大米蛋白综合利用研究进展

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　　摘要    大米蛋白过敏性低，营养价值高，且来源广、产量大、成本低、功能性强，拥有巨大的应用前景。本文就大米蛋白的组成、分离提取技术、综合利用以及国内外产业化发展现状等方面进行了概述，并对其市场前景进行了展望。
　　关键词    大米蛋白;提取技术;综合利用
　　中图分类号    TS201.1        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2019）06-0204-02
　　Abstract    Rice protein has huge application prospects，due to its low allergy，high nutritional value，wide source，high yield，low cost and multiple function.In this paper，the composition，extraction method，comprehensive utilization and the industrialization status of rice protein were summarized，and its market prospects were prospected.
　　Key words    rice protein;extraction method;integrated utilization
　　水稻是世界上重要的粮食作物之一，也是人类获得蛋白质的重要来源。我国是世界水稻产量最大的国家。水稻不仅是南方居民的主食，也是馅糖、味精、葡萄糖、酿酒、麦芽糊精等食品工业的重要原料。然而仅利用大米，碎米、米胚、米糠、稻壳等加工副产品中尚有80%左右的优质大米蛋白未能有效开发利用，造成蛋白资源的极大浪费。随着食品科技的进步，大米蛋白的高营养性、低过敏性、多功能性等特点被业界认同，开发大米蛋白已经成为行业内新的研究热点。
　　1    大米蛋白简介
　　按照经典的Osborne分级分离的方法，基于溶解度将大米蛋白分为4类：谷蛋白（glutelin，碱溶性）、醇溶蛋白（pro-lamin，醇溶性）、清蛋白（albumin，水溶性）和球蛋白（globulin，盐溶性）[1]。其中作为生理活性成分的清蛋白和球蛋白含量较低，分别占总量的2%～5%和2%～10%;作为储藏性蛋白的谷蛋白和醇溶蛋白是主要成分，谷蛋白可占储藏蛋白总量的80%，而醇溶蛋白通常为1%～5%，最多可达20%～30%[2]。水稻胚乳中的储藏蛋白都是在内质网膜上起始合成并且转运到内质网腔中。大米醇溶蛋白由复杂的多基因家族编码，每个单倍体基因组含有80～100个拷贝，其分子量范围为12～17 kDa，属于Ⅱ型醇溶蛋白，缺少富含脯氨酸或谷氨酰胺的重复结构域。醇溶蛋白在粗面内质网的腔中组装并沉积形成蛋白聚集体PB-I。每个单倍体基因组编码约15个大米谷蛋白基因，可分为A、B、C、D 4个亚家族。谷蛋白先合成为57 kDa前体，然后剪切成37～39 kDa的酸性亚基和22～23 kDa的碱性亚基，在内质网合成后通过高尔基体或直接来自粗面内质网的囊泡转运至蛋白质储存液泡形成蛋白聚集体PB-II[3]。
　　大米蛋白质与其他谷物相比虽然含量偏低，但其必需氨基酸构成较为完整，是禾谷类粮食中品质最好的蛋白质[4]。在8种人体必需氨基酸中，大米蛋白中的苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、蛋氨酸、缬氨酸等5种氨基酸含量均高于其他谷类，并且组成平衡合理，与WHO推荐理想模式接近[5]。不仅如此，大米蛋白的生物价是77，在各种粮食作物中居第1位，可以与白鱼（生物价76）相媲美，营养价值无可取代[6]。常见来源的植物蛋白如大豆和花生等含有对人體有害的抗营养因子（如胰蛋白酶抑制因子和凝集素等），常见来源的动物蛋白如牛奶和鸡蛋等含有使人体过敏或中毒的β-乳球蛋白、卵类黏蛋白等，限制了其在生产中的开发应用[7]。传统上认为，大米是唯一可以免于过敏实验的低致敏性谷物[8]。近年来，大米蛋白的致敏性得到了进一步的研究发现[9]，但相比之下，大米蛋白具有低抗原活性、高消化吸收率等特性，方便婴幼儿及特殊人群的需要，其优越性无可替代。
　　2    大米蛋白分离提取研究进展
　　提取大米蛋白是为了获取高纯度的大米蛋白产品，一般分为大米浓缩蛋白（RPC，rice protein concentrate）和大米分离蛋白（RPI，rice protein isolate）。传统大米加工的副产品如碎米、米糠、米糟等原料都可以用来制备大米蛋白。大米蛋白提取方法主要有碱法提取、酶法提取、溶剂提取、物理分离法和复合提取法等（表1）。目前，常见的提取方法都存在一些优势和不足。碱法提取的成本较低，已经实现产业化，但营养价值易受到破坏，且过多的碱液使用造成了环境污染;酶法提取的条件相对温和，但成本较高、提取时间长、提取率较低，不利于产业化的实现;复合提取法提高了提取率，但操作较复杂，无法实现工业化;溶剂提取法有较高的回收率，但是溶剂不易去除，容易引起安全问题，导致成本过高;物理分离法是目前较为理想的分离制备方法，但是国内还未掌握和开发相应的成熟提取技术。综上所述，研究一种低成本、高效率、高活性的提取方法是大米蛋白未来研究的新趋势之一[10]。研究表明，利用亚临界水（subcr-itical water）水解法能够有效提取大米蛋白质和氨基酸[11]，其蛋白质得率高于传统碱法水解提取，但也存在成本较高、工艺复杂、无法实现产业化等问题。 　　3    大米蛋白的综合利用
