啤酒废酵母综合利用的研究进展

啤酒废酵母综合利用的研究进展

目前，中国啤酒产量已达到4000万吨，是世界上最重要的。它是一个真正的啤酒生产和消费大国。随着我国啤酒产量的连年增加,啤酒生产废糟、废酵母的排放量也相应的增加,每生产1000t啤酒,就会产生大约1.5t的剩余酵母,啤酒酵母含有丰富的蛋白质、核酸、维生素、矿物质等多种营养成分,其利用价值非常高。目前啤酒酵母的主要处理方式是干燥后作为饲料或直接排放,有效成分没有得到充分利用,造成了资源浪费,污染了环境。日本在啤酒酵母利用方面走在了世界的前列,其中回收啤酒酵母的17%～18%用于药品生产,20%用于食品生产,12%～13%用于强化饲料生产,50%用于混合饲料生产,我国与其相比还有一定的差距。近几年,我国对于资源利用和环境问题也高度重视,强调工业经济要走资源节约、精深加工、环境友好型的循环经济道路。啤酒废酵母的深加工越来越得到了人们的关注,啤酒废酵母作为啤酒生产排放的主要废弃物,含有许多高附加值的组分,且安全、无毒。搞好资源利用,将产生很好的社会经济及环境效益。本文主要介绍了啤酒废酵母在饲料工业、食品工业和生物制药等方面的应用现状。1啤酒酵母细胞啤酒酵母属真菌,是一种单细胞微生物,细胞呈圆形或卵形,细胞大小(3μm～7μm)×(5μm～10μm);啤酒酵母细胞由细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、液泡等构成。啤酒酵母细胞含水分75%～85%,干物质占湿重的15%～25%,主要有碳、氮、氢、氧、磷和少量矿物质组成。啤酒酵母细胞内含有丰富的蛋白质、核酸、维生素、碳水化合物、类脂物质、矿物质等多种营养成分,啤酒干酵母的各组分含量见表1。1.1氨基酸的含量啤酒酵母中含有丰富的蛋白质,蛋白质含量占酵母干重的50%左右,并含有人体必需的8种氨基酸,已接近理想蛋白质的水平,特别是谷物蛋白中含量较少的赖氨酸含量较高,见表2。由表2可以看出,啤酒酵母中的氨基酸组成比例接近联合国粮农组织(FAO)推荐的理想氨基酸组成值,所以啤酒酵母作为人类营养食品或是动物饲料比一般蛋白质营养价值更高。1.2总糖含量及营养强化剂的测定啤酒酵母含有丰富的维生素B1、B2、B6、B12及叶酸、泛酸等生理活性物质,尤其是B族维生素的含量非常丰富,达到酵母干重的0.7%。啤酒酵母中还含有丰富的核酸和其他含磷化合物,核糖核酸(RNA)的含量为4.5%～8.3%。另外,啤酒酵母中含有多种生理活性物质。啤酒酵母中的维生素及生理活性物质见表3。啤酒酵母中还含有较丰富的麦角甾醇,其受到紫外线照射可转变为维生素D,对骨骼形成极为重要,所以可用紫外线照射啤酒酵母,制取维生素D强化酵母片剂,作为钙营养强化剂使用。而啤酒酵母本身是一个活细胞体,所以细胞内含有新陈代谢完整的酶系,啤酒酵母中的多种生理活性物质,利用价值高,具有良好的开发应用前景。1.3富硒酵母的提取啤酒酵母中含有丰富的人体必需微量元素(如磷、铁、钙、镁、锌、锰、硒、铬等)。铬元素和维生素B2结合的化合物能维持人体正常血糖值,硒可以保护心脏,抑制心血管病的发生和发展,防止克山病和关节炎,尤其可以防止癌变,硒是食物中含量比较贫乏的,但又是人体所必需的,而啤酒酵母易富集硒元素,可以用特殊工艺来制取富硒酵母,添加到食品中作为补充微量元素硒的来源。