乙醇生产工艺对DDGS蛋白营养价值影响的研究进展

王晓杭，何华军，梅 轩

（1.景宁畲族自治县食品药品检验检测中心，浙江景宁 323500；2.景宁畲族自治县国有资产投资经营有限公司，浙江景宁 323500）

1 前言

随着生物燃料能源的发展，谷物提取乙醇已成为一个相当大的产业，且呈逐渐增长的趋势。生产过程中除了乙醇还伴随大量副产品，如干酒糟及其可溶物（DDGS）。乙醇生产过程中淀粉含量降低，从而使未参与发酵的营养素含量升高（Liu，2011）。如玉米DDGS粗蛋白质含量占干物质的30%，小麦DDGS粗蛋白质含量占干物质39%（Cozannet等，2010）。因此，DDGS可以作为单胃和反刍动物蛋白来源。DDGS中蛋白质含量通常是用其使用的原料蛋白质含量作为评估，玉米DDGS粗蛋白质含量低于小麦DDGS（De Boever等，2014）。关于DDGS的营养价值不仅要考虑粗蛋白质水平，而且要考虑其降解性和消化率，因为反刍动物原料配比与蛋白价值之间的相关性是有限的。同样，一些研究表明，DDGS的蛋白质质量不能简单地归因于原料类型或生长条件，尤其是在反刍动物上的应用存在很大差异（De Boever等，2014）。DDGS干燥过程对蛋白质消化率影响很大，这一过程也是决定DDGS在猪和牛上蛋白的应用价值。干燥虽然是许多文献报道中影响DDGS蛋白营养价值的主要因素，但并不是影响蛋白质质量的唯一重要步骤。乙醇生产工艺包括研磨、蒸煮、发酵、蒸馏、离心、蒸发、混匀和干燥，所有这些步骤理论上都会影响DDGS的蛋白质质量（Rosentrater等，2012）。此外，工厂内部及工厂之间可能存在技术细节上的差异，如研磨粒度、温度、添加化学物或产品的分离和混合等（Liu，2011）。

2 干燥和加热的影响

热可以通过改变蛋白质的二级和三级结构来提高蛋白质的消化率，但在探讨DDGS时，通常会讨论加热对其蛋白营养价值的负面影响（Mauron，1990）。热可以诱发美拉德反应，美拉德反应实际上是一系列氨基酸与还原糖之间的反应。氨基酸通过氨基侧链的修饰或交联而降低消化率，但也可能使氨基酸完全破坏（Mauron，1990）。另外，热处理可以影响植物细胞壁，包括与纤维结合的含氮化合物、木质素聚合物，从而使DDGS中酸性洗涤纤维、木质素特别是酸性洗涤不溶氮的含量较高（Kleinschmit等，2007）。热处理对总蛋白的影响方式可能与氨基酸不同，其中赖氨酸特别容易受热影响（Mauron，1990）。对于单胃动物来说，由于体内缺乏纤维降解酶，因此，增加氮与植物细胞壁的结合可以降低盲肠前端氮的消化率。此外，日粮中提供的氨基酸很重要，特别是对于瘤胃，可以通过瘤胃微生物为宿主提供氨基酸。在反刍动物营养中，DDGS干燥可能在一定程度上有利于迁移蛋白质消化的部位，即通过增加瘤胃未消化饲料蛋白的利用，提高小肠中可消化和吸收的蛋白质，而对蛋白质的结构无影响（Kleinschmit等，2007）。同时由于降低了总蛋白和氨基酸的固有消化率，美拉德反应的产物也可能通过抑制消化酶影响营养物质的整体消化率（Mauron，1990）。

与湿基酒糟及其可溶物（DGS）相比，干基DGS的效果显著，但目前关于这两种产物的应用研究报道较少（Smith和 Makkar，2012）。Frikins等（1984）发现，湿基和干基DDGS对反刍动物氮的降解率影响是一致的，但Ham等（1994）认为，干基DGS的降解率要高于湿基DGS。湿基小麦DGS较干基小麦DGS显著提高了仔猪回肠赖氨酸和蛋氨酸的表观消化率（Lyberg等，2013）。然而，在上述研究中，试验用的原料不是来自同一厂家，发表的实验结果也仅能说明干燥后的DDGS达到了一定的效果。Kleinschmit等（2007）发现，干基酒糟较湿基酒糟提高了瘤胃未消化饲料蛋白，但对瘤胃未消化蛋白在小肠的表观消化率无显著影响。Pahm等（2008）将一批酒糟的样品置于冷冻或烘干条件下发现，加热降低了总赖氨酸和参与美拉德反应赖氨酸的含量，说明了不仅仅是湿基DGS和干基DGS存在差异，干燥过程的变化也可能导致来自不同来源或同一植物DDGS之间存在差异（Monceaux和 Kuehner，2009）。

