脱脂米糠联产丁醇、植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维工艺的研究

杨旭　张志平　王光路　宋丽丽　张靖楠

摘要：通过高温α-淀粉酶液化、液态发酵、酸浸、碱性蛋白酶酶解、喷雾干燥等工艺操作，

以脱脂米糠（DRB）为原料联产丁醇、植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维，研究DRB综合利用过程的工艺条件和所制备产品的理化性质.结果表明：适宜DRB综合利用的工艺流程顺序为DRB高温液化发酵产丁醇、分离植酸盐、提取米糠蛋白和米糠膳食纤维.所得产物中，丁醇在发酵液中的质量浓度达14.03g/L;植酸盐为白色粉末，提取率6.20%，P2O5含量达到39.77%，符合中国药典药用植酸盐标准;米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸总含量达63.32%，必需氨基酸组成与鸡蛋蛋白相当，过敏性低，适合用作儿童食品的添加蛋白;米糠膳食纤维提取率25.00%，膳食纤维纯度72.00%，可作为功能食品添加剂添加到各类保健食品中.

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

脱脂米糠DRB（defattedricebran）又称米糠粕，是生产米糠油的副产品.脱脂过程使米糠中的脂肪酶失去活性，同时有效杀灭了米糠中的真菌、细菌等微生物，使得米糠可以稳定保存.

当前绝大部分DRB被用作饲料原料，经济价值较低.为了提高DRB的经济价值，已有研究者尝试以米糠为原料，陆续开发出米糠油、米糠蛋白、米糠营养素SRBN（ricebrannutrients）、米糠营养纤维RBNF（ricebrannutrientfiber）等功能食品[1-2].

由于石化工业的发展，化学法生产丁醇成为主流工艺，但是，随着石化能源的日趋减少和环境保护的需要，生物发酵法生产丁醇日益受到重视[3].目前的研究主要是以玉米、木薯、DRB等淀粉质原料，或者秸秆、玉米芯等木质纤维素原料，在厌氧条件下发酵得到丁醇等产物[4-5].

DRB中含有约30%～40%（如无特指，文中百分数均为质量分数）的淀粉、少量水溶性的蛋白质和无机盐，其对发酵产业廣泛使用的淀粉质原料（尤其是可食用淀粉质）和其他营养元素具有很强的替代性.发酵培养基中，氮源和无机盐的使用成本约占到发酵成本的38%，采用廉价替代品可大幅降低发酵成本[6].因此，开发合理的工艺将米糠中的淀粉类营养成分进行发酵，生产高附加值产品丁醇，既可以降低发酵成本，同时又避免了资源的浪费.研究表明，DRB是提取植酸盐（或称为菲汀）的最佳原料[5].而植酸盐被广泛应用于医药、食品、印刷和油脂工业，同时，也是目前工业化生产植酸或者肌醇的理想原料[7-8].DRB中含有约12%～20%的低过敏性米糠蛋白[9]，低过敏性米糠蛋白易与植酸、碳水化合物等结合在一起[10]，阻碍蛋白的消化吸收，故宜将其从DRB中分离、提取出来，以提高米糠蛋白的利用价值.

目前，世界各国将膳食纤维产品作为癌症、糖尿病等患者的主要功能食物[11]，部分面制品中也添加了适量的膳食纤维[12].

DRB中富含纤维素与半纤维素，是制造米糠膳食纤维的良好原料.有研究指出，米糠膳食纤维中90%以上为不溶性纤维[13]，具有极强的亲水性、亲油性和金属离子吸附性[14]，该理化性质对人体健康大有裨益.

为了弥补单一提取米糠相关产品的不足，本文以DRB为原料，研究通过DRB多梯度综合转化开发丁醇、植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维等高附加值化学品的可行性，并对整个综合利用过程进行物料衡算，以期进一步提高DRB的综合利用程度.

1材料与方法

1.1材料与试剂

DRB原料（相关指标检测显示其含水分13.55%，蛋白质13.00%，总糖37.32%，灰分8.02%），购买于郑州桑园饲料批发市场;液化酶（100000U/mL）、糖化酶（100000U/mL），诺维信（中国）生物技术有限公司产;碱性蛋白酶，杰能科（中国）生物工程有限公司产;各种分析纯化学试剂，国药集团化学试剂有限公司产.

丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum），由郑州轻工业大学食品与生物工程学院保存.

