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米糠是稻谷加工过程中的主要副产物，新鲜米糠容易酸败变质并受微生物污染，保质期通常只有5 d左右，极大限制了其加工利用。对米糠进行稳定化处理是提升其后续加工利用价值的关键前提。
上海交通大学农业与生物学院的陈晨、敬璞、焦顺山*等综述米糠的酸败机制以及米糠稳定化技术最新研究进展，并比较各种稳定化方法对米糠酶活性以及营养物质的影响，旨在为米糠作为食品级原料的研发及综合增值利用提供指导和借鉴。
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酸败是在水（水解酸败）或氧气（氧化酸败）存在的情况下，食品或以食品为基础的产品（如食用油）中脂质缓慢降解的过程。米糠的快速酸败是限制其进一步精深加工及增值利用的关键因素。糙米中的油脂在储藏过程中相对比较稳定，但在碾米过程中，主要存在于糊粉层和胚芽中的油脂与种皮中的脂解酶和LOX相互接触，使得两者相对隔离的状态被打破，进而发生一系列的水解氧化反应。具体的酸败通路见图1，甘油三酯以球状体形式存在，球体表面包裹着磷脂酰胆碱为主要成分的球体膜。在磷脂酶D的催化作用下，磷脂酰胆碱分解为磷脂酸，球体被分解，然后被膜保护的甘油三酯与脂肪酶（LA）接触，发生水解反应，生成游离脂肪酸（FFA）。亚油酸接着在3种LOX同工酶的催化下生成共轭脂氢过氧化物，这些脂氢过氧化物一部分继续被裂解酶和异构酶催化裂解，另一部分发生非酶促自氧化，最终生成小分子的醛、酮和其他挥发物，产生腐臭味，而非酯化的脂肪酸则会给米糠带来苦味和霉味。![]()
米糠脂质酸败过程中会生成FFA且被进一步氧化，因此，FFA含量和过氧化值是衡量米糠酸败程度的重要指标。新鲜米糠在储藏期间FFA含量和过氧化值随着时间的延长不断上升。新鲜米糠在25 ℃条件下放置20 d，其FFA含量（以油酸占毛油质量分数计）由5.78%增加至57.38%，约为原来的10 倍；过氧化值在储藏8 周后由0.86 mmol/kg增加至22.18 mmol/kg。FFA含量超过5%的米糠不适合人类食用，我国目前还没有关于食品级米糠的国家标准和行业标准。GB/T 19112—2003《米糠油》中规定了米糠油的酸价（以KOH计）应不高于4 mg/g，过氧化值不高于7.5 mmol/kg，这可为食品级米糠的标准制定提供一定的参考。此外，水在米糠的酸败过程中也起到重要作用，它既是反应物质也是溶剂，通常在高水分活度条件下米糠更容易水解酸败。部分微生物如霉菌和芽孢杆菌，可代谢生成具有脂肪水解能力的酶，也能促进水解反应。而一些酚类物质会与米糠中的LA结合，使其失活，从而抑制水解酸败反应。因此，米糠的酸败变质反应还会受到水分活度、微生物污染以及原花青素、类黄酮等酚类物质的影响。酶在米糠酸败过程中起决定性作用，引起米糠酸败的酶主要是脂肪水解酶（脂解酶）和LOX。脂解酶是具有多功能特性的水解酶，能催化酯类水解生成复杂的化合物。米糠中的脂解酶包括酯酶和LA。Chuang等首次分离和表达了米糠中的酯酶OsEST-b基因，其最适温度为60 ℃，在80 ℃条件下活性降低至原来的30%，在90 ℃高温条件下则完全失活；其最适pH值为9，在pH 8～10的范围内表现出高活性。米糠中酯酶的活性越高，其水解酸败的速度就越快。米糠中LA种类众多，大多数具有共有基序G-X-S-X-G（其中X是任意氨基酸）。LA水解储存在米糠中的甘油三酯，生成甘二酯、单甘酯和甘油，产生的非酯化脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪酸，在LOX的作用下易于氧化。