玉米精深加工及副產(chǎn)物的開發(fā)與綜合應(yīng)用

雷永偉，洪元芳，安艷霞，林順順，張 劍，李夢琴

(農(nóng)業(yè)部大宗糧食加工重點實驗室//河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

玉米是我國最主要的糧食作物之一，產(chǎn)量居世界第二。玉米可作為食用、飼料和工業(yè)的基礎(chǔ)原料,既屬于糧食作物,也屬于經(jīng)濟作物[1]。據(jù)報道2021年其產(chǎn)量已超過2.73億t。鮮玉米中含有獨特的核黃素、VE和VC、豐富的Fe、K、Ca等礦物質(zhì)及微量元素[2]。成熟后的玉米籽粒營養(yǎng)成分豐富，其中淀粉約69.8%、蛋白質(zhì)11.2%、纖維素2.32%、可溶性碳水化合物3.51%、戊聚糖4.93%、脂肪5.06%、其他約3.15%等[3]。經(jīng)不同的生產(chǎn)方法進行玉米深加工，可得到成千上萬種產(chǎn)品，用途已遍布于各個領(lǐng)域。隨著科技的迅猛發(fā)展，玉米深加工后得到的產(chǎn)品種類越來越多，應(yīng)用范圍更為廣闊，同時，加工獲取最終產(chǎn)品的工藝過程也越來越復(fù)雜，已不再局限于一次、二次的加工轉(zhuǎn)化，且產(chǎn)品的附加值也隨轉(zhuǎn)化的次數(shù)和深度的增加而大幅度的提升。玉米全身是寶，除含有豐富的基本營養(yǎng)成分外，在身體保健、血壓穩(wěn)定、肝臟保護、恢復(fù)疲勞等方面也具有良好的功效[4]。

近十年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對各類產(chǎn)品的需求不斷提高，極大地推進了玉米深加工行業(yè)的發(fā)展，尤其是國外先進技術(shù)和設(shè)備的逐步引入，使我國玉米深加工行業(yè)取得了一些進步。近些年玉米精深加工的占比逐年上升，例如2019-2020年期間對玉米加工的產(chǎn)能達1.25億t，獲得的玉米深加工產(chǎn)品有1 000余種，主要有玉米淀粉、淀粉糖、味精、檸檬酸、食用酒精和生物乙醇等產(chǎn)品[5]。在玉米精深加工獲取主產(chǎn)品的同時也有大量的副產(chǎn)物產(chǎn)生，加工后的副產(chǎn)物有玉米漿、玉米胚、玉米纖維及麩皮、蛋白粉和麩質(zhì)飼料等，副產(chǎn)物中含有脂類、蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素和礦物質(zhì)等多種組分，然而這些副產(chǎn)物大多數(shù)卻被當(dāng)作飼料被廉價出售或隨意堆放，沒有進一步的轉(zhuǎn)化與綜合開發(fā)利用，造成了寶貴資源的大量浪費，同時還造成了環(huán)境的污染。為此，對玉米深加工后的副產(chǎn)物、高值化轉(zhuǎn)化的途徑及用途進行綜合分析，以期為玉米產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后的發(fā)展提供新的思路。

1 玉米深加工后的產(chǎn)品分類

玉米深加工產(chǎn)品一般分為以下幾大類。

(1)淀粉糖類 例如飴糖、麥芽糖漿、果葡糖漿、結(jié)晶葡萄糖、全糖及各種低聚糖、糖醇等。

(2)變性淀粉類 例如糊精、α-淀粉、酸變性淀粉、氧化淀粉、交聯(lián)淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、陽離子淀粉、抗性淀粉、淀粉基脂肪代用品、接枝淀粉及各種復(fù)合變性淀粉等。

(3)發(fā)酵制品類 例如酵母、酒精、甘油、丙酮、丁醇、檸檬酸、葡萄糖酸、味精、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、黃原膠、茁霉多糖、環(huán)狀糊精、酶制劑、單細胞蛋白、紅曲色素、抗菌素等。

(4)進一步深加工產(chǎn)品 例如VC、淀粉降解塑料、乳酸鈣、乳酸乙酯、酵母提取物或各種食品添加劑等。

此外，飼料也是玉米加工的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。

2 玉米深加工后副產(chǎn)物的利用

目前，玉米深加工主要是提取淀粉和發(fā)酵生產(chǎn)酒精，加工生產(chǎn)中主產(chǎn)物主要是利用玉米胚乳部分。玉米淀粉的生產(chǎn)通常有濕法和干法兩種，常見的是濕法加工工藝。濕法加工的最大優(yōu)勢是將玉米的各個組分進行有效的分離，后續(xù)根據(jù)各組分的特性進一步的開發(fā)利用，有利于提高玉米的綜合利用價值，大幅度地提高玉米的綜合加工水平。玉米淀粉生產(chǎn)的副產(chǎn)物主要有玉米漿(浸泡液)、玉米胚、玉米纖維、蛋白粉等。接下來以上述副產(chǎn)物為例，分別探討當(dāng)前的利用現(xiàn)狀及開發(fā)前景。

