小米谷糠營養(yǎng)特性及開發(fā)利用研究進(jìn)展

侯 磊，南芝潤，董新玲，張 杰，田懷澤，惠國強(qiáng)，禾 璐，郝利平

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所，山西忻州034000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801；3.陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，陜西西安710000）

谷子起源于中國，主要種植于我國北方。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2018年全國谷子播種面積在77.8萬hm2左右，產(chǎn)量約為234萬t。谷子具有抗旱、耐脊、適應(yīng)性廣和營養(yǎng)豐富等特點(diǎn)，在我國有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)和功能農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著十分重要的作用，在國家糧食生產(chǎn)和糧食安全中也有著重要地位[1]。

小米谷糠是谷子加工過程中的副產(chǎn)物，由谷子種層、糊粉層和小米胚芽3個(gè)部分組成，其含量約為谷子總質(zhì)量的10%左右，營養(yǎng)成分相當(dāng)豐富。隨著國內(nèi)對(duì)稻米谷糠開發(fā)利用研究的深入，越來越多的人認(rèn)識(shí)到了小米谷糠的營養(yǎng)價(jià)值和開發(fā)前景，但其主要作為畜禽飼料使用，產(chǎn)品附加值低，造成了資源的浪費(fèi)。目前對(duì)小米谷糠中活性成分提取的研究相對(duì)較少。

本研究匯總了小米谷糠營養(yǎng)成分及其生理功能，較全面地討論了主要活性成分的提取工藝，并對(duì)小米谷糠的開發(fā)利用進(jìn)行了綜述。

1 營養(yǎng)成分及其生理功能

小米谷糠營養(yǎng)豐富，是一種良好的健康食品來源，其主要組成成分及含量[2]為：水分7%～10%，蛋白質(zhì)16%～20%，粗脂肪16%～18%，碳水化合物18%～23%，灰分8%～12%。小米谷糠中蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物含量較高，還含有纖維素、膳食纖維、維生素、谷維素、植酸、多酚類化合物和不飽和脂肪酸等主要營養(yǎng)物質(zhì)。LIU等[3]研究發(fā)現(xiàn)，小米谷糠的過氧化物酶具有潛在的抗動(dòng)脈粥樣硬化作用。因此，繼續(xù)開發(fā)小米谷糠中附加值較高的生理活性物質(zhì)將成為必然的趨勢。

1.1 脂肪

小米谷糠油脂富含多種生物活性成分，除可食用外，還廣泛用于醫(yī)藥、保健品、化妝品等行業(yè)。李艷福等[4]分析了不同產(chǎn)地小米谷糠油的脂肪酸組成成分，結(jié)果表明，小米谷糠油中的亞油酸含量高達(dá)60%以上，營養(yǎng)和保健價(jià)值較高。趙陳勇等[5]開展了小米谷糠油的活性成分組成及功能試驗(yàn)，結(jié)果表明，小米谷糠油中的維生素E、谷維素等成分能顯著提高機(jī)體的抗氧化活性，具有降血脂功能。

1.2 蛋白質(zhì)

小米谷糠中蛋白質(zhì)含量高達(dá)18%，含有人體所必需的氨基酸，被公認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白來源。與其他植物蛋白相比，小米谷糠蛋白最大的優(yōu)點(diǎn)就是低過敏性。研究結(jié)果表明，僅有少部分人對(duì)小米谷糠蛋白起不良反應(yīng)，而且其吸收性較好，因此，特別適合應(yīng)用于嬰幼兒食品和過敏人群的特殊食物中。

1.3 多糖

小米谷糠中多糖主要由阿拉伯木聚糖、脂多糖和葡聚糖等組成，包含一定的多酚及黃酮類物質(zhì)，其含量一般為1.0%～3.0%，在降血脂、降血糖、抗腫瘤及增強(qiáng)免疫力等方面具有顯著功效[6-7]，主要應(yīng)用于食品添加劑、保健品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域。姜龍波等[8]分析了小米谷糠多糖成分及其抗氧化活性，結(jié)果表明，小米谷糠水溶性非淀粉多糖含有較多的多酚和黃酮類物質(zhì)，主要單糖組分是葡萄糖。

1.4 膳食纖維

小米谷糠含有大量纖維素和半纖維素，是重要的膳食纖維來源。膳食纖維被稱為人體的第七營養(yǎng)素，在調(diào)節(jié)血糖、血脂、降低膽固醇、預(yù)防肥胖和心血管疾病等方面有顯著功效。膳食纖維根據(jù)溶解性不同可以分為水溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，其中，不溶性膳食纖維占了主要部分。小米谷糠膳食纖維是很好的健康食品原料，可以開發(fā)醫(yī)用和保健食品，補(bǔ)充人體所需的膳食纖維。

