粉碎及酶处理对啤酒糟理化特性的影响*

张麟，蔡国林，高献礼，陆健，5

1(江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡，214122)2(江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏 无锡，214122)3(啤酒生物发酵工程国家重点实验室，山东 青岛，266023)4(江南大学生物工程学院，江苏 无锡，214122)5(宿迁市江南大学产业技术研究院，江苏 宿迁，223800)

啤酒糟(brewer’s spent grain，BSG)是啤酒生产过程中产量最大的副产品，是麦芽经糖化后过滤剩余的滤渣，含有麦芽的外壳和残留的胚乳，富含纤维素、阿拉伯木聚糖、木质素和蛋白质。干燥后的啤酒糟中纤维素含量在17%左右，非纤维素多糖(主要是阿拉伯木聚糖)含量在28%左右，木质素含量在28%左右，粗蛋白含量在20%左右［1-3］，是一种潜在的蛋白质饲料原料。2012 年我国年产啤酒4 902 万kL，啤酒糟约500 万t。虽然啤酒糟产量丰富，但现阶段尚未实现啤酒糟的高值化利用，大部分啤酒厂以低价格出售，用作反刍动物的饲料;还有部分啤酒厂则直接当废弃物排放，不但浪费了蛋白质资源，还对环境造成了严重的影响［4-6］。

和优质蛋白饲料鱼粉、豆粕相比，啤酒糟的蛋白含量低、蛋白质不容易被消化、吸收，赖氨酸和精氨酸含量低，并且还存在大量抗营养因子，如纤维素和半纤维素，影响动物对营养物质的吸收利用。为了提高啤酒糟的附加值，研究人员进行了大量的探索，如以啤酒糟发酵制备酶制剂，添加微生态制剂制备发酵饲料［7］，液态酶解提取制备蛋白质或多肽［8］等，由于啤酒糟结构复杂，生物利用度低，导致生产成本高，且存在市场容量等限制因素尚未实现大规模的生产应用。本研究通过不同机械方法对啤酒糟进行预处理，研究机械预处理对酒糟生物利用度的影响，同时，采用组分分级技术，将纤维素、蛋白质初步富集分离，以期为后续的的全组分利用提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样品

啤酒糟由青岛啤酒上海松江有限公司提供。

1.1.2 实验所用主要试剂

中性蛋白酶(MAXAZYME NNP DS)、纤维素酶(Validase TRL)和木聚糖酶(BAKEZYME BXP 5001 BG)，由帝斯曼(中国)有限公司提供;NaOH、KOH、H2SO4、葡萄糖、木糖、CuSO4、K2SO4等，均为国产分析纯产品。

1.1.3 仪器与设备

Q-150A3 刀片粉碎机，上海冰都电器有限公司;XQM-2L 实验行星球磨机，长沙天创粉末技术有限公司;H1850R 台式高速冷冻离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司;KjeItec2300 凯氏定氮仪，瑞典FOSS分析仪器有限公司;UV-2100 紫外分光光度计，尤尼柯(上海)仪器有限公司;MICROTRAC S3500 激光粒度分析仪，美国Microtrac 公司。

1.2 啤酒糟的预处理

含水量为60%左右的啤酒糟经过60℃干燥成为啤酒糟原样。机械预处理方式为刀片粉碎和球磨机研磨，200 g 样品刀片粉碎5 min，50g 样品球磨处理3 min。

