陳正行, 王韌, 王莉, 黃 星, 羅小虎, 陳中偉
(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室,江蘇 無錫 214122)
稻米及其副產(chǎn)品深加工技術(shù)研究進(jìn)展
陳正行, 王韌, 王莉, 黃 星, 羅小虎, 陳中偉
(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室,江蘇 無錫 214122)
綜述了國內(nèi)外碎米、米糠和稻殼等加工副產(chǎn)品綜合利用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,以期通過精深加工提高稻米資源的利用率和食用率,增強我國糧食安全性。
大米蛋白質(zhì);大米淀粉;米糠;發(fā)芽糙米;稻殼;深加工技術(shù)
糧食是全世界各國的重要戰(zhàn)略物資,確保糧食安全是世界各國頭等重要的發(fā)展戰(zhàn)略。隨著世界人口的迅速增長,可用耕地日益減少,環(huán)境資源破壞不斷加劇,糧食需求矛盾變得更加突出。因此,提高糧食的深加工利用率就成為了國家糧食戰(zhàn)略中的重要部分,是國家中長期規(guī)劃和“十二五”計劃的重要議題。目前,日美等國的糧食加工產(chǎn)值比為3∶1以上,其糧食產(chǎn)品加工程度都在90%以上,而我國糧食加工產(chǎn)值比只有0.5∶1,糧食產(chǎn)品加工程度也只有20%~30%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日美等發(fā)達(dá)國家。稻米是世界上產(chǎn)量最大的谷物,2011年產(chǎn)量多達(dá)7億t,其中我國年產(chǎn)量已達(dá)2億t,居世界首位。在我國,稻米主要作為主食口糧資源,而每年稻米加工所產(chǎn)生的4000萬t稻殼、3000多萬t碎米、1400多萬t米糠等有價值的副產(chǎn)品尚未得到很好的開發(fā)利用。因此,利用各種深加工技術(shù)提高稻米及其副產(chǎn)品的利用率,使其增值,變相節(jié)糧,趕追發(fā)達(dá)國家水平,成為了我國稻米加工產(chǎn)業(yè)亟需解決的瓶頸問題。目前,國內(nèi)外稻米深加工的主要方向包括大米淀粉、大米蛋白、米糠、發(fā)芽糙米和稻殼的高效、綠色增值深加工。
淀粉是大米的主要成分,其含量約為80%。大米淀粉是一種低過敏性淀粉,是現(xiàn)存谷物淀粉中顆粒最小的(3~8μm),顆粒度均一,表面光滑呈多角形,糊化后吸水快,質(zhì)構(gòu)柔滑似奶油,具有脂肪的口感,且容易涂抹開。此外,蠟質(zhì)米淀粉還具有很好的冷凍-解凍穩(wěn)定性,可防止冷凍過程中的脫水收縮。因此,大米淀粉被廣泛運用于食品、醫(yī)藥、紡織、日化及造紙工業(yè)中。而通過物理、化學(xué)或酶法處理可以改變大米淀粉的性質(zhì),增加大米淀粉的某些功能性或引進(jìn)新的特性,從而使其更符合工業(yè)應(yīng)用的要求。目前研究最多的大米變性淀粉主要有抗性淀粉、多孔淀粉、慢速消化淀粉、新脂肪替代物等。
抗性淀粉是指不被健康人體小腸所吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物的總稱??剐缘矸劬哂信c膳食纖維類似的作用,無能量,具有預(yù)防糖尿病、保護(hù)腸道、改善血脂、控制體重等生理功能??剐缘矸壑饕獞?yīng)用在中等水分和低水分食品中,顆??剐缘矸劭商峁┍葌鹘y(tǒng)纖維更好的外觀、質(zhì)地和口感,改善食品的膨脹性和脆性??剐缘矸壑饕怯芍辨湹矸劾匣纬傻?,因此可在高溫濕熱的條件下破壞淀粉顆粒的結(jié)構(gòu),使淀粉充分糊化,然后采取能使淀粉最大程度老化的措施來制備抗性淀粉。目前,制備大米抗性淀粉的方法主要有酸變性沸水浴法[1]和壓熱處理法[2]。
多孔淀粉是將天然淀粉經(jīng)過酶解處理后,形成蜂窩狀多孔性淀粉載體。多孔淀粉由于其表面具有很多伸向淀粉粒中心的小孔,淀粉顆粒中心是中空的,因而具有良好的吸附性能,可用作功能性物質(zhì)的吸附載體。大米淀粉顆粒小,比表面積大,因此所制備的多孔淀粉比其它種類淀粉具有更強的吸附力。目前,大米多孔淀粉的制備方法有單一酶解或酶解與交聯(lián)、酯化結(jié)合等方法。交聯(lián)可提高多孔淀粉的機械強度和抗溶脹性,而酯化可提高多孔淀粉的疏水性,進(jìn)而提高其吸附非極性和弱極性物質(zhì)的能力。盛志佳等人[3]采用α-淀粉酶制備了秈米多孔淀粉,提高了秈米淀粉吸附液體的能力;金照等人[4]采用α-淀粉酶和糖化酶(酶配比為1∶12)制備了大米多孔淀粉,其吸水率和吸油率分別是125.8%和163.2%;張甲奇[5]通過三氯氧磷交聯(lián),復(fù)合酶水解,辛烯基琥珀酸酯化制備了交聯(lián)酯化多孔大米淀粉,并就其對次亞甲基藍(lán)的吸附能力與交聯(lián)多孔大米淀粉和多孔大米淀粉進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,交聯(lián)酯化多孔大米淀粉的吸附能力最強,交聯(lián)多孔大米淀粉次之,多孔大米淀粉最弱。
