随着啤酒产业的迅猛发展,啤酒废酵母产量也与日俱增。我国现有啤酒企业 500 多家,年产啤酒近 3000 多万吨,每年产啤酒废酵母 60-90 万吨,如果不对其进行综合利用,势必造成资源的浪费和环境的严重污染。
许多企业将啤酒废酵母泥经过简单烘干作为饲料,没做进一步深加工,仍然没有形成对副产物的真正综合利用。研究发现,啤酒酵母不但可用于生产啤酒,而且在食品和医药工业中也有广泛的应用,如可用于提取蛋白质、维生素,生产食品添加剂及功能食品等。对啤酒废酵母的回收利用不仅可以减轻对环境的污染,还能给啤酒厂带来一定的经济效益。本文收集了国内外相关啤酒废酵母利用的最新成果,以供参考。
1 啤酒酵母的营养成分
1.1 啤酒干酵母的营养成分
啤酒废酵母含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪粗纤维、矿物质等多种营养成分,干燥酵母的具体营养成分见表 1。
1.2 啤酒干酵母中的维生素及生理活性物质
啤酒干酵母中含有丰富的维生素 B1,及 B2 B6 B12叶酸、泛酸等生理活性物质(见表 2)。
1.3 啤酒干酵母中的氨基酸含量
啤酒酵母中的蛋白质含量较高,并含有 18 种氨基酸,其中人体必需的 8 种氨基酸含量及氨基酸的组比例接近联合国粮农组织(FAO)推荐的理想氨基酸的比例(见表 3),具有较重要的氨基酸药理作用。
2 啤酒废酵母的综合利用
2.1 在食品工业中的应用
啤酒酵母由于所含氨基酸、维生素和矿物质等营养成分比较丰富,因而在食品行业也有广泛的应用前景目前,主要用于生产酵母浸膏、天然调味品等营养食品。
2.1.1 用于生产酵母浸膏
酵母浸膏是借酵母菌体的内源酶(蛋白酶、核酸酶、碳水化合物水解酶等)将菌体的高分子物质水解成小分子而溶解所得的物质。酵母浸膏可用于生物培养、食工业调味滋补剂及医药工业高级营养制品等。酵母浸膏的生产工艺流程:啤酒废酵母-预处理-自溶-浓缩-调配-成品。
为了提高成品的感官质量,成品中-NH2 含量及收率,去除酵母泥中残余的酒花苦味,须对废弃啤酒酵母进行预处理,使细胞壁组织疏松,便于提取。ShotipA 等人发现采用旋转式微滤装置对啤酒废酵母进行脱苦处理,效果较好,并且可以通过调整旋转速率来平蛋白质提取率及脱苦效率。
啤酒废酵母自溶是一个比较复杂的过程,受到较多因素的影响。吴方思等对啤酒废酵母自溶条件进行了优化,得出影响酵母自溶的因素依次为:pH> 加水量 食盐用量 > 温度;酵母自溶最适条件为:pH6.0,加水量250 %,食盐用量 2 %,温度 50度;氨基氮收率 5.14 但吴鑫颖等人却发现影响酵母自溶的因素依次为:度 >pH 值 > 食盐用量 > 加水量;自溶最佳条件为:温度40度,pH5.0,食盐用量 1.0 %,加水量 200 %,自溶 48 h氨基氮收率可达到 5.942 %。宋莲军等人研究发现酵自溶的最佳条件为:加水量为 1/2,pH6.5,在 47-52 .下自溶 24 h,氨基氮含量可达到 549 mg/100 mL。 添加一定量的酶能促进啤酒酵母溶解。研究表明,葡萄糖糖化酶、甘露聚糖酶、葡聚糖酶、真菌酸性a-1蛋白酶、木瓜蛋白酶对酵母自溶有促进作用,使用葡萄糖化酶时,自溶液中含较高的葡萄糖,但其中a-NH2 含量却比不上使用蛋白酶时a-NH2 的含量。祝忠付现,添加中性蛋白酶及葡聚糖酶对酵母自溶有较大帮助,食盐对酵母自溶有促进作用,在 50度下酶解 20 h,氨基酸浓度达到 560 mg/100 mL。陈洁等人研究了机械破壁、pH 值以及麦芽根核酸酶对啤酒酵母自溶作用过程的影响,得出均质破壁能显著提高自溶速率及酵母抽提物中蛋白质和核苷酸的含量,麦芽根核酸酶的加入有效地提高了酵母抽提物中 5-核苷酸含量,啤酒废酵母经预处理后,加入一定量的核酸酶,在 40 MPa下均质3次,然后升温到 55度,自溶 30 h 得到酵母抽提物中 5-核苷酸,含量高达 6.37 mg/g。