2啤酒废水母素在食品工业中的应用2.1颗粒混合饲料的制备啤酒生产过程中的固体废弃物主要包括制麦芽工序产生的麦芽根、糖化工序生产的麦糟、发酵工序排放的啤酒废酵母等。直接将上述固体废弃物混合干燥、粉碎,制备颗粒混合饲料出售。该方法的优点是投资少、工艺简单,啤酒固体废弃物得到了利用,减少环境污染,而且变废为宝,并可取得一定的经济效益。缺点是啤酒废酵母以及麦芽根中含有的许多附加值很高的组分没有得到分离和利用,其高附加值没有体现,造成资源的浪费,价格利用效益受到限制。2.2啤酒废酵母蛋白生产饲料配方我国是一个高蛋白精饲料严重缺乏的国家,每年都要花大量的外汇从国外进口鱼粉和饲料酵母来满足市场需求。啤酒废酵母富含蛋白质,且氨基酸组成接近理想蛋白质,营养丰富。以啤酒废酵母为主要原料生产蛋白饲料添加剂,作为配制其他混合饲料的蛋白源,可代替进口鱼粉。工艺过程主要包括酵母泥搅拌、加热、滚筒干燥、粉碎等工序。该利用方法同样存在高附加值组分没有得到分离和利用问题。3啤酒废酵母的发酵啤酒酵母含有丰富的氨基酸、维生素、生理活性物质和矿物质等营养成分,安全无毒,在食品行业具有广阔的应用前景,以啤酒废酵母可以生产或提取多种食品添加剂以及高附加值的产品。啤酒生产排放的啤酒废酵母除含有活性啤酒酵母以外,还含有少量的麦糟、酒花、絮凝沉淀物等杂质,另外,在啤酒发酵过程中,酵母自身代谢形成的代谢副产物、酵母自溶物等也吸附在酵母细胞上,未经预处理的啤酒废酵母呈褐色,具有明显的苦杂味,用于食品工业必须进行预处理。经去杂、脱苦、脱色后的啤酒酵母呈酵母菌体典型的乳白色,无异味。3.1酵母蛋白营养粉的添加对复合食品的营养价值的影响随着生物技术的飞速发展,从富含蛋白质的微生物中获取蛋白质成为可能,利用工业废弃物或可再生资源生产单细胞蛋白(简称SCP)已有许多成功的例子。啤酒废酵母中含有丰富的蛋白质,蛋白质含量占酵母干重的50%左右,且氨基酸组成非常理想,是一种良好的蛋白资源。酵母蛋白营养价值见表4。由表4可以看出,酵母蛋白的营养价值低于动物蛋白,但接近甚至高于植物蛋白,据报道,酵母蛋白添加蛋氨酸后可大大提高蛋白质的营养价值。利用啤酒废酵母生产的酵母蛋白营养粉添加在食品中,不仅强化了食品的营养价值,同时赋予食品以丰富而宽广的口味和浓郁感。酵母蛋白营养粉的生产工序主要包括酵母泥预处理、自溶、杀菌灭酶、调配、干燥等。3.2酵母抽提物生产工艺酵母抽提物又名酵母精,是利用废弃酵母采用酸法、碱法和自溶处理而得到的一种食品营养添加剂。其富含蛋白质、18种氨基酸,尤其以赖氨酸的含量最为丰富,而且还含有丰富的B族维生素、矿物质、核酸及其降解物、有机酸和糖类等,具有调味、强化营养、抗衰老、抗氧化等功能,广泛应用于肉类、水产品、膨化食品、快餐食品加工中,起着改善食品风味,提高产品品质及营养价值等作用。酵母抽提物生产工艺过程:先将新鲜废啤酵母用80～100目的筛子过筛,然后加水并添加占酵母干重1%～5%的NaCl和纯碱调节pH值为8～9,充分搅拌,离心分离并用水多次清洗。