楊旭 張志平 王光路 宋麗麗 張靖楠
摘要:通過高溫α-淀粉酶液化、液態(tài)發(fā)酵、酸浸、堿性蛋白酶酶解、噴霧干燥等工藝操作,
以脫脂米糠(DRB)為原料聯(lián)產(chǎn)丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維,研究DRB綜合利用過程的工藝條件和所制備產(chǎn)品的理化性質(zhì).結果表明:適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維.所得產(chǎn)物中,丁醇在發(fā)酵液中的質(zhì)量濃度達14.03g/L;植酸鹽為白色粉末,提取率6.20%,P2O5含量達到39.77%,符合中國藥典藥用植酸鹽標準;米糠蛋白提取率12.11%,氨基酸總含量達63.32%,必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當,過敏性低,適合用作兒童食品的添加蛋白;米糠膳食纖維提取率25.00%,膳食纖維純度72.00%,可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品中.
Abstract:Defattedricebranwastakenasmaterial,byhightemperaturealphaamylaseliquefaction,liquidfermentation,acidleaching,alkalineproteasehydrolysisandspraydryingprocess,thebutanol,phytate,ricebranproteinandricebrandietaryfiberwereco\|produced.Theprocessconditionsandphysicochemicalpropertiesoftheproductswerestudied.TheresultsshowedthattheextractionsequencesuitablefordefattedricebranwasDRBliquefactionathightemperature,butanalfermentation,phytate,extractricebranproteinandricebrandietaryfiberseparation.Themassconcentrationofbutanolinthefermentationbrothwasupto14.03g/L.Theextractionrateofphytatewas6.20%,whilethecontentofP2O5was39.77%,whichfullymetthestandardofChinesePharmacopoeia.Theextractionrateofricebranproteinwas12.11%,whilethecontentoftotalaminoacidswas63.32%.Thecompositionofessentialaminoacidswascomparabletothatofeggprotein,whichhadlowallergyandwassuitableforuseinchildrensfood.Theextractionrateofricebrandietaryfiberwas25.00%,whilethecontentofdietaryfiberwas72.00%,whichcouldbeaddedtovarioushealthfoodsasfunctionalfoodadditives.
0引言
脫脂米糠DRB(defattedricebran)又稱米糠粕,是生產(chǎn)米糠油的副產(chǎn)品.脫脂過程使米糠中的脂肪酶失去活性,同時有效殺滅了米糠中的真菌、細菌等微生物,使得米糠可以穩(wěn)定保存.
當前絕大部分DRB被用作飼料原料,經(jīng)濟價值較低.為了提高DRB的經(jīng)濟價值,已有研究者嘗試以米糠為原料,陸續(xù)開發(fā)出米糠油、米糠蛋白、米糠營養(yǎng)素SRBN(ricebrannutrients)、米糠營養(yǎng)纖維RBNF(ricebrannutrientfiber)等功能食品[1-2].
由于石化工業(yè)的發(fā)展,化學法生產(chǎn)丁醇成為主流工藝,但是,隨著石化能源的日趨減少和環(huán)境保護的需要,生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇日益受到重視[3].目前的研究主要是以玉米、木薯、DRB等淀粉質(zhì)原料,或者秸稈、玉米芯等木質(zhì)纖維素原料,在厭氧條件下發(fā)酵得到丁醇等產(chǎn)物[4-5].
DRB中含有約30%~40%(如無特指,文中百分數(shù)均為質(zhì)量分數(shù))的淀粉、少量水溶性的蛋白質(zhì)和無機鹽,其對發(fā)酵產(chǎn)業(yè)廣泛使用的淀粉質(zhì)原料(尤其是可食用淀粉質(zhì))和其他營養(yǎng)元素具有很強的替代性.發(fā)酵培養(yǎng)基中,氮源和無機鹽的使用成本約占到發(fā)酵成本的38%,采用廉價替代品可大幅降低發(fā)酵成本[6].因此,開發(fā)合理的工藝將米糠中的淀粉類營養(yǎng)成分進行發(fā)酵,生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品丁醇,既可以降低發(fā)酵成本,同時又避免了資源的浪費.研究表明,DRB是提取植酸鹽(或稱為菲汀)的最佳原料[5].而植酸鹽被廣泛應用于醫(yī)藥、食品、印刷和油脂工業(yè),同時,也是目前工業(yè)化生產(chǎn)植酸或者肌醇的理想原料[7-8].DRB中含有約12%~20%的低過敏性米糠蛋白[9],低過敏性米糠蛋白易與植酸、碳水化合物等結合在一起[10],阻礙蛋白的消化吸收,故宜將其從DRB中分離、提取出來,以提高米糠蛋白的利用價值.