米糠中的耐热LA最适pH值为11，在90 ℃条件下仍能保留80%的酶活性；将米糠在110 ℃条件下处理6 min，其LA活性可降至20%。酯酶和LA的分子结构和催化机制非常相似，但LA需要脂质-水界面发挥其催化活性，而酯酶不需要。另一个区别是底物特异性：酯酶作用于碳数少于10的短链脂肪酸的酯键，而LA水解碳数超过10的长链脂肪酸中的酯键。除酯酶和LA外，米糠中还存在着4 种磷脂酶，分别为磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶C和磷脂酶D。磷脂酶D会参与脂质水解酸败过程，它能破坏甘油三酯的保护层，使甘油三酯与脂解酶接触，进而发生水解反应。LOX是一种非血红素和单体双加氧酶，它主导着米糠的氧化酸败，可催化含有顺式、顺式-1,4-戊二烯结构的多不饱和脂肪酸，并生成共轭不饱和脂肪酸氢过氧化物（主要是9-和13-氢过氧化物）。LOX的活性位点中含有铁，当LOX为氧化态（Fe3+）时，氧化反应才能进行，它特异性去除亚油酸（C18:2）或亚麻酸（C18:3）C11亚甲基的氢，形成C13自由基，LOX还原为Fe2+形式。氧的加入发生在C13或C9位置，分别生成13-氢过氧化物和9-氢过氧化物。在厌氧或需氧条件下，脂氢过氧化物被过氧化物裂解酶催化分解成醛和醛酸；被异构酶催化产生环氧羟基脂肪酸，接着水解为三羟基脂肪酸，这些小分子挥发性化合物给米糠带来陈腐酸败味。米糠中的LOX最适温度和pH值分别为25 ℃和8.5，在100 ℃条件下处理10 min仍能保留25%左右的活性。通过钝化米糠中LA和LOX，可以有效抑制储藏过程中FFA含量和过氧化值的增加，延长米糠的货架期。脂解酶催化米糠中的水解酸败，其中，LA的种类比酯酶多，大部分LA比酯酶更耐热，且LOX的耐热性也比LA差。此外，由于FFA含量能较好地反映米糠的新鲜度和品质，LA残留活性通常被用来衡量米糠灭酶稳定处理的效果。因此目前大量研究集中在LA的钝化效果对于米糠FFA增长的影响，缺少LOX残留活性在储藏期间对米糠氧化酸败影响的系统研究。![]()
米糠的水分活度与其酸败速度息息相关，水分子既是水解酸败的反应物也是溶剂。食品中的酶活性与水分活度通常呈正相关，当稳定化后的米糠在储藏期间吸收水分后，其LA活性会有所增加。通常，水分活度越高，LA活性越强，酸败速率越快；水分活度越低，米糠中的劣变反应越慢。但水分活度过低反而不利于米糠的储藏，因为当食品水分活度低于其对应于单层水的水分活度时，水分子在脂质表面的保护层消失，氧分子和脂质的直接接触导致氧化率增加。新鲜米糠的水分活度为0.6～0.7，Ling Bo等通过热风辅助射频加热对米糠进行稳定化处理，发现米糠储藏的最适水分活度为0.2～0.4，在此范围内，米糠FFA含量和过氧化值上升速度缓慢；水分活度高于0.4的米糠FFA含量上涨较快，低于0.2则过氧化值增长较为迅速。除了酶的作用外，微生物也是导致米糠酸败的重要因素。米糠中含有丰富的油脂和蛋白质，在高湿高热的条件下是微生物的理想培养基。霉菌是稻谷生长、储存和加工过程中的主要微生物，其代谢生成的霉菌毒素会损伤人的肝、肾脏等重要器官。同时霉菌也是LA的极好来源，其产生的高活性脂质水解酶会与米糠中的酶类一起作用，加速米糠的酸败。除霉菌外，Yu Chengwei等从米糠中分离出5 种具有脂质水解能力的芽孢杆菌，将其接种到样品中研究芽孢杆菌对米糠酸败的影响，结果表明LA不是造成米糠酸败的唯一原因，具有脂质水解能力的菌株也会加速米糠的酸败，其作用约占脂质水解的25%。目前绝大部分的研究重点仍集中在酶对米糠酸败的影响上，对微生物污染引起酸败的研究还不够重视。