白酒糟中功能因子及其提取技術(shù)的研究進(jìn)展

時(shí) 偉，鄭紅梅，何珺珺，吳德光，郭 舉

（1.茅臺(tái)學(xué)院釀酒工程系，貴州仁懷 564500；2.江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院動(dòng)物脂肪沉積與肌肉發(fā)育實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

我國(guó)是白酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，2014-2018年中國(guó)白酒每年平均產(chǎn)量為1 199.5萬(wàn)kL。白酒糟是白酒生產(chǎn)中形成的固體廢棄物，按照產(chǎn)生3～4 t酒糟/t白酒計(jì)算，白酒行業(yè)年產(chǎn)酒糟量約4 000～5 000萬(wàn)t。由于白酒糟濕糟中含有大量水分（60%～70%）、酸度大、不易保存等特點(diǎn)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，如何提高白酒糟的綜合利用效率，對(duì)于提升白酒產(chǎn)業(yè)資源利用和保護(hù)環(huán)境都有極其重要的意義。白酒糟中含有粗纖維、粗淀粉、脂肪、氨基酸、礦物質(zhì)、酶類和多種維生素，不同酒廠白酒糟組成及營(yíng)養(yǎng)水平有所不同[1]。目前對(duì)酒糟的綜合利用主要有生產(chǎn)飼料、肥料；提取蛋白質(zhì)、植酸、復(fù)合氨基酸、微量元素；發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、食醋、甘油和培養(yǎng)食用菌等[2]。

中國(guó)白酒可以降低人體尿酸含量、降低患老年癡呆癥的風(fēng)險(xiǎn)，并能增強(qiáng)人體免疫功能，這與酒體中含有大量的功能因子息息相關(guān)[3-4]。有研究表明，白酒糟體積分?jǐn)?shù)為75%乙醇提取物對(duì)2,2'-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2'-azino-bis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid），ABTS）自由基有較好清除作用，酒糟石油醚提取物對(duì)枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌作用，并且能夠微弱抑制人白血病細(xì)胞（K562）癌細(xì)胞的活性[5]。白酒糟中的功能因子主要包括酸類、醇類、酚類、酯類、醛酮類、活性肽、氨基酸、多糖和吡嗪類化合物，大量研究表明，通過不同的提取方法可以從白酒糟中獲取各種不同的功能因子，本文對(duì)白酒糟中提取的功能因子及其提取技術(shù)進(jìn)行綜述，旨在為白酒糟中功能因子的研究和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考方法。

1 白酒糟中提取的功能因子

白酒糟中的功能因子不僅對(duì)白酒有呈香呈味的作用，還有很重要的生理作用，最近研究發(fā)現(xiàn)許多功能因子有益于人體健康。白酒糟中提取的功能因子情況見表1。

表1 白酒糟中提取的功能因子Table 1 Functional factors extracted from Baijiu distiller's grain

1.1 酸類

甲酸、乙酸、丙酸、丁酸均能為生物體提供能量，增強(qiáng)免疫功能并有調(diào)節(jié)腸道微生物的作用[6]；其中乙酸還能夠促進(jìn)肝臟氧化并抑制脂肪酸合成，從而達(dá)到降血脂、降膽固醇以及延緩血管硬化等功效[7]；丁酸還能促進(jìn)結(jié)腸T細(xì)胞的分化，從而提高腸道的自身免疫能力[8]。乳酸能夠刺激免疫系統(tǒng)，平衡腸道菌群，降低血清自由基和降低腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)等[9]。江思瑤等[10]從白酒糟中提取了酒石酸、甲酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、丙酸、丁酸、己酸，其中乳酸在提取液的有機(jī)酸中含量最高，可達(dá)1.84%。

琥珀酸又名丁二酸，能夠抑制細(xì)菌，增強(qiáng)機(jī)體免疫力。研究表明，利用微生物發(fā)酵白酒糟能夠提取琥珀酸，且最高產(chǎn)率可達(dá)133 mg/g[11-13]。

