乙醇生產(chǎn)工藝對(duì)DDGS蛋白營養(yǎng)價(jià)值影響的研究進(jìn)展

王曉杭，何華軍，梅 軒

（1.景寧畬族自治縣食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，浙江景寧 323500；2.景寧畬族自治縣國有資產(chǎn)投資經(jīng)營有限公司，浙江景寧 323500）

1 前言

隨著生物燃料能源的發(fā)展，谷物提取乙醇已成為一個(gè)相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)，且呈逐漸增長的趨勢(shì)。生產(chǎn)過程中除了乙醇還伴隨大量副產(chǎn)品，如干酒糟及其可溶物（DDGS）。乙醇生產(chǎn)過程中淀粉含量降低，從而使未參與發(fā)酵的營養(yǎng)素含量升高（Liu，2011）。如玉米DDGS粗蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)的30%，小麥DDGS粗蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)39%（Cozannet等，2010）。因此，DDGS可以作為單胃和反芻動(dòng)物蛋白來源。DDGS中蛋白質(zhì)含量通常是用其使用的原料蛋白質(zhì)含量作為評(píng)估，玉米DDGS粗蛋白質(zhì)含量低于小麥DDGS（De Boever等，2014）。關(guān)于DDGS的營養(yǎng)價(jià)值不僅要考慮粗蛋白質(zhì)水平，而且要考慮其降解性和消化率，因?yàn)榉雌c動(dòng)物原料配比與蛋白價(jià)值之間的相關(guān)性是有限的。同樣，一些研究表明，DDGS的蛋白質(zhì)質(zhì)量不能簡單地歸因于原料類型或生長條件，尤其是在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用存在很大差異（De Boever等，2014）。DDGS干燥過程對(duì)蛋白質(zhì)消化率影響很大，這一過程也是決定DDGS在豬和牛上蛋白的應(yīng)用價(jià)值。干燥雖然是許多文獻(xiàn)報(bào)道中影響DDGS蛋白營養(yǎng)價(jià)值的主要因素，但并不是影響蛋白質(zhì)質(zhì)量的唯一重要步驟。乙醇生產(chǎn)工藝包括研磨、蒸煮、發(fā)酵、蒸餾、離心、蒸發(fā)、混勻和干燥，所有這些步驟理論上都會(huì)影響DDGS的蛋白質(zhì)質(zhì)量（Rosentrater等，2012）。此外，工廠內(nèi)部及工廠之間可能存在技術(shù)細(xì)節(jié)上的差異，如研磨粒度、溫度、添加化學(xué)物或產(chǎn)品的分離和混合等（Liu，2011）。

2 干燥和加熱的影響

熱可以通過改變蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)來提高蛋白質(zhì)的消化率，但在探討DDGS時(shí)，通常會(huì)討論加熱對(duì)其蛋白營養(yǎng)價(jià)值的負(fù)面影響（Mauron，1990）。熱可以誘發(fā)美拉德反應(yīng)，美拉德反應(yīng)實(shí)際上是一系列氨基酸與還原糖之間的反應(yīng)。氨基酸通過氨基側(cè)鏈的修飾或交聯(lián)而降低消化率，但也可能使氨基酸完全破壞（Mauron，1990）。另外，熱處理可以影響植物細(xì)胞壁，包括與纖維結(jié)合的含氮化合物、木質(zhì)素聚合物，從而使DDGS中酸性洗滌纖維、木質(zhì)素特別是酸性洗滌不溶氮的含量較高（Kleinschmit等，2007）。熱處理對(duì)總蛋白的影響方式可能與氨基酸不同，其中賴氨酸特別容易受熱影響（Mauron，1990）。對(duì)于單胃動(dòng)物來說，由于體內(nèi)缺乏纖維降解酶，因此，增加氮與植物細(xì)胞壁的結(jié)合可以降低盲腸前端氮的消化率。此外，日糧中提供的氨基酸很重要，特別是對(duì)于瘤胃，可以通過瘤胃微生物為宿主提供氨基酸。在反芻動(dòng)物營養(yǎng)中，DDGS干燥可能在一定程度上有利于遷移蛋白質(zhì)消化的部位，即通過增加瘤胃未消化飼料蛋白的利用，提高小腸中可消化和吸收的蛋白質(zhì)，而對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)無影響（Kleinschmit等，2007）。同時(shí)由于降低了總蛋白和氨基酸的固有消化率，美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物也可能通過抑制消化酶影響營養(yǎng)物質(zhì)的整體消化率（Mauron，1990）。

