玉米燃料乙醇副產(chǎn)物酒糟及酒糟液高值化利用的研究現(xiàn)狀

王繼艷，張顯友，薄長凱，寧艷春，屈海峰，張 鈞，岳 軍，徐友海

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132021；3.中國石油吉林石化公司 倉儲中心，吉林 吉林 132021)

玉米是世界三大糧食作物之一，又是重要的飼料，由于其單產(chǎn)量高，增產(chǎn)潛力大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。我國是全球第二大玉米生產(chǎn)國和消費(fèi)國，隨著玉米酒精工業(yè)的發(fā)展，將會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物玉米酒糟和酒糟液，但其易變質(zhì)，不易長期儲存，如果未能有效處理，不僅污染環(huán)境，還會造成資源的極大浪費(fèi)。目前，玉米酒糟大多用于直接生產(chǎn)動物飼料，酒糟上清液回配或濃縮后外賣，上述幾種方式的利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都較低，此外，玉米酒糟用作飼料還存在營養(yǎng)成分不穩(wěn)定、難以長久貯存等諸多不利因素，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。玉米酒糟液酸度高、粘度大，COD值可達(dá)30 000～50 000 mg/L，BOD為20 000～30 000 mg/L，組成成分雖然復(fù)雜，但不含有重金屬元素及有毒物質(zhì)，若按廢棄物直接排放不僅會給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，還會造成資源的極大浪費(fèi)。因此，玉米酒糟及酒糟液的高值化利用是迫切需要解決的問題，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

玉米酒糟和酒糟液中富含多種營養(yǎng)物質(zhì)及高附加值的產(chǎn)品，如蛋白質(zhì)、黃色素(Corn Color)、甘油、氨基酸和多種維生素、發(fā)酵殘余的碳水化合物等，且來源廣泛、價(jià)格低廉，是一種可供開發(fā)利用的理想原料，除用于生產(chǎn)全飼料(DDGS)、生產(chǎn)沼氣、培養(yǎng)食用菌外，還可以發(fā)酵產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(Single Cell Protein，簡稱SCP)，通過高效的分離手段提取黃色素、醇溶蛋白(Zein)等高附加值的產(chǎn)品。

1 發(fā)酵產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

單細(xì)胞蛋白也稱微生物蛋白，是指酵母菌、真菌、霉菌、非致病性細(xì)菌等單細(xì)胞微生物體內(nèi)所產(chǎn)生的菌體蛋白質(zhì)，是通過發(fā)酵方法利用工農(nóng)業(yè)廢料及石油廢料人工培養(yǎng)得到的微生物菌體。單細(xì)胞蛋白中蛋白質(zhì)含量較高，一般為菌體干重的40%～80%，還含有脂肪、碳水化合物、核酸、維生素和無機(jī)鹽，以及動物所必需的各種氨基酸，特別是植物飼料中缺乏的賴氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量較高，其營養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于魚粉和大豆粉。能用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的原料十分豐富，且價(jià)格低廉，包括工業(yè)廢液、工(農(nóng))業(yè)加工下腳料、農(nóng)林牧漁業(yè)資源、自養(yǎng)微生物及石油類資源等。在單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中選擇合適的菌種至關(guān)重要，該菌種為無毒且非致病菌，應(yīng)具備生長繁殖迅速、對培養(yǎng)條件要求簡單、菌體易于收集等特性。目前生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物有四大類，即非致病和非產(chǎn)毒的細(xì)菌、酵母、藻類和真菌，其中前三類微生物的蛋白質(zhì)含量較高，適于作蛋白飼料。發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白具有原料成本低、生產(chǎn)周期短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

