米酒糟综合利用的研究进展

陈玉琴1,张钰霜1,徐爽1,杨嘉和1,程润喜2,胡芳2,王子豪2,方尚玲1,汪江波1,徐健1*

(1.湖北工业大学生物工程与食品学院,工业发酵省部共建协同创新中心,发酵工程教育部重点实验室,工业微生物湖北省重点实验室,湖北 武汉 430000;2.路德环境科技股份有限公司,湖北 武汉 430000)

摘 要:该文对米酒糟的主要成分含量进行概括分析,并从食品工业、动物饲料、成分提取方面对米酒糟的利用现状进行阐述,通过总结现有利用方法的优缺点,提出对未来米酒糟综合利用的发展方向。探究米酒糟的综合利用不仅有利于降低米酒行业生产成本、延长工业链,而且能解决米酒糟对环境的污染问题,实现米酒工业的无废制造。

关键词:米酒糟;综合利用;食品工业;动物饲料;成分提取

米酒是以大米、糯米、红米、黑米等谷物为原料,经过蒸料、拌入甜酒曲糖化发酵而成的酒精饮料[1]。米酒是世界上最古老的酒类之一,与啤酒、葡萄酒并称世界三大古酒。由米酒衍生出的饮用酒类层出不穷,黄酒、米香型白酒也被认为属于米酒大类。近年来,由于米酒酒精度较低,口感清香且价格实惠,越来越受到当代年轻人的青睐。据中国酒业协会数据显示,2023 年我国的米酒产量达到326 万t,成为日常生活中主要的生产和消费酒种之一。米酒中富含大量的氨基酸、葡萄糖、多酚、维生素和一些微量元素,故适量饮用米酒有助于舒筋活血、补血养颜、强心健体、益寿延年,适用于大多数人群,是一类常见的保健饮品[2-3]

米酒糟是米酒酿造、压榨后剩余的残渣,按黄酒糟出糟率20%~30% 计算,我国每年产生的米酒糟数量接近100 万t[4]。酒糟经过米酒酿造后含有丰富的蛋白质、淀粉、脂肪、纤维素、特征风味物质等成分,具有较大的回收利用价值。目前,米酒糟常用于制作动物饲料,但鲜酒糟中乙醇含量较高,易腐败变质,且缺乏反刍动物所必需的氨基酸,不利于动物肠道消化吸收,长期投喂会引起牲畜的胃肠道疾病,严重影响动物的肉质及健康[5]。同时,米酒糟还具有酸度高和水分含量高的特点,使其不易保存,因此在工业上仍有部分米酒糟通过填埋的方式进行处理,不仅对环境带来严重污染,也造成极大的资源浪费。探索米酒糟的综合利用方法已然成为米酒行业的研究热点,米酒糟的再利用既能实现传统米酒行业的绿色制造和产业升级,又能提高企业的经济效益。

本文对米酒糟的主要成分含量进行概括分析,总结近年来米酒糟的综合利用现状,重点综述米酒糟在食品工业、动物饲料和功能性成分提取上的应用,以期为米酒酿造企业解决米酒糟的处理问题提供参考。

1 米酒糟的主要成分含量及分析

米酒酿造在我国历史悠久,种类丰富,根据其原产地的不同可分为浙江绍酒、江西九江封缸酒、河南双米酒、山东兰陵酒等,在中国湖北、广西、江苏、贵州、甘肃等地也盛产大量米酒类产品。传统米酒、黄酒和米香型白酒的酿造均采用了半固态的发酵方式,大米经过浸渍、蒸煮、摊晾处理后添加小曲、麸曲等糖化发酵剂进行固态培菌糖化和液态发酵[6-7]。发酵结束后,传统米酒和黄酒通过板框压滤获得产品,米香型白酒则通过蒸馏获得,并随之产生大量的米酒糟。表1 总结了不同来源米酒糟的主要成分及含量。

