高 琨，姜 平，譚 斌?，吳娜娜，翟小童，喬聰聰

（國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037）

水稻（Oryza sativa L.）是一種重要的大宗谷物，是全球一半以上人口的主食[1]，水稻收割后通過碾磨轉化為適合于人類食用的形式。在商業(yè)碾磨過程中，首先去除稻殼以生產糙米，糙米是由淀粉質胚乳、胚芽和麩皮（包括糊粉）組成的全谷物，由于消費者的需求，糙米被進一步碾磨為白米，這一加工過程中會伴隨大量營養(yǎng)物的損失。隨著世界人口的不斷增加，國際稻米研究機構（International Rice Research Institute）預測到2025年全世界大米市場的消費量將達到8 億 t[2-3]。統(tǒng)計資料顯示，2020 年我國稻谷產量約為21 185萬 t，按照稻谷加工過程中產生約8%米糠量來推算，我國年產米糠約1 694 萬 t。米糠中含有豐富的脂肪、蛋白質、纖維、礦物質以及一些生物活性化合物，如維生素E（生育酚和生育三烯醇）和γ-谷維素等[4]，其中γ-谷維素的抗氧化活性是維生素E 的4 倍，具有降低膽固醇、抗炎、抗衰老、抗膽固醇活性、抗糖尿病、神經(jīng)保護、抗腫瘤等生理功能[5-6]。

目前歐洲、韓國、印度、日本、巴基斯坦等地區(qū)研究者一直關注稻米中 γ-谷維素含量的變化，包括不同品種、不同產地、不同加工精度以及不同加工方式對稻米中γ-谷維素含量的影響，我國在此方面的相關研究數(shù)據(jù)難以獲得。因此，應加大此方面的研究力度以填補不足，為米制品及稻米深加工提供理論上的指導。

近年來，學術界和工業(yè)界對米糠γ-谷維素表現(xiàn)出了極大的興趣。由于γ-谷維素的高可用性及其生物活性潛力使得其在化妝品行業(yè)、營養(yǎng)和藥物領域有著巨大的應用潛力[7]。γ-谷維素這種化合物混合物也已被證明是開發(fā)功能性食品和穩(wěn)定脂肪和油脂的一種有前途的替代方法[8-9]，它在醫(yī)藥方面的應用幾乎占市場總應用的50%，其次是營養(yǎng)和化妝品的應用。2014 年γ-谷維素市場需求量為11 520 t，預計到2022 年將達到18 598 t。日本是γ-谷維素最大的生產國，約占總產量的68%，而目前γ-谷維素商業(yè)化的主要公司有Oryza Oil &Fat Chemical、TSUNO 和Henry Lamotte Oil[10]。我國擁有如此豐富的具有高營養(yǎng)價值以及潛在保健價值的米糠資源，但目前卻未得到較好的利用，因此應著眼國際和國內市場合理布局，科學系統(tǒng)的研究米糠γ-谷維素提取技術及其在化妝品、保健品、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中的應用，提升米糠的附加值，促進我國相關產業(yè)的發(fā)展。

1 γ-谷維素化學成分及分析方法

γ-谷維素是存在于米糠不皂化部分的生物活性化合物混合物[11]，它是植物甾醇或三萜醇的阿魏酯混合物，但95%的γ-谷維素僅由四種化合物組成：24-亞甲基環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯（24MCAF）、環(huán)戊烯基阿魏酸酯（CAF）、菜油甾醇阿魏酸酯（CampF）和β-谷甾醇阿魏酸酯（β-SF），結構式如圖1 所示，其按豐度遞減順序排列[12]。γ-谷維素目前還沒有標準化的分離和定量方法，但由于米糠中還含有少量的也能產生紫外吸收的游離阿魏酸及其酯類，會使紫外分光光度法測定的結果較高效液相色譜偏高，因此通常采用高效液相色譜（HPLC）對其進行定量分析[9]，龔院生等[13]確定了米糠中γ-谷維素的HPLC 測定條件，以甲醇：乙腈：異丙醇（45∶50∶5）為流動相，檢測波長為327 nm。通過HPLC-MS、GC-MS 或核磁共振光譜（NMR）[14]對其進行定性鑒定。

