一种综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法与流程

本发明涉及废弃生物质资源综合利用领域，尤其涉及一种综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法。

背景技术：

我国是个酒精(白酒、食用乙醇和燃料乙醇)生产和消费大国，每年酒精发酵行业产生2000万吨废弃酒糟。在酒精发酵生产过程中只消耗了谷物中的淀粉成分，而酒糟中仍然残留了很多有价值的成分，包括：蛋白质组分(谷物蛋白和菌体蛋白占15-25％干基)，中性洗涤纤维(纤维素、半纤维素和木质素占30-45％干基)，以及微量营养成分(甘油、b族维生素和多种氨基酸占8-15％)等。因此根据废弃鲜酒糟上述组成成分的特点，其主要的利用方式为加工生产蛋白饲料或直接作为农田堆肥，另外有小部分用于提取甘油和氨基酸等营养物质和作为食用菌培养基质等。但是这些利用方式存在一些问题：(1)产品附加值低，加工生产的酒糟饲料和肥料价格低廉；(2)固体物质残留，提取有效营养成分后仍然不能彻底消除废弃残渣；(3)主成分不能综合利用，只考虑利用其中单一成分，造成其他有效成分的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法，包括如下步骤

步骤一，将鲜酒糟原料进行固液分离，获得酒糟固体和酒糟清液；

步骤二，将所述酒糟固体进行烘干，并粉碎至粒径小于40目的固体粉末；

步骤三，按照1:10-1:25的固体质量与液体体积比，将粉碎后的酒糟固体粉末与质量百分比浓度为2％-10％的碱溶液混合均匀后加入反应器中，在超声波辅助条件下反应20分钟-3小时提取木聚糖，得到反应混合物；

步骤四，将反应混合物进行固液分离，得到木聚糖粗提液和酒糟残渣；

步骤五，将所述木聚糖粗提液在木聚糖酶的作用下水解3-24小时，获得低聚木糖溶液；

步骤六，将所得低聚木糖溶液进行活性炭脱色、离子交换脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。

步骤七，将步骤四所得酒糟残渣与步骤一所得酒糟清液混合，得到酒糟固液混合物，将其进行低温干燥处理，制得干酒糟蛋白饲料。

优选地，步骤一中，所述鲜酒糟选自白酒酒糟、啤酒酒糟和淀粉发酵乙醇的酒糟中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤三中，所述碱溶液选自naoh、koh和氨水中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤三中，所述超声波辅助条件为：频率25-40khz，功率100-1200w，温度20-50℃。

优选地，步骤四和步骤五之间还包括步骤，对所述酒糟残渣进行水洗，将得到的洗脱液加入所述木聚糖粗提液中。

优选地，步骤五中，所述将木聚糖粗提液在木聚糖酶的作用下水解，具体为，调节所述木聚糖粗提液的ph为4-6，加入木聚糖酶，在一定的条件下水解。

优选地，步骤五中，所述木聚糖酶选自木聚糖内切酶,或木聚糖内切酶与木聚糖外切酶的混合物,或木聚糖内切酶与阿魏酸酯酶的混合物，或木聚糖内切酶与乙酰木聚糖酯酶的混合物。

优选地，步骤五中，所述将木聚糖粗提液在木聚糖酶的作用下水解，具体为，所述木聚糖酶的用量为100-1000u/g木聚糖干物质，水解的温度为30-60℃，反应器的搅拌转速为50-200rpm。

优选地，步骤六中，所述低温干燥处理选自冷冻干燥、低温喷雾干燥或低温真空干燥中的一种。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法，通过对鲜酒糟进行固液分离，获得酒糟固体和酒糟清液；再通过超声波辅助碱溶液低温快速提取酒糟固体中的木聚糖(占半纤维素90％以上)，固液分离获得木聚糖粗提液和酒糟残渣；调节木聚糖粗提液ph并加入木聚糖酶进行水解获得低聚木糖水解液，进一步进行低聚木糖精制；将提取木聚糖后的酒糟残渣与酒糟清液混合进行低温干燥获得蛋白饲料。采用本发明的方法，不仅能够避免传统酒糟饲料中木聚糖成分的浪费，使木聚糖提取能在低温下快速完成，有效避免蛋白质等营养成分的损失；而且采用酶解过程提高了低聚木糖得率，并选择性提高了其中木二糖和木三糖的含量。在提取和转化酒糟木聚糖制备高附加值低聚木糖的同时，获得了具有良好适口性和可消化性的酒糟蛋白饲料，从而实现了酒糟中多种组成成分的综合利用。