植酸可以充當(dāng)抗氧化劑，可能會(huì)對(duì)膽固醇和血糖產(chǎn)生積極影響[14]；菲汀是植酸與鈣、鎂等離子形成的復(fù)鹽，是營(yíng)養(yǎng)型藥物，能促進(jìn)新陳代謝、增進(jìn)食欲和營(yíng)養(yǎng)助長(zhǎng)發(fā)育等作用，也適用于治療神經(jīng)系統(tǒng)的各種疾病[15]。田小海等[16-17]分別從白酒糟中提取出了菲汀和植酸，且植酸產(chǎn)量可達(dá)16.92 mg/g。

富馬酸是一種醫(yī)藥中間體，可用于生產(chǎn)治療原發(fā)性高血壓、心絞痛和各種過敏性疾病的藥物，還具有一定的抗菌能力，作為酸味劑在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用[18]。白酒糟中也含有富馬酸，利用少根根霉RH-7-13酒糟水解液進(jìn)行發(fā)酵就能得到22.5 g/L的富馬酸[18]。

1.2 醇類

2,3-丁二醇常被添加到白酒中，以改善白酒的風(fēng)味；還能與乙酸反應(yīng)生成2,3-丁二醇二乙酸酯，該酯可加到奶油中改善風(fēng)味；在脫氫酶的作用下，生成的3-羥基-2-丁酮是一種應(yīng)用廣泛的天然食用香料[19]。YANG T等[20]利用解淀粉芽孢桿菌B10-127發(fā)酵白酒糟，可得到2,3-丁二醇0.81 g/（L·h）。

乙醇在人體內(nèi)能被快速吸收，同時(shí)快速地氧化放熱，所以飲酒可以御寒，適量攝入乙醇可以活血、增加吸氧量、促進(jìn)新陳代謝；另外乙醇本身還是一種殺菌劑和麻醉劑，可以治療慢性消化道疾病和失眠等[4]。通過對(duì)白酒糟發(fā)酵，乙醇產(chǎn)量可達(dá)238 mg/g[21]；如果運(yùn)用連續(xù)乙醇發(fā)酵的方法，根據(jù)葡萄糖濃度不同，乙醇的產(chǎn)率可在91.9%～98.9%[22]。

木糖醇是一種五碳糖醇，在人體中代謝不需要胰島素參與，也不會(huì)造成血糖的急劇變化，可作為糖尿病人的甜味替代品；木糖醇還可預(yù)防齲齒，其在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[23]。任海偉等[24-25]研究表明，利用微生物發(fā)酵方法可以從白酒糟中提取木糖醇，質(zhì)量濃度可達(dá)11.85 mg/mL，轉(zhuǎn)化率可達(dá)57.8%。

1.3 酚類

多酚具有抗氧化、清除自由基、抗菌和保鮮等生物活性，能夠緩解肌肉疲勞，修復(fù)肌肉損傷[26-27]。研究表明，白酒糟中含有豐富的酚類物質(zhì)，從不同來源的白酒糟中提取的總酚的含量不一樣，總酚含量最高可達(dá)29.36%[28-30]。阿魏酸具有抗氧化、抑制腫瘤、提高神經(jīng)系統(tǒng)免疫能力、保護(hù)肝腦損傷以及抗輻射等作用[31-32]。王鑫等[33]利用酶法提取白酒糟中酚酸物質(zhì)，得到總酚酸最高產(chǎn)率為1.51%，其中含有反式-阿魏酸、香豆酸、肉桂酸、4-羥基苯甲酸、4-羥基苯乙酸、香草酸等。此外，據(jù)報(bào)道白酒糟中還含有抗氧化、抗炎、抑菌的黃酮類化合物[34]。王興東等[35]在貴州茅臺(tái)鎮(zhèn)醬香型酒糟中檢測(cè)到總黃酮和總多酚的含量分別為20.40 mg/g和4.78 mg/g。