从以上研究可看出,影响啤酒废酵母自溶的因素较多,主要有温度、值、自溶时间、加水量、助溶剂、酶、pH等,但影响因素的先后次序则并没有唯一确定,这就需要研究者根据具体条件来确定。
2.1.2 生产营养调味品
利用废酵母可以生产富含多种氨基酸、多肽、呈味核苷酸、维生素、多种微量元素的调味品,产品不仅滋味鲜美,而且营养丰富,是当今市场较流行的集调味、营养功能于一体的天然食品。
利用啤酒废酵母生产营养酱油,其方法有两种:一种是利用废酵母自溶液和豆粕按一定比例发酵而成;另一种是将废酵母自溶液和不同鲜味剂调配而成。
胡根河采用第一种方法生产营养酱油,其工艺流程为:
啤酒废酵母-预处理-自溶水解液 麸皮,豆粕-混合润水-煮沸-通风制曲-成曲-发酵-浸泡-淋油-灭菌-成品酱油
第二种方法的生产工艺流程为:
啤酒废酵母-预处理-自溶-过滤-调配-灌装-杀菌-营养酱油 Koutinas.AA等发现在使用啤酒废酵母生产酱油过程中,啤酒废酵母的自溶程度受 pH 影响较小,但受温度、初始固体浓缩物浓度和发酵周期影响较大。
2.1.3 生产胞壁多糖
酵母细胞壁由 85 %-90 %的碳水化合物及 10 %、15 %的蛋白质组成,约一半的碳水化合物主要为葡聚糖和甘露聚糖,细胞壁中还含有大量甘露糖蛋白。葡聚糖和甘露聚糖在人的消化道中难以被消化,可作为膳食纤维发挥作用,并具有增强细胞免疫力、提高巨噬细胞活性及治癌等功效。
刘烺新等采用酵母自溶与机械破碎相结合的方法提取胞壁多糖,使得胞壁多糖得率达到 10 %,纯度达83 %。其提取工艺为:酵母沉淀-自溶-机械破碎-碱溶-中和-沉淀-洗涤-分离-烘干。 张玉香、尹卓容用酶法从啤酒酵母中提取的甘露糖蛋白,经乙醇沉淀和层析提纯,样品中含多糖 88 %,含蛋白质 12 %,薄层层析表明单糖组分中只有甘露糖。
2.1.4 其他
在啤酒酵母泥中添加一定的双歧因子可发酵生产双歧酵母保健食品。最近较多利用啤酒废酵母泥生产营养果醋、发酵酸奶饮料、生产营养蛋白粉等。
2.2 酵母在生物制药工业中的应用
啤酒酵母由于含有多种氨基酸、核酸、维生素、酶类和其他生物活性物质,因而在生物制药行业中具有广阔的开发前景。目前,主要用于药用干酵母、核酸及其衍生物、果糖二磷酸钠、谷胱苷肽、辅酶 A、 族维生素等产品的生产和开发。
2.2.1 制取药用干酵母
目前药用干酵母已成功用于医疗预防,其药理作用是帮助消化,提供蛋白质、维生素等营养。其生产工艺为:酵母泥-洗涤、脱苦-过滤-喷雾干燥-酵母粉-调配-成品。
2.2.2 提取 SOD
SOD(Superoxide dismutase)是超氧化物歧化酶的简称。作为功能性食品基料的 SOD,在食品、医药、化妆品等行业愈来愈成为市场的抢手货,需求量大,经济效益显著。目前仅从牲畜动物血液中提取,受到原料来源限制,且质量不稳定。从啤酒废酵母泥中提取开发SOD,是一条利国利民的好路子。