圖1 γ-谷維素主要組成的四種化合物結構式Fig. 1 Structure formula of four main compounds of γ-oryzanol

2 目前國內外對稻米γ-谷維素研究關注領域

2.1 品種、產地及環(huán)境因素對稻米γ-谷維素的影響

稻米中γ-谷維素主要的影響因素有品種、產地、遺傳多樣性、土壤情況、氣候條件等。Andreas[14]對30 個不同品種、不同產地、不同季節(jié)的糙米樣品進行了分析，發(fā)現(xiàn)γ-谷維素含量在（26～63）mg/100 g 之間，γ-谷維素含量和阿魏酸酯組成有相當大的差異。Bergman 和Xu[15]分析了2 個作物年、4 個不同地點生長的7 個水稻品種的γ-谷維素含量，得出年份和位置交互作用是γ-谷維素含量變化的主要因素，其次是品種和作物年。遺傳學在谷維素含量方面也起著重要作用，因為一些特定的等位基因可能會影響谷維素的富集[16-18]。Heinemann等[19]分析了32 個基因型的巴西秈稻和粳稻糙米，發(fā)現(xiàn)粳糙米中γ-谷維素的平均含量（246.3 mg/kg）顯著高于秈糙米（190.1 mg/kg）。張超等[20]研究發(fā)現(xiàn)稻花香長粒米比圓粒米γ-谷維素含量高，實驗采集樣品的五個地區(qū)間的谷維素含量存在明顯差異，這一結果與土壤有機質含量均值呈正相關[12,21]。溫度或干旱等脅迫條件也可能是影響γ-谷維素含量的因素[22]，在溫帶氣候條件下，灌漿期間稻谷中γ-谷維素濃度隨溫度升高而升高，Lemus[23]指出不同基因型、生長環(huán)境及作物年對水稻γ-谷維素含量影響顯著，而黑色和紅色水稻品種間γ-谷維素含量無明顯差異。這些研究結果將有助于提高水稻γ-谷維素含量，并為稻米培育品種創(chuàng)造新的價值[24]。

目前文獻報道[20]發(fā)現(xiàn)歐州地區(qū)糙米γ-谷維素含量在（23～63）mg/100 g，韓國地區(qū)糙米的谷維素含量變化為（26.7～61.6）mg/100 g，印度地區(qū)糙米的γ-谷維素含量為（50～72）mg/100 g，巴基斯坦地區(qū)糙米的γ-谷維素含量為（24.6～33.0）mg/100 g，日本地區(qū)糙米的 γ-谷維素含量為（46.9～48.2）mg/100 g，然而我國稻米中γ-谷維素含量的數(shù)據(jù)情況卻并不清楚，因此應關注這一領域數(shù)據(jù)的測定與收集，以填補此研究領域的空白。

2.2 加工精度對稻米γ-谷維素的影響

碾磨會導致稻米中微量營養(yǎng)素的大量損失，但目前很少有人關注到加工精度對稻米中γ-谷維素含量變化的影響。Tuncel 等[25]研究了稻米米糠、原始種子、糙米、未拋光米、白米及白堊米中γ-谷維素含量的變化及其抗氧化活性的變化，其γ-谷維素含量依次為3 296.50、454.60、408.90、152.69、26.12 和12.19 mg/kg，可以發(fā)現(xiàn)糙米經(jīng)加工變成白米后，γ-谷維素含量減少了約94%；抗氧化活性按米糠、原種、糙米、未拋光米、白米、白堊米這一順序逐漸減弱，這與γ-谷維素含量的順序一致。Butsat 和Siriamorpun[26]分析了從不同生長地點采集的泰國水稻品種的米糠、糙米、精米和稻殼，γ-谷維素含量分別為（3 430～5 380）、（410～950）、（200～330）、（60～160）mg/kg，也證實了由糙米到精米的加工過程中，γ-谷維素損失十分嚴重。因此從γ-谷維素營養(yǎng)保持這一角度來看應大力提倡全谷物糙米的推廣食用以及稻米的適度加工。