1.4 酯和醛酮類

酯類是白酒中的主要香味物質(zhì)，對(duì)人體有一定的健康作用。庚酸乙酯、亞麻酸乙酯、亞油酸乙酯等高級(jí)脂肪酸酯在人體內(nèi)水解后生成脂肪酸，可抑制膽固醇合成[36]。5-羥甲基糠醛能夠改善血液流變性，抗酪氨酸酶，抗炎，抑制腫瘤和降低血液中的膽固醇等作用[37]。王興東等[5，38]從茅臺(tái)醬香型白酒糟中提取出不同含量的糠醛、亞油酸乙酯、棕櫚酸乙酯、油酸乙酯，它們占酒糟中香氣成分的84.41%。

1.5 活性肽和氨基酸類

活性肽，在人體內(nèi)有重要的生理作用。表面活性素是由芽抱桿菌屬產(chǎn)生的環(huán)脂肽類表面活性劑，具有廣譜的抗菌性、良好表面活性以及生物相容性。研究表明，利用解淀粉芽孢桿菌MT45和X82共培養(yǎng)發(fā)酵酒糟能夠得到表面活性素含量為3.4 g/L[39]。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制肽具有抗高血壓活性[40]。魏冬等[41]從濃香型白酒酒糟中分離鑒定出6種血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）抑制肽、2種抗氧化肽和1種抑制紫外線引起紅斑的功能短肽。二肽在胞間信息傳遞、抑制毒素、促癌細(xì)胞凋亡和鎮(zhèn)痛方面都有作用[42]。廖勤儉等[43]研究發(fā)現(xiàn)，酒糟黃水中含有二肽和環(huán)二肽，能夠通過細(xì)胞膜的滲透以原形直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，參與細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能等。

乳酸鏈球菌素（Nisin）是從乳酸鏈球菌或乳酸乳球菌發(fā)酵產(chǎn)物中提取的一種多肽抗菌素類物質(zhì)，可被人體內(nèi)的胰凝乳蛋白酶快速分解成氨基酸，不會(huì)產(chǎn)生任何毒副作用[44]，而酒糟可以作為替代原料生產(chǎn)乳酸鏈球菌素[45]。葉翔等[46]從江蘇洋河酒廠白酒糟中檢測(cè)出17種氨基酸，并且氨基酸含量高達(dá)13.45%，可滿足機(jī)體對(duì)各種氨基酸的需要。

1.6 多糖

多糖能控制細(xì)胞分裂和分化，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)與衰老，有些多糖具有抗腫瘤、抗病毒、降血糖、降血壓、抗輻射等藥效[47]。研究表明，通過酸處理法、堿處理法或者酶法可從白酒糟中提取出木糖，由于白酒糟來源和處理方法不同，得到的木糖或木聚糖的產(chǎn)率不同[48-51]，酒糟中殘存著大量的多糖、被富集的蛋白質(zhì)、礦物元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是提取酒糟多糖的較好原料。張世仙等[52]采用酶法提取酒糟多糖，用α-萘酚-硫酸顯色法測(cè)定（以葡萄糖計(jì)）酒糟中多糖含量為10.6%。

1.7 吡嗪類

四甲基吡嗪（tetramethylpyrazine，TTMP）是中國(guó)白酒中重要的功能性物質(zhì)和關(guān)鍵特征香氣成分，常被用作治療心血管和腦血管疾病，對(duì)α-葡萄糖苷酶有抑制活性，對(duì)于高血糖有一定的改善作用，對(duì)甘油三酯有分解能力[53-54]。ZHANG W等[53]使用白酒糟作為固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，用解淀粉芽孢桿菌XJB-104發(fā)酵生產(chǎn)四甲基吡嗪，產(chǎn)量高達(dá)365 mg/（kg·d）。王曉丹等[55]利用高溫大曲中分離得到的地衣芽孢桿菌（Baclicus lincheniformis）提高粹沙酒醬香風(fēng)格特征，將地衣芽孢桿菌FBKL1.0199添加到窖池中層的糟醅中，與空白糟醅作對(duì)比，結(jié)果表明，最佳菌株添加量為5%，發(fā)酵后的酒醅四甲基吡嗪含量達(dá)6.81 μg/g，是對(duì)照組的3.03倍。

2 白酒糟中功能因子提取技術(shù)