啤酒糟粉碎分级:经过刀片粉碎的啤酒糟用60目筛筛分，获得不能通过60 目筛(Max60)和能通过60 目筛(Min60)的2 个组分。

1.3 粒径分布

粒径分布的测定:MICROTRAC 激光粒度分析仪测定。

1.4 粗纤维含量

粗纤维含量的测定:按照GB/T 5009.10 -2003植物类食品中粗纤维的测定［9］。

1.5 粗蛋白含量

粗蛋白含量的测定:FOSS 全自动凯式定氮仪Kjeltec 2300 测定［10］。

1.6 多肽含量测定

参考GB/T22492 -2008 测定啤酒糟中肽的含量［11］。

1.7 还原糖、水溶性总糖测定

还原糖测定:采用DNS 比色法;总糖测定:采用硫酸-苯酚法测定总糖含量［12］。

1.8 水溶性蛋白浓度

水溶性蛋白浓度测定:采用考马斯亮蓝法测定水溶性蛋白浓度［13］。

1.9 酶解实验

纤维素酶解:500U 纤维素酶Validase TRL 用0.05 mol/L pH5.5 的柠檬酸缓冲液定容到250 mL 容量瓶中，取20 mL 稀释酶液加入到0.5 g 样品中，于37℃酶解1 h。

木聚糖酶解:1 000U 木聚糖酶BAKEZYME BXP 5001 BG 用0.1 mol/L pH5.5 的醋酸缓冲液定容到250 mL 容量瓶中，取20 mL 稀释酶液加入到0.5 g 样品中，于50℃酶解1 h。

中性蛋白酶酶解:10 000U 中性蛋白酶MAXAZYME NNP DS 用0.1 mol/L pH7.2 的磷酸缓冲液定容到250 mL 容量瓶中，取20 mL 加入0.5 g 样品中，于40℃酶解1 h。

2 结果与讨论

2.1 机械预处理对啤酒糟粒径分布变化的影响

未经机械处理的啤酒糟基本保持了麦芽的形状，呈梭形、长8 ～12 mm、直径3 ～4 mm。不同机械预处理后的酒糟样品的粒径分布如图1 所示。从图1(a)可以看出，经过机械处理后酒糟颗粒明显变小，刀片式粉碎的样品主要粒径分布集中在300 ～1 000 μm，而经过球磨粉碎的酒糟，95%的粒径小于490 μm，50%粒径都小于120 μm，甚至达到了微米尺度。由于细小颗粒倾向于聚集在一起，因此测得的粒子大小的值可能比实际值偏大，经过球磨的谷物糠麸颗粒集中在10 ～200 μm 的范围内分布。从图1(b)可以看出，刀片粉碎过筛能通过60 目(Min60)的啤酒糟的粒径主要分布在250 μm 范围内，且粒径分布相对其他样品比较集中。刀片粉碎过筛不能通过60 目(Max60)的啤酒糟粒径分布在300 ～1 000 μm。通过机械预处理后，啤酒糟的粒径减小，理论上酶接触有效表面积增大，可以提高酶水解的效率。

图1 不同预处理方式下啤酒糟样品的粒径分布(a)和刀片粉碎筛分后啤酒糟样品的粒径分布(b)Fig.1 Particle size distributions of BSG samples milled with different types of mills (a)and particle size distributions of BSG samples milled by blade grinding with different composition grading (b)

2.2 机械预处理对啤酒糟粗纤维含量变化的影响

机械处理对酒糟粗纤维含量的影响如图2 所示，可以看出机械预处理后粗纤维含量降低约34%，但刀片粉碎和球磨研磨之间的差异不明显。机械处理过程中的剪切力和摩擦力将纤维素撕扯得更小，而半纤维素对热是最为敏感的［14-15］，机械处理过程中的热能将木聚糖分子的侧链和主链降解［16］，半纤维素的降解导致纤维素-半纤维素-木质素网络结构的刚性下降，它们之间的连接被破坏，纤维素的结晶度降低，并和半纤维素从木质素的网络中释放出来，从而导致粗纤维含量降低。Max60的粗纤维含量明显高于Min60，纤维类物质不容易被机械破碎，粒径较大，筛分过程将粒径大的啤酒糟截留，而纤维素、半纤维素和木质素都集中在粒径较大的啤酒糟中，该筛分技术可以初步实现纤维素、半纤维素和木质素的富集分离。

