浅谈啤酒酵母的综合利用

浅谈啤酒酵母的综合利用

啤酒发酵是啤酒工业生产的主要副产品。这是啤酒生产后从发酵槽底部挖出的母沉积物，由母沉积物、少量蛋白质和酒花碎片组成。以发酵酵母生产啤酒为例,目前每生产100t啤酒,大约可得到湿啤酒酵母1.5~2.0t(含水75%~80%),其中仅有30%左右被回收利用,其余的都被废弃掉。啤酒酵母泥中含有丰富的营养物质,每克干酵母泥中含有蛋白质48%~60%、碳水化合物30%~35%、核糖核酸4.5%~8.3%、灰分7%、脂肪1.5%、谷胱甘肽0.4%以及水分5%~7%。此外,还含有丰富的维生素、粗纤维等其他的营养成分。啤酒酵母各组分相关产品如图1所示。我国是世界上最大的啤酒生产国,2013年啤酒产量共计5061.5万t,产生了100万t左右的啤酒酵母。因此,加强对啤酒酵母的综合应用,提高产品的附加值,不但具有广阔的市场空间,同时,可减少废物排放,加强环境保护,产生巨大的经济效益和社会效益。1葡萄酒和发酵母以及衍生产品在食品行业的应用1.1新型调味料和新一代调味料近年来随着生活水平的提高和对食品安全的关注,人们对食品添加剂的生产和应用有着更高的要求和认识,寻求绿色、回归天然已成为发展的主流。酵母抽提物是一种天然的调味料,它含有酵母细胞降解而成的肽类化合物、游离氨基酸、核苷酸、有机酸和糖类等,具有强烈的呈味性能,口感醇厚,添加到食品中能赋予食品以浓厚的后味,可以更好地改善食品风味,抑制食品苦、涩等不良气味,使食品的味道更加浓厚、圆润,是继味精(monosodiumglutamate,MSG)、水解植物蛋白(hydrolyzedvegetableprotein,HVP)、水解动物蛋白(hydrolyzedanimalprotein,HAP)和呈味核苷酸(IMP+GMP,I+G)之后的新一代调味料。目前我国酵母抽提物主要以面包酵母为原料,对比使用啤酒酵母为原料生产酵母抽提物成本较高,因此应用啤酒酵母生产酵母抽提物具有显著地经济、社会、环保效益,研究主要集中在高I+G型和风味型酵母抽提物的研究与开发。1.1.1酵母抽提物生产提高呈味核苷酸含量的机制I和G是呈味核苷酸5′-肌苷酸(ionosine-5′-monophosphate,IMP)和5′-鸟苷酸(guanosine-5′-monophosphate,GMP)的缩写,具有显著呈鲜味作用,与味精混合时产生协同效应,使鲜度提高数倍至数十倍;同时核苷酸对甜味、肉味有增效作用,对咸、酸、苦味及腥、焦味有抑制作用。一般的酵母抽提物虽然在整体呈味上比味精强,但往往给人鲜度不够的感觉;高I+G型酵母抽提物使呈味核苷酸含量增加,从而提高产品的鲜度,再加上酵母抽提物天然、营养的特性和良好的加工性能,这样就大大提高了酵母抽提物与其他鲜味剂竞争的优势。高I+G型酵母抽提物的生产主要是通过自溶-酶法进行的。在一定温度、pH条件下,诱导酵母细胞进行自溶,并依次加入相应的细胞壁水解酶、蛋白酶和核酸酶,最终获得高I+G型酵母抽提物。刘汉灵等通过酵母水解工艺控制结合外加核酸酶等技术,使酵母抽提物中I+G含量从1%左右提高到10%左右。徐耀文等以啤酒酵母为原料,采取分步酶解技术,使酵母抽提物中的I+G含量从3%左右提高到10%以上。唐山拓普生物以啤酒酵母为原料,通过诱变技术获得核酸含量超过13%的啤酒酵母菌株,并以此为原料进行生产,也获得了I+G含量>12%的酵母抽提物,已达到国际同类水平。1.1.2酵母抽提物与美拉德反应酵母抽提物之所以有显著的调味效果,与其所含成分密切相关。其中IMP和GMP主要贡献鲜味,游离氨基酸贡献鲜味和甜味。此外,酵母细胞中还含有芳香类物质以及肽类化合物,不同于以鲜味为主的味精和呈味核苷酸,其可赋予食品醇厚浓郁的香味,使食品总体风味更加协调。