附图说明

图1是酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法流程示意图；

图2是超声辅助法与传统碱法对提取木聚糖的影响；

图3是超声辅助法与传统碱法对酒糟中残留蛋白质含量的影响；

图4是采用实施例4的酶解木聚糖制备低聚木糖的结果；

图5是采用实施例5的酶解木聚糖制备低聚木糖的结果；

图6是采用酸解木聚糖制备低聚木糖的结果；

图4-6中，x2、x3、x4、x5、x6分别代表木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖占低聚木糖相对含量；xos代表低聚木糖得率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种综合利用酒糟同时制备低聚木糖和蛋白饲料的方法，包括如下步骤：

步骤一，将鲜酒糟原料进行固液分离，获得酒糟固体和酒糟清液；

步骤二，将所述酒糟固体进行烘干，并粉碎至粒径小于40目的固体粉末；

步骤三，按照1:10-1:25的固体质量与液体体积比，将粉碎后的酒糟固体粉末与质量百分比浓度为2％-10％的碱溶液混合均匀后加入反应器中，在超声波辅助条件下反应20分钟-3小时提取木聚糖，得到反应混合物；

步骤四，将反应混合物进行固液分离，得到木聚糖粗提液和酒糟残渣；

步骤五，将所述木聚糖粗提液在木聚糖酶的作用下水解3-24小时，获得低聚木糖溶液；

步骤六，将所得低聚木糖溶液进行活性炭脱色、离子交换脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。

步骤七，将步骤四所得酒糟残渣与步骤一所得酒糟清液混合，得到酒糟固液混合物，将其进行低温干燥处理，制得干酒糟蛋白饲料。

目前，废弃酒糟的主要利用方式是生产蛋白饲料，主要采用如下方式：将鲜酒糟进行固液分离和分别浓缩干燥获得酒糟蛋白饲料，但是，这种方式生产的酒糟蛋白饲料中会含有大量的中性洗涤纤维，其中木聚糖占干基的20％以上。在使用的过程中，尽管反刍动物能够将其转化为可溶性的木糖，但是木糖并不能被动物吸收利用，从而导致酒糟蛋白饲料中木聚糖资源的浪费。另外，单胃动物不能有效消化利用这些纤维聚糖物质，大量的固态纤维使肠道内食物运动困难，不仅阻碍消化酶与饲料之间的相互作用，而且降低消化产物向粘膜表层的扩散和吸收，从而影响动物的生长。

针对上述问题以及现有技术，本发明提出了新的方案，不是单纯的只考虑降低酒糟蛋白饲料中不被利用的木聚糖，因为即便通过加入水解酶或通过微生物发酵等方法能够降低饲料中木聚糖的含量，但是酶解产生的木糖不能被动物利用，仍造成资源浪费；而且，酶解产生的木糖和低聚木糖仍然存在于酒糟蛋白饲料中，无法进行有效的分离和利用，从而无法提高酒糟蛋白饲料的附加值。

本发明提出的方法是在利用酒糟生产蛋白饲料前，有效分离和提取木聚糖成分，不仅有助于改善蛋白饲料的适口性、提高消化率，而且提高产品的附加值。

具体的，本发明中，在利用酒糟生产蛋白饲料前，提取酒糟中含有的木聚糖成分，从而改善蛋白饲料的利用率，而且利用木聚糖制备低聚木糖，其附加值明显高于蛋白饲料的价值，从而提高了酒糟废物利用得到的产品的整体附加值。