我國主要是利用工農(nóng)業(yè)中的可再生資源生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，如利用造紙廠、酒精廠、味精廠、淀粉廠等的廢水、廢渣，通過篩選優(yōu)良的菌種及發(fā)酵、分離、干燥等工序得到單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品[1]。目前，采用廉價(jià)的原料或廢料生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白已成為研究熱點(diǎn)，但以玉米燃料乙醇副產(chǎn)物(酒糟、酒糟液)為原料發(fā)酵產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的研究相對匱乏，其研究重點(diǎn)在菌種的選育、發(fā)酵培養(yǎng)基組成及培養(yǎng)條件的優(yōu)化等方面。丁重陽等[2]采用單一菌種熱帶假絲酵母以玉米濃醪發(fā)酵的酒糟培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，經(jīng)過優(yōu)化后的發(fā)酵條件為：酒糟中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2‰ CaCl2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0‰ KH2PO4，起始pH為4.5，裝液量為30 mL/500 mL三角瓶；發(fā)酵26 h，獲得的最高菌濃度為11.3億個(gè)/mL；發(fā)酵過程中酵母基本消耗完酒糟中的糖，同時(shí)還消耗了酒糟中的有機(jī)酸。發(fā)酵得到的單細(xì)胞蛋白樣品中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.47%，粗蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)48%，真蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%，取得了較好的效果。中國紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院李兆春[3]等利用經(jīng)選育的菌種以酒糟液為原料發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，發(fā)酵液經(jīng)固液分離后，濾渣干燥成為優(yōu)質(zhì)蛋白飼料，濾液的上清液回用，得到的蛋白飼料粗蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%，酒糟液COD去除率大于65%，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)的目的。采用復(fù)合菌種發(fā)酵可充分利用不同菌種間的協(xié)同作用，進(jìn)而提高底物的利用率。劉廷志等[4]以玉米酒糟為原料多菌種混合發(fā)酵產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，確立了菌種最佳配比，以尿素為最適添加氮源，并確立了固體發(fā)酵中最適接種量和最適水分含量。發(fā)酵后的酒糟蛋白飼料含有多種活性因子，具有較高的生物活性，干基蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)較原料提高約5%，可代替部分麩皮和餅粕飼喂牛、豬、雞等畜禽，大幅降低飼養(yǎng)成本。多菌種組合協(xié)同發(fā)酵可充分發(fā)揮各菌種的特性，增強(qiáng)對纖維素的降解能力，充分將氮源轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，提高真蛋白含量。侯文華等[5]以白酒糟為原料及選育的8503和8505復(fù)合菌種為實(shí)驗(yàn)菌，經(jīng)最適條件實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)條件為：培養(yǎng)溫度30 ℃，初始pH為5.5，(NH4)2SO4添加量為5 mg/mL，投料量10%(體積分?jǐn)?shù))，接種量5%～10%(體積分?jǐn)?shù))，在最適條件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了5 L發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)由24%提高到36%，提高了11%，其中真蛋白質(zhì)提高10%～34%，粗纖維降低了2%，氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)總量由25%提高到41%，提高了15%。中國環(huán)境科學(xué)研究院采用選育的混合菌種培養(yǎng)處理玉米酒糟液生產(chǎn)生物蛋白飼料，經(jīng)約40 h培養(yǎng)后糟液BOD和COD大大降低，蛋白質(zhì)干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%提高到42%。利用玉米酒糟或酒糟液發(fā)酵產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，與通常的DDGS產(chǎn)品相比，其粗蛋白含量明顯提高，同時(shí)氨基酸、蛋氨酸和賴氨酸的含量相對較高，是很好的生物高蛋白飼料[6]。

2 提取分離高附加值產(chǎn)品

玉米酒糟中含有黃色素、醇溶蛋白等高價(jià)值成分，可以通過分離手段提取其中的黃色素和醇溶蛋白也是其綜合利用的一種有效方式。

2.1 分離提取黃色素

玉米黃色素是一種利用價(jià)值較高的天然食用色素，具有很多生理功能，例如抗氧化、清除自由基、抗癌、減少心血管疾病發(fā)病率和視覺保護(hù)等，尤其是在預(yù)防老年性白內(nèi)障和老年黃斑變性方面的作用[7]，其研究備受關(guān)注。

