脫脂米糠聯(lián)產(chǎn)丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維工藝的研究

楊旭　張志平　王光路　宋麗麗　張靖楠

摘要：通過高溫α-淀粉酶液化、液態(tài)發(fā)酵、酸浸、堿性蛋白酶酶解、噴霧干燥等工藝操作，

以脫脂米糠（DRB）為原料聯(lián)產(chǎn)丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維，研究DRB綜合利用過程的工藝條件和所制備產(chǎn)品的理化性質.結果表明：適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維.所得產(chǎn)物中，丁醇在發(fā)酵液中的質量濃度達14.03g/L;植酸鹽為白色粉末，提取率6.20%，P2O5含量達到39.77%，符合中國藥典藥用植酸鹽標準;米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸總含量達63.32%，必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當，過敏性低，適合用作兒童食品的添加蛋白;米糠膳食纖維提取率25.00%，膳食纖維純度72.00%，可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品中.

Abstract：Defattedricebranwastakenasmaterial，byhightemperaturealphaamylaseliquefaction，liquidfermentation，acidleaching，alkalineproteasehydrolysisandspraydryingprocess，thebutanol，phytate，ricebranproteinandricebrandietaryfiberwereco＼|produced.Theprocessconditionsandphysicochemicalpropertiesoftheproductswerestudied.TheresultsshowedthattheextractionsequencesuitablefordefattedricebranwasDRBliquefactionathightemperature，butanalfermentation，phytate，extractricebranproteinandricebrandietaryfiberseparation.Themassconcentrationofbutanolinthefermentationbrothwasupto14.03g/L.Theextractionrateofphytatewas6.20%，whilethecontentofP2O5was39.77%，whichfullymetthestandardofChinesePharmacopoeia.Theextractionrateofricebranproteinwas12.11%，whilethecontentoftotalaminoacidswas63.32%.Thecompositionofessentialaminoacidswascomparabletothatofeggprotein，whichhadlowallergyandwassuitableforuseinchildrensfood.Theextractionrateofricebrandietaryfiberwas25.00%，whilethecontentofdietaryfiberwas72.00%，whichcouldbeaddedtovarioushealthfoodsasfunctionalfoodadditives.

0引言

脫脂米糠DRB（defattedricebran）又稱米糠粕，是生產(chǎn)米糠油的副產(chǎn)品.脫脂過程使米糠中的脂肪酶失去活性，同時有效殺滅了米糠中的真菌、細菌等微生物，使得米糠可以穩(wěn)定保存.

當前絕大部分DRB被用作飼料原料，經(jīng)濟價值較低.為了提高DRB的經(jīng)濟價值，已有研究者嘗試以米糠為原料，陸續(xù)開發(fā)出米糠油、米糠蛋白、米糠營養(yǎng)素SRBN（ricebrannutrients）、米糠營養(yǎng)纖維RBNF（ricebrannutrientfiber）等功能食品[1-2].

由于石化工業(yè)的發(fā)展，化學法生產(chǎn)丁醇成為主流工藝，但是，隨著石化能源的日趨減少和環(huán)境保護的需要，生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇日益受到重視[3].目前的研究主要是以玉米、木薯、DRB等淀粉質原料，或者秸稈、玉米芯等木質纖維素原料，在厭氧條件下發(fā)酵得到丁醇等產(chǎn)物[4-5].