目前，低聚木糖的生产主要以玉米芯为原料，通过稀酸蒸煮法和酶解碱提木聚糖的方法进行制备。虽然我国每年产生大量玉米芯，但是大部分被用于木糖、木糖醇和糠醛的工业生产，而只有少量的玉米芯可以用于生产低聚木糖。所以，以玉米芯为原料生产低聚木糖，不能满足低聚木糖的生产需求。

本发明提出的方案，以酒糟为原料生产蛋白饲料之前，先提取木聚糖，再利用木聚糖生产低聚木糖，由于酒糟资源非常丰富，而且含有大量木聚糖，所以，能够满足生产低聚木糖的需求。

但是，现有技术中，利用稀酸蒸煮法和酶解碱提木聚糖生产低聚木糖的方法，不能有效的适用于酒糟原料。

其中，稀酸蒸煮法不能有效的控制水解过程中低聚木糖内不同聚合度组分的含量分布，容易发生水解过度产生大量的木糖单糖，从而导致最终低聚木糖得率下降。

酶解碱提木聚糖的方法通过高温碱溶液提取原料中木聚糖，然后通过木聚糖酶将其转化为低聚木糖，并提高其中木二糖和木三糖含量。但是高温碱溶液提取木聚糖的方法并不适合酒糟原料，因为碱溶液在高温下容易破坏酒糟中的蛋白质，从而影响后续酒糟蛋白饲料生产的质量。

针对上述方法中存在的问题，本发明中，提出了低温提取木聚糖的方法，即在超声波辅助条件下，进行木聚糖的提取操作，这种方法不仅能够有效的从酒糟中提取出木聚糖，而且不会破坏酒糟中的蛋白质成分，从而不会影响后续生产的酒糟蛋白饲料的质量。进而通过木聚糖酶混合酶催化木聚糖转化为低聚木糖的方法提高酶解得率，并选择性提高其中木二糖和木三糖含量。

本发明实施例提供的方法，将鲜酒糟中的不能被动物利用的木聚糖成分提取出来后，再将剩余的酒糟经过低温干燥处理制备酒糟蛋白饲料，从而使得酒糟得到综合利用，避免剩余的酒糟残渣的浪费。

本发明实施例中，步骤四和步骤五之间还可以包括步骤，对所述酒糟残渣进行水洗，得到洗脱液，将所述洗脱液加入所述木聚糖粗提液中。

通过采用上述方法，可以进一步回收酒糟中的木聚糖成分，提高其提取率。同时能够避免酒糟上残留的碱溶液影响后续蛋白饲料的生产质量。

本发明实施例中，步骤一中，所述鲜酒糟可以选自白酒酒糟、啤酒酒糟和淀粉发酵乙醇的酒糟中的一种或几种的混合物。

如本领域技术人员可以理解的，对于不同的生产厂家，可以根据自身的实际情况，选择鲜酒糟的种类，比如，如果白酒酒糟比较容易获取，或者成本较低，则可以选择白酒酒糟，同理，可以选择其他种类的酒糟。

步骤三中，所述碱溶液可以选自naoh、koh和氨水中的一种或几种的混合物。

如本领域技术人员可以理解的，还可以选用其他的与naoh、koh和氨水性质相似的碱溶液。

本发明实施例中，步骤三中，所述超声波辅助条件可以为：频率25-40khz，功率100-1200w，温度20-50℃。

如图2和3所示，采用本发明具体实施例1-3提供的超声波辅助提取木聚糖的方法，与采用传统碱法提取方法(条件为：naoh浓度8％，搅拌转速150rpm，温度80℃，提取5小时)相比，超声辅助提取法不仅能够有效降低提取所需的温度，有效避免传统碱法高温蒸煮提取木聚糖过程对酒糟中蛋白质成分的降解破坏。而且，由于传统方法是提取需要5小时，超声波一般只需要30分钟-3小时就可以达到实施例中的木聚糖提取率，所以，采用超声波辅助法能够更加高效的提取木聚糖，得到的木聚糖含量更高。