與濕基酒糟及其可溶物（DGS）相比，干基DGS的效果顯著，但目前關(guān)于這兩種產(chǎn)物的應(yīng)用研究報(bào)道較少（Smith和 Makkar，2012）。Frikins等（1984）發(fā)現(xiàn)，濕基和干基DDGS對(duì)反芻動(dòng)物氮的降解率影響是一致的，但Ham等（1994）認(rèn)為，干基DGS的降解率要高于濕基DGS。濕基小麥DGS較干基小麥DGS顯著提高了仔豬回腸賴氨酸和蛋氨酸的表觀消化率（Lyberg等，2013）。然而，在上述研究中，試驗(yàn)用的原料不是來自同一廠家，發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也僅能說明干燥后的DDGS達(dá)到了一定的效果。Kleinschmit等（2007）發(fā)現(xiàn)，干基酒糟較濕基酒糟提高了瘤胃未消化飼料蛋白，但對(duì)瘤胃未消化蛋白在小腸的表觀消化率無顯著影響。Pahm等（2008）將一批酒糟的樣品置于冷凍或烘干條件下發(fā)現(xiàn)，加熱降低了總賴氨酸和參與美拉德反應(yīng)賴氨酸的含量，說明了不僅僅是濕基DGS和干基DGS存在差異，干燥過程的變化也可能導(dǎo)致來自不同來源或同一植物DDGS之間存在差異（Monceaux和 Kuehner，2009）。

3 加熱對(duì)DDGS品質(zhì)的影響

3.1 顏色 在干燥過程，加熱會(huì)影響DDGS的顏色，如進(jìn)口美國玉米DDGS是金黃色的，是目前市場(chǎng)上很受歡迎的原料（Shurson等，2012）。一種更科學(xué)的方法是測(cè)量飼料的顏色變化，如亮度、紅度、黃度。DDGS的顏色變量與雞的氨基酸消化率、生長速率和料比有相關(guān)性（Fastinger等，2006）。小麥DDGS與豬對(duì)賴氨酸的消化率也存在相關(guān)性（Cozannet等，2010）。但 DDGS的顏色變化并不能反應(yīng)反芻動(dòng)物對(duì)其蛋白質(zhì)的利用率。此外，由于谷物種類的內(nèi)在顏色不同，因此用DDGS混合物的顏色來評(píng)判蛋白質(zhì)特性存在一定缺陷。De Boever等（2014）根據(jù)DDGS的這一特點(diǎn)建立了瘤胃未消化飼料蛋白與不同原料DDGS顏色分?jǐn)?shù)之間的變量關(guān)系，同時(shí)需要注意的是，玉米DDGS和小麥DDGS的顏色也會(huì)受到與濕法酒糟混合的濃縮酒液量的影響（Cao等，2009）。

3.2 酸性洗滌不溶氮 DDGS中酸性洗滌不溶氮的濃度可能與單胃動(dòng)物的蛋白質(zhì)有關(guān)。有研究表明，日糧酸性洗滌不溶氮含量與肉雞的日增重和料比及豬回腸必需氨基酸標(biāo)準(zhǔn)消化率存在相關(guān)性（Almeida等，2013）。然而，在反芻動(dòng)物營養(yǎng)中，關(guān)于酸性洗滌不溶氮對(duì)蛋白特性的描述及加熱損傷還存在爭議。Boila和Ingalls（1994）發(fā)現(xiàn)，酸性洗滌不溶氮對(duì)反芻動(dòng)物粗蛋白質(zhì)消化率具有負(fù)面影響，但Kleinschmit等（2007）認(rèn)為無相關(guān)性。使用酸性洗滌不溶氮作為蛋白質(zhì)損傷的指標(biāo)可能會(huì)低估DDGS中的蛋白水平。如果DDGS中的酸性洗滌不溶氮來源于谷物的莖稈本身，則認(rèn)為它是不可降解和消化的，而美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的酸性洗滌不溶氮?jiǎng)t是部分可消化的（Waters等，1992）。在此基礎(chǔ)上，通過DDGS中酸性洗滌不溶氮與相應(yīng)原料中酸性洗滌不溶氮含量的比較可以估算出加工過程產(chǎn)生的酸性洗滌不溶氮含量。