緩慢消化淀粉是一種可以被酶緩慢并且完全降解的淀粉,它在人體小腸中的緩慢消化對人體健康非常有益,不但可以有效改善糖負(fù)荷做為糖尿病患者的新食品,還能為運動員在運動過程中提供穩(wěn)定特久的能量釋放來保持耐力,因此越來越受人們的關(guān)注。目前,大米緩慢消化淀粉的制備主要有酶法和物理方法。陳磊[6]分別采用普魯蘭酶脫支處理和熱處理兩種方法制備大米緩慢消化淀粉。結(jié)果表明:在最優(yōu)條件下普魯蘭酶脫支處理獲得的緩慢消化淀粉含量為50.1%,明顯高于熱處理制備的緩慢消化大米淀粉(含量為7.9%)。Zhang等人[7]將蠟質(zhì)大米淀粉沸水浴30 min,然后冷卻至25℃,密封,在4℃貯藏24 h,然后在25℃貯藏24 h,這樣交替貯藏7 d后,蠟質(zhì)大米淀粉中的緩慢消化淀粉含量可達(dá)到51.62%。
淀粉脂肪替代物能夠模擬脂肪的質(zhì)構(gòu)和口感,其機理在于內(nèi)部直鏈淀粉和支鏈淀粉共同作用水合形成凝膠,凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以截留一部分水,被截留的水具有一定的流動性,在口腔的作用下能夠產(chǎn)生類似于奶油般的潤滑感和粘稠感。以大米淀粉為基質(zhì)的脂肪替代物具有不同于其它淀粉原料的優(yōu)良性質(zhì),這是因為大米粉顆粒小,與均質(zhì)后的脂肪球大小接近,適于用作脂肪替代品,同時大米淀粉水合形成的體系,組織更為柔軟、細(xì)膩,能夠很好的模擬脂肪的口感。大米淀粉脂肪替代物主要包括修飾或改性的大米淀粉、超微粉體以及低DE值的麥芽糊精等。劉麗[8]和 Mun等人[9]分別采用滾筒法硬脂酸酯化和4-α-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶制備大米淀粉脂肪替代物,并將產(chǎn)品應(yīng)用于低脂蛋黃醬中;Limberger等人[10]以碎米淀粉為原料,采用擠壓和磷酸化的方法制備了脂肪替代物,并應(yīng)用在香腸中;涂宗財?shù)热耍?1]用超高壓均質(zhì)和超微粉碎的方法制備了可用做脂肪替代物的納米級大米淀粉;孫沛然等人[12]則采用高溫α-淀粉酶酶解大米淀粉的方法制備了DE值為3左右的脂肪替代物。
大米中的蛋白質(zhì)含量約為8%,而利用早秈稻或碎米為原料生產(chǎn)淀粉糖的副產(chǎn)品——米渣中蛋白質(zhì)含量高達(dá)50%(干基),是提取大米蛋白的優(yōu)質(zhì)原料。大米蛋白是一種優(yōu)質(zhì)蛋白,具體表現(xiàn)在以下三方面:1)大米蛋白的氨基酸組成合理,與 WHO/FAO推薦的理想模式非常接近,其生物價為77,高于其它的糧食作物;2)大米蛋白是一種低過敏性蛋白,與其它糧食作物的蛋白質(zhì)相比更為安全可靠,可用作開發(fā)嬰幼兒食品的基料;3)大米分離蛋白具有調(diào)節(jié)血壓[13]、降低膽固醇[14]、降低動脈粥樣硬化[15]等保健功能。目前大米蛋白已被開發(fā)成多種產(chǎn)品,如食品添加劑、營養(yǎng)補充劑、生物活性肽、可食用膜等。但是,由于占大米蛋白80%左右的谷蛋白具有高疏水性,導(dǎo)致大米蛋白的溶解性差,進(jìn)而造成其乳化性、膠凝性、發(fā)泡性等功能特性不理想,限制了其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此,大米蛋白改性成為了目前研究的熱點,通過改性可以提高大米蛋白的功能特性,從而拓展其在食品及其它領(lǐng)域中的應(yīng)用。大米蛋白的改性方法有物理法、酶法和化學(xué)法。
物理改性是指通過加熱、冷凍、加壓、磁場、電場、聲場、超濾、低劑量輻射或添加小分子雙親物質(zhì)等方法來改善蛋白質(zhì)的功能特性,提高營養(yǎng)價值。物理法改性費用低,無毒副作用,對產(chǎn)品營養(yǎng)價值影響小,但目前采用物理法改性的相關(guān)報道比較少,改性效果也不顯著。因此,物理方法常與酶法或化學(xué)法聯(lián)合使用。郭建偉[16]采用微波加熱和濕法加熱的方法制備米蛋白-麥芽糊精接枝物,結(jié)果表明,微波接枝反應(yīng)的工藝條件明顯優(yōu)于濕法接枝反應(yīng)。