表1 米酒糟的主要成分及含量
Table 1 Composition and content of rice wine waste

注:-表示参考文献中无记录。

酒糟类型黄酒糟黄酒糟黄酒糟米酒糟米酒糟黄酒糟米酒糟黄酒糟黄酒糟米酒糟黄酒糟黄酒糟米香型白酒糟酒糟来源浙江绍兴某酒厂江苏如东某酒厂广东佛山某酒厂甘肃陇南某酒厂江苏无锡某实验室江苏苏州某酒厂浙江温州某酒厂江苏无锡某酒厂江苏无锡某酒厂福建宁德某酒厂湖北宜昌某酒厂上海某黄酒厂四川德阳某酒厂水分含量/%48.4 50.0~60.0 86.7-70.0 38.9 14.4 47.8~51.7 61.4 81.7 46.2--粗灰分含量/%1.4 1.3---8.0-1.4 2.8 4.4---粗蛋白含量/%27.7 55.5 28.1 14.0 51.8 25.5 38.7 30.0~41.3 31.5 34.3 36.1 32.0 18.2~18.9粗淀粉含量/%33.0 28.5-13.7 18.1-10.5 15.0~31.5 22.9 49.4 38.0--粗脂肪含量/%1.5 13.8 4.2 3.4-5.1--4.8 7.3 4.5-粗纤维含量/%-0.9 14.2--14.6--7.2-3.8 27.7参考文献[8][9][10][11][12][13][14][15-16][16][17][18][19][20]

由表1 可知,米酒糟干基中粗淀粉、粗纤维、粗灰分、粗蛋白、粗脂肪含量分别可达到10.5%~49.4%、0.9%~27.7%、1.3%~8.0%、14.0%~55.5%、1.5%~13.8%。米酒糟中粗蛋白与粗淀粉含量较高,最高分别达到55.5% 和49.4%,而粗脂肪、粗纤维等含量偏低,最低含量仅有1.5%和0.9%。米香型白酒糟则含粗纤维较多,能达到27.7%,这种差异的产生主要与酿酒原料、添加酒曲的不同有关[21-22]。综上所述,米酒糟成分和营养较为丰富,可以提取其中的功能性成分,或将其经过一定的酶解和水解处理,产生丰富的氨基酸和还原糖,创造较适宜于微生物生长的营养环境,实现米酒糟的二次发酵应用。

2 米酒糟的利用现状

近年来,米酒糟的综合利用已经得到了越来越广泛的关注。利用米酒糟可制作保健食品、食品调味料、糟烧白酒、黄酒等,并达到提高产品风味口感的目的。此外,米酒糟在生产动物饲料、功能性成分提取和二次发酵等其他应用方面也具有重要作用。

2.1 在食品工业上的应用

米酒糟可通过固态发酵法、低盐固态发酵法和酶解蛋白质发酵法分别制得食醋、特鲜酱油和料酒等食品调味料。万吉志等[13]将麸皮、稻壳和米酒糟按照质量比1∶2∶6 拌入发酵液,以菌株Acetobacter sp-16 进行食醋发酵,此工艺制得食醋的最佳时间为17 d,相较于传统食醋酿造工艺在时间上略有缩短,且产品中的香醋氨基酸含量上升了1.51%。周峙苗等[14]和谷海先等[15]利用低盐固态发酵和酶法水解的方法实现酒糟残渣代替豆粕发酵生产酱油,其中周峙苗等[14]获得产品的发酵时间仅需15 d;而在谷海先等[15]的工艺中,酒糟原料中残余淀粉得到完全利用,并且提高了酱油中蛋白质的含量。刘姗等[23]利用酶解酒糟混合物作为辅料添加到料酒发酵中,有效提高了酒糟蛋白质利用率和料酒中氨基酸成分含量,氨基酸风味比值达到0.69,较对照提高了62.35%。

米酒糟还可以经过二次发酵生产白酒、黄酒。以米酒糟为原料,利用其淀粉含量高的特点,加入曲粉进行堆积培菌和二次固态发酵,可以使酒糟出酒率从17.0% 提高到38.0% 以上,且口感和发酵时间都优于常规白酒发酵技术[24]。选择以黄酒糟酶解混合物作为辅料,与米醪共发酵制备黄酒,黄酒中氨基酸态氮含量和游离氨基酸含量分别为0.52 g/L 和3.55 g/L,较对照组分别提高391.5% 和404.7%,使黄酒具有更加优良的发酵风味[25]。此外,米酒糟还适用于制备抗性淀粉制品,王旭等[26]以黑米酒糟制备面包,研究发现随着黑米酒糟添加量的增加,面包总酚含量(14.0%~28.0%)、1,1-二苯基-2-苦肼基自由基清除率(40.8%~52.5%)和2,2′-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵自由基清除率(16.8%~53.9%)明显增加,表明米酒糟能显著提高面包的抗氧化性,且面包口感和抗性淀粉含量都优于一般面包。利用米酒糟作为主要基质还可以用于培养灵芝、猴头菇等药食兼用菌[27]。综上所述,米酒糟应用于食品工业不仅实现了废弃物的综合利用,还有利于提高产品的食用特性。但是该过程产生的附加值较低,且未对米酒糟中的有效成分进行充分利用。