1.5 谷維素

谷維素具有脂溶性，在油脂制取過程中，常常伴隨著小米谷糠油或胚芽油提取出來，是小米谷糠油精煉時(shí)得到的副產(chǎn)品，其含量一般為0.9%～2.9%，具有抗氧化、降血脂、抗癌和預(yù)防肥胖等多種生理功能。谷維素是一種重要的活性物質(zhì)，生產(chǎn)中經(jīng)常從小米谷糠油中分離純化得到谷維素，可以廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)。

1.6 植酸

植酸是一種用途廣泛的有機(jī)酸，在小米谷糠中通常以絡(luò)合物的形式與蛋白質(zhì)、游離氨基酸的礦物質(zhì)等成分相結(jié)合，在抗氧化、抗衰老等方面具有顯著功效。陳蓓穎等[9]分析了38個(gè)谷子品種谷糠的植酸含量為3.13～8.75 mg/g，在不同品系、同一品系不同品種之間，小米谷糠植酸含量差異較大。植酸是很好的保鮮劑、抗氧化劑和有機(jī)磷添加劑等，可以廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工等行業(yè)。

1.7 多酚類化合物

小米谷糠中多酚含量豐富，主要包括黃酮類和酚酸類化合物，晉谷28號(hào)和晉谷34號(hào)2個(gè)谷子品種中多酚含量分別為78.79、114.22 mg/100 g[10]。小米谷糠多酚是很重要的天然抗氧化劑，具有降低血脂、抗炎抗菌和抗結(jié)腸癌等功效，可利用其開發(fā)保健品。關(guān)于小米谷糠多酚提取物組成分析的研究報(bào)道相對(duì)較少。劉晚霞等[11]用醇提法制備小米谷糠多酚提取液，并分析了其組成成分。

2 開發(fā)利用現(xiàn)狀

目前，國外針對(duì)從小米谷糠中提取功能成分的研究相對(duì)較少，主要針對(duì)大米谷糠進(jìn)行研究。日本和美國最先開始對(duì)稻米谷糠進(jìn)行研究和開發(fā)，他們利用自身科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢，不斷進(jìn)行稻谷的深加工開發(fā)，利用米糠蛋白、多糖、脂肪等活性成分開發(fā)成化妝品、保健品和食用油等，大大提高了稻谷附加值和米糠資源利用率，也獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益[12-13]。與稻米谷糠相比，小米谷糠的研究與開發(fā)尚處于起步或空白階段。我國小米谷糠的利用主要以小米谷糠油提取為主，對(duì)提取小米谷糠中的蛋白質(zhì)、多糖、膳食纖維、谷維素、植酸和多酚類化合物等也有相應(yīng)的研究。

2.1 小米谷糠油的提取

小米谷糠油是從小米谷糠中提取精煉而成，小米谷糠油主要提取工藝有壓榨法、有機(jī)溶劑浸出法、酶催化浸出法、超聲波輔助提取法和超臨界CO2流體萃取法等。目前，小米谷糠油的生產(chǎn)主要以壓榨法為主，但其存在油脂質(zhì)量較差、帶有焦糊味、維生素E等生理活性物質(zhì)破壞嚴(yán)重等問題。有機(jī)溶劑浸出法在一定條件下使用有機(jī)溶劑將小米谷糠中的油脂浸出，該方法操作簡單、出油率高，溶劑能夠反復(fù)回收使用。趙陳勇等[14]比較了正己烷和異丙醇對(duì)小米谷糠油提取率的影響，結(jié)果表明，異丙醇提取效果較佳。近幾年新興的植物油脂提取方法（酶催化法、超臨界萃取法、超聲波輔助法）因其生產(chǎn)設(shè)備較復(fù)雜、成本較高，生產(chǎn)數(shù)量和規(guī)模均受限制，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。高立國等[15]采用超聲波法優(yōu)化了陜北小米谷糠油提取的工藝條件，得油率是9.74%。魏福祥等[16]采用超臨界CO2萃取技術(shù)提取小米谷糠油，出油率達(dá)到19.69%。