大米蛋白酶法改性主要是指大米蛋白在蛋白酶的作用下發(fā)生特定的水解,如堿性蛋白酶[17]、酸性蛋白酶[18]、堿性蛋白酶和復(fù)合蛋白酶共同作用[19],產(chǎn)生區(qū)別于母體蛋白的相對較小的分子,并伴有重要結(jié)構(gòu)的重排,導(dǎo)致一些原來包埋在蛋白分子內(nèi)部的疏水區(qū)暴露在溶劑中,從而產(chǎn)生新的營養(yǎng)功能及功能特性的大米蛋白或各種生物活性肽。此外,轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶也是大米蛋白改性中常用的酶,該酶可催化蛋白質(zhì)及肽鍵中谷氨酰胺殘基的C2羧酰胺基和賴氨酸殘基的E2氨基相連,形成谷氨?;嚢彼峁矁r鍵,從而賦予大米蛋白質(zhì)特有的流變特性及口感。Renzetti等人[20]利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對糙米粉進(jìn)行改性。結(jié)果表明,酶處理后谷蛋白發(fā)生聚合作用,形成更大的蛋白質(zhì)聚合物,用改性后的糙米粉做的面包因為蛋白質(zhì)之間具有更強的疏水作用,其結(jié)構(gòu)性質(zhì)也得到改善。目前酶法改性因反應(yīng)速度快、條件溫和、專一性強而受到廣泛關(guān)注,但選擇合適的酶及如何控制反應(yīng)條件比較困難,而且常用的動物蛋白酶價格較貴。
化學(xué)改性是通過化學(xué)手段在蛋白質(zhì)中引入各種功能基團,利用蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團的化學(xué)活性改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、靜電荷和疏水性,從而改進(jìn)蛋白質(zhì)功能性質(zhì)。大米蛋白化學(xué)改性主要集中在脫酰胺[21]、?;?2]、磷酸化[22]、糖基化[16,23-24]改性方面。脫酰胺改性是通過羰基中的氧與氫離子發(fā)生質(zhì)子化作用,導(dǎo)致氨釋放。?;男允侵傅鞍追肿拥挠H核基團(如氨基)與?;噭┫嗷プ饔?,接入具有新功能基團的過程。磷酸化改性是指蛋白質(zhì)分子引進(jìn)親水性的磷酸根基團,其改性效果與磷酸化試劑的選擇有關(guān)。張凱[22]采用酰基化和磷酸化兩種方法對酶堿結(jié)合法提取的大米蛋白進(jìn)行改性。結(jié)果表明:改性后的大米蛋白的乳化性、起泡性、吸油性和持水性等功能特性都有較好改善,只有起泡穩(wěn)定性比未改性蛋白質(zhì)稍差,磷酸化改性大米蛋白的各項理化性質(zhì)均優(yōu)于酰基化改性大米蛋白。糖基化改性是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸側(cè)鏈的自由氨基和糖分子還原末端的羰基之間的羰氨反應(yīng),即美拉德反應(yīng)。目前的研究結(jié)果表明:糖基化改性是一種效果不錯的方法,這是因為糖鏈的引入,多羥基的親水特性使蛋白質(zhì)-糖接枝物的溶解性顯著提高,因此糖基化改性正成為食品科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點。大米蛋白糖基化改性的方法有很多,其反應(yīng)的大米蛋白有未酶解和有限水解的大米蛋白,其反應(yīng)的糖有葡萄糖、乳糖、麥芽糖糊精、葡聚糖等,其加熱方式有干法、濕法、微波加熱等?;瘜W(xué)法改性大米蛋白方法簡單,通過選擇合適的方式及反應(yīng)條件就可以使大米蛋白的功能性質(zhì)得到有效改善。其缺點是有時會破壞蛋白質(zhì)原有的營養(yǎng)功效,產(chǎn)生一些副反應(yīng),有的副反應(yīng)甚至是有害的,同時還必須考慮所使用化學(xué)試劑的毒性和殘留問題。
米糠是稻谷脫殼后依附在糙米上的表面層,由果皮、種皮、外胚乳及糊粉層組成。米糠是稻谷的精華所在,它雖然只占稻谷質(zhì)量的6%~8%,但卻含有稻谷中60%~70%的生理活性成分,包括豐富和優(yōu)質(zhì)的脂肪、蛋白質(zhì)、多糖、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)素和生育酚、生育三烯酚、谷維素、二十八碳烷醇、α-硫辛酸、角鯊烯、神經(jīng)酰胺等天然抗氧化劑和生理活性物質(zhì)。米糠作為稻谷加工中最重要的一類副產(chǎn)物,長期以來主要用作動物飼料,未對其進(jìn)行充分利用,造成嚴(yán)重的資源浪費。米糠資源的綜合利用是增加稻谷加工企業(yè)經(jīng)濟效益的有效手段,已經(jīng)成為了近年來的研究熱點,具體內(nèi)容主要包括米糠油、米糠蛋白、米糠多糖、米糠膳食纖維等高附加值產(chǎn)品的開發(fā)。