2.1 玉米漿

玉米漿是玉米淀粉濕法加工中的副產(chǎn)物之一，富含糖類物質(zhì)、可溶性蛋白質(zhì)、多種氨基酸、多肽、脂肪酸、維生素、肌醇及其他有機化合物等[6]。玉米漿中蛋白質(zhì)含量44%～48%(干基)，酸含量以乳酸量表示，約為25%，灰分中主要含K、Mg、Ca、Fe、P等無機元素[3]。由于玉米漿中有機物含量高，營養(yǎng)豐富，常作為營養(yǎng)源被應(yīng)用于微生物的發(fā)酵工業(yè)中。實際生產(chǎn)中，為了儲運便捷，通常將其濃縮至固形物70%左右。

李桐徽[7]以玉米黃漿水為培養(yǎng)基主要原料，以深黃被孢霉YZ-124為菌株，對發(fā)酵法生產(chǎn)花生四烯酸的條件進行了探索，結(jié)果表明發(fā)酵罐溫度28℃，發(fā)酵7 d，采用50%的分批補料方式，花生四烯酸的產(chǎn)量高達3.22 g/L。李小雨等[8]研究表明糖蜜中總糖量高達49.38%，黃漿水含充足的礦物質(zhì)元素，二者混合后作為發(fā)酵原料生產(chǎn)單細胞蛋白，只需添入少量的氮源，采用白地霉與熱帶假絲酵母菌種(1∶1)在黃漿水∶糖蜜(1∶1)的發(fā)酵液100 ml中發(fā)酵，總接種量為10%所得的單細胞蛋白干物質(zhì)質(zhì)量為5.87 g，其中蛋白質(zhì)含量高達1.78 g/100 ml。李晶等[9]用玉米漿發(fā)酵液代替了傳統(tǒng)培養(yǎng)基質(zhì)中的氮源，研究其對杏鮑菇菌絲生長的影響，發(fā)現(xiàn)在該培養(yǎng)基條件下杏鮑菇的菌絲生長速度、長勢、生物量、生長指數(shù)均表現(xiàn)優(yōu)良，且其生長周期縮短了10～14 d，產(chǎn)量增加了6.46%，生物學(xué)效率高達99.20%。

2.2 玉米胚

胚被譽為為“生命之源”，同時也是很好的油料來源，國際上胚芽油被視為極有營養(yǎng)價值的保健類油脂之一，玉米胚相比小麥胚在形態(tài)上而言，外形尺寸比較大，便于后續(xù)的加工使用。玉米胚主要含有蛋白質(zhì)和油脂，其中玉米胚蛋白中的清蛋白和球蛋白約占60%，氨基酸組成合理，滿足WHO對全價蛋白質(zhì)的要求，生物學(xué)價值可與雞蛋與牛奶相媲美[10]；玉米胚油中不飽和脂肪酸含量高達80%以上，其中50%以上屬于人體必需的亞油酸。維生素E含量僅稍低于麥胚油，可以稱之為良好的食用油料資源[11-13]，另外玉米胚油中甾醇含量高[14]。值得一提的是玉米胚提取油脂后余下的玉米餅可作為副產(chǎn)物再利用。

優(yōu)質(zhì)玉米胚也可用于餅干、面包、糕點等烘培類食品及其他食品中[15]。玉米胚來源廣、量大、易獲得，且價格便宜、營養(yǎng)豐富，同時可以開發(fā)成多種功能性食品等。隨著健康理念的不斷提升及對玉米胚營養(yǎng)價值認識的提高，以玉米胚為原料開發(fā)的產(chǎn)品前景廣闊[16]。

2.3 玉米麩皮及纖維

玉米麩皮(纖維)是玉米淀粉濕法加工中的主要副產(chǎn)物之一，具有抗氧化性能、凝膠性能等功能特性[17]。玉米麩皮主要是來自玉米的皮層，屬于木質(zhì)纖維素材料的范疇，含有復(fù)雜的碳水化合物聚合物成分，例如纖維素(20%)、半纖維素(30%～50%)、淀粉(9%～23%)、蛋白質(zhì)(3%～6%)、粗脂肪(2%～3%)、木質(zhì)素(1%～3%)和酚酸(約4%，主要為阿魏酸和二芥酸)[18]；此外，還含有礦物質(zhì)和黃烷-3-醇等。相關(guān)研究表明玉米麩皮中還含有黃酮類物質(zhì)，例如花青素等[19]。

