乙醇生產工藝對DDGS蛋白營養價值影響的研究進展

王曉杭，何華軍，梅 軒

（1.景寧畬族自治縣食品藥品檢驗檢測中心，浙江景寧 323500；2.景寧畬族自治縣國有資產投資經營有限公司，浙江景寧 323500）

1 前言

隨著生物燃料能源的發展，谷物提取乙醇已成為一個相當大的產業，且呈逐漸增長的趨勢。生產過程中除了乙醇還伴隨大量副產品，如干酒糟及其可溶物（DDGS）。乙醇生產過程中淀粉含量降低，從而使未參與發酵的營養素含量升高（Liu，2011）。如玉米DDGS粗蛋白質含量占干物質的30%，小麥DDGS粗蛋白質含量占干物質39%（Cozannet等，2010）。因此，DDGS可以作為單胃和反芻動物蛋白來源。DDGS中蛋白質含量通常是用其使用的原料蛋白質含量作為評估，玉米DDGS粗蛋白質含量低于小麥DDGS（De Boever等，2014）。關于DDGS的營養價值不僅要考慮粗蛋白質水平，而且要考慮其降解性和消化率，因為反芻動物原料配比與蛋白價值之間的相關性是有限的。同樣，一些研究表明，DDGS的蛋白質質量不能簡單地歸因于原料類型或生長條件，尤其是在反芻動物上的應用存在很大差異（De Boever等，2014）。DDGS干燥過程對蛋白質消化率影響很大，這一過程也是決定DDGS在豬和牛上蛋白的應用價值。干燥雖然是許多文獻報道中影響DDGS蛋白營養價值的主要因素，但并不是影響蛋白質質量的唯一重要步驟。乙醇生產工藝包括研磨、蒸煮、發酵、蒸餾、離心、蒸發、混勻和干燥，所有這些步驟理論上都會影響DDGS的蛋白質質量（Rosentrater等，2012）。此外，工廠內部及工廠之間可能存在技術細節上的差異，如研磨粒度、溫度、添加化學物或產品的分離和混合等（Liu，2011）。

2 干燥和加熱的影響

熱可以通過改變蛋白質的二級和三級結構來提高蛋白質的消化率，但在探討DDGS時，通常會討論加熱對其蛋白營養價值的負面影響（Mauron，1990）。熱可以誘發美拉德反應，美拉德反應實際上是一系列氨基酸與還原糖之間的反應。氨基酸通過氨基側鏈的修飾或交聯而降低消化率，但也可能使氨基酸完全破壞（Mauron，1990）。另外，熱處理可以影響植物細胞壁，包括與纖維結合的含氮化合物、木質素聚合物，從而使DDGS中酸性洗滌纖維、木質素特別是酸性洗滌不溶氮的含量較高（Kleinschmit等，2007）。熱處理對總蛋白的影響方式可能與氨基酸不同，其中賴氨酸特別容易受熱影響（Mauron，1990）。對于單胃動物來說，由于體內缺乏纖維降解酶，因此，增加氮與植物細胞壁的結合可以降低盲腸前端氮的消化率。此外，日糧中提供的氨基酸很重要，特別是對于瘤胃，可以通過瘤胃微生物為宿主提供氨基酸。在反芻動物營養中，DDGS干燥可能在一定程度上有利于遷移蛋白質消化的部位，即通過增加瘤胃未消化飼料蛋白的利用，提高小腸中可消化和吸收的蛋白質，而對蛋白質的結構無影響（Kleinschmit等，2007）。同時由于降低了總蛋白和氨基酸的固有消化率，美拉德反應的產物也可能通過抑制消化酶影響營養物質的整體消化率（Mauron，1990）。

與濕基酒糟及其可溶物（DGS）相比，干基DGS的效果顯著，但目前關于這兩種產物的應用研究報道較少（Smith和 Makkar，2012）。Frikins等（1984）發現，濕基和干基DDGS對反芻動物氮的降解率影響是一致的，但Ham等（1994）認為，干基DGS的降解率要高于濕基DGS。濕基小麥DGS較干基小麥DGS顯著提高了仔豬回腸賴氨酸和蛋氨酸的表觀消化率（Lyberg等，2013）。然而，在上述研究中，試驗用的原料不是來自同一廠家，發表的實驗結果也僅能說明干燥后的DDGS達到了一定的效果。Kleinschmit等（2007）發現，干基酒糟較濕基酒糟提高了瘤胃未消化飼料蛋白，但對瘤胃未消化蛋白在小腸的表觀消化率無顯著影響。Pahm等（2008）將一批酒糟的樣品置于冷凍或烘干條件下發現，加熱降低了總賴氨酸和參與美拉德反應賴氨酸的含量，說明了不僅僅是濕基DGS和干基DGS存在差異，干燥過程的變化也可能導致來自不同來源或同一植物DDGS之間存在差異（Monceaux和 Kuehner，2009）。