2.3 加工方式對稻米γ-谷維素的影響

目前稻米的主要加工方式有蒸煮、發(fā)芽萌動、擠壓膨化、發(fā)酵等，不同加工方式對活性物質的含量及活性的影響不一[27]。通過研究活性物質在不同加工過程中的變化情況，分析其影響因素并反向調控加工條件，最終使活性成分在加工過程中受到最小影響，這對指導開發(fā)富含活性物質的稻米制品具有重要意義。

張君等[28]研究發(fā)現(xiàn)蒸煮對糙米中γ-谷維素含量有較大的影響，其次是米粉加工，影響最小的是擠壓膨化，糙米蒸煮后 γ-谷維素的損失率為59.14%，米粉加工后損失率為3.43%，而擠壓膨化后γ-谷維素含量反而增加了7.14%。這也與馮山山[29]、Pascual[30]的研究結果相一致，他們研究發(fā)現(xiàn)高溫蒸煮過程中γ-谷維素會有約40%的損失。Tsuneo K[31]研究結果顯示稻谷種子發(fā)芽處理后的糙米和精米中 γ-谷維素濃度并沒有增加。Hyun Young Kim[32]研究發(fā)現(xiàn)稻谷和糙米發(fā)芽后，γ-谷維素含量分別增加了1.13 倍和1.2 倍，芽中γ-谷維素含量為9.91 mg/g，推測稻粒萌發(fā)主要使胚中γ-谷維素含量增加。目前有研究顯示通過乳酸菌、雙歧桿菌及米曲霉等有益微生物的發(fā)酵可以顯著提高糙米的生物學活性[33-35]，使得發(fā)酵糙米制品對腸道腫瘤及糖尿病等慢性疾病有良好的防治效果[36-38]，而對其營養(yǎng)成分的研究主要集中在發(fā)酵后總酚含量、黃酮含量、酚酸含量及γ-氨基丁酸含量的變化情況方面[39-40]，而對γ-谷維素含量的研究甚少，由于γ-谷維素含量與抗氧化活性之間有著顯著的相關性，因此今后的研究中也應關注到發(fā)酵對糙米γ-谷維素含量的影響。

3 目前國內外對米糠γ-谷維素研究關注領域

3.1 不同處理方式對米糠γ-谷維素含量的影響

目前對于米糠的處理方式主要集中在穩(wěn)定化方法的研究（擠壓膨化及紅外加熱方法等）以及發(fā)酵高產技術的研究。Shin 等[41]研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化對米糠中γ-谷維素含量的影響較小，米糠經(jīng)140 ℃、60 min 的擠壓處理后，只有10.8%的γ-谷維素損失。王勁松等[42]研究了不同膨化條件對米糠主要營養(yǎng)成分的影響，結果表明，隨著膨化溫度的升高，米糠中γ-谷維素的含量會有所升高。紅外加熱（600 W，5 min）對米糠γ-谷維素含量的影響不顯著[43]，而且紅外加熱的耗能與擠壓膨化大致一樣，因此這兩種方法在米糠的穩(wěn)定化應用方面都是值得肯定的。

發(fā)酵可以通過有效降解部分物質將結合態(tài)形式存在的活性物質釋放出來，提高產量及功能活性[44]。Tae-Dong Jung 等[45]用香菇菌絲對21 個韓國品種米糠進行發(fā)酵，研究發(fā)現(xiàn)Migwang 這一品種米糠發(fā)酵后γ-谷維素含量最高（294.77±6.74）mg/100 g，米糠γ-谷維素水平的生物轉化變化不顯著，但不同品種間γ-谷維素所占比例存在顯著差異。Massarolo[46]等首次評價了米根霉固態(tài)培養(yǎng)時間對米糠中γ-谷維素回收率及其抗氧化性能的影響，旨在提供一種替代食品配方中合成抗氧化劑的天然提取產物。研究發(fā)現(xiàn)米根霉發(fā)酵可以增加米糠中γ-谷維素含量，米糠發(fā)酵48 h 后γ-谷維素含量由13.54 mg/g 增加到20.52 mg/g，提高了0.5 倍。因此應加大發(fā)酵法增產γ-谷維素技術的研究力度，以期為富含γ-谷維素的發(fā)酵物梯度開發(fā)及深度利用提供數(shù)據(jù)及參考。

