合部位和催化部位得以正確的排列和定向，與底物契合形成酶―底物復(fù)合物，同時誘導(dǎo)底物分子中某些化學(xué)鍵趨向不穩(wěn)定狀態(tài)即活化狀態(tài)，使反應(yīng)加速進(jìn)行。

研究結(jié)果證明，當(dāng)酶與底物結(jié)合并進(jìn)行反應(yīng)時，酶與底物的構(gòu)想均發(fā)生變化。當(dāng)酶遇到其專一性底物時，酶中某些基團(tuán)或離子可以使底物分子內(nèi)敏感鍵中的某些基團(tuán)的電子云密度發(fā)生變化，產(chǎn)生“電子張力”，使底物中敏感鍵的一端更易于反應(yīng)。底物分子發(fā)生形變，使底物比較接近它的過渡態(tài)，降低了反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。

圖1 “契合誘導(dǎo)”假說示意圖

脂肪酶是一種糖蛋白，其糖基部分約占分子量的2%—15%，以甘露糖為主，整個分子由親水部分和疏水部分組成，活性部位靠近分子的疏水端?；钚圆课皇墙z氨酸殘基。只有當(dāng)?shù)孜镆晕⒘?、小聚合分散狀態(tài)或呈乳化顆粒時，脂肪酶對底物水解才有顯著的催化作用。

脂肪酶具有油―水界面的親和力，能在油－水界面上高效率的催化水解不溶于水的脂類物。脂肪酶來源不同，但都包括同源區(qū)段，其三級結(jié)構(gòu)卻非常相似，其活性中心是絲氨酸殘基［3］，在正常情況下，表面被相對疏水的氨基酸殘基形成的α－螺旋蓋狀結(jié)構(gòu)覆蓋，受到保護(hù)。當(dāng)脂肪酶與界面相接觸時，螺旋蓋打開，通過親電子域的創(chuàng)造導(dǎo)致脂肪酶的構(gòu)象改變，此親電子域在絲氨酸殘基周圍，由疏水殘基的暴露和親水殘基的包埋來完成。從而增加了脂類底物復(fù)合物的親和性，并穩(wěn)定了催化過程中的過渡態(tài)中間產(chǎn)物，而酶分子的周圍通常存在一定量的水分，從而保證在油―水界面的自體激活。界面的存在還可以使酶形成不完全的水化層，這有利于疏水性底物的脂肪側(cè)鏈折疊到酶分子表面，使酶催化易于進(jìn)行。

3 酶的抑制作用

酶的結(jié)構(gòu)、專一性和催化模式等方面都有很大差別，但酶的活性部位具有共同的特點［2］。

(1)酶的活性部位僅有少數(shù)幾個氨基酸殘基組成。如脂肪酶的活性部位殘基是由絲氨酸、天冬氨酸、組氨酸組成。

(2)酶的活性部位的形成要求酶蛋白分子具有一定的空間構(gòu)象，酶的活性部位之外的其他部分對活性部位的形成提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，酶的一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)決定了其活性部位具有特定的三維結(jié)構(gòu)。

(3)酶的活性部位與底物結(jié)合需要經(jīng)過誘導(dǎo)契合。

(4)酶的活性部位位于酶分子表面的一個疏水凹穴(或稱裂隙)里。

(5)酶與底物是通過非共價鍵(即離子鍵、氫鍵和范德華力等)可逆結(jié)合的。

(6)酶的活性部位具有柔性或可運動性，酶活性部位的柔性是酶充分表現(xiàn)其活性所必需的，是酶催化作用保持高效性和可調(diào)性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

酶的抑制作用是指一些小分子或離子能與酶分子的一些基團(tuán)結(jié)合，從而影響了酶與底物的結(jié)合及產(chǎn)物的生成，引起酶活力的下降或喪失。對酶起抑制作用的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。酶的抑制作用不同于失活作用，酶蛋白沒有變性，只是酶活力受到抑制，抑制機理有如下方面:

