啤酒廢酵母浸粉的研究進(jìn)展

啤酒廢酵母浸粉的研究進(jìn)展

啤酒廢水是啤酒生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)物之一，含有豐富的營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、b族維生素、谷胱甘醇、無產(chǎn)階級、養(yǎng)分和豐富的氨基酸。張虹等人研究了啤酒廢酵母中氨基酸的組成及含量,結(jié)果表明,其比例接近聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的理想氨基酸比例,可見它具有很高的再利用價值,利用啤酒廢酵母生產(chǎn)酵母浸粉就是一個值得研究的應(yīng)用途徑。酵母浸粉俗稱酵母粉(以下稱酵母粉),是以啤酒酵母泥為原料,采用破壁自溶或加酶水解的工藝,經(jīng)分離、噴霧干燥而得到的一種粉末狀產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于微生物的培養(yǎng)與發(fā)酵,為微生物的生長提供氮源和一些生長因子。優(yōu)質(zhì)酵母粉在感官上呈淡黃色,其溶液澄清無沉淀,具有酵母特有的氣味,無異臭、無異物;理化性質(zhì)上要求以碘液檢查不得呈現(xiàn)藍(lán)色,蛋白含量要高于45%,沙門氏菌不得檢出,產(chǎn)品穩(wěn)定性高、重復(fù)性好,營養(yǎng)全面、量化控制。近年來,我國啤酒工業(yè)發(fā)展迅速,啤酒廢酵母量也隨之增加,而國內(nèi)對啤酒廢酵母的再利用研究不足,往往直接作為動物飼料處理,即使應(yīng)用到酵母粉的生產(chǎn)中,所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也較差,主要表現(xiàn)為溶液顏色深、透明度差、缺少某些特殊營養(yǎng)因子、磷酸鹽和堿性沉淀實驗有沉淀等。酵母粉的生產(chǎn)不僅可以合理利用啤酒廢酵母的營養(yǎng)價值,而且避免了對環(huán)境的污染,達(dá)到廢物利用的目的。由于目前國內(nèi)對該方面的技術(shù)研究不足,導(dǎo)致生產(chǎn)的酵母粉質(zhì)量低于國外產(chǎn)品,國內(nèi)市場被國外產(chǎn)品壟斷,所以開展這方面的深入研究具有重要的意義。本文將主要從原料選擇、原料預(yù)處理、破壁方法、自溶技術(shù)等方面進(jìn)行綜述,為以后的研究提供參考和借鑒。同時也對國產(chǎn)酵母粉用作培養(yǎng)基的應(yīng)用方面,主要就替代進(jìn)口酵母粉的研究報道進(jìn)行了綜述。1啤酒廢酵母泥生產(chǎn)酵母粉所存在的問題酵母粉可以分為面包酵母粉和啤酒酵母粉,前者采用糖蜜發(fā)酵的面包酵母為原料,產(chǎn)品的品質(zhì)較好且穩(wěn)定,但是成本較高;后者采用啤酒生產(chǎn)的廢酵母泥為原料,產(chǎn)品的品質(zhì)一般較差,雜質(zhì)較多,但由于啤酒廢酵母泥本身就屬于工業(yè)副產(chǎn)物,成本低廉,應(yīng)用到酵母粉生產(chǎn)上,不僅可實現(xiàn)廢物利用,而且避免了對環(huán)境的污染,更具研究意義。應(yīng)用啤酒廢酵母泥生產(chǎn)酵母粉所存在的問題有:(1)由于其本身就屬于工業(yè)副產(chǎn)物,所以質(zhì)量和穩(wěn)定性難以保證,這使原料的篩選和預(yù)處理難度增加;(2)啤酒廢酵母泥不能長途運(yùn)輸,使生產(chǎn)廠家的原料供應(yīng)有限,生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大;(3)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究不足,使產(chǎn)品的質(zhì)量難以提高。