白酒糟中功能因子的提取技術(shù)主要有4條途徑：酸或堿處理、酶的催化反應(yīng)、物理萃取和生物發(fā)酵，各種途徑所提取的功能因子不同，目前應(yīng)用最廣泛的是生物發(fā)酵法。

2.1 酸處理法和堿處理法

酸處理法和堿處理法是對(duì)白酒糟進(jìn)行預(yù)處理常用的方法，利用酸或堿降解白酒糟中的纖維素產(chǎn)生單糖，此方法主要用于提取單糖或多糖。酸處理法和堿處理法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用見表2。

表2 酸處理法和堿處理法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用Table 2 Application of acid treatment and alkali treatment in the extraction of functional factors from Baijiu distiller's grain

ZHENG Q等[50]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于瀘州老窖的酒糟酸處理法優(yōu)于堿處理法，用2%硫酸在0.5 MPa、121 ℃條件下預(yù)處理1 h得到的單糖收率比用氫氧化鈉和氫氧化鈣處理得到的收率高。任海偉等[56]比較了酸-超聲波轉(zhuǎn)化、液氮、堿性雙氧水和酸性亞硫酸氫鹽等4種制備方法對(duì)酒糟酶解糖化的效果，結(jié)果顯示，采用酸性亞硫酸氫鹽預(yù)處理后的酒糟，總纖維素的酶解得率最高。因此，酸性亞硫酸氫鹽預(yù)處理是適用于酒糟生物質(zhì)糖化的一種可行方法。植酸的提取常用酸處理法，將酒糟加入一定量的稀酸溶液中進(jìn)行酸浸，浸取液再經(jīng)過一系列后處理即可得到植酸成品[45]，并且在酸濃度1 mol/L，浸提溫度50 ℃，浸提時(shí)間80 min，料液比1∶6（g∶mL）的條件下提取效果最佳[17]。

2.2 酶法

由于白酒糟中含有豐富的纖維素和蛋白質(zhì)，可利用纖維素酶或者蛋白酶進(jìn)行水解，得到單糖和多糖[48，50，52]。酶法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用見表3。正因?yàn)榘拙圃愕乃庖汉胸S富的碳源和氮源，又可作為下一步微生物發(fā)酵的培養(yǎng)基，生產(chǎn)出特定的物質(zhì)，如丁二酸[11]。在此過程中，酶的添加量、酶解時(shí)間、固液比以及pH都會(huì)影響酶法處理的效果。此外，白酒糟中含有大量不能被微生物利用的谷物皮渣，其中除含有蛋白質(zhì)、氨基酸、微量元素等物質(zhì)外，還含有大量與多糖骨架結(jié)合在一起構(gòu)成細(xì)胞壁的酚酸類物質(zhì)（束縛型酚酸）。采用復(fù)合酶酶解干酒糟，得到了較高的總酚酸，尤其是反式-阿魏酸的含量顯著增加，約是酶解前的35倍[33]。

表3 酶法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用Table 3 Application of enzyme method in the extraction of functional factors from Baijiu distiller's grain

2.3 萃取法

白酒糟中總酚的提取最常用的方法就是利用乙醇萃取，乙醇濃度、料液比、提取時(shí)間、提取溫度都會(huì)影響萃取的效果。萃取法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用見表4。研究表明，不同來源的白酒糟最佳的萃取條件并不相同[28-30]，此外，乙醇萃取法還用于提取白酒糟中的二肽和環(huán)二肽類化合物[43]。頂空固相微萃取技術(shù)適用于揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的提取，對(duì)于定性分析酒糟提取液中的微量香氣成分是快捷有效的[57]，江思瑤等[10]對(duì)河北某酒廠的酒糟采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法共鑒定出20種香氣成分，8種有機(jī)酸，16種呈香呈味物質(zhì)。此外，利用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)可從白酒糟中提取呈香呈味物質(zhì)，萃取率最高可達(dá)到18.35%[58]。

表4 萃取法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用Table 4 Application of extraction method in the extraction of functional factors from Baijiu distiller's grain

