姜 平 吳娜娜 翟小童 王 博 喬聰聰 譚 斌

(國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院1，北京 100037) (中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司2，北京 102209)

水稻(Oryza sativa L.)是一種重要的谷物作物，是全球一半以上人口的主食[1]，稻谷加工過程中會產(chǎn)生約20%的稻殼、8%的米糠和2%的胚芽[2]，根據(jù)目前大米產(chǎn)量，全世界可供人類利用的米糠大約有6 600萬～7 400萬t[3]，統(tǒng)計(jì)資料顯示，2019年我國稻谷產(chǎn)量約為20 961萬t，據(jù)此推算我國年產(chǎn)米糠約1 600萬t。米糠主要營養(yǎng)成分包括碳水化合物(34%～62%)、脂類(15%～20%)、蛋白質(zhì)(11%～15%)、纖維素(7%～11%)、其他礦物質(zhì)如磷、鉀、鎂、鈣、錳等微量元素[4]。但由于米糠在生產(chǎn)和儲存過程中容易出現(xiàn)酸敗并伴隨不良風(fēng)味，常被當(dāng)作廢棄物丟棄或作為動物飼料原料[5,6]，造成較大浪費(fèi)，因此常用干熱、微波、高壓滅菌或乙醇汽化等各種處理方法來進(jìn)行米糠穩(wěn)定化并提高米糠中天然親脂性生物活性物質(zhì)的利用率[7]。

圖1 米糠在全球公眾健康中應(yīng)用潛力的思路框架

米糠中還含有豐富的生物活性物質(zhì)，如酚酸、黃酮類化合物、維生素E、γ-谷維素和色素化合物等，非常有益于人類的健康[8]，研究表明米糠中的這些物質(zhì)具有抗氧化、抗血脂異常、抗炎、抗病毒等生理功能，能夠預(yù)防心血管疾病、糖尿病、慢性炎癥及癌癥等[9,10,11]。圖1展示了營養(yǎng)不良和疾病之間的惡性循環(huán)。營養(yǎng)吸收不良會引起胃腸道受損發(fā)炎，進(jìn)而免疫防御能力受損促成傳染性和慢性疾病發(fā)生；疾病發(fā)生又引起了胃腸道完整性遭到破壞，降低機(jī)體營養(yǎng)吸收效能，引起營養(yǎng)吸收不良，如缺少食物安全保障，將進(jìn)一步造成營養(yǎng)不良，形成營養(yǎng)不良與疾病之間的惡性雙促進(jìn)循環(huán)。而通過攝入米糠中的生物活性物質(zhì)就可以改善營養(yǎng)狀況和降低疾病易感性，減少肥胖、促進(jìn)生長和認(rèn)知能力，建立一個健康的腸道微生物群[12]。本文通過整理總結(jié)米糠主要生物活性物質(zhì)成分類別、主要提取方法、生理功能特性，以及食品、化妝品及醫(yī)藥等領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期對米糠的高附加值利用提供研究參考。

1 米糠主要生物活性物質(zhì)及其提取方法

米糠生物活性物質(zhì)是指除碳水化合物、蛋白類和脂肪類等宏量營養(yǎng)素以外的次生代謝產(chǎn)物，通常以3種存在形式：1)游離型；2)可溶性共扼型；3)不溶性結(jié)合型，其中以游離型和可溶性共扼型化合物易被有機(jī)溶劑提取，而結(jié)合在細(xì)胞壁、成分含量最多的不溶性化合物卻往往被忽略[13]。米糠中含有數(shù)百種不同的植物活性物質(zhì)，如含有高價值的γ-谷維素、維生素E(包括α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚)、酚酸(包括沒食子酸、原兒茶酸、香草酸、對羥基苯甲酸、綠原酸、丁香酸、咖啡因酸、對香豆酸、芥子酸、阿魏酸)、黃酮類化合物(包括山萘酚)、植物甾醇等，Khalid等[14]將其歸納分為三大類：花青素和黃酮類、酚酸和肉桂酸類及甾體化合物類，詳見表1。

表1 米糠中主要生物活性物質(zhì)及提取方法[15]