由于這些問題,在選擇原料時首先采取就近原則,選擇工廠附近的啤酒廠為原料供應(yīng)地;然后選擇的啤酒廠家要有一定的規(guī)模,要有穩(wěn)定的生產(chǎn)工序,在保障原料供應(yīng)量的同時盡可能使其質(zhì)量穩(wěn)定;最后就是要定期對啤酒廠家提供的原料進(jìn)行抽樣檢測,隨時監(jiān)控其質(zhì)量情況,以便調(diào)整生產(chǎn)工藝。2酵母細(xì)胞的利用在擬定合理的預(yù)處理方法之前,首先要對啤酒廢酵母泥的成分進(jìn)行分析,根據(jù)其成分?jǐn)M定恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。由于啤酒生產(chǎn)的特定工藝路線,使啤酒廢酵母泥中存在大量的谷物粒子、皮殼碎粉、酒花樹脂、死酵母細(xì)胞壁等雜質(zhì),這些雜質(zhì)的存在直接影響酵母粉的質(zhì)量,原料預(yù)處理的目的一方面就是將這些雜質(zhì)除去,另一方面是使酵母細(xì)胞的細(xì)胞壁組織疏松,便于后續(xù)的破壁處理。而影響預(yù)處理的主要因素有:酵母懸液的濃度、過篩目數(shù)、加水量、水溫、NaHCO3用量等。當(dāng)懸液濃度過高時,易成糊狀,而且泡沫較多,使酵母的損耗大;過篩目數(shù)直接影響酵母的損耗量;加水稀釋能減少篩分阻力,但也要考慮水的用量,加水量要在保證稀釋的前提下盡量節(jié)約用水;酵母細(xì)胞自身的凝聚性受水溫影響很大,溫度越低其凝聚速率越大;NaHCO3能使酒花成分發(fā)生皂化分解除去苦味和異味。李成偉等人研究發(fā)現(xiàn),原料預(yù)處理時,先用2~3倍的無菌水洗滌,然后用80~100目的不銹鋼孔板篩過濾,可除去大部分雜質(zhì),離心分離后再用無菌水清洗,水溫控制為5℃,可得到無色無味上層清液。劉博群等人在以干凈酵母泥的得率為考察指標(biāo)下,發(fā)現(xiàn)最佳的除雜工藝為:酵母懸液濃度為8%,過80目篩2次。孫凌雪采取加水稀釋、過篩除雜和沉降分離的步驟進(jìn)行預(yù)處理,加不少于3倍的5℃水,先過80目篩1次,再過100目篩一次,然后靜置30~40min,可得到不含雜質(zhì)的酵母。3酵母細(xì)胞破壁處理酵母是真核微生物,其細(xì)胞膜外面包裹著一層厚度為100~400nm的細(xì)胞壁,細(xì)胞內(nèi)的各種營養(yǎng)物質(zhì)都被這層約20%體積的細(xì)胞壁所包圍,為了充分利用這些營養(yǎng)物質(zhì),在生產(chǎn)酵母粉過程中必須對酵母細(xì)胞進(jìn)行破壁處理,破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)或者使細(xì)胞壁變薄,增加滲透性使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流出。酵母細(xì)胞壁較厚,干物質(zhì)近75%為多糖,主要包括葡聚糖和甘露糖,外層由甘露聚糖組成,內(nèi)層由葡聚糖組成,中間是蛋白質(zhì)分子。破壁阻力來自于連接細(xì)胞壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共價鍵,目前主要采用的破壁方法可以分為物理法、化學(xué)法和生物法。3.1反復(fù)凍融法與超聲波破壁法的比較主要有高壓均質(zhì)破壁法、反復(fù)凍融法和超聲波破壁法等。高壓均質(zhì)破壁法的原理是利用設(shè)備的突然減壓和高速沖撞所產(chǎn)生的撞擊力和剪切力使細(xì)胞破裂,具有處理量大、速度快、有利于大分子降解和小分子溶出的優(yōu)點,但需要重復(fù)破碎,耗能較大。