明景熙采用不同工艺流程提取 SOD。结果表明萃取离心法提取 SOD 回收率达到 73 %,纯化倍数达 96倍;而分布萃取法具有收率高,产品质量稳定,经济效益显著等优点,但该法手续繁琐;微滤超滤法无相变,低温,活性损失小,操作简单,是今后的发展方向,法提取得到的 SOD 总酶活力达到 3000 u/mg。
2.2.3 生产 1,6-二磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖又称 FDP,对休克、急性心肌梗塞和心肌缺血等症状具有良好疗效,是临床上广泛应用的心血管特效药。使用啤酒废酵母生产 FDP 具有一社会和经济价值。其工艺流程为:啤酒废酵母-粗滤-反复水洗-离心分离-干净啤酒废酵母-培养、发酵灭酶-分离-发酵液-提取 FDP。
齐香君等人研究了啤酒酵母生产 FDP 的工艺条件,结果表明: 对转化过程影响最大;最佳转化工艺:pH蔗糖加量 6 %,磷酸盐 4 %, pH6.5,转化温度 30 度,转化时间 6 h。李祥等人研究发现发酵液中 MgCl2 的浓度、pH 值是 1,6-二酸果糖最主要的影响因素。最佳发酵参数为发酵温度 37度,葡萄糖浓度 0.4 mol/L,pH6.5,有机溶剂的添加量约 6 %。酵液中 1,6-二磷酸果糖的量最高可达 70.5 mg/mL。
2.2.4 提取核酸、核苷酸类药物
核糖核酸在医学上可作为生产治疗癌症、脑震荡、肝炎、带状疱疹、冠心病、病毒性疾病药物的原料;在农业上核酸及水解物可促进植物生长、结果,是不可多得的生长素。
用啤酒废酵母提取 RNA 的方法很多。如自溶法、酶法、盐热法、碱法等。但广泛应用于工业化生产的有稀碱法和浓盐法。一般工艺流程为:啤酒废酵母-盐处理(碱处理)-菌体分离-清液提取 RNA-过滤-干燥-成品。
马文峰研究发现,用浓盐法提取 RNA,如果控制好盐浓度、加热温度、絮凝剂用量等条件,可使 RNA 收得率达到 80 %,纯度达 90 %以上。卞菁等人在 85 度,酵母浓度 10 %,盐浓度 10 %条件下,提取 5 h,得到RNA 干品,纯度达到 69 %,净得率达 1.78 %。毛宁等人研究发现,采用浓缩抽提法比用传统方法直接抽提核酸得率提高 1 倍左右,提取最佳酵母浓度和盐浓度维持在 8 %左右,但其提取温度升高到 120 度,提取时间可缩短到 40 min。李珊等人,采用正交设计试验法对盐法提取啤酒废酵母中 RNA 工艺过程中的酵母浓度、NaC1 浓度、抽提温度和抽提时间等因素进行了研究。结果表明:酵母浓度 8 %,盐浓度 6 %,抽提温度 5 度,抽提时间 6 h 是提取啤酒废酵母 RNA 的适宜条件,在此条件下 RNA 得率为 3.23 %。 Hee.Jeong Chae运用酶制剂处理酵母细胞,使得提取的 5-核苷酸量达到较高水平。研究表明,外切蛋白酶用量对固形物和蛋白质回收率及酵母水解程度有极大影响。内切蛋白酶和外切蛋白酶用量为 0.6 %时,使得固形物回收率达到 48.3 %$53.1 %。先用蛋白酶再用核酸酶处理可使核苷酸量达到最大,5-磷酸二酯酶和磷酸腺苷脱氨酶最佳浓度为 0.03 %。在最佳酶组合、酶用量及处理顺序相同情况下,固形物回收率高达 53.1 %,5-核苷酸达到 3.67 %。
Lee.Jong soo 等人采用自溶方法使酵母细胞内的核糖核酸释放出来,在 60度,pH7.0 的条件下自溶 6 h,磷酸嘌呤核苷酸(LMP)达到 6.2 mg/g,磷酸鸟苷酸(GMP)达到 35.5 mg/g,腺核苷酸最佳产生条件为 60度,pH6.5,自溶 6 h。