目前,世界各國將膳食纖維產(chǎn)品作為癌癥、糖尿病等患者的主要功能食物[11],部分面制品中也添加了適量的膳食纖維[12].
DRB中富含纖維素與半纖維素,是制造米糠膳食纖維的良好原料.有研究指出,米糠膳食纖維中90%以上為不溶性纖維[13],具有極強的親水性、親油性和金屬離子吸附性[14],該理化性質(zhì)對人體健康大有裨益.
為了彌補單一提取米糠相關產(chǎn)品的不足,本文以DRB為原料,研究通過DRB多梯度綜合轉(zhuǎn)化開發(fā)丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維等高附加值化學品的可行性,并對整個綜合利用過程進行物料衡算,以期進一步提高DRB的綜合利用程度.
1材料與方法
1.1材料與試劑
DRB原料(相關指標檢測顯示其含水分13.55%,蛋白質(zhì)13.00%,總糖37.32%,灰分8.02%),購買于鄭州桑園飼料批發(fā)市場;液化酶(100000U/mL)、糖化酶(100000U/mL),諾維信(中國)生物技術有限公司產(chǎn);堿性蛋白酶,杰能科(中國)生物工程有限公司產(chǎn);各種分析純化學試劑,國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn).
丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum),由鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院保存.
1.2儀器與設備
LDZF-30KB-Ⅲ型高壓滅菌鍋,上海申安醫(yī)療器械廠產(chǎn);YQX型厭氧培養(yǎng)箱,上海躍進醫(yī)療器械有限公司產(chǎn);TDL-5-A型高速臺式離心機,上海安亭科學儀器廠產(chǎn);CFO80-S型真空干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司產(chǎn);SY-6000型小型噴霧干燥機,南京比朗儀器有限公司產(chǎn);Agilent1260型高效液相色譜儀,美國安捷倫科技公司產(chǎn);GC7980型氣相色譜儀,上海天美科學儀器有限公司產(chǎn).
1.3方法
1.3.1工藝流程與操作方法DRB綜合利用工藝流程如圖1所示.
DRB高溫液化:將DRB和水按照質(zhì)量比1GA6FA5混合均勻后,加入1%(以DRB質(zhì)量計)的高溫α-淀粉酶,在90℃恒溫水浴鍋中液化2h,冷卻后離心(3000r/min,10min),上清液直接用于發(fā)酵產(chǎn)丁醇,沉淀用于提取植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維.
發(fā)酵產(chǎn)丁醇:培養(yǎng)基為DRB高溫液化后的離心上清液,其中,總糖含量為7.36%.丙酮丁醇梭菌種子活化時間24h,接種量7%,厭氧發(fā)酵溫度38℃,發(fā)酵周期72h.發(fā)酵過程中定時取樣測定pH值、溶劑(乙醇、丙酮和丁醇)質(zhì)量濃度和總糖質(zhì)量分數(shù).