单宁、花青素和黄酮醇等酚类物质能降低胰脂肪酶的活性，对米糠的研究中也有类似的报道。Zhang Ying等对几种具有不同色外皮和LOX同工酶活性的米糠进行了加速老化实验，发现4 种红色米糠的酸败程度低于棕色米糠，推测与米糠中的原花青素等酚类物质有关。由于酚类物质含量高，紫色和红色米糠更不易水解酸败，但大多数酚类物质抑制米糠酸败的机理尚不明确。根据米糠的酸败机制可知，酶和水分活度是酸败的主要影响因素。因此，米糠的稳定化处理主要通过钝化LA活性和降低水分活度，从而削弱水解酸败反应，抑制FFA增长，延长米糠的货架期。目前常见稳定化方法可概括为物理法、生物法和化学法。干热法通常使用热空气加热，主要利用高温使酶失活，同时热空气可降低米糠的水分含量，从而更利于米糠稳定。米糠在120 ℃条件下干热处理10～20 min，不仅能有效抑制酸败反应，还能改善米糠蛋白的乳化性、持油性、持水性等功能特性，然而，热处理会对米糠蛋白的起泡性和溶解性造成破坏，且造成蛋白提取率有所降低。此外，研究表明，120 ℃条件下干热处理30 min对米糠油中的γ-谷维素含量无显著影响，但干热处理使米糠中的VE含量和总酚含量显著降低。干热稳定的米糠水分含量和水分活度较低，但由于其加热模式为由外向内，加热不均匀，对LA钝化效率较低。米糠在105 ℃条件下用干热法处理90 min，其LA残留酶活力仍为69%；在150 ℃条件下处理40 min，LA残留酶活力为40%，且热风加热能耗高，经济性较差。湿热法稳定米糠主要通过向米糠中加入热蒸汽，提高米糠的温度，使LA失活，从而稳定米糠。Pradeep等的研究表明蒸汽稳定的米糠中谷维素、生育三烯醇和生育酚含量有所增加，这可能是蒸汽的作用使得这些化合物从结合状态转变为游离态，提高了这些化合物的水平，但导致了总多酚含量的降低。蒸汽处理能有效抑制FFA的生成，与未稳定的米糠相比，蒸汽加热的米糠提油率有所提高，储藏50 d后，其提油率仅减少了3%。与干式加热法相比，湿法加热的主要优点是加热均匀、加热时间短、灭酶效率高。米糠用100 ℃的蒸汽处理20 min，其LA活力可降至55%；处理60 min，LA活力可降至36%。除了普通蒸汽外，过热蒸汽也被用于米糠的稳定化处理。过热蒸汽是一种高于饱和温度或沸点温度的水蒸气，与普通蒸汽和热风稳定相比，它具有更高的焓，因此稳定化效果更好。物料中的水分蒸发到过热蒸汽中不存在扩散阻力，因此干燥速率比热风快。此外，由于样品处于无氧环境，其氧化损失可以显著降低。罗舜菁等使用120～160 ℃的过热蒸汽稳定米糠，发现130 ℃处理4 min的米糠LA活性可降至新鲜样品的20%，且米糠的总酚含量显著提高，α-生育酚和γ-谷维素含量无显著下降，储藏稳定性增强。但湿热法稳定的米糠水分含量和水分活度较高，且高温的过热蒸汽遇到水分含量较高或温度较低的物料时，会在物料表面冷凝，不利于米糠后续的储藏加工，需要进一步干燥，因此能耗较高。近年来，微波加热在米糠稳定化方面受到越来越多的关注，其原理是基于微波的热效应，以微波超高频电磁波作用于极性分子使其发生剧烈转动摩擦产生热能，使米糠温度快速上升，米糠中的酶受热变性失活。与新鲜米糠相比，微波稳定化处理对米糠中的粗脂肪、粗蛋白质、总酚、VE、γ-谷维素和总植物甾醇等破坏较小，且有些植物化学物质含量得到增加，尤其是反式对香豆酸和山柰酚，但会降低总黄酮和粗纤维含量。微波稳定化处理能够提高米糠的提油率，可能是油和细胞基质间联系的化学键特别是共价键被破坏，使油的提取率升高。米糠经过4 min微波（700 W）处理，LA活力可降至46%；处理时间延长到6 min，LA活力可降至33%。