甘蔗廢糖蜜生產(chǎn)功能性多糖系列產(chǎn)品的探討

周 民

（安徽廣序生物科技有限公司，安徽 合肥 238000）

隨著糖鏈生物學功能的揭示與認識，糖生物學正成為一個新科學前沿，繼基因工程、蛋白質(zhì)工程之后，糖工程已成為引人注目的新生物技術(shù)學科，功能性多糖的研制是糖工程中的主要組成部分。低聚糖是由2~10個單糖分子通過糖苷鍵構(gòu)成的聚合物，功能性多糖由多種菌體含有胞外多糖和單糖與聚糖，根據(jù)糖苷鍵的不同而有不同的名稱，功能性多糖對人體具有有益功能。因此，稱為功能性多糖，作為新生理活性物質(zhì)，在疾病診斷與防治、營養(yǎng)與保健、植物生長與抗病和畜禽養(yǎng)殖等方面的應(yīng)用倍受關(guān)注。在國際上已經(jīng)成為一個利用基因工程、蛋白工程和糖工程等現(xiàn)代生物技術(shù)手段，并涉及醫(yī)學、化學、工程學、獸藥學和飼料營養(yǎng)學等學科，既是醫(yī)藥原料、食品添加劑、工業(yè)原料、農(nóng)業(yè)生長與病蟲害防治原材料，又是飼料抗生素替代品、飼料添加劑和飼料預(yù)混料。功能性低聚糖和多糖是糖工程的前沿技術(shù)產(chǎn)品，具有無耐抗、無殘留和無毒副的綠色環(huán)保作用。

1 甘蔗廢糖蜜生產(chǎn)功能性多糖

1.1 功能性多糖生產(chǎn)的制品

甘蔗廢糖蜜可以生產(chǎn)很多產(chǎn)品，包括醫(yī)藥原料、食品添加劑、化妝品原料、化工原料、工業(yè)原料、農(nóng)藥原料和飼料添加劑等。

甘蔗廢糖蜜具體的可以生產(chǎn)功能性多糖、菌種、菇蕈菌多糖、酵母多糖、雙歧桿菌多糖、乳酸菌多糖和菌絲多糖等。

功能性多糖主要分為醫(yī)藥級功能性多糖、食品級功能性多糖和飼料級功能性多糖。

1.2 功能性多糖的生產(chǎn)原料

1.2.1 碳源

甘蔗廢糖蜜是微生物發(fā)酵生產(chǎn)功能性多糖的廉價碳源，廢糖蜜濃度90%，含糖分50%，其中蔗糖35%~36%、還原糖13%~15%。還原糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖和麥芽糖，一般的情況下還原糖是指具有還原性的糖類。在糖類中，只要分子中含有游離醛基的二糖都具有還原性。因此，甘蔗廢糖蜜在生產(chǎn)前需要技術(shù)處理，使蔗糖轉(zhuǎn)化為還原糖，方便各類微生物菌株代謝和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。廢糖蜜作為微生物發(fā)酵碳源，通過微生物發(fā)酵、合成和轉(zhuǎn)化為功能性聚糖、單糖及多糖，廢糖蜜用量占配方總量的60%~80%。

1.2.2 氮源

以小麥胚芽粉、玉米漿干粉、動植物蛋白胨、酵母浸粉、豆粕粉、進口優(yōu)質(zhì)魚粉和牛肉浸膏為有機氮，并添加微量無機氮和微量元素。氮源用量占配方總量的20%~40%。

1.2.3 發(fā)酵原料的市場價格和預(yù)算

廢糖蜜市場價格約1200元/噸，發(fā)酵配方的原料廢糖蜜總量價值約為840元/噸；各種有機氮平均8000元/噸，發(fā)酵氮源配方的總量價值約為2400元/噸，則原料成本為3240~3500元/噸。

