玉米燃料乙醇副产物酒糟及酒糟液高值化利用的研究现状

王继艳，张显友，薄长凯，宁艳春，屈海峰，张 钧，岳 军，徐友海

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司 仓储中心，吉林 吉林 132021)

玉米是世界三大粮食作物之一，又是重要的饲料，由于其单产量高，增产潜力大，在农业生产中占有重要地位。我国是全球第二大玉米生产国和消费国，随着玉米酒精工业的发展，将会产生大量的副产物玉米酒糟和酒糟液，但其易变质，不易长期储存，如果未能有效处理，不仅污染环境，还会造成资源的极大浪费。目前，玉米酒糟大多用于直接生产动物饲料，酒糟上清液回配或浓缩后外卖，上述几种方式的利用率和经济价值都较低，此外，玉米酒糟用作饲料还存在营养成分不稳定、难以长久贮存等诸多不利因素，限制了其大规模的应用。玉米酒糟液酸度高、粘度大，COD值可达30 000～50 000 mg/L，BOD为20 000～30 000 mg/L，组成成分虽然复杂，但不含有重金属元素及有毒物质，若按废弃物直接排放不仅会给环境带来严重污染，还会造成资源的极大浪费。因此，玉米酒糟及酒糟液的高值化利用是迫切需要解决的问题，具有重要的经济和社会效益。

玉米酒糟和酒糟液中富含多种营养物质及高附加值的产品，如蛋白质、黄色素(Corn Color)、甘油、氨基酸和多种维生素、发酵残余的碳水化合物等，且来源广泛、价格低廉，是一种可供开发利用的理想原料，除用于生产全饲料(DDGS)、生产沼气、培养食用菌外，还可以发酵产单细胞蛋白(Single Cell Protein，简称SCP)，通过高效的分离手段提取黄色素、醇溶蛋白(Zein)等高附加值的产品。

1 发酵产单细胞蛋白

单细胞蛋白也称微生物蛋白，是指酵母菌、真菌、霉菌、非致病性细菌等单细胞微生物体内所产生的菌体蛋白质，是通过发酵方法利用工农业废料及石油废料人工培养得到的微生物菌体。单细胞蛋白中蛋白质含量较高，一般为菌体干重的40%～80%，还含有脂肪、碳水化合物、核酸、维生素和无机盐，以及动物所必需的各种氨基酸，特别是植物饲料中缺乏的赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量较高，其营养价值优于鱼粉和大豆粉。能用于生产单细胞蛋白的原料十分丰富，且价格低廉，包括工业废液、工(农)业加工下脚料、农林牧渔业资源、自养微生物及石油类资源等。在单细胞蛋白生产中选择合适的菌种至关重要，该菌种为无毒且非致病菌，应具备生长繁殖迅速、对培养条件要求简单、菌体易于收集等特性。目前生产单细胞蛋白的微生物有四大类，即非致病和非产毒的细菌、酵母、藻类和真菌，其中前三类微生物的蛋白质含量较高，适于作蛋白饲料。发酵生产单细胞蛋白具有原料成本低、生产周期短、效率高等优点，应用前景广阔。