3 加熱對DDGS品質的影響

3.1 顏色 在干燥過程，加熱會影響DDGS的顏色，如進口美國玉米DDGS是金黃色的，是目前市場上很受歡迎的原料（Shurson等，2012）。一種更科學的方法是測量飼料的顏色變化，如亮度、紅度、黃度。DDGS的顏色變量與雞的氨基酸消化率、生長速率和料比有相關性（Fastinger等，2006）。小麥DDGS與豬對賴氨酸的消化率也存在相關性（Cozannet等，2010）。但 DDGS的顏色變化并不能反應反芻動物對其蛋白質的利用率。此外，由于谷物種類的內在顏色不同，因此用DDGS混合物的顏色來評判蛋白質特性存在一定缺陷。De Boever等（2014）根據DDGS的這一特點建立了瘤胃未消化飼料蛋白與不同原料DDGS顏色分數之間的變量關系，同時需要注意的是，玉米DDGS和小麥DDGS的顏色也會受到與濕法酒糟混合的濃縮酒液量的影響（Cao等，2009）。

3.2 酸性洗滌不溶氮 DDGS中酸性洗滌不溶氮的濃度可能與單胃動物的蛋白質有關。有研究表明，日糧酸性洗滌不溶氮含量與肉雞的日增重和料比及豬回腸必需氨基酸標準消化率存在相關性（Almeida等，2013）。然而，在反芻動物營養中，關于酸性洗滌不溶氮對蛋白特性的描述及加熱損傷還存在爭議。Boila和Ingalls（1994）發現，酸性洗滌不溶氮對反芻動物粗蛋白質消化率具有負面影響，但Kleinschmit等（2007）認為無相關性。使用酸性洗滌不溶氮作為蛋白質損傷的指標可能會低估DDGS中的蛋白水平。如果DDGS中的酸性洗滌不溶氮來源于谷物的莖稈本身，則認為它是不可降解和消化的，而美拉德反應產生的酸性洗滌不溶氮則是部分可消化的（Waters等，1992）。在此基礎上，通過DDGS中酸性洗滌不溶氮與相應原料中酸性洗滌不溶氮含量的比較可以估算出加工過程產生的酸性洗滌不溶氮含量。

3.3 氨基酸 DDGS通過熱處理會顯著降低賴氨酸的含量（Almeida等，2013）。Kim等（2012）指出，DDGS中賴氨酸含量較前幾年有上升趨勢，這表明，乙醇工業加工方法的整體改進降低了DDGS熱損傷。關于熱處理對DDGS的影響報道主要集中在賴氨酸上，因為賴氨酸在很多飼喂條件下都屬于第一限制性氨基酸，特別是豬。此外，賴氨酸特別容易和糖發生美拉德反應，通常用于反應總蛋白的熱損失程度。總賴氨酸與粗蛋白質的比值已被證明與標準回腸可消化必需氨基酸的濃度有關（Almeida等，2013），因此有人用賴氨酸與粗蛋白質比值對DDGS進行分級。由于氨基酸的測定過程涉及酸水解步驟，總賴氨酸的濃度包括賴氨酸和美拉德反應結合的賴氨酸（這部分動物無法消化）。DDGS中賴氨酸含量的測定通常采用反硝酸鈉和高精氨酸法（Pahm等，2008）。氨基酸測定過程中在酸水解步驟中形成了糠氨酸，假設其組成為不參與反應的賴氨酸的0.32，根據氨基酸分析過程中產生0.40個未反應的賴氨酸，測定其含量和總賴氨酸含量，計算出參與美拉德反應的賴氨酸比例，但試驗中的固定因子0.32～0.4是基于加熱處理的牛奶數據，而不是DDGS的數據（Kim等，2012）。由于糠氨酸僅在美拉德反應的早期形成，因此，對熱損傷較嚴重的飼料進行評價可能具有一定的局限性（Boucher等，2009）。在高精氨酸法中，參與美拉德反應的賴氨酸在酸水解前被轉化為高精氨酸，從而通過色譜法可以分離出反應的賴氨酸和未反應的賴氨酸。在一項包括33個玉米DDGS樣品的研究中，總賴氨酸中的平均值為0.74（高精氨酸法）或0.84（糠氨酸法）為參與美拉德反應的賴氨酸，但存在較大的差異（Kim等，2012；Pahm等，2008）。DDGS中回腸標準可消化賴氨酸含量已被證明與兩種方法估計的反應的賴氨酸含量相關，而且，與單獨計算總賴氨酸相比，將參與反應的賴氨酸計算在內可以獲得較高的預測精度（Kim等，2012）。有研究還探討了回腸可消化賴氨酸消化率的估測，而不是總賴氨酸消化率（Rutherfurd，2012）。然而，Pahm等（2008）發現，肉仔雞對DDGS中標準可消化賴氨酸與賴氨酸的生物學利用率無數值上的差異，其認為參與美拉德反應的賴氨酸可以被消化，但不能參與蛋白質的合成，如通過尿液排出體外（Mauron，1990）。然而，關于美拉德反應產生的復合物的代謝還有待進行一步探討。