1.3 甘蔗廢糖蜜發(fā)酵產(chǎn)功能性多糖

1.3.1 甘蔗廢糖蜜發(fā)酵前處理

1.3.1.1 廢糖蜜稀釋絮凝沉淀法

甘蔗廢糖蜜是微生物發(fā)酵廉價的原料，發(fā)酵前必須稀釋、酸化、澄清和滅菌處理。由于廢糖蜜含糖量較高、多種成分復(fù)雜，并含有酚和黃酮類等抗氧化性成分，嚴重影響糖蜜深加工產(chǎn)品品質(zhì)。為了充分利用和研制出高附加值的新產(chǎn)品。需要有針對性地進行澄清處理和去除膠體、雜質(zhì)。廢糖蜜澄清處理分為稀釋、絮凝和酸解等工藝流程。廢糖蜜經(jīng)5~6倍稀釋后，添加稀酸和絮凝劑進行絮凝沉淀，再用高速離心機離心分離，收集上層清液。上層清液調(diào)整含固量20%~30%，然后在100℃條件下水浴，調(diào)整pH值至2~4.5進行酸解90min，使甘蔗廢糖蜜中蔗糖轉(zhuǎn)化為還原糖。最后，測定廢糖蜜澄清處理前后組分含量變化，并采用質(zhì)譜（GC/MS）檢測分析糖蜜澄清處理前后揮發(fā)性物質(zhì)組分變化。根據(jù)發(fā)酵碳氮正交配方設(shè)計參數(shù)，有計劃性選用廢糖蜜質(zhì)量為依據(jù)，使微生物發(fā)酵制品質(zhì)量具有穩(wěn)定性和保障性。

1.3.1.2 糖化酶酶法制造還原糖

糖化酶制還原糖法，發(fā)酵前將甘蔗廢糖蜜稀釋，高速離心機分離，取離心液，設(shè)定含固量、調(diào)整pH值和滅菌后，直接進入發(fā)酵和生產(chǎn)。為了發(fā)揮微生物發(fā)酵力學原理，選用產(chǎn)糖化酶的菌種將甘蔗廢糖蜜雜多糖轉(zhuǎn)化還原糖，使微生物菌株在發(fā)酵過程中更好的利用雜多糖，促進發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率提高，節(jié)省廢糖蜜發(fā)酵前的處理成本。以糖化酶法制造還原糖的技術(shù)，是在發(fā)酵同時進行，發(fā)酵技術(shù)條件要求嚴格。這種糖化酶酶法轉(zhuǎn)化還原糖的技術(shù)工藝，適合生產(chǎn)飼料級添加劑的制品，該種生產(chǎn)技術(shù)能夠提高發(fā)酵底物轉(zhuǎn)化率、回收率。

1.3.2 液態(tài)深層發(fā)酵技術(shù)

廢糖蜜生產(chǎn)功能性多糖是微生物液態(tài)深層發(fā)酵技術(shù)，是較為先進的生產(chǎn)技術(shù)，其特點是發(fā)酵周期短、勞動和生產(chǎn)效率高、勞動強度低、占地面積少和不用填充料等。它使我國古老的發(fā)酵工業(yè)朝著機械化、管道化、電子化和自動化生產(chǎn)方向前進了一大步，為實現(xiàn)發(fā)酵自動化創(chuàng)造了條件，也使我國發(fā)酵技術(shù)跟上了國際先進水平。

1.3.3 發(fā)酵后處理技術(shù)

1.3.3.1 分離脫水

液態(tài)發(fā)酵投入原料干物質(zhì)20%~30%，投入無離子水70%~80%，發(fā)酵結(jié)束時用離心機進行固液分離，將固渣和發(fā)酵液分開，分離渣干燥后即是粗蛋白飼料，發(fā)酵分離液即是功能性多糖，分離液需要后處理、脫水和干燥。