米糠油是一種營養(yǎng)豐富的植物油,其中飽和脂肪酸占15%~20%,不飽和脂肪酸含量達(dá)80%以上,亞油酸含量約38%,油酸含量約42%,符合國際衛(wèi)生組織推薦的油酸和亞油酸的1∶1.1的最佳比例。米糠油不僅脂肪酸組成完全、合理,而且還含有豐富的VE、谷維素、植物甾醇、角鯊烯等多種生理活性成分。這些物質(zhì)可有效降低血液中低密度膽固醇濃度,使高密度膽固醇濃度上升,達(dá)到預(yù)防心血管疾病、調(diào)節(jié)血糖、改善動脈粥樣硬化等功能。目前,米糠油的提取主要有壓榨法[25]、微波輔助法[26]、浸提法[27],其中以壓榨法最為常用,但得到的米糠毛油含有較多雜質(zhì),仍需進(jìn)一步的精煉。米糠油精煉主要包括脫膠、脫蠟、脫酸、脫色和脫臭等過程。Worasith等人[28]利用改性高嶺土對米糠油進(jìn)行脫色,達(dá)到良好的脫色效果。De等人[29]使用氫氧化鈣對米糠毛油進(jìn)行脫蠟、脫色處理,并對精煉后的米糠油進(jìn)行色澤、過氧化值、不飽和脂肪酸值等測定,結(jié)果表明該方法效果良好。
米糠提取油脂后,得到脫脂米糠(米糠粕),它含有50%以上的膳食纖維、20%左右的蛋白質(zhì)以及10%左右的植酸鈣,是開發(fā)其它高附加值產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。米糠蛋白是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)植物蛋白,必需氨基酸組成平衡合理,接近FAO/WHO的建議模式。米糠蛋白主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組成,這4種蛋白質(zhì)的比例大致為37∶36∶5∶22,與大豆蛋白接近,且具有低過敏性,是已知谷物蛋白中過敏性最低的蛋白質(zhì),可作為嬰兒食品的主要蛋白原料。米糠蛋白經(jīng)過酶改性,其溶解性顯著增加,乳化性及穩(wěn)定性也得到提高,可做為食品風(fēng)味增強劑,應(yīng)用于肉制品、快餐食品、焙烤制品、醬料以及其他調(diào)味品中。目前提取米糠蛋白主要采用堿法[30]、酶法[31]和物理法[32]。堿法提取簡單易行、工藝成本較低,提取較為完全,但堿法存在p H值高、制備的米糠蛋白容易變性和水解等缺點;酶法提取米糠蛋白反應(yīng)條件較溫和,蛋白提取得率較高,且更多地保留了蛋白的營養(yǎng)價值,同時也避免堿法提取米糠蛋白所帶來的負(fù)面效應(yīng),但與堿法相比,其工藝成本提高;物理法提取米糠蛋白具有提取效率低,設(shè)備投資較高等缺點。
膳食纖維是指不被人體消化的碳水化合物的總稱,能夠平衡人體營養(yǎng)、調(diào)節(jié)機體功能,與傳統(tǒng)的六大營養(yǎng)素并列為第七大營養(yǎng)素。米糠膳食纖維具有膳食纖維的獨特生理功能和營養(yǎng)保健作用。因此,研制開發(fā)米糠膳食纖維食品具有良好的市場潛力。目前,米糠膳食纖維被添加在焙烤食品、面制品、乳制品、肉制品、飲料、早餐和休閑食品中,用來改善食品的質(zhì)構(gòu)、口感和營養(yǎng)。此外,Wan等人[38]利用魚油微膠囊技術(shù)對可溶性膳食纖維進(jìn)行包埋,并將該產(chǎn)品制成沖劑、咀嚼片等,這樣不僅方便食用也更有利于人體吸收。米糠膳食纖維的提取制備方法主要有粗分離法[39]、化學(xué)分離法[40]和酶分離法[41]等。粗分離法的主要特點是僅提取出原料中的可溶性膳食纖維,而未涉及到含量較多的不溶性膳食纖維。化學(xué)法的提取條件較劇烈、產(chǎn)品色澤深、堿味濃,而且對膳食纖維中的半纖維素有一定程度的破壞。
米糠多糖主要存在于稻谷穎果皮層里,與纖維素、半纖維素等成分復(fù)雜結(jié)合。它是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雜聚糖,不同于淀粉多糖,米糠多糖主要由木糖、甘露糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等組成。目前,米糠多糖的提取工藝國內(nèi)外已有很多研究,主要包括熱水提取法[33]、微波輔助[34]、超聲波[35]和酶法[36]等。采用不同的提取工藝可以得到不同的米糠多糖,如 RBS、RBF-P、RBF-PM、MDP、RON、MGEN-3等。米糠多糖粗品中雜質(zhì)含量較高,要得到均一多糖還需要采用分級沉淀、透析、超濾、電泳、色譜等技術(shù)進(jìn)一步的分離、純化。經(jīng)過多年的研究,米糠多糖的生理功能特性已被逐漸認(rèn)識,它具有增強免疫活性、抗腫瘤、降血糖、降血脂、抗輻射、抗氧化和清除自由基等功能,因此被作為功能性食品配料和營養(yǎng)強化劑而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)中。此外,米糠多糖改性也是近年來研究的一個新思路,因為通過改性可以產(chǎn)生新的或提高原有的生理活性。王莉等人[37]利用硫酸酯化對米糠多糖改性,得到的改性米糠多糖具有很好的抗腫瘤活性。
