玉米燃料乙醇副產物酒糟及酒糟液高值化利用的研究現狀

王繼艷，張顯友，薄長凱，寧艷春，屈海峰，張 鈞，岳 軍，徐友海

(1.中國石油吉林石化公司 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.中國石油吉林石化公司 倉儲中心，吉林 吉林 132021)

玉米是世界三大糧食作物之一，又是重要的飼料，由于其單產量高，增產潛力大，在農業生產中占有重要地位。我國是全球第二大玉米生產國和消費國，隨著玉米酒精工業的發展，將會產生大量的副產物玉米酒糟和酒糟液，但其易變質，不易長期儲存，如果未能有效處理，不僅污染環境，還會造成資源的極大浪費。目前，玉米酒糟大多用于直接生產動物飼料，酒糟上清液回配或濃縮后外賣，上述幾種方式的利用率和經濟價值都較低，此外，玉米酒糟用作飼料還存在營養成分不穩定、難以長久貯存等諸多不利因素，限制了其大規模的應用。玉米酒糟液酸度高、粘度大，COD值可達30 000～50 000 mg/L，BOD為20 000～30 000 mg/L，組成成分雖然復雜，但不含有重金屬元素及有毒物質，若按廢棄物直接排放不僅會給環境帶來嚴重污染，還會造成資源的極大浪費。因此，玉米酒糟及酒糟液的高值化利用是迫切需要解決的問題，具有重要的經濟和社會效益。

玉米酒糟和酒糟液中富含多種營養物質及高附加值的產品，如蛋白質、黃色素(Corn Color)、甘油、氨基酸和多種維生素、發酵殘余的碳水化合物等，且來源廣泛、價格低廉，是一種可供開發利用的理想原料，除用于生產全飼料(DDGS)、生產沼氣、培養食用菌外，還可以發酵產單細胞蛋白(Single Cell Protein，簡稱SCP)，通過高效的分離手段提取黃色素、醇溶蛋白(Zein)等高附加值的產品。

1 發酵產單細胞蛋白

單細胞蛋白也稱微生物蛋白，是指酵母菌、真菌、霉菌、非致病性細菌等單細胞微生物體內所產生的菌體蛋白質，是通過發酵方法利用工農業廢料及石油廢料人工培養得到的微生物菌體。單細胞蛋白中蛋白質含量較高，一般為菌體干重的40%～80%，還含有脂肪、碳水化合物、核酸、維生素和無機鹽，以及動物所必需的各種氨基酸，特別是植物飼料中缺乏的賴氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量較高，其營養價值優于魚粉和大豆粉。能用于生產單細胞蛋白的原料十分豐富，且價格低廉，包括工業廢液、工(農)業加工下腳料、農林牧漁業資源、自養微生物及石油類資源等。在單細胞蛋白生產中選擇合適的菌種至關重要，該菌種為無毒且非致病菌，應具備生長繁殖迅速、對培養條件要求簡單、菌體易于收集等特性。目前生產單細胞蛋白的微生物有四大類，即非致病和非產毒的細菌、酵母、藻類和真菌，其中前三類微生物的蛋白質含量較高，適于作蛋白飼料。發酵生產單細胞蛋白具有原料成本低、生產周期短、效率高等優點，應用前景廣闊。