由于提取玉米黃色素具有很高的價(jià)值，其提取技術(shù)得到了大量研究，并不斷完善。因?yàn)橛衩S色素是油溶性色素，一般利用油脂性溶劑進(jìn)行萃取或抽提，并經(jīng)過蒸發(fā)和濃縮而獲得黃色素產(chǎn)品[8]。目前，我國對玉米黃色素的研究僅停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，已經(jīng)研究出來的各種提取方法還不盡完善，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著研究的不斷延伸，溶劑萃取法已經(jīng)發(fā)展出了很多不同的方法，主要有一級萃取法、多級萃取法、索氏提取器法和CO2超臨界萃取法，上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 不同溶劑萃取法的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著微波、超聲波技術(shù)及膜技術(shù)的發(fā)展，其作為輔助手段在溶劑法提取黃色素工藝中的應(yīng)用也越來越多，這些方法可有效提高黃色素的提取率。趙華等[9]采用溶劑萃取法提取玉米麩皮中的黃色素，通過對提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳提取工藝條件為：料液比1∶15(g/mL)，溫度57 ℃，提取時(shí)間2.6 h，玉米黃色素的收率為131.3 μg/g，提取率84%。與傳統(tǒng)的萃取方法相比，超聲波輔助萃取可有效提高萃取率、縮短提取時(shí)間。李萬林等[10]利用超聲波技術(shù)以玉米皮為原料、乙醇為提取劑提取玉米黃色素，通過優(yōu)化得到了最佳工藝條件：乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶15(g/mL)，溫度50 ℃，超聲時(shí)間30 min，最終黃色素的提取率為6.274%。超臨界CO2萃取工藝的優(yōu)點(diǎn)是提取效率高、得率高且不使用或極少使用有機(jī)溶劑，缺點(diǎn)是設(shè)備成本高、應(yīng)用范圍窄。逯家富等[11]采用超臨界 CO2流體萃取法提取玉米黃粉中的玉米黃色素，通過響應(yīng)面分析，確定了最佳提取工藝參數(shù)，溫度42 ℃，萃取壓力30 MPa，CO2流量27 L/h，萃取時(shí)間180 min，最終玉米黃色素的收率為184 μg/g。采用微波協(xié)同酶法提取黃色素，其提取效果要優(yōu)于單獨(dú)酶解輔助和有機(jī)溶劑萃取法。陳紅等[12]采用微波協(xié)同酶法提取玉米皮中的玉米黃色素，并對其工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)，確定了最佳提取工藝條件為：微波功率400 W、微波輻射時(shí)間 50 s、料液比1∶8(g/mL)、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%、酶解溫度50 ℃、酶解時(shí)間90 min、酶解體系pH為5.5。

胡曉溪[13]根據(jù)玉米酒糟的組成特性，探索了其高值化利用的技術(shù)路線。先以超聲輔助法從玉米酒糟中提取玉米黃色素，在液料比為10.3∶1(mL/g)、提取溫度為51.7 ℃、超聲時(shí)間為41 min和100 W 超聲功率的條件下玉米黃色素的提取效果最佳，收率為106.8 μg/g。然后利用Alcalase蛋白酶對酒糟蛋白進(jìn)行水解，制備具有醒酒活性的玉米活性肽并加以分離純化，最佳條件為：底物濃度60 g/L，加酶量2 400 U/g原料、溫度55 ℃，pH值為9，水解160 min，水解度達(dá)到最大值33.37%，肽提取率可達(dá)52.46%，玉米肽得率為18.25%；同時(shí)利用大孔吸附樹脂AB-8對玉米肽液進(jìn)行脫色處理，脫色率為61.43%、氮回收率82.73%，水解得到的玉米肽具有較強(qiáng)的醒酒活性。最后剩余的水解殘?jiān)?jīng)堿水解、分離、洗滌、烘干等工藝制得玉米膳食纖維，在氫氧化鈉濃度為0.2 mol/L，液料比為10∶1(mL/g)，反應(yīng)時(shí)間為80 min，反應(yīng)溫度為70 ℃的堿水解條件下，水解最徹底，所得到的膳食纖維蛋白含量最低，膳食纖維得率和干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.64%和85.42%；所得膳食纖維用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2O2脫色處理1 h，產(chǎn)品可達(dá)到較理想的淺黃色。膳食纖維的膨脹性為4.96 mL/g，持水性為5.31 g/g，持油性為2.83 g/g。

姜福佳[14]研究了用醇堿法、堿法及酸法提取酒糟中蛋白質(zhì)的工藝條件，以及采用超聲波法提取酒糟中玉米黃色素的生產(chǎn)工藝，最佳工藝條件為：提取時(shí)間69.85 min，超聲功率744.00 W，固液比1∶4.50(g/mL)。在此條件下，實(shí)際收率132.00 μg/g，與模型理論預(yù)測值137.00 μg/g 的相對誤差為3.80%。

