玉米淀粉渣開發(fā)利用及研究進展

張 琪，華惠敏

（銀川能源學院 生物與農(nóng)業(yè)工程系，寧夏 銀川 750105）

玉米淀粉渣是玉米淀粉經(jīng)酸水解或酶解后壓濾所得的殘渣。玉米淀粉渣中含有約2%的葡萄糖、25%的蛋白和28%的脂肪。我國每年產(chǎn)生的玉米淀粉廢渣約在30萬t以上。長期以來，玉米淀粉渣一直作為飼料直接進行飼喂，但由于玉米淀粉在生產(chǎn)過程中要使用亞硫酸水浸泡，長期大量飼喂含有亞硫酸的玉米淀粉渣可使末梢神經(jīng)產(chǎn)生脫鞘性變，導致一系列神經(jīng)癥狀，如跛行、截癱、便血、乳房炎及流產(chǎn)等中毒癥狀和維生素A、D、E的缺乏癥[1-5]。此外，玉米淀粉渣中的蛋白大多是醇溶蛋白，其不溶于水且缺乏賴氨酸、色氨酸等必需氨基酸，將其直接作為飼料雖有一定的效果[6-7]，但玉米淀粉渣產(chǎn)量大，飼喂消耗的玉米淀粉渣有限，直接飼喂利用率較低，飼喂價值并不高，到目前為止仍未得到合理的開發(fā)利用。大量淀粉渣在貯存過程中極易變質(zhì)，造成環(huán)境污染和資源的嚴重浪費。因此，傳統(tǒng)的玉米淀粉渣的利用方式備受質(zhì)疑。近幾年，玉米淀粉渣綜合開發(fā)利用逐漸受到重視。本文對目前國內(nèi)玉米淀粉糖渣的綜合利用情況進行綜述，以期為玉米淀粉渣的進一步開發(fā)提供參考。

1 主要成分提取方面

1.1 玉米黃色素的提取

玉米淀粉渣中的黃色素主要是極性較小的玉米黃色素。玉米黃色素屬于類胡蘿卜素，是以β-胡蘿卜素、玉米黃素（3，3′-二羥基-β胡蘿卜素）、隱黃素（3-羥基-β胡蘿卜素）、葉黃素為主要組成的類胡蘿卜素的混合物[8-9]。玉米黃色素易溶于石油醚、酯類和乙醇等有機溶劑，不易溶于水。玉米黃色素既是一種天然色素，又是生產(chǎn)保健食品的添加劑，作為天然色素已被歐美等許多國家批準為食用色素。玉米黃色素的提取目前主要采用有機溶劑法和超臨界二氧化碳萃取法。有機溶劑法大都采用乙醇作為提取劑，黃新輝等[10]對玉米淀粉渣中玉米黃色素的提取條件研究發(fā)現(xiàn)，以體積分數(shù)為95%的乙醇為提取劑，在料液比1∶10，pH值3、溫度60℃時提取1.5h，提取效果最佳。且以熱乙醇的提取率最高，提取玉米黃色素后的廢渣仍有很高的利用價值[11]。目前天然色素的提取大都采用化學溶劑萃取法，但溶劑殘留毒性影響了天然色素的應用。孫麗麗等[12]以玉米蛋白粉為原料探討了超臨界二氧化碳萃取玉米黃色素的工藝條件，但以玉米淀粉渣為原料采用超臨界法提取玉米黃色素目前尚未見報道。超臨界萃取法雖然無毒、無殘留、提取效果較好，但因其生產(chǎn)設備價格昂貴，并且產(chǎn)量較低、不太適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

1.2 玉米醇溶蛋白的提取

近年來，環(huán)境問題日益突出，玉米醇溶蛋白由于其環(huán)境友好性、原料來源豐富、可持續(xù)生產(chǎn)等諸多優(yōu)點，再一次成為研究熱點。玉米醇溶蛋白作為一種天然的優(yōu)質(zhì)生物可降解材料，在生物材料領域有著廣闊的應用前景。