DRB中含有約30%～40%（如無特指，文中百分數(shù)均為質量分數(shù)）的淀粉、少量水溶性的蛋白質和無機鹽，其對發(fā)酵產(chǎn)業(yè)廣泛使用的淀粉質原料（尤其是可食用淀粉質）和其他營養(yǎng)元素具有很強的替代性.發(fā)酵培養(yǎng)基中，氮源和無機鹽的使用成本約占到發(fā)酵成本的38%，采用廉價替代品可大幅降低發(fā)酵成本[6].因此，開發(fā)合理的工藝將米糠中的淀粉類營養(yǎng)成分進行發(fā)酵，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品丁醇，既可以降低發(fā)酵成本，同時又避免了資源的浪費.研究表明，DRB是提取植酸鹽（或稱為菲?。┑淖罴言蟍5].而植酸鹽被廣泛應用于醫(yī)藥、食品、印刷和油脂工業(yè)，同時，也是目前工業(yè)化生產(chǎn)植酸或者肌醇的理想原料[7-8].DRB中含有約12%～20%的低過敏性米糠蛋白[9]，低過敏性米糠蛋白易與植酸、碳水化合物等結合在一起[10]，阻礙蛋白的消化吸收，故宜將其從DRB中分離、提取出來，以提高米糠蛋白的利用價值.

目前，世界各國將膳食纖維產(chǎn)品作為癌癥、糖尿病等患者的主要功能食物[11]，部分面制品中也添加了適量的膳食纖維[12].

DRB中富含纖維素與半纖維素，是制造米糠膳食纖維的良好原料.有研究指出，米糠膳食纖維中90%以上為不溶性纖維[13]，具有極強的親水性、親油性和金屬離子吸附性[14]，該理化性質對人體健康大有裨益.

為了彌補單一提取米糠相關產(chǎn)品的不足，本文以DRB為原料，研究通過DRB多梯度綜合轉化開發(fā)丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維等高附加值化學品的可行性，并對整個綜合利用過程進行物料衡算，以期進一步提高DRB的綜合利用程度.

1材料與方法

1.1材料與試劑

DRB原料（相關指標檢測顯示其含水分13.55%，蛋白質13.00%，總糖37.32%，灰分8.02%），購買于鄭州桑園飼料批發(fā)市場;液化酶（100000U/mL）、糖化酶（100000U/mL），諾維信（中國）生物技術有限公司產(chǎn);堿性蛋白酶，杰能科（中國）生物工程有限公司產(chǎn);各種分析純化學試劑，國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn).

丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum），由鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院保存.

1.2儀器與設備

LDZF-30KB-Ⅲ型高壓滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠產(chǎn);YQX型厭氧培養(yǎng)箱，上海躍進醫(yī)療器械有限公司產(chǎn);TDL-5-A型高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠產(chǎn);CFO80-S型真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司產(chǎn);SY-6000型小型噴霧干燥機，南京比朗儀器有限公司產(chǎn);Agilent1260型高效液相色譜儀，美國安捷倫科技公司產(chǎn);GC7980型氣相色譜儀，上海天美科學儀器有限公司產(chǎn).

1.3方法

1.3.1工藝流程與操作方法DRB綜合利用工藝流程如圖1所示.

DRB高溫液化：將DRB和水按照質量比1GA6FA5混合均勻后，加入1%（以DRB質量計）的高溫α-淀粉酶，在90℃恒溫水浴鍋中液化2h，冷卻后離心（3000r/min，10min），上清液直接用于發(fā)酵產(chǎn)丁醇，沉淀用于提取植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維.

發(fā)酵產(chǎn)丁醇：培養(yǎng)基為DRB高溫液化后的離心上清液，其中，總糖含量為7.36%.丙酮丁醇梭菌種子活化時間24h，接種量7%，厭氧發(fā)酵溫度38℃，發(fā)酵周期72h.發(fā)酵過程中定時取樣測定pH值、溶劑（乙醇、丙酮和丁醇）質量濃度和總糖質量分數(shù).