4 其他加工因素的影響

4.1 干燥前的熱效應 有學者認為，對DDGS產生的熱效應不僅是在干燥步驟，還發生在加工過程，如噴煮麥芽漿，糖化或蒸餾脫水過程（Pahm等，2008）。乙醇廠的高能耗會影響原料或冷淀粉水解的應用（Cinelli等，2015）。這個概念在幾十年前已經被討論過，但現在已經被一些乙醇生產公司提煉和采用，該方法用酶解淀粉的方法代替了噴氣蒸煮和糖化的步驟，這樣可以降低DDGS熱損傷的風險（Gibreel等，2009）。原淀粉水解需要額外的酶，包括一系列可能影響谷物蛋白的蛋白酶，但用原淀粉水解代替常規淀粉水解對DDGS營養價值的影響還不是很清楚，大部分關于原淀粉水解的研究都集中在乙醇產量和能量消耗方面（Cinelli等，2015）。

4.2 混合 干燥前或干燥期間，將濕基DGS和濃縮蒸餾物混合，這個步驟很難控制，而且兩個蒸汽量的比例可能會不同（Belyea等，2010），這也是DDGS粗蛋白質含量存在差異的原因。Kingsly等（2010）認為，加入到濕基DGS中的濃縮蒸餾物是影響DDGS成分組成的主要原因，且隨著添加比例的升高，DDGS中瘤胃可降解蛋白水平相應升高。Pahm等（2008）發現，干燥過程同時采用高溫和添加高比例濃縮蒸餾物可以降低賴氨酸發生美拉德反應，因為濕基DGS中賴氨酸含量和濃縮蒸餾物中的糖分含量均較高。提高濃縮蒸餾物的添加量可以提高小麥DDGS蛋白含量，但降低了玉米DDGS蛋白含量（Kingsly等，2010；Cao等，2009）。一般情況下，對生產車間內的蒸汽流進行調節意味著一些蛋白質可能經過不止一次的加工步驟，如薄壁蒸餾液的部分回收通常用于節約水，但部分已經干燥的物料又回收到烘干機中再經過一次干燥（Kingsly等，2010）。

4.3 化學物質 乙醇生產過程的控制需要在發酵酒糟中加入各種酶和化學物質，如為了促進酵母生長添加尿素或氨（Bothast和Schlicher，2005）。與谷物中的氮相比，額外添加氮的作用還不清楚。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，這些酶可以直接靶向降解谷物蛋白，從而影響DDGS蛋白質的價值（Johnston和 McAloon，2014）。

4.4 原料粉碎 谷物粉碎是乙醇生產過程的第一步，主要是為了得到更多淀粉，同時粉碎也決定DDGS的最終粒度。不同來源的DDGS粒徑有很大差異，一般來說，飼料粒度越小，營養物質的消化率越高，這在豬上的研究已得到證實（Liu，2011）。目前，鮮見關于原料粉碎對DDGS中蛋白和氨基酸消化率影響的研究報道，需要進一步去探討粉碎過程對谷物蛋白質質量，特別是對結構的影響。一項研究表明，在同一種植物中，DDGS顆粒越小蛋白質含量越高（Liu，2011）。

4.5 酵母 影響DDGS蛋白質質量的另一個因素是酵母細胞的生長，這與原料或加工工藝過程沒有直接關系。酵母的有效含量是乙醇生產過程中氨基酸變化的主要因素（Belyea等，2010）。但由于沒有標準的評估方法，酵母對DDGS的實際貢獻尚不清楚。綜合考慮酵母、玉米和DDGS的氨基酸比例，酵母大概為DDGS提高了200～500 g/kg的蛋白（Belyea等，2010）。考慮到酵母細胞壁的成分，如甘露聚糖含量，酵母提供的量為100 g/kgDDGS（Shurson，2018）。酵母對 DDGS蛋白貢獻的差異可能是由于估算方法不同的原因，但不能排除實際差異。除了整個酵母細胞外，發酵過程中酵母的裂解還能提高發酵產物中游離氨基酸的含量（Johnston和 McAloon，2011）。

5 展望

本文綜述了乙醇生產過程對DDGS蛋白價值的幾種可能的影響。盡管這些化學、生物和技術方面的影響因素原理是已知的，但由于生產過程的復雜性，相關因素之間又存在交互或加性效應，很難量化蛋白質營養價值。如美拉德反應不僅受溫度影響，同時還受水活度和pH的影響。隨著乙醇生產工藝不斷發展，并引進了新技術，如上文所討論的原淀粉水解和谷物蒸餾或分餾，有助于使DDGS的質量評估和判定更為標準化。