图2 不同预处理方式对啤酒糟样品中粗纤维含量变化的影响Fig.2 Effect of different pretreatment on the crude fiber content of BSG

2.3 机械预处理对啤酒糟还原糖、水溶性总糖含量变化的影响

机械预处理对啤酒糟还原糖和可溶性糖的影响如图3 所示。从图3 中可以看出，经过球磨处理的啤酒糟可溶性总糖含量提高到39.78 mg/g，比原样的17.57 mg/g 提高了2.2 倍。而经过刀片粉碎的啤酒糟总糖含量提高到30.27 mg/g，比原样提高了1.7倍。植物中的纤维素是一种结晶并不是很紧密的无定型结构，纤维素之间互相“捆绑”在一起，这样的纤维素大多是独立的，并通过微弱的氢键连接。在机械处理过程中，纤维素之间的氢键被打破，增加了纤维素从样品中的溶出。而半纤维素是连接纤维素和木质素的桥梁，同时也是热敏感的，在机械预处理过程中，剪切力和热能破坏了半纤维素的分子结构，导致纤维素、半纤维素和木质素之间的交联发生分离，纤维素和半纤维素从木质素框架中释放出来，增加了可溶性总糖的含量。另外，机械预处理过程中产生的剪切力和热能，将长链大分子的纤维素和半纤维素切割，降低了它们的聚合度，进而增加了可溶性总糖含量。

图3 不同预处理方式对啤酒糟样品中的还原糖、总糖含量变化的影响Fig.3 Effect of different pretreatment on the reducing sugar content and the total soluble sugar content of BSG

球磨处理的啤酒糟还原糖比原样提高了约40%，而刀片粉碎的还原糖提高了18.9%，说明啤酒糟经过机械预处理能够将谷物细胞在一定程度上破碎，释放细胞中的还原糖，包裹或吸附在木质素框架中的还原糖也被释放出来，增加还原糖的释放。另外，机械预处理的剪切力也可能破坏纤维素和木聚糖的分子结构，将多糖分子撕扯成一个个的单糖或寡聚糖，进而增加还原糖的含量。Min60组分还原糖的增加量和球磨处理样品相当，通过常规的刀片粉碎和组分分级技术可以实现类似球磨处理的效果。

2.4 机械预处理对啤酒糟粗蛋白和多肽含量变化的影响

不同预处理啤酒糟样品中的粗蛋白含量和多肽含量变化如图4 所示。

图4 不同预处理方式对啤酒糟样品中的粗蛋白和多肽含量的影响Fig.4 Effect of different pretreatment on the content of crude protein and polypeptides of BSG

从图4 中可以看到原样、刀片粉碎和球磨处理之后的样品粗蛋白含量基本相同，Min60组分粗蛋白含量比未处理的啤酒糟提高了24.56%。与粗蛋白含量变化相似，原样、刀片粉碎和球磨处理的啤酒糟多肽含量基本相同，而Min60组分多肽含量最高。可见，纤维类物质-蛋白在一定程度上实现了分离，蛋白含量高的部分富集于颗粒小的部分，而纤维类物质则富集于颗粒较大的部分。