2.2 小米谷糠蛋白的提取

目前，小米谷糠蛋白的提取主要有堿法、物理法和酶法3種方法。堿法是工業(yè)上比較傳統(tǒng)的提取方法，即在一定的pH條件下，蛋白質(zhì)會(huì)被溶出，從而得到小米谷糠蛋白。該方法工藝簡單、操作方便，但若pH控制不好，則會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)理化特性產(chǎn)生影響，甚至可能會(huì)帶來一定的毒性，對(duì)人體有害。因此，在利用堿法提取小米谷糠蛋白時(shí)一定要控制不良反應(yīng)的發(fā)生。物理提取法是采用膠體磨、均質(zhì)、高速混勻、凍融、高壓及聲波降解等機(jī)械方法將小米谷糠的細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從而釋放出小米谷糠蛋白，常和堿法或酶法配合使用。相比較于堿法來說，酶法條件更溫和，能夠較好地保留小米谷糠蛋白的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)價(jià)值，而且利用較小的料液比反應(yīng)就可發(fā)生，大大降低了工業(yè)化生產(chǎn)成本。顧鎳[17]篩選果膠酶水解小米谷糠蛋白質(zhì)，提取率為32.83%。

2.3 小米谷糠多糖的提取

小米谷糠多糖的提取方法主要有溶劑法、酶法、超聲波法和微波法等。熱水是最常用的提取溶劑，溶劑法操作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低，但提取消耗時(shí)間較長，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。韓秋敏等[18]采用熱水浸提法提取小米谷糠多糖，提取率為14.76%。酶法提取條件溫和，有助于降解植物組織，提高小米谷糠多糖的提取率，常配合超聲輔助、微波等技術(shù)使用。俞蘭苓等[19]比較了熱水法、微波法和酶法對(duì)米糠多糖提取效果的影響，結(jié)果表明，熱水法提取率最低，酶法提取率最高，其中，預(yù)煮后淀粉酶處理提取率為1.5%，采用蛋白酶、淀粉酶或纖維素酶聯(lián)合處理工藝條件下提取率高達(dá)1.8%。

2.4 膳食纖維的提取

小米谷糠膳食纖維的提取方法主要有物理法、化學(xué)法、酶法和酶-化學(xué)法等。物理法主要采用超微粉碎、擠壓蒸煮、膜濃縮、焙烤等方式處理，實(shí)際生產(chǎn)中常與其他方法配合使用。化學(xué)法提取工藝簡單、操作方便，但產(chǎn)品純度不高。劉敬科等[20]采用化學(xué)法和超微粉碎工藝對(duì)小米谷糠膳食纖維提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，2種方法配合使用后產(chǎn)品純度高達(dá)80.12%，且產(chǎn)品感官品質(zhì)和食用品質(zhì)明顯得到改善，更易被人們食用。酶法是一種溫和、理想的提取方式，提取率相對(duì)較高。劉靜怡等[21]采用耐高溫淀粉酶和堿性蛋白酶分離提取米糠膳食纖維，純度達(dá)到87%以上，得率高達(dá)35.6%。酶-化學(xué)法是利用酶在一定的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下提取膳食纖維，但可能會(huì)破壞膳食纖維的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品色澤深、堿味濃，提取率也較低[22]。

2.5 谷維素的提取

谷維素的提取和純化方法主要有弱酸取代法、溶劑萃取法、低溫結(jié)晶法和分子印跡法等。其中，弱酸取代法是最常用的提取方法，即谷維素溶解于堿性含水甲醇中，過濾除雜，調(diào)節(jié)pH值至酸性，直至谷維素析出。朱云[23]采用該方法提取的谷維素得率在35%左右。溶劑萃取法是在2種不相溶的溶劑中，利用各自溶解度的不同，將谷維素從一種溶劑提取到另一種溶劑。王亞東[24]采用甲醇萃取脫酸得到谷維素含量平均值為1.67%。低溫結(jié)晶法是利用混合液中各組分在不同溫度、溶解度等條件下，采用結(jié)晶方法分離、純化出谷維素。ZULLAIKAH等[25]從毛米糠油中經(jīng)過2次結(jié)晶分離得到谷維素。分子印跡法是采用分子印跡聚合物實(shí)現(xiàn)谷維素的簡單、快速分離?？凳雷诘萚26]采用該方法在超聲條件下谷維素綁定吸附率高達(dá)36.50%。

2.6 植酸的提取

小米谷糠植酸的提取方法主要是沉淀法和離子交換法，采用微波、超聲波和膜分離等輔助技術(shù)能夠顯著提高植酸提取率。沉淀法是小米谷糠在酸性溶液中，游離出植酸根離子，加入堿性溶液使其沉淀，經(jīng)過濾、濃縮和脫色，得到植酸產(chǎn)品。王紅利等[27]采用微波輔助提取米糠植酸，提取率為2.527%，提取時(shí)間明顯縮短。離子交換法是將小米谷糠中的植酸采用陰離子交換樹脂吸附，經(jīng)堿洗脫得到植酸鹽，再經(jīng)陽離子交換樹脂吸附和脫色，得到植酸產(chǎn)品。郝紅英等[28]在微波輔助提取植酸鈣的基礎(chǔ)上，采用離子交換法提取米糠植酸，提取率為85.53%。