稻谷中60%~70%的生理活性成分集中在米糠中,但由于人們通常食用精白米,因此,稻谷中的絕大部分生理活性成分不能進(jìn)入人們膳食當(dāng)中。糙米因保留了生理活性成分豐富的米糠,所以其營養(yǎng)價值遠(yuǎn)高于精白米。但是糙米一直未能成為人類主食,其所含的營養(yǎng)成分也未得到充分的開發(fā)利用,這主要是因為:糙米中含有較高的粗纖維,糠層和蠟質(zhì)層,在烹炊過程中會阻止水分進(jìn)入淀粉粒,膨脹性和吸水性較差,從而導(dǎo)致淀粉的糊化溫度較高,所需炊煮時間較長,咀嚼困難;糙米在烹制過程中含有糠味,且食用時有"渣感",攝入以后消化吸收性也較差;糙米中所含的植酸具有抗?fàn)I養(yǎng)性,易與鈣、鐵、鎂等礦物質(zhì)結(jié)合,從而大大降低了礦物質(zhì)的生物利用率。
糙米發(fā)芽后,淀粉被降解成糖類,因此增加了香甜味,解決了糙米的不可口性問題,同時糙米中的生理活性成分,如膳食纖維、總酚酸、維生素、還原糖、氨基酸、微量元素和γ-氨基丁酸(GABA)都較未發(fā)芽之前顯著增加[42],尤其是神經(jīng)遞質(zhì)GABA,它具有降血壓、改善腦機能、精神安定、促進(jìn)長期記憶、促進(jìn)生長激素分泌、腎功能活化、肝功能活化、美容、醒酒等卓越的生理功能[43]。因此,通過發(fā)芽工藝提高糙米的利用價值,不僅能提高稻米資源的利用效率,而且還能改善人們的營養(yǎng)膳食水平。據(jù)統(tǒng)計,市場上發(fā)芽糙米的價格較普通大米高約10倍。
糙米通過發(fā)芽來富集GABA一直是研究的熱點。Moongngarm等人[44]比較了發(fā)芽糙米、發(fā)芽大米與未發(fā)芽前的生理活性物質(zhì)的含量,發(fā)現(xiàn)發(fā)芽后GABA的含量明顯增大。Komatsuzaki等人[45]利用氣調(diào)和水浸泡結(jié)合的方法,使得糙米中的GABA由10.1 mg/100 g增加至24.9 mg/100 g,加熱殺菌后GABA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未損失。江湖等人[46]優(yōu)化的糙米發(fā)芽工藝條件為:浸泡時間9.5 h、浸泡溫度28℃、培養(yǎng)時間16.7 h和培養(yǎng)溫度36℃;在此工藝條件下培養(yǎng)的發(fā)芽糙米,其GABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了4倍(34 mg/100 g),而影響營養(yǎng)吸收的植酸含量卻降低了。除了單純發(fā)芽工藝外,利用特殊培養(yǎng)液來生產(chǎn)富含微量元素的發(fā)芽糙米,也受到了廣大學(xué)者的重視。鄭藝梅[47]和江湖[48]分別采用含三氯化鉻和硫酸亞鐵的浸泡液來培養(yǎng)發(fā)芽糙米,從而得到富含鉻和鐵的發(fā)芽糙米。這種發(fā)芽糙米可為某種微量元素缺失的居民提供一種可靠的膳食補充,充分發(fā)揮糙米作為主食的優(yōu)勢。
發(fā)芽糙米作為主食的商品化始于日本,早在1999年,由日本農(nóng)林水產(chǎn)省食品綜合研究所和日本農(nóng)林省中國農(nóng)業(yè)實驗場等共同研制的發(fā)芽糙米就已在日本產(chǎn)業(yè)商品化。2002年日本佐竹公司分別建成了日產(chǎn)20 t和80 t的干式發(fā)芽糙米成套加工設(shè)備。2003年Hiromichi等[49]利用發(fā)芽工藝發(fā)明一種易于烹食而且貨架期長的主食發(fā)芽糙米,通過烹制干燥,糙米的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可在10%~18%,糊化率可達(dá)5%~50%。我國發(fā)芽糙米的產(chǎn)業(yè)化實施較為緩慢。2006年湖南勝達(dá)農(nóng)業(yè)科技開發(fā)公司引進(jìn)瑞士布勒全套先進(jìn)的大米加工生產(chǎn)線,可以年生產(chǎn)高GABA發(fā)芽糙米3萬t。除主食商品外,發(fā)芽糙米已被開發(fā)成多種飲料制品。