微波功率、加热时间、样品介电特性等因素都会影响微波加热的效果，此外，初始水分含量是米糠微波加热稳定的重要因素，适当提高初始水分含量有助于米糠有效吸收微波能量，加快酶失活速率，减少加热焦化和营养成分损失，增强加热稳定效果。但是米糠加水后容易结块，造成操作难度增加，并将影响水分分布和受热的均匀性。过多水分亦会导致微波能量不足以活化全部水分而使热效应降低、抑酶效果下降，且在储藏过程中高水分的米糠更易酸败。杨晓清等研究了水分调节对微波稳定米糠的增益效果，发现初始含水量为19%～23%的米糠稳定化效果好，最佳钝酶工艺条件为米糠含水率23%、微波功率800 W、加热时间105 s，该优化条件下米糠LA残余活力为20%。除酶灭活外，微波加热还具有一定的杀菌和灭虫作用，对米糠的营养品质和功能特性影响不大。虽然微波加热不需与物料直接接触，加热速度快，但由于微波波长较短，其穿透深度浅，容易造成加热不均匀，不利于工业化大批量连续生产。欧姆加热原理是当交流电流通过食品物料时，会由于物料的电阻而产生热量。在此过程中，米糠充当电阻，并通过交流电在内部立即产生热能，导致LA失活。欧姆加热中电场的存在可以通过改变分子间距和增加链间反应影响生化反应；同时，电场可以去除LA和LOX结构中存在的金属辅基，从而导致酶活性丧失。欧姆加热产生的热量与所施加的电压梯度和食品电导率引起的电流直接相关，米糠的电导率随温度和含水量的增加而显著增加。因此，适当增加电场强度和样品含水率能增加欧姆加热钝酶的效率，且能较好地保留米糠中酚类化合物、α-生育酚和γ-谷维素等生理活性物质。但基于欧姆加热对样品导电性的要求，在食品工业中主要用于加热液体，对固体加热需要良好的接触面，且加热后米糠水分较高，仍需后续干燥。红外辐射是以电磁波辐射的方法产生能量，它不仅可以有效灭活米糠中的LA，同时还可以实现部分干燥效果，且对米糠品质影响相对较小。用红外辐射加热或干燥物料时，辐射穿透暴露的物料，辐射能量转化为热量。尽管穿透能力较弱，但可提供更均匀的加热效果，并在加热和干燥过程中降低水分梯度。红外辐射不会加热空气介质，温度不受周围空气湿球温度的限制，这可以使米糠在短时间内快速加热到更高温度。红外加热温度、时间和料层厚度都会对钝酶效果产生影响。红外辐射加热可有效抑制米糠水解酸败，且米糠的粗脂肪、蛋白质、灰分、膳食纤维、核黄素、烟酸和VB6含量不受红外稳定化处理的影响。此外，红外辐射处理可辅助提高米糠多糖提取效率。Yilmaz等发现在500～700 W的红外功率下，米糠中的脂肪酸组成和γ-谷维素无显著变化，但与新鲜米糠相比，生育酚含量显著下降，最高可达50%。利用红外辐射将米糠加热至80 ℃并维持60 min，米糠LA和脂肪氧化酶相对活性分别降至43%和38%；加热至140 ℃维持15 min，LA相对活性降低为35%。近红外稳定化米糠的毛油中生育酚和谷维素保留率分别可达97.8%和97.6%，色泽以及脂肪酸组成无显著变化。由于红外波长比微波短，其穿透深度较浅，只适用于表面或薄层加热，处理量小，工业化大规模应用受到一定限制。射频加热利用频率在1～300 MHz之间的电磁波加热介电材料，电极板之间的交变电场使样品中离子高速振荡迁移和水分子快速旋转，物料内部的分子运动引起摩擦，从而产生热量。与传统加热方法相比，射频加热具有快速和整体加热的特点，且与微波相比，射频技术具有更强的穿透能力、较高的能量转化效率、更好的电磁场分布均匀性、更简单的设备结构和更低的设备价格。近十多年来，射频技术已被广泛用于各类农副产品和食品加工环节，包括干燥、杀菌、解冻、杀虫、漂烫以及钝酶稳定化处理等。现有研究已证实射频技术在米糠钝酶稳定化方面具有巨大应用潜力，目前相关研究已进入中试阶段，应用前景良好。