提取米糠生物活性物質(zhì)的方法主要有傳統(tǒng)的溶劑萃取、索氏提取和一些新技術(shù)(如歐姆加熱輔助提取、超臨界二氧化碳提取、超聲輔助提取和微波輔助提取)，其中溶劑類型和極性的選擇非常重要，將影響生物活性化合物的溶解度，這也是目前很多研究的熱點(diǎn)。表1列舉了米糠中主要生物活性物質(zhì)及目前研究中較多采用的提取方法，其中超聲輔助提取技術(shù)和超臨界二氧化碳提取技術(shù)由于可以加快提取效率、節(jié)約能源以及環(huán)保等優(yōu)勢，在提取熱不穩(wěn)定活性物質(zhì)和要求低溫加工的食品方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了尋求更加綠色環(huán)保、高效低耗、高得率、高活性的方法，目前眾多研究關(guān)注到微生物發(fā)酵在生產(chǎn)具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物方面的應(yīng)用[16]，這也是目前國內(nèi)外食品、化妝品等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Schmidt等[17]利用米根霉(Rhizopus oryzae)對米糠進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，探究其酚酸的抗氧化活性和酶抑制作用的變化，Razak等[18]研究了米曲霉和米根霉的單一和混合培養(yǎng)發(fā)酵米糠生產(chǎn)生物活性化合物及其藥妝潛力，劉志剛[19]用粗壯脈紋孢菌(Neurosporacrassa)固態(tài)發(fā)酵礱糠和脫脂米糠生產(chǎn)類胡蘿卜素，Rashid[20]等研究發(fā)現(xiàn)利用乳酸菌發(fā)酵可以提高米糠中生物活性化合物的含量，改善對人體有益的功能特性，Jung[21]利用香菇真菌菌絲對21種米糠進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵，評估和比較了發(fā)酵后米糠中的生物活性化合物含量(γ-谷維素、β-葡聚糖和總酚)和抗氧化活性，Massarolo等[22]證實(shí)用米根霉對米糠進(jìn)行固態(tài)培養(yǎng)提高了γ-谷維素的回收率，改善了米糠的功能特性，馮海燕[23]利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵米糠，發(fā)酵后米糠的生物活性成分明顯提高(包括總酚、黃酮、阿魏酸、VE、γ-谷維素、VB1、煙酸、VB6)，而且其輔助降血脂的功能更顯著。雖然目前生物發(fā)酵技術(shù)在生物活性物質(zhì)開發(fā)利用領(lǐng)域的研究甚多，但還應(yīng)對發(fā)酵菌株的安全性、有害代謝產(chǎn)物、雜菌污染等安全問題予以重視[24]，還需進(jìn)一步加強(qiáng)各類生物活性物質(zhì)的體內(nèi)外毒理學(xué)研究，才能有效明確食品工業(yè)中各類副產(chǎn)物固態(tài)生物轉(zhuǎn)化工藝的實(shí)施手段，為從植物性加工副產(chǎn)物中獲取的生物活性物質(zhì)在食品保健、醫(yī)藥制品、化妝品等諸多領(lǐng)域更深層次的開發(fā)利用提供參考[25]。

因此，可通過微生物發(fā)酵法與新型提取技術(shù)聯(lián)用的方式來提高米糠生物活性物質(zhì)的活性及得率，以期拓展其在食品、化妝品及醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 米糠主要生物活性物質(zhì)的生理功能及其作用機(jī)制

許多研究表明米糠富含具有保護(hù)特性的生物活性化合物，表2列舉了米糠中主要生物活性物質(zhì)的生理功能，它們通過減少自由基介導(dǎo)的氧化應(yīng)激，改善血管炎癥、內(nèi)皮功能、血壓、血脂和血糖，積極調(diào)節(jié)與高血壓、高血脂、高血糖和2型糖尿病等疾病有關(guān)的病理生理學(xué)通路等，從而具有抗氧化、抗炎、清除自由基、降膽固醇、降血壓、降血脂、抗糖尿病、預(yù)防阿爾茨海默癥和抗癌活性等多種生理功能。但在研究體內(nèi)轉(zhuǎn)化結(jié)果時，需要考慮生物利用度、微生物區(qū)系概況、酶參與和植物化學(xué)代謝等因素[8,26]。

表2 米糠中主要生物活性物質(zhì)的生理功能[27,28]

2.1 抗氧化機(jī)制

米糠中具有抗氧化活性的生物活性物質(zhì)的抗氧化機(jī)制主要有[29-31]：①結(jié)構(gòu)中含有易形成自由基的基團(tuán)，阻止了脂質(zhì)氧化的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；②抑制活性氧自由基產(chǎn)生，從而減少氧化應(yīng)激的發(fā)生；③螯合金屬離子，抑制其促氧化作用及酶系統(tǒng)；④猝滅單線態(tài)氧；⑤作為還原劑。