2.4 生物發(fā)酵法

在眾多的白酒糟綜合利用的方法中，生物發(fā)酵法是目前運(yùn)用最廣泛的方法。生物發(fā)酵法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用見表5。白酒糟中淀粉和蛋白的含量均比較高，可作為微生物發(fā)酵培養(yǎng)基，并選用不同的菌種進(jìn)行發(fā)酵得到不同的功能因子。一般常用的菌種有霉菌、細(xì)菌和酵母菌。張玉嶺[18]用少根根霉RH-7-13發(fā)酵白酒糟得到22.5 g/L的富馬酸。ZHOU X B等[12]用放線桿菌CGMCC 1593在37 ℃和100%厭氧條件下對(duì)洋河酒廠酒糟發(fā)酵處理，得到產(chǎn)量為35.5 g/L的琥珀酸。解淀粉芽孢桿菌的應(yīng)用也較為廣泛，可用于生產(chǎn)提取丁二醇、表面活性素、四甲基吡嗪等功能因子[20，39，53]。酵母菌常用于白酒糟中提取乙醇、木糖醇等[21-22，24]。郝標(biāo)等[21-22]均用酵母菌發(fā)酵白酒糟提取乙醇，由于酒糟來源和酵母菌菌株不同，最終得到的乙醇產(chǎn)量不同。任海偉等[24]利用熱帶假絲酵母（Candida tropicalis）1779發(fā)酵酒糟水解液提取木糖醇，結(jié)果表明，當(dāng)種子齡27 h、接種量20 mL、裝液量100 mL、氮源添加量20 mL、氮源質(zhì)量濃度48 g/L時(shí)，發(fā)酵液中木糖醇產(chǎn)量為11.85 mg/mL，木糖利用率和還原糖利用率分別為45.62%和74.81%。

表5 生物發(fā)酵法在白酒糟功能因子提取中的應(yīng)用Table 5 Application of biological fermentation in the extraction of functional factors from Baijiu distiller's grain

研究表明，多菌種發(fā)酵比單菌種發(fā)酵產(chǎn)生的真蛋白多[59]。焦肖飛等[60]利用枯草芽孢桿菌、白地霉和產(chǎn)朊假絲酵母對(duì)白酒糟進(jìn)行單菌和復(fù)合菌發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，通過三菌單因素發(fā)酵試驗(yàn)及正交試驗(yàn)確定最佳發(fā)酵條件為：添加15%的麩皮和2%的尿素，先接種5%的枯草芽孢桿菌和10%的白地霉30 ℃培養(yǎng)24 h，然后接種5%的產(chǎn)朊假絲酵母30 ℃培養(yǎng)72 h，此時(shí)真蛋白的含量為24.85%，粗蛋白含量達(dá)32.09%，粗纖維含量降低到17.66%。此外，多數(shù)天然菌種發(fā)酵效率較低，可利用基因工程技術(shù)對(duì)天然菌種進(jìn)行改良，提升生產(chǎn)效率，其中應(yīng)用較多的是重組大腸桿菌[45，61]。

3 總結(jié)與展望

目前我國(guó)白酒糟的產(chǎn)量巨大，并且呈上升的趨勢(shì)，利用白酒糟提取功能因子只是白酒糟綜合化利用的一個(gè)方面，并不能完全解決白酒糟帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，所以探究其綜合利用的途徑仍需要更深入和更廣泛的研究。應(yīng)進(jìn)一步探索白酒糟功能因子在食品和醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造更高的價(jià)值，提高企業(yè)研究利用白酒糟的動(dòng)力；目前白酒糟在利用時(shí)方向單一，很容易在利用后產(chǎn)生二次廢物，所以需要探尋白酒糟更高效的利用方法，使酒糟中各種組分得到資源化利用。白酒糟中含有大量的纖維素和難降解物質(zhì)，隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)一種能夠高效酵解白酒糟的微生物成為可能；還可以利用合成生物學(xué)的技術(shù)，定向設(shè)計(jì)合成能夠利用白酒糟等生物質(zhì)資源的微生物，可持續(xù)性的生產(chǎn)能源，既減輕環(huán)境的壓力又能讓資源利用最大化，這也將是未來的一個(gè)研究熱點(diǎn)方向。