目前，玉米麩皮主要用于飼料工業(yè)，另外，玉米麩皮膳食纖維在主食、烘培食品、肉制品以及飲品中的應(yīng)用研究較為廣泛，但其在調(diào)味料以及酒類等其他食品領(lǐng)域中的應(yīng)用報道較少。

2.3.1主食中的應(yīng)用

將玉米麩皮膳食纖維(簡稱玉米纖維)應(yīng)用于饅頭、餃子皮和面條等面制品中，添加后面制品的質(zhì)構(gòu)，口感、色澤均有不通程度的改善，此外可賦予面制品良好的營養(yǎng)性能和保健功能。張志遠等[20]利用響應(yīng)面法優(yōu)化了面條的加工工藝，結(jié)果表明，當(dāng)玉米麩皮膳食纖維添加量為6%時，通過兩段擠出法制備出的玉米高膳食纖維面條口感和色澤最佳。

2.3.2烘焙類食品中的應(yīng)用

相關(guān)研究表明，添加玉米膳食纖維后對烘培類產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和口感有一定程度的影響。趙欣[21]在高膳食纖維酥性餅干的研究中，對玉米纖維進行高壓蒸煮預(yù)處理，以獲取高品質(zhì)的玉米膳食纖維，結(jié)果表明高壓預(yù)處理后的玉米纖維使用量為15%(粒度為0.154 mm)，疏松劑為0.4%，乳化劑為0.3%時，制備的玉米膳食纖維酥性餅干口感酥松、風(fēng)味正宗、品質(zhì)良好。

2.3.3肉類食品中的應(yīng)用

玉米纖維除了應(yīng)用于小麥粉類食品，還可當(dāng)作輔料用于肉類食品中，可改善肉類食品的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)，如增強彈性、硬度、咀嚼度等性能。張園園[22]將玉米纖維添加于魚糜中制備纖維魚丸，結(jié)果表明，添加纖維后魚丸的質(zhì)構(gòu)變得緊密，彈性有明顯提高，但添加量持續(xù)增加則導(dǎo)致魚丸的色澤和光澤逐步變差，優(yōu)化后的工藝為玉米纖維添加量為4%時制取的魚丸感官評定分?jǐn)?shù)最高。

2.3.4飲品中的應(yīng)用

膳食纖維除了在面制品和肉品中有應(yīng)用，在飲品中也有一定的應(yīng)用。相關(guān)研究表明，膳食纖維的添加對飲品的黏稠度、沉淀、穩(wěn)定性能及口感等有一定程度的影響。李俠等[23]將2%玉米膳食纖維添加于含30%蘋果的蘋果汁中，在白糖添加量8%，檸檬酸為0.3%時，口感和風(fēng)味最佳。李晶[24]探索了玉米麩皮水溶性膳食纖維(SDF)在飲料及果汁中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，SDF在調(diào)配型乳飲料中的添加量為1%～7%，在發(fā)酵型乳飲料中為1%～5%，在果汁中的適宜添加量為1%～8%時，三種飲品體系均呈現(xiàn)穩(wěn)定性好、黏度低等特點，且產(chǎn)品具有清爽的口感和透明度。

2.4 玉米蛋白粉

玉米蛋白粉又稱之為“玉米麩質(zhì)粉”，是玉米通過濕磨法獲得的粗淀粉乳經(jīng)分離后得到的蛋白質(zhì)溶液(即麩質(zhì)水)，通過離心或氣浮選法濃縮、脫水干燥后的物質(zhì)。玉米蛋白粉中蛋白質(zhì)含量較高(60%～75%)，可用作植物或動物蛋白的替代品[25]。但玉米蛋白粉除了含大量的蛋白質(zhì)外，還含一定量的淀粉和纖維素，并且還含有類胡蘿卜素，約為200～400 μg/g，主要有玉米黃色素、β-胡蘿卜素、葉黃素、α-胡蘿卜素、新黃質(zhì)及金蓮花黃素等成分[26]。

2.4.1玉米黃色素

玉米黃色素屬于脂溶性色素，由玉米黃質(zhì)、隱黃素和葉黃素等類胡蘿卜素組分組成，歸于異戊二烯類物質(zhì)，是人體必需的一類化合物之一。攝入后，在人體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為VA。VA對保護視力、促進人體生長及發(fā)育和提高免疫有一定的促進作用。玉米黃色素提取方法主要有溶劑萃取法、酶解輔助提取法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法、超臨界CO2萃取法、樹脂純化法及高速逆流色譜法等。例如David等[27]采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)，對玉米蛋白進行脫色的同時把黃色素提取出來了，效果極為顯著。

2.4.2玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是玉米籽粒中最主要蛋白組分，具有良好的韌性、疏水性、可降解性和抗菌性能等，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、紡織和造紙等工業(yè)。醇溶蛋白可作為膜制劑，即以噴霧的方式在食品表面形成一個涂層，可防潮、防氧化，從而延長食品的貨架期。此外，如果噴灑在水果上，還可增加水果的光澤[3]。醇溶蛋白的提取方法主要有乙醇法、異丙醇法和超臨界萃取法等。