我國主要是利用工農業中的可再生資源生產單細胞蛋白，如利用造紙廠、酒精廠、味精廠、淀粉廠等的廢水、廢渣，通過篩選優良的菌種及發酵、分離、干燥等工序得到單細胞蛋白產品[1]。目前，采用廉價的原料或廢料生產單細胞蛋白已成為研究熱點，但以玉米燃料乙醇副產物(酒糟、酒糟液)為原料發酵產單細胞蛋白的研究相對匱乏，其研究重點在菌種的選育、發酵培養基組成及培養條件的優化等方面。丁重陽等[2]采用單一菌種熱帶假絲酵母以玉米濃醪發酵的酒糟培養單細胞蛋白，經過優化后的發酵條件為：酒糟中添加質量分數0.2‰ CaCl2和質量分數1.0‰ KH2PO4，起始pH為4.5，裝液量為30 mL/500 mL三角瓶；發酵26 h，獲得的最高菌濃度為11.3億個/mL；發酵過程中酵母基本消耗完酒糟中的糖，同時還消耗了酒糟中的有機酸。發酵得到的單細胞蛋白樣品中水分質量分數為9.47%，粗蛋白干基質量分數48%，真蛋白干基質量分數45%，取得了較好的效果。中國紡織工業設計院李兆春[3]等利用經選育的菌種以酒糟液為原料發酵生產單細胞蛋白，發酵液經固液分離后，濾渣干燥成為優質蛋白飼料，濾液的上清液回用，得到的蛋白飼料粗蛋白干基質量分數大于40%，酒糟液COD去除率大于65%，實現了清潔生產的目的。采用復合菌種發酵可充分利用不同菌種間的協同作用，進而提高底物的利用率。劉廷志等[4]以玉米酒糟為原料多菌種混合發酵產單細胞蛋白，確立了菌種最佳配比，以尿素為最適添加氮源，并確立了固體發酵中最適接種量和最適水分含量。發酵后的酒糟蛋白飼料含有多種活性因子，具有較高的生物活性，干基蛋白質量分數較原料提高約5%，可代替部分麩皮和餅粕飼喂牛、豬、雞等畜禽，大幅降低飼養成本。多菌種組合協同發酵可充分發揮各菌種的特性，增強對纖維素的降解能力，充分將氮源轉化為菌體蛋白，提高真蛋白含量。侯文華等[5]以白酒糟為原料及選育的8503和8505復合菌種為實驗菌，經最適條件實驗，確定最優條件為：培養溫度30 ℃，初始pH為5.5，(NH4)2SO4添加量為5 mg/mL，投料量10%(體積分數)，接種量5%～10%(體積分數)，在最適條件實驗的基礎上，進行了5 L發酵罐實驗，發酵產物粗蛋白質干基質量分數由24%提高到36%，提高了11%，其中真蛋白質提高10%～34%，粗纖維降低了2%，氨基酸質量分數總量由25%提高到41%，提高了15%。中國環境科學研究院采用選育的混合菌種培養處理玉米酒糟液生產生物蛋白飼料，經約40 h培養后糟液BOD和COD大大降低，蛋白質干基質量分數由30%提高到42%。利用玉米酒糟或酒糟液發酵產單細胞蛋白，與通常的DDGS產品相比，其粗蛋白含量明顯提高，同時氨基酸、蛋氨酸和賴氨酸的含量相對較高，是很好的生物高蛋白飼料[6]。

2 提取分離高附加值產品

玉米酒糟中含有黃色素、醇溶蛋白等高價值成分，可以通過分離手段提取其中的黃色素和醇溶蛋白也是其綜合利用的一種有效方式。

2.1 分離提取黃色素

玉米黃色素是一種利用價值較高的天然食用色素，具有很多生理功能，例如抗氧化、清除自由基、抗癌、減少心血管疾病發病率和視覺保護等，尤其是在預防老年性白內障和老年黃斑變性方面的作用[7]，其研究備受關注。

由于提取玉米黃色素具有很高的價值，其提取技術得到了大量研究，并不斷完善。因為玉米黃色素是油溶性色素，一般利用油脂性溶劑進行萃取或抽提，并經過蒸發和濃縮而獲得黃色素產品[8]。目前，我國對玉米黃色素的研究僅停留在實驗室研發階段，已經研究出來的各種提取方法還不盡完善，各有其優缺點。隨著研究的不斷延伸，溶劑萃取法已經發展出了很多不同的方法，主要有一級萃取法、多級萃取法、索氏提取器法和CO2超臨界萃取法，上述方法的優缺點見表1。