2.2 在生产动物饲料上的应用

米酒糟经过酵母菌的发酵可使其蛋白质含量显著提高,因此它是家畜家禽、鱼虾类动物的优良饲料。但是利用鲜酒糟直接饲喂动物不利于动物的消化吸收,且有可能引起动物乙醇中毒,因此,探索米酒糟生产动物饲料的利用方法已经成为酒糟处理方向的研究热点。研究表明,虽然米酒糟可以直接替代奶牛日粮中的高成本豆粕,但是Yao 等[28]将米酒糟经过发酵后,发现其氨基酸含量比未发酵米酒糟高26.1%,且作为饲料中的蛋白源饲养奶牛时不会影响奶牛的生产性能,对奶牛瘤胃发酵和氮利用效率也无不良影响,同时又能降低饲料成本、缓解奶牛热应激[29]。米酒糟在生产蛋鸡、家猪饲料方面也同样具有重要应用,向鸡饲料中添加7.5%的米酒糟对蛋鸡产蛋量、饲料转化率和产蛋量均无不良影响,而向米酒糟中添加木糖醇酶可以有效提高猪对低纤维饲料的消化率。米酒糟蛋白通过碱性蛋白酶水解,酶解液的可溶性蛋白含量可达到68.4%,是优良的动物饲料的蛋白原料来源[30-32]。同时,米酒糟富含酵母及其它微生物菌体蛋白,且排放量大,价格低廉,是有价值的对虾诱饵蛋白源[9]。在动物蛋白质饲料发酵中,米酒糟还可以作为一种促进酵母菌体增殖的生长因子,提高蛋白发酵效率,有助于弥补动物工业中蛋白质饲料的短缺,为农工业残留物的利用提供了一条潜在的途径[33]。相比于利用米酒糟制作食品,米酒糟在动物饲料上的应用工艺流程更简单,原料利用更充分且没有废弃物产生。原料被动物食用后其粪便也可以再进行堆肥处理,有效降低酒糟的环境污染问题。但是这种利用方法主要针对酒糟中蛋白质的利用,对其他成分如醇类、酯类、多酚等没有进行合理的利用,难以实现企业经济效益的有效提升。

2.3 在功能性成分提取上的应用

黄酒、米酒、米香型白酒在发酵过程中可产生β-苯乙醇、辛酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、乙醛、月桂酸乙酯、乙缩醛及二甲基三硫等大量风味物质[34],这些物质对于米酒整体香气成分的构成具有重要影响,在酿造结束后也会有部分残留在酒糟中。因此还可以通过酒糟原料成分的直接提取或化学反应生产获得多种功能性产品,主要包括多酚、蛋白质、低聚糖、多肽、酯类等米酒糟中含量丰富的物质,米酒糟的功能性成分提取及其资源化利用途径总结见表2。Wu 等[35]在研究米酒糟提取物的抗氧化活性试验发现,米酒糟提取物中的多酚对抑制酪氨酸酶和黑色素具有重要作用。朱勇等[10]优化了蛋白提取工艺,确定提取条件为料液比1∶2(g/mL)、pH10.0、温度40 ℃、浸提时间1.5 h 时,可最大限度地将蛋白质提取出来,制备蛋白粉原料。在功能性低聚糖提取方面,多使用酸法水解,但是此法会使水解液的颜色随着水解时间延长而逐渐加深,造成米酒糟中多糖提取液的感官性能和品质有所降低。杨志成等[36]将脱色工艺与功能性低聚糖提取工艺结合,利用活性炭吸附进行脱色,有效提高了米酒糟在提取具有保健功能的功能性低聚糖方面的应用水平。这一工艺的补充和发展为米酒糟提取生产功能性低聚糖提供重要参考,但是其工艺流程较为复杂,在工业大量化的生产应用上仍有不足。He 等[37]在米酒糟中分离出一种血管紧张素转换酶抑制肽(angiotensin-Ⅰconverting enzyme inhibitory,ACEi),ACEi 被认为是治疗高血压的潜在药物,因其副作用小而备受关注,米酒糟经过3步反相高效液相色谱分离纯化,鉴定出2 个新肽,其一级结构分别为H5:Ile-Leu-Leu-Pro-Gln-His(H5:LIIPQH)、H6:Ile-Leu-Leu-Pro-Glu-His(H6:LIIPEH),均具有较强的ACEi 活性,这使米酒糟在与功能性食品和降压药物相关的各领域得到新的利用。此外,通过对米酒糟提取物的小鼠实验发现,米酒糟的乙酸乙酯提取物可以抑制免疫球蛋白E(人体血液中的一种抗体,是正常人血清中含量最少的免疫球蛋白,可引起I型超敏反应)介导的大鼠嗜碱性白血病及小鼠被动皮肤过敏反应[38-39],因此米酒糟可以作为一种新型的抗炎食品和药物的开发资源。综上所述,米酒糟中功能性成分丰富,且附加值较高,对其进行充分提取有利于提高米酒生产企业的整体经济效益。现有研究往往只将其中部分成分进行分离、提纯,米酒糟中大部分的营养成分没有得到充分的利用,仍然会有二次污染的风险。因此,对于米酒糟的提取过程,应当从整体的角度出发,合理运用清洁生产的理念,以绿色制造为目标,尽可能地延长工艺链,在充分提取米酒糟中各类功能性成分的基础上,减少提取过程和提取结束后的剩余废弃物,实现米酒糟的综合利用。米酒糟的功能性成分提取及其资源化利用途径见表2。