(1)抑制劑與酶結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低酶的活性。

(2)抑制劑破壞酶或輔基的活性基團(tuán)，或與某些必需基團(tuán)結(jié)合而改變酶的構(gòu)象。

(3)抑制劑和底物與酶競爭結(jié)合，減少酶與底物的作用機會。

(4)抑制劑阻礙酶與底物的結(jié)合及生成產(chǎn)物的反應(yīng)。

對于酶抑制劑的合成和選擇應(yīng)遵循如下原則:

(1)抑制劑對酶具有較強的親和性和特異性;

(2)抑制劑和酶的活性中心以共價鍵或非共價鍵的形式形成較穩(wěn)定的復(fù)合體;

(3)抑制劑必須到達(dá)作用部位，并要在靶酶附近維持一定的濃度。

脂肪酶是一種特殊的酶鍵水解酶，作用于甘油三酯的酯鍵，使其降解為甘油二酯、甘油一酯、甘油和脂肪酸。脂肪酶基本組成單位僅為氨基酸，通常只有一條多肽鏈，它的催化活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，且只作用于異相系統(tǒng)，即在油脂―水界面上作用。溶于水的酶作用于不溶于水的底物，對均勻分散的或水溶性底物無作用，即使作用也極緩慢。

4 米糠穩(wěn)定化技術(shù)的研究方向

至今，國內(nèi)外研究米糠穩(wěn)定化方法的研究報道很多，有鹽酸法、過亞硫酸鈉法、亞硫酸鈉法、低溫儲藏法、輻射處理法、熱處理法、微波處理法、擠壓膨化法、酶法等等。鑒于我國稻谷加工廠數(shù)量眾多，且75%以上的米廠是日處理稻谷能力小于100t的工廠，規(guī)模較小，所產(chǎn)米糠數(shù)量有限。而米糠的穩(wěn)定化處理又必須在加工廠當(dāng)?shù)丶磿r進(jìn)行。因此，上述米糠穩(wěn)定化方法的應(yīng)用存在這樣或那樣的問題，某些較好的方法也難以推廣應(yīng)用。當(dāng)前，90%以上的米糠只用作廉價的飼料，極大的限制了大米加工的經(jīng)濟(jì)效益。米糠穩(wěn)定化成為制約米糠制油的瓶頸。研究適合我國國情的經(jīng)濟(jì)有效的穩(wěn)定米糠方法，進(jìn)而充分開發(fā)利用米糠資源就顯得極為重要。

美國雖不是稻谷主產(chǎn)國，其產(chǎn)量只占世界總產(chǎn)量的1.4%，但對產(chǎn)出米糠的管理和應(yīng)用極為重視。明確規(guī)定:非穩(wěn)定化的米糠，一律不得用于食用或飼用商品;穩(wěn)定化米糠可根據(jù)其最終用途，以較高的不同價格銷售，促進(jìn)合理增值。

米糠穩(wěn)定化處理總的要求是:①脂肪酶得以有效地抑制，從而延長米糠的儲藏期;②盡可能減少對米糠中其他組分如蛋白質(zhì)、淀粉等的影響，以及保持功能成分的功能性能;③經(jīng)濟(jì)可行，推廣應(yīng)用簡便，以適應(yīng)中小型米廠應(yīng)用。由前述的酶的作用機制可知，采用添加生物化學(xué)試劑作為酶抑制劑的方法是米糠穩(wěn)定化方法的首選。對選用的生物化學(xué)試劑除了上述要求外，還應(yīng)具備下列條件:①無毒，對米糠制油或米糠其他產(chǎn)品的開發(fā)無毒副作用;②有良好的水溶性，因酶分子是親水的。采用潤濕、均質(zhì)的方法即可與米糠均勻混合，達(dá)到穩(wěn)定化的目的。開展抑制劑穩(wěn)定米糠的研究不僅是合理的，而且是可行的。相信這一新的米糠穩(wěn)定化方法將會取得進(jìn)展。

［1］王瑞元.我國食用植物油的產(chǎn)需簡況與學(xué)習(xí)貫徹《糧油加工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的建議［J］.中國油脂，2012，37(6):1 －5.

［2］余瑞元.生物化學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007

［3］何國慶，丁立孝.食品酶學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.