1.2仪器与设备

LDZF-30KB-Ⅲ型高压灭菌锅，上海申安医疗器械厂产;YQX型厌氧培养箱，上海跃进医疗器械有限公司产;TDL-5-A型高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂产;CFO80-S型真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产;SY-6000型小型喷雾干燥机，南京比朗仪器有限公司产;Agilent1260型高效液相色谱仪，美国安捷伦科技公司产;GC7980型气相色谱仪，上海天美科学仪器有限公司产.

1.3方法

1.3.1工艺流程与操作方法DRB综合利用工艺流程如图1所示.

DRB高温液化：将DRB和水按照质量比1GA6FA5混合均匀后，加入1%（以DRB质量计）的高温α-淀粉酶，在90℃恒温水浴锅中液化2h，冷却后离心（3000r/min，10min），上清液直接用于发酵产丁醇，沉淀用于提取植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维.

发酵产丁醇：培养基为DRB高温液化后的离心上清液，其中，总糖含量为7.36%.丙酮丁醇梭菌种子活化时间24h，接种量7%，厌氧发酵温度38℃，发酵周期72h.发酵过程中定时取样测定pH值、溶剂（乙醇、丙酮和丁醇）质量浓度和总糖质量分数.

分离提取植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维：将DRB高温液化后的离心沉淀加入5倍质量的水，调节其pH值至3.9～4.0，在60℃温度下搅拌反应5.0h，过滤得到滤饼A.用水清洗滤饼A后过滤，将两次上清液合并，用10%Ca（OH）2溶液调节pH值至4.5后，用10%氨水调节pH值至9.0，过滤，再将得到的滤饼用水冲洗3次后烘干，即得植酸盐样品.加入滤饼A5倍质量的水，调节pH值至5.0，加入适量糖化酶，于60℃条件下糖化2h，过滤，即得滤饼B.加入滤饼B5倍质量的水，调节pH值至9.0，加入适量碱性蛋白酶，于60℃条件下酶解2h，离心，得到滤饼C和滤液C.加入滤饼C4倍

质量的95%乙醇溶液（加热到60℃），常温静置1h，过滤，用水清洗滤饼后烘干，即得米糠膳食纤维样品.调节滤液C的pH值至7.0，减压浓缩后喷雾干燥，即得米糠蛋白样品.其中，

喷雾干燥条件：进口温度165℃，进风频率52.0Hz，出口温度80～85℃，进料频率40.0Hz，喷雾器频率90.0Hz.过程中保持温度恒定，防止出现潮粉和结块现象.

1.3.2蛋白质和氨基酸组成分析

蛋白质含量测定按照国标《食品中蛋白质的测定》（GB/T5009.5—2003）[15]进行.

氨基酸组成分析按照国标《饲料中氨基酸的测定》（GB/T18246—2000）[16]进行.

1.3.3溶剂（乙醇、丙酮和丁醇）质量浓度的测定

在气相色谱仪上，采用气相色谱法测定溶剂的质量浓度.采用毛细管色谱柱，进样口温度220℃，FID温度230℃，柱箱温度70℃，进样量1μL.H2流速30mL/min，空气流速300mL/min，内标物为异丁醇.

1.3.4米糠膳食纤维和植酸盐含量测定

米糠膳食纤维含量测定按照国标《食品中膳食纤维的测定》（GB/T5009.88—2008）[17]进行.

植酸盐含量测定：目前有关植酸盐含量的检测没有统一的标准，由于植酸的收率直接受到磷含量的影响，所以衡量植酸盐的关键指标便是磷含量.植酸盐中的磷含量通常以P2O5的含量来表示.

2结果与分析

2.1发酵产丁醇结果分析

本文以DRB液化上清液为原料发酵产丁醇，因为DRB液化上清液中的蛋白质与其分解物可起到缓冲pH的作用，所以直接采用自然pH进行发酵.

发酵产丁醇过程见图2.由图2a）可以看出，DRB液化上清液的初始pH值为6.18，总糖质量分数为7.36%.在40h内pH值急剧下降到最低点，为4.68，这一阶段是发酵代谢途径的大量产酸期，总糖被消耗产生有机酸（丁酸、乙酸等），几乎没有溶剂生成（见图2b））.由图2还可以看出，40h后进入产溶剂阶段，pH值上升，基本维持在5.30～6.00之间，有机酸转化为溶剂，且溶剂的产生速度较快.发酵69h时，溶剂的质量浓度达到最大值，丙酮、乙醇、丁醇和总溶剂的质量浓度分别为7.11g/L，1.48g/L，14.03g/L和22.62g/L，此时总糖质量分数降低至0.64%，总糖利用率达到91.30%.