我国主要是利用工农业中的可再生资源生产单细胞蛋白，如利用造纸厂、酒精厂、味精厂、淀粉厂等的废水、废渣，通过筛选优良的菌种及发酵、分离、干燥等工序得到单细胞蛋白产品[1]。目前，采用廉价的原料或废料生产单细胞蛋白已成为研究热点，但以玉米燃料乙醇副产物(酒糟、酒糟液)为原料发酵产单细胞蛋白的研究相对匮乏，其研究重点在菌种的选育、发酵培养基组成及培养条件的优化等方面。丁重阳等[2]采用单一菌种热带假丝酵母以玉米浓醪发酵的酒糟培养单细胞蛋白，经过优化后的发酵条件为：酒糟中添加质量分数0.2‰ CaCl2和质量分数1.0‰ KH2PO4，起始pH为4.5，装液量为30 mL/500 mL三角瓶；发酵26 h，获得的最高菌浓度为11.3亿个/mL；发酵过程中酵母基本消耗完酒糟中的糖，同时还消耗了酒糟中的有机酸。发酵得到的单细胞蛋白样品中水分质量分数为9.47%，粗蛋白干基质量分数48%，真蛋白干基质量分数45%，取得了较好的效果。中国纺织工业设计院李兆春[3]等利用经选育的菌种以酒糟液为原料发酵生产单细胞蛋白，发酵液经固液分离后，滤渣干燥成为优质蛋白饲料，滤液的上清液回用，得到的蛋白饲料粗蛋白干基质量分数大于40%，酒糟液COD去除率大于65%，实现了清洁生产的目的。采用复合菌种发酵可充分利用不同菌种间的协同作用，进而提高底物的利用率。刘廷志等[4]以玉米酒糟为原料多菌种混合发酵产单细胞蛋白，确立了菌种最佳配比，以尿素为最适添加氮源，并确立了固体发酵中最适接种量和最适水分含量。发酵后的酒糟蛋白饲料含有多种活性因子，具有较高的生物活性，干基蛋白质量分数较原料提高约5%，可代替部分麸皮和饼粕饲喂牛、猪、鸡等畜禽，大幅降低饲养成本。多菌种组合协同发酵可充分发挥各菌种的特性，增强对纤维素的降解能力，充分将氮源转化为菌体蛋白，提高真蛋白含量。侯文华等[5]以白酒糟为原料及选育的8503和8505复合菌种为实验菌，经最适条件实验，确定最优条件为：培养温度30 ℃，初始pH为5.5，(NH4)2SO4添加量为5 mg/mL，投料量10%(体积分数)，接种量5%～10%(体积分数)，在最适条件实验的基础上，进行了5 L发酵罐实验，发酵产物粗蛋白质干基质量分数由24%提高到36%，提高了11%，其中真蛋白质提高10%～34%，粗纤维降低了2%，氨基酸质量分数总量由25%提高到41%，提高了15%。中国环境科学研究院采用选育的混合菌种培养处理玉米酒糟液生产生物蛋白饲料，经约40 h培养后糟液BOD和COD大大降低，蛋白质干基质量分数由30%提高到42%。利用玉米酒糟或酒糟液发酵产单细胞蛋白，与通常的DDGS产品相比，其粗蛋白含量明显提高，同时氨基酸、蛋氨酸和赖氨酸的含量相对较高，是很好的生物高蛋白饲料[6]。

2 提取分离高附加值产品

玉米酒糟中含有黄色素、醇溶蛋白等高价值成分，可以通过分离手段提取其中的黄色素和醇溶蛋白也是其综合利用的一种有效方式。

2.1 分离提取黄色素

玉米黄色素是一种利用价值较高的天然食用色素，具有很多生理功能，例如抗氧化、清除自由基、抗癌、减少心血管疾病发病率和视觉保护等，尤其是在预防老年性白内障和老年黄斑变性方面的作用[7]，其研究备受关注。

由于提取玉米黄色素具有很高的价值，其提取技术得到了大量研究，并不断完善。因为玉米黄色素是油溶性色素，一般利用油脂性溶剂进行萃取或抽提，并经过蒸发和浓缩而获得黄色素产品[8]。目前，我国对玉米黄色素的研究仅停留在实验室研发阶段，已经研究出来的各种提取方法还不尽完善，各有其优缺点。随着研究的不断延伸，溶剂萃取法已经发展出了很多不同的方法，主要有一级萃取法、多级萃取法、索氏提取器法和CO2超临界萃取法，上述方法的优缺点见表1。