表2 米酒糟的功能性成分提取及其资源化利用途径
Table 2 Functional components of rice wine waste and their utilization

提取成分功能性低聚糖活性多肽抗氧化物多不饱和脂肪酸挥发性风味成分必需氨基酸色素蛋白质种类低聚木糖LIIPQH、LIIPEH 等活性多肽黄酮、酚类甘油三酯、磷脂、固醇类醇类、酯类、酸类亮氨酸、蛋氨酸、色氨酸、赖氨酸等玉米黄提取方法酸法水解大孔吸附树脂超声波辅助乙醇法“酸解-酶解”提取法“酸解-酶解”提取法酶解法超声波提取法超声波辅助酶解法利用途径食品添加剂,增强免疫,促进肠道健康医药降压、高活力酵母菌剂抗氧化材料人体保健、神经退行性疾病治疗食品风味资源营养强化食品抗癌细胞蛋白制品参考文献[36][40][41][42][42-43][44][45][46]

2.4 米酒糟在其他方面的应用

研究表明,在红曲米酒糟肽存在下,微囊化酿酒酵母细胞的存活率增强,米酒糟作为其培养基质时可有效增强酵母菌体的耐热性[47]。而当米酒糟作为发酵底物时,产朊假丝酵母、白地霉和葡糖醋杆菌BC19-2 是理想的发酵菌群,其对碳水化合物、可溶性蛋白、挥发性脂肪酸、氨基酸等的摄取,可生产细菌纤维素[48]。米酒糟经过搅拌、高压灭菌和超声处理后可用于Ettlia sp.YC001 的生长,是微藻生物柴油生产的廉价原料,其产量可以达到244.2 mg/L[49]。米酒糟还可以和三角帆蚌废弃物进行固态发酵,这使得农业工业废料不仅能用于制造动物饲料,还能用于生产酶、抗氧化剂、化学品和其他生物基产品,如生物能源和生物肥料[50]

目前,已有相关研究探索米酒糟对水溶液中活性染料和碱性染料的生物吸附性,通过考察其吸附剂浓度、溶液pH 值、接触时间等因素对吸附量的影响,绘制米酒糟对亚甲基蓝、活性艳红X-3B、偶氮染料马拉石绿和酸性红73 染料水溶液的吸附等温线并分析其生物吸附量,结果表明米酒糟对上述4 种染料的最大吸附量分别可达7.9、12.4、21.5 mg/g 和18.7 mg/g[51-54],可作为废水中活性染料的吸附剂使用。此外,从黄酒糟中可分离得到一种对造成植物黄萎病的大丽轮枝菌具有良好拮抗性的细菌:Pantoea sp. Strain CCBC3-3-1[55]。在物理材料生产上,米酒糟可以衍生一种新的多孔N-和S-自掺杂碳作为超级电容器的高性能电极材料[56]

米酒糟营养成分丰富,不仅可以用作菌种培养基,而且通过添加菌种发酵可以生产生物材料和化工产品,例如制备微生物蛋白、细菌纤维素、抗氧化物、生物柴油等,对米酒糟进行发酵应用的实例总结见表3。

表3 米酒糟发酵应用汇总
Table 3 Application of rice wine waste for fermentation

原料米酒糟黄酒糟米酒糟黄酒糟黄酒糟黄酒糟黄酒糟黄酒糟黄酒糟米香型白酒糟辅料蔗糖麸皮、稻壳麸皮、小麦、豆粕粳米麦芽糖、麸皮豆粕还原糖米浆水啤酒糟、豆粕矿石粉、生石灰菌株泰山赤芝Acetobacter sp-16沪酿3.042 米曲霉安琪活性干酵母Pleurotus geesteranus、Hericium erinaceus枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母菌木葡糖醋杆菌BC19-2 Candidautilis、Geotrichum candidum热带假丝酵母菌霉菌应用结果泰山赤芝多糖得率高、培养成本低酿造食醋酿造酱油发酵料酒培养药食兼用菌生产奶牛饲料制备细菌纤维素合成单细胞细胞质基质生产蛋白质饲料生产复合型有机肥利用途径食品食品食品食品食品、医药饲料医药饲料饲料肥料参考文献[12][13][14][23][27][28-29][48][57][58][59]