1.3.3.2 精提取

生產(chǎn)醫(yī)藥原料、食品添加劑、化學產(chǎn)品和農(nóng)藥原料等，需要精提取，要求發(fā)酵液精提取設(shè)備加以處理。

1.3.3.3 粗提取

生產(chǎn)飼料級抗生素、添加劑，發(fā)酵液不需要精提取，直接濃縮、干燥、粉碎和包裝即是飼料級抗生素替代品。

1.3.4 功能性多糖發(fā)酵回收率

1.3.4.1 醫(yī)藥級或食品級功能性多糖發(fā)酵回收率

醫(yī)藥級或食品級功能性多糖是單株菌種發(fā)酵，單株菌發(fā)酵產(chǎn)一個品種功能性多糖，發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化率、回收率，配方原料總量的4%~8%。因為發(fā)酵后處理、分離提取和純化工藝中，消耗許多其它的有效物質(zhì)。所以，單株菌發(fā)酵產(chǎn)單一品種多糖的轉(zhuǎn)化率、回收率較低，但是，醫(yī)藥級或食品級功能性多糖市場附加值較高。

1.3.4.2 飼料級復(fù)合功能性多糖發(fā)酵回收率

一個產(chǎn)品含有多種功能性多糖，基本是3~8株菌種以上，混菌發(fā)酵產(chǎn)3~8種功能性多糖的產(chǎn)品，混菌發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化率和回收率比單株菌種發(fā)酵回收率高一倍以上。這種發(fā)酵生產(chǎn)的功能性多糖適用于飼料級添加劑，統(tǒng)稱為飼料級復(fù)合功能性多糖，其功效與作用是飼料抗生素替代品。飼料級復(fù)合功能性多糖的發(fā)酵和生產(chǎn)后處理不需要純化，其中蛋白質(zhì)、多種酶成分、小肽、雜多糖、多種維生素及其它有效物質(zhì)保留下來，使發(fā)酵回收率達到20%~50%，因此，飼料級復(fù)合功能性多糖市場附加值很高，不亞于醫(yī)藥級市場價格。

1.4 功能性多糖生產(chǎn)工藝流程

功能性多糖生產(chǎn)工藝流程圖，如圖1所示。其中飼料級功能性多糖生產(chǎn)工藝流程短，成本低、能耗低、回收率高、產(chǎn)能回報高而且市場附加值也很高。高純度功能性多糖是單一品種功能糖，生產(chǎn)工藝流程長、工藝復(fù)雜、成本高、能耗高和回收率低等。