本发明实施例中，步骤五中，所述将所述木聚糖粗提液在木聚糖酶的作用下水解，具体为，调节所述木聚糖粗提液的ph为4-6，加入木聚糖酶，在一定的条件下水解。

本发明实施例中，步骤五中，所述木聚糖酶选自木聚糖内切酶、木聚糖内切酶与木聚糖外切酶的混合物、木聚糖内切酶与阿魏酸酯酶的混合物，或木聚糖内切酶与乙酰木聚糖酯酶的混合物。

本实施例中，使用的最关键的酶是木聚糖内切酶，它的作用是在木聚糖的长链内部随机水解β-1,4木糖苷键，能够水解得到聚合度为2-6的低聚木糖。

外切酶是在木聚糖的长链的非还原端逐个水解产生木糖单糖，其实在生产低聚木糖中并不重要，单一使用不能得到低聚木糖，需要和内切酶混合使用，其混合比例可以为：1:2-1:10。

阿魏酸酯酶能够水解木聚糖与木质素相连的酯键，从而有效的释放木聚糖，减少木质素对木聚糖酶产生的空间位阻，但是单独使用对低聚木糖制备没有影响，与木聚糖内切酶混合使用有助于提高低聚木糖酶解得率。

乙酰木聚糖酯酶性质与阿魏酸酯酶类似，也是与内切酶混合使用效果好。

本发明实施例中，所述木聚糖酶的用量为100-1000u/g木聚糖干物质，水解的温度为30-60℃，反应器的搅拌转速为50-200rpm。

提取所得木聚糖在上述酶解条件下的低聚木糖得率以及其中木二糖和木三糖含量明显优于稀酸水解木聚糖的效果，如图4-6所示。

本发明实施例中，步骤六中，所述低温干燥处理可以选自冷冻干燥、低温喷雾干燥或低温真空干燥中的一种。

实施例1

取玉米淀粉发酵酒精产生的鲜酒糟，将其固液分离，分别获得酒糟固体和酒糟清液。将酒糟固体烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为6％的naoh溶液混合，固液比为1:20，在超声频率25khz，功率200w，温度20℃条件下提取3小时。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph4.0，加入商品酶pentopanplusbg，酶用量为1000u/g木聚糖干物质，在温度30℃、搅拌转速150rpm条件下水解3小时，低聚木糖酶解得率可达70.7％，木二糖和木三糖分别占低聚木糖总量的48.8％和23.7％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣与酒糟浓缩液混合，进行低温冷冻干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达27.5％。

实施例2

取新鲜啤酒糟进行固液分离，分别获得酒糟固体和酒糟清液。将酒糟固体烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为8％的koh溶液混合，固液比为1:10，在超声频率40khz，功率600w，温度40℃条件下提取30分钟。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph6.0，加入商品酶shearzyme500l，酶用量100u/g木聚糖干物质，在温度60℃、搅拌转速200rpm条件下水解24小时，低聚木糖得率可达75.6％，木二糖和木三糖分别占低聚木糖总量的45.3％和28.2％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣与酒糟浓缩液混合，进行低温冷冻干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达30.7％。

实施例3

取新鲜白酒糟烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为10％的氨水溶液混合，固液比为1:25，在超声频率30khz，功率900w，温度50℃条件下提取30分钟。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph5.5，加入商品酶bakezyme-hsp，酶用量为500u/g木聚糖干物质，在温度50℃、搅拌转速180rpm条件下水解12小时，低聚木糖酶解得率可达75.7％，其中木二糖占43.1％，木三糖占24.2％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣低温真空干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达25.7％。

实施例4

取玉米淀粉发酵酒精产生的鲜酒糟,将其固液分离，分别获得酒糟固体和酒糟清液。酒糟固体烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为2％的naoh溶液混合，固液比为1:20，在超声频率25khz，功率1200w，温度50℃条件下提取2小时。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph5.5，加入木聚糖酶pentopanplusbg和阿魏酸酯酶，酶用量分别为400u/g和100u/g木聚糖干物质，在温度40℃、搅拌转速50rpm条件下水解6小时，低聚木糖酶解得率可达78.3％，其中木二糖占37.8％，木三糖占24.5％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣低温真空干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达28.1％。