黃迪芳[50]利用富含GABA的發(fā)芽糙米進(jìn)行酶解處理,制備出GABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于普通糙米飲料4倍的米飲料。日本以發(fā)芽糙米為原料,制成酒精體積分?jǐn)?shù)在17%以上,香味醇厚,氨基酸和酸度較高的清淡爽快型清酒和有獨特風(fēng)味的蒸餾酒。此外,發(fā)芽糙米還可作為制作休閑食品的原料,如米餅、壽司、米粉、面包和粽子等。吳鳳鳳等人[51]利用發(fā)芽糙米色澤上的優(yōu)勢與粽子制作工藝相結(jié)合,既掩蓋了糙米的糠味,又節(jié)約了粽子上色的成本,制作成了色澤誘人、成本低廉且營養(yǎng)價值高的發(fā)芽糙米粽。
稻殼是稻谷加工的主要副產(chǎn)品,約占稻谷籽粒質(zhì)量的20%。稻殼富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅,但是蛋白質(zhì)、脂肪和維生素等營養(yǎng)成分的含量極低,且其表面堅硬耐腐,難以被動物消化和被微生物降解,因此既不適合用作飼料也不適用于直接掩埋還田處理。同時,稻殼的自然堆積密度?。?12~144 kg/m3)[52],不利于運輸和存放,處理不當(dāng)(例如野外焚燒)還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。針對上述情況,國內(nèi)外專家學(xué)者就稻殼資源的綜合開發(fā)利用進(jìn)行了廣泛而深入的研究,在取得了大量研究成果的同時,也隨之誕生了許多新的產(chǎn)業(yè)模式。
稻殼的可燃成分達(dá)70%以上,發(fā)熱量為12 560~14 600 k J/kg,約為標(biāo)準(zhǔn)煤的一半[53]。與常規(guī)能源相比,稻殼是一種廉價的生物質(zhì)燃料,利用稻殼燃燒所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電不但可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益,還可以有效地解決環(huán)境污染問題。目前大米加工企業(yè)常用的稻殼發(fā)電技術(shù)可以分為直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電兩種。
直接燃燒發(fā)電技術(shù)是將稻殼直接送到鍋爐中燃料,產(chǎn)生過熱蒸汽推動蒸汽輪機做功,從而帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。通常情況下,燃燒1 kg稻殼可以產(chǎn)生2.4~2.7 kg的蒸汽,2~3 kg稻殼可發(fā)電1 k W·h[54]。目前,具有代表性的鍋爐爐型有丹麥BWE公司的水冷振動爐排爐和Foster wheler公司的循環(huán)流化床鍋爐,主要適用于建設(shè)大型生物質(zhì)發(fā)電項目,優(yōu)點是規(guī)模大,效率高,尤其在實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)時,系統(tǒng)綜合效率最高甚至可達(dá)80%以上;缺點是投資高、不適于小規(guī)模大米加工企業(yè)使用。1990年,我國首個利用稻殼直接燃燒技術(shù)發(fā)電并上網(wǎng)的發(fā)電廠在湖南岳陽建成,裝機容量為1.5 MW。進(jìn)入21世紀(jì)后,我國政府對生物質(zhì)能源的利用極為重視,相應(yīng)法律的實施以及配套措施的出臺大大加快了我國生物質(zhì)發(fā)電的進(jìn)程。江糧集團金佳谷物、佳木斯益海、北大荒等大中型稻谷加工企業(yè)紛紛建設(shè)稻殼直燃發(fā)電項目,爐型主要采用丹麥BWE公司的水冷振動爐排爐或國內(nèi)鍋爐廠家開發(fā)的類似鍋爐,裝機容量擴大到6 MW,部分達(dá)到12 MW[55]。
氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是在一定的熱力學(xué)條件下將稻殼中的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為含有一氧化碳、氫氣等氣體的可燃?xì)怏w,可燃?xì)怏w經(jīng)除塵、除焦凈化后進(jìn)入燃?xì)廨啓C或內(nèi)燃機的燃燒室燃燒從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,或者在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓蒸汽從而驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電[56]。