将得到的酵母泥做自溶处理,即使用6%vol的酒精,在45℃～65℃的温水下溶解,搅拌20h～48h。在自溶结束后,将悬浮液在90℃～100℃保温灭酶30min。离心分离得滤液滤渣,将滤液于60℃减压浓缩可得糊状物,再经干燥可得糊状酵母抽提物。酵母抽提物中含有Mailand反应形成的的天然香料成分,是制备肉类香精的天然基料。此外,由于其含有各种氨基酸、B族维生素,是一种优良的微生物生长培养基,被广泛应用在生化培养、生物制药领域。3.3酵母泥复合调味料啤酒废酵母富含蛋白质和核酸类物质,酵母蛋白和核酸的降解产物中含有丰富的呈味氨基酸和核苷酸,因此,利用酵母中所含的多种营养成分可生产富含十几种氨基酸、肽、呈味核苷酸、维生素多种微量元素的天然调味品,产品不仅滋味鲜美,而且营养丰富,是集调味、营养两大功能于一体的天然复合调味料,其生产成本比传统酱油成本降低50%,每吨酵母泥可生产类似于酱油浓度的天然复合调味料2.5t～3.5t。主要用作增鲜剂和风味调节剂,在国外抽提物被誉为第三代味精,在国内市场上,已有以酵母为原料生产的调味料出售。3.4活性酵母生产贮藏酵母甘露聚糖是酵母细胞壁多糖中的一种,为糖蛋白,分子量约为90kDa,白色粉状固体,溶于水,溶液有黏性。酵母甘露聚糖在食品行业可以作为食品强化剂,具有抗辐射作用,也可以作为癌患病人体质增强剂,为处于辐射环境中工作人员健康增补剂,用于防晒化妆品的生产,在医药行业可以作为“生物导弹”载体和抗肿瘤药物。国际市场酵母甘露聚糖70美元/g左右,国内市场尚没有国产商品出售。因此,以啤酒废酵母生产甘露糖蛋白市场前景广阔,经济效益显著。酵母泥提取甘露糖的工艺并不复杂,因为甘露糖蛋白分子中亲水基是甘露糖聚合物,亲油基一端是蛋白质的R部分,所以它可作为水包油乳化剂。啤酒废酵母生产甘露糖蛋白的工艺流程:酵母菌体→破胞壁→破碎酵母→离心(或过滤)→酵母残渣→综合利用(生产酵母精和酶)。酵母液→除去杂质→酵母多糖→提取→酵母甘露聚糖(粗品)→纯化→酵母甘露聚糖纯品。该工艺生产的甘露糖蛋白得率为1.5%～2%(酵母干基)。3.5酵母壁酶解法生产复合氨基酸型保健食品可以充分利用啤酒酵母的丰富营养,通过全酶工艺,将酵母壁酶解,除去异味,产品中含人体必需的8种氨基酸。日本扎幌啤酒公司将其制成“干燥啤酒酵母”,可继续深加工为高蛋白饮料、减肥食品、保健食品。3.6可食酵母粉类在食品加工中还可以利用啤酒酵母做培养基的主要成分,加入双歧因子经发酵生产双歧酵母保健食品。利用啤酒酵母代替可可粉加工巧克力和可可饮料已有报道,结果表明,其效果与天然可可粉类同。将酵母抽提物超滤液和截留液分别制成功能饮料,饮料均呈淡黄色,清亮,无沉淀,无酵母味,味甜美,很受消费者喜爱。4啤酒废水母活性拟广泛应用于医药行业啤酒废酵母含有多种生物活性物质、完整的酶系,是提取多种生化物质及生化药物的宝贵资源。4.1救济发酵过程中核苷酸的降解啤酒酵母中含有丰富的核糖核酸,含量为4.5%～8.3%,核酸又可降解为核苷酸,核苷酸可脱去磷酸根生成核苷。核酸和核苷类药物具有扩张血管、增加血红蛋白浓度、增加血红球数、白血球数、减轻浮肿和抗病毒、肿瘤等作用。核糖核酸主要存在于啤酒酵母细胞质内,借助物理、化学或生物化学的方法破坏细胞壁使核酸释放出来,将核糖核酸和杂质分离,得到纯度较高的核糖核酸产品。