圖1 功能性多糖生產(chǎn)工藝流程圖

1.5 環(huán)保型生產(chǎn)技術(shù)工藝

1.5.1 環(huán)境無污染

系列制品為微生物液態(tài)深層發(fā)酵工藝，發(fā)酵原料要求高溫121℃，滅菌30min，環(huán)境無污染。

1.5.2 無廢水排放排出廢水通過3次膜過濾、脫鹽、活性炭過濾和濃縮，均為無色、無離子的純水，可循環(huán)利用，無廢水排放。

1.5.3 無廢渣排放

每批次液態(tài)發(fā)酵出罐液料通過離心機分離，濾渣進入干燥設(shè)備干燥粉碎后就是粗蛋白飼料，無廢渣排放。

1.5.4 無廢汽排放

每批次液態(tài)發(fā)酵和生產(chǎn)所用的鍋爐蒸汽排出的余汽，進入循環(huán)供熱干燥設(shè)備內(nèi)，供熱干燥利用，無廢汽排放。

1.5.5 無毒副作用

系列制品無耐抗、無殘留和無毒副作用，是綠色環(huán)保型生產(chǎn)技術(shù)工藝。

1.6 功能性多糖生產(chǎn)質(zhì)量

1.6.1 醫(yī)藥級功能性多糖質(zhì)量

醫(yī)藥級功能性多糖，基本無致害重金屬和致病菌，純度99%以上，為無色、透明晶體或者白色粉狀。

1.6.2 食品級功能性多糖質(zhì)量

食品級功能性多糖，基本無致害重金屬和致病菌，純度80%~90%，有棕色、淡棕色、微棕紅色和淺灰色粉狀等。

1.6.3 飼料級功能性多糖質(zhì)量

飼料級功能性多糖，基本無致害重金屬和致病菌，純度70%~80%，有棕紅色、棕黃色粉狀等。

1.7 功能性多糖的生產(chǎn)技術(shù)定位

1.7.1 單一功能性多糖

我國市場功能性多糖都是單一品種，凡是單一品種的功能性多糖是選用1株菌種，發(fā)酵產(chǎn)一種功能糖，或用2~3株菌種發(fā)酵產(chǎn)一種功能糖，統(tǒng)稱為單一功能糖產(chǎn)品。一般的發(fā)酵產(chǎn)一種功能性多糖的制品，適用于醫(yī)藥原料、食品添加劑和農(nóng)藥原料。雖然產(chǎn)品市場附加值高，但是，發(fā)酵后處理工藝復(fù)雜、設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本高且產(chǎn)品回收率低，市場需求量不確定，市場營銷壓力大。

1.7.2 飼料級復(fù)合功能性多糖

根據(jù)功能性多糖的功效與作用，甄選3~5株菌種或5~8株菌種發(fā)酵，產(chǎn)3~5種或5~8種功能性多糖，統(tǒng)稱為復(fù)合功能性多糖，這種復(fù)合功能性多糖適合飼料級抗生素替代品的用途，我國市場處于空白狀態(tài)。由于復(fù)合功能性多糖成分多、功效多和互補性強，其功效性與作用得在實踐中體現(xiàn)。因此，飼料級復(fù)合功能性多糖市場附加值不亞于醫(yī)藥級抗生素。

1.7.3 混菌發(fā)酵

我國科研院所和高等院校相關(guān)專業(yè)，針對混菌發(fā)酵技術(shù)論文和理論基礎(chǔ)相對空白。國內(nèi)許多重點醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)相關(guān)混菌發(fā)酵產(chǎn)品市場極少。廢糖蜜生產(chǎn)飼料級復(fù)合功能性多糖是混菌發(fā)酵制品，生產(chǎn)技術(shù)的定位決定了產(chǎn)品市場、生產(chǎn)科技、企業(yè)技術(shù)隊伍、市場發(fā)展和企業(yè)發(fā)展的定位。

2 飼料級復(fù)合功能性多糖

2.1 飼料抗生素市場發(fā)展形勢

我國飼料級抗生素市場年需求量突破10萬噸以上，在2020年飼料行業(yè)全面“禁抗”的政策得到落實執(zhí)行后，中草藥制成的飼料級抗生素年生產(chǎn)量不足10%的允許繼續(xù)生產(chǎn)銷售外，90%的飼料級抗生素有耐抗、有殘留和有毒副作用將被嚴禁生產(chǎn)上市。因此，我國無耐抗、無殘留和無毒副作用的飼料級抗生素市場空前緊缺。無毒副作用的飼料級抗生素進入“后抗生素時代”。

甘蔗廢糖蜜是微生物發(fā)酵碳源的原料，根據(jù)甘蔗廢糖蜜所含成分和質(zhì)量，可以生產(chǎn)醫(yī)藥原料、食品添加劑、化工產(chǎn)品、工業(yè)原料和農(nóng)藥制品等。特別是生產(chǎn)無毒副作用的飼料級復(fù)合功能性多糖替代抗生素的市場看好。

2.2 飼料級復(fù)合功能性多糖適用性

飼料級復(fù)合功能性多糖應(yīng)用在飼料添加劑即預(yù)混料上，功能性多糖純化度70%以上，其中有蛋白質(zhì)、小肽、氨基酸、酶制劑、維生素、雜多糖、微量元素、生物素以及其它有效成分占比20%~30%。作為飼用抗生素替代品，這些有機成分未被處理，具有多種功效性、互補性、綜合性和適用性。