常用的氣化爐有固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種。固定床是一種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐,結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,啟動時加熱比較緩慢,需較長時間才能達(dá)到反應(yīng)溫度,并且床內(nèi)溫度不均勻,氣化產(chǎn)物主要是低熱值可燃?xì)怏w。固定床氣化爐多應(yīng)用于中小企業(yè)的自備發(fā)電機組,單臺裝機功率小于200 k W。流化床氣化爐是一種先進(jìn)的氣化反應(yīng)爐,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,安裝后不易移動,比固定床氣化爐的容量要大,加熱迅速,床溫均勻,具有良好的混合特性和較高的氣固反應(yīng)速率,多用于大中型企業(yè)的自備電站或小型上網(wǎng)電站,單臺裝機功率可以達(dá)到800 k W[57]。與直接燃燒發(fā)電相比,氣化發(fā)電的主要優(yōu)點是投資少,建設(shè)周期短,在小規(guī)模利用時可以實現(xiàn)高效運行,因此發(fā)展迅速。我國的科研機構(gòu)在20世紀(jì)60年代初就開始對稻殼氣化發(fā)電進(jìn)行研究,研制出樣機后進(jìn)行了初步推廣,還曾經(jīng)出口到發(fā)展中國家,后因系統(tǒng)熱效率低下等問題一度被放棄。1987年,氣化發(fā)電重新受到關(guān)注,并被列為國家科技部“七五”重點攻關(guān)項目。經(jīng)過20多年的發(fā)展,我國的氣化發(fā)電技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,但與歐美發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距。目前國內(nèi)主要采用以空氣為氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù),與歐美先進(jìn)的循環(huán)流化床氣化技術(shù)相比,該技術(shù)具有燃?xì)鉄嶂档颓屹|(zhì)量不穩(wěn)定、設(shè)備使用壽命短、燃?xì)鈨艋幚砑夹g(shù)落后等缺點。近年來,生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(BIGCC)逐步成為歐美發(fā)達(dá)國家的研究熱點[58],由于高壓氣化技術(shù)和燃?xì)飧邷貎艋夹g(shù)的使用,該系統(tǒng)的發(fā)電效率可以高達(dá)40%。
白炭黑,化學(xué)名稱為水合二氧化硅,是一種高度分散的白色無定型粉末,具有質(zhì)輕、多孔性、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、不燃燒和電絕緣性好等特點,是一種重要的無機精細(xì)化工原料,主要作為補強劑和填充劑用于橡膠行業(yè),此外在塑料、造紙、農(nóng)藥、油漆、制藥等多個領(lǐng)域也有著廣泛的用途。稻殼灰是稻殼發(fā)電的殘留物,一般占稻殼質(zhì)量的20%,主要成分為二氧化硅,比例高達(dá)60%~95%,其余為碳,根據(jù)稻殼燃燒的程度不同,其含碳量也不同[59]。稻殼灰中的二氧化硅主要以非晶態(tài)的形式存在,同時其他礦物雜質(zhì)很少,尤其是放射性元素U和Th的含量特別低,是制備白炭黑的理想原料。目前研究最多的是傳統(tǒng)沉淀法,即首先將稻殼灰與堿液反應(yīng)制備水玻璃,然后再酸化,經(jīng)沉淀、洗滌、干燥后得白炭黑產(chǎn)品。丁開宇等人[60]的研究表明影響二氧化硅溶出率及水玻璃模數(shù)的主要因素是堿液濃度、反應(yīng)時間、攪拌轉(zhuǎn)速和料液比;螯合劑的添加既可以與水玻璃中的雜質(zhì)金屬離子反應(yīng)生成可溶性的大分子絡(luò)合物從而提高白炭黑的純度,還可以調(diào)節(jié)二氧化硅粒子周圍的雙電層從而減小粒子的粒徑。李曉瑄等人[61]用1.5 mol/L NaOH 溶液堿熔稻殼灰,隨后采用10%硫酸溶液作沉淀劑,制備了多孔結(jié)構(gòu)的稻殼基白炭黑,鐵、銅、錳等重金屬離子雜質(zhì)含量極低,二氧化硅純度可以達(dá)到99.8%以上。目前,稻殼灰制備白炭黑項目的最先進(jìn)技術(shù)集中在美國農(nóng)機系統(tǒng)公司,但其生產(chǎn)工藝對稻殼灰原材料的質(zhì)量要求很高,只有特定的鍋爐才能滿足,限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。國內(nèi),佳木斯益海的稻殼發(fā)電項目配備了白炭黑生產(chǎn)線,獲得了一定的經(jīng)濟效益,但其產(chǎn)品屬中端產(chǎn)品,尚達(dá)不到國際要求。