分離提取植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維:將DRB高溫液化后的離心沉淀加入5倍質(zhì)量的水,調(diào)節(jié)其pH值至3.9~4.0,在60℃溫度下攪拌反應5.0h,過濾得到濾餅A.用水清洗濾餅A后過濾,將兩次上清液合并,用10%Ca(OH)2溶液調(diào)節(jié)pH值至4.5后,用10%氨水調(diào)節(jié)pH值至9.0,過濾,再將得到的濾餅用水沖洗3次后烘干,即得植酸鹽樣品.加入濾餅A5倍質(zhì)量的水,調(diào)節(jié)pH值至5.0,加入適量糖化酶,于60℃條件下糖化2h,過濾,即得濾餅B.加入濾餅B5倍質(zhì)量的水,調(diào)節(jié)pH值至9.0,加入適量堿性蛋白酶,于60℃條件下酶解2h,離心,得到濾餅C和濾液C.加入濾餅C4倍
質(zhì)量的95%乙醇溶液(加熱到60℃),常溫靜置1h,過濾,用水清洗濾餅后烘干,即得米糠膳食纖維樣品.調(diào)節(jié)濾液C的pH值至7.0,減壓濃縮后噴霧干燥,即得米糠蛋白樣品.其中,
噴霧干燥條件:進口溫度165℃,進風頻率52.0Hz,出口溫度80~85℃,進料頻率40.0Hz,噴霧器頻率90.0Hz.過程中保持溫度恒定,防止出現(xiàn)潮粉和結塊現(xiàn)象.
1.3.2蛋白質(zhì)和氨基酸組成分析
蛋白質(zhì)含量測定按照國標《食品中蛋白質(zhì)的測定》(GB/T5009.5—2003)[15]進行.
氨基酸組成分析按照國標《飼料中氨基酸的測定》(GB/T18246—2000)[16]進行.
1.3.3溶劑(乙醇、丙酮和丁醇)質(zhì)量濃度的測定
在氣相色譜儀上,采用氣相色譜法測定溶劑的質(zhì)量濃度.采用毛細管色譜柱,進樣口溫度220℃,F(xiàn)ID溫度230℃,柱箱溫度70℃,進樣量1μL.H2流速30mL/min,空氣流速300mL/min,內(nèi)標物為異丁醇.
1.3.4米糠膳食纖維和植酸鹽含量測定
米糠膳食纖維含量測定按照國標《食品中膳食纖維的測定》(GB/T5009.88—2008)[17]進行.
植酸鹽含量測定:目前有關植酸鹽含量的檢測沒有統(tǒng)一的標準,由于植酸的收率直接受到磷含量的影響,所以衡量植酸鹽的關鍵指標便是磷含量.植酸鹽中的磷含量通常以P2O5的含量來表示.
2結果與分析
2.1發(fā)酵產(chǎn)丁醇結果分析
本文以DRB液化上清液為原料發(fā)酵產(chǎn)丁醇,因為DRB液化上清液中的蛋白質(zhì)與其分解物可起到緩沖pH的作用,所以直接采用自然pH進行發(fā)酵.
發(fā)酵產(chǎn)丁醇過程見圖2.由圖2a)可以看出,DRB液化上清液的初始pH值為6.18,總糖質(zhì)量分數(shù)為7.36%.在40h內(nèi)pH值急劇下降到最低點,為4.68,這一階段是發(fā)酵代謝途徑的大量產(chǎn)酸期,總糖被消耗產(chǎn)生有機酸(丁酸、乙酸等),幾乎沒有溶劑生成(見圖2b)).由圖2還可以看出,40h后進入產(chǎn)溶劑階段,pH值上升,基本維持在5.30~6.00之間,有機酸轉(zhuǎn)化為溶劑,且溶劑的產(chǎn)生速度較快.發(fā)酵69h時,溶劑的質(zhì)量濃度達到最大值,丙酮、乙醇、丁醇和總?cè)軇┑馁|(zhì)量濃度分別為7.11g/L,1.48g/L,14.03g/L和22.62g/L,此時總糖質(zhì)量分數(shù)降低至0.64%,總糖利用率達到91.30%.
2.2植酸鹽的提取結果分析
DRB中植酸含量高,易與蛋白質(zhì)結合影響蛋白質(zhì)的溶出,并且,DRB中的色素與蛋白提取過程中的褐變反應均會影響米糠蛋白等的色澤[18].本文工藝中采用了提前分離植酸鹽的方法,能夠在很大程度上解決上述兩方面的問題[19].