玉米淀粉渣中約含有25%左右的蛋白質(zhì)，其主要是醇溶蛋白。由于醇溶蛋白不溶于水，易溶于乙醇、異丙醇等有機溶劑。以玉米淀粉渣為原料提取醇溶蛋白的方法主要有4種，即異丙醇提取法、乙醇提取法、超聲提取法和超臨界提取法。其中乙醇提取法法由于工藝簡單，溶劑回收容易，是目前最常見的提取方法。鄭喜群等[13]利用體積分數(shù)90%的乙醇，在55℃條件下將玉米淀粉渣中的醇溶蛋白、脂肪和色素溶解，又用正己烷將脂肪和色素萃取25min。最終玉米醇溶蛋白的產(chǎn)率達到97.46%。由于在同樣的溶劑溶質(zhì)比時，醇溶蛋白在異丙醇中的濃度要高于在乙醇中的濃度，因此，國外工業(yè)化提取醇溶蛋白大多采用異丙醇在較高的pH和較高的溫度（50℃～60℃）分批或連續(xù)萃取30min～2h提取醇溶蛋白[14]。這種方法的主要缺陷是溶劑回收成本較高。此外，超聲波提取法和超臨界提取法都能有效提高目標物的提取率并能大大縮短提取時間，節(jié)省溶劑用量，從而降低成本，具有產(chǎn)業(yè)化前景。但要達到工業(yè)化生產(chǎn)水平，批量處理原料仍需要不斷的探索。

國外已開始利用玉米渣生產(chǎn)醇溶蛋白，但我國尚沒有形成生產(chǎn)規(guī)模。目前，世界上有兩家規(guī)模較大的公司生產(chǎn)玉米醇溶蛋白。即美國的Freeman公司和日本的昭和產(chǎn)業(yè)株式會社，總產(chǎn)量也不超過500t。我國已有一些公司生產(chǎn)玉米醇溶蛋白，但產(chǎn)量很少，主要應用于藥用輔料。綜合來看，目前制約玉米醇溶蛋白應用的主要問題在于生產(chǎn)成本。從現(xiàn)有的報道來看，玉米醇溶蛋白的提取大都以玉米蛋白粉為原料。玉米醇溶蛋白約占玉米蛋白的40%左右，這些蛋白約有60%存在于玉米蛋白粉，其他則主要存在于玉米淀粉渣中，玉米蛋白粉可以被高效利用，但玉米渣中的醇溶蛋白則被作為廢渣被浪費掉。如果能提高這些廢渣的附加值，就能大幅提高玉米淀粉企業(yè)的生產(chǎn)效益，降低生產(chǎn)成本。既能解決環(huán)境污染問題，又能獲得高附加值的工業(yè)產(chǎn)品。但要發(fā)揮其自身的性質(zhì)，還需要克服柔韌性、耐水性差等問題。

2 微生物發(fā)酵方面

利用微生物發(fā)酵法是實現(xiàn)糖渣綜合開發(fā)利用的理想途徑，也是目前較為關注的方向。

2.1 單細胞蛋白的生產(chǎn)

單細胞蛋白所含的營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富。其中蛋白含量達到40%～80%，比大豆高10%～20%，比魚、肉、奶酪高20%以上；氨基酸組成較為齊全，含人體必需的8種氨基酸，尤其是谷物含量較少的賴氨酸。單細胞蛋白中還含有多種維生素、碳水化合物等。近年來，有關利用廢渣發(fā)酵生產(chǎn)單細胞的報道很多。其中利用玉米淀粉渣作為單細胞蛋白的重要生產(chǎn)原料，增加玉米深加工副產(chǎn)品的附加值，也符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)政策。郭維列等[15]通過研究證明利用玉米淀粉廠的廢渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料可行。趙建國[16]以糖化酵母為出發(fā)菌，固體發(fā)酵玉米淀粉渣，產(chǎn)物酵母菌Y9601為菌種，固體發(fā)酵玉米淀粉渣，經(jīng)過適當?shù)墓に嚄l件優(yōu)化后，產(chǎn)物酵母數(shù)可達74.5億個/g，粗蛋白增加12.7%，真蛋白增加9.59%，真蛋白凈增加5.46%。以玉米淀粉渣發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白飼料的關鍵是菌種。目前應用與生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物類群主要包括4大類群，即非致病和非產(chǎn)毒的酵母菌、細菌、真菌和藻類。淀粉糖渣中含有少量的淀粉和纖維素，由于根霉菌能分泌糖化酶把淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖，曲霉能分泌纖維素酶將纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖，而酵母菌可利用葡萄糖、尿素、硫酸銨迅速轉(zhuǎn)化為酵母蛋白質(zhì)、酶和維生素等活性物質(zhì)，從而提高淀粉糖渣飼料的營養(yǎng)成分[17]。因此菌種也由單一菌種趨向于復合菌種。淀粉渣發(fā)酵多以細菌和酵母菌組成復合菌。吳綿斌等[18]利用產(chǎn)朊假絲酵母和黑曲霉混合菌種固態(tài)發(fā)酵玉米淀粉渣，經(jīng)過60h固態(tài)通風培養(yǎng)后，真蛋白增加量達到6.23%，干基中蛋白含量提高了3.34倍，此外發(fā)酵后產(chǎn)物中還含有較高活力的纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶，是一種很好的飼料來源。據(jù)有關資料報道，國內(nèi)采用混菌固體發(fā)酵72h，每克發(fā)酵物細胞數(shù)15億個～40億個，粗蛋白增幅為15.46%～29.69%，真蛋白凈增2%～5%。