戴寧等人研究發(fā)現(xiàn),在40~160MPa壓力范圍內(nèi),酵母懸液濃度為10%,均質(zhì)8~16min條件下,破壁率超過60%。反復(fù)凍融法的原理是破壞細(xì)胞膜的疏水鍵,增加其親水性和通透性,而且凍融過程產(chǎn)生的冰晶對細(xì)胞壁也有一定的破壞作用,它避免高溫對營養(yǎng)物質(zhì)的損失,但耗時耗能。蔡俊研究發(fā)現(xiàn),在溫差為90℃、高溫保持20min、冷卻20min、pH6.5條件下,酵母細(xì)胞平均破壁率可達(dá)到74.72%。超聲波破壁法是利用超聲波在介質(zhì)傳遞過程中引起的空化作用,促使細(xì)胞局部產(chǎn)生沖擊波和高溫而使其破碎,具有省時高效、操作簡單等優(yōu)點,但噪音較大,散熱困難,不適合工廠大規(guī)模使用。曾俊華在利用超聲波對酵母細(xì)胞進(jìn)行破壁處理的研究中發(fā)現(xiàn),在頻率為24Hz,破壁時間13min條件下,破壁率可達(dá)到75%。3.2細(xì)胞破壁工藝主要有酸堿鹽處理法、表面活性劑法和有機(jī)溶劑法等。酸堿處理主要是利用酸堿溶液來改變蛋白質(zhì)的電荷性質(zhì),降低蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)之間相互作用力而易于溶解,而且堿可溶解酵母細(xì)胞壁中堿可溶的葡聚糖層,使其通透性增強(qiáng);鹽處理主要利用高滲透壓引起質(zhì)壁分離,使細(xì)胞自身裂解。張淑桂等人在堿法破壁的研究中發(fā)現(xiàn),最佳的工藝條件為:堿濃度為1.0%,菌濃度為10%,處理時間60min,可使RNA提取率達(dá)5%。表面活性劑法是利用表面活性劑與細(xì)胞膜的磷脂及脂蛋白相互作用,破壞膜結(jié)構(gòu)。由于離子型表面活性劑能使一些酶的結(jié)構(gòu)破壞,引起變性失活,引起營養(yǎng)成分的損失,所以一般采用非離子型表面活性劑。張俊杰研究發(fā)現(xiàn)1mL酵母泥中加入1mL1moL/L的Tween20作為表面活性劑,超聲波處理180min以上,酵母破壁率可達(dá)到68.67%。有機(jī)溶劑法是利用許多能增加細(xì)胞通透性的有機(jī)溶劑來處理細(xì)胞,達(dá)到破壁效果。明景熙在研究有機(jī)溶劑對啤酒酵母的破壁效果中發(fā)現(xiàn),采用異丙醇作為有機(jī)溶劑時的效果最好。3.3不同方法聯(lián)合的破壁工藝研究主要指酶解法。由于酵母細(xì)胞壁是由葡聚糖、甘露聚糖和蛋白質(zhì)等成分構(gòu)成,所以可以加入一些外源酶如葡聚糖酶、甘露聚糖酶、蝸牛酶等,來破壞酵母細(xì)胞壁的組織結(jié)構(gòu),進(jìn)行破壁處理。在使用酶解法進(jìn)行破壁處理時,要考慮溫度、pH值、酶量等因素的影響。王志博研究了影響酶解法破壁的因素,結(jié)果表明,各因素的影響主次順序為:溫度、時間、酶量、pH值。只用一種外加酶來進(jìn)行破壁處理時,受到酶專一性的限制,效果往往不好,研究人員一般采用幾種酶聯(lián)合即復(fù)合酶的方法。趙郁在利用啤酒酵母制備氨基酸的研究中,采用蝸牛酶和蛋白酶聯(lián)合對啤酒酵母細(xì)胞進(jìn)行破壁處理效果最佳,處理60h后,上層清液的氨基酸含量可達(dá)4030μg/mL。對于酵母細(xì)胞的破壁處理,幾種方法都有自己的不足之處:物理法耗能較大,相應(yīng)的效率較低;化學(xué)法往往易引起蛋白質(zhì)的變性;酶解法成本較高而效率不高。例如在用酵解酶(Zymolyase)處理酵母細(xì)胞,然后結(jié)合高壓均質(zhì)勻漿,在95MPa壓力之下勻漿4次,可使總破壁率接近100%,而單獨(dú)采用高壓均質(zhì)的方法卻只能達(dá)到32%。