通过优化酵母抽提物水解工艺,控制酵母抽提物中氨基酸、肽类和核苷酸的含量可增强酵母抽提物的呈味性能,并且通过美拉德反应还可赋予产品特殊风味。李德科等研究认为自溶-酶联技术是制备啤酒酵母抽提物的理想方法,还通过控制美拉德反应的条件制备出具有肉味浓郁、滋味饱满和肉质感强的风味型酵母抽提物。赵文红等报道以酵母抽提物为原料,加入猪肉酶解液,水解植物蛋白和甘氨酸等材料,在120℃反应60min,获得了总体香气较好的猪肉香精,并通过气质联用仪(gaschromatograph-massspectrometer-computer,GC-MS)检测,证明了添加酵母抽提物反应的猪肉香精,含有重要猪肉香气的化合物较多。同时酵母抽提物结合美拉德反应也被用来制备牛肉和鸡肉香精。除赋予食品滋味以外,酵母抽提物因含有较丰富的肽类,还具有乳化性、持水性和凝胶性等加工特性。李沛等将猪肉风味型酵母抽提物添加到不同种类的熏煮肠中,获得了高品质肠类制品,酵母抽提物不但可以替代部分调味香料,而且还可以提高制品的品质,是一种新型的肉制品调味料和品质改良剂。1.2-葡聚糖的提取酵母来源的β-葡聚糖是第一个被发现具有免疫活性的葡聚糖。在啤酒酵母中,细胞壁多糖约占酵母细胞干质量的20%,而β-葡聚糖占细胞壁多糖的60%,啤酒酵母可作为β-葡聚糖的重要来源。酵母葡聚糖能显著提高人体的免疫功能,因此可以作为一种功能因子在食品中添加。酵母中β-葡聚糖是由一个约1500个以β-1,3-糖苷键链接而成的长链和一个约190个以β-1,6-糖苷键链接而成的短链组成的葡聚糖单位铰链而成。在体内和体外实验研究发现,β-葡聚糖的免疫特性与其聚合度、分子质量和侧链组成都有很大的关系。目前提取β-葡聚糖的方法主要有酸碱法、酶碱法和自溶-酶-碱法。其中酸碱法对环境污染严重,酶碱法试剂用量较大,而自溶-酶-碱法虽能得到得率和纯度较高的葡聚糖,但是对葡聚糖的结构破坏较大。针对以上方法的缺点,不同的研究者采取不同的方式来解决这些问题。FREIMUNDS等报道应用热水-酶法提取酵母细胞壁多糖,先将啤酒酵母细胞悬浮液在125℃处理5h,之后再经过蛋白酶处理,所得到的酵母细胞壁多糖较用碱法提取的更完整。同时在热处理后的上清液中加入乙醇沉淀,还可以获得另一种生理活性物质甘露糖蛋白。LIUXY等报道在用121℃处理4h后,利用高压均质破碎酵母细胞壁。通过这种方法获得细胞壁多糖不但产量高而且减少了对葡聚糖链的破坏。马森等还通过超声波处理酵母细胞,使细胞壁松散、破碎,增大溶剂作用面积,以缩短β-葡聚糖提取时间和提高提取率。除了能够刺激机体产生免疫反应外,β-葡聚糖还能够提供脂肪样口感,且在人体消化器官中难以被消化吸收,同时还具有高度的保水性,可作为脂肪替代物和食品添加剂,用于香肠、火腿肠等制品中。WORRASINCHAIS等研究应用啤酒酵母β-葡聚糖部分替代大豆油制作蛋黄酱,含50%和75%β-葡聚糖的蛋黄酱与100%植物油蛋黄酱在黏度和硬度方面没有显著差异。含有β-葡聚糖的产品在贮存稳定性方面明显优于不含β-葡聚糖的产品。β-葡聚糖含量不超过50%在感官评定上完全可以接受。宫艳艳等以β-葡聚糖替代重油蛋糕配方中的部分脂肪,结果表明β-葡聚糖的加入使蛋糕的弹性、胶着性和回复性增加,同时还改善了蛋糕的咀嚼性。感官评定表明,加入20%的β-葡聚糖感官指标与传统重油蛋糕相似。2发酵过程中酵母菌种的生长酵母抽提物具有蛋白质含量高,氨基酸组成合理,维生素和矿物质含量丰富等营养特性,因此,可作为种子培养基和发酵培养基主要原料,广泛应用于细菌、真菌、放线菌等微生物发酵生产有机酸、多糖、抗生素、医药中间体、核苷酸等产品。目前培养基用的酵母抽提物,主要为面包酵母经自溶或酶解后制得,而用啤酒酵母制得的培养基用酵母抽提物的品质也逐渐赶超面包酵母抽提物,且更具有成本优势。