2.3 畜禽水產(chǎn)動物疾病防治問題

目前，我國養(yǎng)殖生產(chǎn)面臨的一個主要問題，畜禽水產(chǎn)動物疾病沒有得到有效的預(yù)防和控制，以致不能最大限度地發(fā)揮動物品種和飼料的生產(chǎn)潛力。據(jù)統(tǒng)計，我國畜禽的死亡率在8%~20%，遠遠高于世界平均水平。其中細菌及病毒性疾病是危害養(yǎng)殖業(yè)的大敵。近年來流行的豬、雞的免疫抑制性病毒感染使得這一問題更加復(fù)雜化。以養(yǎng)豬生產(chǎn)為例，豬繁殖與呼吸道綜合癥PRRS病毒，豬Ⅱ型圓環(huán)病毒等免疫抑制性病毒感染，導(dǎo)致的斷奶后多系統(tǒng)衰竭綜合癥，使得繼發(fā)性的感染此起彼伏。禽業(yè)馬立克MD、傳染性法氏囊IBD和雞傳染性貧血CIA等免疫抑制性病毒的普遍感染，已成為影響?zhàn)B雞生產(chǎn)的重要疾病。對于免疫抑制性病毒病，如何選擇合適的藥物治療一直是令養(yǎng)殖業(yè)者頭疼的問題。飼料級復(fù)合功能性多糖是一種新型綠色飼料級添加劑，其功能與作用是抗生素替代品。功能性多糖耐溫優(yōu)勝于酶制劑。飼料級復(fù)合功能性多糖是“后抗生素時代”飼料抗生素替代品。

2.4 種類和作用

2.4.1 飼料級復(fù)合功能性多糖種類

飼料級功能性多糖含有核糖、半乳糖、低聚半乳糖、低聚葡萄糖、低聚糖、胞外多糖、海藻糖和糖苷等。

2.4.2 防病治病的作用

在畜禽水產(chǎn)動物體內(nèi)消化代謝的途徑，飼料級功能性多糖有改善動物消化道菌群結(jié)構(gòu)、提高機體免疫力、促進消化道發(fā)育和增強動物消化吸收能力四個方面的作用，在家禽、豬、反芻動物和水產(chǎn)生產(chǎn)中的應(yīng)用效果顯著，為精粗飼料添加復(fù)合功能性多糖的未來提供了發(fā)展方向，根據(jù)飼料級復(fù)合功能性多糖的功效特性，具有抗菌、抗病毒、抗炎癥、抗癌和抗腫瘤的功效，對畜禽水產(chǎn)動物呼吸道疾病、消化道疾病和腸道傳染性疾病有防治作用，對飼料營養(yǎng)轉(zhuǎn)化、提高料肉比和料蛋比效果顯著。我國已有許多專家應(yīng)用實驗對比記錄的報道，取得可喜的進展。飼料級復(fù)合功能性多糖在國內(nèi)市場應(yīng)用是空白的，需要更多的應(yīng)用、試驗、對比和驗證與科學的鑒定。

2.4.3 飼料添加劑的作用

第一，降解重金屬、氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫和藥物殘留等有毒物質(zhì)，減少其對養(yǎng)殖動物的毒害。

第二，強力誘食，增加食欲，補充魚必須的營養(yǎng)物質(zhì)，促進魚健康生長。

第三，增強機體的抗病力和免疫力，提高飼料利用率。

第四，預(yù)防應(yīng)激，提高免疫力，增強對臺風、暴雨、氣溫驟變、轉(zhuǎn)池和運輸?shù)拳h(huán)境脅迫時的抗應(yīng)激能力。

第五，保護肝臟，促進營養(yǎng)轉(zhuǎn)化率。減少體內(nèi)病原菌，減輕肝臟負擔，增強肝臟營養(yǎng)代謝功能。

第六，功能性多糖具有增強動物免疫力、降低疾病死亡率和促進生長等作用。

2.5 飼料級復(fù)合功能性多糖的市場情況

2.5.1 部分功能性多糖市場價格動態(tài)信息

部分功能性多糖市場價格動態(tài)信息表，如表1所示。

表1 部分功能性多糖市場價格動態(tài)信息表

2.5.2 飼料級復(fù)合功能性多糖市場預(yù)算定價

保守預(yù)算銷售定價3萬元/噸，銷售定價空間很大。

2.5.3 飼料級復(fù)合功能性多糖差異化優(yōu)勢

每一種糖為單一品種的產(chǎn)品，將多個單一品種生產(chǎn)菌種混合發(fā)酵，即是飼料級復(fù)合功能性多糖，適用于飼料抗生素替代品。飼料級復(fù)合功能性多糖功效與作用互補性強，比單一品種功能糖的功效提高一倍以上，飼料級復(fù)合功能性多糖市場附加值也提高一倍以上。