2.2 抗癌機(jī)制

米糠中具有抗癌作用的生物活性物質(zhì)的抗癌機(jī)制主要有[32-36]：①通過氧化應(yīng)激反應(yīng)來調(diào)節(jié)ROS水平，抑制相關(guān)酶和炎癥因子的表達(dá)；②改變與炎癥表達(dá)相關(guān)的信號通路，降低轉(zhuǎn)錄因子的活性；③抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，減弱腫瘤干細(xì)胞的特性。④表觀遺傳的調(diào)控(DNA甲基化的抑制和RNA的調(diào)控)。

2.3 降血脂機(jī)制

米糠中具有降血脂作用的生物活性物質(zhì)的降血脂機(jī)制主要有[37-40]：①通過降低 HMG-CoA還原酶(膽固醇生物合成的反應(yīng)中限速酶)的活性來減少膽固醇合成，調(diào)控 NADPH 生成酶(脂肪酸和膽固醇的生物合成中所必須的物質(zhì))的活性來抑制肝臟生成甘油三酯和膽固醇的水平來減少膽固醇合成；②通過生物活性物質(zhì)在腸道的不同位置發(fā)揮不同的作用以抑制膽固醇的吸收。如通過競爭結(jié)合位點(diǎn)來阻止膽固醇進(jìn)入胃和十二指腸，如膽固醇進(jìn)入了十二指腸，則通過抑制胰腺膽固醇酯酶的活性來抑制膽固醇的吸收；③膽固醇的異化及加速排泄。

2.4 降血糖機(jī)制

米糠中具有降血糖作用的生物活性物質(zhì)的降血糖機(jī)制主要有[41]：①選擇性地作用于胰島β細(xì)胞，使胰島素分泌增多，抑制了肝糖的生成和輸出；②改善胰島素信號通路和胰島素敏感；③改善糖代謝和脂質(zhì)積累；④抑制升血糖激素的活性；⑤促進(jìn)抗氧化酶類的合成，增強(qiáng)抗氧化性，減輕對胰島β細(xì)胞的損傷。

2.5 抗炎機(jī)制

米糠中具有消炎作用的生物活性物質(zhì)的抗炎機(jī)制主要有[42]：①抑制炎性酶的表達(dá)，如誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和環(huán)氧合酶2(COX-2)；②阻止IκB的磷酸化，抑制NF-κB途徑。

3 米糠主要生物活性物質(zhì)在食品、化妝品及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

目前我國對米糠資源的主要利用途徑是直接將其作為飼料，只有10%～15%的米糠進(jìn)行了深層次開發(fā)利用，而日本米糠卻能達(dá)到100 %的綜合利用率, 甚至在欠發(fā)達(dá)的印度，米糠的綜合利用率也達(dá)到了30 %[43]。圖2展示了日本某公司在稻米加工副產(chǎn)物的縱深開發(fā)利用情況，可以看出日本在稻米加工、米糠油加工、副產(chǎn)物的綜合利用以及食品加工等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)循環(huán)鏈條已形成規(guī)?；罴庸に礁?，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式多樣，大大提高了附加值。

近些年國內(nèi)外許多研究者對于米糠中生物活性物質(zhì)在食品、化妝品及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用潛力進(jìn)行了廣泛的研究，表3列舉了目前研究米糠活性成分熱點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，在食品領(lǐng)域主要用于抗酸敗、著色、營養(yǎng)強(qiáng)化、防腐及穩(wěn)定劑，在化妝品領(lǐng)域主要用于抗氧化、祛斑美白、抗老化、保濕、防曬及抗皺等，目前在醫(yī)藥領(lǐng)域主要研究其在抗癌、消炎、調(diào)節(jié)心腦血管疾病及2型糖尿病方面的應(yīng)用，由此可見我國米糠開發(fā)利用還有更廣的范圍、更深的層次以及巨大的增值潛力。

圖2 日本某公司的米糠利用路徑

表3 米糠生物活性成分在食品、化妝品及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用案例[44,45]

