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(jié)果表明：適宜DRB綜合利用的工藝流程順序?yàn)镈RB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(dá)14.03g/L;植酸鹽為白色粉末，提取率6.20%，P2O5含量達(dá)到39.77%，符合中國(guó)藥典藥用植酸鹽標(biāo)準(zhǔn);米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸總含量達(dá)63.32%，必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當(dāng)，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(shí)有效殺滅了米糠中的真菌、細(xì)菌等微生物，使得米糠可以穩(wěn)定保存.

當(dāng)前絕大部分DRB被用作飼料原料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低.為了提高DRB的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yíng)養(yǎng)素SRBN（ricebrannutrients）、米糠營(yíng)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(xué)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(hù)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?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的淀粉、少量水溶性的蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽，其對(duì)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(yíng)養(yǎng)元素具有很強(qiáng)的替代性.發(fā)酵培養(yǎng)基中，氮源和無機(jī)鹽的使用成本約占到發(fā)酵成本的38%，采用廉價(jià)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(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)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(shí)又避免了資源的浪費(fèi).研究表明，DRB是提取植酸鹽（或稱為菲?。┑淖罴言蟍5].而植酸鹽被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、印刷和油脂工業(yè)，同時(shí)，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(jié)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(jià)值.

目前，世界各國(guó)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(qiáng)的親水性、親油性和金屬離子吸附性[14]，該理化性質(zhì)對(duì)人體健康大有裨益.

為了彌補(bǔ)單一提取米糠相關(guān)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(xué)品的可行性，并對(duì)整個(gè)綜合利用過程進(jìn)行物料衡算，以期進(jìn)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(guān)指標(biāo)檢測(cè)顯示其含水分13.55%，蛋白質(zhì)13.00%，總糖37.32%，灰分8.02%），購(gòu)買于鄭州桑園飼料批發(fā)市場(chǎng);液化酶（100000U/mL）、糖化酶（100000U/mL），諾維信（中國(guó)）生物技術(shù)有限公司產(chǎn);堿性蛋白酶，杰能科（中國(guó)）生物工程有限公司產(chǎn);各種分析純化學(xué)試劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn).

丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum），由鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院保存.

1.2儀器與設(shè)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(jìn)醫(yī)療器械有限公司產(chǎn);TDL-5-A型高速臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn);CFO80-S型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn);SY-6000型小型噴霧干燥機(jī)，南京比朗儀器有限公司產(chǎn);Agilent1260型高效液相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技公司產(chǎn);GC7980型氣相色譜儀，上海天美科學(xué)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(jì)）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(shí)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(shí)取樣測(cè)定pH值、溶劑（乙醇、丙酮和丁醇）質(zhì)量濃度和總糖質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)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(jìn)口溫度165℃，進(jìn)風(fēng)頻率52.0Hz，出口溫度80～85℃，進(jìn)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(jié)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(cè)定按照國(guó)標(biāo)《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》（GB/T5009.5—2003）[15]進(jìn)行.

氨基酸組成分析按照國(guó)標(biāo)《飼料中氨基酸的測(cè)定》（GB/T18246—2000）[16]進(jìn)行.

1.3.3溶劑（乙醇、丙酮和丁醇）質(zhì)量濃度的測(cè)定

在氣相色譜儀上，采用氣相色譜法測(cè)定溶劑的質(zhì)量濃度.采用毛細(xì)管色譜柱，進(jìn)樣口溫度220℃，F(xiàn)ID溫度230℃，柱箱溫度70℃，進(jìn)樣量1μL.H2流速30mL/min，空氣流速300mL/min，內(nèi)標(biāo)物為異丁醇.

1.3.4米糠膳食纖維和植酸鹽含量測(cè)定

米糠膳食纖維含量測(cè)定按照國(guó)標(biāo)《食品中膳食纖維的測(cè)定》（GB/T5009.88—2008）[17]進(jìn)行.

植酸鹽含量測(cè)定：目前有關(guān)植酸鹽含量的檢測(cè)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)鍵指標(biāo)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(jié)果與分析

2.1發(fā)酵產(chǎn)丁醇結(jié)果分析

本文以DRB液化上清液為原料發(fā)酵產(chǎn)丁醇，因?yàn)镈RB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(jìn)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?jǐn)?shù)為7.36%.在40h內(nèi)pH值急劇下降到最低點(diǎn)，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(jī)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(jìn)入產(chǎn)溶劑階段，pH值上升，基本維持在5.30～6.00之間，有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為溶劑，且溶劑的產(chǎn)生速度較快.發(fā)酵69h時(shí)，溶劑的質(zhì)量濃度達(dá)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(shí)總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至0.64%，總糖利用率達(dá)到91.30%.

2.2植酸鹽的提取結(jié)果分析

DRB中植酸含量高，易與蛋白質(zhì)結(jié)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(yīng)均會(huì)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(jìn)行加工，過程中未發(fā)生嚴(yán)重的顏色反應(yīng)，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(huì)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(dǎo)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(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和本文植酸鹽樣品指標(biāo)見表1.由表1可知，本文提取的植酸鹽樣品中，P2O5含量達(dá)到39.77%，完全符合中國(guó)藥典藥用植酸鹽標(biāo)準(zhǔn).

2.3米糠蛋白的提取結(jié)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(dá)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(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織（FAO）和聯(lián)合國(guó)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(shí)也與雞蛋蛋白中的氨基酸組成基本相當(dāng).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(jié)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(dá)到了72.00%，可作為功能食品添加劑添加到各類保健食品當(dāng)中.

2.5物料衡算結(jié)果

為了計(jì)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(gè)階段的組成與消耗，進(jìn)而為其他工藝和設(shè)備計(jì)算打下基礎(chǔ)，本文通過物料衡算對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步梳理DRB的綜合利用過程，結(jié)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?yàn)镈RB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(dá)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(shí)驗(yàn)的整個(gè)工藝流程極大地提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

3結(jié)論

本文通過不同生產(chǎn)工藝的組合，對(duì)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(duì)工藝流程的可行性和提取產(chǎn)物的性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：適宜DRB綜合利用的工藝流程順序?yàn)镈RB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(dá)到39.77%，符合中國(guó)藥典藥用植酸鹽標(biāo)準(zhǔn);米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸總含量達(dá)63.32%，必需氨基酸組成與雞蛋蛋白相當(dāng)，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(dāng)中.

該工藝過程綜合考慮了各個(gè)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(dá)到了梯級(jí)綜合利用的目的，提高了DRB的綜合利用程度和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.所得相關(guān)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(chǎng)化利用提供了技術(shù)支持.同時(shí)，DRB綜合利用過程的物料衡算結(jié)果也為DRB工業(yè)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支撐.

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