3 加热对DDGS品质的影响

3.1 颜色 在干燥过程，加热会影响DDGS的颜色，如进口美国玉米DDGS是金黄色的，是目前市场上很受欢迎的原料（Shurson等，2012）。一种更科学的方法是测量饲料的颜色变化，如亮度、红度、黄度。DDGS的颜色变量与鸡的氨基酸消化率、生长速率和料比有相关性（Fastinger等，2006）。小麦DDGS与猪对赖氨酸的消化率也存在相关性（Cozannet等，2010）。但 DDGS的颜色变化并不能反应反刍动物对其蛋白质的利用率。此外，由于谷物种类的内在颜色不同，因此用DDGS混合物的颜色来评判蛋白质特性存在一定缺陷。De Boever等（2014）根据DDGS的这一特点建立了瘤胃未消化饲料蛋白与不同原料DDGS颜色分数之间的变量关系，同时需要注意的是，玉米DDGS和小麦DDGS的颜色也会受到与湿法酒糟混合的浓缩酒液量的影响（Cao等，2009）。

3.2 酸性洗涤不溶氮 DDGS中酸性洗涤不溶氮的浓度可能与单胃动物的蛋白质有关。有研究表明，日粮酸性洗涤不溶氮含量与肉鸡的日增重和料比及猪回肠必需氨基酸标准消化率存在相关性（Almeida等，2013）。然而，在反刍动物营养中，关于酸性洗涤不溶氮对蛋白特性的描述及加热损伤还存在争议。Boila和Ingalls（1994）发现，酸性洗涤不溶氮对反刍动物粗蛋白质消化率具有负面影响，但Kleinschmit等（2007）认为无相关性。使用酸性洗涤不溶氮作为蛋白质损伤的指标可能会低估DDGS中的蛋白水平。如果DDGS中的酸性洗涤不溶氮来源于谷物的茎秆本身，则认为它是不可降解和消化的，而美拉德反应产生的酸性洗涤不溶氮则是部分可消化的（Waters等，1992）。在此基础上，通过DDGS中酸性洗涤不溶氮与相应原料中酸性洗涤不溶氮含量的比较可以估算出加工过程产生的酸性洗涤不溶氮含量。

3.3 氨基酸 DDGS通过热处理会显著降低赖氨酸的含量（Almeida等，2013）。Kim等（2012）指出，DDGS中赖氨酸含量较前几年有上升趋势，这表明，乙醇工业加工方法的整体改进降低了DDGS热损伤。关于热处理对DDGS的影响报道主要集中在赖氨酸上，因为赖氨酸在很多饲喂条件下都属于第一限制性氨基酸，特别是猪。此外，赖氨酸特别容易和糖发生美拉德反应，通常用于反应总蛋白的热损失程度。总赖氨酸与粗蛋白质的比值已被证明与标准回肠可消化必需氨基酸的浓度有关（Almeida等，2013），因此有人用赖氨酸与粗蛋白质比值对DDGS进行分级。由于氨基酸的测定过程涉及酸水解步骤，总赖氨酸的浓度包括赖氨酸和美拉德反应结合的赖氨酸（这部分动物无法消化）。DDGS中赖氨酸含量的测定通常采用反硝酸钠和高精氨酸法（Pahm等，2008）。氨基酸测定过程中在酸水解步骤中形成了糠氨酸，假设其组成为不参与反应的赖氨酸的0.32，根据氨基酸分析过程中产生0.40个未反应的赖氨酸，测定其含量和总赖氨酸含量，计算出参与美拉德反应的赖氨酸比例，但试验中的固定因子0.32～0.4是基于加热处理的牛奶数据，而不是DDGS的数据（Kim等，2012）。由于糠氨酸仅在美拉德反应的早期形成，因此，对热损伤较严重的饲料进行评价可能具有一定的局限性（Boucher等，2009）。在高精氨酸法中，参与美拉德反应的赖氨酸在酸水解前被转化为高精氨酸，从而通过色谱法可以分离出反应的赖氨酸和未反应的赖氨酸。在一项包括33个玉米DDGS样品的研究中，总赖氨酸中的平均值为0.74（高精氨酸法）或0.84（糠氨酸法）为参与美拉德反应的赖氨酸，但存在较大的差异（Kim等，2012；Pahm等，2008）。DDGS中回肠标准可消化赖氨酸含量已被证明与两种方法估计的反应的赖氨酸含量相关，而且，与单独计算总赖氨酸相比，将参与反应的赖氨酸计算在内可以获得较高的预测精度（Kim等，2012）。有研究还探讨了回肠可消化赖氨酸消化率的估测，而不是总赖氨酸消化率（Rutherfurd，2012）。然而，Pahm等（2008）发现，肉仔鸡对DDGS中标准可消化赖氨酸与赖氨酸的生物学利用率无数值上的差异，其认为参与美拉德反应的赖氨酸可以被消化，但不能参与蛋白质的合成，如通过尿液排出体外（Mauron，1990）。然而，关于美拉德反应产生的复合物的代谢还有待进行一步探讨。