從發(fā)酵方式來看，既有液體深層發(fā)酵也有固體發(fā)酵。對于玉米淀粉渣的發(fā)酵過程中，由于固體發(fā)酵具有易干燥、低能耗、綜合利用率高等優(yōu)點。因而固體發(fā)酵更加受到重視。趙建國等[16]以糖化酵母菌Y9601為菌株進行固態(tài)發(fā)酵取得了較好的結(jié)果。

利用玉米淀粉渣生產(chǎn)單細胞蛋白飼料是目前受到關注的較為經(jīng)濟合理的糖渣利用方式[19-20]。但其生產(chǎn)成本過高制約了其產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，因此，降低生產(chǎn)成本，提高發(fā)酵產(chǎn)物酵母數(shù)量和真蛋白含量是今后利用玉米淀粉渣進行固態(tài)發(fā)酵的關鍵。

2.2 燃料

利用生物質(zhì)原料發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇是目前解決“能源危機”和“石油危機”最有效的途徑之一。據(jù)報道，我國山東龍力公司利用糖渣為原料生產(chǎn)燃料乙醇，并已建成6萬噸燃料乙醇項目，年“吞噬”功能糖廢渣29.4萬t，被國家發(fā)改委列為重點循環(huán)經(jīng)濟工程。有報道稱英國科學家利用廢棄的糖渣稀釋后培養(yǎng)大腸桿菌，用于生產(chǎn)氫氣，將這些氫氣收集后，可以作為燃料電池的燃料[21]。張賀等[21]以深黃被孢霉M2為菌種高密度發(fā)酵生產(chǎn)微生物油脂。發(fā)酵產(chǎn)物化學組成成分與植物油相似。同時轉(zhuǎn)酯化制備的微生物柴油各項指標符合國家相關標準，具有工業(yè)化應用前景。

2.3 釀造

從理論上來說，玉米淀粉渣中所含的營養(yǎng)成分基本滿足微生物生長代謝的條件。高東寧[22-23]嘗試利用玉米淀粉渣為原料采用多菌種制備米曲釀造醬油，產(chǎn)品中氨基態(tài)氮質(zhì)量濃度、總氮質(zhì)量濃度和還原糖含量等各項理化指標達到國家二級醬油標準。玉米淀粉渣除可作為醬油的優(yōu)質(zhì)原料外還可作為食醋釀造的主料。采用50%以上的玉米渣替代麩皮作食醋生產(chǎn)的主料，釀造的產(chǎn)品質(zhì)量均達到頒部標準，可生產(chǎn)特級、一級等各級別食醋[24]。生產(chǎn)食醋后的醋渣仍能作飼料，使下腳料得到充分利用。這些成果從小試結(jié)果來看，都可以大幅降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著，但要實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)還需要進一步探索。

3 其他

由于含有有機質(zhì)原料和豐富的無機鹽離子，玉米淀粉渣還是加工生物有機肥料的理想原料。也可利用多種微生物分解氧化淀粉糖渣中的有機物質(zhì)生產(chǎn)濃縮生物肥料[25]。研究表明，玉米淀粉渣經(jīng)過處理后含有的碳酸鈣可以用來中和土壤中的酸性物質(zhì)，改善土壤環(huán)境，促進農(nóng)作物的生長，對改善環(huán)境污染意義重大[26-29]。除此之外，在食品應用方面也有一些嘗試，翟瑞文等[30]利用玉米淀粉渣制作酸溶性蛋白飲料。但這方面的報道較少。

總之，對玉米淀粉渣的開發(fā)不僅有利于資源的綜合利用，而且有利于減少環(huán)境污染，順應構(gòu)建節(jié)約型社會的趨勢。最重要的是，其具有較高的經(jīng)濟效益。對玉米淀粉渣的綜合開發(fā)利用既可提高玉米的綜合利用率還可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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