3.2 米糠γ-谷維素提取技術的研究

米糠是γ-谷維素的最佳來源[25]。目前，我國對米糠中 γ-谷維素提取技術有著一定的研究基礎，其提取技術主要有弱酸取代法、多溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、低溫結晶法、陰離子膠束沉淀法、制備液相分離法、吸附法、膜富集法及分子印跡法等[47-48]。一些主要提取方法的提取原理、優(yōu)缺點等如表1 所述，其中國內工廠目前采用最多的還是弱酸取代法，它的優(yōu)點是工序少、設備簡單，成本低，產品質量好，缺點是甲醇損耗較多，得率不高；而日本近些年廣泛使用的方法是多溶劑萃取法和吸附法，它的優(yōu)點是谷維素得率和純度都較高，缺點是工藝較復雜，設備要求高，成本較高。

表1 γ-谷維素主要提取方法的原理及其優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of main extraction methods of γ-oryzanol

對于傳統(tǒng)的溶劑提取法，提取方法和提取溶劑是影響提取效率及其生物活性的關鍵因素[57]，Kumar 等[58]發(fā)現(xiàn)二氯甲烷和乙酸乙酯的萃取能力優(yōu)于正己烷、異丙醇和丙酮，而Butsat 等[26]卻發(fā)現(xiàn)丙酮是最佳的提取溶劑，Pramod 等[59]研究發(fā)現(xiàn)甲醇是提取γ-谷維素最有效的溶劑，微波法輔助提取可以減少溶劑用量。因此針對不同的提取方法應選擇其合適的提取溶劑。目前國內外學者對米糠中γ-谷維素的提取方法主要集中在超臨界流體萃取法的工藝研究上[60-64]，超臨界流體萃取方法可以最大限度地在不破壞提取物的結構性的前提下做到高效綠色分離，有著較好的工業(yè)化基礎[60]。

由于較低得率及低米糠油精煉率使得目前米糠γ-谷維素的提取仍處于一個比較尷尬的處境，而隨著多學科間深入的交叉滲透，米糠γ-谷維素提取技術也出現(xiàn)了許多有意義的思路和方法，如陰離子膠束沉淀法、制備液相分離法、膜富集法及分子印跡法等，雖然這些方法在實驗室取得了不錯的提取效果，但是進入工廠規(guī)?；a還有很長的路要走。為了振興中國米糠加工行業(yè)，廣大科研工作者及企業(yè)家應在γ-谷維素提取方法改進方面深入研究，如混合油堿煉的工業(yè)應用、溶劑萃取法、超臨界流體萃取法以及同步制備γ-谷維素及其它活性物質的米糠綠色發(fā)展利用新工藝，都需要進一步研究應用，將具有非常好的經(jīng)濟和社會效益。

4 展望

我國稻米資源豐富，如何合理設計稻米加工、開發(fā)利用稻米加工副產物已成為稻谷加工業(yè)亟待解決的重點和難點。國內外學術界和工業(yè)界均對稻米及米糠γ-谷維素這一具有多種生理活性的物質表現(xiàn)出了越來越大的興趣，其具有巨大的市場需求量，應用潛力巨大。

因此，加強我國稻米加工副產物活性組分的分離，開發(fā)與梯度增值利用，延伸我國稻米加工產業(yè)的產品鏈與價值鏈，拓展其在不同領域的多元化應用，對糧食加工產業(yè)的節(jié)糧減損、健康中國及高質量發(fā)展等多方面具有非常重要的戰(zhàn)略意義。我們應在我國稻米 γ-谷維素含量的數(shù)據(jù)采集、稻米適度加工、應用擠壓膨化、發(fā)芽及發(fā)酵技術開發(fā)糙米制品及米糠γ-谷維素的高效提取方法及其在化妝品、保健品、醫(yī)藥及食品等行業(yè)中的應用方面加大研究力度，為米制品及稻米深加工提供理論上的指導，提升稻米制品的營養(yǎng)健康水平，提升米糠的附加值，促進我國相關產業(yè)的發(fā)展。