核糖核酸进一步降解可得到核苷酸,目前利用核糖核酸降解生产核苷酸常用的方法是酶解法,所用的酶是5′-磷酸二酯酶,5′-磷酸二酯酶可以采用桔青霉发酵法制备,目前主要常用从大麦芽根中提取5′-磷酸二酯酶的方法。核糖核酸酶解后主要生成5′-核苷酸,得到4种单核苷酸的混合体,可以借助于合适的离子交换树脂将其分离,获得单一的单核苷酸,核苷酸降解可获得核苷。关于啤酒废酵母提取核酸、核苷酸类药物的相关报道较多,应用于生产实际的不多,工艺技术还有待进一步完善,主要是提取收率偏低、产品质量差、工艺方法复杂,经济上难以过关。我们系统地研究了啤酒废酵母提取核糖核酸的工艺过程,初步确定了工艺技术路线和工艺参数,核糖核酸产品纯度高,提取收率为6%左右(酵母干基),产品经红外吸收光谱鉴定,吸收图谱与核糖核酸标准品完全一致。4.2酵母醇的提取酵母细胞内含有大量的凝血质,凝血质通过凝血酶的作用使人体或动物血浆内可溶性纤维蛋白变成不溶性纤维蛋白,从而达到凝血。从酵母中提取凝血质工艺简单,安全性高,是凝血药品的理想资源。啤酒酵母由于本身富含麦甾醇,所以它是生产麦甾醇的较好原料,麦甾醇是维生素D的前体,工业生产麦甾醇主要是从啤酒酵母细胞中提取。啤酒酵母在提取上述2种物质时,还可以得到卵磷脂、酵母海藻糖和多种氨基酸。4.3fe2+酶活性利用啤酒酵母还可制取谷胱甘肽,谷胱甘肽(由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸构成的三肽)具有参加肝细胞内的氧化还原反应及对SH酶的激活和提高Fe2+酶活性作用,它作为肝脏病与药物中毒的治疗已经商品化。日本朝日啤酒公司在啤酒酵母中组入谷胱甘肽成酶基因并控制培养条件,每单位重量的干酵母菌体生产谷胱甘肽保肝药的得率高达6%。4.4生产抗心肌病制剂果糖二磷酸钠(FDP)是人体代谢中的一种活性生化物质。它的分子结构中有两个高能磷酸键,可以作为恢复和改善细胞代谢的分子水平药物。FDP药粉制成粉剂、水剂可供静脉滴注,它能改善心脏机能和缓和冠状动脉阻塞,用于心肌梗塞、心功能不全、冠心病、心肌缺血发作、休克等症的急救良药;另外,果糖二磷酸钠在制作保健食品、制取美容化妆品方面亦广为应用。利用啤酒酵母以酶法制取果糖二磷酸钠已形成批量生产。4.5免疫调节功能啤酒酵母细胞壁成分主要是葡聚糖,分为碱不溶性、碱溶性、酸溶性三种。碱不溶性葡聚糖能增强免疫力,有抗癌、抗病毒、降低血脂等功能。可采用碱制备法或酶-碱制备两种方法从啤酒废酵母中生提取β(1,3)-D葡聚糖。碱法制备工艺为:废酵母处理后自溶,离心分离,沉淀物用3%NaOH在60℃处理3.5h,离心,沉淀物再用2%NaOH在90℃处理2h,离心、水洗、去脂干燥。4.6维生素、细胞色素由于酵母细胞中含有2%左右的B族维生素,所以可以利用啤酒废酵母提取B族维生素、细胞色素C。在提取细胞色素C的同时,还可以得到辅酶A、酵母多糖和核糖核酸等多种产品。另外酵母是微量元素的载体,它能大量吸收和同化微量矿物质元素,并将其转化成有机形态,成为容易被人体所利用的矿物质微量元素。5啤酒废酵母利用研究进展21世纪