　　3.1    功能肽开发
　　大米蛋白酶解产生的小分子肽种类繁多、功能多样，相比游离氨基酸更容易被人体消化吸收。大米清蛋白的胰蛋白酶水解物中分离纯化的活性肽oryzatensin，具有类阿片样拮抗肽活性，可以用来调节免疫活性[12]。大米蛋白酶解产物具有螯合金属铁离子、清除H2O2、羟自由基、DPPH自由基和抑制亚油酸自然氧化等作用，其抗氧化肽的序列主要为Met-Pro-Pro-Ser-Ser-Pro-His（376.68u）、Leu-Ala-Gly-Pro-Lys-Phe-Ala-Leu（408.75u）和Met-Pro-Arg-His-Asp-Pro-Gln（440.70u）等[13]。大米蛋白活性肽可以通过抑制脂质合成酶的活性、阻碍肠道胆固醇吸收、促进胆固醇转化和排泄、降低血清中LDL的浓度、抑制ACAT2基因的表达和增加CYP7A1基因的表达等机制降低胆固醇水平及调控胆固醇代谢[14]。大米蛋白活性肽还可以通过激活5-羟色胺-N-乙酰基转移酶活性，增强谷胱甘肽合成量，从而改善睡眠障碍[15]。
　　3.2    蛋白质营养补充剂
　　大米蛋白具有低致敏性和高营养性，是特殊人群补充营养的首选植物蛋白。大米蛋白配方米粉可有效改善婴幼儿的敏感性腹泻;小麦不耐症、过敏或有腹腔疾病的人群也更加适合食用无麸质的大米蛋白。饲料级的大米蛋白粉作为目前大米淀粉工业的副产品，来源广、产量大、营养成分丰富，替代饲料原料不仅能够解决原料紧张问题，同时节约饲养成本、提高经济效益，是畜牧业及饲料工业的优良添加剂[16]。大米蛋白酶解产生替代谷氨酸钠的风味肽，一方面可以开发作为人类食品的风味改良剂，另一方面可在动物饲料及食品中有效掩盖苦味、增强饲料的黏度和改善饲料的适口性，提高动物的采食量。大米蛋白粉在水产饲料上替代鱼粉也得到了广泛的研究，可应用于对虾以及團头鲂、黑头鲷、虹鳟等经济鱼类的养殖[17]。
　　3.3    可食用膜
　　大米可食用蛋白膜是一种拥有良好保鲜性、阻气性、阻油性、防潮性的绿色包装膜，符合高质量和安全食品的需求以及适于处理不可再生包装材料的环境问题，是可再生农业的新途径。此外，大米可食用蛋白膜具有很大的潜力，可以携带活性成分，如抗褐变剂、着色剂、香料、营养素、香料和抗菌化合物等，可延长保质期，降低病原体在食品表面生长的风险。通过优化大米蛋白和甘油浓度以及酚类提取物和矿物成分比例，生产出能抗拉和抗水蒸气的可食用膜，可直接用作蔬菜和水果的包装材料[18]。
　　3.4    食品添加剂
　　虽然大米蛋白的溶解性较差，但水解后可随着溶解性增加表现出较好的发泡性、乳化性等，且失水率较低，可以有效地开发利用于食品工业上[19]。经酶水解或改性的大米蛋白在食品中用途广泛，可在焙烤食品及糖果中起发泡作用，在液体或半固体食品（例如肉制品）中起稳定、增稠作用等。大米蛋白经蛋白酶alcalase和flavourzyme水解后，将水解物进行Maillard反应制备肉味香精，可广泛用于方便面、膨化食品、肉产品加工以及调味品中[20]。
　　4    国内外产业化发展现状
　　国外对大米蛋白研究较多并取得了很好的成果。美国大米蛋白的开发趋向使用于日常生活中的常见食品，已形成多个产业品牌，广泛应用于儿童营养粉、烘焙、汤、蛋白质奶昔、饮料等制品。日本近年来更趋向于对大米蛋白的深度开发，例如大米蛋白水解提取的活性肽，具有血管紧张素转化酶抑制成分，可对高血压病起到辅助治疗作用;另外一种活性肽还可通过激活5-羟色胺-N-乙酰基转移酶活性，改善睡眠障碍等。相比之下，国内无论在提取技术研究还是在应用开发深度研究上都与国外存在一定差距。随着大米蛋白多功能性的逐步开发以及各国对大米蛋白的关注，大米蛋白近几年来在谷物类蛋白的研究开发中脱颖而出，成为了行业内的热点。我国对大米蛋白的研发和应用也取得了一定突破。2011年5月，国家发展与改革委员会批准建立了粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，依托科研成果并经技术成果转化，近2年成功地开发了大米蛋白固体饮料等品牌产品。江西和辽宁的2家大米蛋白生产企业分别于2016年和2017年实现了对美国和瑞士等国际市场的开发[21]。
　　5    展望
　　大米蛋白过敏性低，氨基酸组成合理，生物学效价高，具有较高的营养价值。大米蛋白来源广、产量大、成本低，在功能肽开发、蛋白质营养补充剂、可食用膜和食品添加剂等方面拥有巨大的应用前景。开发利用大米蛋白，综合利用大米加工产生的低附加值副产物，将其转化为高附加值产品，既符合我国国情，也是国内大米蛋白市场研发的趋势，更可为我国农业经济提供新的增长点，具有广阔的市场前景。
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