3.1 米糠生物活性物質(zhì)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

目前從米糠中提取的生物活性物質(zhì)主要以功能性成分、著色劑和防腐劑等形式應(yīng)用于食品中，用于提高食品的營養(yǎng)價值、色澤、質(zhì)地和延長產(chǎn)品的貨架期等。米糠是色素化合物最具潛力的植物來源之一，其所富含的花青素、類胡蘿卜素、酚酸和γ-谷維素這些化合物不僅能為產(chǎn)品提供天然的顏色，而且對人體健康十分有益，米糠中的酚酸、類黃酮、維生素E、必需氨基酸和γ-谷維素以食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑的形式應(yīng)用于保健品和功能性食品配料中，可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對優(yōu)質(zhì)健康制品的需求，米糠中含有的天然抗氧化劑(維生素E、酚類，類黃酮和花青素)能有效抑制生物有害氧化反應(yīng)，如能替代合成抗氧化劑(BHA、BHT、PG和TBHQ)的使用，則可避免或減少合成食品添加劑的使用。

3.2 米糠生物活性物質(zhì)在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

目前日本、加拿大、美國這些發(fā)達(dá)國家對米糠在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用研究比較深入，而且已經(jīng)進(jìn)行了科學(xué)系列的開發(fā)，尤其是在日本，其商場貨架上已有大量的米糠化妝品或入浴劑在銷售，如oryza米糠系列產(chǎn)品、膏霜、乳液、防曬品、米糠肥皂、防裂唇膏、洗面奶、牙粉、粉底等[46]，而我國對米糠中生物活性成分在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用研究甚少。在化妝品領(lǐng)域可使用的米糠生物活性成分主要有B族維生素、維生素E、γ-谷維素、植物甾醇、煙酰胺、二十八烷醇、角鯊烯和植酸等，因此可以加大米糠在化妝品這一高附加值行業(yè)中應(yīng)用的研究力度，將顯著提升米糠的附加值。

3.3 米糠中生物活性物質(zhì)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

在人類面臨的各種疾病中，心血管疾病、癌癥、關(guān)節(jié)炎、糖尿病和高膽固醇血癥是導(dǎo)致發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家人口死亡的主要疾病類型，有研究證明從米糠中提取的生物活性物質(zhì)具有抗癌活性、抗炎性、調(diào)節(jié)心血管疾病和2型糖尿病、藥物緩釋等功能，因此可以考慮將其研究開發(fā)應(yīng)用在相關(guān)醫(yī)藥領(lǐng)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、結(jié)腸癌細(xì)胞生長的效果，在癌癥的防治中具有巨大的潛在應(yīng)用價值[47,48]。日本有一款保健藥(IP6精華)是以米糠中的肌醇 、肌醇六磷酸(IP6)和γ-谷維素作為主要成分，具有抗氧化、預(yù)防和治療心臟病、皮膚炎、神經(jīng)失調(diào)和肝臟功能障礙等功能，已得到了日本厚生省和美國食品與藥物管理局(FDA)的確認(rèn)[49]。目前植物天然產(chǎn)物已被用作預(yù)防和治療人類和動物疾病的預(yù)防劑的主要來源，富含天然植物化學(xué)物質(zhì)的營養(yǎng)品在改善人類健康方面有著廣闊的應(yīng)用前景[50,51]。因此，我國也應(yīng)加大米糠在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究力度，拓寬米糠高附加值利用的途徑，減少人工合成生物藥品的應(yīng)用，造福人類健康。

4 展望

我國擁有豐富的米糠資源，而且米糠具有很高的營養(yǎng)價值以及潛在的保健價值，但目前我國對其深加工開發(fā)利用卻非常有限，因此應(yīng)著眼國際和國內(nèi)市場合理布局，科學(xué)系統(tǒng)的研究其在化妝品、保健品、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中的應(yīng)用，提升米糠的附加值，促進(jìn)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尋找簡單、低成本、適用、有效和環(huán)境友好的提取新技術(shù)也是應(yīng)關(guān)注的研究重點(diǎn)，因?yàn)檫@可以為擴(kuò)大稻米加工副產(chǎn)品的利用提供必要條件。微生物發(fā)酵作為一種傳統(tǒng)而又新穎的加工方式，其可靠性不斷提高，由于其成本低廉、操作簡單、代謝產(chǎn)物得率高、綠色環(huán)保，還可以提高對人體健康有益的生物活性成分含量，改善生物學(xué)功能，目前已成為了國內(nèi)外副產(chǎn)物增值利用的研究熱點(diǎn)。因此有必要從微生物代謝調(diào)控角度出發(fā)構(gòu)建米糠生物活性物高產(chǎn)體系，為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本且安全高效的產(chǎn)品提供思路，也為糧食加工副產(chǎn)物的精深加工利用提供技術(shù)支撐。