2.4.3玉米蛋白發(fā)泡粉

蛋白發(fā)泡粉是食品加工中不可或缺的純天然食品添加劑之一，除增加蛋白質(zhì)營養(yǎng)成分外，還具有食品發(fā)泡、疏松、增白和乳化等功效，廣泛應(yīng)用于飲料、面包、糕點、冷飲等食品行業(yè)[3,28]。

傳統(tǒng)工藝：玉米蛋白粉→液化→水解→脫色→干燥→蛋白發(fā)泡粉

改進后工藝：玉米蛋白粉→清洗→浸泡→研磨→加淀粉酶、氯化鈣等液化→碘檢→離心分離→加氫氧化鈣水解→中和→脫色→脫臭→過濾→殺菌→干燥→成品

2.4.4玉米蛋白活性肽

玉米蛋白活性肽屬于植物蛋白肽的范疇，易被人體吸收，尤其適合腸胃不適者人群?？勺鳛榈鞍讖娀臓I養(yǎng)劑，制備運動訓(xùn)練用飲料及早餐飲料等高蛋白含量的飲料。

為了更好地實現(xiàn)玉米蛋白的功能特性，開發(fā)玉米蛋白產(chǎn)品，擴大在醫(yī)藥衛(wèi)生和食品加工中的應(yīng)用，玉米蛋白大分子需要進一步降解，經(jīng)定向酶切及特定小肽分離技術(shù)獲得的小分子多肽物質(zhì)，制備成可溶性肽，增加其附加值[29]。

生產(chǎn)工藝：玉米蛋白粉→蛋白酶水解→滅酶→離心分離→脫苦、脫臭→酶解液→調(diào)味→罐裝→殺菌→產(chǎn)品

2.4.5谷氨酸

谷氨酸在玉米蛋白中的含量高，因而玉米蛋白是生產(chǎn)谷氨酸或醬油的良好原料，也可用于生產(chǎn)味精[3]。

提取工藝：玉米蛋白粉→酸解→離子交換樹脂脫色→洗脫液→精制→谷氨酸樣品

3 存在的問題及展望

我國玉米淀粉加工行業(yè)起步較晚，改革開放以來發(fā)展較快，由弱逐步變強。與國外在加工設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)及工程化水平等方面相比，經(jīng)歷了跟跑、并跑等階段，目前部分設(shè)備及技術(shù)已達到了國際先進水平，以生物技術(shù)為代表的部分關(guān)鍵性技術(shù)甚至處于領(lǐng)跑地位，如今正向總體國際領(lǐng)先方向努力發(fā)展。在欣喜的同時，值得注意的是，在可預(yù)期的將來因原料供給和價格的波動，下游需求趨于穩(wěn)定，行業(yè)產(chǎn)能可能會出現(xiàn)階段性過剩局面，淀粉加工業(yè)將面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化等問題，進而對提升工藝和開發(fā)新產(chǎn)品等方面提出了更高的要求。工藝提升方面，重視新技術(shù)、新設(shè)備和新工藝的開發(fā)，尤其是新型酶制劑、微生物制劑、新的高效和節(jié)能裝置的應(yīng)用，同時在“數(shù)字中國建設(shè)”和“中國制造2025”的國家戰(zhàn)略下，伴隨物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等數(shù)字化和信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，在科技力量驅(qū)動下，自動化智能化生產(chǎn)已變成了一種可能，形成了“透明”玉米加工生產(chǎn)鏈，實現(xiàn)全過程可追溯的新情形；在新產(chǎn)品開發(fā)方面，加強功能性、營養(yǎng)性及市場化的淀粉和淀粉糖產(chǎn)品的研發(fā)力度，例如開發(fā)具有一定功效、低熱量、甜味與蔗糖接近的塔格糖、阿洛酮糖等產(chǎn)品。

總之，我國玉米加工業(yè)正面臨著革命性的技術(shù)改變，過去通常是化學(xué)的、機械的分離加工，如今借助現(xiàn)代分析技術(shù)例如高通量篩選、微生物組學(xué)、基因編輯、基因改造等技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，解決玉米精深加工過程中分離效率低、能耗高、附加值低和污水治理水平低等瓶頸問題，最終目的是達到分離組分的高值化利用、低碳環(huán)保和可再生資源的綠色可持續(xù)發(fā)展。隨著生物技術(shù)、系統(tǒng)工程優(yōu)化、數(shù)字化及智能化等先進技術(shù)與手段的引入，玉米精深加工業(yè)將在綠色環(huán)保和精益生產(chǎn)方面取得提升。