3.3 氨基酸 DDGS通過熱處理會(huì)顯著降低賴氨酸的含量（Almeida等，2013）。Kim等（2012）指出，DDGS中賴氨酸含量較前幾年有上升趨勢(shì)，這表明，乙醇工業(yè)加工方法的整體改進(jìn)降低了DDGS熱損傷。關(guān)于熱處理對(duì)DDGS的影響報(bào)道主要集中在賴氨酸上，因?yàn)橘嚢彼嵩诤芏囡曃箺l件下都屬于第一限制性氨基酸，特別是豬。此外，賴氨酸特別容易和糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，通常用于反應(yīng)總蛋白的熱損失程度。總賴氨酸與粗蛋白質(zhì)的比值已被證明與標(biāo)準(zhǔn)回腸可消化必需氨基酸的濃度有關(guān)（Almeida等，2013），因此有人用賴氨酸與粗蛋白質(zhì)比值對(duì)DDGS進(jìn)行分級(jí)。由于氨基酸的測(cè)定過程涉及酸水解步驟，總賴氨酸的濃度包括賴氨酸和美拉德反應(yīng)結(jié)合的賴氨酸（這部分動(dòng)物無法消化）。DDGS中賴氨酸含量的測(cè)定通常采用反硝酸鈉和高精氨酸法（Pahm等，2008）。氨基酸測(cè)定過程中在酸水解步驟中形成了糠氨酸，假設(shè)其組成為不參與反應(yīng)的賴氨酸的0.32，根據(jù)氨基酸分析過程中產(chǎn)生0.40個(gè)未反應(yīng)的賴氨酸，測(cè)定其含量和總賴氨酸含量，計(jì)算出參與美拉德反應(yīng)的賴氨酸比例，但試驗(yàn)中的固定因子0.32～0.4是基于加熱處理的牛奶數(shù)據(jù)，而不是DDGS的數(shù)據(jù)（Kim等，2012）。由于糠氨酸僅在美拉德反應(yīng)的早期形成，因此，對(duì)熱損傷較嚴(yán)重的飼料進(jìn)行評(píng)價(jià)可能具有一定的局限性（Boucher等，2009）。在高精氨酸法中，參與美拉德反應(yīng)的賴氨酸在酸水解前被轉(zhuǎn)化為高精氨酸，從而通過色譜法可以分離出反應(yīng)的賴氨酸和未反應(yīng)的賴氨酸。在一項(xiàng)包括33個(gè)玉米DDGS樣品的研究中，總賴氨酸中的平均值為0.74（高精氨酸法）或0.84（糠氨酸法）為參與美拉德反應(yīng)的賴氨酸，但存在較大的差異（Kim等，2012；Pahm等，2008）。DDGS中回腸標(biāo)準(zhǔn)可消化賴氨酸含量已被證明與兩種方法估計(jì)的反應(yīng)的賴氨酸含量相關(guān)，而且，與單獨(dú)計(jì)算總賴氨酸相比，將參與反應(yīng)的賴氨酸計(jì)算在內(nèi)可以獲得較高的預(yù)測(cè)精度（Kim等，2012）。有研究還探討了回腸可消化賴氨酸消化率的估測(cè)，而不是總賴氨酸消化率（Rutherfurd，2012）。然而，Pahm等（2008）發(fā)現(xiàn)，肉仔雞對(duì)DDGS中標(biāo)準(zhǔn)可消化賴氨酸與賴氨酸的生物學(xué)利用率無數(shù)值上的差異，其認(rèn)為參與美拉德反應(yīng)的賴氨酸可以被消化，但不能參與蛋白質(zhì)的合成，如通過尿液排出體外（Mauron，1990）。然而，關(guān)于美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的復(fù)合物的代謝還有待進(jìn)行一步探討。

4 其他加工因素的影響

4.1 干燥前的熱效應(yīng) 有學(xué)者認(rèn)為，對(duì)DDGS產(chǎn)生的熱效應(yīng)不僅是在干燥步驟，還發(fā)生在加工過程，如噴煮麥芽漿，糖化或蒸餾脫水過程（Pahm等，2008）。乙醇廠的高能耗會(huì)影響原料或冷淀粉水解的應(yīng)用（Cinelli等，2015）。這個(gè)概念在幾十年前已經(jīng)被討論過，但現(xiàn)在已經(jīng)被一些乙醇生產(chǎn)公司提煉和采用，該方法用酶解淀粉的方法代替了噴氣蒸煮和糖化的步驟，這樣可以降低DDGS熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)（Gibreel等，2009）。原淀粉水解需要額外的酶，包括一系列可能影響谷物蛋白的蛋白酶，但用原淀粉水解代替常規(guī)淀粉水解對(duì)DDGS營養(yǎng)價(jià)值的影響還不是很清楚，大部分關(guān)于原淀粉水解的研究都集中在乙醇產(chǎn)量和能量消耗方面（Cinelli等，2015）。