2.2植酸盐的提取结果分析

DRB中植酸含量高，易与蛋白质结合影响蛋白质的溶出，并且，DRB中的色素与蛋白提取过程中的褐变反应均会影响米糠蛋白等的色泽[18].本文工艺中采用了提前分离植酸盐的方法，能够在很大程度上解决上述两方面的问题[19].

本文所得的植酸盐、米糠膳食纤维和米糠蛋白样品的外观如图3所示.由图3可以看出，植酸盐样品为白色粉末，米糠膳食纤维样品为金黄色颗粒，米糠蛋白样品为微黄色粉末.这表明按照本文描述的方法进行加工，过程中未发生嚴重的颜色反应，所得样品的品相较好.

另一方面，常规的植酸盐提取工艺一般直接采用酸浸法.在酸性条件下，DRB中的可溶性淀粉等杂质会随着植酸盐一起浸出，从而影响产品的纯度和质量[20].本文工艺中，高温α-淀粉酶的作用导致大量淀粉水解，既可增加后续植酸盐的浸出率，又可提高产品的纯度.植酸盐相关国家标准和本文植酸盐样品指标见表1.由表1可知，本文提取的植酸盐样品中，P2O5含量达到39.77%，完全符合中国药典药用植酸盐标准.

2.3米糠蛋白的提取结果分析

DRB和米糠蛋白中的氨基酸组成见表2.由表2可知，DRB中氨基酸的总含量为13.00%，而米糠蛋白样品中的氨基酸得到了有效浓缩，其总含量达到63.32%.

米糠蛋白中的必需氨基酸组成见表3.由表3可知，本文提取的米糠蛋白样品中的必需氨基酸组成符合

FAO/WHO（由联合国粮食和农业组织（FAO）和联合国世界卫生组织（WHO）共同创建）推荐模式中2～5岁儿童的需求[21]，同时也与鸡蛋蛋白中的氨基酸组成基本相当.米糠蛋白是已知的谷物蛋白中过敏性最低的蛋白质[22]，其消化率在90%以上，因此，米糠蛋白非常适合添加到儿童食品中.

2.4米糠膳食纤维的提取结果分析

跟酸碱法提取工艺相比，酶法提取膳食纤维得率较高，且膳食纤维产品的持水力、持油力和膨胀力均得到了提高[23].经过液化酶、糖化酶和碱性蛋白酶的作用，本文提取的米糠膳食纤维纯度达到了72.00%，可作为功能食品添加剂添加到各类保健食品当中.

2.5物料衡算结果

为了计算原料的消耗量以及各种中间产物、副产物和最终产物的产量，明晰生产过程中各个阶段的组成与消耗，进而为其他工艺和设备计算打下基础，本文通过物料衡算对工艺参数进行数据统计，进一步梳理DRB的综合利用过程，结果如图4所示.由图4可以看出，适宜DRB综合利用的工艺流程顺序为DRB高温液化发酵产丁醇、分离植酸盐、提取米糠蛋白和米糠膳食纤维;所得产物中，溶剂总质量浓度达22.62g/L，米糠蛋白提取率为12.11%，米糠膳食纤维提取率为25.00%，植酸盐提取率为6.20%.本实验的整个工艺流程极大地提高了DRB的综合利用程度和经济价值.

3结论

本文通过不同生产工艺的组合，对DRB综合利用联产得到了丁醇、植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维，并对工艺流程的可行性和提取产物的性能进行了分析.结果表明：适宜DRB综合利用的工艺流程顺序为DRB高温液化发酵产丁醇、分离植酸盐、提取米糠蛋白和米糠膳食纤维.所得产物中，丁醇质量浓度为14.03g/L;植酸盐为白色粉末，提取率6.20%，P2O5含量达到39.77%，符合中国药典药用植酸盐标准;米糠蛋白提取率12.11%，氨基酸总含量达63.32%，必需氨基酸组成与鸡蛋蛋白相当，过敏性低，适合用作儿童食品的添加蛋白;米糠膳食纤维提取率25.00%，膳食纤维纯度72.00%，可作为功能食品添加剂添加到各类保健食品当中.

该工艺过程综合考虑了各个产物的性质，避免了不同提取顺序的产物相互之间产生影响，达到了梯级综合利用的目的，提高了DRB的综合利用程度和经济价值.所得相关产物（丁醇、植酸盐、米糠蛋白和米糠膳食纤维）都得到了有效的浓缩，为市场化利用提供了技术支持.同时，DRB综合利用过程的物料衡算结果也为DRB工业化生产提供了数据支撑.

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