由此表明,僅采用某一種方法不能達(dá)到高效率、低成本、易操作的要求,所以幾種方法聯(lián)合已經(jīng)成為研究的焦點,也將成為酵母細(xì)胞破壁處理的趨勢。王慧等人通過響應(yīng)面法將凍融法、高壓均質(zhì)法、堿溶法綜合為一體處理酵母細(xì)胞壁,得到酵母細(xì)胞提取多糖的最佳工藝條件:高壓(103.4kPa)、時間35min、超聲功率510W、超聲時間26min,在該條件下多糖提取率為29.84%。吳潤嬌等在利用啤酒廢酵母提取酵母味素的實驗中,采用高壓均質(zhì)、酶促溶和溫差破壁三者相結(jié)合的綜合破壁法,使干物質(zhì)得率達(dá)到77%。在關(guān)注綜合破壁法的同時,新方法的研究也不能忽視。姚洪文在對比酵母細(xì)胞破碎技術(shù)中發(fā)現(xiàn),納米級微生物細(xì)胞破碎機(jī)是理想的破碎工具,細(xì)胞破碎率可高達(dá)97.8%。4自溶作用的原理酵母細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)大部分是大分子化合物,不能或者不易通過細(xì)胞壁,為了使這些營養(yǎng)物質(zhì)從細(xì)胞壁中溢出,不僅僅需要破壁處理,自溶技術(shù)也起到很關(guān)鍵的作用。自溶就是指在一定的條件下,酵母細(xì)胞本身含有的一些酶將細(xì)胞內(nèi)的大分子化合水解成小分子,然后通過細(xì)胞壁滲透到細(xì)胞外的過程,其機(jī)理為在β-葡聚糖酶作用下細(xì)胞壁降解釋放葡聚糖和甘露糖蛋白,在蛋白酶作用下細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解釋放氨基酸和多肽,其實質(zhì)就是酶促降解的過程。由于酵母細(xì)胞本身含有的酶大部分以酶源形式存在,沒有催化能力或者催化能力很弱,,而且在自溶過程中還會隨著消耗不斷減少,所以單單依靠內(nèi)源酶很難提高自溶效率。4.1溫度對蛋白質(zhì)變性的影響單從環(huán)境角度來說,主要的影響因素有自溶時間、溫度、pH值等。自溶時間影響自溶效率;溫度是自溶過程中一個重要的參數(shù),溫度過低不利于酶發(fā)揮作用,溫度過高引起蛋白質(zhì)變性;自溶一般都是在幾種酶的協(xié)同作用下完成,而不同酶的最適pH值各不相同,所以選擇恰當(dāng)?shù)膒H值也是自溶的關(guān)鍵。KlausBreddam等人研究化學(xué)方法加速自溶時發(fā)現(xiàn),自溶過程對pH值的依賴性很大,在pH8左右時,自溶效果最好。4.2獨(dú)立溶解的強(qiáng)化根據(jù)自溶機(jī)理,提高自溶效率的研究主要集中在以下兩個方面。4.2.1內(nèi)源酶激活內(nèi)源酶酵母細(xì)胞本身所含的酶大部分以酶源的形式存在,沒有催化能力或者催化能力很低,所以自溶過程往往需要添加這些誘導(dǎo)劑來激活內(nèi)源酶。張曉鳴等發(fā)現(xiàn),英國OXOID公司選用氯化鉀為理想的自溶促進(jìn)劑,使酵母細(xì)胞和介質(zhì)之間滲透壓不平衡而發(fā)生質(zhì)壁分離,導(dǎo)致酵母細(xì)胞死亡,加速自溶。宋蓮軍等研究氯化鈉做促溶劑時發(fā)現(xiàn),它可以激活酵母細(xì)胞內(nèi)有關(guān)水解酶,促進(jìn)自溶,并且有一定的防腐作用。4.2.2酵母細(xì)胞的自溶能力由于酵母細(xì)胞內(nèi)酶的含量有限,而且在自溶過程中隨著消耗逐漸減少,所以單靠內(nèi)源酶很難提高自溶效率;添加外源酶以補(bǔ)充酶量,能有效促進(jìn)自溶的發(fā)生并提高自溶效率,但酶的來源以及加酶后生產(chǎn)成本的提高等問題也值得關(guān)注。