2.2 分離提取醇溶蛋白

根據(jù)玉米蛋白質(zhì)的溶解性不同，可分為四種主要組分：白蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白，其中玉米醇溶蛋白的含量最高，占玉米蛋白中的60%以上。玉米醇溶蛋白具有獨(dú)特的成膜特性及較強(qiáng)的保油性、保水性、耐熱性、抗氧化性，有覆膜形成性、黏結(jié)性、凝膠化性等外觀特征，可用于防潮隔氧、抗紫外線、保鮮等，還有一定的抑菌作用，可作為多功能食品材料與添加劑，在生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛[15]。玉米酒糟中的醇溶蛋白為疏水性蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)以 α螺旋為主，空間結(jié)構(gòu)較致密，呈紡錘狀[16]。

目前提取玉米醇溶蛋白的原料主要為玉米蛋白粉及玉米麩，而關(guān)于玉米酒糟及酒糟液中提取醇溶蛋白的研究較少。醇溶蛋白的提取工藝主要因原材料、萃取溶劑、純化方法、溶劑回收方法的不同而存在差異，大多數(shù)處理方法單一，提取條件復(fù)雜，設(shè)備投資較大，產(chǎn)量不高，得到的產(chǎn)物純度低。

李夢琴等[17]從玉米黃粉濃縮蛋白中超聲醇提玉米醇溶蛋白，通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面法，優(yōu)化得到的最佳工藝條件為：溫度50 ℃、時(shí)間70 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、pH為12、料液比1∶8(g/mL)。該條件下玉米醇溶蛋白提取率為45%，干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%。王宇曉等[18]對玉米醇溶蛋白高活性的提取工藝進(jìn)行研究，優(yōu)化后的提取條件為：提取時(shí)間50 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%、溫度38 ℃，在此提取條件下，醇溶蛋白的提取率為73%。任婷婷等[19]研究了玉米醇溶蛋白的提取及功能特性，通過正交實(shí)驗(yàn)確定了最優(yōu)提取條件：乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、超聲波處理時(shí)間120 min、料液比1∶12(g/mL)、pH為11，玉米醇溶蛋白的提取率為 87%。王緲等[20]利用響應(yīng)面分析法對超聲波法提取玉米蛋白粉中玉米黃色素和玉米醇溶蛋白的工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到玉米黃色素最佳超聲提取工藝為：時(shí)間39 min、溫度61 ℃、料液比1∶11(g/mL)；玉米醇溶蛋白的最佳超聲提取工藝為溫度55 ℃、功率455 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)81%，在以上條件下，玉米黃色素與醇溶蛋白的提取率達(dá)到最高，分別為215.9 μg/g和94%。辛忠[21]采用半連續(xù)法提取玉米副產(chǎn)DDGS 中高附加值產(chǎn)品，使用正己烷、質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%～95%乙醇、無水乙醇提取DDGS中的油脂、醇溶蛋白、玉米黃色素。該半連續(xù)化的提取方法，相比于間歇提取，大大減少了提取溶劑的用量，增加了提取液的濃度，同時(shí)大幅度提高了原料的處理量，是一種適用于大批量工業(yè)化提取的有效方法。

3 其它利用方式

對玉米酒糟及酒糟液高值化利用的研究除了上述幾種方式以外，還有以下多種利用途徑。(1)將酒糟液代替部分原料生產(chǎn)糖化酶，在產(chǎn)酶量相同的前提下，可大幅減少原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本[22]；(2)酒糟液還可以作為底物培養(yǎng)微生物殺蟲劑蘇云金芽孢桿菌，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[23]；(3)以酒糟為原料生產(chǎn)甘油是甘油來源的一條重要途徑，但并沒有進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，主要是由于所得甘油的品質(zhì)和純度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，不具有市場競爭力[24]；(4)利用價(jià)格低廉的酒糟為原料發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇可大大降低生產(chǎn)成本，有效提高酒糟資源的利用率，是酒糟利用的新途徑[25]。

4 結(jié)束語

目前，酒糟多用于動物飼料的配制，利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值均較低，因此，對玉米酒糟及酒糟液進(jìn)行綜合利用開發(fā)，創(chuàng)造出具有更多經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品，是促進(jìn)玉米燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑。因此，探尋玉米酒糟及酒糟液合理高效的利用途經(jīng)，不但可以提高其附加值，而且可以解決環(huán)境污染問題，是一條節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展之路，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。如何簡化工藝路線、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的產(chǎn)率和純度，成為玉米酒糟及酒糟液高值化利用的關(guān)鍵技術(shù)難題。

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