射频的功率、频率、电极板间距、样品介电特性以及尺寸形状等是影响射频加热的主要因素。Ling Bo等用射频系统（6 kW、27.12 MHz）加热米糠（200 g），在电极板间距为10 cm、温度为100 ℃且在热空气中保持15 min的条件下，米糠中的平均残余LA和LOX活性分别降至其原始值的19.2%和5.5%。即使在35 ℃条件下储存60 d后，米糠油提取样品的FFA含量和过氧化值仍在可接受范围以内。当处理温度高于100 ℃时，米糠分离蛋白的发泡性能和溶解度降低，而吸收和乳化性能提高；米糠分离蛋白的一级结构未观察到显著变化，但二级结构随无规卷曲含量的增加和α-螺旋与β-折叠含量的减少而改变，三级结构也发生了变化。然而，在射频电极板间距10.5 cm、射频温度92 ℃、射频时间5.3 min的条件下，米糠蛋白含量变化不显著，且持水性有所提升。此外，这两种射频条件稳定的米糠可以在常温储藏下存放3 个月左右，可为后续增值加工利用提供保障。与欧姆加热不同，射频加热不需要与产品直接接触；与微波或红外辐射加热相比，射频加热也具有更大的穿透深度，同时与微波加热相比具有更简单和更均匀的场模式，更适合于大规模开放式连续生产。此外，经热风辅助射频稳定化处理后米糠的水分含量降低，微生物安全性更好，更有利于米糠储运。挤压是米糠稳定化处理中常用的方法，挤压过程中产生的高温、高压和高剪切力可使米糠中的LA、LOX和过氧化物酶等酶失活，从而使米糠可以稳定储藏。与干热处理相比，挤压稳定米糠的功能特性，如吸水性和起泡性得到了改善。与新鲜米糠相比，挤压稳定米糠中的植酸、蛋白质和VE水平显著降低，而脂质、VB2、VB3、VB5和叶酸水平无显著变化，可溶性膳食纤维含量增加，淀粉更利于人体吸收利用，有利于改善米糠的营养特性。然而，挤压需要严格控制操作条件以保持米糠的营养价值。一般来说，温和的挤压条件，如较高的水分含量、较短的停留时间和较低的温度，对于保持米糠的营养特性（如氨基酸、蛋白质和维生素的更大程度保留、淀粉消化率的提高、可溶性膳食纤维的增加和脂质氧化的减少）至关重要。在120 ℃条件下用500 r/min的转速稳定化处理米糠，其LA残留活力可降低至32%；在90 ℃条件下用300 r/min的转速处理即可使米糠LOX活力降至1%以下。挤压的优势在于加工时间短、工艺成熟、产品形状可塑以及良好的产品稳定性，此外，挤压处理由于对米糠结构破坏较大且易于结块，对后续米糠油的提取较为有利。但挤压会对米糠蛋白结构、纤维及细胞壁等产生破坏作用，挤压过程还会造成米糠毛油色泽加深，色素在脱色过程难以去除。米糠可以在低温下储藏，以抑制LA的活性，达到稳定状态。早在1949年，Loeb等将米糠样品置于3、25 ℃和31 ℃的温度环境下，发现在3 ℃环境下储藏的米糠FFA含量上升最少。Amarasinghe等使用冷冻稳定米糠，发现米糠中LA的活性得到了很好抑制，50 d后提油率仅减少了6%，这表明低温或冷冻储藏可以有效控制LA活性。然而，低温只能抑制LA活性，不能使其完全失活，-18 ℃储藏72 h的米糠LA活性仍为原来的97%，一旦恢复室温，水解酸败仍会快速进行。低温储藏仅适用于小规模储存，且由于维持低温需要较高能耗，在大规模工业化生产中推广应用较为困难。生物方法稳定米糠也被称为酶处理稳定，主要利用蛋白酶分解LA。蛋白酶催化反应可以实现LA的不可逆失活。该方法的优点包括可在温和的反应条件下选择靶向酶作用，可保留米糠营养物质，且操作简单。Laokuldilok等研究了不同蛋白水解酶对米糠的稳定作用，发现胰蛋白酶、糜蛋白酶和木瓜蛋白酶的水解率高于菠萝蛋白酶和风味酶。