分離提取植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維：將DRB高溫液化后的離心沉淀加入5倍質量的水，調(diào)節(jié)其pH值至3.9～4.0，在60℃溫度下攪拌反應5.0h，過濾得到濾餅A.用水清洗濾餅A后過濾，將兩次上清液合并，用10%Ca（OH）2溶液調(diào)節(jié)pH值至4.5后，用10%氨水調(diào)節(jié)pH值至9.0，過濾，再將得到的濾餅用水沖洗3次后烘干，即得植酸鹽樣品.加入濾餅A5倍質量的水，調(diào)節(jié)pH值至5.0，加入適量糖化酶，于60℃條件下糖化2h，過濾，即得濾餅B.加入濾餅B5倍質量的水，調(diào)節(jié)pH值至9.0，加入適量堿性蛋白酶，于60℃條件下酶解2h，離心，得到濾餅C和濾液C.加入濾餅C4倍

質量的95%乙醇溶液（加熱到60℃），常溫靜置1h，過濾，用水清洗濾餅后烘干，即得米糠膳食纖維樣品.調(diào)節(jié)濾液C的pH值至7.0，減壓濃縮后噴霧干燥，即得米糠蛋白樣品.其中，

噴霧干燥條件：進口溫度165℃，進風頻率52.0Hz，出口溫度80～85℃，進料頻率40.0Hz，噴霧器頻率90.0Hz.過程中保持溫度恒定，防止出現(xiàn)潮粉和結塊現(xiàn)象.

1.3.2蛋白質和氨基酸組成分析

蛋白質含量測定按照國標《食品中蛋白質的測定》（GB/T5009.5—2003）[15]進行.

氨基酸組成分析按照國標《飼料中氨基酸的測定》（GB/T18246—2000）[16]進行.

1.3.3溶劑（乙醇、丙酮和丁醇）質量濃度的測定

在氣相色譜儀上，采用氣相色譜法測定溶劑的質量濃度.采用毛細管色譜柱，進樣口溫度220℃，F(xiàn)ID溫度230℃，柱箱溫度70℃，進樣量1μL.H2流速30mL/min，空氣流速300mL/min，內(nèi)標物為異丁醇.

1.3.4米糠膳食纖維和植酸鹽含量測定

米糠膳食纖維含量測定按照國標《食品中膳食纖維的測定》（GB/T5009.88—2008）[17]進行.

植酸鹽含量測定：目前有關植酸鹽含量的檢測沒有統(tǒng)一的標準，由于植酸的收率直接受到磷含量的影響，所以衡量植酸鹽的關鍵指標便是磷含量.植酸鹽中的磷含量通常以P2O5的含量來表示.

2結果與分析

2.1發(fā)酵產(chǎn)丁醇結果分析

本文以DRB液化上清液為原料發(fā)酵產(chǎn)丁醇，因為DRB液化上清液中的蛋白質與其分解物可起到緩沖pH的作用，所以直接采用自然pH進行發(fā)酵.

發(fā)酵產(chǎn)丁醇過程見圖2.由圖2a）可以看出，DRB液化上清液的初始pH值為6.18，總糖質量分數(shù)為7.36%.在40h內(nèi)pH值急劇下降到最低點，為4.68，這一階段是發(fā)酵代謝途徑的大量產(chǎn)酸期，總糖被消耗產(chǎn)生有機酸（丁酸、乙酸等），幾乎沒有溶劑生成（見圖2b））.由圖2還可以看出，40h后進入產(chǎn)溶劑階段，pH值上升，基本維持在5.30～6.00之間，有機酸轉化為溶劑，且溶劑的產(chǎn)生速度較快.發(fā)酵69h時，溶劑的質量濃度達到最大值，丙酮、乙醇、丁醇和總溶劑的質量濃度分別為7.11g/L，1.48g/L，14.03g/L和22.62g/L，此時總糖質量分數(shù)降低至0.64%，總糖利用率達到91.30%.

2.2植酸鹽的提取結果分析

DRB中植酸含量高，易與蛋白質結合影響蛋白質的溶出，并且，DRB中的色素與蛋白提取過程中的褐變反應均會影響米糠蛋白等的色澤[18].本文工藝中采用了提前分離植酸鹽的方法，能夠在很大程度上解決上述兩方面的問題[19].

