食品生物技术在粮油加工中的具体应用

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：酸解法条件剧烈，会生成糠醛等有毒的分解产物，而且成本高，对设备有腐蚀作用，所以不宜在发酵工业上应用。生物合成法是利用微生物中的还原酶来生产木糖醇，它可有效降低木糖醇的生产成本。有研究报道了木糖醇的发酵法生产及生产中的影响因素，指出有多种微生物可产木糖醇，其中酵母最好。自然界也有一些微生物能够直接利用半纤维素进行生长，酶学分析或基因分析结果表明它们具有完善的半纤维素酶系统。

（一）纤维素类副产品

纤维废料的原料主要有棉籽壳、玉米芯、稻壳、燕麦壳、甘蔗渣、花生壳、葵花籽壳、小麦秆、棉秆、稻草等。其内含成分主要有纤维素、半纤维素、木质素、灰分等。这些纤维素废料进行水解等处理，可制取糖醛、酒精、酵母、木糖醇等化工产品。

1.生产单细胞蛋白

生产单细胞蛋白（SCP）的原料包括：矿物资源，如石油、液蜡、甲烷、泥炭等；纤维素类资源，如各种作物秸秆、木屑、蔗渣、淀粉渣等；糖类资源，如薯类淀粉原料、糖蜜等；石油二次制品，如甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等。纤维素是SCP发酵生产的潜在资源。几种食品的发酵工业废渣已经成为SCP生产的纤维质原料，除淀粉外，这些废渣中主要是纤维素和半纤维素作为碳源底物，其有效成分含量见表8-3。

由于纤维质原料蛋白质含量很低，这些废渣直接用来饲喂动物时，消化性很差。若利用微生物转化其中的纤维素，合成菌体蛋白，改善其可消化性，这样既可获得高蛋白含量的饲料，又可部分地解决食品发酵工业废渣大量排放所带来的环境污染问题。以纤维素物料生产SCP，其核心问题是生物降解。白腐真菌是已知唯一能在纯培养中有效地将木质素降解为CO2和水的微生物。利用纤维素作为碳源生产SCP有三条路线：一是预处理—酶解—发酵路线；二是酸解—发酵路线；三是混合发酵法。前两条路线的关键是酶解和酸解，是将纤维素水解成糖。酸解法条件剧烈，会生成糠醛等有毒的分解产物，而且成本高，对设备有腐蚀作用，所以不宜在发酵工业上应用。

表8-3　几种食品发酵工业废渣中有效成分含量

单位：%（质量分数）

高酶活单细胞蛋白是用生物技术生产的具有较高酶活性、高蛋白质含量和多种生物活性物质的新型饲料添加剂，具有明显提高畜禽体重、节省饲料消耗、减少动物疾病等功效和显著的经济效益。

2.生成木糖醇

木糖醇是一种集甜味剂、营养剂、治疗剂等功能于一体的五碳糖醇，广泛应用于医药、食品、轻工等行业，具有很高的药用价值和经济价值。木糖醇的生产方法可分成三种：提取、化学合成、生物合成。目前，工业生产主要采用化学合成法。生物合成法是利用微生物中的还原酶来生产木糖醇，它可有效降低木糖醇的生产成本。发酵法不仅可省去木糖纯化步骤，还可以简化木糖醇的分离步骤，是一种很有前途的生产方法。酶法合成木糖醇，则是通过木糖还原酶辅酶因子的代谢平衡来实现连续高效生产。有研究报道了木糖醇的发酵法生产及生产中的影响因素，指出有多种微生物可产木糖醇，其中酵母最好。木糖醇的生产过程中有许多影响因素，如通气率、木糖浓度、氮源、pH和温度等。目前研究表明，菌株培养早期应维持较高水平的通气率，而后应当降低菌株的呼吸率；铵盐是最好的无机氮源，酵母提取物是最好的有机氮源；最适pH范围为4～6，最适温度范围为30～48℃。其工艺流程如下：

富含木聚糖的木质纤维素→水解（催化剂）→水解产物→提纯→木糖溶液→解毒→发酵→精制→木糖醇。

3.木聚糖类半纤维素

中国是一个农业大国，成为环保负担最多的是大量的秸秆。而秸秆半纤维素的90%以上是木聚糖，这正是结构单一、易于水解，而且取之不尽的可再生资源。它的彻底降解需要3～4种酶参与：木聚糖酶、木糖苷酶、阿拉伯糖苷酶和葡萄糖醛酸酶，有的木糖苷酶同时也是阿拉伯糖苷酶。这种半纤维素的分解产物主要是木糖和少量阿拉伯糖、葡萄糖醛酸，可以用作基本碳源生产各种发酵产品，包括有机酸、氨基酸、单细胞蛋白、糖醇、工业酶类、溶剂或燃料醇。