4.2 混合 干燥前或干燥期間，將濕基DGS和濃縮蒸餾物混合，這個(gè)步驟很難控制，而且兩個(gè)蒸汽量的比例可能會(huì)不同（Belyea等，2010），這也是DDGS粗蛋白質(zhì)含量存在差異的原因。Kingsly等（2010）認(rèn)為，加入到濕基DGS中的濃縮蒸餾物是影響DDGS成分組成的主要原因，且隨著添加比例的升高，DDGS中瘤胃可降解蛋白水平相應(yīng)升高。Pahm等（2008）發(fā)現(xiàn)，干燥過程同時(shí)采用高溫和添加高比例濃縮蒸餾物可以降低賴氨酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，因?yàn)闈窕鵇GS中賴氨酸含量和濃縮蒸餾物中的糖分含量均較高。提高濃縮蒸餾物的添加量可以提高小麥DDGS蛋白含量，但降低了玉米DDGS蛋白含量（Kingsly等，2010；Cao等，2009）。一般情況下，對(duì)生產(chǎn)車間內(nèi)的蒸汽流進(jìn)行調(diào)節(jié)意味著一些蛋白質(zhì)可能經(jīng)過不止一次的加工步驟，如薄壁蒸餾液的部分回收通常用于節(jié)約水，但部分已經(jīng)干燥的物料又回收到烘干機(jī)中再經(jīng)過一次干燥（Kingsly等，2010）。

4.3 化學(xué)物質(zhì) 乙醇生產(chǎn)過程的控制需要在發(fā)酵酒糟中加入各種酶和化學(xué)物質(zhì)，如為了促進(jìn)酵母生長添加尿素或氨（Bothast和Schlicher，2005）。與谷物中的氮相比，額外添加氮的作用還不清楚。然而，蛋白水解酶可以增加酵母低分子氮化合物的含量或降低淀粉含量，這些酶可以直接靶向降解谷物蛋白，從而影響DDGS蛋白質(zhì)的價(jià)值（Johnston和 McAloon，2014）。

4.4 原料粉碎 谷物粉碎是乙醇生產(chǎn)過程的第一步，主要是為了得到更多淀粉，同時(shí)粉碎也決定DDGS的最終粒度。不同來源的DDGS粒徑有很大差異，一般來說，飼料粒度越小，營養(yǎng)物質(zhì)的消化率越高，這在豬上的研究已得到證實(shí)（Liu，2011）。目前，鮮見關(guān)于原料粉碎對(duì)DDGS中蛋白和氨基酸消化率影響的研究報(bào)道，需要進(jìn)一步去探討粉碎過程對(duì)谷物蛋白質(zhì)質(zhì)量，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。一項(xiàng)研究表明，在同一種植物中，DDGS顆粒越小蛋白質(zhì)含量越高（Liu，2011）。

4.5 酵母 影響DDGS蛋白質(zhì)質(zhì)量的另一個(gè)因素是酵母細(xì)胞的生長，這與原料或加工工藝過程沒有直接關(guān)系。酵母的有效含量是乙醇生產(chǎn)過程中氨基酸變化的主要因素（Belyea等，2010）。但由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估方法，酵母對(duì)DDGS的實(shí)際貢獻(xiàn)尚不清楚。綜合考慮酵母、玉米和DDGS的氨基酸比例，酵母大概為DDGS提高了200～500 g/kg的蛋白（Belyea等，2010）?？紤]到酵母細(xì)胞壁的成分，如甘露聚糖含量，酵母提供的量為100 g/kgDDGS（Shurson，2018）。酵母對(duì) DDGS蛋白貢獻(xiàn)的差異可能是由于估算方法不同的原因，但不能排除實(shí)際差異。除了整個(gè)酵母細(xì)胞外，發(fā)酵過程中酵母的裂解還能提高發(fā)酵產(chǎn)物中游離氨基酸的含量（Johnston和 McAloon，2011）。

5 展望

本文綜述了乙醇生產(chǎn)過程對(duì)DDGS蛋白價(jià)值的幾種可能的影響。盡管這些化學(xué)、生物和技術(shù)方面的影響因素原理是已知的，但由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，相關(guān)因素之間又存在交互或加性效應(yīng)，很難量化蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值。如美拉德反應(yīng)不僅受溫度影響，同時(shí)還受水活度和pH的影響。隨著乙醇生產(chǎn)工藝不斷發(fā)展，并引進(jìn)了新技術(shù)，如上文所討論的原淀粉水解和谷物蒸餾或分餾，有助于使DDGS的質(zhì)量評(píng)估和判定更為標(biāo)準(zhǔn)化。