综上所述,结合3 种米酒糟的生产工艺和成分特点进行分析,米酒糟、黄酒糟主要通过压滤获得,其中功能活性成分损失较小,酒糟中淀粉和蛋白质含量丰富。而米香型白酒糟为蒸馏后所得酿酒废弃物,其活性成分易受热变性或分解,酒糟中纤维素含量高,蛋白质和淀粉含量相对较低。因此,可以对米酒糟和黄酒糟用物理化学手段提取功能性材料或添加到食品发酵工艺中提升食品的风味和营养性能,还可以针对其蛋白含量高的特点用作动物饲料的有效蛋白源。米香型白酒糟的利用途径则主要是采用微生物发酵实现高附加值转化,如生产动物饲料,厌氧发酵生产沼气和有机肥等。目前针对米香型白酒糟的研究相对较少,对其中物理化学成分的解析较为缺乏,后续研究应进一步探索其成分特点,找寻更加合理有效的资源化利用途径。

3 结论

米酒糟营养丰富、产量大,可用于制备食品、生产饲料、发酵或提取功能性成分。虽然制备食品和动物饲料可以完全利用米酒糟,但其经济附加值较低。发酵或提取功能性成分附加值较高,但只是利用了米酒糟中的小部分有效成分,发酵或提取结束后仍然会有大量的废弃物产生,造成环境污染。因此,需要探索米酒糟综合利用途径,在回收功能性成分的基础上,进一步延长工艺链,以实现“闭路循环”为目标。例如,将发酵或提取结束后的废弃物用于制备生物沼气或生物氢气,产生的厌氧消化出水经过水资源化处理后作为工艺用水重新用于米酒糟的提取或发酵过程中,实现米酒糟的综合利用和无废制造。探究米酒糟的综合利用方法不仅可以实现米酒生产企业的清洁生产和绿色制造,还可以为其他发酵企业的固体废弃物处理提供参考。

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Research Progress in Comprehensive Utilization of Rice Wine Waste

CHEN Yuqin1,ZHANG Yushuang1,XU Shuang1,YANG Jiahe1,CHENG Runxi2,HU Fang2,WANG Zihao2,FANG Shangling1,WANG Jiangbo1,XU Jian1*
(1.School of Food and Biological Engineering,Hubei University of Technology,Cooperative Innovation Center of Industrial Fermentation(Ministry of Education&Hubei Province),Key Laboratory of Fermentation Engineering(Ministry of Education),Hubei Provincial Key Laboratory of Industrial Microbiology,Wuhan 430000,Hubei,China;2.Road Environment Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430000,Hubei,China)

Abstract: The main component content of rice wine waste was analyzed,and the current utilization status of rice wine waste was described from the aspects of the food industry,animal feed,and ingredient extraction. By summarizing the advantages and disadvantages of the existing utilization methods,the development direction of comprehensive utilization of rice wine waste in the future was proposed. Exploring the comprehensive utilization of rice wine waste is beneficial not only for reducing production costs and extending the industrial chain in the rice wine industry but also for solving the environmental pollution problem caused by rice wine waste and achieving waste-free manufacturing in the rice wine industry.

Key words: rice wine waste;comprehensive utilization;food industry;animal feed;component extraction

DOI: 10.12161/j.issn.1005-6521.2024.24.025

基金项目: 湖北省重点研发计划项目(2021BGD016);大学生创新创业训练计划项目(202210500018)

作者简介: 陈玉琴(2002—),女(汉),本科,研究方向:工业发酵废弃物的综合利用。

*通信作者: 徐健(1991—),男(汉),副教授,博士,研究方向:酿酒新工艺、新产品的研发及发酵废弃物的综合利用。

引文格式:

陈玉琴,张钰霜,徐爽,等.米酒糟综合利用的研究进展[J].食品研究与开发,2024,45(24):202-208.

CHEN Yuqin,ZHANG Yushuang,XU Shuang,et al.Research Progress in Comprehensive Utilization of Rice Wine Waste[J].Food Research and Development,2024,45(24):202-208.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2023-07-20