目前研究关注于以基因重组技术开发木聚糖类半纤维素资源。用分子生物学技术构建能分解利用半纤维素的发酵工程菌有两条基本途径：①用编码半纤维素酶的基因转化现有的发酵工程菌，使它们获得所需要的酶类；②把能够分解利用半纤维素的自然菌株构建成能够大量积累目标产品的发酵工程菌。

许多发酵工程菌如芽孢杆菌、啤酒酵母和常用霉菌都能以木糖为生长基质，但多数不具备完善的酶系统来进行半纤维素的分解，因而需根据所利用的半纤维素的种类选择必要的基因进行转化并表达。自然界也有一些微生物能够直接利用半纤维素进行生长，酶学分析或基因分析结果表明它们具有完善的半纤维素酶系统。这些微生物包括一些放线菌、瘤胃细菌和真菌、嗜热细菌或真菌、树木致病菌和食用真菌等，如B.sterarothermopHilus、T.saccharolyticum、T.maritima、A.niger、T.reesei等，其中，T.saccharolyticum只拥有半纤维素酶系统，不能分解利用纤维素，因此应用作基因供体提供热稳定性酶，不宜用来构建发酵工程菌；T.reesei是树木致病菌，用来构建发酵工程菌时应注意病源控制。值得注意的是，基因组研究已经完成的极端高温菌T.maritima能够分解淀粉、纤维素、半纤维素等多种多聚糖，是代谢工程的理想材料；A.niger亦已被构建成基因表达系统，用于某些工业酶的基因表达。除此以外，具有更高实用价值的酶系统和基因表达系统正在研制之中，有望在近期取得突破性进展。(www.chuimin.cn)

（二）淀粉类副产品

粮食作物都含有大量淀粉，提取方法一般是先机械破坏原料的组织，然后从中把淀粉分离出来。淀粉是食品、饲料、造纸、纺织、化工、医药等工业部门不可缺少的原料或助剂，我国年消耗量在100万吨以上。同时，淀粉的衍生品如变性淀粉、糖、醇、酸、接枝共聚物等的产量日益增大，副产品种类不断增多，作为一种可再生资源，是取之不尽的工业原料。生产淀粉原料的主要作物有玉米、土豆、甘薯等。

1.玉米副产物

（1）生产膳食纤维　玉米淀粉厂的玉米皮已经是从谷物中分出来的纤维物质，但国外研究证实玉米皮在未经生物、化学、物理加工前，难以显示其纤维成分的生理活性。必须使玉米皮中的淀粉、蛋白质、脂肪通过分离手段除去，获得较纯的玉米质纤维，才能成为膳食纤维，用作高纤维食品的添加剂。此外，如不经分离提纯，玉米质纤维不仅缺乏生理活性，而且会使口感变坏。研究表明，玉米纤维的活性部分，主要是半纤维素，特别是可溶性部分，将这一部分作为食品添加剂，其口感要比不溶性部分好。

日本研究者提议用酶制剂酶解玉米皮，使淀粉、脂肪、蛋白质降解而除去，精制玉米纤维其半纤维素含量达60%～80%。将这种食物纤维制成饼干，含量在2%时口感好。动物实验表明，其对抑制胆固醇上升有明显效果。

玉米食物纤维具有多孔性，吸水性好，添加到豆酱、豆腐、肉类制品中，能保鲜并防止水的渗出；用于粉状制品（汤类）可作载体；用于饼干中可使生面团易于成型。美国玉米制品公司生产一种食物纤维含量高达90%的玉米麸皮制品，可作面包、饼干、点心、早餐谷物的添加剂，产品高纤维、低脂、低脂酸，没有令人厌恶的风味。美国营养食品公司生产的玉米、黑麦、麦芽复合谷物纤维，总纤维含量达62%，制成的面包、点心、焙烤食品，外表色泽金黄，具有天然果仁风味。