本文所得的植酸鹽、米糠膳食纖維和米糠蛋白樣品的外觀如圖3所示.由圖3可以看出,植酸鹽樣品為白色粉末,米糠膳食纖維樣品為金黃色顆粒,米糠蛋白樣品為微黃色粉末.這表明按照本文描述的方法進行加工,過程中未發(fā)生嚴重的顏色反應,所得樣品的品相較好.
另一方面,常規(guī)的植酸鹽提取工藝一般直接采用酸浸法.在酸性條件下,DRB中的可溶性淀粉等雜質(zhì)會隨著植酸鹽一起浸出,從而影響產(chǎn)品的純度和質(zhì)量[20].本文工藝中,高溫α-淀粉酶的作用導致大量淀粉水解,既可增加后續(xù)植酸鹽的浸出率,又可提高產(chǎn)品的純度.植酸鹽相關國家標準和本文植酸鹽樣品指標見表1.由表1可知,本文提取的植酸鹽樣品中,P2O5含量達到39.77%,完全符合中國藥典藥用植酸鹽標準.
2.3米糠蛋白的提取結果分析
DRB和米糠蛋白中的氨基酸組成見表2.由表2可知,DRB中氨基酸的總含量為13.00%,而米糠蛋白樣品中的氨基酸得到了有效濃縮,其總含量達到63.32%.
米糠蛋白中的必需氨基酸組成見表3.由表3可知,本文提取的米糠蛋白樣品中的必需氨基酸組成符合
FAO/WHO(由聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)和聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織(WHO)共同創(chuàng)建)推薦模式中2~5歲兒童的需求[21],同時也與雞蛋蛋白中的氨基酸組成基本相當.米糠蛋白是已知的谷物蛋白中過敏性最低的蛋白質(zhì)[22],其消化率在90%以上,因此,米糠蛋白非常適合添加到兒童食品中.
2.4米糠膳食纖維的提取結果分析
跟酸堿法提取工藝相比,酶法提取膳食纖維得率較高,且膳食纖維產(chǎn)品的持水力、持油力和膨脹力均得到了提高[23].經(jīng)過液化酶、糖化酶和堿性蛋白酶的作用,本文提取的米糠膳食纖維純度達到了72.00%,可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品當中.
2.5物料衡算結果
為了計算原料的消耗量以及各種中間產(chǎn)物、副產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的產(chǎn)量,明晰生產(chǎn)過程中各個階段的組成與消耗,進而為其他工藝和設備計算打下基礎,本文通過物料衡算對工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,進一步梳理DRB的綜合利用過程,結果如圖4所示.由圖4可以看出,適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維;所得產(chǎn)物中,溶劑總質(zhì)量濃度達22.62g/L,米糠蛋白提取率為12.11%,米糠膳食纖維提取率為25.00%,植酸鹽提取率為6.20%.本實驗的整個工藝流程極大地提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟價值.
3結論
本文通過不同生產(chǎn)工藝的組合,對DRB綜合利用聯(lián)產(chǎn)得到了丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維,并對工藝流程的可行性和提取產(chǎn)物的性能進行了分析.結果表明:適宜DRB綜合利用的工藝流程順序為DRB高溫液化發(fā)酵產(chǎn)丁醇、分離植酸鹽、提取米糠蛋白和米糠膳食纖維.所得產(chǎn)物中,丁醇質(zhì)量濃度為14.03g/L;植酸鹽為白色粉末,提取率6.20%,P2O5含量達到39.77%,符合中國藥典藥用植酸鹽標準;米糠蛋白提取率12.11%,氨基酸總含量達63.32%,必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當,過敏性低,適合用作兒童食品的添加蛋白;米糠膳食纖維提取率25.00%,膳食纖維純度72.00%,可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品當中.
該工藝過程綜合考慮了各個產(chǎn)物的性質(zhì),避免了不同提取順序的產(chǎn)物相互之間產(chǎn)生影響,達到了梯級綜合利用的目的,提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟價值.所得相關產(chǎn)物(丁醇、植酸鹽、米糠蛋白和米糠膳食纖維)都得到了有效的濃縮,為市場化利用提供了技術支持.同時,DRB綜合利用過程的物料衡算結果也為DRB工業(yè)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支撐.
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