水解120 min后，胰蛋白酶、糜蛋白酶和木瓜蛋白酶处理的米糠分别灭活了80%、86%和79%的LA活性，并且酶处理的米糠总酚含量分别比新鲜米糠和热处理米糠高52.9%和94.1%。此外，酶处理米糠中的γ-谷维素含量分别是新鲜米糠和热处理米糠的2.2 倍和2.1 倍。米糠的化学稳定法主要通过使用盐酸、乙酸和焦亚硫酸钠等化学试剂来改变米糠的酸碱度，从而抑制LA活性，米糠中LA活性的最适pH值为7.5～8.0。Prabhakar等开发了一种稳定米糠的简单方法，通过使用40 L/t米糠浓度的盐酸将米糠的pH值降至4.0，经过酸稳定的米糠不易被真菌等微生物感染，并且有助于提取米糠油。在米糠中添加2%的Na2S2O5也可显著提高米糠的储藏稳定性，但添加化学物质后的米糠在食品中的应用将受到极大限制。其他化学试剂，如乙酸和丙酸的混合物，也被用于评估其在储藏期间对米糠的影响。Gopinger等用2%的乙酸和丙酸混合物稳定米糠，经过120 d储藏后，米糠酸价较低、初级和次级脂质氧化产物较少，且保留了黄色。然而，化学物质的使用可能会污染米糠油，化学稳定处理方法对动物饲料用途的米糠更适用。米糠的稳定化方法以及这些方法对米糠营养物质的影响汇总如表2所示。![]()
米糠具有极高的营养价值和生物活性功能，对人体健康大有益处。然而，新鲜米糠极易酸败变质，货架期短，极大程度上限制了米糠的精深加工和增值利用。米糠酸败的主要诱因是LA引起的水解酸败和LOX导致的氧化酸败。此外，微生物、酚类物质以及水分活度也对酸败有着一定的影响。米糠稳定化处理是其后续加工利用的关键前提。由于水解酸败生成的FFA含量是衡量米糠品质的关键指标，大部分的稳定方法都集中在研究LA活性的钝化与FFA含量增长的关系上，缺少酯酶、LOX、水分活度等因素对米糠储藏期间酸败的影响的研究。在常见的钝酶稳定化方法中，热空气加热钝酶效率低，经济性较差；湿热法灭酶效果较好，易于连续加工，对营养成分破坏较小，但需进行后续干燥，且处理时间较长。欧姆加热更适用于液体加热，需要与样品有良好的直接接触，也需要后续干燥。红外辐射和微波加热虽然钝酶效果良好，但穿透能力较弱，处理能力受到一定限制；射频加热有具有快速整体加热的特点，且有更强的穿透能力，电极板间电磁帮分布更为均匀，米糠无需进行预处理即可进入射频加热系统进行加热，通过合适的传输系统能实现连续和大规模加工，目前已经在米糠稳定化方面显示出巨大的应用潜力，相关研究也已进入中试化阶段。低温储藏的成本效益较差，且LA并未灭活，取出冷库后酸败加速，冷库投资成本大、能耗高，难以扩大规模。木瓜蛋白酶抑制LA活性效果好，但实际生产中常因酶的高昂价格、温度和pH值的限制影响其进一步大规模推广。添加化学物质以实现稳定可能会污染米糠和米糠油，这可能会影响其后续的米糠油精炼和其他增值利用。目前工业上已有采用挤压的方法稳定米糠，但是该方法处理量不大，且高温高压高剪切力的作用对米糠中的营养成分如米糠蛋白破坏较大，挤压稳定处理后只能进一步用于提取米糠油。因此，亟需开发一种新型米糠工业化稳定技术，既能实现高效钝酶延长米糠货架期，又能很好地保留米糠的营养品质，这样才更有利于开发食品级的米糠原料，提高米糠的综合利用率及附加值。
本文《米糠酸败机制及其稳定化研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷13期335-344页. 作者：陈晨，敬璞，王绣珊，焦顺山. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230621-171. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