隨著稻殼資源的深度開發(fā),其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。利用稻殼灰中的硅可以合成沸石、多孔或介孔材料用于吸附重金屬、染料等[62];利用稻殼為原料合成的碳化硅陶瓷,具有硬度高、耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕等諸多優(yōu)點,在石油、化工、機械、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[63-64];稻殼在炭化爐中經(jīng)控制燃燒條件處理可以制得碳化稻殼,碳化稻殼具有良好的吸熱特性和絕緣特性,因此可以大量應(yīng)用在冶金和鑄造業(yè)中[65];在建筑業(yè)中,稻殼灰還被用來生產(chǎn)水泥和混凝土,提高其強度和耐用性[66]。此外,稻殼中含有豐富的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等有機物,將這些有機組分進(jìn)行轉(zhuǎn)化與利用,可以制備出各種高附加值的產(chǎn)品,例如利用稻殼中的纖維素制備葡萄糖、燃料乙醇[67],利用半纖維素制備糠醛、木糖和低聚木糖[68]。
大力發(fā)展和推廣稻米及其副產(chǎn)品深加工技術(shù)的意義在于:1)延長水稻產(chǎn)業(yè)鏈,大幅度提高稻米的附加值;2)充分利用資源,補充優(yōu)質(zhì)食用油、蛋白、淀粉等產(chǎn)品的短缺;3)節(jié)能減排,資源再生,變廢為寶。通過高科技手段把每粒水稻完全“吃干榨盡”,最大限度地開發(fā)稻米資源的利用價值,不僅能減少環(huán)境污染,帶來巨大的經(jīng)濟效益,還對中國稻米加工業(yè)的發(fā)展和國家糧食安全戰(zhàn)略的實施有著十分重大的意義。
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Development in Deep Processing Technology of Rice and by-Products
CHEN Zheng-xing,WANG Ren,WANG Li,HUANG Xing,LUO Xiao-h(huán)u,CHEN Zhong-wei
(National Engineering Laboratory of Cereal Fermentation Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
The by-products of rice milling,such as the broken rice,rice bran,and rice husk etc.,have not been fully utilized in China.In this manuscript,we reviewed the progress in the comprehensive utilization of rice milling by-products worldwide.This article may help people to improve the utilization and edible rates of the rice grain,and to enhance China's food security by the deep processing of rice.
rice protein,rice starch,rice bran,germinated brown rice,rice husk,deep processing technology
TS 210
A
1673-1689(2012)04-0355-10
2011-02-15
公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項資金項目(200903043)。
陳正行(1960-),男,江蘇無錫人,工學(xué)博士,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要從事糧食精深加工研究。E-mail:zxchen2007@126.com