表1 不同溶劑萃取法的優缺點

隨著微波、超聲波技術及膜技術的發展，其作為輔助手段在溶劑法提取黃色素工藝中的應用也越來越多，這些方法可有效提高黃色素的提取率。趙華等[9]采用溶劑萃取法提取玉米麩皮中的黃色素，通過對提取工藝參數進行優化，得到最佳提取工藝條件為：料液比1∶15(g/mL)，溫度57 ℃，提取時間2.6 h，玉米黃色素的收率為131.3 μg/g，提取率84%。與傳統的萃取方法相比，超聲波輔助萃取可有效提高萃取率、縮短提取時間。李萬林等[10]利用超聲波技術以玉米皮為原料、乙醇為提取劑提取玉米黃色素，通過優化得到了最佳工藝條件：乙醇體積分數60%，料液比1∶15(g/mL)，溫度50 ℃，超聲時間30 min，最終黃色素的提取率為6.274%。超臨界CO2萃取工藝的優點是提取效率高、得率高且不使用或極少使用有機溶劑，缺點是設備成本高、應用范圍窄。逯家富等[11]采用超臨界 CO2流體萃取法提取玉米黃粉中的玉米黃色素，通過響應面分析，確定了最佳提取工藝參數，溫度42 ℃，萃取壓力30 MPa，CO2流量27 L/h，萃取時間180 min，最終玉米黃色素的收率為184 μg/g。采用微波協同酶法提取黃色素，其提取效果要優于單獨酶解輔助和有機溶劑萃取法。陳紅等[12]采用微波協同酶法提取玉米皮中的玉米黃色素，并對其工藝進行優化。通過實驗，確定了最佳提取工藝條件為：微波功率400 W、微波輻射時間 50 s、料液比1∶8(g/mL)、纖維素酶質量分數1.2%、酶解溫度50 ℃、酶解時間90 min、酶解體系pH為5.5。

胡曉溪[13]根據玉米酒糟的組成特性，探索了其高值化利用的技術路線。先以超聲輔助法從玉米酒糟中提取玉米黃色素，在液料比為10.3∶1(mL/g)、提取溫度為51.7 ℃、超聲時間為41 min和100 W 超聲功率的條件下玉米黃色素的提取效果最佳，收率為106.8 μg/g。然后利用Alcalase蛋白酶對酒糟蛋白進行水解，制備具有醒酒活性的玉米活性肽并加以分離純化，最佳條件為：底物濃度60 g/L，加酶量2 400 U/g原料、溫度55 ℃，pH值為9，水解160 min，水解度達到最大值33.37%，肽提取率可達52.46%，玉米肽得率為18.25%；同時利用大孔吸附樹脂AB-8對玉米肽液進行脫色處理，脫色率為61.43%、氮回收率82.73%，水解得到的玉米肽具有較強的醒酒活性。最后剩余的水解殘渣經堿水解、分離、洗滌、烘干等工藝制得玉米膳食纖維，在氫氧化鈉濃度為0.2 mol/L，液料比為10∶1(mL/g)，反應時間為80 min，反應溫度為70 ℃的堿水解條件下，水解最徹底，所得到的膳食纖維蛋白含量最低，膳食纖維得率和干基質量分數分別為27.64%和85.42%；所得膳食纖維用質量分數為10%的H2O2脫色處理1 h，產品可達到較理想的淺黃色。膳食纖維的膨脹性為4.96 mL/g，持水性為5.31 g/g，持油性為2.83 g/g。

姜福佳[14]研究了用醇堿法、堿法及酸法提取酒糟中蛋白質的工藝條件，以及采用超聲波法提取酒糟中玉米黃色素的生產工藝，最佳工藝條件為：提取時間69.85 min，超聲功率744.00 W，固液比1∶4.50(g/mL)。在此條件下，實際收率132.00 μg/g，與模型理論預測值137.00 μg/g 的相對誤差為3.80%。

2.2 分離提取醇溶蛋白

根據玉米蛋白質的溶解性不同，可分為四種主要組分：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。玉米醇溶蛋白具有獨特的成膜特性及較強的保油性、保水性、耐熱性、抗氧化性，有覆膜形成性、黏結性、凝膠化性等外觀特征，可用于防潮隔氧、抗紫外線、保鮮等，還有一定的抑菌作用，可作為多功能食品材料與添加劑，在生產中應用越來越廣泛[15]。玉米酒糟中的醇溶蛋白為疏水性蛋白質，其結構以 α螺旋為主，空間結構較致密，呈紡錘狀[16]。