有研究證明,對酵母細(xì)胞自溶最有效的酶是巰基蛋白酶類,包括無花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶和木瓜蛋白酶等。陶興無等發(fā)現(xiàn)中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、葡聚糖酶3種酶制劑對酵母細(xì)胞自溶都有較好的促進(jìn)作用,可提高自溶得率10%~20%,添加復(fù)合酶(葡聚糖酶+蛋白酶)效果更好,可提高自溶效率20%~40%。單純添加促溶劑時,自溶效率受酶量的限制;單純添加外源酶時,自溶效率受酶活的限制,所以單純的添加促溶劑或者外源酶時,自溶效率都不是很理想,兩個方面聯(lián)合的方法已經(jīng)成為研究的焦點。邵偉等根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗設(shè)計原則,得出啤酒酵母自溶的最佳條件為:每100g酵母泥中添加氯化鈉3g,葡聚糖酶3g,控制自溶溫度55.7℃,pH5.9,自溶時間18h,酵母自溶液中氨基酸態(tài)氮含量可達(dá)0.5929g/100mL。5實現(xiàn)國產(chǎn)酵母粉替代進(jìn)口酵母粉,有利于企業(yè)降由于國產(chǎn)酵母粉質(zhì)量較差,主要體現(xiàn)為溶液顏色較深、透明度差、磷酸鹽的處理不好以及缺乏特殊營養(yǎng)因子等方面,所以目前國內(nèi)使用的酵母粉大部分是進(jìn)口酵母粉,其價格昂貴,如果能實現(xiàn)國產(chǎn)酵母粉替代進(jìn)口酵母粉,將大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。替代方法主要有完全替代、部分替代、加入特殊因子替代等。5.1酵母粉作氮源培養(yǎng)酵母菌種在發(fā)酵過程中,不同的微生物根據(jù)其自身特性,對外界環(huán)境和營養(yǎng)物質(zhì)的要求各不相同,所以在選擇氮源時不能只考慮酵母粉質(zhì)量的好壞,還要考慮菌種自身的特性,這樣才能更合理的設(shè)置培養(yǎng)條件。陳雄等人研究發(fā)現(xiàn),采用國產(chǎn)酵母粉作氮源培養(yǎng)葡萄汁酵母、假絲酵母、球擬酵母時,在生長速率和最大生物量方面優(yōu)于國外生產(chǎn)的3種產(chǎn)品?？梢?在一些特定微生物培養(yǎng)方面,國內(nèi)產(chǎn)品可以完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。5.2優(yōu)化培養(yǎng)基配比在有些微生物發(fā)酵方面,國內(nèi)產(chǎn)品還不能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品,但是我們可以采用國產(chǎn)+進(jìn)口的方式配制培養(yǎng)基,并優(yōu)化其配比,達(dá)到國產(chǎn)酵母粉的最優(yōu)化使用,實現(xiàn)國產(chǎn)酵母粉部分替代進(jìn)口酵母粉。李環(huán)等采用蛋白胨(進(jìn)口)+酵母粉(國產(chǎn))的培養(yǎng)基配方培養(yǎng)嗜熱性木聚糖酶基因工程菌1020時,與蛋白胨(進(jìn)口)+酵母粉(進(jìn)口)的配方相比,酶活雖然下降,但生物量變化不大。5.3營養(yǎng)成分的測定國產(chǎn)酵母粉與進(jìn)口酵母粉相比,缺少一種或幾種微量成分,單純通過增加用量不能彌補(bǔ)這種缺失,需要添加一些化學(xué)物質(zhì)才能補(bǔ)充缺失的營養(yǎng)成分。李環(huán)等在國產(chǎn)原料的基礎(chǔ)上添加無機(jī)鹽和營養(yǎng)成為改進(jìn)培養(yǎng)基,改進(jìn)后的