2.7 多酚類化合物的提取

小米谷糠多酚的提取方法有溶劑法、酶解法、超臨界萃取法和微波輔助法。生產(chǎn)中主要采用溶劑法利用丙酮或水提法進(jìn)行多酚的提取。陳彩薇等[29]采用溶劑法提取了米糠中多種多酚類化合物，并對(duì)其體外抗氧化能力進(jìn)行了比較。酶解法是利用淀粉酶、纖維素酶、糖化酶和蛋白酶等對(duì)多酚類化合物進(jìn)行提取，成本相對(duì)較高。徐彩紅等[30]采用水酶法利用木聚糖酶對(duì)米糠多酚進(jìn)行了提取，米糠多酚的提取量為5.15 mg/g。利用超臨界萃取法和微波輔助法制備小米谷糠多酚，提取時(shí)間短、操作簡單，產(chǎn)品品質(zhì)較好，但設(shè)備復(fù)雜、昂貴，且操作功率過大也會(huì)影響提取率。汪洋[31]比較了超臨界萃取和微波輔助法對(duì)小米谷糠多酚的提取率，其中，微波輔助效果最佳，小米谷糠多酚提取得率高達(dá)137.36 mg/100 g。

3 存在的問題

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平和生活質(zhì)量的不斷提高，小米谷糠以其特有的營養(yǎng)和保健等生理功能已被越來越多的人所熟知。盡管市場上已出現(xiàn)了一些小米谷糠相關(guān)產(chǎn)品，但其研究和生產(chǎn)開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主要存在以下幾個(gè)問題。

3.1 小米谷糠資源利用率低

小米谷糠作為谷子在碾磨過程中的副產(chǎn)物，僅是被簡單處理為廉價(jià)的動(dòng)物飼料，未能充分發(fā)揮其豐富的營養(yǎng)價(jià)值和飼用價(jià)值，富含小米谷糠的新型飼料產(chǎn)品亟待開發(fā)。目前，小米谷糠僅有少量被用于油脂、蛋白質(zhì)等產(chǎn)品的提取，使得谷糠中主要功能成分并不能得到有效的應(yīng)用，不僅造成了小米谷糠資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)也限制了加工副產(chǎn)物的精深加工利用。

3.2 小米谷糠功能性成分研究不深入

與稻米谷糠相比，小米谷糠的研究與開發(fā)尚處于起步或空白階段，小米谷糠中主要功能成分的提取、分離和純化等研究還相對(duì)較少，對(duì)其特有成分的結(jié)構(gòu)和生理功能等研究不夠深入，尤其是對(duì)小米谷糠中膳食纖維、谷維素、植酸和多酚類化合物等活性物質(zhì)的成分分析和提取工藝研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3 小米谷糠產(chǎn)品開發(fā)力度不足

盡管越來越多的人對(duì)小米谷糠展開了研究，但大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，缺乏政府導(dǎo)向、人們對(duì)小米谷糠的錯(cuò)誤觀念以及雜糧加工企業(yè)技術(shù)水平低下也都限制了其工業(yè)化生產(chǎn)。因此，小米谷糠工業(yè)化、商品化、品牌化產(chǎn)品有待進(jìn)一步開發(fā)。

4 結(jié)論

小米谷糠營養(yǎng)價(jià)值豐富，可以與其他飼料混合，復(fù)配成復(fù)合飼料，開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料，提高小米谷糠的飼用價(jià)值。小米谷糠和稻米谷糠營養(yǎng)成分雖然接近，但仍存在差異，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究小米谷糠活性成分及其生理功能，并在現(xiàn)有開發(fā)小米谷糠油、小米谷糠蛋白、小米谷糠多糖等研究基礎(chǔ)上，利用生物技術(shù)、現(xiàn)代新型物理加工技術(shù)開發(fā)小米谷糠中具有功能活性的新型產(chǎn)品，大大提高其綜合利用效益。同時(shí)，要重視小米谷糠加工實(shí)用技術(shù)和工程化技術(shù)研究，加強(qiáng)科研項(xiàng)目與企業(yè)的合作，加速生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化力度，既能解決中小型加工企業(yè)科技程度低、產(chǎn)品深加工不足的困境，又能發(fā)展小米谷糠深加工產(chǎn)業(yè)。