目前提取玉米醇溶蛋白的原料主要為玉米蛋白粉及玉米麩，而關于玉米酒糟及酒糟液中提取醇溶蛋白的研究較少。醇溶蛋白的提取工藝主要因原材料、萃取溶劑、純化方法、溶劑回收方法的不同而存在差異，大多數處理方法單一，提取條件復雜，設備投資較大，產量不高，得到的產物純度低。

李夢琴等[17]從玉米黃粉濃縮蛋白中超聲醇提玉米醇溶蛋白，通過單因素實驗和響應曲面法，優化得到的最佳工藝條件為：溫度50 ℃、時間70 min、乙醇體積分數70%、pH為12、料液比1∶8(g/mL)。該條件下玉米醇溶蛋白提取率為45%，干基質量分數達到93%。王宇曉等[18]對玉米醇溶蛋白高活性的提取工藝進行研究，優化后的提取條件為：提取時間50 min、乙醇體積分數55%、溫度38 ℃，在此提取條件下，醇溶蛋白的提取率為73%。任婷婷等[19]研究了玉米醇溶蛋白的提取及功能特性，通過正交實驗確定了最優提取條件：乙醇體積分數70%、超聲波處理時間120 min、料液比1∶12(g/mL)、pH為11，玉米醇溶蛋白的提取率為 87%。王緲等[20]利用響應面分析法對超聲波法提取玉米蛋白粉中玉米黃色素和玉米醇溶蛋白的工藝進行優化，得到玉米黃色素最佳超聲提取工藝為：時間39 min、溫度61 ℃、料液比1∶11(g/mL)；玉米醇溶蛋白的最佳超聲提取工藝為溫度55 ℃、功率455 W、乙醇體積分數81%，在以上條件下，玉米黃色素與醇溶蛋白的提取率達到最高，分別為215.9 μg/g和94%。辛忠[21]采用半連續法提取玉米副產DDGS 中高附加值產品，使用正己烷、質量分數60%～95%乙醇、無水乙醇提取DDGS中的油脂、醇溶蛋白、玉米黃色素。該半連續化的提取方法，相比于間歇提取，大大減少了提取溶劑的用量，增加了提取液的濃度，同時大幅度提高了原料的處理量，是一種適用于大批量工業化提取的有效方法。

3 其它利用方式

對玉米酒糟及酒糟液高值化利用的研究除了上述幾種方式以外，還有以下多種利用途徑。(1)將酒糟液代替部分原料生產糖化酶，在產酶量相同的前提下，可大幅減少原材料的消耗，降低生產成本[22]；(2)酒糟液還可以作為底物培養微生物殺蟲劑蘇云金芽孢桿菌，具有較強的應用價值[23]；(3)以酒糟為原料生產甘油是甘油來源的一條重要途徑，但并沒有進行工業化生產，主要是由于所得甘油的品質和純度達不到標準，不具有市場競爭力[24]；(4)利用價格低廉的酒糟為原料發酵生產木糖醇可大大降低生產成本，有效提高酒糟資源的利用率，是酒糟利用的新途徑[25]。

4 結束語

目前，酒糟多用于動物飼料的配制，利用率和經濟價值均較低，因此，對玉米酒糟及酒糟液進行綜合利用開發，創造出具有更多經濟效益的產品，是促進玉米燃料乙醇產業發展的有效途徑。因此，探尋玉米酒糟及酒糟液合理高效的利用途經，不但可以提高其附加值，而且可以解決環境污染問題，是一條節約資源、保護環境、發展循環經濟的可持續發展之路，具有重要的經濟和社會效益。如何簡化工藝路線、降低生產成本、提高產品的產率和純度，成為玉米酒糟及酒糟液高值化利用的關鍵技術難題。

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