2.2.5 提取谷胱苷肽
谷胱苷肽具有清除自由基、解毒、促进铁质吸收及维持红细胞免疫等多种生理功能,临床用于中毒性肝炎和感染性肝炎治疗、有机物及重金属的解毒、癌症辐射和化疗的保护、抑制白内障以及角膜与视网膜疾病的改善,及广泛用于食品及化妆品工业等。
邱雁临研究了从啤酒废酵母中提取谷胱苷肽的工艺流程及提取参数,结果表明:壳聚糖小球对啤酒废酵母抽提物中 GSH 有一定吸附能力,其吸附率为85.68 %,最佳提取条件为:上柱 GSH 抽提液最适 pH为 7.0,最适洗脱剂为 pH4.4 的磷酸盐缓冲液。其工艺流程为:
H.Liu 等人[26]研究发现可在溶剂中添加 L-蛋氨酸作为产生谷胱苷肽的引物,当啤酒废酵母的浓度达到30 g/L 时,葡萄糖和 L-蛋氨酸的浓度分别为 30 g/L 和1.0 g/L,谷胱苷肽量达到 13.18 mg/g。
2.2.6 制取碱不溶性葡聚糖
啤酒酵母细胞壁所含的葡聚糖分为碱不溶性、碱溶性、酸溶性 3 种。其中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,其生产工艺为:酵母泥-洗涤、脱色-加蛋白酶处理、离心-加碱处理、离心-碱处理、离心-酸处理、离心-沉淀物用乙醇脱水-干燥-成品。
M. Suphantharika发现最佳抽提a-葡聚糖的工艺为:在 90 /下,用 1.0 N 的 NaOH 配成 1:5(w/v)碱液进行抽提 1 h。李花霞等人[28]以啤酒废酵母为原料,结合自溶、酶解和碱溶等方法优化碱不溶性葡聚糖的制备条件,结果表明:采用 1.0 mol/L 的 NaOH 碱溶处理啤酒废酵母 7.5 h 效果较好,成品不含甘露聚糖,碱不溶性葡聚糖得率为 9.59 %。 张开诚采用超声波法提取酵母葡聚糖,发现得到的产品主要为(1-3)-a-D-葡聚糖0 产品得率达 30%与酸碱法、酶-酸碱法相比具有工艺简便、成本低廉、没有酸碱废水排放、对环境污染较少等优点。Fremund.stefan 等人[0]也发现以往的热碱、热酸方法提取酵母中的葡聚糖不仅会降低其生物活性,而且产率也不高,采用酶法提取 (1-3)-a-D-葡聚糖可纯度高达 92 %,产量达到 87 %,而且产品的生物活性没有受到影响。
2.3 在饲料行业中的应用
2.3.1 生产蛋白饲料添加剂
蛋白饲料添加剂含有丰富的蛋白质,通常作为配制其他混合饲料的蛋白源,可配制畜牧、鱼虾等饲料,前景十分广阔。其生产工艺流程为:
2.3.2 生产混合饲料
一个年产 12 万吨啤酒、 万吨麦芽的啤酒厂,每1.6年可生产 800 吨混合饲料,可创产值 1120 万元 / 年,获利润 500 万元以上。生产混合饲料的工艺流程为:
3 结论
从以上对啤酒废酵母在食品、医药、饲料工业中的应用情况来看,啤酒废酵母作为啤酒工业中的一个副产物,它的开发利用前景十分广阔。啤酒酵母蛋白质除了可以用于食品和医药外,还可开发用于化妆品、洗发剂,起保护皮肤、防止衰老的作用,而且也可代替其他需用蛋白质作原料。
目前我国啤酒工业对啤酒酵母的回收利用已初步取得成绩。随着近年来啤酒工业的迅速发展,对啤酒酵母的开发利用已越来越引起啤酒同行的重视,并在啤酒酵母的加工利用上、新品开发上不断取得新的成果。相信啤酒酵母的开发利用行业将会成为啤酒工业的一个辅助新兴行业,这对于促进我国啤酒工业的健康发展、减少环境污染、增加社会效益和经济效益及丰富人民群众的生活都有很大的意义。