本文所得的植酸鹽、米糠膳食纖維和米糠蛋白樣品的外觀如圖3所示.由圖3可以看出，植酸鹽樣品為白色粉末，米糠膳食纖維樣品為金黃色顆粒，米糠蛋白樣品為微黃色粉末.這表明按照本文描述的方法進行加工，過程中未發(fā)生嚴重的顏色反應，所得樣品的品相較好.

另一方面，常規(guī)的植酸鹽提取工藝一般直接采用酸浸法.在酸性條件下，DRB中的可溶性淀粉等雜質會隨著植酸鹽一起浸出，從而影響產(chǎn)品的純度和質量[20].本文工藝中，高溫α-淀粉酶的作用導致大量淀粉水解，既可增加后續(xù)植酸鹽的浸出率，又可提高產(chǎn)品的純度.植酸鹽相關國家標準和本文植酸鹽樣品指標見表1.由表1可知，本文提取的植酸鹽樣品中，P2O5含量達到39.77%，完全符合中國藥典藥用植酸鹽標準.

2.3米糠蛋白的提取結果分析

DRB和米糠蛋白中的氨基酸組成見表2.由表2可知，DRB中氨基酸的總含量為13.00%，而米糠蛋白樣品中的氨基酸得到了有效濃縮，其總含量達到63.32%.

米糠蛋白中的必需氨基酸組成見表3.由表3可知，本文提取的米糠蛋白樣品中的必需氨基酸組成符合

FAO/WHO（由聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織（FAO）和聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織（WHO）共同創(chuàng)建）推薦模式中2～5歲兒童的需求[21]，同時也與雞蛋蛋白中的氨基酸組成基本相當.米糠蛋白是已知的谷物蛋白中過敏性最低的蛋白質[22]，其消化率在90%以上，因此，米糠蛋白非常適合添加到兒童食品中.

2.4米糠膳食纖維的提取結果分析

跟酸堿法提取工藝相比，酶法提取膳食纖維得率較高，且膳食纖維產(chǎn)品的持水力、持油力和膨脹力均得到了提高[23].經(jīng)過液化酶、糖化酶和堿性蛋白酶的作用，本文提取的米糠膳食纖維純度達到了72.00%，可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品當中.

2.5物料衡算結果

為了計算原料的消耗量以及各種中間產(chǎn)物、副產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的產(chǎn)量，明晰生產(chǎn)過程中各個階段的組成與消耗，進而為其他工藝和設備計算打下基礎，本文通過物料衡算對工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，進一步梳理DRB的綜合利用過程，結果如圖4所示.由圖4可以看出，適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維;所得產(chǎn)物中，溶劑總質量濃度達22.62g/L，米糠蛋白提取率為12.11%，米糠膳食纖維提取率為25.00%，植酸鹽提取率為6.20%.本實驗的整個工藝流程極大地提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟價值.

3結論

本文通過不同生產(chǎn)工藝的組合，對DRB綜合利用聯(lián)產(chǎn)得到了丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維，并對工藝流程的可行性和提取產(chǎn)物的性能進行了分析.結果表明：適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維.所得產(chǎn)物中，丁醇質量濃度為14.03g/L;植酸鹽為白色粉末，提取率6.20%，P2O5含量達到39.77%，符合中國藥典藥用植酸鹽標準;米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸總含量達63.32%，必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當，過敏性低，適合用作兒童食品的添加蛋白;米糠膳食纖維提取率25.00%，膳食纖維純度72.00%，可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品當中.

該工藝過程綜合考慮了各個產(chǎn)物的性質，避免了不同提取順序的產(chǎn)物相互之間產(chǎn)生影響，達到了梯級綜合利用的目的，提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟價值.所得相關產(chǎn)物（丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維）都得到了有效的濃縮，為市場化利用提供了技術支持.同時，DRB綜合利用過程的物料衡算結果也為DRB工業(yè)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支撐.

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