3 菇蕈菌多糖

3.1 菇蕈菌多糖種類

菇蕈菌多糖包含有香菇多糖、靈芝多糖、松茸菌多糖、羊肚菌多糖、牛肝菌多糖和蛹蟲草菌多糖等。

3.2 菇蕈菌多糖的功效與前景

菇蕈菌多糖具有預(yù)防疾病、抗菌、抗病毒、消炎、抗癌、抗氧化、抗自由基、益腎和護肝等多種功效。

應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥、獸藥和飼料抗生素等多種領(lǐng)域，我國動物養(yǎng)殖應(yīng)用研究剛起步。菇蕈菌多糖是飼料級“后抗生素時代”替代品，市場應(yīng)用前景廣闊。

4 其它多種功能糖

4.1 其它多種功能糖種類

其它功能多糖包含有酵母多糖、雙歧桿菌多糖、乳酸菌多糖、真菌多糖和菌絲多糖等。

4.2 飼料級微生態(tài)制劑的作用

其它功能性多糖具有防治腹瀉的作用，動物腹瀉時腸道菌群會發(fā)生紊亂，雙歧桿菌的數(shù)量明顯下降，并且還會使腸道內(nèi)失去厭氧菌的屏障和拮抗作用，利于外襲病原的侵襲。無論是急性或慢性腹瀉，還是病毒性或細菌性腹瀉，都會使存在于腸道中的有益厭氧菌群明顯減少，腸道菌群嚴重失衡。微生態(tài)制劑功能性多糖采用雙歧桿菌、多糖的乳酸桿菌和酵母多糖等微生態(tài)調(diào)節(jié)劑療法，可迅速提高腸道厭氧菌數(shù)量，促進腹瀉治愈。

4.3 綜合作用

第一，抑制腸道有害菌，促進有益菌的繁殖。飼喂后，糞便中大腸桿菌等有害菌的數(shù)量減少至原來的5%~15%，雙歧桿菌等有益菌的數(shù)量增長8~10倍。海參、蝦蟹等育苗和保苗過程潑水外用，可明顯促進苗種開胃、攝食。

第二，保護動物肝臟，促進機體生長。飼喂后，腸道內(nèi)毒素含量減少47.5%~73%，從而降低了肝臟的解毒負擔，動物的增重可提高15%~20%。

第三，增強免疫，提高免疫力。畜禽水產(chǎn)動物飼喂后，能增加機體免疫細胞的數(shù)量并提高其免疫活性。

第四，減少糞便臭味，減少氨氣和磷元素的排放，改善水環(huán)境。

第五，調(diào)節(jié)動物腸道微生態(tài)平衡、有益菌代謝產(chǎn)生的未知促生長因子，加快生長速度，提高產(chǎn)量。

第六，提高飼料報酬。多種維生素與有益菌的配伍，提高腸道消化體系，使飼料得以徹底分解和充分吸收，可大幅節(jié)省飼料，提高料肉比和料蛋比。

5 結(jié)束語

“十四五”發(fā)展規(guī)劃，從國家層面，到省、市、縣各級政府都高度重視制糖行業(yè)發(fā)展，加大資金投入，組織技術(shù)攻關(guān)，延長制糖行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)產(chǎn)品多元化，增加產(chǎn)品附加值，提高企業(yè)市場競爭力，把制糖企業(yè)做強做大。其中在廢蜜深加工方面，可生產(chǎn)醫(yī)藥原料、食品添加劑和化妝品原料等多種產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)含量高，市場廣闊，將是制糖企業(yè)“第二次創(chuàng)業(yè)”創(chuàng)新的優(yōu)選項目。