实施例5

取玉米淀粉发酵酒精产生的鲜酒糟,将其固液分离，分别获得酒糟固体和酒糟清液。酒糟固体烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为5％的koh溶液混合，固液比为1:15，在超声频率25khz，功率400w，温度30℃条件下提取40分钟。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph4.8，加入商品酶bakezyme-hsp和乙酰木聚糖酯酶，酶用量分别为300u/g和100u/g木聚糖干物质，在温度50℃、搅拌转速150rpm条件下水解12小时，低聚木糖酶解得率可达85.7％，其中木二糖占43.5％，木三糖占34.8％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣低温真空干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达31.3％。

实施例6

取新鲜啤酒糟进行固液分离，分别获得酒糟固体和酒糟清液。将酒糟固体烘干、粉碎、过40目筛，与浓度为8％的naoh溶液混合，固液比为1:10，在超声频率30khz，功率900w，温度25℃条件下提取30分钟。将混合物固液分离，分别得到木聚糖粗提液和剩余酒糟残渣，并对剩余酒糟残渣进行水洗，洗脱液与木聚糖提取液混合。将木聚糖粗提液调节ph5.0，加入木聚糖酶pentopanplusbg和阿魏酸酯酶，酶用量分别为200u/g和50u/g木聚糖干物质，在温度30℃、搅拌转速150rpm条件下水解24小时，低聚木糖酶解得率可达78.7％，其中木二糖占38.4％，木三糖占25.8％。进一步通过活性炭脱色、离子交换柱脱除杂质离子、减压蒸馏浓缩，获得精制低聚木糖液。最后，将提取木聚糖后剩余酒糟残渣低温真空干燥处理，得到干酒糟蛋白饲料，其中粗蛋白含量可达27.9％。

本发明所涉及的酶制剂不局限于上述所用木聚糖内切酶bakezyme-hsp、pentopanplusbg和shearzyme500l等商品酶，还可以为上述木聚糖内切酶与其他木聚糖外切酶、阿魏酸酯酶和乙酰木聚糖酯酶等商品酶中的一种或几种混合酶，或通过微生物发酵生产的上述酶复合物的粗酶液。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

(1)本发明实施例提供的方法，利用废弃酒糟资源同时制备低聚木糖和蛋白饲料，通过将酒糟中不被禽畜利用的半纤维素组分转化为低聚木糖，不仅避免了酒糟中主要组分的浪费，有效改善了酒糟蛋白饲料时的适口性和可消化性，而且生产出了高附加值的低聚木糖，增加了酒糟转化产物的附加值，实现了酒糟废物的高效综合利用，有望进一步延长酒精发酵企业的产业链；

(2)本发明适用的酒糟原料种类广泛，包括多种酒精发酵工艺产生的白酒糟、啤酒糟和玉米淀粉发酵酒精产生的酒糟中的一种或多种混合；

(3)本发明在传统的酒糟饲料生产工艺基础上增加超声辅助低温碱法提取木聚糖操作，缩短了木聚糖提取时间、降低了碱法提取木聚糖的温度，从而避免了酒糟中蛋白质等营养物质在传统高温碱法提取木聚糖过程中发生水解造成的损失；

(4)利用本发明的方法提取所得的木聚糖液，只需调节ph就可以直接进行后续酶解制备低聚木糖的过程，无需浓缩提高原料中木聚糖含量，所以，有效的简化了操作工序，降低了操作成本；

(5)本发明提供的方法中，通过生物酶法水解木聚糖制备低聚木糖，与传统稀酸蒸煮或水热反应制备低聚木糖方法相比，能够显著提高低聚木糖得率，并有效控制酶解产物中低聚木糖的聚合度分布，提高其中木二糖和木三糖等活性功能成分的含量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。