表1 不同溶剂萃取法的优缺点

随着微波、超声波技术及膜技术的发展，其作为辅助手段在溶剂法提取黄色素工艺中的应用也越来越多，这些方法可有效提高黄色素的提取率。赵华等[9]采用溶剂萃取法提取玉米麸皮中的黄色素，通过对提取工艺参数进行优化，得到最佳提取工艺条件为：料液比1∶15(g/mL)，温度57 ℃，提取时间2.6 h，玉米黄色素的收率为131.3 μg/g，提取率84%。与传统的萃取方法相比，超声波辅助萃取可有效提高萃取率、缩短提取时间。李万林等[10]利用超声波技术以玉米皮为原料、乙醇为提取剂提取玉米黄色素，通过优化得到了最佳工艺条件：乙醇体积分数60%，料液比1∶15(g/mL)，温度50 ℃，超声时间30 min，最终黄色素的提取率为6.274%。超临界CO2萃取工艺的优点是提取效率高、得率高且不使用或极少使用有机溶剂，缺点是设备成本高、应用范围窄。逯家富等[11]采用超临界 CO2流体萃取法提取玉米黄粉中的玉米黄色素，通过响应面分析，确定了最佳提取工艺参数，温度42 ℃，萃取压力30 MPa，CO2流量27 L/h，萃取时间180 min，最终玉米黄色素的收率为184 μg/g。采用微波协同酶法提取黄色素，其提取效果要优于单独酶解辅助和有机溶剂萃取法。陈红等[12]采用微波协同酶法提取玉米皮中的玉米黄色素，并对其工艺进行优化。通过实验，确定了最佳提取工艺条件为：微波功率400 W、微波辐射时间 50 s、料液比1∶8(g/mL)、纤维素酶质量分数1.2%、酶解温度50 ℃、酶解时间90 min、酶解体系pH为5.5。

胡晓溪[13]根据玉米酒糟的组成特性，探索了其高值化利用的技术路线。先以超声辅助法从玉米酒糟中提取玉米黄色素，在液料比为10.3∶1(mL/g)、提取温度为51.7 ℃、超声时间为41 min和100 W 超声功率的条件下玉米黄色素的提取效果最佳，收率为106.8 μg/g。然后利用Alcalase蛋白酶对酒糟蛋白进行水解，制备具有醒酒活性的玉米活性肽并加以分离纯化，最佳条件为：底物浓度60 g/L，加酶量2 400 U/g原料、温度55 ℃，pH值为9，水解160 min，水解度达到最大值33.37%，肽提取率可达52.46%，玉米肽得率为18.25%；同时利用大孔吸附树脂AB-8对玉米肽液进行脱色处理，脱色率为61.43%、氮回收率82.73%，水解得到的玉米肽具有较强的醒酒活性。最后剩余的水解残渣经碱水解、分离、洗涤、烘干等工艺制得玉米膳食纤维，在氢氧化钠浓度为0.2 mol/L，液料比为10∶1(mL/g)，反应时间为80 min，反应温度为70 ℃的碱水解条件下，水解最彻底，所得到的膳食纤维蛋白含量最低，膳食纤维得率和干基质量分数分别为27.64%和85.42%；所得膳食纤维用质量分数为10%的H2O2脱色处理1 h，产品可达到较理想的浅黄色。膳食纤维的膨胀性为4.96 mL/g，持水性为5.31 g/g，持油性为2.83 g/g。

姜福佳[14]研究了用醇碱法、碱法及酸法提取酒糟中蛋白质的工艺条件，以及采用超声波法提取酒糟中玉米黄色素的生产工艺，最佳工艺条件为：提取时间69.85 min，超声功率744.00 W，固液比1∶4.50(g/mL)。在此条件下，实际收率132.00 μg/g，与模型理论预测值137.00 μg/g 的相对误差为3.80%。

2.2 分离提取醇溶蛋白

根据玉米蛋白质的溶解性不同，可分为四种主要组分：白蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白，其中玉米醇溶蛋白的含量最高，占玉米蛋白中的60%以上。玉米醇溶蛋白具有独特的成膜特性及较强的保油性、保水性、耐热性、抗氧化性，有覆膜形成性、黏结性、凝胶化性等外观特征，可用于防潮隔氧、抗紫外线、保鲜等，还有一定的抑菌作用，可作为多功能食品材料与添加剂，在生产中应用越来越广泛[15]。玉米酒糟中的醇溶蛋白为疏水性蛋白质，其结构以 α螺旋为主，空间结构较致密，呈纺锤状[16]。