4 其他加工因素的影响

4.1 干燥前的热效应 有学者认为，对DDGS产生的热效应不仅是在干燥步骤，还发生在加工过程，如喷煮麦芽浆，糖化或蒸馏脱水过程（Pahm等，2008）。乙醇厂的高能耗会影响原料或冷淀粉水解的应用（Cinelli等，2015）。这个概念在几十年前已经被讨论过，但现在已经被一些乙醇生产公司提炼和采用，该方法用酶解淀粉的方法代替了喷气蒸煮和糖化的步骤，这样可以降低DDGS热损伤的风险（Gibreel等，2009）。原淀粉水解需要额外的酶，包括一系列可能影响谷物蛋白的蛋白酶，但用原淀粉水解代替常规淀粉水解对DDGS营养价值的影响还不是很清楚，大部分关于原淀粉水解的研究都集中在乙醇产量和能量消耗方面（Cinelli等，2015）。

4.2 混合 干燥前或干燥期间，将湿基DGS和浓缩蒸馏物混合，这个步骤很难控制，而且两个蒸汽量的比例可能会不同（Belyea等，2010），这也是DDGS粗蛋白质含量存在差异的原因。Kingsly等（2010）认为，加入到湿基DGS中的浓缩蒸馏物是影响DDGS成分组成的主要原因，且随着添加比例的升高，DDGS中瘤胃可降解蛋白水平相应升高。Pahm等（2008）发现，干燥过程同时采用高温和添加高比例浓缩蒸馏物可以降低赖氨酸发生美拉德反应，因为湿基DGS中赖氨酸含量和浓缩蒸馏物中的糖分含量均较高。提高浓缩蒸馏物的添加量可以提高小麦DDGS蛋白含量，但降低了玉米DDGS蛋白含量（Kingsly等，2010；Cao等，2009）。一般情况下，对生产车间内的蒸汽流进行调节意味着一些蛋白质可能经过不止一次的加工步骤，如薄壁蒸馏液的部分回收通常用于节约水，但部分已经干燥的物料又回收到烘干机中再经过一次干燥（Kingsly等，2010）。

4.3 化学物质 乙醇生产过程的控制需要在发酵酒糟中加入各种酶和化学物质，如为了促进酵母生长添加尿素或氨（Bothast和Schlicher，2005）。与谷物中的氮相比，额外添加氮的作用还不清楚。然而，蛋白水解酶可以增加酵母低分子氮化合物的含量或降低淀粉含量，这些酶可以直接靶向降解谷物蛋白，从而影响DDGS蛋白质的价值（Johnston和 McAloon，2014）。

4.4 原料粉碎 谷物粉碎是乙醇生产过程的第一步，主要是为了得到更多淀粉，同时粉碎也决定DDGS的最终粒度。不同来源的DDGS粒径有很大差异，一般来说，饲料粒度越小，营养物质的消化率越高，这在猪上的研究已得到证实（Liu，2011）。目前，鲜见关于原料粉碎对DDGS中蛋白和氨基酸消化率影响的研究报道，需要进一步去探讨粉碎过程对谷物蛋白质质量，特别是对结构的影响。一项研究表明，在同一种植物中，DDGS颗粒越小蛋白质含量越高（Liu，2011）。

4.5 酵母 影响DDGS蛋白质质量的另一个因素是酵母细胞的生长，这与原料或加工工艺过程没有直接关系。酵母的有效含量是乙醇生产过程中氨基酸变化的主要因素（Belyea等，2010）。但由于没有标准的评估方法，酵母对DDGS的实际贡献尚不清楚。综合考虑酵母、玉米和DDGS的氨基酸比例，酵母大概为DDGS提高了200～500 g/kg的蛋白（Belyea等，2010）。考虑到酵母细胞壁的成分，如甘露聚糖含量，酵母提供的量为100 g/kgDDGS（Shurson，2018）。酵母对 DDGS蛋白贡献的差异可能是由于估算方法不同的原因，但不能排除实际差异。除了整个酵母细胞外，发酵过程中酵母的裂解还能提高发酵产物中游离氨基酸的含量（Johnston和 McAloon，2011）。

5 展望

本文综述了乙醇生产过程对DDGS蛋白价值的几种可能的影响。尽管这些化学、生物和技术方面的影响因素原理是已知的，但由于生产过程的复杂性，相关因素之间又存在交互或加性效应，很难量化蛋白质营养价值。如美拉德反应不仅受温度影响，同时还受水活度和pH的影响。随着乙醇生产工艺不断发展，并引进了新技术，如上文所讨论的原淀粉水解和谷物蒸馏或分馏，有助于使DDGS的质量评估和判定更为标准化。