2.5 机械预处理对纤维素酶和木聚糖酶酶解效果的影响

经过纤维素酶和木聚糖酶酶解后的可溶性总糖和还原糖含量变化如图5 和图6 所示，机械预处理后再进行酶解对可溶性总糖和还原糖的释放有着显著的影响，啤酒糟原样经纤维素酶和木聚糖酶酶解，可溶性总糖含量分别为41.1 mg/g 和45.9 mg/g，还原糖含量分别为30.16 mg/g 和28.7 mg/g。而球磨过后的啤酒糟经纤维素酶和木聚糖酶酶解，可溶性总糖含量分别为104 mg/g 和80.4 mg/g，还原糖含量分别为67.28 mg/g 和43.52 mg/g。可溶性总糖含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了2.5 倍和1.75 倍。还原糖含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了2.2 倍和1.5 倍。在复杂的饱含木质素的纤维框架中，各聚合物的交联和取代阻碍了酶和底物的接触。此外，在木质素存在时，纤维素酶通过非特异性结合到聚合物上，酶活力受到抑制，对啤酒糟酶水解有负面影响［17-18］。机械预处理降低了粒径大小和纤维素之间的结晶度，粒径的减小使酶作用的有效表面积增大并且降低聚合度，纤维素酶与木质素的非特异性结合减少，酶活力有一定程度的增加，这些因素加在一起使酶解效率提高。在分级组分中，Max60组分增加的可溶性总糖和还原糖含量并没有提高，主要是木质纤维类物质，刀片粉碎的剪切力不足以将这些木质纤维类物质降解，酶很难和底物作用导致还原糖释放量没有显著提高。

2.6 中性蛋白酶水解对水溶性蛋白浓度变化及多肽含量变化的影响

经过中性蛋白酶水解之后的水溶性蛋白浓度变化如图7 和图8 所示。由图7 和图8 可知，机械预处理后再进行酶解对水溶性蛋白有着显著的影响，啤酒糟原样经中性蛋白酶水解，水溶性蛋白浓度为15.7%，多肽含量为1.6 mg/g。刀片粉碎后啤酒糟和球磨后啤酒糟经中性蛋白酶水解，水溶性蛋白浓度分别为21.6%和28.4%，多肽含量分别为1.9 mg/g和3.7 mg/g。刀片粉碎后啤酒糟和球磨后啤酒糟水溶性蛋白含量比啤酒糟原样经中性蛋白酶酶解分别提高了1.3 倍和1.8 倍，多肽含量比啤酒糟原样经中性蛋白酶酶解分别提高了1.2 倍和2.2 倍。机械预处理可以将啤酒糟的细胞结构在一定程度上打开，使其中的蛋白类物质更好的释放并被酶所降解，进而提高蛋白的消化、吸收率。

图5 不同预处理方式对啤酒糟样品纤维素酶、木聚糖酶酶解还原糖释放的影响Fig.5 Effect of different pretreatment on the release of the reducing sugar by cellulase and xylanase of BSG

图6 不同预处理方式对啤酒糟样品纤维素酶、木聚糖酶酶解可溶性总糖释放的影响Fig.6 Effect of different pretreatment on the release of the total soluble sugar by cellulase and xylanase of BSG

3 结论

机械预处理可以明显的改变啤酒糟的粒径大小，使啤酒糟的颗粒直径变小，经球磨处理和刀片粉碎后的啤酒糟可溶性总糖含量分别提高了2.2 倍和1.7倍，还原糖的含量分别提高了40%和18.9%。球磨处理和刀片粉碎后的啤酒糟经纤维素酶、中性蛋白酶分别酶解后，可溶性总糖含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了2.5 倍和1.7 倍，还原糖含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了2.2 倍和1.4 倍，水溶性蛋白含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了1.8 倍和1.4 倍，多肽含量比啤酒糟原样经酶解后分别提高了2.2 倍和1.2 倍。经球磨后的啤酒糟酶解效率高于经刀片粉碎的啤酒糟。啤酒糟原样经过刀片粉碎，过筛通过60 目的部分(Min60)，其粗纤维含量降低为7.96%，粗蛋白含量提高了24.56%，多肽含量提高了13.04%。初步实现了纤维-蛋白的富集分离。

图7 不同预处理方式对啤酒糟样品中性蛋白酶酶解水溶性蛋白浓度的影响Fig.7 Effect of different pretreatment on the soluble protein content by neutral protease of BSG

图8 不同预处理方式对啤酒糟样品中性蛋白酶酶解多肽含量的影响Fig.8 Effect of different pretreatment on the polypeptides content by neutral protease of BSG

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