王宁宁等对酵母类有机氮源及其在发酵行业的应用做了非常系统的阐述,涉及乳酸菌发酵、甾体药物、透明质酸、抗生素、生物防腐剂、黄原胶、酶制剂、疫苗和肌苷等各发酵领域。CHAMPAGNECP等对比了3种乳酸菌(LactobacilluscaseiEQ28、EQ85和LactobacillusacidophilusEQ57)和1种片球菌(PediococusacidilacticiMA18/5-M)在啤酒酵母和面包酵母来源的酵母抽提物为氮源的培养基中的生长情况。发现LactobacillusacidophilusEQ57在以啤酒酵母抽提物为氮源时菌数达到最大,并且有较快的生长速度。研究还发现,两种抽提物按不同比例混合,对其他3种菌的生长状态有显著地影响。RAKINM等在甜菜汁中加入啤酒酵母自溶物,经LactobacillusacidophilusNCDO1748发酵后可以显著提高甜菜汁中甜菜苷、维生素C和Ca、Fe等金属离子含量;并且发现甜菜汁、胡萝卜汁和啤酒酵母自溶物的比例在0.5∶0.5∶1条件下,可以获得β-胡萝卜素、维生素和金属离子含量最佳的产品。JIANGM等以啤酒废酵母抽提物为氮源,应用产琥珀酸放线杆菌(ActinobacillussuccinogenesNJ113)发酵生产琥珀酸,研究发现对比自溶法获得的酵母抽提物,应用酶解法获得的酵母抽提物可以获得更高的生物量和琥珀酸产量。并且通过添加维生素可以使琥珀酸的产量达到46.8g/L。贾铁岭等对地衣芽孢杆菌的培养基和培养条件进行了优化,发现以酵母抽提物为有机氮源时活菌总数最高,培养效果最好,这与酵母抽提物富含氨基酸、小肽、核苷酸、B族维生素等生长因子有关。3葡萄酒和发酵母以及衍生产品在饲料领域的应用3.1啤酒酵母作为饲料原料的应用我国优质饲料蛋白严重匮乏,而啤酒酵母中蛋白含量丰富,氨基酸配比均衡,是优质的饲料蛋白。啤酒酵母作为蛋白源在教槽料、水产饲料、特养动物饲料、宠物饲料等得以广泛应用,并取得良好的效果。目前啤酒酵母作为蛋白源在饲料行业应用主要有以下几种形式。第一,直接用作饲料:新鲜酵母泥经洗涤、破壁、分离、浓缩和干燥后制成酵母提取物等可以直接用作饲料。第二,作为饲料配料:干燥酵母粉作为蛋白原料结合其他原料成分制成用于鱼、虾、畜、禽等专用饲料。第三,制作发酵饲料:与制麦下脚料、麦根、麦硅和麦糟等混合,接种特定的微生物进行发酵,经灭菌后制成颗粒饲料。3.2酵母复合蛋白饮料对畜禽免疫的影响近年来,人们对畜禽食品安全愈加重视,尤其是2013年颁布的新饲料法规中规定在动物饲料中禁止添加抗生素,这使得安全、无毒副作用且可提高畜禽免疫力的饲料原料研究成为热门课题。酵母细胞壁中的β-葡聚糖和甘露聚糖,属于功能性低聚糖,具有一定的免疫功能,能刺激机体免疫应答。此外,还能促进有益菌增殖,改善肠道微生态环境,提高机体免疫力,在促进幼龄动物生长、降低死亡率方面有显著作用。酵母细胞壁多糖在提高仔猪、肉鸡、草鱼和中国对虾等动物的抗病力和免疫力的积极作用已得到证实。3.3酵母采用碳源在酵母培养过程中加入金属的无机盐,通过酵母的生物转化,可使其以有机离子的形式在酵母中富集,生产富有机微量元素的酵母。目前饲料行业上用酵母生产的有机微量元素主要是硒和铬。酵母硒有很高的生物学效价和抗氧化性能,是最具开发和应用前景的有机硒源;给畜禽日粮添加酵母硒,能提高其生产性能和饲料转化率,还可以提高动物免疫力,增强抗病能力,拮抗重金属毒害等作用。富铬酵母可将无机铬转化为有机铬,有效提高了生物利用率和生物活性,且其作为动物天然的饲料微量元素添加剂,具有降低畜禽应激、改善机体免疫机能和生产繁殖性能的特殊功效。除此之外,还有应用啤酒酵母细胞壁吸附饲料中