（2）生产蛋白质饲料　胚芽饼是玉米胚经榨取玉米胚芽油后的残渣，胚芽饼含粗蛋白23%～25%，无氮浸出液42%～53%、脂肪3%～9.8%、粗纤维7%～9%，是一种以蛋白质为主的饲料或者饲料添加剂，直接做饲料时，由于胚芽饼中混有粗纤维和部分无氮浸出物，发酵后有一种特殊的异味，影响饲料的适口性，所以应对其进一步处理，一般应经过脱溶脱臭后再利用。

2.小麦麸皮

小麦加工面粉的副产品——麸皮的数量约占小麦的15%。麸皮中含有多种营养成分，如蛋白质、脂肪、糖类、纤维、灰分等，主要用于酿造、饲料和制药业。麦麸主要由膳食纤维组成，并含有4%～5%的植酸和0.4%～1.0%与之相结合的阿魏酸。植酸的水解物肌醇具有许多药理作用，能治疗肝硬化、肝炎、脂肪肝等，是优良的营养增补剂和医药工业原料，同时也是我国重要的出口产品之一。阿魏酸能抗血栓，治疗冠心病、动脉粥样硬化、抗结肠癌、护肤。由于其能抑制多种微生物生长，具有抗氧化活性，目前日本已将其作为天然食品添加剂用于食品保鲜。麦麸膳食纤维虽具有许多保健作用，但完全以原料的形式食用还难以为人们所接受，而以麦麸制备得到的低聚糖将更受欢迎。黑曲霉可同时分泌阿拉伯聚糖酶、植酸酶和阿魏酸酯酶。因此它能以麦麸为原料，将肌醇、阿魏酸和低聚糖从麦麸中释放出来。

欧仕益等对利用黑曲霉发酵麦麸制备阿魏酸、肌醇和低聚糖进行了初步研究。结果表明，黑曲霉能部分释放麦麸膳食纤维上所束缚的阿魏酸，并将多糖和植酸分别水解成低聚糖和肌醇。其中固体培养法比液体培养法能释放出更多的阿魏酸、低聚糖和肌醇。不过由于黑曲酶在释放这些物质的同时又将其作为营养源，因此利用黑曲霉直接发酵麦麸生产这三种物质是不经济的，而利用它们产生的酶来生产阿魏酸、肌醇和低聚糖可能更好。

3.米糠

米糠是稻谷脱壳后依附在糙米上的表面层，它是由果皮、中果皮、种皮糊粉层及胚芽等组成。其化学成分以糖类、脂肪、蛋白质为主，还含有较多的维生素和灰分（常以植酸盐形式存在）。我国是世界上第一产米大国，其每年可产米糠950万吨以上，因此米糠是一项巨大待开发的再生资源，经综合利用后将会取得显著的经济效益。目前世界各国对米糠的综合利用表现出极大的兴趣，特别是日本、韩国以及东南亚一些较为发达的国家，对其综合利用进行了大量的研究工作。我国至今绝大多数仍只当作畜禽饲料或仅仅用其生产单一产品，造成一定浪费。如我国目前只从米胚芽中提取胚芽油进而提炼维生素E，日本则生产各种营养食品或食品强化剂及食品抗氧化剂等制品十几种。我国米胚芽制品尚属空白，应积极开发。谢永荣论述了用米糠生产胚芽粉或油、米糠油、糠蜡、谷维素、肥皂、脱模剂、植酸钙、植酸、肌醇、米蛋白、糖浆、食品香料和饮料等多种系列产品，指出了米糠综合利用的途径。

（三）油脂类副产物

植物油脂主要贮存在种子中，也有些存在于果实、果肉、果皮或种仁中。常见植物油脂根据碘值大小，即含不饱和脂肪酸的多少，把油脂分为干性油、半干性油和不干性油三类。干性油碘值在130以上，因所含不饱和脂肪酸多，氧化能力强，所以在空气中很快干燥，如桐油、亚麻仁油、苏子油、大麻油、梓油等。半干性油碘值在100～130，这类油在空气中干燥较慢，不容易在表面形成薄膜，即使形成也不像干性油那样坚固，较易剥落，如大豆油、向日葵油、棉籽油、芝麻油等。不干性油碘值在100以下，这类油在空气中氧化极慢，长期不能结膜，如花生油、蓖麻油、茶油等。油脂副产品也有很多的利用，如米糠油皂脚可以用来提取谷维素，米糠饼粕可以提取植酸。

食品生物技术在粮油加工中的具体应用

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