目前提取玉米醇溶蛋白的原料主要为玉米蛋白粉及玉米麸，而关于玉米酒糟及酒糟液中提取醇溶蛋白的研究较少。醇溶蛋白的提取工艺主要因原材料、萃取溶剂、纯化方法、溶剂回收方法的不同而存在差异，大多数处理方法单一，提取条件复杂，设备投资较大，产量不高，得到的产物纯度低。

李梦琴等[17]从玉米黄粉浓缩蛋白中超声醇提玉米醇溶蛋白，通过单因素实验和响应曲面法，优化得到的最佳工艺条件为：温度50 ℃、时间70 min、乙醇体积分数70%、pH为12、料液比1∶8(g/mL)。该条件下玉米醇溶蛋白提取率为45%，干基质量分数达到93%。王宇晓等[18]对玉米醇溶蛋白高活性的提取工艺进行研究，优化后的提取条件为：提取时间50 min、乙醇体积分数55%、温度38 ℃，在此提取条件下，醇溶蛋白的提取率为73%。任婷婷等[19]研究了玉米醇溶蛋白的提取及功能特性，通过正交实验确定了最优提取条件：乙醇体积分数70%、超声波处理时间120 min、料液比1∶12(g/mL)、pH为11，玉米醇溶蛋白的提取率为 87%。王缈等[20]利用响应面分析法对超声波法提取玉米蛋白粉中玉米黄色素和玉米醇溶蛋白的工艺进行优化，得到玉米黄色素最佳超声提取工艺为：时间39 min、温度61 ℃、料液比1∶11(g/mL)；玉米醇溶蛋白的最佳超声提取工艺为温度55 ℃、功率455 W、乙醇体积分数81%，在以上条件下，玉米黄色素与醇溶蛋白的提取率达到最高，分别为215.9 μg/g和94%。辛忠[21]采用半连续法提取玉米副产DDGS 中高附加值产品，使用正己烷、质量分数60%～95%乙醇、无水乙醇提取DDGS中的油脂、醇溶蛋白、玉米黄色素。该半连续化的提取方法，相比于间歇提取，大大减少了提取溶剂的用量，增加了提取液的浓度，同时大幅度提高了原料的处理量，是一种适用于大批量工业化提取的有效方法。

3 其它利用方式

对玉米酒糟及酒糟液高值化利用的研究除了上述几种方式以外，还有以下多种利用途径。(1)将酒糟液代替部分原料生产糖化酶，在产酶量相同的前提下，可大幅减少原材料的消耗，降低生产成本[22]；(2)酒糟液还可以作为底物培养微生物杀虫剂苏云金芽孢杆菌，具有较强的应用价值[23]；(3)以酒糟为原料生产甘油是甘油来源的一条重要途径，但并没有进行工业化生产，主要是由于所得甘油的品质和纯度达不到标准，不具有市场竞争力[24]；(4)利用价格低廉的酒糟为原料发酵生产木糖醇可大大降低生产成本，有效提高酒糟资源的利用率，是酒糟利用的新途径[25]。

4 结束语

目前，酒糟多用于动物饲料的配制，利用率和经济价值均较低，因此，对玉米酒糟及酒糟液进行综合利用开发，创造出具有更多经济效益的产品，是促进玉米燃料乙醇产业发展的有效途径。因此，探寻玉米酒糟及酒糟液合理高效的利用途经，不但可以提高其附加值，而且可以解决环境污染问题，是一条节约资源、保护环境、发展循环经济的可持续发展之路，具有重要的经济和社会效益。如何简化工艺路线、降低生产成本、提高产品的产率和纯度，成为玉米酒糟及酒糟液高值化利用的关键技术难题。

参 考 文 献：

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